利用IGRA和TRMM PR探测结果研究中国大陆水汽、降水和温湿特征

发布时间：2020-07-11 13:44

【摘要】：水汽和降水是全球水循环的重要组成部分,一直以来为大气科学界的研究热点。水汽和降水相变过程中释放的潜热能改变大尺度环流运动、影响大气能量循环和地球辐射收支平衡。大气柱的水汽含量,又称大气可降水量(Precipitable water,简称PW),可以反映大气中水资源的分布情况,且对降水有很好的指示作用。而环境大气的温度、湿度条件是水循环过程中形成降水的基础,大气温度、PW和降水之间相互影响。另一方面,我国气候区划多样,不同区域的PW、降水和温湿特征有明显差异,而目前对我国大陆PW、降水和大气参数(以大气温湿为主)的综合研究有待更深入。因此,本论文将利用探空和卫星的探测结果,系统分析中国大陆大气温湿、PW和降水的水平分布和垂直结构特征、线性变化趋势及其相互关系,为进一步地认识中国大陆地区的大气热力、动力结构,并探讨近十几年来频发的极端降水特征和极端降水对大气温湿变化的响应。1.大气可降水量分布特征及趋势利用全球无线电探空数据集(Integrated Global Radiosonde Archive,简称IGRA)和中国气象局信息中心(China Meteorological Administration,简称CMA)探空资料集,对中国大陆地区1995-2012年PW进行统计分析。PW的多年平均空间分布表明中国大陆地区的PW具有明显的地域差异,即由南至北呈递减变化。PW的季节差异大,夏季(6月至8月)最大、冬季最小(12月至2月),空间分布与多年平均态相似。根据多年平均PW概率密度分布,可将中国大陆地区依次分为西北地区、东北-华北地区、华东-华中地区及华南地区。以上四个区域的PW多年线性趋势均呈显著的下降趋势,分别为-3.1,-2.0,-2.1和-3.4 mm/decade。进一步地分析了四个区域的PW与大气环流(东亚夏季风,ENSO事件和北大西洋涛动)的关系。PW和大气柱平均温度的相关分析表明,中国大陆地区下降的PW变化主要是由于近十几年来柱平均温度下降。统计还表明,四个区域的降水变化并未呈现与PW一致的下降趋势,说明降水机制的复杂性。2.不同降水类型和大气温湿结构特征基于搭载在热带测雨卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,简称TRMM)的测雨雷达(Precipitation radar,简称PR)和IGRA的融合探测结果,探讨了1998-2012年雨季(5月至8月)中国大陆和邻近洋面(四川盆地SCB,中国东南部SEC,中国中东部MEC,太平洋西北部NWP)对流和层云降水垂直结构和热力结构特征。四个区域的对流降水回波顶高度均高于对应的层云降水。陆面区域(SCB,SEC,MEC)两种回波顶高度在傍晚(12 UTC)高于清晨(00 UTC),洋面(NWP)情况则与此相反。此外,对流和层云降水云团内温度距平的分布表明,在降水发生时对流层底部有0-2 K的降温冷却,并且这种冷却对于12 UTC的层云降水比对流降水更显著、陆面对流层下部降温冷却比洋面更强烈。而两个时次对流层中部出现了显著的增温,其中在300 hPa的高度表现最明显。另一方面,降水前后大气相对湿度距平垂直分布表明,降水发生前对流和层云降水对应的相对湿度明显增加,降水前的增湿为降水提供充足的水汽基础。12 UTC对流降水和层云降水发生前后对流层中部(700 hPa-500 hPa)相对湿度增加比00 UTC更显著,层云降水相对湿度增加比对流云降水增湿显著,陆面相对湿度增加比洋面显著。3.极端降水和对应的近地表温湿分布特征采用1998-2012年TRMM PR降水观测资料和ERA-Interim再分析数据,首先综合研究了中国大陆地区(26°-34°N,85°-125°E)的多年平均降水和对应温湿分布特征。其次,对比分析了大陆地区极端降水及对应温湿的分布特征和趋势变化。结果显示,大陆地区降水发生较多区域主要集中在中东部和青藏高原南部,近地表降水强度空间分布相对均匀,而中国中东部地区和青藏高原南部的近地表降水较其他地区略大(4 mm/h左右)。多年平均降水对应的近地表温度分布来看,由西向东(青藏高原东部至中东部地区)温度的范围为280-290 K,青藏高原南部温度显著较高(超过295 K)。近地表相对湿度的变化由南至北有较弱的递减,在青藏高原南部和四川盆地东部地区相对湿度较大(达到95%)。极端降水的样本量和强度、对应的温湿分布形态和多年平均降水及对应的温湿的分布相似。极端降水占降水的百分比较大值主要出现在中国中东部地区和青藏高原南部,所占百分比在8%左右。另外,极端降水占降水百分比表现出明显的月之间的变化(7月最大,1月最小),而极端降水强度的季节差异不大。通过趋势分析发现,近十五年来,虽然极端降水强度没有显著的变化趋势,但是极端降水占降水的百分比有所上升(0.19%/decade)。4.极端降水随温度变化特征利用1998-2012年IGRA温湿资料、对应的地基雨量计日均降水资料和TRMM PR探测结果,分析并比较地处同纬度的中国东部和青藏高原东部地区的极端降水随近地面温度的变化关系。结果表明:中国中东部和青藏高原东部地区日平均极端降水强度均随近地面日平均温度变化呈单峰值结构,温度低于阈值(中东部温度阈值为25℃,高原东部为15℃)时极端降水强度随温度以近似克拉伯龙-克劳修斯(Clausius-Clapeyron,简称C-C)变率增加。两个区域不同的降水类型影响极端降水强度随温度的增加速率。然而,当温度高于阈值时,中东部和青藏高原东部的日平均极端降水强度随着温度的升高而降低。进一步分析两个区域的极端降水强度和湿度的关系发现,由于近地面湿度随温度先增后减的变化的而影响极端降水随温度呈先升高后降低。另外,极端降水强度随温度的变化不仅受到近地面湿度的制约同时也受到整层水汽(即PW)的影响。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P426;P423;P412.2
【图文】：

