（气象学专业论文）1998年南海地区降水的诊断分析和数值模拟研究.pdf

1 9 9 8 年南海地区降水的诊断分析和 数值模拟研究 专业。 硕士生： 指导教师： 气象学 李国丽 王安宇教授 摘要 用n c e p ，n c a r 等资料我们对1 9 9 8 年南海地区的降水进行了诊断分析和数 值模拟研究，结果发现； ( 1 ) 南海地区的降水按年可分为四个阶段：第一阶段的降水主要是由源于 南亚的西南气流和西太平洋副热带高压西南侧的东南气流辐合产生的降水：第二 阶段的降水主要是由从我国大陆东部南下的冷空气和上述两支西南与东南气流 汇合产生的降水造成的，这个时段也是南海降水的最强时段：第三阶段的降水是 在夏季风结束以后副热带高压链合拢之后，高压南部的偏北风与源于南半球的偏 南风汇合产生的降水，在1 9 9 8 年这个阶段的降水比第一阶段降水还要大一些i 第四阶段的降水非常少，候平均每日降水量均在6 m m 以下，我们称之为弱降水 期。 总的来看，南海地区气温年较差很小，所以也像越南一样可分为雨季和旱季， 很显然雨季要比旱季长得多。就1 9 9 8 年度而言，南海的降水期为4 9 候左右，而 弱降水期仅为2 0 候左右。 1 9 9 8 年南海第一阶段夏季风降水有明显的3 0 6 0 天的振荡现象，而第三阶 段的降水则主要由1 0 2 0 天的振荡周期所控制。 对第一阶段夏季风降水的3 0 6 0 天振荡的分析表明，海温和季风对它的影 响都不明显，而对它影响比较大的是西太平洋副热带高压。西太平洋副热带高压 有明显的东西振荡现象，南海第一阶段夏季风降水的m j o 实际上受制于西太平 洋副热带高压，降水的大小与西太平洋副热带高压和南海的相对位置密切相关。 ( 2 ) 利用m m 5 模式，我们进行了南海周边地形对第一阶段夏季风降水影响 的数值试验。模式进行一个月以上的数值模拟，模式对于南海的降水和环流形势 都模拟的很好。数值试验的结果分析表明南海周边地形对南海的降水有相当明显 的影响，这个影响就是如果没有南海周边地形，南海第一阶段夏季风降水就会减 少。 关键词：南海降水m j o 南海夏季风西太平洋副热带高压数值模拟 i i a d i a g n o s t i ca n dn u m e r i c a ls t u d yo fr a i n f a l li nt h e s o u t hc h i n as e ad u r i n g19 9 8 m a j o r ：m e t e o r o l o g y n a m e ：l ig u o l i s u p e r v i s o r ：w a n ga n y u a b s t r a c t b a s e do nt h en c e p ，n c a rr e a n a l y s i sd a t a w eh a v ec o n d u c t e dad i a g n o s t i ca n d n u m e r i c a is t u d yo ft h es o u t hc h i n as e a ( s c s ) r a i n f a l li n1 9 9 8 t h er e s u l t sa r ea s f o l l o w s ： f 1 ) t h es c sr a i n f a l ic a nb ed i v i d e di n t of o u rp h a s e s ：f o rt h ef i r s tp h a s eo ft h e s c sr a i n f a l l ，t h er a i n f a l ll sf o r m e db yt h ec o n v e r g e n c eo ft h es o u t h w e s t ( s w ) a i r f l o w c o m i n gf r o mt h es o u t ha s i a na n dt h es o u t h e a s t ( s e ) a i r f l o wc o m i n gf r o mt h e s o u t h w e s t e r nf l a n ko ft h ew e s t e r nn o r t hp a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ( w n p s h ) f o rt h e s e c o n dp h a s eo ft h es c sr a i n f a l l t h er a i n f a ui sf o r m e db yt h ec o n v e r g e n c eo fc o l da i r c o m i n gf r o me a s t e mc h i n am a i n l a n da n dt h ea b o v es t a t e dt w oa i r f l o w s w h i c hi st h e r a i n yp e r i o di ns