（气象学专业论文）基于trmm资料的南海地区降水变化特征研究.pdf

摘要 基于t r m m 资料的南海地区降水 变化特征研究 专业：气象学 硕士生：雷婷 指导老师：黎伟标副教授 王东晓研究员 摘要 本文使用1 9 9 8 2 0 0 6 年的t r m m 3 g 6 8 f r 、3 8 4 2 资料和1 9 9 8 - 2 0 0 5 年的3 a 1 2 和c s h ( c o n v e c t i v e s t r a t i f o r mh e a t i n g , 对流和层状加热) 资料以及1 9 9 8 年7 月 的n c a r n c e p 1 全球再分析资料，利用m o r l e t 小波、带通滤波、合成分析等多种 诊断方法，对南海地区降水的日变化、准7 天的高频变化、季节变化特征进行研 究。主要结论如下： 1 南海降水峰值在南海北部和南部分别出现在1 3 0 0 l t 和0 3 0 0 l t ，而在陆 地和近岸区域则分别出现在1 9 0 0 l t 和0 7 0 0 l t ；降水日变化在南海和陆地的近岸 区域以夜间到清晨降雨为主，在大陆以中午到傍晚的降雨为主。 2 南海区域的海洋和陆地降水在四季都存在明显的同变化，在海洋，夏季降 水的日变率最大，冬季最小；陆地和沿海区域降水则在秋季变率最大。 3 南海7 1 2 月存在准7 天的高频振荡，且自东向西传播。 摘要 4 南海地区的准7 天的高频振荡有明显的年际变化特征，在e ln i n o 年较强， 在l a n i n a 年较弱。 5 通过对c s h 和对流云、层状云降水的分析发现，南海地区潜热加热和对 流活动在夏季风爆发之前就已经发生了明显的加强。 6 南海地区降水和c s h 在e ln i n o 和l an i n a 年有不同的季节变化特征。在 e l n i n o 年南海c s h 值远远小于l a n i n a 年。另外l a n i n a 年的c s h 在3 - 4 月迅速 增加，而e ln i n o 年c s h 只有到了季风爆发时才开始增加。 关键词：t r m m 、南海地区降水、日变化、高频变化、季节变化 n c h a r a c t e r i s t i c so fr a i n f a l lo v e rt h es o u t h c h i n as e aa sd e p i c t e d b yt r m m d a t a m a j o r n a m e ：m e t e o r o l o g y ：l e i t i n g s u p e r v i s o r ：l iw e i b i a o w a n gd o n g x i a o a b s t r a c t t h ed i u r n a l 、h i g h f r e q u e n c ya n ds e a s o n a lv a r i a b i l i t yo fr a i n f a l lo v e rs o m h c h i n as e aa r ee x a m i n e du s i n gt r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o nf r g i m ) s a t e l l i t e p r e c i p i t a t i o nr a d a r ( p r ) a n dt m id a t a t h et r m mp r 艇：n s o rc a l ld e t e c tr a i n d r o p s d i r e c t l y , r e g a r d l e s so fg r o u n da n dc l o u dc o n d i t i o n s , a n d c a l l d i s t i n g u i s h b e t w e e n c o n v e c t i v ea n ds t r a t i f o r mt y p e so fr a i n f a l l r a i n f a l lv a r i a t i o no v e rt h i sa r e aw a sf o u n d t oh a v et h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： 1 ) r a i n f a l lw i t hap c a l 【a r o u n d1 3 0 0 l ta n d0 3 0 0 l to v c rt h en o r t h e r ns o u t h c h i n as e ar e g i o na n dt h es o u t h e ms o u t h c h i n as e ar e g i o n , w h e r e a so v e rt h el a n dr e g i o n a n dc o a s t a ls e ar e g i 咖，r a i n f a l lp e a ki sa r o u