中国冬季区域性低温事件的识别、时空演化特征及其与欧亚阻塞流型的联系研究

发布时间：2017-05-18 08:21

  本文关键词：中国冬季区域性低温事件的识别、时空演化特征及其与欧亚阻塞流型的联系研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：2000年以来,全球增暖过程中出现了增暖速度减缓的阶段性特征,部分学者称之为“全球增暖的停滞(Global Warming Hiatus)”。同期,欧亚大陆冬季冷事件频繁发生。由此,气象工作者再度将注意力转向关于冬季低温事件的研究。对冬季低温事件研究必然会涉及如下的一些科学问题:(1)如何客观识别区域性低温事件(Regional Low Temperature Event,RLTE),近50多年RLTE具有怎样的时空演化特征,与“全球增暖”和“全球增暖的停滞”之间存在何种联系?(2)RLTE本身形成的物理机制是什么?即如何建立RLTE与欧亚阻塞流型等环流系统异常、气候指数异常和极区系统异常之间的联系,如何解释北太平洋海温等外部强迫对RLTE形成的作用?(3)近十多年冬季RLTE频繁发生的成因是什么?即暖背景与冷背景下的频发有何异同,是否发生、出现了东亚地区冬季气温变化的新机制?围绕上述科学问题,本论文基于“基础方法—时空演化特征—形成机理—频发成因”这一条主线开展了系列相关的研究,得到了一些有意义的结论:(1)理论和方法研究作为本论文的基础。首先,我们发展了一种适合RLTE的客观识别方法,该方法考虑了单站点极端低温事件的阈值,极端低温发生后的时间持续性和空间重叠性,能够有效识别具有时空持续性特征的低温事件。同时,定义了事件逐日和过程两组指标,前者用于描述事件逐日演化特征,后者用于刻画RLTE的整体特征。结合事件的极端强度、持续时间和影响面积,定义了综合指标用于刻画事件的整体特征。另一方面,利用事件同步法构建了东亚地区极端事件的复杂网络,并在此基础上建立了快速简单的非线性预测模型,该模型有别于传统的动力模型,是一种考虑邻近格点间相互作用的统计模型,适合于极端低温、高温和极端强降水事件,尤其适合具有时空持续性的区域性事件的预测。(2)从时间演化和空间分布两个方面共同揭示了近50年RLTE的主要变化特征。就趋势变化特征而言,自1960年以来RLTE的年平均强度和发生频次均呈减弱的趋势,尤其在1985-1988年期间,存在距平位相由负转正的调整,1990s后期以后减弱的趋势变化有所减缓,2010末RLTE的发生频率和强度有所增加。RLTE的这种趋势变化特征主要是由占事件总数10%的持续时间长和影响范围广的极端等级RLTE作用的结果。就空间分布特征而言,RLTE对应的几何中心主要集中于南北两个纬度带,分别为30°N和42°N附近。1980s中期之前,两个集中发生带并存特征较显著,1980s之后北方的频发带显著减弱,这可能与中国北方显著增暖相联系。就RLTE本身的空间分布特征而言,近60年的强RLTE大致可以分为六类:分别是全国型、东部型、东北-华北型、华北-华南型、北方型、西北-华南型。其中,全国型共20次,东部型共15次,东北-华北型共5次,华北-华南型共7次,北方型共3次,西北-华南型共10次。六种类型的RLTE与500h Pa高度场和850h Pa风场异常均有较好的匹配关系。(3)RLTE成因的研究揭示了气候因子异常、阻高系统异常和极区环流系统异常是RLTE发生的主要诱因。分析和研究发现,1)中纬度地区异常持续的阻高环流型,尤其是乌山地区的异常正距平和北太平洋区域的异常负距平的持续,造成西高东低的环流形势。