（气象学专业论文）长江中下游持续性降水及其与大气低频活动的关系.pdf

帆y 帆1 帆8 9 13 4 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：李麟 签字日期：二旦丛j 赴 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科 学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通 过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协 议) 学位论文作者签名： 物豳 指导教师签名： 签字日期：b7 7 r 乡p 中文摘要 目录 i i a b s t r a c t 第一章绪论l 1 1 持续性异常降水事件的研究进展。l 1 2 大气低频振荡的研究进展。3 1 3大气低频振荡与持续性异常降水关系的研究进展4 1 4研究意义5 1 5 研究内容6 第二章资料与方法 2 1 本文所用资料7 2 2 方法介绍7 2 3 技术路线8 第三章长江中下游地区夏季持续性异常降水的特征9 3 1 持续性异常降水的定义。9 3 2 长江中下游地区夏季持续性异常降水的特征分析9 3 2 1 长江中下游地区夏季持续性异常降水特征。9 3 2 2 长江中下游地区持续性异常降水环流特征1 1 3 3 长江中下游地区持续性异常降水的年际和年代际变化特征1 3 3 4 本章小结1 4 第四章大气低频振荡与长江中下游地区夏季持续性异常降水的关系1 6 4 1 对流层低层大气低频活动与持续性异常降水的关系1 6 4 2 对流层中层大气低频活动与持续性异常降水的关系1 7 4 3 对流层高层大气低频活动与持续性异常降水的关系1 8 4 4 本章小结1 9 第五章长江中下游地区夏季持续性异常降水的前期信号研究 5 1 持续性异常降水发生前期的低频环流场特征2 0 5 1 1降水前期对流层低层的低频环流特征2 0 5 1 2 降水前期对流层中层的低频环流特征2 3 5 1 3降水前期对流层上层的低频环流特征2 4 5 2 前期低频信号与持续性异常降水的关系2 6 5 3 本章小结2 7 第六章全文总结 2 9 6 1 结论2 9 6 2 工作展望3 0 参考文献 致谢 附图 3 1 3 5 中文摘要 本文利用1 9 5 8 年2 0 0 7 年的n c e p n c a r 逐日再分析资料和我国逐日站点 降水资料，对长江中下游夏季持续性异常降水事件进行了定义，然后对该地区 夏季持续性异常降水事件及其环流特征进行了统计分析，最后采用合成分析的 方法，对持续性异常降水事件与低频活动的关系进行了分析。结果表明：长江 中下游夏季持续性异常降水存在年际、年代际的变化，并且与大气低频活动有 密切的关系，最后指出，大气低频活动可能为持续性异常降水的延伸期预报提 供有用的信息。具体结果如下： ( 1 ) 首先对长江中下游夏季持续性异常降水事件进行了定义。如果该地区的 降水符合7 天内逐日区域平均降水量超过1 0 m m 的天数大于5 天的条件，则视 为一次持续性异常降水事件，若之后已连续两天没有大于1 0 m m 的降水出现则 认为此次事件结束，否则该事件持续，直到连续两天没有大于1 0 m m 的降水出 现为止。然后对该地区平均降水进行统计分析得知，该地区夏季持续性异常降 水事件共出现3 0 次，异常降水集中出现在6 、7 月份，并有明显的年际和年代 际变化，其中大多数事件发生在厄尔尼诺年和厄尔尼诺次年，并且发现异常降 水的发生有逐渐频繁的趋势。最后对持续性降水发生时期的环流场进行分析， 发现：此时长江中下游地区有南北气流的交汇，并且对应高层有辐散中心存在， 西太平洋副热带高压位置偏南偏西。 ( 2 ) 对大气低频活动与异常降水的关系进行研究，发现：持续异常降水发生 时，我国华南江南有一低频反气旋，其北部存在一低频气旋，两者后部的南北 气流交汇于长江中下游地区，并且有强烈的辐合运动，对流层高层长江中下游 存在低频辐散中心，有利于大范围的上升运动的产生。 ( 3 ) 持续性异常降水发生前期，中低层上，在副热带中太平洋地区存在一波 列向我国东南沿海地区传播，影响副高的位置的变化；对流层高层在日本北部 地区存在一低频辐散中心并向长江中下游地区传播，形成有利于持续性异常降 水发生的高空辐散形势。同时，低层有来自贝加尔湖北部的低频北风与来自日 本东南洋面的低频南风分别向华北和华南地区传播，从而影响长江中下游降水。 这些低频信号与2 0 - - 3 0 天后的持续性异常降水有很好的对应关系。可能为长江 中下游地区夏季的持续性异常降水的延伸期预报提供有用的信息。 