n d1 7 0 0 l ta n d0 7 0 0 l t 办t h ea m l i t u d eo fv a r i a b i l i t yo v e rl a n da n dc o a s t a ls e ar e g i o na g em u c hm o r e s i g n i f i c a n td u r i n ga u t u m n ，o v e rt h es e ar e g i o na r em u c hm o r es i g n i f i c a n td u r i n g s u m m e g 3 ) t h e r ei s as i g n i f i c a n th i g h f r e q u e n c ys i g n a l so v e rs c s - q u a s i - o n e - w e e k v a r i a b i l i t yd u r i n gj u l yt od e c e m b e r 4 、q u a s i - o n e - w e e kv a r i a b i l i t yo v e rs c se x h i b i t sc l e a ri n t e r a n n u a lv a r i a t i o n f e a t u r e s t h eh i g hf r e q u e n c ys i g n a l so v e rs c sa r em u c hm o r es i g n i f i c a n td u r i n ge l n i n oy e a r st h a nd u r i n gl a n i n ay e a r s 5 ) t h ec o n v e c t i v ea n ds t r a t i f o r mh e a t i n g ( c s r o ，c o n v e c t i v ea n ds t r a t i f o r m r a i n f a l li nt r m mt m i3 a 1 2d a t ac a nc h a r a c t e r i z et h es e a s o n a lc y c l eo ft h es c s s u m m e rm o n s o o nv e r yw e l l 6 ) t h es e a s o n a lc y c l e so fr a i n f a l la n dh e a t i n go v e rt h es c se x h i b i td i f f e r e n t f e a t u r e sd e p e n d i n go ne ln i n oo fl an i n ac o n d i t i o n s t h ec s ho v e rt h es c si sm u c h s m a l l e rd u r i n ge i n i n oy e a r st h a nd u r i n gl a n i n ay e a r s m o r e o v e r , t h ec s hi n c r e a s e s v e r yr a p i d l yi nm a r c h - a p r i ld u r i n gl a n i n ay e a r s ，b u ti td o e sn o ti n c r e a s em u c hd u r i n g e i n i n oy e a r su n t i lt h eo n s e to ft h es c ss u m m c rm o n s o o ni nm a y k e yw o r d s ：t r m m ，s o u t hc h i n as e ar a i n f a l l ，d i m n a lv a r i a b i l i t y , h i g hf r e q u e n c y v a r i a b i l i t ys e a s o n a lv a r i a b i l i t y i v 第一章引言 1 1 研究现状 第一章引言 南海是一个被大陆和岛屿环抱的热带海洋，海域辽阔，东起菲律宾群岛，西 至中南半岛，北濒我国大陆，南达印度尼西亚群岛，它是亚一澳季风系统的重要 气流通道，也是中国东部和东南部降雨的主要水汽来源刚，南海地区的降雨以及 由此导致的潜热释放对东亚的大气环流、能量收支有重要的影响，其间接作用甚 至远达美洲1 4 , b l 。 南海地区的降雨在空间上分布很不均匀，同时具有显著的季节变化旧。除了副 高活动、季风潮、冬季冷涌和热带低压活动等天气过程，南海周边广泛分布的山 地地形对该地区的降雨分布也产生强烈影响旧陈举等 6 1 的研究指出，南海受季风 的影响，降水具有显著的季节变化特征，夏季水汽充足，冬季水汽含量比较少； 在空问上，南海南部降水高于北部，东部高于西部。乔云亭等川分析指出，南海夏 季风爆发前后南海降水发生明显的突变。