亚洲季风区典型中尺度地形降水特征及其对区域气候的影响

亚洲季风区典型中尺度地形降水特征及其对区域气候的影响 亚洲季风区典型中尺度地形降水特征及其对区域气候 的影响 南京信息 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 大学 博士学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 亚洲季风区典型中尺度地形降水特征及其对区域气候的影响 姓名:朱素行 申请学位级别:博士 专业:气象学 指导教师:徐海明 20100501摘要 利用多年平均的、等实测高分辨率卫星资料,以及区域气候模 式?,分析了亚洲季风环流背景下典型中尺度地形对局地和区域降 水的影响。主要结论包括以下个方面: 亚洲热带,南亚和东亚季风区,中尺度山脉迎风、背风坡均以层云降水为主, 层云降水强度在迎风坡强于背风坡;对流降水在迎风坡主要为浅对流,背风 坡主 要为深对流,对流降水强度在背风坡强于迎风坡。沿西南季风推进方向依次 经过 的中尺度山脉,其两侧发生降水像素个数、降水微物理特征等差异逐渐减小, 其 中,对流降水特征主要由迎风坡向背风坡转变,而层云降水特征主要由背风坡向 迎风坡转变。 中国东南部,典型中尺度山脉南岭和武夷山均位于副热带地区。降水空间分 布上,对流降水在南岭多且强,层云降水在武夷山多且强,但条件对流降水率在 武夷山强,条件层云降水率在南岭强。降水随时间演变上,对流降水最早出现在 武夷山区,武夷山区层云降水的发生发展不同于对流降水,而南岭山区对流降水 的发生发展基本与层云降水同步变化,但两山区对流和层云降水结构随时间的演 变均逐渐明显。 凹陷的中尺度地形四川盆地对降水日变化影响显著,盆地主体及其西部高地 上空主要为夜雨,且向东传播;而盆地东部高地上空主要为日雨,为持续性降水。 地形影响降水发生的类型,盆地主体及其西部高地的夜雨以层云降水为主;而盆 地东部高地的日雨以对流降水为主。从夜雨个例看,地面切变线使冷暖空气交汇, 在盆地西南侧高地产生较强的层云降水;从日雨个例看,地表剧烈的增温和大气 中相对充足的水汽引起了盆地东部高地对流降水的发生。 青藏高原上的中尺度地形促进其上空中小尺度对流的发生发展,不同空间尺 度降水的相互作用促进降水向东传播,形成了中国华南地区主要的降水过程。这 些中小尺度地形被平滑后,不同尺度降水的相互作用减弱,从而减弱了该地区降 水的向东传播,华南地区降水显著减少。这与高原中尺度地形产生的正涡度以及 扰动动能向东南方向传播有关。高原中尺度地形对区域降水的影响不可忽视。 无论亚洲还是美洲,中尺度地形降水过程主要有两类:先对流后层云的降水 过程以及对流和层云降水同时发生发展的降水过程。不同降水过程与海陆分布有 关,与纬度差异无关,体现在大气环流场的不同。即对于海洋性大陆陆上沿海 地区,海陆风作用强弱,大气垂直运动强弱,低层暖空气被带到冻结层 之上附近,中尺度地形上空的冻结层高度相对周围平均高度偏高低,产生 先对流后层云对流层云同时发生的降水过程,大气层结为稳定或不稳定中 性。 关键词:典型中尺度地形,对流降水,层云降水,亚洲季风区 ’ ,?, . . ,. 。 , , . , . ..,. . . 肠 肋玎 ... . .’ . . .., .’. ’ . 劢 ; , . ,. . 珏 . , .乱 ?, . ?. .、析 仃. ,仃 . : , , , ?学位论文独创性声明 本人郑重声明: 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 、本论文中除引文外,所有实验、数据和有关材料均是真实的。 、本论文中除引文和致谢的内容外,不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名: 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定,学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版:有权将学位 论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅:有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索;有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名:二龃 日 期:趁也,鱼:望第一章绪论 第一章绪论 降水是整个地球大气物质和能量循环的一个重要环节,也是天气预报、气候 预测、大气模拟等重点关注的气象要素之一。但由于降水时、空分布不连续,在 很大程度上限制了人们对大气降水的理解和应用。无论从降水个例还是从气候分 布上,都可以发现降水和地形有着极为密切的关系。对地形降水的研究不仅可以 提高降水的短期预报水平,而且还可以深入理解区域气候变化等长期过程。但是, 地形和降水之间的相互作用是一个十分复杂的过程,不同尺度的地形对降水有不 同的作用。除了喜马拉雅山、安第斯山和落基山等大尺度地形通过动力和热力作 用影响降水外,引起局地暴雨和阵性降水的灾害性天气多与中、小尺度地形有关, 并且中尺度地形降水通过潜热释放,影响更大范围的大气环流,对区域气候产生 反馈作用。可见,中尺度地形即水平范围相当于中尺度天气系统那样的地形起 伏不同程度的影响着局地和区域的降水分布和强度,但在气候诊断和模拟中, 人们往往忽视了该尺度地形和大气之间的相互作用。 