青藏高原春季风速和大气动能的变化特征及其与植被覆盖的关系

发布时间：2020-07-17 08:22

【摘要】：本文利用1971～2012年青藏高原73个气象台站的观测资料、JRA-55再分析资料和1982～2012年NOAA/AVHRR归一化差值植被指数(NDVI),采用经验正交函数分解(EOF)、奇异值分解(SVD)、相关分析和合成分析等方法,通过引入年际增量和区域动能收支方程,分析了 1971-2012年高原春季风速的年际变化特征及其对气候变暖的响应。根据正压模和斜压模的分解思想探讨了春季高原及其邻近地区西风带的时空变化特征,并揭示了大气动能与青藏高原大气视热源垂直结构的耦合关系。通过引入集中期和集中度的概念,分析了近40a大风日数在高原风季的分布形态及其环流背景。最后,探讨了高原平均风速和大风日数与植被覆盖的可能联系。研究表明,在气候变暖的背景下高原风速呈减弱的趋势,而随着变暖趋缓,风速的减小也趋于平稳。1971～2012年青藏高原的大风日数以-14天/10a的速度在减少,同时其年较差也在缩小。在近42a高原大风集中期呈提前的趋势,从20世纪70年代的3月底4月初提前至本世纪初的2月底3月初,即提前了1个月。大风集中度则有增大的趋势,并取决于大风日数的多寡。青藏高原及其邻近地区的热力差异及其变化速率的不均衡改变了对流层大气的温、压梯度,进而通过两种途径影响高原风速。一方面是近地面层气压梯度力的直接作用,另一方面是高层动能向低层的输送(其受垂直速度和风垂直切变的制约)。当青藏高原、中南半岛和印度半岛的地面气温偏高,北亚和东亚地区的地面气温偏低时,有利于急流偏强,高原地面风速增大,反之风速减小。20世纪末青藏高原及其周边地区的增温速率表现为北快南慢,高原上的经向气温差异减小,风速趋于减小;21世纪初高原中部及其南侧地区以增温为主,高原东北侧和东亚地区以降温为主,经向气温差异有所增加,高原风速的减小也趋于平缓。高原大风集中期的早晚受到急流系统经向位移的制约,2月～4月西风带偏南时,伴随着副热带地区气压偏低,青藏高原春季大风天气偏多,大风集中期偏晚。反之,大风天气偏少,集中期偏早。大风集中度的大小则与中亚和高原地区2～4月副热带急流强度有关,2月和4月急流偏弱、3月急流偏强时,大风日数相对集中在3月,集中度较大。反之,集中度较小。大气动能可以很好地表征对流层西风带(急流管)的强度和结构特征,通过分解大气动能发现,在副热带地区,正压动能的中心更靠近海洋,而斜压动能中心更靠近东亚大陆。在急流管入口区往往有斜压动能向正压动能转换,出口区则有正压动能向斜压动能转换。西风带的经向位移受正压运动主导,其沿急流管的强度变化则受斜压运动主导。青藏高原春季大气热源的强度具有年代际特征,它主要通过影响中低纬度的斜压流场改变大气斜压性。高原大气热源偏强会使东亚地区大气动能增大,南亚地区的大气动能减小,副热带西风带位置偏北。青藏高原大气热源的厚度具有明显的年际波动,它主要对中高纬度地区的大气斜压性(特别是高层风切变)产生影响。高原热源厚度偏小有利于东亚副热带急流增强、温带急流减弱。此外,青藏高原上游的西风平均流增强有利于将大气中的热量输送至下游,从而在一定程度上改变高原地区大气视热源的垂直结构,而高原大气热源又会通过正压运动和斜压运动的相互作用调整下游地区的大气动能构成。在青藏高原大部分地区,平均风速越大、植被的分布越稀疏。多地的植被覆盖度在20世纪90年代中期经历了由增大向减小的转变,而年最大植被覆盖度是增大的,青藏高原沙漠化程度在减轻。在水热条件相对恶化的高原西南部,风速是影响植被覆盖度的主要气候因子。在四川西北部,青藏高原大风集中期延后时,大风日数显著增多,春、秋季的植被覆盖度减小。在唐古拉山口一带,大风集中度偏大时,大风天气在年内分布的不均性增强,春、夏季的植被覆盖度增大,秋、冬季植被覆盖度减小。平均风速与大风日数的快速增大(多)会使植被覆盖度的变化趋于缓慢,植被覆盖度的快速增大则使平均风速和大风日数的变化更加剧烈,二者之间以风对植被的抑制作用占主导。揭示青藏高原的风速和大风的区域分布特点、变化规律、形成机理及其与植被的联系,为高原沙漠化的防治提供一定的科学依据,对于防灾减灾、合理利用气候资源、改善生态环境有深远意义。分析副热带西风的动力、热力结构及其与青藏高原热源垂直分布的耦合关系,对了解东亚地区大气环流的季节转型和区域气候变化也是十分有益的。
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P425;P433
【图文】：