c s f o rt h et h i r dp h a s eo ft h es c sr a i n f a l l t h er a i n f a l ii sf o r m e db y t h ec o n v e 瞪e n c eo ft h en o r t h e r l yf l o wo ft h ew n p s ha n dt h es o u t h e r l yf l o wf r o mt h e s o u t hh e m i s p h e r ea f t e rt h ew n p s hc o m b i n a t i o nw h e nt h es c ss u n l n l e rm o n s o o n f i n i s h e d t h er a i n f a l li nt h et h i r dp h a s ei sm o r et h a nt h a ti nt h ef i r s tp h a s eo ft h es c s r a i n f a l li n1 9 9 8 f o rt h ef o u r t hp h a s eo ft h es c sr a i n f a l l t h er a i n f a l l i si nt h ed r o u g h t p e r i o d i nt h i st i m et h ed a i l yr a i n f a l io ft h es c si sl e s st h a n6m m i ng e n e r a ls p e a k i n g ，t h ea n n u a lr a n g eo ft e m p e r a t u r ei ss m a l li ns c ss ot h e c l i m a t es e a s o ni ns c sm a yb ed i v i d e db yt h er a i ns e a s o na n dt h ed r o u g h ts e a s o n ni s o b v i o u st h a tt h ep e r i o do ft h er a i ns e a s o ni sl o n g e rt h a nt h ed r o u g h ts e a s o n t h e p e r i o do ft h er a i ns e a s o ni sa b o u t4 9p e n t a d s w h i l et h ep e r i o do ft h ed r o u g h ts e a s o ni s i u s ta b o u t2 0p e n t a d si n1 9 9 8 t h es c ss u m m e rm o n s o o nr a i n f a l li nt h ef i r s tp h a s eh a st h eo b v i o u s3 0 6 0d a y o s c i l l a t i o np h e n o m e n o n ，w h i c hi sa l s on a m e dt h em a d d e n j u l i a n0 s c i l l a t i o n ( m j o ) h o w e v e rt h er a i n f a l i i nt h et h i r dp h a s ei s m a i n l yc o n t r o l l e db yt h e 1 0 2 0d a y o s c i l l a t i o ni n1 9 9 8 b ya n a l y z i n gt h em a i nf a c t o rt h a tf o r m st h es c ss u m m e rm o n s o o nr a i n f a l l s 3 0 6 0d a yo s c i l l a t i o n ，w ef o u n do u tt h a tt h em a i nf a c t o rf o r m i n gt h es c ss u m m e r i i i m o n s o o nr a i n f a l l s3 0 6 0d a yo s c i l l a t i o ni sn o ts s to rt h es c ss u m m e rm o n s o o nb u t t h ew n p s h t h ew n p s hh a st h eo b v i o u s3 0 6 0d a yo s c i l l a t i o np h e n o m e n o n t h e m j oo ft h es c ss t l m n l e rm o n s o o nr a i n f a l ii nt h ef i r s tp h a s ei sc o n t r o l l e db yt h e w n p s