（气象学专业论文）长江流域连续性暴雨过程与前期olr场的相关分析.pdf

浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 摘要 本文在确定我国近5 0 年连续性暴雨过程的基础上，利用n o a a 提供的o l r 卫星逐日观测资料，用统计学和天气学的方法有针对性地对我国长江流域发生的 连续性暴雨过程普查其前期全球范围内的0 l r 异常，揭示过程前期o l r 场显著 相关特征，以进一步明确对后期过程的生成和维持影响最大的0 l r 敏感区的时空 分布。结果表明，长江流域连续性暴雨过程与前期不同时段不同位置的o l r 异 常确实存在一定的关系，其中江淮流域连续性暴雨过程前期的o l r 信号集中于 澳大利亚北部印尼附近洋面、印度洋洋面、以及赤道东太平洋洋面，特别是澳大 利亚北部印尼附近洋面上的正信号( o l r 正距平) 在过程前期一个月内一直维 持，主要关键时段为过程前第3 和1 周；江南地区连续性暴雨过程前期的o l r 信号基本位于赤道周边地区，多位于中南太平洋洋面，信号数目相对较少，主要 时段为过程前第3 周：沿江地区连续性暴雨过程前期的o l r 信号分布较散，在 太平洋洋面及西欧大陆上出现频率较高，从总体上看信号纬度位置相对偏高，主 要时段为过程前第4 和3 周。利用所选信号构建回归方程来拟合连续性暴雨过 程的降水总量，回归方程的复相关系数平方值在三个分区分别达到江淮0 9 5 8 ， 江南0 7 3 1 ，沿江0 9 3 3 。低纬地区信号所含的信息量较大，发生的气候概率也较 大。 关键字：长江流域，连续性暴雨过程，前期o l r 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 a b s t r a e t b a s e du p o ni d e n t i f y i n gt h ep e r s i s t e n th e a v yr a i n f a l le v e n t s ( t h ep h re v e n t s ) d u r i n gt h ep e r i o do f1 9 5 1 - 2 0 0 4 ，t h er e v e a l e dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h re v e n t s m o t i v a t eu sd i v i d i n gm i d - e a s t e r nc h i n ai n t ot h r e es u b - r e g i o n s , y a n g t z e - h u a ir i v e r v a l l e y , y a n g t z er i v e rv a l l e ya n ds o u t ho ft h ey a n g t z er i v e r , t oq u a n t i f ys i g n i f i c a n t l a g - c o r r e l a t i o n so ft h er a i n f a l l sw i t hg l o b a lo u t g o i n gl o n g , w a v el l a d i a t i o n ( o i 。r ) a n dt os t u d yt h ec o n v e c t i o n sp r e d o m i n a n tm i d - t e r mr o l ei nf o r c i n gt h ep h re v e n t si n m i d - e a s t e r nc h i n a r e s u l to b t a i n e di st h a tt h ep h re v e n t si nt h e s et h r e er e g i o n sa l e h i g h l ya s s o c i a t e dw i t ht h ep r o p h a s eo fo l ra n o m a l y t h em a i nr e g i o n sa f f e c tp h r e v e n t si ny a n g t z e - h u a ir i v e rv a l l e ya r et r o p i c a lw e s t e r np a c i f i cw a r mp o o l ，i n d i a n o c e a na n de q u a t o r i a le a s t e r np a c i f i c ，e s p e c i a l l yt h ep o s i t i v es i g n a l sl a s t i n gi nt h e 臼o p i e a lw e s t e r np a c i f i ci na b o u to n em o n t ha h e a do ft h ep h re v e n t s , a n dt h ek e y p h a s e i sw e e k - 3a n d 一1a h e a do f t