关键词：持续性降水；大气低频活动：延伸期预报 a b s t r a c t t o g e t h e ru s i n g n c e p n c a rd a i l yr e a n a l y s i sd a t aa n dd a i l yo b s e r v e d p r e c i p i t a t i o nd a t ai nc h i n ad u r i n gt h ep e r i o d1 9 5 8 - 2 0 0 7 ，p e r s i s t e n ta b n o r m a lr a i ni s d e f i n e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ed e f i n i t i o n , c h a r a c t e r i s t i c so fp e r s i s t e n ta b n o r m a l r a i ni nt h em i d d l e l o w e rr e a c ho ft h ey a n g t z er i v e rv a l l e yi ns u m m e ra r es t u d i e da s w e l la sf e a t u r e so ft h ec i r c u l a t i o nd u r i n gt h er a i np e r i o d t h e nt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nl o w - f r e q u e n c yo s c i l l a t i o na n dp e r s i s t e n tr a i ni ss t u d i e d a f t e rs e r i e so f c o m p o s i t ea n a l y s i s , s p e c i a ll o w - f r e q u e n c ys i g n a l sa x ef o u n di nt h el o w - f r e q u e n c y a t m o s p h e r ec i r c u l a t i o nb e f o r ep e r s i s t e n tr a i ns t a r t s 1 1 1 c yh a v eg o o de o r r e l a t i o n s h i p w i t ht h ep r e c i p i t a t i o n2 0 - - 3 0d a y sl a t e r m o r ed e t a i l sa 把a sf o l l o w s f i r s t l y , t h ed e f i n i t i o no fp e r s i s t e n ta b n o r m a lr a i ni sr a i s e d d u r i n g1 9 5 8 2 0 0 7 ， p e r s i s t e n ta b n o r m a lr a i nh a p p e n e d3 0t i m e si nt h em i d d l e l o w e rr e a c h o f t h ey a n g t z e r i v e rv a l l e yf r o mm a yt os e p t e m b e ra n dt h e ya l m o s th a p p e n e di ne 1 - n i n oy e a ro r t h en e x ty e a ro fe 1 - n i n oy e a r i nt h el a s t5 0y e a r s ，t h e r ei sat r e n dt h a tp e r s i s t e n t a b n o r m a lr a i nh a p p e n e dm o r ef r e q u e n t l y d u r i n gp e r s i s t e n tr a i np e r i o d , s u b t r o p i c a l h i g hi nt h ew e s t e r np a c i f i ci sm o r ep o w e r f u la n dl o c a t ei nt h es o u t hc h i n as e a d r y a n dc o l dn o r t hw i n dm e e t sw e t a n dw a r ms o u t hw i n di nt h ey a n g t z er i v e rv a l l e y s e c o n d l y , f e a t u r e so ft h el o w - f r e q u e n c yc i r c u l a t i o nd u r i n gt h er a i np e r i o da r e d i s c u s s e dt ol o o kf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w f i g nl o wf r e q u e n c yo s c i