副热带区域的高度场负距平则又造成北高南低的环流型,从而有利于北方的冷空气持续不断的南下影响中国的大部分区域。同时,前期平流层的增温,极地区域向下的EP通量输送,在对流层低层为异常辐合,高度场从平流层到对流层底部均表现出一致的正异常,造成AO持续稳定的负异常特征,从而有利于中纬度西风减弱,东传的罗斯贝波速度减慢、异常中心相对稳定,进而有利于持续时间长、影响范围广的低温事件发生。2)乌山、贝湖和鄂海中某一区域出现持续正异常与RLTE发生的对应概率大于0.8,与持续15天以上RLTE的对应概率大于0.92,即相互之间有着紧密的联系。三个阻高区域的正异常组合包括7种类型:乌山型、贝湖型、鄂海型、乌山-贝湖型、乌山-贝湖-鄂海型、乌山-鄂海型、贝湖-鄂海型。不同模态对应的RLTE有所差异,其中乌山-贝湖-鄂海型对应事件的平均持续天数达15.3天,平均综合指标达2.0,是4类组合型中最强,空间范围以华北-华南型为主。乌山-鄂海型平均持续天数为9天,是四类事件中持续时间最短,强度最弱的,其空间范围以华北-华南型为主。此外,4类组合型模态正异常均不同程度超前于RLTE出现。最大超前天数多为15天,平均超前天数为1-8天,其中乌山和鄂海易较早出现正异常。3)就气候指数异常而言,NPO指数异常偏小、NINO3.4指数异常偏低、亚洲区极涡强度和面积、AO指数异常偏小和冬季风指数偏强出现异常情况时,发生RLTE的概率较高。其中,NPO指数,NINO3.4指数,AO指数和冬季风四种指数的冬季平均值达到15%(或85%)极端阈值的年份中,发生极端RLTE的百分比均超过60.0%。(4)揭示了暖背景与冷背景下RLTE频发期的大气环流和外部强迫的异同点。2008-2012年期间,RLTE同期的环流异常特征更类似于1960s的情况,主要表现为:500 h Pa高度场中存在异常明显的北高南低的阻塞形势,东亚大槽偏深、强度偏强;300 h Pa纬向风距平场表现为西北-东南方向的倾斜波列,即两个频发期的东亚冬季风均较强;SLP中都表现为极区的海表气压高,而欧亚大陆海表气压低的负位相特征,有利于形成全国型的RLTE。此外,RLTE频发期对应的冷阶段(1960s-1970s)和暖阶段(2008-2012年)的冬季环流背景的主要差异则体现在冷阶段为AO的弱负位相,欧亚北部和极地均偏冷;暖阶段为AO的强负位相,极地偏暖,欧亚北部地区偏冷的特征。换而言之,近年来RLTE频发对应的同期异常与1960s是类似的,但对应冬季环流却存在极地区域异常偏暖,AO负位相异常偏强的新特征。研究东亚北部地区RLTE连续多年频繁发生的同时,本文还揭示了该区域气温变化的一种新的特征,即冬季气温偏低,夏季气温偏高,次年冬季气温再次升高的特征。我们将其定义为气温变化的冬季-冬季再现机制(WWR)。近60年中,气温表现为WWR型的年份共计23年,出现概率接近40%,且WWR特征独立于ENSO指数的变化而存在。通过对典型年WWR对应的冬季、夏季位势高度场、风场和垂直速度场的合成分析,验证了与其相匹配的大气环流异常特征。此外,WWR现象的出现,很可能是PDO和AO指数共同作用的结果。PDO持续正(负)位相的稳定特征为连续两个冬季的高(低)气温提供了稳定的气候背景场,而AO在冬季到夏季的季节变化特征,则起到了从大气的内部过程来调节中纬度地区气温的作用,从而造成冬季到夏季气温距平的反转。
【关键词】：区域性低温事件 识别 阻高异常 频发特征 冷阶段 暖阶段 冬季-冬季再现特征 非线性预测模型
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P423;P461
【目录】：