h ee v e n t s a st ot h es o u t h o f t h ey a n g t z er i v e r , t h e m a i nr e g i o n sa 砧i ne q u a t o r i a la 娜，e s p e e i a j l yt h ec e n t r a l - s o u t h e r np a c i f i c ，k e yp h a s e i sa r o u n dw e e k - 3 a n dt h es i g n a l sa f f e c ty a n g t z er i v e rv a l l e ye v e n t ss p r e a da r o u n d , a n da r er e l a t i v e l yi nh i g h e rl a t i t u d e , k e yp h a s ei si nw e e k - 4a n d 3 b a s e do nt h e s e l e c t e do l r s i g n a l s , r e g r e s s i o ne q u a t i o n sa l ed e v e l o p e db yu s i n gs t a n d a r do l r si n t h e s er e g i o n si nl 掣2 t i v el e a d i n gt i m e t h e 彤o f e q u a t i o n sr e a c h0 9 5 8 、0 7 3 1 、 o 9 3 3r e s p e c t i v e l y s i g n a l si nt r o p i c sc o , t e l m o r ei n f o r m a t i o na n dg e tal a i g l l e rc l i m a t e f r e q u e n c y k e yw o r d ：m i d - e a s t e r nc h i n a , p e r s i s t e n th e a v yr a i n f a l le v e n t s , p r e c e d i n go l l l 浙江大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盘丛日期：塑：丛丝 浙江大学学位论文使用授权声明 浙江大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆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。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) 授权浙江大学研究生部办理。 研究生签名：益鲞导师签名：汤盔数日期：兰! ! ：丝 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 第一章绪论 1 1 连续性暴雨过程及其发生发展背景的研究意义 连续性暴雨过程作为极端降水事件中的一个突出例子，指的是大范围强雨带 长时间稳定维持在同一区域的过程。这种受夏季风影响的雨带活动是东亚季风区 特有的气候特征。近年来频繁发生于长江流域的、给国家经济建设和人民财产造 成巨大损失的特大洪水，均是由此类过程引起的，为了有足够的时间做好必要的 防灾减灾工作，提前预测出这类大型过程的发生发展是十分必要的。 根据我们已完成的1 9 5 1 - 2 0 0 4 年夏季( 4 - 8 月) 我国实测逐日降水资料的分 析1 ，对我国连续性暴雨过程作了如下定义： 1 ) 过程长度4 天以上，必须由一个大暴雨日( 1 0 0 - 2 0 0 衄d a y ) 或暴雨日 ( 5 0 - l o o m d a y ) 开始，其中必须包含3 个以上( 含3 个) 的大暴雨日和4 个 以上( 含4 个) 的暴雨日：大雨日数所占比重不超过2 0 ，大雨日( 2 5 - 5 0 n n d a y ) 只允许连续出现2 天，过程中不出现日雨量小于2 5 m m 的情况； 2 ) 过程面雨量( 详见公式3 ) 不小于6 0 0 01 0 3 宰【噼k m 2 ； 3 ) 过程总雨量不小于2 5 0 咖； 4 ) 过程雨带位置跳动不过于明显，相对集中在某一区域，雨带日摆动在2 个 经纬度范围内； 5 ) 过程发生时的大尺度环流背景相对稳定，没有大的调整。 依此标准，共选取了1 9 7 个连续性暴雨过程个例。对我国5 0 余年连续性暴雨过 程的分析结果显示：根据雨带位置，我国连续性暴雨过程主要发生在以下8 个区 域：东北、华北、淮河流域、江淮流域、沿江、江南、东南沿海和西南地区。图 l 为各区域典型过程雨带分布形态。长江流域附近地区的连续性暴雨过程多对应 西风带大尺度环流背景，而华南沿海和西南地区过程主要对应东风带环流背景， 华北和东北地区过程则以东西风带混合的环流背景为主。西风带过程常呈现东北 西南向或东西向雨带型，持续时间较长，雨带面积较大，且稳定性较强。