（气象学专业论文）江南春雨气候特征及形成机制的研究.pdf

摘要 本文利用n c e p n c a r 再分析资料、o l r 资料、国家气象信息中心的降 水等资料，通过资料分析和数值模拟等方法，围绕江南春雨气候特征及形成机 制的主题，对江南春雨的一般气候特征、雨带建立早晚及江南春雨受西太平洋 副热带高压、青藏高原大地形和海陆热力差异的影响和作用机制等问题进行了 较为系统的研究。主要结论包括： ( 1 ) 江南春雨的一般气候特征表现为：在江南春雨期间，江南地区低空盛 行西南气流，该气流是青藏高原东南侧的西南绕流和西太平洋副热带高压西北 侧的西南气流汇合而成。来自西太平洋的西南水汽输送为江南地区提供充足的 水汽，并与副高北侧日本以南的强水汽输送带打通，在东亚副热带地区形成大范 围的西南东北走向雨带。 ( 2 ) 分析了多年合成的江南春雨雨带建立前后环流场，发现：在江南春雨 雨带建立前期到雨带建立，江南地区低空西南风逐渐由弱变强，西太平洋 中南半岛日本南部这一反气旋性水汽输送通道逐渐建立，西太平洋给江南 地区带来水汽逐渐增多，西太平洋副热带高压显著增强。 ( 3 ) 在江南春雨降水日开始偏早( 晚) 年，江南春雨期间低纬西太平洋地 区对流异常弱，西太平洋副高异常强，江南地区盛行强( 弱) 西南气流，西太 平洋带给江南地区的水汽较多( 少) ，有( 不) 利于江南春雨的建立。 ( 4 ) 利用美国夏威夷大学国际太平洋研究中心的区域气候模式 ( i p r c - r e g c m ) 研究了青藏高原大地形和海陆热力差异对江南春雨的影响。模 式较好地模拟了3 - - 4 月江南春雨雨带及低层大气环流特征，由于受高原绕流作 用产生的西南气流和西太平洋反气旋环流西北侧的西南气流的共同影响，形成 了江南春雨。去除青藏高原大地形后，高原绕流作用产生的西南气流消失，江 南春雨雨带强度明显减弱，但由于受到西太平洋反气旋西北侧西南气流的影响， 我国江南地区仍然维持一个较大的降水雨带。人为地减少了纬向海陆热力差异 或者推迟纬向海陆热力差异反转，会削弱西太平洋反气旋环流西北侧的西南气 流，引起江南春雨降水明显减少。以上模式模拟结果表明，我国江南春雨的形 成不仅与青藏高原大地形有关，而且与东西向海陆热力差异有关。 关键词：江南春雨，西南气流，高原大地形，海陆热力差异，数值模拟 a b s t r a c t b a s e do nt h ed a i l yd a t a s e t sf r o mt h en a t i o n a lc e n t e rf o re n v i r o n m e n t p r e d i c t i o na n dn a t i o n a lc e n t e rf o ra t m o s p h e r i cr e s e a r c h ( n c e p n c a r ) r e a n a l y s i s ， o u t g o i n gl o n g w a v er a d i a t i o n ( o l r ) d a t aa n dt h ed a i l yr a i n f a l lf r o mt h ec h i n e s e n a t i o n a lm e t e o r o l o g i c a li n f o r m a t i o nc e n t r e ，s u r r o u n d i n go nt h et h e m e so ft h e c l i m a t ec h a r a c t e r i s t i co fs p r i n gp e r s i s t e n tr a i n sa n di t sf o r m i n gm e c h a n i s m ，i t s c l i m a t ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ee f f e c t so ft i b e t a np l a t e a ua n dt h es u b t r o p i c a lh i g h r i d g ea n dt h es e a - l a n dt h e r m a lc o n t r a s to n i ta r ec l e a r l yi n v e s t i g a t e db yt h es y n o p t i c d i a g n o s i sa n dn u m e r i c a lm o d e l i n g m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b o t ht h e s o u t h w e s t f l o wg e n e r a t e db yp l a t e a ut o p o g r a p h ya n dt h e s o u t h w e s tf l o wi nt h en o r t h w e s ts i d eo ft h