亚洲是世界上典型的季风区,主要包括南亚季风和东亚季风两部分,其中东 亚季风又包括热带和副热带季风两部分。典型季风区的特点是冬、夏季干、湿分 明,盛行风向几乎相反,其中亚洲夏季风以盛行西南风和强降水著称。但对于这 样一个典型的季风区,大多数大气环流及其耦合模式均不能模拟出东亚季风降水 的空间分布,雨带的季节性南北进退也很难再现 .,,这与大部分 模式中仅考虑大地形,而忽略了中小尺地形有很大关系。在亚洲季风区,典型中 尺度地形主要分为三类:~中尺度山脉,包括印度半岛的西高止山、中南半 岛西部的豆蔻山脉、中南半岛东部的长山、中国东南部的南岭、武夷山、大别山、 台湾中央山脉等;二叠加在青藏高原大地形上的多个中尺度地形;三凹陷 的中尺度地形如四川盆地等。在亚洲夏季风带来的充足水汽和大范围盛行风场的 背景下,中尺度地形降水的结构和微物理特征尚不清楚、中尺度地形附近不同性第一章绪论 质降水与大气环流之间的相互作用也还未引起关注,其对区域气候有何影响还有 待进一步研究,这也是全球水循环系统中的一个重要部分。 因此,搞清楚中尺度地形降水特征及其对区域气候的可能影响,可以为更好 的模拟和预测亚洲季风降水、理解亚洲区域气候提供依据,也为农业、经济等水 资源管理提供科学决策。 .地形降水研究概况 地形通过大气扰动影响降水是十分普遍的现象,而且在所有气候带都存在。 在中纬度,冬季,降水通常受锋面气旋的影响,但降水量和降水类型很大程度上 受地形影响。例如太平洋气旋遇到北美西部山脉产生大量降水,导致洪水和山体 滑坡,而当气旋移过山脊,则产生强降雪,形成冰川,发生雪崩等, ., 。又如在欧洲,当气旋穿过阿尔卑斯山脉,在其北坡产生降雪,在其南坡 产生强降水,而盛行的西风带对该事件基本不起作用 .,。在干 旱的副热带地区,虽然哈德莱环流下沉支阻止了云的形成,但飓风产生的降水也 不可忽视。例如当台风从东面登陆台湾高地时,台风环流在迎风坡产生上升气流, 引起该地区强降水,而西坡为强下沉运动,阻止了云和降水的形成 ., 。又如在喜玛拉雅山,夏季,季风给山脉南部带来强降水,而高原上降水 很少;冬季,锋面将降雪带到高原上空, .,。 研究表明,地形降水依次包括个阶段:饱含水汽的大尺度气流向障碍 物如丘陵、山地等方向运动;地形引起大尺度气流抬升,空气降温至饱 和从而产生水汽凝结;从水汽凝结到转换成降水粒子,包括小尺度对流、大 气湍流和云微物理过程等。这方面共同作用,产生了复杂的地形降水,, ,。然而,在实际大气运动中,大尺度气流随时间、地点而变化,地 形是三维的且不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 的,对流和大气湍流又主要受过山气流切变和静力稳定度的 影响,凝结的水汽转变为降水的微物理过程往往受温度和垂直运动的影响,并且, 潜热加热引起的上升运动和水汽凝结之间的正反馈作用也需要列入考虑。因此, 只有将以上部分和实际大气相结合才能做出准确的地形降水预报。 第一章绪论 .国外中尺度地形降水研究概况 ..之前揭示的中尺度地形 降水 关于中尺度地形降水的研究,比较典型的是欧洲阿尔卑斯山脉附近的降水。 .、 .、 .研究了年多次发 生在阿尔卑斯山脉的强降水事件,研究结果表明,降水过程均伴随着缓慢东移的 南北向伸长的槽,即空气饱含水汽且有南风存在。但并非所有影响因子在每次降 水事件中均起作用,如.降水事件中上升气流为条件性不稳定., .,,而在事件中,大气一直维持中性层结 。对这些事件的模拟研究表明,潜热加热降低了静力稳定度,使得饱含水 汽的南风气流可以翻过而非绕过高的山脉,而并非绕过 .,;.,。并且,复杂的三维地形和潜热加热共同作用影响稳定度,使 得降水在地形凹口处明显增加, ..。 中尺度地形除了通过上述大气动力和热力过程影响降水外,对降水微物理增 长过程也有显著的影响。该问题最早起源于~美国西部 、 和 , , .,? 。研究表 明,迎风坡降水过程与低层热力条件、风场等相联系。尤其是降水增长过程因低 层气流的绕流或爬流而不同。对年阿尔卑斯山靠地中海一侧的雷达资料分 析表明,绕流使低层气流呈气旋式运动,这样在地形上游处降水增强.,。对地形降水的微物理过程研究表明,结凇过程即 迎风坡上升运动产生的过冷粒子粘附在降水粒子上,从而在迎风坡降落而未被平 均气流带过障碍物是决定降水粒子在迎风坡降落的一个重要微物理过程,大多 数结凇过程发生在迎风坡地面以上,;和 强调,下降粒子轨迹影响地形降水的类型,该轨迹受结凇过程影响,结 凇使粒子更重,从而缩短了从水汽凝结到降水落至地面的时间。此外, . 研究表明低层粒子的合并作用也使地形引起凝结的水汽迅速降到地面。第一章绪论 该过程与结凇过程相当。因此,结凇和合并过程均使得地形引起的云水迅速 转换 成雨水降落到山脉迎风坡。 .. 揭示的中尺度地形降水 欧洲的主要针对年秋季,当地中海低层气流超前于斜压槽,遇 到阿尔卑斯山脉产生抬升运动时,常发生强降水和洪涝等事件。将天气尺度和中 尺度动力学与降水微物理增长机制相联系是的主要目标之一,尤其是探讨 地形如何改变降水粒子的增长过程。该研究主要基于地基雷达和机载雷达对阿尔 卑斯山脉地中海一侧典型降水事件的实测资料,微物理模式的模拟分析也是雷达 资料的重要补充。 地形以不同的方式影响降水增长,这主要受降水发生时天气条件的影响。 事件和事件均位于大振幅的斜压槽之前,阿尔卑斯山上游 . 和的形势基本一致。