l l a t i o na n dt h e p e r s i s t e n ta b n o r m a lr a i n s o m ei m p o r t a n tp h e n o m e n a a r cf o u n d w h e nt h er a i ni so n , t h e p o s i t i o no fw e s t e r n p a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hi sm o r ew e s t w a r da n dm o r e s o u t h w a r da n di nt e r m so fl o w - f r e q u e n c yc i r c u l a t i o n , t h e r ei sal o w - f r e q u e n c y a n t i c y c l o n ei ns o u t hc h i n aa n dt h es o u t hc h i n as e ao nm i d d l ea n dl o w l e v e l s a tt h e s a m et i m e ，ad i v e r g e n c ec e n t e rl o c a t e si nt h em i d d l e - l o w e rr e a c ho ft h ey a n g t z e r i v e rv a l l e yo nh i g hl e v e l s t h ec o n f i g u r a t i o ni se a s yt ot r i g g e rp r e c i p i t a t i o ni nt h e m m i d d l e 1 0 w e rr e a c ho ft h ey a n g t z er i v e rv a l l e y t h i r d l y , f e a t u r e so ft h el o w - f i e q u e n c yc i r c u l a t i o nb e f o r et h er a i np e r i o ds t a r t s t i t l ed i s c u s s e dt ol o o kf o rs i g n a l s o nm i d d l ea n d l o wl e v e l sal o w - f r e q u e n c yw a v ei s f o u n di nal i n ef r o mp a c i f i cc e n t r a lr e g i o n st os o u t hc h i n a o nh i l g hl e v e l st h e r ei sa l o w - f r e q u e n c yw a v e t h a tp r o p a g a t e sf r o mt h ea r e an o r t ht oj a p a nt ot h em i d d l e - l o w e r r e a c ho ft h ey a n g t z er i v e rv a l l e y f a c t o r so ft h et w oa r e a sh a v eg o o dc o r r e l a t i o n s h i p w i t ht h ep r e c i p i t a t i o n2 0 - 3 0d a y sl a t e r t h e yc a nh e l pt oi m p r o v ee x t e n d e d - r a n g e f o r e c a s ts k i l lo fp e r s i s t e n ta b n o r m a lr a i ni nt h em i d d l e l o w e rr e a c ho f t h ey a n g t z e r i v e rv a l l e yi ns u m n l e r k e y w o r d s ：p e r s i s t e n tr a i n ；l f o ；e x t e n d e d - r a n g ef o r e c a s t i v 第一章绪论 第一章绪论 极端气候事件是对人类社会危害最为严重的自然灾害之一。而近年来随着 全球变暖进程的加剧，洪涝、干旱、高温热浪、低温冻害、龙卷、沙尘暴等极 端气候事件出现更加频繁，由极端气候事件所造成的直接经济损失呈指数趋势 上升，引起了世界各国政府和研究人员的关注。 众所周知，降水造成的洪涝灾害自人类有史以来就一直伴随着人类的发展 而存在。近几年，随着极端性降水事件发生频率的增加，洪涝灾害出现得更加 频繁。这些洪灾主要是由持续性异常降水引起的。持续性异常降水过程实际上 是大范围强雨带长时间稳定维持在同一区域的过程。