ew e s t e mp a c i f i ca n t i c y c l o n ec i r c u l a t i o n r e s u l ti nas t r o n gs t r e a mo f s o u t h w e s tf l o w ，w h i c hi sp r e v a i li nt h es o u t h e r nc h i n a t h es u f f i c i e n tw a t e rv a p o rf r o mw e s t e mp a c i f i ci sp r o v i d e df o rt h es o u t h e r nc h i n a ( 2 ) b a s e do nt h es y n o p t i cd i a g n o s i so ft h ec i r c u l a t i o n s b e f o r ea n da f t e r s p r i n gp e r s i s t e n tr a i n s ，i ti sf o u n dt h a tl o w l e v e ls o u t h w e s tw i n d i ns o u t h e r nr e g i o n s a n dw a t e r v a p o rf r o mw e s t e r n p a c i f i ca n dt h ew e s t e r np a c i f i c a n t i c y c l o n e c i r c u l a t i o na r ea l lg r a d u a l l yc h a n g e df r o mw e a kt os t r o n gi nt h ee a r l yd a y so fs p r i n g p e r s i s t e n tr a i n s ( 3 ) a sar e s u l to ft h a tt h es t r o n go rw e a kw e s tp a c i f i cs u b t r o p i c a lh i 曲r i d g e r e s u l ti ns t r o n go rw e a kp r e v a i l i n gs o u t h w e s tf l o wi nt h es o u t h e r nc h i n a ，a n dt h e l a r g eo rl i t t l ew a t e rv a p o ri sp r o v i d e db yw e s t e r np a c i f i c ，s p r i n gp e r s i s t e n tr a i n si s e a r l yo r l a t e ( 4 ) b a s e do nt h er e g i o n a lc l i m a t em o d e l ( i p r c r e g c m ) o f t h eu n i v e r s i t yo f h a w a i ia tt h ei n t e m a t i o n a lp a c i f i cr e s e a r c hc e n t e r ，as e r i e so f n u m e r i c a l e x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dt os t u d yt h ee f f e c t so ft i b e t a np l a t e a ua n dt h es e a - l a n d i i t h e r m a lc o n t r a s to ns p r i n gp e r s i s t e n tr a i n s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs p r i n gp e r s i s t e n t r a i n sa n dt h el o w l e v e la t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o ni nm a r c ha n da p r i lw e r ew e l l s i m u l a t e di nt h ec o n t r o le x p e r i m e n t b o t ht h es o u t h w e s tf l o wg e n e r a t e db yp l a t e a u t o p o g r a p h ya n dt h es o u t h w e s tf l o wi nt h en o r t h w e s ts i d eo f t h ew e s t e mp a c i f i c a n t i c y c l o n ec i r c u l a t i o