但是,更低层的气流差异较大, 采用简化的二维模式,研究表明事件为中性、略不稳定层结,迎风坡低 层为翻越山脉的急流,急流从山脚下开始抬升,并维持在整个迎风坡,背风坡也 受地形波动的影响风速增强;事件为稳定层结,迎风坡最低层气流受到山 脉阻挡产生回流,地面以上处迎风坡等风速线向山项倾斜,表明气流靠近 阿尔卑斯山脉时减速,迎风坡有强的风速垂直切变,该理想化的数值模 拟与雷达观测资料基本一致。 在低层层结中性、略不稳定并伴有强过山气流的事件中,整个山脉 雷达探测的速度为正值,表明低层急流突然抬升,将低层湿度输送到高层;雷 达 反射率在垂直方向上为类似对流状,最大回波强度的高度在‘层以下,表明 .。 合并是产生地形降水的重要微物理过程 . 发现该回波和低层气流突然翻越山顶有关,采用三维多普勒雷 达发现在靠近迎风坡山顶处水汽凝结和降水下落有的距离,地面最大降水 在山顶附近。 .对小时累计的不同降水粒子发生频率分析 表明,霰粒子在山项最大回波高度上间断发生,表明该时期迎风坡气流向上 运动 产生短时的对流单体,每个单体产生短时的超冷云水,促进了冰粒子的结凇, 从 第一章绪论 ., 而加速了该地降水的增长并降落到地面。对水汽收支的计算表明 降水和水汽凝结的比例为%,这种高效的迎风坡降水与降水粒子通过合 并及结凇过程快速增长紧密联系。 .也证实了该地形降水产生 的微物理机制。 .,。 研究表明类似的事件还常有发生,如和 每次事件中均有斜压槽前饱含水汽的中性、略不稳定层结,气流过山时,低层急 流迅速抬升使水汽凝结,不稳定能量释放使霰粒子间断的产生,从而降水在山顶 附近下落。 在低层层结稳定并伴有弱爬山气流的事件中,地面以上气流受 .,, 地形阻挡产生回流,雷达资料也探测到最低层的回流气流,.,,其上为强的爬流气流,在最低层,回流气流和其上快速向山 顶移动的气流之间有一层明显的强风速切变层,另外,背风坡气流落入深谷中。 抬升的爬流气流不仅引起山区大量降水,而且在山脉上游的平原地区也产生大量 降水, .,。雷达反射率的垂直剖面在冻结层高度出现亮带,呈明 显层云降水结构。 .和 .研究指出,在层云 降水回波中也间断出现弱对流单体回波特征,该单体的高度位于强风速切变层, 并向冻结层下部伸展,其宽约?,强度为/,与抬升气流同时运动, 表明该弱对流单体主要是由动力抬升作用引起的。由于这些弱对流单体足够的大 而强,它们能够持续的影响着迎风坡的降水过程,主要是促进冻结层附近降水粒 子的增长。 类似的迎风坡风切变层小尺度气流上下翻转的事件也常有发生,如.,。 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 中山脉年地形降水事件 由以上两类分析可见,不同的大气层结产生不同性质的地形降水,但无论爬 山气流是否稳定,对流单体可在爬山过程中促进降水粒子的增长,然后合并气流 抬升过程中的云水,有效地促进降水粒子的下落。对这两种情况的普遍性还需进 一步探讨 .,。第一章绪论 .国内中尺度地形降水研究概况 亚洲是世界上典型的季风区,除青藏高原大地形外,还有很多中小尺度地形, 即水平范围相当于中尺度天气系统那样的地形起伏,其高度不高,但引起的动力 和热力作用不可忽视叶笃正,,孙健等,,徐海明等,。对我 国地形的动力学分析表明,秦岭、大巴、南岭、天山、浙闽、太行、大兴安岭和 阿尔泰山等,在较短的水平尺度上可视为中尺度地形;大别山、泰山、幕阜九岭 山地、皖南山地、雪峰山、南岭、罗霄山、五指山、台湾中央山脉等为中尺度地 形王其伟等,。 .对地形扰动和冷锋相互作用的研究表明,冷锋爬山时, .对不平衡气流的演变 其强度在迎风坡减弱,在背风坡增强。 和锋生研究表明,若初始场是非地转平衡的,气流演变和锋生的调整会发生在地 形抬升等条件下。谈哲敏等指出冷锋坡度受暖区地转流影响,锋面的移 动和位置受地形以及冷区垂直运动的影响。董继立等研究指出对于条件 不稳定湿大气,气流过三维地形时可形成不同性质的对流系统以及不同特征的地 形流结构,其对流系统、地形流的性质主要取决于地形上空的对流触发、对流. 地形流.重力波三者之间的相互作用,它们对地形降水的性质、分布起重要作用。 中小尺度过山气流在不同大气条件下会产生不同形态的山脉波动,有垂直传播的 过山波和水平传播的背风波,山脉波动的影响是全方位的。同时,中小尺度山脉 波动引起的波动阻力对大尺度大气环流也有显著影响,这些山脉波动使得中小尺 度地形对大气环流的影响范围远大于地形本身的尺度李艺苑等,。 中国东南部多丘陵山地,这些山海拔高度均在米左右。对地形降水的 个例分析表明,它们对中国东南部降水的发生、发展均有显著影响夏茹娣等, :赵玉春等,,。数值试验也表明,以南、“以东的中 国东南部地区春雨雨带的位置和强度明显受南岭、武夷山地形的影响万日金等, 。并且,位于热带的中南半岛、印度半岛等也处于亚洲夏季风区,其上有 狭窄的中尺度地形,如西高止山、长山等。 .采用高精度区域大气 模式和海洋模式,研究指出,位于越南的长山山脉通过对大气和海洋的影响,形 成了夏季山脉迎风坡强雨带、越南南部低层西南风急流和越南沿岸南海西部少雨 区。个例分析表明,位于青藏高原东部凹陷的四川盆地,促进了西南涡的发生,第一章绪论 引起盆地及其下游暴雨的发生陈栋等,。可见,亚洲季风区中尺度地形 对局地降水的影响不可忽视。但在气候场上如何,还需进一步研究。.指出在亚洲夏季风期间,中尺度山脉迎风坡一侧都有强降 水中心,采用数值模拟研究表明,该地形雨带不仅影响局地气候还影响到大尺度 季风环流。 .