特别是2 0 世纪9 0 年代以 来，我国南方持续性异常降水事件显著。例如，1 9 9 1 年夏江淮流域强降水持续 了两周【1 1 ，1 9 9 8 年6 月江南发生了持续1 0 天以上的强降水1 2 】，1 9 9 9 年6 月长江 中下游强降水持续9 天【3 1 ，2 0 0 5 年6 月华南持续降水一周【4 】。长江流域面积宽 广，受东亚夏季风的影响，在夏季降水较为集中，并常常出现洪灾。在上个世 纪长江流域共出现了上游洪水7 次，中游洪水1 6 次，下游洪水7 次，其中有3 次是全流域性洪水，分别发生在1 9 3 1 、1 9 5 4 和1 9 9 8 年。因此，对长江流域持 续性异常降水的天气气候研究对于长江流域的洪涝灾害预测有很重要的意义。 1 1 持续性异常降水事件的研究进展 影响持续性异常降水形成的因子有很多，天气气候机制复杂，行星尺度、 天气尺度、中小尺度等系统的共同作用将造成持续性的降水过程。行星尺度系 统并不直接产生持续的异常降水，只能为天气尺度系统提供背景，决定天气尺 度系统的移动速度、强度变化、重复出现和系统间的相互作用。在持续性异常 降水发生前或发生中，行星尺度长波系统一般会经历明显的调整过程，然后表 现出较强的稳定性。在稳定的大形势背景下，短波槽、低涡、气旋等天气尺度 系统的活动，造成一次又一次的天气尺度降水过程，这些过程连在一起形成持 续性异常降水过程。近几年最典型的持续性异常降水的例子就是2 0 0 8 年初的南 方持续低温雨雪灾害。2 0 0 8 年初，一场低温雨雪冰冻天气袭击了中国南方，影响了 我国南方2 0 个省( 区、市) ，其影响范围之广，持续时间之长，强度之大、灾害之重 为历史罕见。在短短2 0 多天的时间里，先后有4 次天气过程，影响我国南方地区， 带来了如此大量的降雪，给我国人民的生命财产安全造成了重大的威胁。这次 南京信息工程大学硕士学位论文 典型的持续性异常降水事件的发生，使得持续性异常事件成为气象学领域又一 热门的研究重点。此后，许多学者对这次事件成因进行了分析研究。其中，吴 乃庚等l 5 j 分析y 2 0 0 8 年初中国南方持续低温雨雪冰冻天气过程的成因，结果表 明，此次罕见天气过程是在近年来最严重的一次“拉尼娜 事件背景下发生的， 与欧亚地区持续大气环流异常密切相关。在“北脊南槽和西太平洋副高偏北 偏强的形势下，北方冷空气不断从青藏高原东北侧南下，同时孟加拉湾和南海 地区源源不断的水汽往北到东北方向输送，冷暖气流在中国南方地区频繁交汇， 使对流层中低层形成逆温层和局地经向环流产生异常，造成了持续低温雨雪冰 冻过程。杨贵名和刘平等人【6 ，7 】发现，大气环流形势稳定，极涡中心偏向于东半 球，强而稳定，来自极地的冷气团与来自热带洋面的暖气团长时间在长江中下游 地区交汇是2 0 0 8 年冰冻雨雪灾害的主要原因。布和朝鲁，施宁等人 8 - i o 】分别从亚 非副热带急流低频波、西太平洋副热带高压的特征和青藏高原孟加拉湾气压槽 三个方面对2 0 0 8 年初我国南方雨雪低温天气的中期过程进行分析研究。他们发 现，此次雨雪过程中出现了特殊的环流形势，南支槽在我国南方地区形成和加深、 西太平洋副热带高压北扩以及叶尼塞地区高压脊东扩南侵；源自东北大西洋和 西欧的r o s s b y 波能量沿亚非副热带急流向下游传播，导致南支槽在我国南方地 区形成和加深。西太平洋副热带高压在其前期异常状态的基础上，在对流层低 层演变为“内凹外凸 结构，并在我国长江中下游附近形成切变线，在亚非副 热带地区，r o s s b y 波能量从北非东北侧传播到东亚地区，引起青藏高原附近气压 槽的加深和西太平洋副热带高压的加强及北扩，并与亚洲北部的高压脊配合， 这些系统的配合造成了这次较长时间的雨雪低温过程。 典型的长江流域的持续性降水事件还包括春季的连阴雨，目前对连阴雨的 相关研究比较多。王继志等【l l 】指出，低温连阴雨天气是一种行星尺度的超长波 过程，其时间尺度约为4 至9 天，最长可达1 5 至2 0 天。与低温连阴雨相联系的超 长波是一种混合超长波，中高纬度上的纬向超长波的东西振动及其垂直结构的 变化与低温连阴雨过程的阶段性有关。一次低温连阴雨过程系由多次天气尺度 扰动组成，但对低温连阴雨的开始、维持、结束的预报，需要对超长波的建立、 维持、移动及其结构等进行深入研究。钟元等【1 2 j 对长江中下游地区1 9 8 0 年春季 连阴雨一连晴天气过程及西风带、低纬赤道带和南半球天气系统的1 0 个参数进 行功率谱分析表明，它们都有准两周振荡的主要周期。交叉谱分析给出了连阴 雨一连晴天气与1 0 个参数在准两周振荡上的关联和相对振荡顺序。对连阴雨一 连晴天气的时空背景纬圈及经圈环流的时空谱分析表明，纬向及经向环流振荡 2 第一章绪论 的两组传播波在淮两周振荡上有较高的相干，经向传播超前于纬向传播。潘肠 等【1 3 】分析t 2 0 0 9 年2 3 月我国南方一次连阴雨过程的环流背景以及该时期西太 平洋副高和副热带西风急流的异常活动，得出结论，这次过程中欧亚大陆上空 阻塞形势稳定，北方地区长期由槽后脊前的西北气流控制，中低纬度地区，西 太平洋副高稳定在菲律宾海上空，加强了南方地区的对流层中低层的西南风， 有利于南北气流在长江流域长时间对峙，从而形成了这次的连阴雨过程。 