强降水对相关气象要素的依赖性研究

发布时间：2020-07-24 04:03

【摘要】：在全球变暖背景下,强降水事件频发,因其通常伴随着洪水、突然侵蚀和泥石流等灾害事件,对经济社会发展有着十分重大的影响。目前对强降水的发生发展演变特征及机理研究仍不够充分。本研究基于长期的地表气象观测资料、探空观测数据、再分析资料等,探究了强降水和相关气象要素之间的联系。在详细讨论了强降水过程发生的时空分布特性、大尺度环流变化以及局地的热力学特性的基础上,试图寻找和强降水关系密切的气象要素以及大气层结结构特性,从而提高对强降水发生大气背景的认识,以更好地预测全球变暖背景下强降水的变化特征及其机理。首先,基于2008 2017年夏季的地表降水观测数据、L波段探空观测资料以及再分析资料,利用统计方法对北京地区强降水发生的大尺度环流、局地热力学特征进行了系统的分析。发现北京地区的降水量在夏季呈现一个单峰的分布,在7月下旬达到最大值。这在大尺度上主要和副热带高压自南海向我国的高纬度地区移动有关,在局地尺度上则伴随着水汽的累积和不稳定能量的增加。利用强对流天气发生的探空型识别算法,分析了“Loaded-Gun(LG)”、“Thin-Tube(TT)”、“Inverted-V(IV)”三种强对流天气发生的典型探空型在北京地区强降水中发生的频次,发现45%的强降水都发生在TT型层结下,平均降水量为55.8 mm/day,主要特征是在地表~7 km内对应一个深厚的暖湿气层,其形成和南部的强水汽输送有关。通过T模态主成分分析方法,识别出主导北京地区强降水的三种环流型,共同特征是对流层低层受南风的主导,利于华北地区水汽的累积,进而促进强降水的形成和发展。此研究可以帮助更好的认识华北平原地区强降水的发生发展变化过程及其机理。其次,利用1958 2017年期间暖季长期的气象站点降水、温度、湿度以及探空观测资料,分析了中国大陆地区强降水对温度的依赖性关系及其潜在的机制。在全球变暖背景下,大气中相对湿度、环流变化等因素变化不大的前提下,我们发现中国地区极端强降水和温度之间的关系也可以用Clausius Clapeyron(CC)方程进行量化,即温度每升高1°C,极端降水强度会增加7%。空间上,在中部地区站点,极端降水强度随着温度的增加而增强,速率可以达到2倍CC,而西北和东南部地区站点普遍呈现CC速率,有些站点低于CC速率。此外,增加的速率还和其所处的温度区间有关,随着温度的增加,相关性曲线斜率呈现一个由1倍CC向2倍CC速率的过渡,西北和中部地区转换点在14°C左右,而东南部地区一般出现在20°C左右,且当温度超过~25°C时,东南部地区极端降水强度会随着温度增加而下降。由于温度主要通过影响大气的水汽条件和不稳定度而影响降水,因而本文进一步利用长期的探空观测数据反演的大气可降水量(PW)和对流不稳定度(CAPE)分析其和极端降水之间的联系。结果表明,西北部地区水汽向极端降水转化的效率更高,中部地区极端降水更依赖于上升运动的作用,通过对比极端降水强度、PW和CAPE随温度的变化发现,相比于CAPE,极端降水强度和PW关系更为密切,即表明极端降水强度随温度增加而增强过程主要和水汽的凝结及潜热释放有关。极端降水和温度变化的长期序列对比结果表明,二者的变化趋势大体一致,温度增加的时候,极端降水强度也增强,即表明全球变暖在一定程度上伴随着极端降水的增强过程。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P426.6
【图文】：

点分布,气象观测站,探空站,位势高度

第二章数据和方法2.1 研究区域2.1.1 北京地区北京是中国的首都，人口约为2170万，位于华北平原西北部地区，背靠太行山和燕山山脉，东南部距渤海约150 km（图 2.1）。北京位于暖温带的半湿润地区，属于典型的暖温带半湿润大陆季风气候（Peel 等.，2007），夏季炎热潮湿，冬季干而冷（Miao等.， 2012）。北京的降水呈现明显的季节变化，主要集中在夏季，累积降水量可以达到约417mm，占全年总降水量（600mm）的70%（Song 等.，2014；尤焕玲等，2012；Zhai 等.， 2014）。北京的夏季降水主要受来自我国南海的西南或者东南季风的影响（Ding1994；Ding 和 Chan，2005；Ding 等.，2004；Guo 等.，2014；Li 和 Zeng，2002；Miao 等.， 2017b；Yang 等.，2017；Zhang 等.，2017）。近年来，北京夏季强降水事件出现频繁，造成了严重的人员伤亡和经济损失。例如，发生在2012年的7月21日北京的（简称721）特大暴雨事件，造成了79人死亡，近百亿的经济财产损失（Zhang 等.，2013）。因此，尽管面临着诸多挑战和困难，准确预测和研究这种高影响天气事件是十分必要的（Zhong 等.， 2015）。

降水监测,站点,年降水量,区域分布特征

强降水对相关气象要素的依赖性研究征，进而呈现出不同的降水季节、区域分布特征（宋世凯，2017）。根据研究区域内年降水量的多少，本文将中国大陆地区分为了三个区域（Regionof interest，ROI）：西北地区（ROI-N）、中部地区（ROI-C）和东南地区（ROI-S）。如图 2.2所示，中国大陆地区年降水量从北到南呈现一个递增的分布，从ROI-N（小于~350 mm/yr），ROI-C（~350 mm/yr 800 mm/yr），一直到ROI-S（大于~800 mm/yr）每个区域内的站点数从北到南依次为42，37和41，在空间上呈现较为一致的分布。

柱状图,柱状图,北京,阈值

极端小时降水对温度依赖性的研究，在极端降水阈值的选取中究中百分位数的定义方法，选取各个站点及区域的小时降水样50th不同百分比取值下的降水作为极端强降水阈值进行分析。表 2.1 北京地区降水测量站点信息经度（°）纬度（°）海拔（m）距探空站距离（116.5 39.8 31.3 0.0116.4 39.7 37.5 13.6116.5 40.0 35.3 16.9116.3 39.9 55.2 20.0116.2 39.8 48.9 23.1116.8 39.9 19.8 24.9116.3 40.0 45.8 25.7116.2 40.0 63 28.2116.2 39.9 85.5 28.6

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