对年长江流域降水的模拟研究指出,青藏高原 上的中尺度地形引起并增强了高原上的中尺度扰动,从而增加了地面感热通量, 该扰动向下游传播,引起长江流域的强对流和强降水。 .采用 相互作用的大气环流模式嵌套区域大气模式表明,次天气尺度山脉在日本海附近 产生反气旋环流,并与大尺度环流场产生正反馈作用,次天气尺度地形不仅影响 次天气尺度涡旋,还影响到全球气候。可见,亚洲中尺度地形不仅影响局地降水, 而且还通过降水对大气的反馈作用,影响到区域降水。该现象在气候场上的效应 还需观测资料加以验证,并深入理解中尺度地形降水对大气反馈的气候效应。 .降水性质研究概况 气象上,通常根据雷达探测降水的回波特征将降水分为两类,对流降水和层 云降水。其中,对流降水具有强垂直速度、强降水率以及小范围不均匀的雷达回 波等特征;层云降水具有弱垂直速度、弱降水率以及大范围均匀的雷达回波等特 征。降水粒子的微物理增长过程在对流降水区是碰并,在层云降水区是水汽扩散 , ,。对全球不同尺度的降水系统研究表明,对流和层云降水经 常相伴出现,而不是只出现其中一种性质的降水。其中,热带外气旋降水主要为 层云降水,但在强雨带处有对流降水特征;热带降水系统和中纬度的雷暴主要为 对流降水,但其发展的中后期转为层云降水特征, ,。对中尺度 对流系统中的对流和层云降水研究表明,层云降水区在对流层上部为上升运动, 下部为下沉运动,对应对流层上部加热,下部冷却;对流降水区在对流层中、下 部为上升运动,对应在对流层中、下部加热 ,。不同性质降水 对大尺度大气的动力反馈作用也不同,其中,对流降水分两层:低层辐合、高层 辐散;层云降水分三层:中层辐合、其上下均为辐散 ,。可见, 不同性质降水通过各自的方式释放潜热,加热不同高度处的大气,从而在不同高第一章绪论 度处产生上升运动,重新分配大气质量。对流和层云降水对中尺度地形影响局地 和区域降水的反馈作用还需深入研究。 .问题的提出 由上述分析可知,关于亚洲季风区典型中尺度地形对局地和区域降水影响的 研究主要存在以下几个方面的问题: 实测资料的时间、空间精度不高,中尺度地形往往被忽略,很难从观测的 角度分析其对局地和区域降水的影响,因此需要采用更高时空精度的资料来分析 地形降水特征。 前期的研究仅限于采用站点或模式资料分析地形降水个例,而对个例的代 表性、普遍性缺乏气候角度的深入认识。 对流降水和层云降水作为两种不同性质的降水,它们在中尺度山脉附近分 布特征如何尤其在亚洲季风区大尺度环流背景下,对流和层云降水有何特殊的 分布特征其对大尺度环流的反馈作用又如何 亚洲地形复杂,除西高止山、长山、南岭、武夷山等中尺度地形外,高原 上的多个中尺度地形及其东侧凹陷的四川盆地,都具有中尺度地形特征,它们对 局地和区域降水的影响也不可忽视。 降水日变化是检验数值模式的标准之一,中尺度地形引起的不同性质降水 的日变化过程如何它们与所处的纬度、地理位置以及大气环流背景场等的关系 如何 .主要研究内容 针对上述问题,本文拟采用多年高分辨率的卫星实测资料,从气候平均角度, 将降水的热、动力过程与微物理过程相结合,分析亚洲不同类型的中尺度地形降 水的局地和区域特征,包括降水结构、微物理特征和大气环流场等。并且,采用 高精度的区域气候模式,探讨中尺度地形对亚洲区域气候的深远影响。论文 主要 分为以下个部分:第一章绪论 第一部分主要采用、等卫星资料,分析北半球夏季南亚和东南 亚地区,沿西南季风依次经过的典型中尺度山脉,其迎风、背风坡附近不同性质 降水的分布特征。并从区域气候的角度,研究西高止山、长山和武夷山等典型中 尺度山脉对亚洲季风区降水的影响。第二章 第二部分主要采用等卫星资料,分析多年平均的月中国东南部 中尺度地形降水包括对流降水和层云降水的时间、空间分布特征。主要分析 南岭和武夷山两座典型的中尺度山脉对局地降水的影响。第三章 第三部分主要采用和再分析资料,分析多年平均的夏季盆地 附近不同性质降水的日变化特征,并分析典型降水个例。这主要针对凹陷的中尺 度地形四川盆地,研究它对局地降水和大气环流的影响。第四章 第四部分在等卫星资料分析的基础上,主要采用区域气候模式 ,分析高原上中尺度地形对其下游华南地区降水的影响。目的在于从 更广阔的区域角度,研究青藏高原上中尺度地形对其周围降水和大气环流的影 响。第五章 第五部分主要采用、、等卫星资料,分析北半球夏季亚 洲和美洲不同纬度处的中尺度地形降水过程,探讨中尺度地形对局地降水过 程的 影响是否与其所处的纬度有关,或者与地理位置对应的大气环流场有关。第 六 章 最后是本文的结论与展望。 参考文献 .., .., : ,. .,, /.,,., ......,,, : ,.,,., ., ,,? . ,.,,., 第一章绪论 ....,,, 董继立,谈哲敏.条件不稳定湿大气中三维理想地形上空对流的动力学特征. 气象学报,, :. ..,,.,,., ., ..,,,? ? ,.,,.,,.,.,,,,.,,.,,. . ......,, , ,.. . . ....,,, .., ,: . :?. ......,,: :.,: ..,,..,.,, , ......, :. .仃 ,, :.. ..,.,..,, , ..,.:,,,:? .,.,,,.., ?: ......,, 李艺苑,王东海,王斌.中小尺度过山气流的动力问题研究.自然科学进展,,: .:, , .,,., ,,,.., ., , .,,. .,,,. :删,.., ...., ,, 。 . ....,, :??& 眠, ,.. ..,,, ,.印 , , ., ...,舢,..,.?.,, 鲫 .