h t h er a i n f a l li sc o n s i s t e n tw i t ht h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h ew n p s ha n dt h e s c s ( 2 ) w i t ht h ef i f mp s u n c a rm e s o s c a l em o d e i ( m m 5 ) ，w eh a v ec o n d u c t e da n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei m p a c to ft h et e r r a i no ft h es c sn e i g h b o u rr e g i o n so at h e s c ss u m m e rm o n s o o nr a i n f a i ii nt h ef i r s tp h a s ef o ram o n t ha n dm o r e a n dt h es t r e a m s i t u a t i o nd o n ew e l l t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p a c to ft h et e r r a i no ft h es c s n e i g h b o u rr e g i o n so nt h es c ss u m m e rm o n s o o nr a i n f a l li ss i g n i f i c a n t ，t h a ti s t o s a y t h es c ss u m l l l e rm o n s o o nr a i n f a i ii nt h ef i r s tp h a s ew i l lr e d u c ew h e nt h e r ei sn o t h et e r r a i no ft h es c sn e i g h b o u rr er 西o n s ， k e yw o r d s ：r a i n f a l li nt h es o u t hc h i n as e a ，m j o ，t h es c ss u m m e rm o n s o o n ， w n p s h n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 第1 章引言 i 1 研究的目的和意义 第1 章引言 南海地处赤道附近、东亚大陆的南端、印度洋的东部和西太平洋的西部，由 于其特殊的地理位置，南海区域不但是连接印度洋与太平洋的海域，而且是中一 低纬大气相互作用、海气相互作用、南北半球大气相互作用的关键海区 1 2 1 。 南海地区是我国东部降水的主要源地之一口4 】。图i - 1 是亚澳季风区水汽收 支图，从图上可以看出，我国东部地区水汽的相当一部分来源于南海地区，在夏 季南海地区是南亚最大的水汽源区。但是南海地区大气的年际变化和季节内变化 都十分大，图l 一2 是亚澳季风区8 5 0 h p a 的相对涡度e o f 主分量的年际变化和季 节内变化图，从图上可以看出，南海地区是年际变化和季节内变化的最大地区。 图i l 亚澳季风区水汽收支( v i c t o r 和w e b s t e r 1 9 9 8 ) 第1 章引言 图1 2 根据欧洲中心资料计算的亚澳季风区8 5 0 h p a 的相对涡度e o f 末分量 ( a ) 年际变化( b ) 季节内变化( w e b s t e r 等1 9 9 8 ) 从这两张图上不难看出，研究南海地区的降水对我国降水的长期预报和夏季 风机理的深入探讨都是非常重要的，但是南海地区大气环流的年际变化和季节内 变化都比较显著，所以研究南海地区的降水最好从某一年着手，本论文我们选择 了1 9 9 8 年。 我们之所以选择1 9 9 8 年其原因主要有四点，第一由于如上所述南海地区对 第1 章引言 气象来讲是一个非常重要的地区，但南海地区主要是海洋，资料非常匮乏，为此 从1 9 9 6 2 0 0 3 年我国将南海季风试验列为攀登项目，邀请了许多著名的外国气 象科学家参加南海季风试验。在南海季风试验中，1 9 9 8 年在南海进行了大型的 观测试验设置了许多观察试验点，增加了许多观察项目。许多气象学家利用 1 9 9 8 年的观测资料对南海的季风和降水进行了仔细的研究 5 - 1 6 1 从有关南海的气 象研究论文来看，多数是针对1 9 9 8 年的，尤其是关于1 9 9 8 年季风爆发的论文几 乎占了总数的一半。我们对1 9 9 8 年南海地区降水进行研究可以参看很多其他气 象学家的工作结果，对我们的研究十分有利。 第二将1 9 9 8 年南海降水的年变化与1 9 7 9 - - 2 0 0 2 年南海降水的平均年变化进 行比较后发现两者趋势十分相像，因此对1 9 9 8 年南海降水进行研究，可以认为 是有代表性的。