青藏高原云和降水与极端灾害天气事件分布、趋势及其成因研究

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青藏高原(以下简称高原)是全球气候变化最敏感和脆弱的地区之一,其增暖速率大约是全球平均的两倍。在气候变暖背景下,高原云和降水与极端灾害天气(雷暴、冰雹、大风以及强降水)事件的变化会深刻影响区域水循环过程、生态环境系统和灾害防御体系,但有关高原及其不同区域云和降水与极端灾害天气气候事件的时空分布、变化趋势及其成因机制的深入研究非常不足。考虑到影响高原不同区域的天气气候系统有明显差异,本文将高原划分为东南地区(SE)、中南地区(SC)、东北地区(NE)、西北地区(NW)和西南地区(SW)5个区域。但考虑到NW区仅为1个气象站点,SW区仅有3个站点,代表性不足,论文主要基于1979-2016年高原地面测站数据以及ERA-interim资料,主要研究了整个高原以及NE、SC和SE区域的云和降水与极端灾害天气事件的时空分布、变化趋势以及成因机制。云量、降水和积雪数据的统计分析研究表明,高原北部(NE、NW)总云量的高值主要出现在春季,而南部(SE、SC、SW)总云量高值集中出现在夏季。高原低云量和降水天气集中出现在5-9月,并且多发生在SE和SC地区。高原积雪日数和积雪深度的高值均出现在冬季,积雪的空间分布与高原高大地形山脉的分布密切相关。高原南部(SE和SC)总云量存在明显的下降趋势,冷季的下降更明显,而高原低云量呈显著上升趋势,暖季NE地区上升幅度最大。尽管高原总体呈现暖湿化趋势,但暖季高原降水的变化具有明显的空间分布差异,主要表现为NE地区总降水日数呈微弱的增加趋势,但总降水量有显著的增加趋势,说明该地区降水强度呈显著增强趋势,而SE地区总降水日数有显著的减少趋势,但总降水量只呈现较弱的减少趋势,说明降水强度也呈现增加趋势,由此可见,在气候变暖背景下,NE和SE地区的降水强度均呈显著增强趋势,由强降水引发的泥石流、滑坡等次生地质灾害呈现增加趋势。高原积雪日数和积雪深度均呈下降趋势,对高原冰川、湖泊、水循环和生态系统会造成潜在影响。高原极端灾害天气事件的时空分布和变化趋势研究表明,雷暴、冰雹和强降水事件主要发生在暖季。SE地区的雷暴和强降水事件最频繁,而冰雹事件主要发生在SC地区。大风事件与SC和SW的高海拔地形分布有关,并受到春季盛行的西风气流的强烈影响。高原的雷暴、冰雹和大风事件总体呈显著下降趋势,而强降水事件有微弱的增加趋势。但高原不同区域的雷暴、冰雹、大风和强降水事件变化趋势有明显不同,SE和SC地区的雷暴、冰雹和大风日数出现更明显的减少趋势,而NE地区的强降水日数有显著增加趋势。论文进一步揭示了高原云和降水与极端灾害天气事件变化的成因机制。研究表明,高原云和降水的变化与高原密切相关的大气热力、动力条件,大气环流及水汽输送的异常变化存在密切联系。在冷季,哈德来环流向北扩张导致西风带北移、副热带高压向高原南部移动,增加了高原的大气稳定性,不利于中高云和积雪天气的形成。在暖季,高层的南亚高压增强和北移,减少了SE地区的降水,但增加了NE地区的降水。同时,加强的南亚季风有利于将印度洋水汽输送到高原,有利于低云和降水的形成,而高原以北与贝加尔湖南部之间出现并加强的反气旋环流,使得其南侧的东风气流将更多的暖湿水汽从北太平洋输送到高原,有利于NE地区云和降水的增加。暖季高原大气热力、动力条件,大气环流及水汽输送的异常变化产生的原因与北大西洋涛动(NAO)相关的北大西洋西北部海温(SST)异常引起的大气环流异常密切相关。由北大西洋西北部海温异常引发的强低频波列从北大西洋经欧洲传播到东亚,导致高原上层变暖幅度更大,使贝加尔湖附近出现异常反气旋环流,从而导致高原大气层结更加稳定,并产生阻塞效应,迫使中纬度西风带和冷空气向北移动。一方面,高原上空冷空气平流减弱降低了大气的斜压不稳定性和对流触发机制,导致雷暴、冰雹、局地大风事件呈现显著下降趋势。另一方面,高原北部反气旋环流南侧增强的东风气流可显著增加高原东边界的水汽输入,加上NE地区低云量显著增加,导致NE地区的强降水事件明显增加。
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