饿. ,. ,.,. ,.....,,, ..。 .., .?: ,, . ,,, ., . .彻 .,犯.., ......,,, ,.,., .. ..,,,? : ? ., .,只 第一章绪论 .? , , ,..,‘’. ,,.,,., .., ., ......,,, ..,, ,,.., . .,, ... , 孙健,赵平,周秀骥.一次华南暴雨的中尺度结构及其复杂地形的影响.气象 学报,, :. 谈哲敏,伍荣生.地形上空边界层流中低层锋面结构的理论研究:冷锋、均匀 地转流.气象 学报,,:. 万日金,吴国雄.江南春雨的时空分布.气象学报,,:. 王其伟,谈哲敏.我国主要地形上空理想定常流的流域分界分析.地球物理学 报,, : . .., ...., ,,. , ..,, ...,, . ,..,..,,..,? ..,, 夏茹娣,赵思雄,孙建华.一类华南锋前暖区暴雨‖中尺度系统环境特征的分 析研究.大气 科学,,? . , , ,..,,:? 徐海明,何金海,谢尚平.卫星资料揭示的中尺度地形对南海夏季气候的影响. 大气科学, ,:... , . : ..,, 第一章绪论 叶笃正,曾庆存,郭裕福.当代气候研究.,北京:气象出版社,.... 。., ..,.,,,? 赵玉春,李泽椿,肖子牛等.一次热带系统北上引发华南大暴雨的诊断分析和 数值研究.气象 学报,,:. 赵玉春,李泽椿,王叶红等.年月~日梅雨锋上中尺度对流系统引发福建北部暴 雨的诊断分析,大气科学,,:. 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 .引言 地球上不同尺度的地形,对大气中各种不同尺度系统的运动都有重要作用。 亚洲夏季,青藏高原大地形对亚洲季风区,尤其是整个东亚季风区降水的影响已 有很多研究梁潇云等,,;刘新等,;王叶堂等,。除高 原大地形外,还有很多中尺度地形,即水平范围相当于中尺度天气系统那样的地 形起伏,其高度不高,但引起的动力和热力作用不可忽视叶笃正等,;孙 健等,;徐海明等,。 .采用区域气候模式指出,在亚 洲夏季风期间,中尺度山脉迎风坡一侧均有强降水中心,该地形雨带不仅影响局 地气候还影响到大尺度季风环流。 .进一步采用高精度区域大气 模式和海洋模式指出,位于越南的长山山脉通过对大气和海洋的影响,形成了夏 季山脉迎风坡强雨带、越南南部低层西南风急流和越南沿岸南海西部少雨区。.采用大气环流模式嵌套区域气候模式指出,亚洲东北部的 次天气尺度涡和次天气尺度山对日本海和大尺度环流均有显著影响。可见,中尺 度地形在大尺度背景场下,不仅影响到局地气候,而且对更广阔的区域气候也有 深远的影响。 中尺度地形降水和过山气流相联系,降水的形成和下落是一个潜热释放过程 ,,该过程又通过大气环流反作用于地形降水。根据降水不同的微 物理性质,通常把降水分为层云降水和对流降水,其中,层云降水以凝结增长为 主要降水粒子增长过程,而对流降水以重力碰并为主,,,。 亚洲夏季尤以雨季最为突出,在热生雨、雨生热的过程中,中尺度地形扮演 了一个怎样的角色以往研究多集中在模拟中小尺度地形对区域环流的影响,这 些模拟分析具有典型性但也缺乏足够的观测依据。虽然降水具有不连续性,但出 现在固定时期、特定地形条件下的降水及其性质是有规律可寻的。本章从气候态 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 的降水微物理过程角度,分析季风区中尺度山脉迎风、背风坡降水的垂直结构和 水平分布特征。并且,结合相应的大气稳定度,理解亚洲夏季风区中尺度地形对 整个区域降水的影响,为区域气候模式模拟降水提供实测依据,提高模式对降水 的模拟性能。 .资料与 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ..,简称 本章采用热带测雨卫星 第版年夏季雷达降水资料。测雨雷达 ,简称探测的扫描宽度为 ,星下点分辨率是. 水平、 垂直。由于从三维立体角度对降水进行观测,根据降水回波的垂直和水 的两种独立的方法 平分布特征可以将降水分型。 采用将降水分型,即垂直方法 .,和水平方法 ., ,这两种方法都将降水分为对流降水、层云降水和其它三类。其中,方 法定义有亮带存在时为层云降水,无亮带且最大雷达回波率超过 时为对 流降水,不满足以上两者的定义为其它;方法定义冻结层高度 以下最大 雷达回波率超过 或者相对周围回波率明显大的像素点为对流降水中心, 其周围最近的四个像素点也为对流降水,当不是对流降水同时降水回波真实存在 的为层云降水,雷达回波率很弱的定义为其它。再结合两种方法,给出一个完整 的降水分型。不同于第版的是,在第版的降水分型中,将孤立的浅降水定义 ., 为对流降水,它虽然雷达回波弱,但满足一般对流降水的特征 ,并且只有云冰或者噪音被定义为其它类,所占比例很少。第版的降水 分型更加客观可靠 ..。 前人对资料的可用性进行了大量研究, .采用年的 三维 降水率分析中尺度对流系统和~ 的倾斜地形的相互作用, 并且与实测站点资料相比较是一致的。 揭 .用年 示了该年东亚地区不同性质降水的季节变化特征。傅云飞等利用第二章南亚 和东南亚中尺度地形对降水的影响 研究了两个中尺度特大暴雨降水水平和垂直结构。 .还采用 年的 指出青藏高原上塔状的降水结构。徐海明等将夏季多年 平均的 降水与观测站雨量器降水相比较,发现除降水量的大小存在一 些差别外,降水量的分布特征完全相同。 .