虽然目前对于持续性异常事件的研究还不是很多，但对这些既有研究的总 结和把握，对于长江流域持续性异常降水过程形成与维持机制的深入理解有重 要意义。 1 2 大气低频振荡的研究进展 从上个世纪七十年代开始，国内外学者都对低频振荡进行了大量的研究， 取得了许多成果。热带地区纬向风的3 0 - - - 5 0 天低频振荡是m a d d e n 等0 4 q 5 1 在 1 9 7 0 年代初发现的，故常称为m j o ( m a d d e n j u l i a no s c i l l a t i o n ) 。此后很多学者 对低频振荡进行了进一步研究。李崇银【1 6 1 研究了3 0 - 6 0 天振荡动能的分布，结 果表明，高纬度地区的振荡动能要比赤道地区大得多。并分析了大气季节内振 荡的全球分布特征，研究了热带和中高纬度大气3 0 一6 0 天振荡的相互影响以 及大气季节内振荡的动力学机制。张勤【1 7 】的研究表明，中高纬大气3 0 - - 6 0 天振 荡表现为定长波位相和振幅的变化，它与中高纬地区遥相关型的转换有关。此 外，国内很多学割1 & 2 3 】对大气低频振荡的传播、实体、机制、特征及其与e n s o 和季风的联系等方面做了大量研究，认为大气中普遍存在1 0 - 2 0 天和3 0 - - 5 0 天的低频振荡现象。低频振荡是大气环流的一个重要组成部分，它不仅存在于 热带，而且也存在于中高纬地区，具有全球性。 很多学者研究发现，大气低频振荡与长江流域的降水有明显的关系。黄静， 朱乾根 2 9 , 3 0 讨论了与长江流域旱涝相联系的低频环流场的分布和差异，指出长 江流域旱涝年的低频风场表现出显著的不同。涝年降水是由南北方低频涡旋相 向运动在长江流域汇合所形成；旱年降水则由热带西太平洋小低频涡旋向西北 方移动影响长江流域所造成的。陈丽臻等1 3 1 发现长江流域典型旱涝年在低频流 场的配置和低频波的传播方向上均有明显的差异。周静亚等瞄j 指出一般早年低 频振荡周期长于涝年。林学椿掣3 3 j 认为1 9 9 1 年( 涝) 4 - 9 月低频振荡周期特 别短，只有2 0 - - 4 0 天。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 大气低频振荡与持续性异常降水关系的研究进展 大气季节内振荡直接同长期天气变化和短期气候异常有着密切的关系，成 为联系长期信号和短期信号的纽带。1 9 9 1 年夏江淮流域强降水持续了两周，对 此很多学者进行了研究，发现，除了夏季西太平洋副热带高压的活动有2 0 3 0 天的季内振荡外【耶5 】，对1 9 9 1 年初夏亚洲季风区逐日5 0 0 h p a 环流场的时空分 布特征的分析【3 6 】也发现，亚洲季风系统的各个成员活动存在显著的1 2 - 2 2 天准 周期振荡和2 8 3 1 、4 3 - 6 5 天的低频振荡，它们与长江下游长时间降水形成有密 切联系。陆尔，丁一汇等【3 7 j 在研究1 9 9 1 年江淮持续性降水时也指出，东亚大气 存在明显的1 0 - 2 0 天低频振荡，低纬地区低频振荡的经向传播将暖湿气流输送 到江淮地区与北侧的低频冷空气相互作用，导致江淮地区发生持续性降水。毛 江玉，吴国雄【3 8 j 也研究了1 9 9 1 年的江淮梅雨，发现副热带高压的低频振荡与江 淮流域降水的低频振荡有密切的关系。张秀丽，郭品文等【3 9 】研究1 9 9 1 年夏季长 江中下游降水和风场的低频振荡特征时，发现低纬低频系统北传，同时中纬 4 0 - - - 5 0 。n 低频系统南传，两者交汇在3 0 3 5 。n ，低频气流在长江中下游地区的 辐合造成了1 9 9 1 年两次重大大的降水过程。徐国强和朱乾根 4 0 1 对1 9 9 8 年长江 流域持续性降水的研究也发现，准4 5 d 东西向低频槽脊由南海不断向北传播， 是长江流域形成持续性降水的重要原因。施宁【4 l 】分析了长江中下游春季连阴雨 过程的热带和副热带环流系统的特征及与连晴过程的差异。同时，还进一步研 究了春季东半球热带和副热带地区低频振荡的基本特征及传播规律，得出了可 能产生长江中下游连阴雨的低频振荡的背景事实。后来他又指出【4 2 】在热带低频 振荡的不同阶段，i t c z 、北半球副热带以及西风带环流系统呈现出显著的周期 变化，并查证了低频振荡作为长江中下游连阴雨和连晴过程的背景事实。 由已有的这些研究可以得出结论，大气内的低频振荡与江淮流域的异常降 水有密切的联系，可以为其提供有利的大尺度背景，维持强降水长时间的出现。 由于持续性异常降水事件是在特殊的大尺度环流背景下的多次天气事件连续发 生造成的，因此要做好持续性异常降水过程的预测，对过程前期或同期的大尺 度环流系统和大气低频振荡的研究非常重要。 4 第一章绪论 1 4 研究意义 因为持续性异常事件往往会给人们的生产、生活带来很大的威胁，给国家 经济带来很大的损失，做好前期的预报工作就非常的重要。 