中高纬度和热带系统协同对华南前汛期持续性强降水的影响

论文摘要

本文利用再分析资料和中国台站逐日降水资料,讨论了华南前汛期(4–6月)降水及其相关大尺度环流场的持续性特征和低频特征,重点分析了准双周尺度上,中高纬度遥相关波列以及热带地区海气相互作用对华南前汛期持续性强降水的影响及其物理机制。在此基础上,通过定义低频环流指数,定量分析讨论了不同环流型对华南前汛期持续性强降水的相对贡献和协同作用。本文得到的主要结论如下:由1981–2010年华南前汛期期间降水异常事件的统计情况可知,前汛期总降水异常主要由持续性降水事件(持续3天及以上的降水事件)贡献。对大尺度环流场的分析发现,中高纬度两条波列(横跨亚欧大陆的高纬度波列和沿副热带西风急流分布的中纬度波列)的配合以及低纬度地区充足的水汽供应和南海地区的对流异常活动形成的次级环流均与华南前汛期降水的持续性有关。功率谱分析的结果显示,华南前汛期降水呈显著的准双周振荡特征,周期范围为8–24天。以一个气候态标准差为阈值,定义强降水事件,发现大部分真实持续性强降水事件发生在低频振荡的强位相持续时间较长的时候,可见华南前汛期持续性降水异常与准双周振荡有很好的对应关系。通过统计发现,当低频强降水持续时间达到3天及3天以上时,其对应的环流形势稳定,因此定义低频持续性强降水事件为8–24天滤波后的低频降水大于低频降水序列一个气候态标准差且持续3天及3天以上的事件。华南前汛期低频持续性强降水期间,环流的异常场与低频场的空间分布非常相似,中高纬地区同样存在两支低频遥相关波列,且波列形势与异常场基本一致,说明环流的低频振荡对持续性强降水相关的异常环流贡献很大。通过三维波活动通量来描述低频波列的结构形态及传播特征,发现欧洲西部及地中海北部地区为Rossby波源,有波能量分别沿着上述两条波列自北向南以及自西向东传播至下游,汇集在我国东部地区,波能量在华南下沉,引起华南扰动增强,进一步造成环流形势的异常变化。波列随持续性强降水的时间演变特征表明,中纬度波列超前降水出现异常变化的信号,可能是触发强降水的一个原因;而高纬度波列是随着降水的发生发展而变化的,可能是维持降水的一个原因。两条波列波能量的汇合增强了我国东部地区的低压扰动,且有利于环流的异常发展和维持。通过准地转ω方程对华南低频垂直速度的诊断分析发现,波列能够通过动力作用和热力作用影响华南的垂直运动。结果表明经向风对涡度平流的经向输送是引起华南地区垂直运动低频变化的主要因素,而波列通过能量频散造成我国东部地区的扰动异常能够引起该地区涡度的变化,加大华南上空涡度的经向梯度,进而引起华南的上升运动;进一步,随着波列的加强,又使得涡度的经向梯度增大,进而使得垂直上升运动加强并维持,最终导致持续性强降水的发生。热带地区大气低频振荡对华南前汛期持续性强降水相关的异常环流贡献同样很大。南海对流的准双周振荡可通过影响华南的水汽及垂直运动的低频变化,最终影响前汛期强降水的持续性。在准双周尺度上,南海地区的对流与海温形成了一个负反馈过程,且与华南前汛期持续性强降水紧密相关。南海地区的低频冷海温异常通过抑制南海地区低频对流的发展,促进局地低频反气旋的生成,并引起局地下沉运动。进一步由于南海洋面太阳辐射的增多以及向上感热通量的减少,加之偏南风造成的暖海温堆积,导致南海地区低频海温逐渐变为暖异常。此时,热力驱动下的直接环流圈中华南为上升运动,且其上空为气旋性环流控制,水汽输送也加强。在南海地区对流抑制的低频变化过程中,热力直接环流圈及水汽也不断加强,使得华南降水的强度大且持续时间长,最终导致持续性强降水的发生。南海地区的低频暖海温将进一步在该地区激发对流,并促进局地气旋的生成,此时低频垂直环流圈变为上述的反位相,环流条件不利于华南降水。上述南海地区低频海气相互作用的反馈过程及其相关的次级环流圈,即热带系统影响华南持续性强降水的物理过程及机理。在关于中高纬度和热带系统对华南前汛期持续性强降水的影响的研究基础上,分别定义了兼顾两条波列活动的综合低频波列指数WT和表征南海对流强度的低频对流指数SCS_OLR,利用环流指数定义低频持续性强环流事件,要求其同时满足环流的持续性和强度。统计结果显示,低频波列和南海对流协同影响下的环流型,对应的低频持续性强降水事件的发生概率最高,且低频降水的平均强度最强。单一信号影响下,低频降水的强度大大降低。其中,南海对流信号是强降水发生的必要条件,而两个信号的叠加可以使得降水的强度更强。因而中高纬度低频波列和南海低频对流信号的协同作用,对降水的强度和持续性有重要影响。最后根据以上的分析结果,提出以下的预报思路:单个环流信号,可以提供持续性降水的背景,或者发生一次强降水的大背景,但是想要同时满足降水的持续性和强度条件,必须是多个信号叠加的协同影响,尤其是降水的强度,更加离不开多个信号的配合。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 引言