图l 一3 是1 9 9 8 年和1 9 7 9 - - 2 0 0 2 年多年平均的南海地区降水的年 变化图，从图上可以看出，虽然1 9 9 8 年的降水量与1 9 7 9 - - 2 0 0 2 年平均的降水量 在量值上有所差异，但两者趋势十分相像，尤其是在第2 5 候( 5 月1 日一5 月5 日) 一第4 9 候( 8 月2 9 日一9 月2 日) 的夏季风期间，两者都出现了3 次峰值和 3 次低谷，而且出现的时间非常相近，当然两者也有不一致的地方，就是在1 2 月的i t c z 降水期间，多年平均降水是个低谷，而1 9 9 8 年是个高峰。 第三是1 9 9 8 年在我国长江流域发生了严重的洪涝，因此在研究1 9 9 8 年南海 降水之后。分析1 9 9 8 年南海降水与我国长江流域洪涝的关系对国民经济来说是 一项很有意义的研究工作。 第四是从我们研究所用的几种降水资料来看1 9 9 8 年是比较一致的。图1 4 是分别用n c e p n c a r ( 美国国家环境预报中心与美国国家大气研究中心) 【”1 、c m a p ( 气候预测中心合成分析的降水) 1 8 - 1 9 1 、g p c p ( 全球降水气候计划) 2 0 1 和t p d n i ( 热带降雨观测者) 2 1 2 4 1 的降水资料计算的1 9 9 8 年南海地区降水的年变化图， 从图上可以看到虽然g p c p 计算的降水略大一些，但四者计算结果的趋势是非常 一致的，尤其是n c e p n c a r 、c m a p 和t r m m 三者的结果几乎是一样的。资料结果 相同是一项研究工作的重要基础，因为资料的差别很大就很难对研究结果进行认 定。 第1 章引言 图1 31 9 9 8 年和1 9 7 9 - - 2 0 0 2 年多年平均的南海地区侯平均降水( c m a p ) 的年变化 图l - 41 9 9 8 年n c e p , r n c a r 、t r m m 、g p c p 和c m a p 候平均降水资料 在南海地区的对比分析 第1 章引言 1 2 国内外研究的现状 国内外气象学家写了很多研究1 9 9 8 年南海季风及降水的文章，其中比较多 的是研究南海季风的文章，研究南海降水的文章相对少一些2 6 1 下面我们介绍 的主要是与我们研究内容有关的一些结果，限于篇幅。其他的我们就不再作介绍 7 j o 冯瑞权等对1 9 5 8 1 9 9 7 年南海夏季风的气候特征和年代际变化进行了详细 的分析和研耕2 7 】，他们发现南海地区的降水有很明显的年代际变化。图l 一5 是 南海地区1 9 5 1 - - 2 0 0 0 年6 8 月标准化的降水的年际变化图，从图上可以看出总 的结果是1 9 7 8 年以前降水偏少，1 9 7 8 年以后降水偏多。但是1 9 9 8 年却是1 9 7 8 年后的反例，降水偏少。此外冯瑞权等还发现南海地区的降水和对流一般是一致 的，但并不是总是一致的，比如1 9 9 7 年标准化的o l r 指数为很大的负距平值， 而降水为很大的正距平值，这也就是说就一般年份而言o l r 指数和降水指数是一 致的，但1 9 9 7 年却正好相反( 详见冯瑞全博士论文) 。 图1 5 南海地区1 9 5 i 一2 0 0 0 年6 - 8 月标准化的降水的年际变化 第1 章引言 就1 9 9 8 年6 7 月而言，o l r 指数和南海夏季风的变化是比较一致的，陈 仲良等 3 0 j 在研究1 9 9 8 年南海夏季风时就选用o l r 指数作为季风指数来讨论南 海地区夏季风的发展过程。他们发现南海夏季风有明显的3 0 6 0 天振荡和1 0 b 2 0 天的振荡，图1 - 6 是陈仲良等人用o l r 指数所作的南海季风低频振荡图，他 们认为南海地区3 0 6 0 天振荡和1 0 2 0 天的振荡有明显的差别，1 9 9 8 年南海 夏季风的季节内变化主要受向北传播的3 0 6 0 天低频振荡的控制，但同时受到 向西传播的1 0 2 0 天低频振荡的调节。 c h e nt - c 等 3 1 - 3 2 1 也对南海地区夏季风期的3 0 6 0 天和1 2 2 4 天的低频振 荡进行过分析，不过他们分析的是1 9 7 9 年的5 - - 8 月，而且他们不是用o l r 而 是用季风槽来分析季风的低频振荡，1 9 7 9 年季风的活动情况好像与1 9 9 8 年很不 一样，他们认为3 0 6 0 天的振荡是向东传播的，而1 2 2 4 天的低频振荡在菲律 宾以东的西太平洋向西北传播的。当底层3 0 6 0 天季风槽和底层1 2 2 4 天的闭 合低压在南海的北部相遇时，南海夏季风爆发：当底层3 0 6 0 天季风脊和底层 1 2 2 4 天的闭合高压同时到达南海的北部时，南海夏季风中断。 江静、钱永甫口3 1 利用1 9 7 9 1 9 9 5 年1 7 a 逐句的n c e p 再分析资料对南海地 区降水的时空特征进行了分析，指出：南海雨带在季风爆发后主要发生在l o 。n 以北的区域( 1 0 2 0 。n ) ，其雨季是突发性的，雨季内降水起伏较大。 