目前，3 5 天天气尺度的天气预报和3 0 天以上月尺度的气候预测准确率 都比较高，而1 0 3 0 天时间尺度上的预报技巧却很低，存在着预报障碍。但实 际的生产生活中，对1 0 , - - , 3 0 天的预报要求比较高，尤其是有持续性异常事件发 生时，1 0 - 3 0 天的预报对于防灾、减灾是尤为重要，极其关键的。像2 0 0 8 年 初的南方持续性雨雪灾害天气过程，3 - 5 天的天气预报都能将每次天气过程预 报得比较好，但是并不能预见未来一周以上的时间里是否还会有持续的雨雪天 气发生。正因如此，南方受灾严重，倘若能提前1 0 - - 3 0 天预报出未来的降雪情 况，政府可以采取多种应急措施，减少灾害带来的损失。正因为该项预报技术 的缺乏，对于延伸期预报的研究成为了目前研究的重点和热点。 延伸期预报是介于天气预报与气候预测之间的，1 0 - - - 3 0 天的预报。在常规 天气预报业务和气候预测之间存在的这段1 0 3 0 天预报缝隙是目前预报业务 中的“盲点一，从确定性预报的可预报性问题来讲它具有一定的必然性。1 0 , - , 3 0 天 延伸期预报刚好涵盖了逐日预报的可预报时效上限和外强迫开始起作用的时间 下限，即介于天气预报和气候预测这两类问题之间，这使得它在科学研究和气 象业务上都很复杂。开展延伸期预报业务主要着重两方面进行：一是对气象要 素在某段时间的平均值或距平值进行预报；二是针对持续强的异常环流造成的 重大天气过程进行预报。目前各国对延伸期预报的尝试也是基于此进行的1 4 引。 其中第二方面所指的就是对持续性异常天气事件的预报，目前对于这方面的研 究还比较少，故找寻对持续性异常天气事件有延伸期预报指示作用的信号是很 有意义的。 由上面的论述可以得到结论，长江中下游地区夏季持续性异常降水事件的 研究是很有必要的，对其发生前的信号的寻找也是迫切需要的。目前对持续性 异常降水的研究多为个例分析，缺乏系统的统计分析。本文将对长江中下游多 年夏季发生的多次持续性异常降水事件，进行统计分析，并且从低频振荡的角 度出发，对持续性异常降水事件发生前的低频环流场进行分析，寻找对持续性 异常降水有延伸期预报指示作用的信号。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 5 研究内容 1 、提出持续性异常降水的定义并分析长江中下游地区夏季持续性异常降水的特 征 分析了从1 9 5 8 年2 0 0 7 年5 0 年夏季的长江中下游的降水情况，发现了该地区夏 季持续性异常降水的年际、年代际特征。同时分析了持续性异常降水发生时期 大气环流场的特征。 2 、分析持续性异常降水与大气低频振荡的关系 研究了持续性异常降水发生时的低频环流特征，分析持续性降水时期大气低频 活动的特征。 3 、研究持续性异常降水延伸期预报方法 分析了持续性异常降水发生前的大气低频环流场变化，并找到了对持续性异常 降水有延伸期预报指示意义的因子。 6 第二章资料与方法 2 1 本文所用资料 第二章资料与方法 本文所用的资料有 ( 1 ) 1 9 5 8 年- 2 0 0 7 年的中国7 5 3 站逐日降水资料 ( 2 ) 1 9 5 8 年2 0 0 7 年n c e p n c a r 逐日再分析资料，其水平网格距为2 5 。x 2 5 o 经纬度。再分析资料的要素为7 0 0 h p a 和2 0 0 h p a 的风场资料和5 0 0 h p a 的位势高度场资料。 本文参考琚建华的研究脚l ，选取了长江中下游地区9 个站( 南京、合肥、 安庆、屯溪、钟祥、岳阳、宜昌、常德、长沙) 的降水资料进行平均，作为一 个降水指数来描述该地区降水演变的特征。 2 2 方法介绍 本文运用的方法主要有带通滤波和合成分析方法。 合成分析主要是以持续性异常降水事件发生的第一天作为基准0 天，将所 有的考虑的持续性异常降水事件或者其对应的环流场进行合成。 带通滤波方法介绍： 低频场的获得是通过对原始场的滤波得到的，采用基于b u t t e r w o r t h 函数1 4 习的带 通滤波器作滤波，该滤波器的优点在于可自由选择通过频带，滤波后的结果在 资料序列的两端不丢失，适合短资料序列。其滤波输出为： 弦= d 殛豫一2 ) 一厶弘一1 一度吵一2 上式中( x 0 ，x 。，x 卜。) 是某一要素时间序列的n 个观测值，y 。是 过滤后的值。其频率响应函数为g w = 一 其中参数如b l ，b 2 分别定义为： 7 南京信息工程大学硕士学位论文 仃一 2 a d 一一2f，q24b 、i 一4 2 q + q 2 卵石瓦雨砰，l = 石w 五x 7 9 五砰，= 石五五砰7 1 ) 9 2 = ! 堕坐坐唑坐一 u ( 1 + c o s o ) l a t ) ( 1 + c o s t 0 2 a t ) 式中，缸是资料采样步长，咖是获得1 0 响应的频带中心的频率，l ，2 是咖两侧有o 5 响应的频率，o ，l ，2 之间存在如下关系： 咏= q 哆 实际计算分为两步，第一步，由时间序列用y k 的公式计算出初步的滤波值，即 各个y k 值。