近5 0 余年共有1 0 7 个连续7 天以上的连续性暴雨过程发生在我国的东部地区( 1 0 0 0 e 以东) ，其中长江流域地区是此类极端降水事件的高发区( 共5 4 次占总数的5 0 9 6 以上) ，过程的时间长度为7 1 9 天，平均长达1 0 天。 这样一个持续时间长、范围广、强降水区相对稳定的极端降水现象( 不同于 单场暴雨) ，势必会有相对稳定的环流形势为背景。正是在这样的背景条件下， 不同尺度系统的相互影响和共同作用形成了长江流域的连续性暴雨过程。而这种 t 柚g y 如b i n ge ia 1 ，2 0 0 6 ：o nc l i m a t o l o g y o f p e r s i s t e n t h e a v yr a i n f a l le v e n t s i n c h i n a , a a s 录用待刊 1 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 图1 我国各区域连续性暴雨典型过程的过程总雨量( m ) 场分布形态，从a 至h 依次为东北、华北、淮河流域、西南、江淮、江南、沿江和东南沿海 2 9 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 相对稳定的大型环流形势应该有一个较长时间的酝酿形成过程，在这个酝酿形成 过程中，势必会受到源自不同区域、乃至全球的影响，而这种影响的实质就是过 程的前期信号。研究此类过程处于酝酿阶段时所反映出的前期信号，对于揭示连 续性暴雨过程的影响因子和形成机制，对提高预测水平都是非常重要的。考虑到 过程本身的长度，对该类过程的整体预报显然是一个1 - 3 周或更长的中期预报问 题。因此，我们拟研究的重点在于过程的中期信号。且前气象业务部门对大型过 程的中期预测能力还远不能满足要求。造成这种局面的一个重要原因就是人们对 此类过程的形成机制和相应中期信号的认识尚很欠缺。 1 20 t r 资科的使用依据 中期信号反映的是在有利的大气环流场中，大范围行星尺度系统如何互相影 响，共同作用酝酿过程出现的前兆。它不仅涉及多尺度的大气系统活动，例如罗 斯贝波列的激发与频散传播，而且可能涉及地球气候系统不同子系统( 主要为热 带海洋、地表通量和大尺度地形等) 之间的相互作用。因而影响长江流域连续性 暴雨过程的前期物理因素就非常复杂，本文主要利用o l r 卫星资料从一个侧面来 考查对流活动异常对后期连续性暴雨过程发生发展的影响。 0 l r ( 0 u t g o i n gl o n g w a v er a d i a t i o n ，向外长波辐射) 是气象卫星利用辐射 仪的红外通道从宇宙空间所观测的地气系统的射出长波辐射，它反映了云量、雨 量、对流强度、凝结潜热、散度风、大尺度垂直环流和海气相互作用等众多的海 洋和大气的信息。0 l r 主要由两个因素决定：云层和地球表层( 陆面及海面) 温 度。对流旺盛和频繁的区域，比如季风区和i t c z ( 赤道辐合带) ，表现为0 l r 低 值区；而少云的赤道信风带和赤道东太平洋则相对表现为0 l r 高值区( c h e l l a d a he t a 1 ，1 9 9 2 ) 。陈隆勋等( 1 9 9 1 ) 用风场和o l r 场进行了对比分析，进一步证明了大 气中垂直环流上升支和下沉支与o l r 的低值和高值区对应很好。h e d d i n g h a u s e 和 k r u e g e r ( 1 9 8 1 ) 利用卫星观测的o l r 资料分析对流活动的年内及年际交化，发现在 与e n s o 相关的赤道太平洋地区，对流活动存在着较大的年变化。云对赤道地区 o l r 起到的主导作用，使o l r 成为对流活动的感应器，得到广泛的应用。而卫星 观测资料又具有全球性及均匀、连续、水平分辨率高及资料长度长等优点，能大 大弥补热带常规资料不足的缺陷，因此o l r 在多时空尺度上分析大气环流、海气 相互作用及天气气候变化和预报等方面的研究中应用价值非常大( h e d d i n g h a u s c c ta 1 1 9 8 1 ；l a ue ta 1 。1 9 8 3 ，1 9 8 6 ：w a n ge ta 1 ，1 9 9 7 ；x i ec ta 1 ，1 9 9 8 ) 天气活动事实证明，雨涝干旱都是在大气环流发生持续性异常时所发生的， 而某区域大气环流的异常，不仅仅是该区域大气的动力、热力异常所造成的，而 且还受到来自其它区域、甚至是另一半球的动力及热力状况异常的影响。而热带 浙江大学硕士学位论文 长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 地区对流凝结释放的热量，对热带大气热源热汇的分布及变化起着重要的作用， 热带大气热源的变化又会引起中高纬地区环流的变化，所以大气环流及重大的气 候异常，可以从热带对流活动的异常中反映出来。o l r 资料能够反映大气垂直 运动( 对流活动) 的空间分布，因而本文尝试用o l r 资料来普查和分析我国连 续性暴雨过程前期反映在全球范围内对流活动可能出现的异常区域及时段。一般 说来，在热带地区，温度的时空变化都较小，o l r 的变化主要受云的影响，能 够很好的反映对流的情况，而在中高纬地区，由于冰雪覆盖以及地形起伏，下垫 面的温度分布很不均匀，o l r 资料往往不能很好的反映对流情况。 