中国东部季风湿润区大气水分收支特征的研究

【摘要】：本文利用NECP/NCAR1、NECP/NCAR2、ECMWF(ERA40)的再分析资料,以及中国160台站月平均降水资料和中国757台站夏季(6～8月)月平均降水资料,运用经验正交函数分解(EOF)、小波分析、奇异值分解(SVD)、M-K检验等统计方法以及相关、合成诊断方法,对中国东部季风湿润区大气水分收支的气候特征,水汽输送及降水的时空分布特征进行了较为系统的分析研究。其中着重分析了冬季、夏季大气水分收支高低值年(代)对应的水汽输送异常、大气环流异常、冬夏季风强弱、经向风异常和降水异常等问题。运用RegCM3模式对中国东部季风湿润区冬夏大气水分收支高低值年(代)对应的水汽输送、水汽通量散度及降水进行了模拟试验。全文主要结论归纳如下: ⑴中国东部季风湿润区多年平均的大气水分收支,年总和与四季均为水分收入。水汽输送在春季和夏季最强,大气水分收入最多,对净收入的贡献最大;秋季和冬季的水汽输送较弱,大气水分收入较少。 ⑵多年平均的季风湿润区南边界为主要的水汽输入区;西边界全年水汽输入,东边界水汽输出。水汽输送计算得到的大气水分收支年循环在2～10月为水分收入,水汽通量散度和P? E计算得到的大气水分收支在2～9月为水分收入。 ⑶水汽输送和水汽通量散度计算的大气水分收支垂直分布情况较为接近。四季的大气水分收支垂直分布各不相同,在对流层低层,春季和夏季以水分收入为主,秋季和冬季以水分支出为主;在对流层中上层,四季均以水分收入为主。整个区域在850hPa为水分支出外,其余各层均为水分收入。四季大气水分收支的长期变化趋势明显,在几十年里表现出显著的线性趋势。 ⑷对年总和及四季大气水分收支时间序列进行M-K检验,揭示了存在的突变现象;通过小波分析,发现上述时间序列的周期表现为2～4年。 ⑸运用EOF方法对冬、夏季降水场,水汽输送场进行分解,揭示了冬、夏季水汽输送及降水的异常时空分布特征。运用SVD分解,发现冬、夏季经纬向水汽输送与降水的第一对奇异向量场具有同相变化关系。 ⑹冬季大气水分收支时间序列的高低指数年能够指示季风湿润区经向风的异常变化,还能够指示东亚冬季风的强弱和降水的异常变化。高值年,蒙古冷高压和阿留申低压偏弱,东亚大陆对流层低层盛行异常偏南风。季风湿润区30°N以南有强烈地上升运动,配合南海、孟加拉湾的暖湿水汽输送,可使大气水分收入增多,造成降水异常增加;而低值年则相反。合成的异常水汽输入集中在900～600hPa之间,其中西、南边界为水汽输入区,而东、北边界为水汽输出区。合成的大气水分收入的经向变化占净收入变化的91.3%。合成的异常降水中心量值可达40mm以上,而水分收支年代际变化合成的异常降水中心量值可达30mm以上。冬季的平均流造成季风湿润区水汽辐合,瞬变波造成水汽辐散。高值年季风湿润区的瞬变偏南水汽输送强,南海的瞬变偏南水汽输送弱;低值年则相反。 ⑺夏季大气水分收支时间序列的高低指数年能够指示中国东部季风湿润区经向风的异常变化,对季风湿润区的降水变率具有指示意义。合成的整层水汽输送在东亚–西太平洋区表现为经向三极子型。不同层次的大气环流异常有利于外部的异常水汽输入,可造成大气中的水分增多,降水增加。降水的差异由经向水分收入与支出的变化造成,纬向的收支变化对此差异贡献只有经向的1/4。 ⑻夏季高值年代,东亚夏季风偏弱,副热带高压偏西、偏强,亚洲热低压偏弱,对流层低层为异常气旋式辐合,异常偏南风盛行,外界有较多水汽输入,上升运动强烈,有利于降水的产生;低值年代则相反。合成的边界水汽异常输入输出主要集中在900～500hPa之间。高值年代,5月以前的降水偏少,对应经纬向水汽输送负异常,6～8月偏多,对应经纬向水汽输送正异常,10月以后经纬向水汽输送正异常,降水负异常;低值年代则相反。 ⑼夏季瞬变水汽通量高值区较冬季北抬,瞬变波造成水汽辐散。夏季高值年代季风湿润区的瞬变偏南水汽输送强,南海的偏西水汽输送强。根据NECP1、NECP2、ERA-40资料得出的大气水分收支时间序列具有相同的变化趋势,在水汽输送、水汽通量散度的合成场上分布形式较为一致。 ⑽RegCM3模式对于冬、夏季季风湿润区降水的分布具有较好的模拟能力。SWT2模拟结果的水汽输送场比SWT1与再分析资料结果相似性更好,揭示了夏季更大的海陆热力差异可能是影响大气环流发生异常的原因之一。