青藏高原大地形影响背景下对流结构及水汽输送特征对下游暴雨的影响机理

发布时间：2020-06-30 13:26

【摘要】：我国地势西高东低,众多高原、山地和平原形成了我国大陆“三阶梯”地形。青藏高原主体位于我国三大阶梯地形中的第一阶梯,被称为“世界屋脊”、“大气水塔”和“世界第三极”。一方面青藏高原高耸的地形使得热带海洋水汽绕过高原沿着高原东部或者东南部边缘输送至中高纬度地区,增强东亚夏季风,迫使我国夏季雨带向北推进至华北等北方地区。另一方面青藏高原夏季对流系统常常会东移出高原,伴随着充足的水汽输送,对流系统不断发展进而导致下游流域强降水。水汽输送在青藏高原大地形对流源影响下游暴雨中起到了至关重要的作用。本论文采用第三次青藏高原大气科学试验那曲地区C波段调频连续垂直观测雷达(C-band FrequencyModulation ContinuousWave verticallypointingradar,C-FMCW)数据,我国地面气象台站逐日(逐小时)降水量、逐日总云量观测资料,以及多套再分析数据集等,结合中尺度数值天气预报模式(Weather ResearchandForecasting,WRF)和拉格朗日粒子扩散模式FLEXiblePARTicle(FLEXPART),运用多种统计分析方法,探究青藏高原大地形对流源及其水汽输送三维结构对下游暴雨的影响机理。主要结论如下:(1)第三次青藏高原大气科学试验期间那曲地区C-FMCW雷达最大回波强度不仅可表征青藏高原中部对流高频区的对流活动,还可以反映局地热源结构,对局地整层视热源、对流发展伴随的垂直速度具有显著的指示意义。高原中部地区对流层高层辐散-低层辐合的三维耦合湿涡旋结构和对流层中层的偶极子湿涡旋结构,是该地区对流云重要的激发与维持机制。(2)青藏高原在夏季是一个巨大的热源,热源驱动下高原中部地区频发对流源是下游长江流域暴雨发生、发展重要的前兆性“强信号”。青藏高原中部对流源通过触发高层辐散-低层辐合的三维耦合湿涡旋结构东移发展,增强局地对流,导致长江流域暴雨。FLEXPART拉格朗日粒子扩散模式前向追踪了源于青藏高原中部地区的水汽粒子沿着长江流域的东移轨迹。(3)在青藏高原主体及第二阶梯(主要包括黄土高原、云贵高原、祁连山、太行山等)地形强迫下,华北夏季暴雨发生期间存在两支水汽输送通道:一支是西风带水汽沿着青藏高原主体北侧边缘向东输送,另一支是来自热带洋面的暖湿水汽沿着青藏高原东侧边缘北上,最终两支水汽输送通道在华北地区汇合。以上两条沿着青藏高原主体及第二阶梯地形的水汽输送通道不仅可以为华北夏季暴雨提供必不可少的水汽条件,还可以使得湿涡旋沿着水汽输送通道发展东移,为华北夏季暴雨提供有利的湿动力条件。在对流层低层青藏高原北侧西风带水汽输送通道被大地形阻挡,仅存在南部的热带暖湿水汽沿着青藏高原第二阶梯东侧边缘,即我国大陆东部北上,有利于华北夏季暴雨的发生发展。(4)定量分析发现在对流层低层,水平水汽辐合项(79.1%)在增强华北夏季暴雨的水汽通量辐合中起到更为重要的作用,水平水汽平流项对华北夏季暴雨水汽通量辐合的贡献率仅为20.9%。利用中尺度数值天气预报模式WRF模式模拟发现当青藏高原第二阶梯存在时,华北夏季暴雨的日降水量(109%)和相应的水汽输送大大增强,验证了青藏高原第二阶梯对华北夏季暴雨的重要作用。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P426
【图文】：

路径图,汽通量,水汽输送,单位

图1.1 1961－2010年多年夏季平均的东亚地区600hPa高度以下整层水汽通量（单位：gm-1s-1），灰色阴影区为地形高度（单位：m），紫色框为华北地区，绿色曲线为青藏高原主体（海拔高度超过3000m），箭头为水汽输送路径华北地区处于我国“三阶梯”地形中的第二阶梯和第三阶梯之间，是我国东部主要的人口聚集地和经济发展重地之一。作为我国东部夏季三大降雨区之一，华北暴雨次数虽少，但降水强度较大，预报难度高，近年来洪涝灾害频发（陶诗言，1980）。一些学者对青藏高原大地形和华北暴雨之间的关系做了一定的研究，Simmonds等（1999）指出中纬度西风带作为华北地区降水的水汽输送通道之一，在东移过程中受到青藏高原北侧地形的强迫，沿着高原北侧边缘输送至我国30°N以北地区，为华北暴雨提供有利的水汽条件。Wu等（2012）提出在青藏高原大地形和热力强迫下，高原对流层低层产生了一支气旋性环流，高原东侧上空的气流向北输送而高原西侧上空的气流向南输送；高原热动力强迫在增强热带－副热带耦合环流、高低层环流配置中起到重要作用，增强的热带－副热带耦合环流促使更多南部热带海洋水汽经高原东部边界输送至中高纬度地区，增强东亚夏季风，迫使我国夏季雨带向北推进至华北等北方地区以及韩国、日本等

东移,青藏高原,暴雨过程,轨迹

中最主要的两种是高原上空强辐合中心伴随高原的对流系统东移，和东移出高原的对流系统在四川盆地激发出西南涡，随后沿着引导槽直至江淮流域。Liu等（2008）指出源源不断的低层水汽供给是长江流域东移对流性暴雨持续发生发展的重要因素。Yasunari和Miwa（2006）发现夏季在高原热力作用下对流层低层形成了辐合带，随后辐合带在高原东部边缘激发出气旋性涡旋，伴随着充足的水汽输送，气旋性涡旋东移发展在长江中下游上空演变成为中尺度强对流云系统。Wang等（2014）发现青藏高原春季感热能够持续到夏季，强迫出罗斯贝波在下游江淮流域形成辐合区；同时持续的感热也会增强高原暖中心，激发对流系统东移至江淮流域，以上环流条件和对流层低层大量热带暖湿水汽共同导致江淮流域的强降水。Zhao等（2016）统计了1961－2010年长江流域夏季降水量和同期低层云量的关系，得出青藏高原上空东移对流云和长江流域降水事件有着密切联系；在高原对流云东移影响下游暴雨时，水汽输送辐合区也存在着向东移动的现象，与暴雨大值区吻合。图1.2统计了1979－2016年夏季青藏高原上空51个对流源东移轨迹，发现源于青藏高原上空的对流源大多数东移至长江流域，可知下游长江流域是青藏高原对流源东移的关键影响区，也与前人的研究吻合（江吉喜和范梅珠，2002；Hu等，2016）。

【参考文献】