风速,资料,青藏高原区,台站

场资料计算出全风速，再处理为月平均和年平均风速，利用双线性插值统一为ｐｘｌ。的逡逑分辨率。逡逑通过对比各月高原区域（２６°－４０0Ｎ，７７0－１０３°Ｅ）平均风速的大小（图２．２ａ）可以看逡逑至ｌｊ，ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ资料的风速值比观测值偏大近１倍，ＮＣＥＰ／ＤＯＥ资料则比观测值偏大逡逑近２倍，ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ和ＪＲＡ－５５的风速值也比观测值略大但数值更为接近。从年变化来逡逑看，４种再分析资料都能反映出３月风速最大的特点，但是ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ资料的冬、春逡逑季各月风速值按大小排序依次为３、２、１、４、１２、５月，ＮＣＥＰ／ＤＯＥ资料在冬、春季的逡逑排序依次为３、５、４、２、１、１２月，ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ风速在冬、春季排序为３、２、４、１、逡逑５、１２月，与观测资料相比，ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ和ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ资料的４、５月的风速均被削逡逑弱了，ＮＣＥＰ／ＤＯＥ资料的５月和夏季各月的风速则被扩大丫，而ＪＲＡ－５５各月地面风速逡逑大小在冬、春季的排序则与观测资料一致。但是

空间分布,年平均风速,再分析资料,青藏高原

料中ＪＲＡ－５５风速的变化与高原地区观测值最接近。逡逑将４套再分析资料的年平均风速插值到青藏高原的７３个站上，从其空间分布上看逡逑（图２．３），邋ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ资料在青藏高原大部分地区风速值偏大超过２ｍ／ｓ，在东部地区逡逑偏大超过３ｍ／ｓ，其中局部地区偏大超过４ｍ／ｓ；邋ＮＣＥＰ／ＤＯＥ资料在大部分地区风速值偏逡逑大超过４ｍ／ｓ，在青海东部和西藏南部偏大超过５ｍ／ｓ；邋ＥＲＡ－Ｉｎｔｅｒｉｍ和ＪＲＡ－５５的风速值逡逑也比观测资料偏大，但是大部分地区偏大不超过ｌｍ／ｓ。逡逑：．。媂逦栽逡逑。。。，：。。。。。。。。。／邋．邋？邋．邋，逦逡逑２６Ｎ－逦逦，逦＾＾逦２６Ｎ－＿逦逦逦逦逦逦逦邋Ｌ－逦邋？邋３邋ｔｏ邋４逡逑８０Ｅ逦８４Ｅ逦８８Ｅ逦９２Ｅ逦９６Ｅ逦１００Ｅ逦１０４Ｅ逦８０Ｅ逦８４Ｅ逦８８Ｅ逦９２Ｅ逦９６Ｅ逦１００Ｅ逦１０４Ｅ逦？逦２邋ｔ0邋ｂ逡逑３，＿ｃｅｐ＾５＾－－｜邋３８Ｎ—：。二逡逑３４Ｎ逦？逦

空间分布,年平均风速,再分析资料,站点

具体过程如下，以ｉ站为中心，球冠区面积为Ｓ0，球冠区上中国陆地面积为Ｄ，，属逡逑于该网站的站数为ｍｉ，站域面积ｄｊｚＤ／ｉｎｉ，本文取Ｄｉ＝５ｂ。经过验证，取５ｂ＝３．５ｘｌ0４ｋｍ２逡逑时，球冠区中心到边界的距离Ｐ＝0．９５°邋（图２．５ａ），这一方案使得高原上占总数约１／３的逡逑站点得到了订正。图２．５ｂ和２．５ｃ分别给出了高原上相应的ｉｎ，和ｄ，的空间分布。逡逑１３逡逑

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