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《中国科学院研究生院》 2007年
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中低纬关键区水汽输送结构特征及其对长江流域夏季降水异常的影响

施小英  
【摘要】: 本文针对国际上水分循环变化这一热点领域,以中低纬关键区的水汽输送结构特征及其对长江流域夏季降水异常的影响为主要目标,采用综合的统计分析方法探讨中低纬关键区水汽输送特征,并进行25年长时段模拟试验以揭示中低纬关键区梅雨带水汽输送源汇遥相关结构特征;采用诊断分析与数值模拟相结合的方法对低纬东印度洋-南海“水汽源”对梅雨降水的影响效应进行研究,并探讨青藏高原及周边地区次网格地形对水汽输送结构和下游降水的影响及其可能机制;研究东亚夏季风弱(强)变化背景下中低纬关键区水汽收支结构的差异,给出长江流域涝(旱)异常年份相应的中低纬关键区大气水分循环变化的物理图像。本文获得了以下主要研究结论: (1)青藏高原、中国东部、东印度洋和西太平洋区域(大致范围为10o~35oN,80o~130oE)是大气含水量以及经向水汽输送通量的冬夏季偏差显著区,亦是夏季经、纬向水汽输送通量变幅显著区,因此,将该区域定义为影响中国区域旱涝异常的中低纬水汽输送关键区,简称为中低纬关键区。中低纬关键区水汽输送特征可描述出季风系统环流结构,季节特征明显。其中,夏季水汽输送的经向性显著加强,呈三支强偏南风水汽输送气流,即孟加拉湾及其北部的西南季风气流、南海至中国东部的南海季风气流以及东海地区的东南风输送气流,同时在印度洋-孟加拉湾-南海一带形成区域性的强西风输送中心;冬季中低纬关键区南部的孟加拉湾西部洋面、中南半岛以东洋面以及菲律宾以南洋面则呈三支偏北风水汽输送。 (2)东亚地区夏季水汽输送年代际分量主模态的时空变化特征是造成中国东部夏季降水从“南北旱中间涝”分布型转向“南涝北旱”分布型的年代际变化的关键因素之一,即使得中国东部夏季雨带呈现出南移的年代际变化特征。 (3)25年长时段模拟试验揭示出长江流域涝、旱年中低纬关键区梅雨带源-汇结构(水汽输送通量距平场)呈“反位相”分布型,即涝年呈南海-高原-长江流域水汽远距离输送模型遥相关特征,旱年则相反。中低纬关键区低纬东印度洋-南海“水汽源”影响效应试验可揭示出低纬东印度洋-南海带状“水汽源”对梅雨降水的显著贡献,其强度的变化将使得梅雨雨量发生相应的变化。 (4)青藏高原地形尺度影响效应试验揭示出青藏高原周边非均匀水汽输送分布与高原尺度较小的“山谷群”地形效应存在显著相关,亦揭示出“上游地形尺度结构强迫效应”可能对长江流域夏季梅雨带降水过程产生遥相关影响效应。 (5)青藏高原东南夏季水汽收支对周边地区水分循环过程有重要影响,该区是向西北东部、长江中下游地区输送水汽的重要通道;长江中下游地区涝年,高原大地形东南向东输送的水汽流显著偏强,向北输送的水汽流则显著偏弱;长江中下游地区旱年则相反;高原大地形东南缘的水汽“转运站”效应亦是构成长江中下游流域洪涝和北方夏季干旱异常的关键因子之一。 (6)采用箱格网结构以及侧边界流定量计算等技术方案,揭示出在东亚夏季风弱(强)背景下,长江流域涝(旱)年春、夏季中低纬关键区“箱格网”水汽收支距平呈反气旋(气旋)式水汽输送“相关链”结构;春季水汽输送结构的遥相关特征可作为长江中下游夏季降水异常的前兆强信号之一。长江流域涝年夏季,中低纬关键区水汽收支“箱格网”间侧边界水汽流呈南海-中南半岛-孟加拉湾-青藏高原南侧-长江中下游-东海的合成水汽输送物理图像;旱年呈东海-长江中下游-青藏高原南侧-孟加拉湾-中南半岛-南海的合成水汽输送物理图像。在80~90年代东亚夏季风减弱背景下中低纬关键区水汽输送距平反气旋式“相关链”流型特征更为显著,其与中国东部夏季降水“南涝北旱”年代际变化趋势一致。
【关键词】:中低纬关键区 水汽输送 年代际变化 水汽源 地形尺度影响效应 水汽收支 长江流域 物理图像
【学位授予单位】:中国科学院研究生院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:P339
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-10
  • 第一章 绪论10-22
  • 1.1 关于亚洲季风区及中国区域旱涝异常大气水分循环与收支研究的回顾11-17
  • 1.1.1 关于亚洲季风区大气水分循环气候特征研究的回顾11-14
  • 1.1.2 中国夏季降水和长江流域旱涝异常的水汽源及水汽输送研究的回顾14-17
  • 1.2 有关青藏高原在季风水汽输送作用方面研究的回顾17-18
  • 1.3 问题的提出18-19
  • 1.4 论文总体框架和章节安排19-22
  • 第二章 中低纬关键区水汽分布及其输送的气候特征22-46
  • 2.1 资料说明及计算方法22-23
  • 2.2 中低纬水汽输送关键区的提出23-25
  • 2.3 大气含水量的气候特征25-27
  • 2.4 水汽输送通量的气候特征27-32
  • 2.4.1 纬向水汽输送通量的气候特征29-31
  • 2.4.2 经向水汽输送通量的气候特征31-32
  • 2.5 长江中下游旱涝年中低纬关键区水汽分布及其输送的差异特征32-43
