Descobri como fazer isso facilmente.
É só usar a função argsort.
>>> a = array([ 3.5, 0.5, 1. , 4. , 1.5, 0. , 3. , 2.5, 4.5, 0.5])
>>> argsort(a)
array([5, 1, 9, 2, 4, 7, 6, 0, 3, 8])
Ou seja, o menor elemento de "a" é o elemento de índice 5, depois o de índice 1 e assim por diante.