1 3 本文的研究内容及意义 文献阅读中发现，o l r 的应用非常广泛，其中就o l r 和中国降水关系问题就 已有大量的研究其中一些关键区域的选取及分析很值得借鉴。但从空间上看， 多数研究都是针对某一特定区域的，且主要着眼于一场暴雨或一个降水过程，对 于5 0 余年全国范围内的连续性暴雨这样一种特殊的降水过程集尚未有综合而细 致的研究；从时间上看，则集中在同期分析，以及较长时段( 月、季平均的相关) 和较短时段( o - 5 天) 的研究，时间尺度介于二者之间的有关中国降水和前期o l r 关系中期信号方面的研究较为薄弱。 因此，有针对性地对我国不同区域发生的连续性暴雨过程普查其前期全球范 围内o l r 场出现的中期信号，提取关键信号并深入分析信号特征是很有必要的， 这有助于进一步明确对后期过程的生成和维持影响最大的o l r 前期敏感区的时 空分布，即中期信号源；有助于建立过程中期形成机制的概念模型。这不仅对于 极端气象事件中期形成机制的研究具有一定的意义，而且能为此类极端降水事件 的预报提供依据，有助于改进我国灾害性天气气候的中期预测能力，具有明显的 应用价值。 本文主要利用o l r 卫星观测资料对4 8 月发生在长江流域( 包括江淮、长江 沿江和江南地区) 的连续性暴雨过程进行过程前期o l r 信号场的相关普查和分 析，以考查不同区域不同时段的大气对流活动是否对连续性暴雨过程发生发展有 所影响；并研究长江流域连续性暴雨过程发生前卜3 周的对流中期信号及其特 征，揭示中期信号酝酿连续性暴雨过程形成的可能机制。旨在为连续性暴雨过程 的预测提供依据。 4 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 第二章研究现状及研究背景 2 1o l r 的应用研究概况 从1 9 世纪7 0 年代初至今已积累了大量的o l r 资料，国内外有许多学者将o l r 用于天气气候诊断分析中。俄国的气象学家b u d y k o ( 1 9 7 4 ) 用地面能量收支的年 变化研究世界区域气候；美国的卫星气象学家o b r i n g 和g r u b e r ( 1 9 8 3 ) 按照b u d y k o 的思路，用卫星观测的大气顶部的能量( 净辐射) 及o l r 的年循环进行世界区域 气候的研究，取得了成功。l ie ta 1 ( 1 9 9 6 ) 证实了s s t 和o l r 的异常与强弱季风 年的关系。0 l r 和降水在以地表温度为主导的较高纬度地区存在着弱的正相关， 而o l r 的距平值和降水却在各个季节和纬度范围( 除南极洲外) 都呈负相关，这 反映了由云量决定的o l r 的年际变化，以及云量和降水的正相关关系( ) ( i e 吼a 1 ， 1 9 9 8 ) 。w e b s t e re ta 1 ( 1 9 8 0 ) 用一个小模型解释了季风雨带的季节内振荡是由太 阳辐射、雨量及水循环之间的相互作用而产生的。n i t t a ( 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 发现局地 季节内变化属性自西北以2 0 0 0 - 3 0 0 0 k i n 的水平尺度向西传播。以往的分析研究也 表明，热带地区的季节内变化一方面反映了其全球特征以1 2 个波长的速度向东 传播( l o r e n c ，1 9 8 4 ；m u r a k a m ie ta 1 ，1 9 8 5 ；x i e ，1 9 9 4 ) ，另一方面也反映了局地属 性比如东南亚夏季风地区的对流中心在向北移动( k r i s h n a m u r t ie t a l ，1 9 8 2 ； m u r a k a m i 。1 9 8 4 ；l a ue ta 1 ，1 9 8 6 ) 。n i t t a ( 1 9 9 6 ) 用g m s 高云云量资料分析了赤道 西太平洋的长年热源分布变化，发现了两个主要的振荡型。一个是热源在西太平 洋和中太平洋间沿赤道的东西向振荡。另一个是北纬2 0 。附近的副热带西太平洋 地区和中纬度日本岛附近地区的之间的南北向振荡，n i t t a ( 1 9 8 7 ) 称之为p j 型( 太 平洋p a c i f i c 一日本j a p a n ) 。北半球冬季赤道附近地区云量有大的年际变化已被证 实，而且这种变化不仅发生在赤道地区，还发生在夏季北纬3 5 。附近。n i t t a ( 1 9 8 7 ) 还指出，p j 型振荡对日本夏季气温的高低有很大的影响。 中国o l r 应用的研究起步较晚，始于8 0 年代中期( j i a n ge t a l ，1 9 8 6 ) ，但 发展迅速成绩卓著。蒋尚城等( 1 9 9 1 ) 用n o a a 卫星系列的1 9 7 4 - - 1 9 8 4 年的辐射资 料对中国的区域气候进行了分析，指出卫星观测的辐射资料不仅对于世界气候， 对中国的区域气候分析应用也是可行的。利用o l r 资料分析i t c z 的不同气候特 征，发现太平洋上双r r c z 的平均经度位置有明显得东西向季节振荡现象，根据 同时期的s s t 资料分析发现这又与西太平洋暖池的东西向季节振荡有关( j i a n g ， 1 9 8 6 ；蒋尚城，1 9 8 8 ：马福慧等，1 9 9 1 ) 。