1.2 遥相关波列对华南持续性强降水影响的研究进展

1.3 低纬度地区对华南持续性强降水影响的研究进展

1.4 多因子协同作用对华南持续性强降水影响的研究进展

1.5 低频振荡对华南持续性强降水影响的研究进展

1.6 待解决的科学问题

1.7 研究内容及具体章节安排

1.8 主要创新点

第2章资料和方法

2.1 研究时段的选取

2.2 资料说明

2.2.1 观测资料

2.2.2 再分析资料

2.3 研究方法说明

2.3.1 气象要素的统计量值及华南区域的选取

2.3.2 合成分析及其显著性检验

2.3.3 功率谱分析

2.3.4 Lanczos带通滤波

2.3.5 三维波活动通量

2.3.6 准地转ω方程

第3章华南前汛期降水的持续性及低频特征

3.1 降水的持续性特征及其大尺度环流背景

3.2 降水的低频特征与低频环流中的波列活动

3.3 低频持续性强降水事件的定义

3.4 本章小结与讨论

第4章中高纬度波列对华南前汛期持续性强降水的影响

4.1 华南低频降水事件的低频环流特征

4.2 华南低频持续性强降水事件的低频波列特征

4.2.1 垂直结构及能量频散特征

4.2.2 时间演变对降水的影响

4.2.3 波源及波列的能量转化分析

4.3 华南低频持续性强降水事件垂直运动的诊断分析

4.4 低频波列影响持续性强降水的可能机制分析

4.5 本章小结与讨论

第5章热带地区低频振荡对华南前汛期持续性强降水的影响

5.1 南海对流准双周振荡的影响

5.2 南海–西太平洋地区准双周尺度海气相互作用的影响

5.3 热带地区海气低频振荡影响华南降水的物理过程

5.4 本章小结与讨论

第6章中高纬和热带系统对华南前汛期持续性强降水的协同影响

6.1 低频环流指数的定义

6.2 中高纬度波列和热带对流对华南降水事件的协同影响

6.3 中高纬度两条波列对降水的不同影响及共同作用

6.4 本章小结与讨论

第7章总结与讨论

7.1 主要结论

7.2 讨论与展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 苗芮

导师: 温敏

关键词: 华南前汛期,持续性强降水,准双周振荡,遥相关波列,南海对流,协同影响

来源: 中国气象科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 中国气象科学研究院

分类号: P426.6

总页数: 131

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中高纬度和热带系统协同对华南前汛期持续性强降水的影响

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