第l 章引言 图1 - 6 ( a ) 1 9 9 8 年南海地区( 1 1 0 - 1 2 0 e ，5 - 2 0 n ) o l r 距平图( 单位：w m 2 ) 实线表示 未滤波线的o l r 距平，长虚线表示3 0 6 0 天振荡短虚线表示1 0 2 0 7 , 天振荡，点线表示6 0 9 0 天振荡( b ) o l r 的小波分析图( 陈仲良等，2 0 0 2 ) 7 第1 章引言 王斌等【1 用1 9 7 5 1 9 9 2 年的1 7 年资料对南海夏季风进行过分析，他们认为 南海季风的建立是比较突然的。而南海夏季风的撤退则不像建立那么突然，相对 来说比较缓慢，是逐渐由北向南撤退的。图l 一7 是王斌等人所制作的南海季风季 节内变化简图，从图上可以看出南海季风的撤退是要比建立平缓的多。 王斌等还对南海地区夏季风雨区的分布进行过分析，他们认为南海地区雨区 的分布有明显的东西向差异，总的来说中南半岛的东海岸是少雨区。 z 1 口_ o a 图l 7 沿1 1 0 e 月平均的地面风、海面温度( s s t ) 、高反射率云的出现频率( b l r c ) 的气候 值。h r c 和s s t 的单位分别是d a y m o n t h 和。c ( 王斌等，2 0 0 2 ) 第1 章日i 言 刘家铭等 3 5 1 对1 9 9 8 年5 - - 6 月南海夏季风的大尺度环流形式、云结构和区 域水汽收支循环进行了研究，该文对南海夏季风的建立、活跃和中断的定义主要 是考虑大尺度环流和降水，利用t r m mp r 测雨雷达资料分析了在南海夏季风活 动的不同阶段( 建立前、建立、活跃、非活跃) 云垂直分布的不同。在南海夏季 风建立和活跃阶段，南海地区是一个很强的水汽汇在这个阶段南海降水是很丰 富的；在南海夏季风中断阶段水汽收支的情况就变得和活跃期很不一样，这时南 海的北部就变成了一个水汽源，这个水汽源与1 9 9 8 年长江流域的梅雨有很密切 的关系。 丁一汇和刘艳菊 3 6 】对1 9 9 8 年南海夏季风的发展过程进行过分析，他们认为 南海季风的建立北部要比南部早1 候，在北部是第2 8 候( 5 月1 6 日一5 月2 0 日) 。而南部是第2 9 候( 5 月2 1 日一5 月2 5 日) 。他们认为南海季风的发展主要 受印度洋季风的影响，它的北进和加强都受控于印度洋赤道气流。 1 3 本论文研究的主要内容 我们认为国内外气象学者对南海降水的研究主要集中在南海的季风期，没有 见到对整个南海降水的系统分析，所以本研究工作一个重要的内容就是从1 9 9 8 年入手，对南海全年的降水进行比较仔细的研究，并对南海降水的几个阶段进行 比较合理的划分。此外从国内外气象学家的研究结果来看南海季风和降水有明 显的3 0 6 0 天的低频振荡现象，我们想对此现象作比较深入的研究一是研究 1 9 9 8 年南海降水有没有3 0 6 0 天的振荡现象，二是探讨发生3 0 6 0 天周期振 荡的原因。 此外，我们还想作一些数值试验，研究南海周边的地形对南海降水过程发展 的影响。 第2 章资料和计算方法 2 1 资料 第2 章资料和计算方法 在诊断分析工作中，本文所用的资料共有如下几种，模式试验的资料将在数 值试验的部分第5 章介绍。 ( 1 ) n c e p n c a r 的每日再分析资料( 1 9 5 l - 2 0 0 0 年) ，其中高空资料为水平 纬向风u 、径向风v 、温度t 、比湿q 、位势高度h 和垂直速度。u 、v 、t 、h 在垂直方向有1 7 层( 1 0 0 0 9 2 5 ，8 5 0 ，7 0 0 ，6 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 1 5 0 ，1 0 0 7 0 ，5 0 ，3 0 ，2 0 ，l o h p a ) ，有1 2 层( 1 0 0 0 l o o h p a ) 。q 有8 层( 1 0 0 0 3 0 0 h p a ) ，水平分辨率2 5 。x2 5 。( 1 4 4x 7 3 ) ，范围( 9 0 n 9 0 s ，o e 一3 5 7 5 e ) ：向外 长波辐射资科( o l r ) 为t 6 2g a u s s i a n 格点( 1 9 2 x 9 4 ) ，范围( 8 8 5 4 2 n 一8 8 5 4 2 s ， o e 3 5 8 1 2 5 e ) 。降水资料为t 6 2g a u s s i a n 格点( 1 9 2x 9 4 ) ，范固( o e 3 5 8 1 2 5 e 。 8 8 5 4 2 s 8 8 5 4 2 n ) 。如无其他说明，文中的降水资料采用的是n c e p n c a r 的降 水资料。 这里需要指出的是我们研究工作所使用的n c e p n c a r 的o l r 资料和降水 资料是属于n c e p n c a r 资料中的c 类资料，它基本上是模式的产品，观测资 料对他们无直接的影响，因此模式及模式的物理过程的参数化逼真度直接影响这 类产品的可靠性。 ( 2 ) 为了进行降水的对比分析，我们的降水资料还用了t r m m 、g p c p 、c m a p 的降水资料，下面对这几种降水资料进行简单的介绍 ( a ) 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 ) 热带降雨卫星3 8 4 2 每日降水 资料( 1 9 9 8 - 1 9 9 9 ) ，水平分辨率l 。xlo ，范围( 1 8 0 0 1 8 0 0 e ，一4 0 0 4 0 o n ) 。 下面对t r m m 资料进行简单的介绍。 t r m m 是美国n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c a la n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 和日本 n a s d a ( n a t i o n a ls p a c ed e v e l o p m e n ta g e n c y ) 共同研制，于1 9 9 7 年1 1 月2 7 目 联合发射的，用于量化测量热带降雨的空间卫星计划，目的是更多的了解热带降 第2 章资料和计算方法 雨对全球气候系统的影响，它的微波成像仪( t m i ) 对对流性强降水有较好的测 雨能力。自成功发射以来，它为气象工作者提供了大量热带海洋降水、云中液态 水的含量、潜热释放等气象数据。 t r m m 共有5 层产品资料，他们分别代表经过不同处理的资料：第0 层， 以时间为序并且有质量控制的原始卫星数据：第l 层，标定后的v 1 r s 反射率 亮温。t m i 的亮温，p r 的回波功率和反射率数据，它们的分辨率等于观测仪器 的像素点的大小；第2 层，用第1 层数据计算出大气状况数据( 如：降水、云中 液态水的含量、潜热释放等) 它具有与第l 层数据相同的分辨率；第3 层，经 过空间和时间平均后得到的格点形式的气象数据：第4 层，资料分析产品和 t r m m 资料与其它探测资料联合反演得到的数据产品。本论文用到它的三级产 品3 8 4 2 降水资料。 ( b ) g p c p ( g l o b a l p r e c i p t a t i o nc l i m a t o l o g yp r o j e c t ) 全球候平均降水资料 ( 1 9 9 8 1 9 9 9 ) ，资料水平分辨率2 5 。x2 5 。( 1 4 4x 7 2 ) ，范围( 1 2 5 3 5 7 5 e ，8 7 5 8 7 5 n ) 。 ( c ) c m a p ( c p cm e r g e da n a l y s i so fp r e c i p t a t i o n ) 全球候平均降水( 1 9 7 9 2 0 0 2 ) ， 该降水资料结合观测的站点资料、卫星反演降水资料以及n c e p n c a r 再分析 降水率资料，水平分辨率2 5 。x2 5 。( 1 4 4x 7 2 ) 范围( 1 2 5 3 5 7 5 e ，一8 7 5 n 8 7 5 n ) 。 ( 3 ) 海温资料为n o a a 的o i s s tv 2 的周平均海温资料( 1 9 9 8 ) ，水平分辨率 l 。xl 。，每曰海温资料由周平均海温资料线性差值形成，候的海温资料是由每天 的海温资料进行候平均形成的。 ( 4 ) g m s 一5 卫星云图 ( 5 ) 1 9 9 8 年每日地面、高空天气图和热带气旋年鉴等。 2 2 诊断分析的计算方法 本研究是与澳门地球物理暨气象局合作研究工作的一部份，为取得一致所以 本研究中所有的计算方法和冯瑞权等以前的研究工作是一致的。为此我们不在这 里进行详细的介绍，仅简单的介绍季风面积指数、o l r 面积指数和降水面积指 第2 章资料和计算方法 数的计算方法。 2 2 1 季风面积指数、o l r 面积指数和降水面积指数的计算方法 ( 1 ) 季风面积指数为南海地区满足西南风大于2 m s 和0 s e 大于3 3 5 k 的面 积百分比。 ( 2 ) o l r 面积指数为南海地区满足o l r 值小于2 3 5 w m 2 的面积百分比。 ( 3 ) 降水面积指数为南海地区满足候平均每日降水量大于6 r a m 的面积百 分比。 2 2 。2 小波分析方法简介 小波分析方法是种具有时频局部化功能的数学分析方法，通过伸缩和平移 对函数和信号进行多尺度分析，能有效地从中提取信息，特别适用于对非平稳时 间序列的分析。二十世纪九十年代以来，小波分析方法在大气科学中的应用目益 增多，并取得了许多研究成果。与传统的傅立叶分析方法相比，小波分析方法主 要有以下两大优点：( 1 ) 给出要素序列的瞬时振动频率随时间的变化情况。( 2 ) 可以看出不同频率之间的相互关系，反映出序列中不同时间尺度的振荡此消彼长 的变化。 由于气象资料本身的特点，目前在气象上常用的连续子波函数主要有m o r l e t 复子波。复子波的变化可同时给出资料序列变化的振幅和位相两方面的信息，更 适合用来分析序列的周期变化特征。因此，本文选取m o r l e t 小波来分析。