蒋尚城等( 1 9 8 9 ) 利用1 0 年o l r 资料分 析夏半年西太平洋副热带高压南北变化，发现有两次明显北跳，并分别与中国长 江流域的梅雨及华北的雨季开始相对应，首次用卫星观测证明了夏季西太平洋副 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 高的季节性北跳是与h a d l e y 环流的变动密切相关的。o l r 资料也被运用到台风研 究中，分析表明西太平洋o l r 的低频振荡与台风活动密切相关( 谢安，1 9 8 7 ) 。 台风演变过程中的不同阶段，在系统中心东南侧的o l r 场上有明显得先兆特征和 规律性，并与越赤道气流有密切联系( 肖文俊，1 9 9 0 ) ，o l r 场中的低值轴线对 台风的未来6 d , 时移动有很好的指示作用( 江吉喜等，1 9 9 1 ) 。用o l r 研究大气低 频振荡现象在国外已有不少工作，我国近年来的研究集中于西太平洋( 戴志远等， 1 9 9 0 ；c h e nda 1 ，1 9 8 8 ) 及青藏高原地区( 叶谦等，1 9 8 9 ) ，结果发现菲律宾北部 1 5 。n 附近是夏季低频振荡的重要源地，沿赤道向东传播，在1 5 。- - 3 0 。n 之间 转为向西偏北方向传播；东亚( 1 2 0 。e ) 地区的经向传播在热带向北，高纬向 南，在副热带地区汇合。从赤道经菲律宾到长江流域有一正负相关中心的波列存 在，似乎表明长江流域旱涝对于西太平洋热带对流活动的低频振荡密切相关。夏 季青藏高原存在3 0 - 6 0 天的低频振荡，但不是特别明显。在灾害性天气气候的诊 断及预报中，o l r 也起到了一定作用。利用o l r 已对中国的夏季降水( z h u , 1 9 8 6 ) 和冬季低温( z h a e t a l 。1 9 8 9 ) 、东北冷害( 毛贤敏，1 9 8 8 ) 、西北降水( 李栋梁， 1 9 9 1 ) 、华北及长江流域旱涝( 李月洪等，1 9 9 1 ，1 9 9 0 ；j i a n g , 1 9 8 6 ；蒋尚城，1 9 9 2 ， 1 9 9 3 ) 、华南后汛期降水( 吴尚森等，1 9 9 0 ) 等中国的灾害性天气和气候进行了 广泛的研究。 2 20 氓与降水关系的研究 蒋尚城等( 1 9 8 9 ) 利用9 年0 l r 资料及长江流域9 5 个地面站的雨量资料进行不 同时空尺度的统计分析，结果表明两者也很好的关系。对长江流域a 尺度( 2 5 。 2 5 。) 区域的雨量及0 l r 的月距平相关系数可达一o 6 4 ，几乎与热带洋面上的 结果相当。而且这种相关随着时空尺度增大而增大。如对于c 尺度( 即整个长江流 域) 月距平相关可达一o 8 1 ，季距平相关n n - o 9 4 。虽然样本数减小了，但其相 关的显著性水平仍超过o 0 1 。说明面积越大，时间越长两者相关性越好。从1 0 天平均的统计结果看，c 尺度的负相关系数从o 9 4 降n 0 5 8 ，a 尺度则降到0 3 1 ， 相关的显著程度大大降低。所以月平均的时间尺度可能是0 l r 与雨量有显著相关 的临界尺度。另外，从相关系数的空间分布图也可以看出，对于长江流域不同地 区相关程度是不同的。最大相关中心与最大雨量中心基本重合，而最差相关则是 在高原东侧的长江上游地区。这说明地形和雨量可能是影响相关性的重要因子。 蒋尚城等( 1 9 9 3 ) 用1 9 9 1 年( 及1 9 8 0 和1 9 8 5 年) 雨季候平均0 l r 资料及常规天 气观测资料对1 9 9 1 年江淮梅雨期的0 l r 特征进行详细的分析发现，1 9 9 1 年江淮洪 涝梅雨期在亚洲大陆及印度洋、太平洋和南半球的一些关键地区的0 l r 场出现明 显异常。特别是从南半球的澳大利亚一直到东亚的长江流域间，正负相间的o l r 6 d 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 距平中心的经向波列存在，反映了东亚季风环流系统的异常及该地区经圈环流的 异常。这是1 9 9 1 年洪涝梅雨的重要特征。另外从低纬0 l r 场的异常中特别注意到 西太平洋i t c z 对流活动的异常与江淮梅雨演变过程的密切联系。而1 9 9 1 年西太平 洋i t c z 的提前出现是东亚季风的提前爆发及洪涝梅雨提早发生的重要先兆。1 9 9 1 年江淮洪涝梅雨的二次活跃期都是与0 l r 的i s v ( i n 撇n a lv a r i a t i o n ，季节内 变化) 自中高纬和低纬向3 0 。n 传播及自高原附近向东传播有关。这与印度季风 雨的活跃期单纯由赤道向北传播的特征不同。1 9 9 1 年江淮洪涝梅雨异常的关键地 区中，青藏高原的影响也应引起特别注意。首先高原各季o l r 的持续正距平( 反映 加热场的异常) 对于1 9 9 1 年梅雨开始日期的提前有很大影响。其次，高原东部强 烈的低0 l r 及负距平区的存在，可能是盂加拉湾地区的印度季风与高原东部准定 常的低槽相互作用的产物。而导致江淮洪涝的暴雨云团绝大部分都是从这里东移 与冷空气的相互作用而在长江中下游发展而成的。 “e ta 1 ( 2 0 0 4 ) 利用n o a a 提供的1 9 8 0 年一1 9 9 9 年o l r 月平均资料和中国1 6 0 余测站夏季降水量观测值来分析o l r 和中国降水的关系。在对全球o l r 场和中国 夏季( 6 7 、8 月) 降水的相关性分析中用到了奇异值法( s v d ) ，起始量为全 球o l 帅中国降水量的季距平。分析发现主要可分为3 个类型( 解释方差分别为 2 1 ，1 7 ，1 6 ) ，一型s v d i o l r 空间型象一个南北向波列，当夏季中国东南部 和南海大部的对流活动加强时，这块区域的南部和北部区域的对流活动就减弱。 同时，赤道中太平洋地区的对流加强，s v d l - r a i n 的主要特征是东南地区的正距 平和长江流域和黄淮流域的负距平；二型s v d 2 一o l r 显示中国大部都在o l r 负距平 区，此型与副热带西太平洋到中国东部及日本的p j 型很类似，s v d 2 一r a i n 的空间 型显示中国大部都是降水正距平，特别是江淮流域，而东北地区则是负距平。前 两个模型都和夏季西太平洋及东印度洋上的南北向振荡有关。三个主要模型对全 球0 l r 距平场与中国降水距平场间相关性的解释方差为5 4 ，对它们的分析表明中 国主要降水型和热带、副热带西太平洋，东南亚和东亚地区的0 l r 距平场密切相 关。在分别对1 9 9 7 、1 9 9 8 、1 9 9 9 年夏季降水的同期o l r 距平场的特征分析中发现， 这三年强对流活动是导致中国降水的主要原因。o l r 距平场也很清楚地显示出 1 9 9 7 年和1 9 9 9 年中国东北部发生的严重干旱。 黄嘉宏等( 2 0 0 2 ) 应用1 9 7 9 - - 1 9 9 9 年n o a a 卫星月平均0 l r 资料及1 9 5 0 一1 9 9 9 年n c a r n c e p 再分析的海表温度月平均资料，采用合成分析的方法对异常南海夏 季风爆发前期的特征进行分析，并做信度检验。结果表明，在季风爆发的前期， 对流活动和海温的异常与南海夏季风的异常关系密切。其中o l r 在初春、垂直速 度在整个前期与南海夏季风的异常存在着极强的相关性。根据东亚季风的进退， 将1 0 月至1 1 月定义为前冬、1 2 月至2 月为隆冬、3 月至4 月为初春。发现强、弱南 海夏季风年的前冬0 l r 距平分布基本相似。赤道至2 0 。n 附近为东西向带状的正 7 p 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 距平，三个正值中心位于中南半岛、赤道中、东太平洋，只是弱年正距平的中 心值大于强年。其两侧为带状负距平，其中在澳大利亚北边和马斯克林群岛附近 有两个负值中心，强年的数值大于弱年的数值。冬季热带辐合带( i t c z ) 的平均位 置位于1 0 0 1 5 0 。e 的赤道上和南半球低纬地区，可见强年i t c z 的强度强于弱年。 赤道印度洋为季节内对流异常发生及加强区，西北太平洋为北半球夏季季节 内振荡( i n t r a s e a s o n a lo s c i l l a t i o n , 简称i s o ) 的活跃区，海洋大陆及赤道中东太平 洋则都为耗散区( w a n g e ta l ，1 9 9 0 ) 。i s o 的两个显著活动中心赤道印度洋和西 太平洋季风区还存在有驻波类型的遮挡跷跷板( z h u 等，1 9 9 3 ) 。王韶霞等( 2 0 0 0 ) 利用o l r 资料( 1 9 7 9 1 9 9 3 ) 对热带东印度洋一西太平洋的候平均o l r 资料进 行功率谱分析，并采用分周期比较的方法，得到该海域o l r 资料( 即大气对流活 动) i s o 空间分布特征。结果表明热带东印度洋一西太平洋海域在以下四个区域 中，大气垂直运动表现为明显的i s o ：( 1 ) 热带东印度洋；( 2 ) 澳大利亚西北洋 面；( 3 ) 澳大利亚东北洋面；( 4 ) 南海南部、中部及吕宋海峡附近。其中最显著 的i s o 区位于热带东印度洋，振荡周期集中在准6 5 - - - 1 2 5 候，在赤道上i s o 信号最强；澳大利亚西北洋面大气对流活动i s o 表现为准6 5 1 5 5 候，东部的 振荡周期较复杂，表现为准6 5 - - 9 5 候和准9 5 1 5 5 候，南半球的i s o 显著 区域沿l o s 为中心的纬向带状域分布；热带西北太平洋近赤道海域的i s o 周期为 6 5 一1 2 5 候。i s o 强信号从南海南部、南海北部、吕宋海峡东北洋面向东北至 日本群岛以南一直到中北太平洋。分析结果还表明热带东印度洋一西太平洋海域 o l r 资料所反映的i s o 周期不超过1 5 5 候。 2 3o 氓在降水预报中的应用 施宁等( 1 9 9 1 ) 利用热带地区o l r 低频振荡的不同阶段及其转变可以作长江中 下游春季连阴雨预报。在研究春季长江中下游的连阴雨时发现与热带地区的o l r 低频振荡有密切关系。在低频振荡的不同阶段，不仅i t c z 的强度呈周期性交化， 且其西伸的经度也有相应的变化，一般在低值阶段，i t c z 伸到最西，对流最强； 由低值向高值转变阶段，i t c z 东退，强度减弱；到高值阶段，i t c z 最弱，位置最 东；由高向低过渡阶段，i t c z 又复西伸，强度增加。