nr e s u l ti nt h ew i d er a n g eo fp r e c i p i t a t i o ni nt h es o u t h e r n c h i n a ，s o c a l l e ds p r i n gp e r s i s t e n tr a i n s w h e nt i b e tp l a t e a uw a sr e m o v e di nt h e m o d e l ，t h es o u t h w e s t f l o wg e n e r a t e db yp l a t e a ud i s a p p e a r e d ，a n dt h ei n t e n s i t yo f s p r i n gp e r s i s t e n tr a i n ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d a sar e s u l to ft h es o u t h w e s t f l o wi n t h en o r t h w e s ts i d eo ft h ew e s t e r np a c i f i ca n t i - c y c l o n ec i r c u l a t i o n ，t h e r ew a ss o m e p r e c i p i t a t i o ni nt h es o u t h e mc h i n a w h e nc h a n g e dt h es e ae a s tt o11 0 0 eo f 2 0 0 n 3 5 0 nl a t i t u d ei n t ot h e1 a n d ，w h i c hr e d u c e dt h es e a - l a n dt h e r m a lc o n t r a s t ，t h e s i m u l a t e ds p r i n gp e r s i s t e n tr a i n sd e c r e a s e do b v i o u s l yi nt h em o d e l w h e nt h es e a s u r f a c et e m p e r a t u r ew a si na d v a n c eo f 61 d a y si na n o t h e re x p e r i m e n t ，w h i c h p o s t p o n e dt h es e a s o n a lt r a n s i t i o no ft h es e a - l a n dt h e r m a lc o n t r a s t ，t h ei n t e n s i t yo f s p r i n gp e r s i s t e n tr a i n sa l s or e d u c e dc l e a r l y a l lt h ea b o v es i m u l a t e dr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ef o r m a t i o no fs p r i n gp e r s i s t e n tr a i n sw a sn o to n l yc o n n e c t e dw i t h t h el a r g et o p o g r a p h yo ft h et i b e t a np l a t e a ub u ta l s ow i t ht h ez o n a ls e a - l a n dt h e r m a l c o n t r a s t k e y w o r d s ：s p r i n gp e r s i s t e n tr a i n s ，s o u t h w e s tf l o w ，t i b e t a np l a t e a u ，s e a - l a n d t h e r m a lc o n t r a s t , n u m e r i c a lm o d e l i n g i i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、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 了谢意。 、 作者签名：盘查歪 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 气 作者签名：盔立娶 日期： 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 东亚地区地处全球最显著的季风区，季风环流异常引起的干旱、洪涝，高温或冻害等 天气气候灾害一直影响着东哑地区人民的社会经济生活，降水带的时空分布和变化对农业 生产，能源消耗和水资源分布有极其重要的影响，而东亚地区大范围地区降水的开始结束， 空间分布以及引发旱涝灾害等在很大程度上受到东亚季风的爆发早晚、强弱和持续时间长 短的影响。