其分 析函数的形式为： g ( t ) = e 1 e 一2 7 2 ( 2 1 ) 其中，t oo 为波数，一般取。o = 6 0 。 定义信号，( t ) 的小波变换为： w i ( a , b ) = ，( f ) 虬“f ) d t = 去 ，( 的矿( 学) d t ，n 。，6 r ( 2 2 ) 其中矿+ 是矿的复共轭，虬。：下1 矿( 三二堡) ，称为小波函数，a 为尺度参数，b 为 a “ 平移参数，叭( a , b ) 为小波变换系数。习惯上，我们要分析的不是小波变换的尺 第2 章资料和计算方法 度本身，而是其对应的傅立叶周期，需要将子波变换的尺度转变为傅立叶周期。 用m o r l e t 子波函数对资料序列进行小波变换时，尺度参数a 与傅立叶周期t 存 在一一对应的关系： 4 n n p 赤引0 3 q 旺。 即傅立叶周期和尺度参数近似相等，文中取，= l o x 2 0 ”，j = 0 i 2 ，1 9 ， 分析的周期范围为2 - 4 7 年。 利用p a r s e v a l 公式和傅立叶变换的相似性质，( 2 2 ) 式可变为： w r ( 啪) = 尝，( 喇v ( 砌 ( 2 4 ) 其中，( 叫和矿叻分别为f ( t ) 1 1 矿+ ( t - b ) 的傅立叶变换。同时可得到连续小波 变换的重构公式为： 邝) 2 瓦1 “w 小哪) 等 ( 2 _ 5 ) 其中c ，= 监篙匕m 、 ，一。 。j ? 、0 j 、?：j 。7 n t1 t 口f ，e 竹f 4 出4 0 、。| j ? 7 。 要- 曩? 2 、， i j 、 。t 打蠢i 。 u。 ，?j - 。j 痨 ， 图5 - 5 控制试验模拟的第3 4 - - 4 0 候8 5 0 h p a 西太平洋副热带高压1 5 2 0 位势米线逐侯变化图 5 2 第5 章南海周边地彤对南海夏季风降水影响的投值试验 芦e 件t 口出3 口日r m 0 5 j qi 、厂 t 7 秒 n i j 、 夕j ? j 翻： 划| 隆、v鹾 弋a - k 八m 寥 ， r ，n f p e n t a d 3 6 p e n t 4 出3 7 乒f |，tl 一1 y a 弋 _ 移 几( p 一 配卜i ) ：熊 tl 对吣 、v 熬 浮之瀵 ki 八劁 l n f fr ， p m t 口m 3 日 p e r v a d e , 3 9 “ c 。? ，、 穰留 好 留-。n ， 己 tj讨媳 警攥 r - l 、 o q 、( 一 。j ， 。蔓i f 一“、一 j 、一7 ? 、? ，。：- ，- ? f 5 t 。1 ：j， 、 卜 j 妖j 羹 j 、? 、 、二；一。爨 ? 茂。| 。l 二。 一，j 、 ，i ? ， 、j ，0 j ： 1 钟o 、 、t ? ，1 1 i ”r ，w p 耵t o d ：4 0 厂、q 4 1 5 1 0 一。 、一 ?。 t ， 、!、 0 ，? ，。誊羹 、? j、：。，? f r 一一， 图5 i o 敏感性试验模拟的第3 4 - - 4 0 候8 5 0 h p a 的1 5 2 0 位势米线的逐侯变化图 第5 章南海周边地形对南海夏季风降水影响的数值试验 i a v = 6 5 0 m bo e n t a d ：3 4 - l e v = 8 5 0 m bp e n t o d ：3 5 一l h q l l e v = 8 5 0r n bp e n t a d ：3 6 l e v 8 5 0 m bp e n t o d ：3 7 l 一l d o 一l _ w l e v = 8 5 0 m bp e n k a d3 bl a v = 8 5 0 m bp e n t a d ：3 9 l x1 1 z * i # l e v = 8 5 0 m bp e n t a d ：4 0 i i 1e i t “ 图5 - u 敏感性试验模拟的第3 4 4 0 候8 5 0 h p a 的的流场图 5 8 第5 章南海周边地搿对南海夏季风降水影响的数值试验 我们再看一下敏感性试验的降水模拟结果，图5 1 2 是敏感性试验、控制试 验和n c e p n c a r 的第3 4 4 0 候南海地区候平均每日降水的时间变化曲线图， 从图上可以清楚的看出，敏感性试验降水的计算结果其趋势和控制试验的计算结 果十分相似，但是降水强度要偏小得多。图5 1 3 为控制试验与敏感性试验的流 场、涡度场以及风速的差值图，由图中可以看出，在南海对流层下层是个热低压， 这个热地压对于吸引来源于南亚的西南气流起了很大的作用，当这个低压不存在 时源于南亚的西南气流会减弱不少其结果是引起西太平洋副热带高压的向西合 拢和南海降水的减少。 降水的减少对于其m j o 的振荡影响并不大，图5 1 4 的虚线矩形框内分别是 敏感性试验、控制试验模拟的降水小波分析图，可以看出两者十分相似将此图 与图3 3 相比较，也就是与n c e p ，n c a r 的降水资料比较也是很一致的。 