之前的研究多关注于南海降水的空间结 构和季节、季节内变化特征以及南海夏季风期间降水的突变特征，而对于降水的 日变化、高频( 1 0 天以下) 振荡特征的研究甚少。 掌握降水的日变化及其区域差异特征对南海地区而言非常重要。因为降水引 起的水汽上升及潜热释放直接影响周围大气环流的变化，甚至影响到大尺度能量 和水汽循环。这方面的研究最早是在1 9 0 1 年，由h a n n 提出，随后便展开了一系 列的讨论。总的来说，海洋上降水的峰值一般出现在清晨i 一1 9 1 ，陆地上降水的峰 值出现在下午到傍晚嗍。然而，这种一般性没有考虑到局地地形和环流背景的差 异，而且在之前的研究中所使用的降水资料和一些物理模式中的云参数缺少完整 性和可靠性嘲。随着卫星遥感技术的不断发展，我们掌握了越来越多的高时空分 辨率的降水和潜热场的三维数据，这对于分析热带地区的降水和加热场结构特征 提供了有利的条件 降水的日变化有不同的空间分布结构，a l b r i g h t 等1 1 i 的研究指出，在热带太平 第一章引言 洋中部和东部的热带辐合带( i t c z ) 降水的峰值出现在早晨，丽在南太平洋辐合 带( s p c z ) 降水的峰值出现在下午。g r a ya n dj a c o b s o n ( 1 9 7 7 ) t m 提出，用一种辐射 一动力耦合机制来解释深积云对流区在深夜凌晨l e - a m ( i a t ee v e n i n g e a r l y m o m i n g ) f l l 现的峰值。他们还在1 9 7 4 年g a r p 大西洋热带实验中发现，大西洋东 部的降水峰值出现在0 9 0 0 l t - 2 1 0 0 l t ，随后j o r d a n 伽也证实了这和之前 0 3 0 0 l t - 0 6 0 0 l t 峰值有一定联系。这就意味着东大西洋的降水峰值比其他海洋区 域晚了6 小时。这也进一步说明，不同地区降水的日变化物理机制具有很大差异。 其中被普遍认可的是陆地上降水峰值出现在下午到傍晚是由于地面加热场差异所 引起的上升运动嗍，海洋上出现在清晨的峰值则是因为热容量差异使得对流活动 在夜间加强所产生的脚1 5 l 。 地球大气的运动是极其复杂的，在空间上有各种不同尺度的运动系统，在时 间变化方面也是多种多样的，可以粗略地把大气运动的时间变化分为高频变化、 天气变化、低频变化、季节变化、甚低频变化、年代际变化和地质纪变化。时间 尺度在几小时至1 0 天的大气运动变化是天气变化，它是人们能直接感觉到的大气 运动变化。时间尺度在1 0 天以上，1 0 0 天以内的大气运动变化称为大气低频变 化，它包括引起大家普遍注意的季节内( 3 0 6 0 天) 振荡和准双周( 1 0 2 0 天) 振荡嗍。从m a d d e n 和j u l i a n t 蛐利用1 9 5 7 1 9 6 7 年坎顿岛的观测资料通过谱分析方 法首先发现热带大气纬向风和气压场存在4 0 5 0 天周期的低频振荡开始，季节内 振荡便成为了热门研究对象，在其传播方向、年际变化特征、遥相关型等方面都 做了深入的探讨。在1 0 2 0 天振荡方面，k r i s l m a m u r t i a n 对南亚季风区的云量和降 水进行了周期分析，指出这两者都存在1 0 2 0 天的低频振荡；孙淑清鲫通过对副 热带高压进行波谱分析，发现其存在1 0 - 2 0 天的周期，并且指出南海及其附近地 区的位势高度场、水平风场、垂直运动和加热场都显著存在1 0 2 0 天的周期振荡。 相比较前面两种振荡，1 0 天以下的高频振荡方面的研究相对还比较少。 另外，在近二十年对于南海夏季风的研究取得很大的进展m 。夏季风的爆发 和季节内振荡也得到了普遍的关注删。通过1 9 9 8 年5 - 8 月的外场观测试验，取 得了大量和多种大气与海洋的加密观测资料为南海季风研究提供了比较完善的资 料集湃, w l 。主要研究成果包括以下三个方面：1 ) 南海夏季风期间存在两种主要的 2 第一章引言 振荡周期。3 0 - 6 0 天和1 0 - 2 0 天；2 ) 南海夏季风的爆发和斯里兰卡以东的双气旋 有密切的关系；3 ) 在南海夏季风期间，多普勒雷达所观测到的中尺度对流系统的 形成有很强的变化。陶诗言等1 4 1 1 使用t r m m 资料对全球热带地区潜热加热场的四 维结构进行评估。f u 和l i u 陶用t r m m 资料研究东亚中纬度地区的降水特征。 m a g a g ia n db a r r o s i 删评估印度季风爆发期间降水的潜热释放。o l s o n 和y a n g 等嗍 介绍了一种改进的算法用于估测地面降水率、对流性降水的比重和潜热廓线。但 到目前为止，南海降水和加热场的季节变化特征方面还没有结论性的成果。 1 2 本文研究内容 综上所述，前人曾对南海降水特征及区域差异作了许多研究，然而，日变化 特征及其区域差异并不十分清楚，降水的高频变化特征以及降水场和潜热场的季 节变化方面的研究也比较少。为此，针对上述问题，本文着重分析南海降水的日 变化、高频变化、季节变化，探讨不同类型降水的季节变化特征，进而研究其在 e ln i n o 年和l an i n a 年的差异。 