采用年 年的降水资料分析陆地和海洋上季节降水日变化,提出将降水分为对 流和层云的重要性,并指出层云降水日变化是引起总降水日变化的主要原 因。 本章分析中,根据第版的分类标准,考虑到其它类所占 比例很小,将对流降水与层云降水之和定义为总降水,其中,对流降水包括肯 定 对流和可能对流,层云降水包括肯定层云和可能层云。考虑到受地面回波影 响, 数据均取地面.及以上。并且,根据研究尺度水平精度的需要,将原始数据 处理成.×.,文中对该数据的分析均是基于该分辨率的。图.为 星载测雨雷达年夏季探测的总样本分布,由图可见,总样本数是纬度的函数, 这同 .的分析相一致。并且,总样本数也与傅云飞等关于 年夏季.×.分辨率上的总样本数一致。 图. 星载测雨雷达年夏季探测的总样本分布单位:个数 ..大气红外探测器产品 为验证资料的可靠性,本章还采用美国宇航局卫星携带的大 简称反演的夏季温度、相对 气红外探测器 湿度资料。温度廓线在对流层精度可达/,相对湿度廓线在对流层低 层每 精度为%,该数据精确的温度、湿度廓线提高了数值天气预报的准 确度,并为气候模式的验证和气候反馈作用提供依据 .,。受 该卫星发射时间的限制,本章采用 第版年夏季全球 温度、相对湿度×月平均数据,它包括红外探测器与微波探测. 共同反演的数据,垂直方向共分为层:、、、、、、、 、、、、、、、、、、、、、、、.、 。 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 .. /再分析资料 此外,本章还采用/第一套年夏季逐月地面风场资 料.×.。 .夏季风区中尺度地形降水的分布特征 ..夏季风区典型中尺度地形与风场的分布特征 根据亚洲季风区的地形特征图.,沿盛行西南风方向依次选取印度半岛 上的西高止山、中南半岛上的长山和中国华南地区的武夷山代表亚洲夏季风 经过 的几座典型中尺度山脉。地形降水与山脉的形态有关傅抱璞,,本章选 , 取的座山均为狭长的中尺度山脉,由图.可见,沿气流方向山脉宽度约 跨气流方向山脉长度约,海拔左右,即座山脉的地形流动动 力学特征基本一致。并且,单纯考虑地理、地形条件影响下的降水,其影响是 相 对定常的舒守娟,,这有利于以这座山脉为例,分析夏季风区不同性 质的地形降水特征。 由夏季盛行风向可见,在地面附近,西高止山为印度夏季盛行的强西风,长 山为西南季风,武夷山为弱南风。图.中,、、区基本与地形走向一致, 分别代表西高止山、长山和武夷山的迎风坡,其邻近区域为各山脉的背风坡, 为 保证不同山脉迎风、背风坡降水出现频次的可比性,所选区域均为图.中× 的平行四边形。所用资料均处理成夏季、、月平均的气候场,其中 资料为年平均,资料为年平均。 图. /夏季~月平均地面风场单位:/,阴影表示地形高度单位: 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 ..中尺度地形降水频次的分布特征 傅云飞等研究指出,降水出现频率分布能很好地反映地形效应,根 据季尺度降水频次的定义,即 探测的降水像素个数与总样本数之比, 图.给出各年夏季对流、层云降水频次。由图.可见,夏季,对流降水 多出现在山脉和海陆交界迎风坡,伴随地形高度呈细长窄带分别分布在印度半岛 西高止山西侧、中南半岛西部若开山脉和他念他翁山脉西侧、中南半岛东部长山 山脉西侧、菲律宾群岛西侧、中国华南沿海南侧以及青藏高原南部。其中,西高 止山西侧对流降水出现频次最多,中南半岛西部山脉次之,其余各处对流降水出 现频次相对较少。与之对应的各地形高度背风坡,西高止山、长山和高原南部对 流降水出现频率非常小,而中南半岛西部山脉、菲律宾群岛和中国华南沿海出现 频率相对较多。图.为层云降水频次分布,相较对流降水,层云降水出现次 数明显多于对流降水,并且出现的范围也大于对流降水。同样,在地形高度迎风 坡为层云降水出现大值区,尤其是中南半岛西部山脉;地形高度背风坡,西高 止 山和长山层云降水频率明显减少。可见,在夏季盛行西南季风作用下,地形高度 和海陆分布固定了对流、层云降水出现的位置和频次,尤其是这些中尺度地形, 它们的作用不亚于青藏高原。 图 星载测雨雷达年夏季对流、层云降水频次单位:% 图.为定量统计的年夏季 资料分别在上述图.座 中尺度山脉迎风、背风坡的总降水、对流降水和层云降水像素个数即样本数。 由图.可见,座中尺度山脉无论迎风、背风坡,层云降水像素个数明显多于 对流降水,这与傅云飞等采用年资料统计东亚降水云结构特 征相一致,即就年平均而言,东亚以层云降水为主,对流降水次之。从迎风、背 风坡降水像素个数看,无论对流、层云、总降水,迎风坡降水发生频次沿盛行西 南风依次经过的座中尺度山脉逐渐减少,而背风坡发生频次反之,尤其在武夷 山层云降水图.和总降水图.在背风坡发生降水频次均略超过迎风 坡。考虑到武夷山所处纬度较前两座山偏北,由图.可知,雷达探测频次在 ..比多,但该因素不足以影响本图分析,迎风、背风坡降 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 水像素个数沿座山脉仍然分别对应负、正的线性趋势,可见,随着西南风向东 向北的推进,中尺度山脉迎风、背风坡处发生总降水次数的差异逐渐减小。相较 迎风坡的对流和层云降水像素个数,高止山对流降水发生频次是武夷山的. 倍,而高止山层云降水发生频次是武夷山的.倍;相较背风坡的对流和层云 降水像素个数,武夷山层云降水发生频次是高止山的.倍,而武夷山对流降 水发生频次是高止山的.