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华西地区双峰型降水的天气气候学研究

惠英  
【摘要】:本文利用中国气象局国家气候中心资料室整编的1951-2012年台站降水资料、中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集、全球陆地格点逐日降水数据、陕西省气象局提供的1961~2012年陕西气象站逐日、逐时降水资料,NCEP/NCAR气象要素再分析资料、NCEP/DOE AMIP-II再分析日平均资料及高分辨率的NCEP GFS气象预报场资料,采用合成分析方法、K-means聚类分析方法、小波变换分析方法、一元线性回归分析法及多项式拟合分析方法等,分析了华西地区双峰型降水及大气环流的气候学特征、雨季的起讫与持续、降水异常年份和时段合成的环流特征及典型个例。本文所研究的华西地区主要包括中国西南地区大部、西北地区东南部和华中地区西部(26oN–37oN,93oN–111oE)。由于其独特的地理位置,同时受到印度季风和东亚季风的共同影响,降水年循环呈双峰型,但却不同于华西南的云南和海南地区的双峰型降水,使其比东亚东部夏季风降水更为复杂。以111°E为界,以东的华东地区每年仅有一个降水峰值,而以西的华西地区每年通常会出现夏雨和秋雨两个明显的降水峰值,华西的雨期较华东的雨季长一个月左右。华西雨季具有明显的阶段性,将降水按照1mm/d、2mm/d(标志雨季开始和结束)、4mm/d(区分雨季峰值时期和中断时期)的阈值分为7个阶段:第一阶段为雨季酝酿期(3月30日—4月30日),第二阶段为雨季初期(5月1日—6月17日),第三阶段为夏雨峰值时期(6月18日—7月26日),第四阶段为雨季中断期(7月27日—8月13日),第五阶段为秋雨峰值时期(8月14日—9月16日),第六个阶段为雨季末期(9月17日—10月13日),第七阶段为雨季结束期(10月14日—10月28日)。从气候平均看,华西雨季开始于5月1日,撤退于10月13日,期间包括夏雨和秋雨两个峰值时期,分别对应于上述的第三和第五阶段。夏雨峰值期的日降水峰值出现在7月6日,多年平均日降水量为5.4mm/d,秋雨峰值期的日降水峰值出现在8月31日,多年平均日降水量为4.4mm/d,而多年平均季风中断时间出现在8月4日,夏季干旱常常发生于季风中断前后。夏季风气候中断现象将季风降水分隔为两部分,分别为夏季降水和秋季降水。与上述华西雨季的阶段性特征相对应,大气环流在每个阶段都有其独特的形势和配置。第一阶段,低层印度洋赤道两侧对称地存在两个气旋性环流;中层副高呈带状分布,脊线处于20on以南,华西地区受西风带环流的影响,降水较少。第二阶段,越赤道气流建立,副高脊线在印度洋上空断裂,华西雨量增加;第三阶段,越赤道气流明显增强且向北推进,印度西南季风带来的西南水汽通量为华西带来大量水汽,副高强度增强,脊线北抬大约5o左右,西风带也在华西上方活动,各天气系统在华西上空辐合,华西地区处于夏雨峰值时段。第四阶段,低层越赤道气流偏西分量增强,由经向转成纬向,呈直角汇入西太平洋副热带高压;副高北跳、东退,强度偏弱,脊线正好位于华西地区上空,西风带位置偏北,华西地区环流系统呈辐散形势,使得华西出现了雨季的中断;第五阶段,低层开始有弱冷空气活动,副热带高压明显南退西伸,西脊点到达110oe以西,越赤道气流汇入副高南侧形成增强的东南水汽通量给华西地区带来丰沛的水汽,高层西风带再次南退至华西地区,华西上空呈辐合形势,华西降水产生再次增强,成为秋雨峰值时段;第六阶段,低层越赤道气流主体已南退至海上,通过季风槽间接向华西输送水汽,中国大陆上冷高压形成,华西处于高压后侧偏南气流中,中层副高南退至中国南部沿海至海南一带,但是西脊点继续西伸到100oe,有利于华西降水。