第二章介绍所使用的资料和方法；第三章分析了南海降水的日变化特征及其区 域差异；第四章分析了南海降水的高频变化特征；第五章分析了降水和加热场的 垂直结构和季节变化特征；第六章是结论。 第二章瓷料与研究方法介绍 第二章资料与研究方法介绍 2 1 资料来源和处理 t r m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n ) 卫星于1 9 9 7 年1 1 月成功发射，能 够满足对热带区域加密观测的要求。卫星上搭载的用于降雨观测的主要传感器有： 降雨雷达( p r ) 、被动式微波辐射计( t m i ) 以及可见、红外传感器( v i r s ) 。其 中p r 是第一个星载降雨雷达，能够观测降雨的三维结构。 3 8 4 2 算法是由t r m m 科学小组开发的一种综合降水评估算法，它结合了 2 1 3 3 1 、2 a 1 2 、微波成像专用传感器( s s m i ) 、改进的微波扫描辐射计( a m s r ) 、 高级微波探测器( a m s u ) 等多种被认为是高质量的降水评估算法，并对地球同 步红外观测系统获得的红外辐射资料进行了校准。高质量的准全球降水评估资料 是通过对红外亮温资料进行校准获得的。估测3 h 降水( 指该时刻9 0 m i n 前和9 0 m i n 后，3 h 内平均降水强度) ，覆盖范围0 * - 3 6 0 * ，5 0 s 一5 0 n ，分辨率0 2 5 。x 0 2 5 。 t r m m3 g 6 8 是每小时格点( o 5 + o 5 ) 数据，覆盖范围4 0 。s 4 0 。n ，0 - 3 6 0 ，它 包含t r i m2 a 1 2 ( t m i ) 、2 a 2 5 ( p r ) 和2 8 3 1 ( c o m b i n e dp r , t m ip r o f i l e ) - _ 三种轨道降 水资料的信息。p r 和t m i ( t r m mm i c r o w a v ei m a g e r ) 是估测近地面的降水率。 本文所使用的是1 9 9 8 2 0 0 6 年3 0 6 8 中的p r 资料来计算对流降水率和层云降水率 和总降水率。 本文使用的3 a 1 2 降水资料为t p 4 岫i 第六版标准产品以及g p c p - i d d 资料3 a 1 2 是基于t p a 0 4 卫星被动式t m i 的5 个通道( 中心频率分别为1 0 6 5 ，1 9 3 5 ，2 1 3 ， 3 7 0 和8 5 5g h z ，其中2 1 3g h z 为垂直极化，其他4 通道为水平和垂直双极化) 所观测的微波亮温，并结合云数值模式( 包括g o d d a r d 积云模式和威斯康星大学 非静力模式) 和辐射传输模式得到的反演结果t r 慨i 试验卫星的一个核心目的就 是通过多部仪器对降水云中水凝物结构的联合测量来获取其潜热释放信息邮棚， 其中降水云水凝物既包括固态和液态的降水粒子，也包括在尺度上更为微小的固 4 第一二章赍料与研究方法介绍 态和液态云粒子3 a 1 2 为月平均格点( 0 5 。x0 5 。) 资料，覆盖范围 4 0 。s - 4 0 。n ，垂直方向上自地表至1 8l c m 非等间距分为1 4 层( 表2 一1 ) 。3 a 1 2 提 供各层气柱内水凝物含量信息，以及各层潜热释放当量，并且给出基于t m i 微波 亮温反演的降水类型信息：地表总降水率、地表层云降水率和地表对流云降水率 c s h ( c o n v e c t i v c s t r a t i f o r mh e a t i n g , 对流和层状加热) 资料为月平均格点 ( 0 5 。x 0 5 。) 资料，覆盖范围3 7 。s 一3 7 。n ，垂直方向上自地表( 0 5 k m ) 至1 8i ( m 非等间距分为1 4 层( 表2 - 1 ) ，c s h 资料提供各层对流和层状加热。 表2 - 1 ：3 a 1 2 资料垂直方向分1 4 层 层1234 5 67 891 0 l l 1 21 31 4 n c e p n c a r ( 美国环境预测中心和大气研究中心) 全球大气每日四次再分析资料。资料 再分析中所用的数据同化系统是在1 9 9 5 年n a 三p 的全球预报模式基础上发展的，系统用谱分 析对所有能够得到的实时观测资料进行插值，用三维数据分析方法进行同化处理。本文中用 到的要素场主要为每日四次的8 5 0 h p a 和2 0 0 h p a 两层纬向风u 、经向风v ，资料格式为经纬网格 点，分辨率是2 5 。2 5 。 2 2 计算和分析方法 本文使用的分析方法主要有：m o r l e t 小波分析、带通滤波、合成分析等。以 上分析方法具体可参考魏风英编著的现代气候统计诊断与预测技术以及黄嘉 佑编著的气象统计分析与预报方法m 。 ( 1 ) 小波分析方法简介 气候变化具有多时间尺度和多空间尺度的特性，包含了多层次的突变。但以 5 第二章资科与研究方法介绍 往的分析方法，包括f o u r i e r 分析，因为不具有局部、多层次和多分辨的性质而不 能客观地反映这种多层次结构规律。