而在热带o l r 低频振荡的低 值阶段以及由高向低转变的阶段长江中下游地区多连阴雨发生发展，高值阶段以 及由低值向高值转变阶段多连晴天气出现。 江吉喜等( 1 9 9 1 ) 进行了长江中上游3 5 天( 提前一候) 的暴雨预报试验。 利用o l r 候平均图分析研究1 9 7 8 1 9 8 7 年长江上游地区的全部强暴雨过程，概括出 暴雨出现前后的o l r 候平均场的特征。主要有中低纬地区的o l r 低值区相向移动合 并型以及高原和南亚地区o l r 低值区东移北上汇合型两类。分析暴雨出现前一候 8 参浙江大学硕士学位论文 长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 的o l r 场形势，暴雨区西北部及其附近地区有一大范围强o l r 低值区( 1 7 5w m 2 ) 在2 0 。n 附近，暴雨区上游的西南部地区孟加拉湾北部及其内陆附近是另一个大 范围更强的东西向o l r 低值区( 1 5 0w 确，中南半岛上还有另一个轴向为东南西 北走向的低值区。暴雨区上游的西北和西南方两个大范围强o l r 低值区，在环境 场偏西风和西南季风的影响下相向移动；下一候在暴雨区中合并形成一个较强低 值区，从而使长江中上游地区产生暴雨过程。与此同时暴雨区上游中纬度地区 的o l r 值显著增大，低纬度地区孟加拉湾西北部及印度大陆东北部的o l r 值也增大 了5 0 w m - 以上，原来的强低值区被高值区所代替，该高值区向东伸展，并有与 华南至西南地区向西伸展的高o l r 值区合并的趋势，这将阻止孟加拉湾和中南半 岛地区舌状o l r 低值区向北伸入暴雨区，预示未来中、低纬地区设有新的o l r 低值 区东移进入暴雨区，因而可以进一步预告下候无强暴雨发生。 利用o l r 资料作本地区高度场形势或某些要素场长期预报的最直接和简单的 方法就是作滞后遥相关分析。利用本站( 一点) 气象要素与其它地区各格点上的 o l r 场作滞后遥相关分析，作出滞后系数为+ l 1 2 月的遥相关分布图找出遥相 关最大的地区及提前的时间( x 月) ，即可根据关键地区前x 月的o l r 与本站某气 象要素建立起统计关系而作出该要素的长期预报。对中国选定测站的夏季降水与 全球o l r 进行后延遥相关分析，找到了澳大利亚和青藏高原为影响我国夏季降水 的关键地区( z h u ，1 9 8 6 ) 利用o l r 对长江流域洪涝的诊断，发现涝年低纬o l r 特 征是西太平洋副高及印度洋、西太平洋i t c z 强且位置偏南，其前期特征是春季印 度洋一太平洋赤道辐合带( i t c z ) 南侧两个关键区持续负距平，冬季澳大利亚高压 及北半球东太平洋副高异常发展( 蒋尚城，1 9 9 2 ，1 9 9 3 ；李月洪等，1 9 9 0 ) 。故根 据热带洋面上o l r 距平的持续性，提出了由冬季澳大利亚及东太平洋关键区的持 续正距平及春季印度洋太平洋i t c z 南侧关键区的负距平作为长江流域特大洪 涝的长期预报模式。 9 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o u t 场的相关分析 3 1 数据资料 第三章数据及研究方法 本文所用的o l r 资料取自n o a ac d c ( c l i m a t ed i a g n o s t i c sc e n t e r ) 提供的全球 o l r 逐日平均资料( o l r d a y m e a n n c ) ，时间长度为1 9 7 4 年6 月1 日至2 0 0 4 年1 1 月3 0 日( 共1 1 1 4 1 天) ，其中1 9 7 8 年因卫星故障全年缺测。分辨率为2 5 。 2 5 。：以及n o a ac d c 提供的全球0 l r 长年日平均资料( o l r d a y 1 t m n c ) ，时间长 度为1 月1 日至1 2 月3 1 日( 共3 6 5 天) ，分辨率为2 5 。2 5 。 本文所用降水资料为1 9 5 1 年至2 0 0 4 年( 共5 4 年) 我国7 4 3 个观测站点实 测日降水总量资料，以及此测站资料经客观分析后产生的我国各年4 9 月( 1 8 3 天) 的日降水总量格点场资料，分辨率为3 0 k m 格点资料由项目组提供。 3 2 研究方法 从前期研究中已确定的近5 0 余年发生在长江流域的连续性暴雨过程中选取 一批典型个例作为正例，并对所选正例按雨带位置分型。同时为了更好地揭示正 例的特性和前期规律，按一定标准选择和正例数目相当的反例作为比照，所选反 例的降水特征和正例相反( 无降水或降水量小且分散等) ，所处年代、月份和正 例相当。定义过程特征参数，简明量化所选个例的强度。 在气象要素中，由于各要素的单位不一样，平均值及标准差亦有所不同。为 使它们能在同一水平上进行比较，常使用标准化的方法，使它们变成同一个水平 的无单位的变量，这种变量就称为标准化变量。对单要素x ( 变量) 样本容量为 n 的资料，公式( 1 ) 为标准化变量的表达式： x n = = x i - - x = ： s 一 鼍一x ( 1 ) 式中工为x i ( i _ l ，2 n ) 的平均值，s 为标准差。 