第七阶段,大陆冷高压开始迅速发展,东亚夏季风转成冬季风形势,雨季结束。可见,在夏雨(秋雨)峰值时期,正好对应着西太平洋副热带高压北进(南退),高空西风急流稳定在华西地区所在纬度,低层的越赤道气流汇入副高南侧东南气流从而给华西带来水汽,最终导致华西地区集中降水。双峰型降水期间的不同阶段,各种温度和湿度物理量均有独特的特征与之对应。从假相当位温和垂直上升速度分析得到华西地区于5月初进入夏季风时期,10月上、中旬夏季风结束。华西温、湿度特征说明秋季冷空气活动频繁使相对湿度增加,水汽凝结,从而进一步增强了降水效率,另一方面冷空气活动引起的锋面也是降水产生的触发条件之一。从水汽输送的角度来看,华西夏雨峰值时段的水汽供应主要来自西南暖湿气流,主要的影响系统是越赤道气流。秋雨峰值时段的水汽供应主要来自副高外围的东南风水汽输送。从副高强度指数来看,副高是影响华西地区降水的最重要的天气系统,是调制华西双峰型降水的主要原因。华西秋雨存在着显著的年际变化。合成分析显示,多雨年与少雨年之间环流差异明显。多雨年亚洲大陆850hpa温度距平场为“?”型分布,而“?”两侧的负距平区则是来自北方的东路和西路冷空气,形成锢囚锋,给华西造成强降水,而少雨年北方冷空气范围小,活动弱,中低纬度地区能量也偏小,环流呈纬向分布,降水偏少。中高层多雨年热源面积明显大于少雨年,在青藏高原下游的中纬度地区为明显的正温度距平区,有利于华西上空能量的堆积,这种异常随着高度的增高而更加显著,而少雨年则为显著的负温度距平区。多雨年850hpa距平风场上的异常表现在沿青藏高原东侧北上的西南暖湿气流的加强,同时印度洋上的西南暖湿气流也显著加强,而少雨年则为弱的北风距平;500hpa距平风场上巴尔喀什湖地区的低槽加深和副高偏强、偏西是多雨年异常的两个主要特征,少雨年反之。100hpa高空急流轴在多(少)雨年面积上增加(减少),强度上比较强(弱)。副高在第3、4、5、7阶段对华西降水有影响,且显著不同。夏雨峰值时期雨量偏多年份副高较常年明显西伸。雨季中断期,华西地区降水偏多年、正常年和偏少年对应的副高位置依次从西南向东北排列,并且面积减小,既有东西差异又有南北差异,造成雨季中断。秋雨峰值时期副高在降水偏多时西脊点在100°e左右,降水偏少时西脊点在120°e左右。雨季结束期,副高脊线南退至20°n以南,此时副高几乎呈带状分布,与夏雨和秋雨峰值时期不同的是副高越西伸对水汽的阻挡作用越强,降水越偏少,在降水异常偏少时,副高甚至出现了断裂现象。此外,周期分析发现,华西秋雨存在6-8a的显著周期。华西秋雨的典型个例分析可以具体地说明大气环流的演变特征与降水强弱的对应关系。2011年9月的强降水天气是典型的华西秋雨,由于海陆分布和地形等的影响,关中秋季具有非常有利于降水的大气环流形势,包括对流层500hpa强大的西北太平洋副热带高压、西风带槽脊、中高纬度地面冷空气的形成和堆积、华北反气旋、西北太平洋季风槽、东海以东的台风、越赤道气流等,均为关中地区带来丰沛的水汽和抬升触发条件。与夏季降水不同的是关中秋季东边界的水汽输入与降水的开始、结束和强度有非常紧密的联系,江淮地区较强的偏东风或东风急流可以作为关中秋季强降水发生的一个指标。秋季台风的发生、移动路径和强度对关中降水有重要影响,当台风路径偏东偏北,台风强度偏弱,关中降水量偏少。而当副热带高压偏西偏强,在其南侧的东风引导下,台风路径偏西数量明显偏多,强度偏强,关中地区降水量偏多,暴雨频发。


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