恢复近百年北半球500hPa高度场的试验*龚道溢王绍武（北京大学地球物理系100871）提要：高空环流与地面温度、海平面气压等气象要素有密切联系.而较为完整的北半球地面温度及地面气压都可追溯到上世纪后期.本文根据观测的地面温度和气压资料利用逐步回归的多元统计方法,恢复1873年以来的北半球冬季和夏季500hPa高度场,并用1951-1957年的独立资料进行了检验,分析表明恢复方案是可行的,恢复的结果是可信的。关键词：500hPa高度场恢复1前言研究高空大气环流的长期变化特征，对于我们认识和理解大气环流本身及区域和全球气候变化都有重要意义。但是，北半球较为系统的高空观测资料只有自1940年代后期开始到现在约50年长度，因此，如何可靠地恢复历史时期高空大气环流场，既是一个很重要的基本问题，又有很大的应用价值。高空大气环流与近地面气候要素有密切的联系，使用多元统计方法，利用高度场资料对地面气候要素进行诊断和预报已经得到广泛应用；反之，也可以根据地面气候要素来恢复高度场。根据地面观测气候要素来恢复高空环流场的实验工作已有许多，如黄嘉佑和王绍武曾利用我国气温和降水作了恢复东半球夏季大气环流场的实验[1]，张邦林等也作利用我国夏季降水距平恢复北半球夏季环流场的实验[2]，Klein和Dai[3]曾尝试利用地面观测的气温、降水、海平面气压等要素来恢复北美地区及西半球700hPa高度，表明只用气温和海平面气压资料恢复效果最好。不过，这些工作大都是实验性的，受资料条件限制，从时段、区域和季节上都有很大局限性，并无成熟的系统恢复结果。近年来全球范围的逐月地面温度格点资料和北半球海平面气压格点资料都陆续发表，1958年以来有完整的再分析资料,本研究试图根据这些地面气候要素的长期观测资料，来重建1873年以来北半球月平均500hPa高度，为大气环流及气候变化研究提供一套时间长、覆盖整个北半球的500hPa高度场资料。2资料与方法本研究使用的资料主要包括：（1）再分析500hPa高度资料(NCEP/NCAR)，从1958到1997年，全球5纬度5经度；（2）全球陆地-海洋混合温度资料5纬度5经度，来源见Jones(1994)[4]和Parker等(1995)[5]的详细说明,时间从1851年到1997年；（3）北半球5纬度10经度海平面气压，由英国EastAnglia大学气候研究室(CRU/UEA)提供，从1873年到1995年。（4）国家气候中心的北半球500hPa高度场，10N以北范围，5纬度10经度菱形网格，时间为1951年以来。利用不完整的观测地面温度和气压来恢复500hPa高度场的途径通常有以下几种：（1）物理方法，即海平面气压加上由对流层温度换算的厚度，得到相应的500hPa高度；（2）统计方法，即根据已有的资料，利用多元回归、EOF或CCA等途径建立500hPa高度*本研究得到自然科学基金项目“49635190”及“中国博士后基金”资助。场与海平面气压、温度等要素的统计关系，再对缺失资料作出估计；（3）气候模式方法，根据观测的海平面气压、地面气温等，利用气候数值模式进行资料的同化处理以得到相应的500hPa高度场。考虑到资料的覆盖面和计算量问题，这里只使用逐步回归分析方法。具体步骤是：（1）将所有资料都统一处理成距平值，取1961年-1990年的多年平均；（2）选择需要恢复高度的格点及年份和月份，读出所有相应的地面要素；（3）根据1958年至1995年38年500hPa和地面要素资料，用逐步回归方法，选择最优因子组合，建立500hPa和地面要素资料间的回归方程，这里作为预报量的500hPa高度场使用的是再分析资料，这样做是考虑到国家气候中心的高度资料来源经过多次变动，可能存在不连续性，尤其是1990年代前期[6]，为尽量较少资料本身可能造成的误差，所以选择再分析高度资料；（4）将相应的历史时期地面要素代入回归方程，计算出恢复的500hPa距平值。需要指出的是，这里逐步回归方法中控制因子选择的标准有2条，一是双重F检验，考虑到待选因子较多，这里F取值偏严，为5.0，入选和剔除都以此值为准；二是1%的方差贡献百分率，即只有方差贡献在1%或以上的因子才能入选。如果只考虑拟合，当然是入选因子越多，对总的方差贡献也就越大，但实际上每种因子的入选在做预报时也同时会带进误差，因子越多...