倍,表明沿盛行西南风经过的座中尺度山脉,迎 风坡降水频次减少受对流降水影响大,而背风坡降水频次增加受层云降水影响 大。 图. 星载测雨雷达年夏季降水在图.三个区的样本统计单位:个数: 总降水像素;对流降水像素;层云降水像素。线性趋势线实线为迎风坡,虚线为 背风坡 ..中尺度地形条件降水率廓线的分布特征资料主成分分析表明,第主成分可解 .对年的 释超过%的降水廓线方差,并且由前个主成分合成的降水廓线与平均降水 廓线极为相似,即平均降水廓线可以很好地代表典型的降水垂直廓线特征。由图 .可知,本章选取的各区域不同性质降水像素个数在~左右,该样本数 足够反映气候场上不同性质降水在山脉迎风、背风坡处的垂直分布特征。 图.给出夏季西高止山、长山和武夷山迎风、背风坡即图.三个平行 四边形区域总降水、对流降水和层云降水的垂直廓线,由图可见,对流降水强 度最强,在~ /范围内;层云降水强度最弱,在~ /范围内;而 总降水强度在两者之间。以下,总降水率在西高止山和长山山脉迎风坡均强 于背风坡,而在武夷山背风坡强于迎风坡; 往上,座山脉迎风、背风坡降 水率逐渐趋于一致。并且,总降水率在山脉迎风、背风坡的垂直分布特征基本与 层云降水相似,只是层云降水在西高止山和长山山脉迎风坡强于背风坡的特征在 ..表现地更加明显,在武夷山迎风、背风坡层云降水廓线基本重合,可 见,层云降水不论在迎风坡还是背风坡对各高度上总降水强度的贡献占主要地 位。西南季风受中尺度地形阻挡,气流在迎风坡抬升,背风坡下降,使得大范围第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 强度相对较弱的层云降水在迎风坡强于背风坡。与之相反,对流降水率的垂直分 布明显不同于前两者:~高度处座山脉对流降水强度均表现为背风坡强 于迎风坡,表明中尺度山脉引起大气层结不稳定,产生范围小、强度强的对流降 水在山脉背风坡表现得更加明显。该特征与 .的结论一致,即对 于相对较窄的障碍物,小地形使降水粒子上升时间缩短,并直接落在背风坡, 降 水极值出现在峰项或背风坡,有利于形成过冷水和霰。以上分析初步揭示了对流 和层云降水廓线的不同分布特征,可见对降水分型讨论是必要的。 从图.对流降水廓线可以看出,座山脉背风坡降水廓线的最大降水率出 现在低层左右,其下到地面降水强度略微减小,可能是降水粒子在近地面 层的小量蒸发引起。在最大降水率之上,可大致分为个阶段:最大降水率 层至冻结层左右缓慢的降水强度减弱:冻结层以上~ 降水强 度迅速减弱;再往上的缓慢减弱。该廓线基本与 .定量分析的 深对流降水垂直廓线相吻合,表明由于山脉均处于低纬地区,背风坡暖性积云发 展浓厚的积云云体均处于?等温线以下温度高,含水量大,云中重力碰并作 用非常强烈,从而产生背风坡强烈的深对流降水。与此同时,座山脉迎风坡降 水廓线表现出与背风坡不一样的垂直分布特征,其中西高止山脉尤为突出:.一处降水强度几乎随高度增加线性减弱。长山山脉和武夷山脉也表现出. 处为最大降水率,往上降水强度逐渐减弱的特征。 .也给出浅对流 降水廓线分布特征,即最大降水率在以下,其上降水强度随高度几乎成比 例减弱,其下蒸发引起降水率减少直至地面。可见,这里虽然没有给出.以 下的迎风坡对流降水廓线,考虑到第版 资料中对流降水包括孤立的 浅对流降水,以上特征足以表明迎风坡以浅对流降水为主,这不同于背风坡 的深 对流降水。 从图.的层云降水廓线可以看出,在座山脉的迎风、背风坡层云降水亮 带在左右,将降水廓线分为两个阶段:其下,降水率几乎维持一个常值, 尤其是长山和武夷山,表明降水粒子既无增长也无蒸发;其上,在.左右的 厚度上降水强度随高度增加迅速减弱,再往上为缓慢减弱。该层云降水廓线特征 也同 .的分析一致,表明冰粒子在下降过程中高层主要通过水汽 凝华增长,当降落到冻结层附近,以凝结增长为主,包括凝华和结凇过程。第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 相较座山脉迎风坡对流降水廓线,虽然.仍为最大降水率,但降水率 随高度增加而减弱的趋势逐渐表现为由迅速减弱到缓慢减弱的过程,而非单一的 线性趋势递减,表明迎风坡浅对流降水随着西南风的推进表现出向深对流降水转 变的特征。相较座山脉背风坡的对流降水廓线,最大降水率在西高止山、长山 、. 和武夷山分别为. 和。 。 .指出陆地上最 大对流降水率的高度高于海洋,可能是对流降水的垂直速度在陆地强于海洋 造成 的,可见,西高止山脉背风坡最大对流降水率高度最高可能与背风坡更强的垂直 运动有关。相较座山脉在迎风、背风坡的层云降水廓线,西高止山在. 迎风背风坡降水强度随高度增加而减弱加强,表明在低层迎风坡降水粒 子增长,背风坡降水粒子蒸发,而长山和武夷山在亮带层以下的粒子增长和蒸发 现象逐渐不明显,这更体现了层云降水的特征。 以上对夏季西高止山、长山和武夷山迎风、背风坡不同性质降水廓线的分析 表明:夏季,中尺度山脉在迎风、背风坡的降水过程以降水范围大、强度相对弱 的层云降水为主,地形阻挡引起气流在迎风坡上升,背风坡下降,使得迎风坡的 降水强度强于背风坡,山脉的动力作用是层云降水的主要原因。与此同时,中尺 度山脉热力作用也引起大气不稳定,在迎风背风坡分别表现为浅对流深对 流降水,背风坡降水强度强于迎风坡。另外,降水微物理特征表明沿夏季盛行 西南风推进方向,从西高止山到长山再到武夷山,山脉迎风、背风坡的降水差异 逐渐减弱,其中,迎风坡对流降水廓线从浅对流向深对流转变,而层云降水特征 在迎风、背风坡逐渐明显。 图. 