对o l r 场进行标准化处理，得到o l r 逐日无量纲场，简称为标准化o l r 场。标准化变量场为距平场除以标准差，能够表示距平场所反映的要素异常信息。 截取个例发生前的标准化o l r 场，以普查连续性暴雨过程反映在o l r 要素 场上异常区域及时段。中期预报的时限通常认为是7 1 4 天，但由于影响长江流 域连续性暴雨过程的物理因素非常复杂，对此的认识很有限，因此在普查过程中 浙江大学硕士学位论文 长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 时，将普查时间段适当地向两侧延伸至过程前1 3 0 天( 过程起始日记为0 ，而后 向前算为- l ，- 2 , - - - , - 3 0 日) 。 用个例前期( 前3 0 天) 标准化o l r 逐日场和相应的过程面雨量求滞后相关 以考查过程发生之前与过程降水密切相关的区域与时段。公式( 2 ) 为相关系数 的表达式： 2 窆( 一五) ( 勃一；) ( 2 ) 式中为序列k 和序列l ( 样本容量均为n ) 问的相关系数，瓢和新分别是两个 序列的均值，o l r u l 1 在对相关系数的统计检验中，长期以来用到的主要是t 检验方法，然而此方 法需在变量服从正态分布条件下使用，而极端降水事件的分布一般不满足正态 性。此外，当我们将一个气象要素序列与成千上万个与气象毫不相干的数据序列 求相关时，肯定能找出“高相关”，并且能通过相关系数t 检验的标准，但这并 不表示两个变量问存在相关。如何防止或检测这种虚假的高相关昵? 蒙特卡洛 ( m o n t ec a r l o ) 检验为我们提供了在不需要进行正态总体检验的条件下对相关分 析“去伪存真”的方法。蒙特卡洛方法是用随机数序列与x 变量序列求相关，长 度为n 的随机数序列由机器程序大量产生( 如1 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 次) 。加入计算了1 0 0 0 个模拟的相关系数，则将1 0 0 0 各模拟相关系数的绝对值从大到小排序，最大的 序号为l 。称序号为2 、1 1 、5 1 的模拟相关系数为r o 咖、r o o l 、r o o s 。当实际计算 的与变量x 的相关系数的绝对值大于上述模拟值，才能认为有相关关系存在( 信 度分别为0 0 0 1 、0 0 1 、0 0 5 ) 。当计算结果达不到上述标准时，变量间的相关不 可靠，很可能是随机的。经试验，模拟1 0 0 0 次以上所得的l 临界相关系数已足够 精确( 施能等，1 9 9 7 ) 。对前期标准化o l r 逐日场进行信度为o 0 5 的蒙特卡洛 试验，并将结果与滞后相关结果进行比较，以得到经蒙特卡洛试验检验的可靠的 滞后相关分析结果。 在连续性暴雨过程酝酿形成过程中，势必会受到源自不同区域、乃至全球的 影响，而这种影响的实质就是过程的前期信号。根据本文的研究内容，前期信号 本身就体现为某关键区域某关键时段内0 l r 的异常，将这种对后期过程的发生和 维持影响最大的前期敏感区域及时段称为连续性暴雨过程前期o l r 关键信号， 下文中简称为信号。 对相应的前期标准化o l r 场进行相关分析和合成分析，从而对与连续性暴 雨过程密切相关的前期o l r 异常的时空变化特征进行普查，以确定对后期过程 p 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 的发生和维持影响最大的前期敏感区域的时空分布，按一定的强度、持续时间、 范围、稳定性等标准初步确定可能的o l r 信号源，并采用多种时空剖面对关键 影响区进行特征分析。 连续性暴雨过程处于酝酿阶段时所反映出来的信号对过程的影响应该是较 明显的，因此在初步选定关键信号的基础上，将信号逐个与过程总雨量场求相关， 并对相关结果进行蒙特卡洛试验检验，以考查相关性是否显著，以及相关区域与 雨带位置是否吻合等情况。舍去相关结果较差的信号，最终确定过程的中期信号 源。并对选定的关键信号进行时空特征分析。 对确定的关键信号进行验证，用到的统计方法主要为多元回归分析。回归分 析是研究一个或几个变量的变动对另一个变量的变动影响程度的方法，找出因变 量与解释变量问的关系式，用解释变量的已知值去推测因变量的值或范围。将关 键信号作为解释变量，对过程降水量进行回归拟合，从一个侧面对所提取信号的 可靠性进行验证，并分析不同时段信号影响过程降水的程度。 浙江大学硕士学位论文长江流域连续性暴雨过程与前期o l r 场的相关分析 第四章分析与计算 4 1 个倒的选取与特征参数的计算 4 1 1 正个例的选取 从前阶段研究成果分析，连续性暴雨过程仅按发生频率看，最为频发的区 域为江南和东南沿海地区；从强过程发生的百分比看，最易导致强洪涝灾害的地 区为江淮流域和长江沿江地区，多数强过程都发生于此。表1 为各区较强过程频 数的统计表，表中w 、w e 、e 分别表示连续性暴雨过程西风带、东西风结合、 东风带的环流背景。 表1我国各分区较强过程发生频数统计 过程分类 东北 华麓 淮河流域 扛淮瘴域 沿缸 扛育 东南沿海 西南 小计 总计 特蓉过程 w e o l o o 0 1 0