而小波分析基于平移和伸缩的不变性具有正 则性、局部性和k 阶消失矩等良好的性质删咖。小波分析方法将时间序列弓i 入频率、 时间和空间来描述，因此特别适合于对信号进行多尺度分析、局部分析和奇异性分 析。捌。这无疑为研究气候变化的多层次结构和突变特征提供了新方法。 本文选取m o r l e t 子波来分析其分析函数的形式为： 妒( f ) = e i a , 。g 。2 7 2( 2 1 ) 其中，0 为波矢量，一般取o o = 6 0 ，定义信号自( t ) 的子波变换为： 彬q ，6 ) 一丘，( f 溉 o 渺- 去e ，o 渺( 譬池口 0 ，6 r ( 2 2 ) 其中。表示复共轭，妒。 o ) 。下1 妒生) 称为子波函数，a 为尺度参数，b 为 平移参数， ，6 ) 为子波变换系数。 利用p a r s e v a l 恒等式和傅立叶变换的基本性质，( 2 3 ) 可变为： 坼( 4 ，6 ) t 尝j 二厂 弦汹妒o 矽 ( 2 4 ) 其中表示一傅立叶变换， f ( t o ) 和c j 。) 分别为f ( t ) 和l f ，( 三云与的傅 其中表示一傅立叶变换，0 ) 分别为 ) 和l f ，e ，的傅 立叶变换。同时可得到连续子波变换的反演公式为： ，( f ) 一扛坼) l f ，神) 等 ( 2 5 ) 其中，勺。j 二。 “- 0 5 i o c a it i m e 1 7 第三章南海降水场的日变化特征 e e = f 五 量 e e ：f 弓 三 o c a it i m e 图3 41 9 9 8 2 0 0 6 年9 年平均三小时降水率时间一月剖面图 s t a r t i n gl o c a lt i m eo ft h r e eh o u rp e r i o d ( h o u r ) 第三章南海降水场的臼变化特征 e ：f 弓 量 e e ￥ 已 3 4 小结 图3 - 5 南海1 9 9 & 2 0 0 6 年睥平均四个区域各季节降水的目变化 由于海陆差异和季风的影响，使得南海降水的日变化随区域的差异较大。南 海北部主要为夜晚降水，降水峰值出现在1 3 0 0 l t ，南部为清晨降水，峰值出现在 0 3 0 0 l t 左右；在陆地，夜晚降水量大于清晨，峰值在1 9 0 0 l t ，而在陆地周围的近 岸区域主要为清晨降水，峰值出现在0 7 0 0 l t 。降水空间分布在0 0 0 0 l t 由陆地降水 向海洋降水转变，1 2 0 0 l t 降水则由海洋向陆地转变；海洋和陆地的降水峰值出现 的时间随季节变化不明显，只是峰值振幅大小差异较大，一般海洋是在夏季最强， 陆地和沿海区域是在秋季最强。 1 9 第四章南海降水场的高频变化特征 第四章南海降水场的高频变化特征 自从7 0 年代初，l a d d e n 和j u l i a n 嗍利用1 9 5 7 1 9 6 7 年坎顿岛的观测资料， 通过谱分析方法首先发现热带大气纬向风和气压场存在4 0 5 0 天周期的低频振 荡，人们对大气环流的季节内振荡现象进行了广泛的研究，而对于大气高频振荡 的研究不多。以往对于降水方面的研究着重于准双周振荡、季节内变化，年变化 以及年际变化特征研究。 本章使用对周期具有较强分析能力的m o r l c t 小波研究南海区域( o 2 0 。n ，1 0 5 1 2 0 。e ) 降水场的周期变化特征，以确定各振荡周期。 4 1 逐年高频变化特征分析 图禾1 给出了南海1 9 9 8 - 2 0 0 6 年逐年的m o r l e t 小波变换的实部和模，由图可 见，小波系数反映小波能量主要集中在0 6 0 天这一频域范围内，4 1 2 月存在 3 0 6 0 天、1 0 - 2 0 天、准7 天的振荡周期，其中准7 天变化主要存在于7 - 1 2 月。此 外，从图中还可以看出3 0 - 6 0 天的周期在1 9 9 9 、2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 6 年表现碍非常 明显，而在1 9 9 8 ，2 0 0 2 2 0 0 4 、2 0 0 5 年1 0 - 2 0 天的周期振荡表现得非常明显。虽然 1 0 天以下的高频振荡在9 年都表现的比较弱，当仍然可以看出其强弱的年际变化。 下面我们就依次分析各年的情况。 1 9 9 8 年，从季风爆发的4 月中旬到9 月，主要表现为3 0 - 6 0 天的振荡周期。9 月1 2 月底则表现为1 0 2 0 天的振荡周期，结合小波变换模图可以发现，1 0 - 2 0 天 的振荡强于3 0 ，6 0 天。准7 天的变化主要出现在1 1 、1 2 月，且在1 1 月最强。 1 9 9 9 年，3 0 6 0 天的振荡贯穿4 - 1 2 月，在南海夏季风期间( 5 7 月) 振荡最强。 同时在5 - 6 月1 0 - 2 0 天的振荡也较强。准7 天的振荡比1 9 9 8 年弱，且主要出现在 1 0 月和1 2 月。 2 0 0 0 年，和1 9 9 9 年相类似，5 1 2 月期间存在显著的3 0 6 0 天振荡，4 _ 6 月和 1 0 月都存在1 0 - 2 0 天振荡，不同之处在于，准7 天振荡非常弱。 