但在计算前去除时间序列的平均值和线性趋势。第二步，把过滤值 ( y k ) 从时间上倒过来，滤波一次求得最后的滤波值，这种做法的优点是对 各种频率都不会产生位相移动。 2 3 技术路线 本文首先对持续性异常降水事件进行了定义，然后对1 9 5 8 年 - - 2 0 0 7 年长江 中下游的降水情况以及对应环流场进行分析，然后对异常降水事件发生时期的 低频合成环流场进行分析，之后又分析了在持续异常降水发生前5 - - 3 0 天的低 频环流场特征，找到可能对长江中下游地区持续性异常降水有指示作用的关键 区。将关键区的要素经过滤波后与持续性异常降水在时间上的对应关系进行了 分析，确定长江中下游地区夏季持续性异常降水发生前的低频信号，以为延伸 期预报提供可用的信息。 3 1 j 一一，器s 再 i刊纠l = 中 c ： 剿 心 第三章长江中下游地区夏季持续性异常降水特征 第三章长江中下游地区夏季持续性异常降水的特征 3 1 持续性异常降水的定义 本文统计了1 9 5 8 年 - 2 0 0 7 年长江中下游地区夏季逐日的平均降水量，图l 中给出的是其中两年的情况，从图中可以看出，长江中下游地区夏季平均降水 达到中雨以上强度( = l o 衄) 时，若允许中间间断1 2 天，持续时间为7 天 左右。统计中发现，有些年份整个夏季中雨以上强度的降水持续时间未满7 天。 根据统计的情况，参考连阴雨的定义i 舶j ，本文定义夏季( 5 - 9 月) 长江中下 游区域7 天内逐日平均降水量超过l o m m 的天数大于5 天的降水过程，则视为 一次持续性异常降水事件，若7 天后已连续两天没有大于l o m m 的降水出现则 认为该事件结束；若仍有大于l o m m 的降水出现，则直到连续两天没有大于 l o m m 的降水出现为止。 3 2 长江中下游地区夏季持续性异常降水的特征分析 3 2 1 长江中下游地区夏季持续性异常降水特征 对1 9 5 8 年- - - 2 0 0 7 年长江中下游地区的夏季降水进行统计发现：5 0 年里出 现的持续性异常降水事件共3 0 次。平均每次事件持续时间为8 3 天。以持续异 常降水发生第一天作为基准0 天，对3 0 次降水事件的降水量进行了合成分析， 见图2 ，持续性异常降水多数持续时间为7 天，持续性异常降水发生前和降水 持续7 天后，区域平均降水量均小于l o m m 。 统计了每个月异常降水事件的发生次数，如表一所示，发现持续性异常降 水多发生在6 月和7 月份，此时正是梅雨发生的时节，持续性异常降水有很强 的季节锁相特征。值得注意的是，9 月份没有异常降水的出现，这说明，可能 9 南京信息工程大学硕士学位论文 环流状况在9 月份和5 8 月有着较大的不同。从图3 ，1 9 5 8 年 - 2 0 0 7 年5 月 9 月逐日持续性异常降水事件发生次数累计图中可以进一步看出，持续性异常 降水多集中发生在6 月2 3 日6 月3 0 日和7 月7 日7 月1 3 日。从统计的角 度来看，六月下旬和七月中上句的这两个时间段，应该作为重点的预报时段， 密切注意持续异常降水事件的发生。 图2长江中下游地区夏季持续性异常降水事件发生前后降水量合成图( 以降水发 生第一天作为0 天) 表一1 9 5 8 年- - - 2 0 0 7 年每个月累计发生持续性异常降水次数 5 月6 月7 月8 月9 月 2 次1 3 次1 2 次3 次0 次 图41 9 5 8 年- 2 0 0 7 年夏季长江中下游地区持续性异常降水事件发生时期的降水量 合成分布图。a 图发生时第o 天，b 图+ 2 天，c 图+ 4 天，d 图+ 6 天，e 图+ 8 天 图4 是长江中下游地区在持续性异常降水发生时期的降水量合成分布图， 以降水开始时第一天作为基准o 天，以此类推进行合成，可以看出，从0 天( 即 降水开始日) 到6 天，大范围的强降水覆盖了长江中下游地区，在安徽南部、 安徽中西部和湖北东部地区有降水的最大值出现，这些区域合成降水量均超过 2 0 m m 。但8 天的时候( 即持续性异常降水发生已经第9 天时) ，长江中下游地 区基本没有大范围强降水的发生。 1 0 第三章长江中下游地区夏季持续性异常降水特征 3 2 2 长江中下游地区持续性异常降水环流特征 对流层低层是降水发生时水汽最集中的一层，当出现异常降水的时候，往 往对流层底层都会有明显的异常特征。以持续性异常降水发生的那天作为基准 o 天，分析长江中下游地区夏季持续性异常降水发生时期及前8 天7 0 0 h p a 风场 合成图，如图5 。可以看出，在没有持续性异常降水发生时，西太平洋副热带 高压位置偏东、偏北，位于太平洋面上，从印度洋来的西南热带季风，只能影 响到我国的华南地区，此时，长江中下游地区只有零星的降水出现。随着时间 的推移，西太平洋副热带高压逐渐西伸，印度西南季风在我国南方的影响面积 逐渐增大。从图中可以看出，在8 天的时候副热带高压完全位于西北太平洋上， 到一6 天时( 图略) ，副热带高压西进，外围已到达台湾及福建沿海地区。