时间序列,反馈作用,气候变化,水汽

数精度远不如气压、温度等气象参数。因此，由再分析资料计算正（Ｐａｌｔｒｉｄｇｅｅｔａｌ＿，２００９；Ｖｅｙｅｔａｌ．，２０１０）。无线电探空可以直接探并具有较高的垂直分辨率和较长的时间序列，相对于其他的观测实的反映大气实际温湿状态，这对于ＰＷ计算十分便利，即将比便可得到ＰＷ。如Ｒｏｓｓ邋ｅｔａｌ．邋（２００１）无线电探空数据并分别计年和１９５８－１９９５年北半球对流层ＰＷ趋势，１９７３－１９９５年期间北半示出ＰＷ随温度升高而增大，而另外一个时间段ＰＷ趋势增加较体现在１９７３年以后；Ｄｕｒｒｅ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（２００９）基于ＩＧＲＡ探空数据年北半球对流层中低层（地表至５００ｈＰａ）邋ＰＷ以０．４５邋ｍｍ／ｄｅｃａｄｅ并且讨论了增长的ＰＷ是与温度和水汽输送有关；Ｚｈａｏ邋ｅｔ邋ａｌ．邋（２０的资料新建立的露点温度差数据集计算了邋１９７０－２００８年中国地区中国大部分地区站点ＰＷ以２．０－５．０％邋ｄｅｃａｄｅ－１的速度增长。通过Ｅ中国中部以北地区增长明显并且ＰＷ的变化和垂直上升运动有关。逡逑