第四章南海降水场的高频变化特征 2 0 0 1 年，同样和1 9 9 9 年类似，主要表现为3 0 - 6 0 天振荡，1 0 - 2 0 天的振荡在 1 0 - 1 2 月较强同时伴有准7 天变化2 0 0 2 年，3 0 6 0 天的振荡和1 0 - 2 0 天的振荡出 现的时间一致，都在5 月1 2 月，1 0 天以下的振荡只有在7 月比较明显。结合小 波分析模图可以看出在2 0 0 2 年，1 0 - 2 0 天的振荡较3 0 6 0 天振荡强，且两种振荡 都在8 月达到最强。 2 0 0 3 年，5 - 7 月2 0 天左右的周期较强，同时在7 、8 月出现了1 0 2 0 天振荡， 准7 天变化，在9 1 2 月3 0 - 6 0 天周期振荡比较明显。 2 0 0 4 年，和2 0 0 2 年的振荡特征基本相同，1 0 2 0 天的振荡强于3 0 6 0 天的振 荡，准7 天变化在8 、9 月比较明显。不同之处在于，l o 2 0 天振荡比3 0 6 0 天振 荡建立的时间早半个月。 2 0 0 5 年依然是1 0 - 2 0 天振荡较显著，准7 天变化出现在8 、9 、1 1 月。 2 0 0 6 年，在4 - 1 2 月期间3 0 - 6 0 天振荡表现得非常明显，而在季风爆发前后( 5 月) ，三种振荡都非常显著( 3 0 - 6 0 天振荡、1 0 - 2 0 天振荡、准7 天变化) 。 蔓婴耋壹堡堕查堑塑堕塑奎些堑堡 第四章南海降水场的高频变化特征 图4 1 南海1 9 9 8 2 0 0 6 逐g i i o r l e t , b 波变换实部和模 前人的研究表明热带大气的季节内振荡与e l n i n o 之间有着密切的联系。董兆 俊1 等人通过对西太平洋、南海、阿拉伯海等近赤道季风区8 5 0h p a 纬向风场低 频振荡与e 1n i n o 发生发展的相关特征分析发现，在e 1n i n o 发生前期，3 0 5 0 天低频振荡会出现显著的增强，e ln i n o 发生后，3 0 5 0 天低频振荡明显减小。 第四章南j 每降水场的高频变化特征 这在本文以上的分析中也得到了验证。1 9 9 8 2 0 0 6 年问，1 9 9 9 、2 0 0 0 为l an i n a 年，2 0 0 2 、2 0 0 4 为e ln i n o 年( h t t p ：唧v c p c n c e p n o a a g o v p r o d u c t s a n a l y s i s _ m o n i t o r i n g e n s o s t u f f e n s o y e a r s s h t m l ) 。在l a n i n a 年3 0 - 6 0 天的振 荡比较非常明显，1 0 一2 0 天振荡和l o 天以下的高频振荡都较弱，而在e l n i n o 年， 3 0 - 6 0 振荡较弱，1 0 一2 0 天振荡较强。 其次我们还可以发现：高频振荡的强弱变化和1 0 - 2 0 天振荡的强弱有关。在 1 0 - 2 0 天振荡较强年( 3 0 6 0 天振荡较弱) ( 9 8 、0 2 、0 3 ，0 4 、0 5 年) ，准7 天变化 也较强，而相反，在1 0 一2 0 天振荡较弱年( 3 0 - 6 0 天振荡较强) ( 9 9 、0 0 、0 1 年) ， 准7 天变化也较弱。两者存在正的相关关系。 对于3 0 一6 0 天和1 0 一2 0 天的低频振荡方面，前人都做了许多工作，本文中将 不再讨论，下面将主要分析准7 天的振荡特征。从图4 - 1 可以看出，准天振荡主 要存在于7 1 2 月，下面将用带通滤波器对所研究要素进行滤波处理，来研究南海 的准7 天的高频振荡特征。 4 29 8 年个例分析 从图4 - 2 可以看出，9 8 年7 一1 2 月主要有三个主要的振荡周期，3 0 6 0 天，1 0 - 2 0 天、准7 天。因此我们对这一时段的降水时间序列分别作3 0 - 6 0 天、1 0 - 2 0 天，准 7 天的带通滤波。实际上，1 0 2 0 天的周期和降水序列的距平场的相关系数为4 5 ，准7 天的周期和降水序列的距平场的相关系数为5 3 ，而在这一期问3 0 - 6 0 天的周期和降水序列的距平场的相关系数为4 3 。这说明在7 - 1 2 月，准7 天变化 比较明显，下面我们就对这一振荡进行讨论。 图4 3 可以看出，7 月有4 个完整的4 7 天振荡。我们选取7 月1 1e - 1 6 日的一个 振荡讨论其传播特征。 图4 4 为1 9 9 8 年7 月1 日一2 6 日降水沿5 - 2 0 。n 4 - 7 天振荡时间一经度剖面图，如图 所示，在南海( 1 l o 1 2 0 。e ) 存在明显的高频雨带。振荡周期平均为6 天。中心振 荡强度为( 取绝对值) 0 1 0 4 m m h 。扣7 天的振荡由太平洋自东向西传播，为了验 证这一结论，我们对7 月1 1 日1 8b8 5 0 h p a 的流场作4 - 7 天滤波后进行分析。 第四章南海降水场的高频变化特征 图4 2 南海1 9 9 8 年7 1 2 月m o r l e t 小波变换实部 分 可 e l = 图4 3 南海1 9 9 8 年7 月降水距平和4 7 天滤波后的距平 ( 细实线为未滤波的距平场。