中国东部汛期降水的水汽来源变化及其气候动力学研究分析

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基于中国气象局的台站观测资料以及来自美国国家环境预报中心(NCEP)和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)等机构的再分析资料,本文利用统计方法和混合单粒子拉格朗日轨迹追踪模式Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory(HYSPLIT)综合分析了我国东部地区(华南、长江流域、华北)汛期降水的水汽来源,加深了对我国上空大气水循环特征的认识。此外,本文深入探讨了我国东部地区汛期降水水汽来源的季节内变化,并提出了暴雨“积成效应”这一概念用于探究汛期降水中存在的滞后影响。最后,本文进一步分析了影响我国东部汛期降水的各个水汽源地的降水贡献量在1979-2017年期间的年际、年代际变化特征及其与热带海气相互作用的关系。主要结论包括以下五个方面:(1)混合单粒子拉格朗日轨迹追踪模式HYSPLIT的模拟结果表明,我国华南地区前汛期降水的水汽来源主要为来自海洋的水汽输送,贡献量超过75%。其中,影响四月份降水的水汽主要来自太平洋源地与南海源地。印度夏季风影响下的西南水汽输送贡献量在五月份显著增强并超过东南水汽输送的贡献。在六月份,来自印度洋源地水汽的降水贡献量占华南总降水量的43.75%,成为影响华南降水的主要水汽源地。此外,在印度夏季风爆发前,太平洋、南海以及印度洋源地对华南前汛期降水的水汽贡献出现显著的年代际减弱;在印度夏季风爆发后,印度洋源地对华南前汛期降水的水汽贡献出现显著的年代际增强。(2)通过统计分析,从持续时间、控制面积和降水贡献率这三个方面建立了华南的暴雨“积成效应”这一概念。比较发现,华南地区暴雨“积成效应”对前汛期降水的多寡与空间分布存在明显的指示效果。华南前汛期暴雨“积成效应”强年相互间空间分布差异显著,根据降水中心位置差异进一步分为全区偏强型(中部型)与西部偏强型(西部型)两种主要类型。中部型强年对应强El Ni?o事件的衰减位相,以及印度洋全区一致海温模态的正位相,此时异常水汽主要来自热带西太平洋;西部型强年主要对应印度洋全区一致海温模态的负位相以及弱La Ni?a事件的衰减位相,此时热带南印度洋的异常水汽输送起主要作用。(3)基于拉格朗日方法的气流轨迹模式HYSPLIT,结合统计方法定量分析了华南前汛期1979-2014年66次暴雨“积成效应”事件的水汽输送特征。其中,印度洋源地水汽输送(33%)对华南前汛期暴雨“积成效应”事件起着至关重要的影响,同时太平洋源地的水汽输送(17%),南海源地的水汽输送(18%)以及华南的蒸发(25%)也起着重要的作用。此外,九十年代末以来,东亚季风环流支配的来自太平洋源地的水汽输送在不断减少,与之对应的是印度洋水汽输送的增强。当印度洋的水汽输送显著偏多时,造成西部型暴雨“积成效应”事件;当太平洋的水汽输送显著偏多时,在菲律宾反气旋的作用下西太平洋上空的水汽经南海到达华南上空,造成中部型暴雨“积成效应”事件。(4)对于华南夏季降水的峰值时段,印度洋源地贡献的降水占到总降水量的52.4%。西南水汽输送对于华南夏季峰值期降水的年际变化有着决定性的影响,其关键蒸发贡献区位于阿拉伯海西部、印度南部以及孟加拉湾地区。对于长江中下游夏季降水的峰值时段,印度洋源地贡献的降水占到总降水量的38.4%。西南水汽输送系统与东南水汽输送系统的共同作用对于长江中下游夏季峰值降水的年际变化有着决定性的影响。其中,影响峰值降水年际变化的关键蒸发贡献区位于阿拉伯海地区。对于华北地区夏季降水的峰值时段,东亚源地贡献的降水占总降水量的38.9%。华北夏季峰值期降水的年际变化同时受到三大水汽输送系统的影响,但西南水汽输送为其主要的水汽来源。其关键的蒸发贡献区位于华南地区以及长江中下游南部地区。(5)印度洋源地与南海源地水汽对华南夏季降水的贡献分别占总降水量的43.73%与23.45%,是导致华南夏季降水年代际变化的主要原因。印度洋源地与本地蒸发的水汽对长江中下游地区夏季降水的贡献率分别达到了27.78%与23.97%,是导致长江中下游夏季降水年代际变化的主要原因。影响华北夏季降水的水汽主要来源于东亚源地与本地蒸发,分别占总量的39.04%与22.04%。因此,导致华北夏季降水发生年代际变化的主要因素为陆地水汽贡献的变化。在El Ni?o事件中,西南水汽输送强度偏强、释放位置偏北,导致在长江中下游西部印度洋水汽的贡献量显著增多,而整个华南地区夏季降水则出现显著的减少。此外,当PDO位相在1999年前后由暖向冷转变后,太平洋源地对长江中下游西部夏季降水的贡献显著增加,印度洋源地的贡献则显著减少。
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