垂直分布,热带对流,大气模型,深对流

Ｍｉｔｏｖｓｋｉ邋ａｎｄ邋Ｆｏｌｋｉｎｓ邋（２０１４）利用ＴＲＭＭ三级格点降水产品和ＩＧＲＡ探空资料，逡逑通过分析深对流过程中温度、湿度和降水垂直分布形态，提出两种在热带赤道地逡逑区的深对流加热过程模型（图１．２）。第一种模型指出由向上的运动过程的冷却抬逡逑升了深对流产生的加热，于是导致深对流加热中心的热量能伸展到更大的空间尺逡逑度上。第二种模型指出随着降水的发展，对流层呈现下层加热上层冷却的状态。逡逑在对流降水发展初期，对流加热使位势高度异常进而会随着对流加热的增强而抬逡逑升，这一过程产生的气压梯度会将对流向四周辐散，向上的部分则造成了动力冷逡逑却。逡逑ａ）邋Ｍｏｄｅ－１逡逑＊ｉｌ逦Ｉ逦Ｉｔ＊逡逑ｂ）邋Ｒａｉｎ邋ａｎｄ邋Ｃｏｌｕｍｎ邋Ｗａｔｅｒ邋ａｎｏｍａｌｉｅｓ逡逑３ｉ逦７Ｔ：逦ｎ逡逑—Ｒ？ｌｎ＊ｎｏｍ逦￥邋—逡逑－３６逦－２４逦－１２逦０逦１２逦２４逦３６逡逑Ｔｉｍｅ邋（ｈ］逡逑逦ｃ）邋Ｍｏｄｅ－２逦逡逑Ｇｒｏｗｔｈ邋Ｓｔａｇｅ邋Ｄｅｃａｙ邋Ｓｔａｇｅ逡逑ＣＯＮＶ逦ＣＯＮＶ逡逑ＣＯＯＬ逡逑１３Ｃ逦Ｚｆ逦ｊ逡逑（＾ＣＯＮＶ＾）４—逡逑ＣＯＮＶ逦ＣＯＮＶ逡逑Ｃｏｌｕｍｎ邋．逦Ｃｏｌｕｍｎ邋｜逡逑Ｗａｔｅｒ邋Ｔ逦Ｗａｔｅｒ邋ｉ逡逑ｔ＝－９ｈ逦ｔ＝０ｈ逦ｔ＊＋９ｈ逡逑图１．２热带对流降水加热大气模型（引自：Ｍｉｔｏｖｓｋｉ邋ａｎｄ邋Ｆｏｌｋｉｎｓ，２０１４）逡逑６逡逑

法国,极端降水

在未来几十年里极端降水强度会以此变率继续增强。Ｄｒｏｂｉｎｓｋｉ邋ｅｔａｌ．邋（２０１６）结合逡逑法国南部降水观测数据和模式模拟的结果，提出了不同季节极端降水随温度变化逡逑过程的概念模型（图１．３）。法国南部的极端降水随温度随温度变化呈“钩状”分逡逑布，在１５°Ｃ以下主要是秋冬两季极端降水的贡献，降水强度随着温度的升高增逡逑大；之后春夏过渡期间的对流降水占大部分，极端降水强度随温度达到峰值；在逡逑温度高的区域主要是夏季对流降水的贡献，这种类型降水过程中极端降水强度随逡逑温度的升高而下降。还有学者不仅研宄了极端降水和温度的关系，还分析了在这逡逑其中的影响极端降水和温度变化的因子，例如：Ｂｌｅｎｋｉｎｓｏｐｅｔａｌ．邋（２０１５）和Ｌｅｐｏｒｅ逡逑ｅｔ邋ａｌ．邋（２０１５）分别分析了在英国和美国东部极端降水随温度变化的Ｃ－Ｃ变率受到逡逑大尺度环流、露点温度和不稳定能量ＣＡＰＥ的制约。Ｌｏｃｈｂｉｈｌｅｒｅｔａｌ．（２０１７）基于逡逑地基雷达观测发现极端降水随露点温度的增加率超过了邋Ｃ－Ｃ变率，他们又指出逡逑区域的湿度、云的尺度和中尺度环流在对露点温度影响极端降水过程中的作用十逡逑分重要。逡逑由目前己有研宄可知，降水、水汽还有温度相互关联、相互影响。并且在不逡逑同的降水时间尺度和空间范围上

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