粗线为滤波后的距平场) 图4 41 9 9 8 年7 月1 日- 2 6 日降水沿1 0 - 2 0 。n 4 7 天振荡时间一经度剖面图 第四章南海降水场的高频变化特征 7 月1 1 日0 2 0 0 l t , 在台湾和菲律宾群岛附近有一个气旋，降水带在槽前，主 要集中在菲律宾北部以及附近的洋面上。南海大部分洋面上受东北信风的控制， 降水较少。7 月1 1 日1 4 0 0 l t ，气旋西移，降水带位于我国香港和澳门及以南的南 海洋面上，在马来西亚一带有一个新的气旋生成，并在马六甲海峡附近产生降水， 此时南海依旧受东北信风控制。7 月1 2 日0 2 0 0 l t ，气旋和雨带继续西移，雨带范 围减小，1 1 日1 4 0 0 l t 位于马来西亚的气旋已北上至中南半岛附近，南海南部由东 北风转为西南风，在加里曼丹岛及北部海洋产生大量的降水。7 月1 2 日1 4 0 0 l t ， 气旋中心西移至( 1 1 5 。e ，2 0 。，最北部已到达中国大陆的长江流域一带，雨带此时 北至中国大陆广东、福建，南至巴拉望岛，降水中心在海南岛以东。1 5 。n 以南的 南海受西南气流的控制。7 月1 3 日0 2 0 0 l t , 环流场和上一时次相似，南海北部的 雨带消失，有一个反气旋位于台湾岛和吕宋岛附近，整个南海受西南气流控制。7 月1 3 日1 4 0 0 l t , 气旋的主体已移入中国大陆，0 2 0 0 l t 位于台湾岛和吕宋岛附近的 反气旋也已经进入南海。南海南部依旧受稳定的西南气流影响，在南海中部到加 里曼丹岛东北部有降水。7 月1 4 日0 2 0 0 l t 和1 4 0 0 l t , 气旋和反气旋都继续西移。 7 月1 5 日0 2 0 0 l t ，反气旋已移入中国大陆，南海受东北气流控制。7 月1 6 日0 2 0 0 l t , 有一个来自西太平洋的气旋位于台湾岛和吕宋岛附近，随后不断移入南海。此时 一个4 - 7 天的周期已经结束，振荡又回到了正位相。 第四章南海降水场的高频变化特征 第四章南海降水场的高频变化特征 第四章南海降永场的高频变化特征 第四章南海降水场的高频变化特征 图4 51 9 9 8 年7 月1 1 日一1 6 日4 7 天滤波后8 5 0 h p a 流场和降水的距平场的空间分布图 ( 阴影部分为降水正的距平) 8 5 0 h p a 流场的演变可以看到气旋和反气旋明显的西移，4 7 天滤波后的相对 涡度时间经度剖面图( 图4 6 ) 上也可以看到这一点 ( c 1 ) t i m e - l o n g i t u d ec r o s s - s e c t i o n ( 1o - 2 0 n ) 第四章南海降水场的高频变化特征 ( b ) t i m e - l a t i t u d ec r o s s - s e c u o n ( 11 0 - 1 2 0 e ) 图4 _ 61 9 9 8 年7 月1 1 日一2 0 日8 5 0 ”a 相对涡度 ( a ) 沿l o - 2 0 p n 4 7 天振荡时间一经度剖面图( b ) 沿1 1 0 - 1 2 0 。e 4 - 7 天振荡时间一纬度剖面图 4 3 小结 综上所述，在南海，降水场除了存在两个显著的低频振荡频带( 1 0 - 2 0 天，3 0 - 6 0 天) 外，在7 1 2 月还存在4 - 7 天、自东向西传播的高频振荡。这一振荡有明显的 年际变化特征，在l an i m 年4 - 7 天振荡较弱，而在e ln i n o 年振荡较强。其次我 们还可以发现：在1 0 - 2 0 天振荡较强年( 3 0 - 6 0 天振荡较弱) ( 9 8 、0 2 、0 3 、0 4 、 0 5 年) ，1 0 天以下的高频振荡也较强，而相反，在1 0 - 2 0 天振荡较弱年( 3 0 6 0 天振荡较强) ( 9 9 、0 0 、0 1 年) ，1 0 天以下的高频振荡也较弱，两者存在正的相关 关系。 第五章南海对流、层状降水及对流和层状加热场的季节变化特征 第五章南海对流、层状降水及对流和层状加热场的 季节变化特征 关于积云降水和层云降水。人们已从云物理过程等角度作了许多研究i s t ”s l ，它 们的显著差别是：积云降水，对流云垂直伸展高，降水强度大，持续时间短；层 云降水的特点是降水范围比较广，持续时间较长，但降水强度比较小。但对这两 种降水的垂直结构和季节变化特征以及这两种降水的垂直加热场的特征还不十分 清楚。 之前对于南海的研究大都以1 0 5 - 1 2 0 。e ，0 - 2 0 。n 区域或1 0 5 1 2 0 0 e ，5 - 2 0 。n 作 为南海季风研究范围1 4 s l 。季风的爆发是由局地降水的季节变化所决定，因此笼统 的将整个南海作为整体来研究是不合适的。乔云亭等人1 7 1 通过对南海夏季风降水的 区域差异和突变特征分析得出，在南海地区不同区域的降水有着明显的差异，其 中变化最显著的是1 1 0 - 1 2 0 。e ，1 0 - 2 0 。n 区域，它最能代表南海夏季风降水的变化 特征。