同时，季风环流是全球大气环流的重要成员之一，季风环流的形成，维持和变 化对整个大气环流系统有重要影响。了解季风区降水的形成及变化是进行准确气候预测， 进而实现防灾减灾的重要科学依据，对国家的经济建设和社会发展尤为重要。因此，东亚 季风区的降水及变化特征一直以来是气象学者关注的问题之一。 中国南方( 长江以南) 广大地区春季容易发生连续阴雨天气，在这种天气影响下，低温 阴雨的范围大、持续时间长，可能会造成大范围烂秧，对棉花、玉米的播种和管理也极为不 利，还会影响交通、航运等。这是除了初夏出现在长江中下游的梅雨季节外又一个多雨时段。 目前对春季降水的详细研究较少，所以认识该地区春雨的特征和研究该地区春季雨带的成 因以及影响因子，对于提高气候预测水平，进而为防灾减灾提供科学决策依据具有十分重 要的理论意义及应用价值。 1 2 研究历史和现状 早在3 0 年代，竺可桢先生【u 就研究了东南季风与中国降水的可能关系。此后，我国的 气象工作者【2 - 5 1 对东亚夏季风的性质，进退，强度及其对中国旱涝的影响展开了大量的研究。 t a o 和c h e n l 6 1 系统地回顾并总结了季风的研究成果，指出亚洲地区存在两支季风环流系统， 即印度季风和东亚季风，其成员及影响范同均不一样，但这两个系统即紧密联系又相互独 立。东亚季风系统有明显的中低纬相互作用，受中高纬度的影响比较大，是热带季风和副 热带季风的复合体，其季风降水呈带状分布，逐步影响我国，日本，韩国及其周边地区。 东亚季风覆盖了热带、副热带地区，位于青藏高原的下游区，同时受到南北向和东西向海 陆热力对比的影响和青藏高原的动力作用，因此东亚季风系统是一个相当复杂的系统【7 1 。 近二十年来国内外学者对东亚季风及降水的环流特征、形成机制及影响因子等进行了全面 深入的研究，并取得了丰硕的成果。 1 2 1 东亚季风降水及环流研究 东亚季风是东亚大气环流一个重要的特征，也是控制中国大气气候变化的一个重要因 素。陈烈剧8 1 等以1 1 0 。e 为界，在1 1 0 。e 以东，4 、5 月主要雨带大致徘徊在长江以南至 秦岭之间，华南处在前汛期：6 月移至长江中下游，正是梅雨季节；7 月主要雨带北跳至黄 海流域，黄淮地区和东北平原进入雨季，长江中下游及其以南地区出现伏旱；8 月主要雨 带又撤同到华南最北端，此时华南处于后汛期；9 月主要雨带很快南撤，除长江下游和华 南外，整个东部雨季结束。朱乾根和何金海【9 】明确指出南海西太平洋洋的夏季风和中 国大陆日本的夏季风是东亚系统内两种不同性质的夏季风。前者位于西太平洋副热带 高压南侧和高空东风气流之下，属热带季风；后者位于西太平洋副热带高压北侧西风之下， 称东亚副热带季风。许多研究表明夏季风异常与东部旱涝密切相关2 】【9 1 ，林贤超和徐淑英【1 0 1 认为夏季风强的时期其主要特征是副高北抬西伸，西南气流的位置偏北：夏季风弱的时期副 高北抬西伸不显著，西南气流位置偏南。周曾奎【l l 】指出梅雨天气是东亚大气环流季节过渡 时期的产物，梅雨期的环流特征主要表现在：副高的北跳，西风气流的北撤和减弱，中高纬 西带波长的缩短，波数的增加以及东亚沿海大槽的北缩、西退等方面。 相对于有关南海夏季风环流及降水的研究，有关南海夏季风爆发前的春季雨带的研究 较少。李麦村等对春季连续阴雨的天气发生规律进行了广泛深入的研究，指出长江流域春 季连阴雨形成是一种超长波在长江流域活动的结果：东亚气流分支比较清楚，气流上的槽脊 位相不同甚至反相，这样南支向长江中下游输送的暖湿空气与北支输送的冷空气在长江中 下游得以交汇，形成切变线和准静l e 锋，从而形成阴雨。包澄澜发现，在逐日天气图上，当 春季多雨天气发生的时候，位于菲律宾群岛附近的高压西侧对流层中低层的西南风与东亚 2 大槽西部的西北风在长江中下游交汇，形成静止锋；吴宝俊等【1 4 】也对江南岭北侧春季连阴雨 的动力和热力特征分布进行了天气学个例分析。 1 2 2 东亚季风降水影响机制的研究 对季风及其降水的形成及影响机斜始终是季风研究领域的一个重要课题。d i n ga n d c h a n ”】对东亚夏季风的研究进行了总结和回顾。太平洋和印度洋海表面温度，欧大陆和 青藏高原的积雪，被认为是影响海陆热力对比变化的两个主要因子，也是影响东亚夏季风 活动的主要因子。海洋表面温度( s s t ) 对海陆水平温度梯度的分布起着重要作用，因而与 季风环流密切相关。观测事实和研究表明，东亚季风和e n s o 是相互作用的耦合系统【海2 2 1 。 w e b s t e r 和y a n g 16 1 认为东亚季风与e n s 0 的相互作用具有选择性。赤道中东部太平洋、热带 印度洋和西太平洋暖池的海表面温度的变化对东亚夏季风的爆发和强度变化都有显著影响 2 3 - 3 1 】。 青藏高原的动力和热力作用、以及青藏高原与南亚之间的海陆热力对比对东亚季风的 形成和变化具有独特作用【3 2 。9 1 。青藏高原的感热加热在东亚夏季风的爆发中有类似“空气 泵”的作用，是季风爆发的触发点1 4 叭。