• 中文摘要3-6
• Abstract6-15
• 第一章 绪论15-29
• 1.1 极端低温事件研究进展15-19
• 1.1.1 极端温度事件的识别方法和指标研究15-17
• 1.1.2 极端低温事件趋势和频率特征17-19
• 1.2 区域性低温事件的研究进展19-22
• 1.2.1 区域性极端事件的研究19-20
• 1.2.2 区域性低温事件的研究20-22
• 1.3 科学问题的提出22-23
• 1.4 论文的章节安排23
• 1.5 论文的主要创新点23-25
• 参考文献25-29
• 第二章 区域性低温事件的识别29-45
• 2.1 资料和方法30-35
• 2.1.1 主要资料30
• 2.1.2 区域性低温事件客观识别方法30
• 2.1.3 单站逐日最低温度的极端低温阈值30
• 2.1.4 区域性低温事件逐日空间范围的提取30-31
• 2.1.5 逐日演化中空间范围的连续性过程识别31-32
• 2.1.6 区域性低温事件的指标32-33
• 2.1.7 参数确定33-35
• 2.2 区域性低温事件的个例分析35-39
• 2.3 各种指标间的联系及综合指标的构建39-42
• 2.4 本章小结和讨论42-43
• 参考文献43-45
• 第三章 中国冬季区域性低温事件的时空变化特征45-59
• 3.1 资料，方法和技术介绍45-46
• 3.1.1 资料45
• 3.1.2 区域性低温事件客观识别技术45
• 3.1.3 计算各阈值段温度对总体变化趋势贡献的方法45-46
• 3.1.4 综合指标的等级划分方法46
• 3.2 冬季区域性低温事件的特征分析46-51
• 3.3 区域性低温事件综合指标的变化特点51-52
• 3.4 极端等级区域性低温事件的时间和空间演化特征52-55
• 3.4.1 极端等级区域性低温事件时间演变特征52-54
• 3.4.2 极端等级区域性低温事件的空间分布特征54-55
• 3.5 本章小结和讨论55-57
• 参考文献57-59
• 第四章 区域性低温事件形成机理的个例分析59-75
• 4.1 资料和方法59-60
• 4.1.1 资料59-60
• 4.1.2 区域性低温客观识别方法60
• 4.2 事件的时空演化特征60-62
• 4.3 同期的大气环流异常62-65
• 4.4 前期大气内部的遥相关异常65-71
• 4.5 本章小结和讨论71-73
• 参考文献73-75
• 第五章 中国冬季区域性低温事件分类及其与气候指数极端性的联系75-87
• 5.1 资料和方法75-76
• 5.1.1 资料75-76
• 5.1.2 主要研究方法76
• 5.2 区域性低温事件的分类76-79
• 5.3 典型区域性低温事件对应的环流和海温异常分析79-81
• 5.4 各类区域性低温事件与指数异常的对应关系81-84
• 5.5 本章小结和讨论84-86
• 参考文献86-87
• 第六章 欧亚阻高区域高度场异常配置对中国冬季区域性低温事件的影响87-105
• 6.1 数据和方法87-88
• 6.2 阻高区高度场异常与RLTE的联系88
• 6.3 阻高区域高度场异常分类及与RLTE的响应88-95
• 6.4 RLTE的阻高区高度场的前期异常特征分析95-98
• 6.5 阻高区高度场异常形成过程分析98-100
• 6.6 本章小结和讨论100-102
• 参考文献102-105
• 第七章 中国区域性低温事件频发期的气候特征对比分析研究105-123
• 7.1 资料和方法105-107
• 7.1.1 资料105
• 7.1.2 方法105-107
• 7.2 区域性低温事件频发期的大气环流特征107-113
• 7.3 区域性低温事件频发期的冬季海温特征113-115
• 7.4 冷背景和暖背景下冬季低温事件频发对应的季节平均环流的异同性比较115-119
• 7.5 本章小结和讨论119-121
• 参考文献121-123
• 第八章 东亚北部地区气温的冬季-冬季再现特征研究123-139
• 8.1 资料和方法124-127
• 8.1.1 资料124
• 8.1.2 东亚北部SATA的冬季-冬季再现的定义124-127
• 8.2 东亚北部气温的冬季-冬季再现特征分析127-129
• 8.3 东亚北部大气气温中WWR形成的大气内动力过程129-135
• 8.4 本章小结和讨论135-137
• 参考文献137-139
• 第九章 东亚北部地区气温的冬季-冬季再现机制研究139-151
• 9.1 资料和方法139-141
• 9.1.1 资料139-140
• 9.1.2 东亚北部气温的冬季-冬季再现特征140
• 9.1.3 冬季-冬季气温再现指数TWWR的定义140-141
• 9.2 东亚北部气温的WWR机理分析141-148
• 9.2.1 东亚北部气温的WWR与北极涛动的关系141-143
• 9.2.2 东亚北部气温的WWR与太平洋年代际涛动PDO的关系143-144
• 9.2.3 AO与PDO的综合影响144-148
• 9.3 本章小结和讨论148-150
• 参考文献150-151
• 第十章 基于复杂网络的区域性极端事件预测方法研究151-161
• 10.1 资料151
• 10.2 极端事件复杂网络的构建151-153
• 10.3 基于极端事件复杂网络构建非线性动力预测模型153-154
• 10.4 基于非线性动力预测模型区域性强降水预测个例分析154-158
• 10.5 本章小结和讨论158-159
• 参考文献159-161
• 第十一章 总结和展望161-171
• 11.1 主要研究结论的总结161-166
• 11.2 未来工作的展望166-169
• 参考文献169-171
• 附录 近5年发表的论文和承担项目情况171-173
• 致谢173-174

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 任国玉;封国林;严中伟;;中国极端气候变化观测研究回顾与展望[J];气候与环境研究;2010年04期

2 杨萍;封国林;刘伟东;侯威;孙树鹏;;空间点过程理论在极端气候事件中的应用研究[J];应用气象学报;2010年03期

3 李庆祥;黄嘉佑;;对我国极端高温事件阈值的探讨[J];应用气象学报;2011年02期

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本文编号：375556