王等嘲也认为这一区域平均的降水可以作为南海夏季风爆发指数，因为在 8 5 0 h p a ，纬向风的转向和这一区域降水的突然增加在时间上一致。因此在本章涉 及到南海夏季风时，将取1 1 0 - 1 2 0 。e ，1 0 - 2 0 。n 区域作为研究范围。 5 1 降水及加热场的季节变化特征 对所选南海中北部区域( 1 1 0 - 1 2 0 。e ，1 0 - 2 0 。n ) 1 9 9 8 2 0 0 5 共8 年月平均c s h 、 对流性降水和层状云降水资料进行多年平均，三个变量随时间演变如图5 1 所示， 在1 1 2 月问，三个变量都发生了两次突变，第一次突变发生在4 5 月，这标志着 南海夏季风的爆发。三个变量中，c s h 增加了i d c g d a y ，而对流降水和层状云降 水率分别增加l m m 和0 7 r a m ，三者的峰值分别出现在7 月、9 月和8 月，c s h 和 对流云降水的上升幅度比层状云降水较大。第二次突变是在9 月，这和南海夏季 风的撤退相对应。三个变量值都迅速减小，c a s h 和对流性降水减小的幅度较层状 第五章南海对流层状降水及对流和层扶加热场的季节变化特征 云大在整个过程中，c s h 和对流性降水的变化趋势非常接近。c s h 、对流性降 水和层状云降水可以很好的描述南海夏季风随季节的演变特征，值得注意的是： c s h 和对流性降水在四月就表现出了明显的上升趋势，这刚好在南海夏季风爆发 ( 5 月第四候) 之前。 o 5 0 c 图5 一l 南海8 年( 1 9 9 8 - 2 0 0 5 年) 平均的c s h ( 实线) 、对流性降水( 长虚线) 、 层状云降水( 短虚线) 的季节分布 前人曾对印度季风和东亚季风系统降水和潜热的分布作了许多研究“册( 罗会 邦、y a n a i 等1 9 8 3 ，1 9 8 4 ：y a n a ie ta 1 1 9 9 2 ，j o h n s o ne ta 1 1 9 9 3 ) ，而南海潜热加 热的垂直结构及季节变化的研究较少。图5 2 为南海( 1 0 - 2 0 。n 1 1 0 - 1 2 0 。e ) 8 年 ( 1 9 9 8 2 0 0 5 ) 平均的c s h 在1 5 月的时间垂直剖面。在整个对流层由对流性降 水和层状云降水潜热加热为正值。1 、2 月，c s h 值偏小，尤其是在对流层的中上 层其值逐渐接近于零，峰值出现在较低层( 大约在3 k m ) 在5 月，也就是南海夏 季风爆发前后，c s h 迅速增加，峰值出现在7 k m 左右。对流层中上层的潜热加热 场从3 月开始加强，4 月增加趋势更显著。这就说明南海深对流的发展是在季风爆 发( 5 月) 之前。同样，云水含量的垂直结构也存在类似的特征。图5 - 3 为南海 ( 1 0 - 2 0 。n ，1 1 0 - 1 2 0 。d 云水含量时间垂直剖面图。从图5 3 中云水含量的垂直分布 可见，云水含量也是从4 月开始加强。在5 1 2 月，云水含量峰值保持在7 k m ， 在九月达到最大值。 一分pe邑u01d鼍一gjd 5 5 5 5 5 5 5 4 4 3 3 2 2 1 ， ，1 0 o o 0 o o 0 0 o 一夸p口。p)舌。 墨墨童堕堂翌堕：星鉴壁查墨堕堕塑堡鲨塑垫堑竺垩堇窒些堡堡 ，。、 e _ ：， 9 d ) 【 c s h ( d e g d a y ) 图5 - 2 南海( 1 0 - 2 0 。n ，1 1 0 - 1 2 0 。e ) s 年( 1 9 9 8 - 2 0 0 5 ) 平均c s hi - 5 月的时问一垂直剖面1 月( 十字) ，_ - j q ( 实心方框) ，- - , q ( 空心方框) ，4 月( 实心圆) ，5 月( 空心圆) 图5 - 3 南海( 1 0 - 2 0 6 n ，1 1 0 - 1 2 0 。e ) 云水含量时间- 垂直剖面单位：g m 4 为了进一步检验南海及临近区域降水的特征，本文还利用2 0 0 1 年汕头探空资 _j。一 一。；-】。 第五章南海对流、层状降水及对流和层状加热场的季节变化特征 料对比湿的垂直结构进行分析。图5 4 为汕头1 5 月月平均相对湿度时间垂直剖 面图。和t r m m 资料分析的结果相一致，比湿在季风爆发之前已经加强。在1 月 汕头的比湿非常小，8 5 0 h p a 层只有2 8 9 k g ，而到2 月，比湿迅速增加到6 7 班昏1 5 月比湿的最大值都位于8 5 0 h p a 附近，这可能是由于行星边界层强烈的湍流运动， 把地面的水汽向上输送所产生的。 图5 4 汕头月平均探空资料相对湿度时间一垂直剖面，1 月( 十字) ，2 月( 实心方框) 。 3 月( 空心方框) ，4 月( 实心圆) ，5 月( 空心圆) 图5 5 为8 年( 1 9 9 8 2 0 0 5 ) 平均c s h 沿1 1 0 - 1 2 0 。e 平均的时间一纬度剖面 图。在北半球冬季，潜热加热的最大值出现在5 。s 。季风爆发期间，最大值中心迅 速北上至1 5 2 0 。n ，这也是南海夏季风最活跃的区域。1 5 。n 以北的潜热加热在 2 5 - 3