w ua n dq i a n 4 1 1 认为青藏高原冬季积雪是影响青藏 高原加热作用的重要因子，它对来年夏季长江中下游流域降水有显著影响。赵声蓉等认 为，高原上凝结潜热异常与华北地区汛期降水存在明显的负相关关系，即高原上空的潜热加 热增强，华北地区汛期降水偏少；反之，华北地区汛期降水偏多。李栋梁等4 3 1 的数值研究表 明，夏季青藏高原大面积感热异常偏强时，黄河流域降水偏多：反之，华北干旱。 1 2 3 海陆热力差异对东亚季风及降水的研究 一般认为，季风是大气对海陆热力差异季节变化的响应。海陆热力对比是形成季风环 流的主要原因( h a d l e y ，1 7 3 5 ) 。亚洲季风区是全球最为显著的季风区，这与亚洲南部地区 海陆交错分布，在其北部又有欧亚大陆和太平洋、大西洋分布以及青藏高原人地形的存在 有着密不可分的联系。印度季风的爆发是由于欧亚大陆和印度洋之间产生海陆热力差异激 3 发的【3 2 】1 4 4 1 4 5 1 ，这个观点已经得到共识。 海陆差异对东亚季风的影响研究也逐渐增多，研究内容主要通过数值试验分析海陆热 力差异对季风环流系统形成和维持的影响，和海陆热力差异对季风爆发的影响。何金海【4 6 】 指出东亚季风则主要由纬向和经向海陆热力差异形成。骆美霞和张可苏的数值试验证实 了南海西太平洋大气热源一澳大利亚热汇对东亚夏季季风环流的形成起了重要作用。钱永甫 等【4 8 】利用有限区域模式研究了高原大地形对东哑季风环流的影响，重新强调了海陆热力 作用，认为高原的作用是第二位的。金放华通过一系列的数值试验，结果表明，9 0 。e 以西的陆地( 即非洲陆地、阿拉伯半岛和印度半岛) 的存在是冬夏印度季风环流系统形成的 关键机制，但是对东亚季风系统影响不大：9 0 。e 以东的陆地( 即中南半岛、东亚地区赤道 附近陆地以及澳大利亚大陆) 的存在是冬夏东亚季风环流系统形成的关键机制，虽然对印度 季风也能产生影响，但影响不强。南亚次尺度海陆热力差异对季风爆发的影响研究相对较 多。陈晶华和陈隆勋1 5 1 1 认为亚洲南部较小尺度的海陆分布同样影响夏季季风形成过程，亚 洲南部海域的西部出现的3 个强风中心，主要是由于亚洲南部较小尺度海陆分布加热差异造 成的，它们出现后才诱发出来自南半球越赤道气流。l ia n dy a n a i1 3 2 1 利用1 9 7 9 1 9 9 2 年1 4 年资料研究了亚洲季风的爆发及其年际变化与海陆热力差异的关系，提出青藏高原南部对 流层高层经向温度梯度发生逆转时，亚洲季风的爆发。任雪娟和钱永甫【5 2 l ，徐海明等【5 3 1 【5 4 1 分别模拟了中南半岛、印度半岛与周围海洋之间的局地热力差异对南海、印度夏季风的影 响。他们的数值试验均表明，中南半岛和印度半岛在早春的强陆面感热加热对南海和印度 夏季风环流的建立和爆发非常重要，其结果进一步加深了对亚洲夏季风爆发进程的认识。 c h o u 5 5 1 通过理想无高原地形的数值试验发现，对流层温度梯度决定了亚洲夏季风的强度， 对流层经向温度梯度出现正( 负) 异常时，亚洲季风较强( 弱) 。 1 3 问题的提出 在众多的东亚季风及降水的研究中，有关东亚副热带季风阶段春季降水的研究比较少。 现有的春季降水很少从季风环流和海陆热力差异的角度出发，去探讨降水的形成机制及影 响冈子。海陆差异对东亚夏季风环流影响的研究则主要集中在青藏高原和印度洋的南北向 4 海陆热力差异对夏季风环流的影响，和南亚次尺度海陆分布对季风的爆发的影响这两方面。 然而，江南春雨的气候特征与东亚副热带季风环流对其的影响机制，以及副热带地区海陆 分布对亚洲夏季风区尤其是东亚副热带季风和春季降水又有什么样的作用，对这一问题的 研究相对较少，因此很有必要开展这方面的研究。 具体各章的内容简介如下： 第一章是绪论，阐述本文研究的目的及意义，以及研究进展和本文将要解决的问题； 第二章是资料和方法介绍本文所用的资料及其下载网址，并说明相关的理论和方法； 第三章对江南春雨的气候特征及雨带建立前后环流场的演变做了初步分析； 第四章对江南春雨降水开始日的变化特征及其影响因子做了初步分析； 第五章江南春雨气候成因的统计分析并利用i p r c r e g c m 模式进行控制试验和敏感 性试验，对模拟结果进行检验，并作了初步分析； 第六章给出了观测分析和模拟研究后的主要成果和结论，提出有待进一步研究的问题， 展望今后所要开展的研究工作。 5 2 1 资料说明 第二章资料和方法 ( 1 ) 美国n c e p n c a r4 4 a ( 1 9 6 1 2 0 0 4 ) 再分析资料：月平均海温场，网格距2 。+ 2 0 ；日 平均风场，气温场，相对湿度场，垂直速度场，网格距2 5 0 + 2 5 0 。以上再分析数据资料集 的下载网址如下： ( 2 ) 国家气候中心整编1 9 6 1 年1 月到2 0 0 4 年1 2 月全国7 4 0 站逐日降水资料。 ( 3 ) 美国国家海洋和大气管理局( n o a a ) 提供的逐日射出长波辐射o l r ( o u t g o i n g l o n g w a v e r a d i a t i o n ) 资料。