  • 2.5.1 长江中下游旱涝年的划分33-34
  • 2.5.2 旱涝年大气含水量距平分布特征34-35
  • 2.5.3 旱涝年水汽输送通量距平分布特征35-39
  • 2.5.4 旱涝年经、纬向水汽输送通量距平的垂直分布39-43
  • 2.6 本章总结43-46
  • 第三章 中低纬关键区水汽输送气候模态及其对中国夏季降水的影响46-66
  • 3.1 资料说明及计算方法47
  • 3.2 关键区水汽输送年际变化的时空特征及其对中国夏季降水的影响47-55
  • 3.2.1 中国东部夏季降水年际变化的时空特征47-49
  • 3.2.2 关键区水汽输送年际变化的时空特征及其对中国夏季降水的影响49-55
  • 3.3 关键区水汽输送年代际变化时空特征及其与中国夏季降水的影响55-62
  • 3.3.1 中国夏季降水年代际变化的时空特征55-57
  • 3.3.2 关键区水汽输送年代际变化的时空特征及其对中国夏季降水的影响57-62
  • 3.4 本章总结62-66
  • 第四章 中低纬关键区-梅雨带水汽输送源汇结构66-82
  • 4.1 资料说明及计算方法67
  • 4.2 长江中下游流域旱涝年夏季大尺度水汽输送及其源、汇分布特征67-70
  • 4.3 RegCM3 模式简介70-73
  • 4.4 中低纬关键区-梅雨带水汽输送源汇遥相关结构的模拟研究73-80
  • 4.4.1 试验方案及模拟区域简介73-74
  • 4.4.2 模拟结果的可靠性分析74-77
  • 4.4.3 中低纬关键区-梅雨带水汽输送源汇遥相关结构模拟分析77-80
  • 4.5 本章结论80-82
  • 第五章 中低纬关键区东印度洋-南海水汽源对梅雨降水的遥相关影响效应82-96
  • 5.1 资料说明83
  • 5.2 GAME 资料与NCEP 资料的比较分析83-86
  • 5.3 长江流域梅雨带强降水过程水汽源及其输送通道结构特征86-89
  • 5.4 东印度洋-南海“水汽源”与长江中下游流域夏季降水年际变化的相关分析89-90
  • 5.5 东印度洋-南海“水汽源”遥相关影响效应的模拟研究90-95
  • 5.5.1 试验方案简介90-91
  • 5.5.2 模拟结果分析91-95
  • 5.6 本章总结95-96
  • 第六章 中低纬关键区青藏高原次网格地形对水汽输送结构和下游降水的影响96-110
  • 6.1 资料说明97
  • 6.2 长江流域洪峰过程异常云系结构特征97-98
  • 6.3 模拟试验方案98-100
  • 6.4 控制试验模拟结果的可靠性分析100-103
  • 6.5 青藏高原及周边区域次网格地形对水汽输送结构及下游降水的影响研究103-109
  • 6.5.1 青藏高原及周边次网格地形对水汽输送结构的影响104-106
  • 6.5.2 青藏高原及周边次网格地形对长江流域梅雨降水的影响106-109
  • 6.6 本章总结109-110
  • 第七章 中低纬关键区箱格网结构水汽收支的气候特征110-136
  • 7.1 资料说明及计算方法111-112
  • 7.2 中低纬关键区箱格网区域水汽收支特征与长江中下游夏季降水的相关关系112-119
  • 7.2.1 中低纬关键区箱格网区域总水汽收支及经纬向水汽收支的季节循环112-117
  • 7.2.2 夏季中低纬关键区箱格网区域边界水汽收支的气候特征117-119
  • 7.3 中低纬关键区箱格网区域边界水汽收支与长江中下游夏季降水的年际变化119-125
  • 7.3.1 箱格网区域东边界水汽收支与长江中下游夏季降水的年际变化119-122
  • 7.3.2 箱格网区域南边界水汽收支与长江中下游夏季降水的年际变化122-125
  • 7.4 夏季青藏高原东南水汽收支的气候特征及其影响效应125-133
  • 7.4.1 夏季高原东南逐侯水汽收支的气候特征125-127
  • 7.4.2 夏季高原东南水汽收支对周边区域的影响效应127-130
  • 7.4.3 高原东南区域边界水汽收支及周边区域夏季降水的准两年周期振荡130-133
  • 7.5 本章结论133-136
  • 第八章 长江流域旱涝过程中低纬关键区大气水分循环变化的物理图像136-154
  • 8.1 资料说明137
  • 8.2 夏季长江中下游旱涝过程副高变化显著区特征137-141
  • 8.3 东亚夏季风异常与中低纬关键区水汽输送遥相关结构特征141-145
  • 8.4 长江流域旱涝异常过程中低纬关键区水汽输送遥相关结构145-148
  • 8.5 东亚夏季风变化背景下中低纬关键区水汽输送结构的变化趋势148-150
  • 8.6 中低纬关键区水汽输送相关链的综合模型150-151
  • 8.7 本章总结151-154
  • 第九章 全文总结154-162
  • 9.1 主要结论154-159
  • 9.2 创新点159-160
  • 9.3 存在问题及未来工作设想160-162
  • 参考文献162-170
  • 致谢170-172
  • 个人简介172

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