到_ 4 天 和一2 天时( 图略) ，副热带高压继续西进，此时，江苏、安徽南部地区已有小范 围的强降水出现。到0 天至8 天时，1 2 0 。e 处的副热带高压脊线稳定在2 2 。n 附近，副热带西北侧的西南气流汇合来自印度洋的热带季风控制着长江中下游 地区，给该地区带来了充足的水汽，形成了有利于该地区持续性异常降水的条 件。由此可见，7 0 0 h p a 上副热带高压在南海地区的稳定维持和印度季风的影响 与长江中下游地区的持续性异常降水事件有很好的对应关系，可以推断与持续 性异常降水的发生有密切的联系。 图57 0 0 h p a 持续性异常降水事件发生前后合成风场图，( 以降水开始时作为0 天) a 、 b 、c 分别为8 天、0 天、+ 8 天时的合成风场，阴影区表示同一时期长江中下游流域超 过1 0 m m 降水的区域，单位：m s l 长江流域的夏季降水多是由于从北方来的干冷空气与从南方来的暖湿空气 在此区域交汇而形成的，低层的经向风的变化特征能体现出冷暖空气的交汇过 程。以持续性异常降水发生的那天作为基准0 天，分析长江中下游地区夏季持 续性异常降水发生时期及前8 天7 0 0 h p a 经向风场合成图，如图6 。从图中可以 看出，在持续性异常降水开始前8 天，长江以北地区被北风控制，以南地区为 南风控制，但江南地区风速小，南风中心位于我国南海的海岸附近，此时不利 于长江流域降水的发生。异常降水开始后，南风中心控制我国华南和江南地区， 此时华北地区有北风中心，干冷的强劲北风和暖湿的强南风在长江流域交汇， 有大范围的降水形成，这种形势持续了7 天。在持续性异常降水发生7 天后， 南京信息工程大学硕士学位论文 南风中心依然控制着我国江南、华南地区，但此时华北地区没有明显的北风中 心，北风明显减弱，对应的没有大范围的降水出现。由此可见，7 0 0 h p a 上南北 经向风在长江地区交汇形势的稳定维持与长江中下游地区的持续性异常降水事 件有很好的对应关系，与持续性异常降水的发生有密切的联系。 图67 0 0 h p a 持续性异常降水事件发生前后合成经向风场图，( 以降水开始时作为o 天) a 、b 、c 分别为8 天、0 天、+ 8 天时的合成风场，阴影区表示经向风大于0 的区 域，单位：m s - 1 对流层中层5 0 0 b _ p a 是一个相当正压层，在该层上可以分析出很多重要的系 统如西太平洋副热带高压、中高纬度的阻塞高压、低涡等的位置与强度等要素。 以持续性异常降水发生的那天作为基准o 天，分别分析长江中下游地区夏季持 续性异常降水发生时期及前8 天的5 0 0 h p a 位势高度合成图，如图7 。可以看出， 与7 0 0 l l p a 风场合成相类似，在没有持续性异常降水发生时，西太平洋副热带高 压位置偏东、偏北，位于太平洋面上，5 8 8 线完全位于太平洋洋面上。随着时 间的推移，西太平洋副热带高压逐渐西伸，5 8 8 线西伸点逐步西移。到0 天时， 5 8 8 线西伸点已经到了1 2 0 。e 地区，并且一直稳定维持这种形势到+ 6 天。+ 8 天时，副热带高压东退，5 8 8 线重新退回到太平洋上。持续性异常降水发生前 后，5 0 0 b _ p a 上最明显的特征是太平洋副热带高压的西进东退。由此可见，5 0 0 h p a 上华南和南海副热带高压的稳定形势与长江中下游地区的持续性异常降水事件 有很好的对应关系，可以推断与持续性异常降水的发生可能有密切的联系。 图75 0 0 h p a 持续性异常降水事件发生前后合成高度场图，( 以降水开始时作为0 天) a 、b 、c 图分别为- 8 天、0 天、+ 8 天时的合成高度场，单位：d a g p m ；阴影区表示同一 时期长江中下游流域超过1 0 r a m 降水的区域 根据胡景高等【4 7 】和张琼【4 8 l 的研究结果，南亚高压与长江中下游地区的降水 有密切关系。从对流层高层2 0 0 h p a 上，能清楚的看到南亚高压的变化特征，参 考胡景高的研究 4 7 1 以2 0 0h p a 高度场1 2 5 2d a g p m 特征线东脊点的经度值表示 南亚高压的东西位置。从图8 可以看出，持续性异常降水发生前8 天，南亚高 压东脊点位于1 0 7 。e 左右，东脊点的位置偏西，此时长江流域没有大范围的降 水出现。持续性异常降水发生时，南亚高压东脊点位于1 1 7 。e 左右，长江中下 1 2 第三章长江中下游地区夏季持续性异常降水特征 游地区风速比较大，此时出现了大范围的降水且持续7 天。持续性异常降水发 生7 天后，南亚高压东脊点仍位于1 1 7 。e 附近，但此时长江中下游地区风速变 小，此时大范围的降水消失。这与朱玲等【4 9 】的研究结果相吻合，他们指出南亚 高压东脊点位置偏东时，长江流域降水量偏多，而位置偏西时，降水量少。 因为从对流层高层2 0 0 h p a 的散度场上往往可以判断出，某个区域是否有利 于上升运动的产生，而强烈的上升运动时产生强降水的必要条件。故结合散度 场分析降