总的来说，南海地区周边地形对南海地区第一阶段降水的影响主要是减弱了 源于南亚的西南气流，使得西太平洋副热带高压位置偏西和南海地区夏季风第一 阶段的降水有所减少，但这对南海降水的m j o 影响不大。 第5 章南海周边地形对南海夏季风降水影响的数值试验 图5 1 2 敏感性试验、控制试验和n c e p n c a r 的第3 4 - - 4 0 候降水的时间变化曲线图 图5 - 1 3 控制试验与敏感性试验模拟的第3 4 4 0 候平均的8 5 0 h f a 流场、涡度场和风速的 差值图( 阴影部分为正涡度区，长虚线为风速) 6 0 第5 章南海周边地形对南海夏季风降水影响的数值试验 ( a ) ( b ) 图5 一1 4 模拟的降水3 0 6 0 天振荡( 虚线矩形框内为模拟时段的降水) ( a ) 控制试验( b ) 敏感性试验 6 i 第6 章结论和讨论 6 1 结论 第6 章结论和讨论 我们的研究发现，从1 9 9 8 年看南海地区的降水可分为四个阶段：第一阶段 的降水是从夏季风爆发的第2 8 候开始至第4 8 候，维持时间为2 l 候，这一阶段 南海的降水主要是由源于南亚的西南气流和西太平洋副热带高压西南侧的东南 气流辐合产生的降水。第二阶段的降水是从第4 9 候开始至第5 3 候，维持时间为 5 候，这一阶段南海的降水主要是从我国大陆东部南下的冷空气和上述两支西南 与东南气流汇合产生的降水，由于这个时段降水是冷、暖空气的汇合造成的，所 以这个时段也是南海降水的最强时段。第三阶段的降水是在夏季风结束以后副热 带高压链合拢之后，高压南部的偏北风与源于南半球的偏南风汇合产生的降水， 在1 9 9 8 年这个阶段的降水比第一阶段降水还要大一些，1 9 9 8 年这个阶段的降水 是从1 9 9 8 年第5 4 候开始至次年第3 候，维持时间为2 3 候。南海降水的第四阶 段是从次年的第4 候至次年夏季风雨季开始( 第2 4 候) ，这个阶段降水非常少， 候平均每日降水量都在6 m m 以下，我们称之为弱降水期。 总的来看南海地区气温年较差很小，所以也像越南一样可分为雨季和旱季， 很显然雨季要比旱季长得多。就1 9 9 8 年度而言，南海的降水期为4 9 候左右，而 弱降水期仅为2 0 候左右。 1 9 9 8 年南海第一阶段夏季风降水有明显的3 0 6 0 天的振荡现象，而第三阶 段降水则主要为1 0 2 0 天的振荡周期所控制，降水相应o l r 的小波分析结果也 大致如此。 对第一阶段夏季风降水的3 0 6 0 天振荡的分析表明，海温和季风对它的影 响都并不明显，而对它影响比较大的是西太平洋副热带高压西太平洋副热带高 压有明显的东西振荡现象，我们对西太平洋副热带高压的东西振荡进行了小波分 析，小波分析的结果与第一阶段降水的3 0 6 0 天振荡非常一致，南海第一阶段 夏季风降水的m j o 实际上受制于西太平洋副热带高压，降水的大小与西太平洋 副热带高压和南海的相对位置密切相关。在西太平洋副热带高压西进入南海的时 6 2 第6 章结论和讨论 候，西南气流和副高西南侧的东南气流的辐合处往往就在南海地区，这时南海地 区的降水是比较多的，随着西太平洋副热带高压的东西振荡，西太平洋副热带高 压向东移，渐渐移出南海，南海的降水也就渐渐变少，随着西太平洋副热带高压 西移回归南海，南海的降水又逐渐增多。 我们还利用m m 5 模式进行了南海周边地形对南海夏季风降水第一阶段的影 响的数值试验，数值试验的结果表明m m 5 模式还是有能力进行一个月和以上的 数值模拟的，模式无论对于南海的降水和环流形势都模拟的很好，因此此项数值 试验为我们今后的数值试验打下了很好的基础。数值模式试验的结果分析由于时 间所限只进行了一部分，但已经说明南海周边地形对南海的降水有相当明显的影 响，这个影响就是如果没有南海周边地形，南海地区夏季风第一阶段的降水就会 减少。 6 2 讨论 需要进一步讨论的问题很多我们在这儿只简单的讨论以下三个问题： 一、寻找1 9 9 8 年南海夏季风第一阶段降水偏少而1 2 月份降水偏多的原因， 关于这一点可以从图1 3 看得很清楚。 二、分析为什么在1 9 9 8 年南海夏季风无论是降水、o l r 还是西太平洋副热 带高压的3 0 6 0 天东西振荡都比较明显和清楚。因为在其他年份并不都是如此， 图6 - l 是1 9 8 7 年和1 9 9 7 年南海地区降水的小波分析结果，从图上可以看出这两 年降水的m j o 是很不清楚的。 第6 章结论和讨论 ( a ) g r a d s ：c o l a i i g e s ( b ) 图6 - l 1 9 8 7 年和1 9 9 7 年南海地区夏季风期间降水面积指数的小波分析图 ( 横坐标单位：候纵坐标单位：天) 第6 章结论和讨论 三、在各种小波分析图上，我们都可以很清楚的看出无论是m j o 还是1 0 2 0 天的振荡都有随时间振荡周期逐渐加长和减慢的变化，今后我们想探讨以下 这究竟是什么原因造成的。 参考文献 参考文献 1 】t a n ，s ，a n dl c h e n ，1 9 8 7 ：ar e v i e wo fr e c e n tr e s e a r c ho nt h ee a s ta