星载测雨雷达观测的夏季区、区、区降水垂直廓线 单位:/:、、曲总降水;、、对流降水;、、层云降水。实线:迎 风坡:虚线:背风坡 .夏季风区中尺度地形相当位温垂直廓线的分布特征 以上分析仅基于 资料,考虑到对流降水在中尺度山脉迎风、 背风坡的分布特征,我们采用卫星观测的温度和相对湿度资料,分析山脉 附近大气的稳定度。表给出卫星年夏季在座山脉迎风、背风坡的样 第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 本统计,可见,样本个数在左右足够代表气候态上各区域的温、湿特征。由 于对流活动一般不直接由静力不稳定造成,而是由条件性不稳定引起尤其当 大 气中包含水汽时,对于这样的湿绝热运动,图.给出大气在西高止山、长山 和武夷山迎风、背风坡的相当位温守恒量垂直分布,由图可见,西高止山迎 风坡一为略稳定层结,再往上为稳定层结,背风坡一为明 显的不稳定层结,再往上转为稳定;长山山脉迎风、背风坡的分布与西高止山 基 本一致,只是背风坡一不稳定层结的强度相较西高止山减弱;武夷山 脉迎风、背风坡大气稳定度分布基本一致,~基本为中性层结,再往 上稳定。座山脉背风坡低层不稳定层结强的特征与对流降水率在背风坡强于 迎 风坡吻合,并且,迎风坡低层大气在西高止山、长山和武夷山 逐渐由稳定层结转为中性层结,表明迎风坡的浅对流降水在大气层结作用下逐渐 向深对流降水转变。 表 卫星年夏季在图.三个区的迎风、背风坡样本个数 图. 卫星观测的夏季区、区、区相当位温廓线图单位:。 实线:迎风坡;虚线:背风坡 .讨论.和 .研究指出,降水率廓线可以分为两类,向 下减弱和向下增强。其中,向下减弱主要由低层大气的蒸发或者垂直上升气流使 降水粒子在某一高度持续悬挂引起;而向下增强主要由降水的重力碰并作用或者 低层辐合产生对流运动引起。 .,根据该特点,定义一 个垂直梯度指数,即地面以上和.高度降水率的差值除以.,该指 数的正负代表向下增强减弱。研究表明,向下增强廓线发生在雨季陆地 上空,如印度内陆和亚马孙盆地的成熟季风区。由于本章研究地形对亚洲季风区 降水分布的影响,考虑到地形对反演降水率的影响,采用和.处的降 水率之差,代表低层降水率垂直分布差异特征。图.给出陆地上不同性质降水第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 率的垂直差值减.水平分布,为了更清楚地揭示亚洲夏季风区中尺 度山脉对降水的影响,这里忽略海上降水特征,该值越小大表明降水率向下 增强减弱越明显。总体上看,对流降水向下增强或向下减弱最强,层云降水 最弱,总降水介于二者之间,这和不同性质降水廓线强度的强弱一致。总降水率 在陆地上的垂直差值与层云降水率的分布较为相似,各山脉迎风坡降水率向下增 强,这和上文分析的总降水、层云降水廓线特征吻合。而对流降水率在各山脉迎 风坡为强向下增强,突出体现了中尺度山脉的作用,这与迎风坡为浅对流降水相 一致。该现象不仅出现在已经分析的座山脉附近,而且在中南半岛西部的中小 尺度山脉和菲律宾群岛西侧也有发生。值得注意的是,沿盛行西南风推进方向, 不同性质降水在各中尺度山脉迎风、背风坡的差异逐渐减小:对流降水率在西高 止山迎风坡呈狭长带状强向下增强,长山迎风坡为带状中等强度向下增强,到武 夷山为间隙的较弱向下增强;层云降水率在西高止山背风坡无向下增强,长山背 风坡为间歇的较弱向下增强,到武夷山为成片向下增强。可见,在亚洲夏季风区, 沿盛行西南风依次经过的中尺度山脉低层降水强度向下增强在迎风、背风坡差异 逐渐减小,对流降水在迎风坡作用明显,而层云降水在背风坡作用明显,这与迎 风坡降水频次减少受对流降水影响大,而背风坡降水频次增加受层云降水影响大 相一致。 图. 星载测雨雷达夏季陆地上空降水率的垂直差值.水平分布单 位:?’:总降水;对流降水:层云降水 .本章小结 本章利用年夏季 卫星资料,从气候态的降水微物理过程角度, 分析了亚洲夏季风期间中尺度山脉对不同性质降水垂直结构和水平分布的影响。 研究表明,中尺度山脉迎风、背风坡均以降水范围大、强度弱的层云降水为主, 山脉对气流的动力作用是引起层云降水的主要原因,该降水强度在迎风坡强于背 风坡。而迎风、背风坡的浅对流和深对流降水主要由山脉热力作用产生,对流降 水强度在背风坡强于迎风坡。 沿盛行西南风方向依次经过的座中尺度山脉,其迎风、背风坡发生总降水第二章南亚和东南亚中尺度地形对降水的影响 像素个数的差异逐渐减小,迎风坡降水频次减少受对流降水影响大,而背风坡降 水频次增加受层云降水影响大。降水微物理特征的转变也表明,从西高止山到长 山再到武夷山,迎风坡对流降水从浅对流向深对流转变,层云降水特征在迎风、 背风坡逐渐显著,并且,迎风坡对流降水强度在各中尺度山脉低层向下增加的趋 势逐渐减弱,背风坡层云降水反之。以上分析表明,沿盛行西南风依次经过的中 尺度山脉,不同性质降水在其迎风、背风坡的差异逐渐减小,其中,对流降水迎 风坡向背风坡转变明显,而层云降水背风坡向迎风坡转变明显。 资料对山脉迎风、背风坡大气稳定度的分析与对流降水相一致,并且 沿西南季风,迎风坡的浅对流降水逐渐向深对流降水演变的特征表现为大气层结 从稳定向中性的过渡。 区域气候模式虽然相较全球大气环流模式能更好地 模拟出降水分布特征,但是模拟中小尺度地形引起的降水时空分布还存在明显不 足。对不同性质降水垂直结构和水平分布的分析,为区域气候模式模拟中小尺度 地形降水提供了实测依据。 参考文献 , ,. .., ,, . , , , , : . 只 ,