o l r 资料时段为1 9 7 4 - 2 0 0 4 年，空间水平分辨率为2 5 。宰2 5 0 。 o l r 资料下载网址如下： ( 4 ) 19 7 9 - 2 0 0 0 年c m a p ( c l i m a t ep r e d i c t i o nc e n t e rm e r g e da n a l y s i so fp r e c i p i t a t i o n ) 侯平 均降水资料，水平分辨率为2 5 。木2 5 0 。 c a m p 降水资料下载网址如下： 文中如无特别说明均用1 9 6 1 - 2 0 0 6 年的要素平均值作为各场的气候平均态。 2 2 主要方法介绍 2 2 1 距平 最常用的表示气候变量偏离正常情况的量是距平。一组数据的某一个数薯与均值之间 的差就是距平，即 五一x ， i = l ，2 ，n 6 ( 2 1 ) 气候变量的一组数据五，而，与其均值的差异就构成了距平序列 一x ，x 2 一x ，x n x ( 2 2 ) 在气候诊断分析中，常用距平序列来代替气候变量本身的观测数据。任何气候变量序 列，经过中心化处理，都可以化为平均值为0 的序列。 2 2 2 线性倾向估计 用薯表示样本为的n 的某一气候变量，用表示薯所对应的时间，建立薯与，f 之间的一元 线性回归：薯= a + b t ，( i = l ，2 ，n ) 。该式可看作一种特殊的，最简单的线性回归形式。 它的含义是用一条合理的直线表示x 与t 之间的关系。式中a 为回归常数，b 为回归系数( 即 倾向值) 。a 和b 可以用最d - 乘法进行估计。 其中；= i 善j 薯， 葺f ，一言( 薯) ( 一 一 b = 型_ - 生- 生a = x b t ， f 一去( ) 2 ；：三争( 2 3 ) 刀_ 1 = 1 回归系数b 的符号表示气候变量的趋势倾向。b o 时，说明随时间t 的增加x 呈上升趋势； b ( o 时，说明随时间t 的增加x 呈下降趋势。b 的大小反映了上升或下降的速率，即表示上 升或下降的倾向程度。线性倾向估计能直接的反映要素的年变化幅度，直观清晰，一目了 然。 2 2 3 方差与标准差 方差和标准差是描述样本中数据与以均值为中心的平均振动幅度的特征量，这里分别 记为s 2 和s 。它们亦可作为变量总体方差仃2 和仃的估计。在气象上也常称标准差为均方 7 差。 标准差为：s = 2 2 4 气候态稳定性检验一t 检验 ( 2 4 ) t 检验是平均值检验方法的一种，适用于总体方差未知和服从正态分布的均值检验， 小样本也适用。 t 检验构造了检验总体均值和两个总体均值两种统计量。在总体方差仃2 未知的情况 下，是用样本方差j 2 来估计的。 检验两个总体平均值有无显著差异的方法： ( 1 ) 构造检验两个总体的平均值有无显著差异的t 统计量： i y 一 1 ( 2 5 ) ( 2 1 ) 式服从自由度y = 啊+ 一2 的t 分布。其中，i 为x 的样本均值，y 为y 的样本均值， 碍和他分别为x 和y 的样本量， 2 和屯2 分别表示x 和y 的方差。 ( 2 ) 确定显著性水平a ，查t 分布表，当， f a 时，拒绝原假设，认为x 和y 之间存在 显著差异；反之则不存在。 2 2 5p e a r s o n 相关系数及相关性检验 2 2 5 1p e a r s o n 相关系数 p e a r s o n 相关系数是描述两个随机变量线性相关的统计量，一般简称为相关系数，用r 来表示。 相关系数的计算公式为 8 ( 薯一i ) ( 乃- y ) ：c o v ( x , y ) ( 2 6 ) = 一 iz n l s x s y ( 2 2 ) 式中而( f = 1 ，2 ，z ) 和只( f = 1 ，2 ，n ) 分别是随机变量x 和y 的样本观测值， c o v ( x ，y ) 是x 和y 的协方差，s x 和s y 分别是x 和y 的均方差。 相关系数r 的取值在1 o 1 0 之间。当r o 时，表明两变量呈正相关，越接近1 0 ，正 相关越显著；当r o 时，表明两变量呈负相关，越接近1 0 ，负相关越显著；当r = o 时，则 表示两变量相互独立。此外，计算出的相关系数是否显著，需要经过显著性检验。 2 2 5 2 相关性检验( t 检验) 在假设总体相关系数为零成立的条件下，相关系数r 的概率密度函数正好是t 分布的密 度函数，因此可以用t 检验来对r 进行显著性检验。 统计量 ，= 压寿 ( 2 7 ) 服从自由度，= n - 2 的t 分布。给定显著性水平a ，查t 分布表，若h 乞，则拒绝原假 设，认为相关系数是显著的。 2 2 6 小波变换的基本原理 虽然f o u r i e r 变换方法可以对某一周期变化的序列进行频率上的局部化，但在空间时 间上没有任何局部化，而小波则具有这项功能。小波变换基于仿射群的不变性，即平移和 伸缩的不变性，从而允许把一个信号分解为对时间和频率( 空间和尺度) 的贡献。小波变换 对于信号处理是十分有用的，它在n 维场中已具有分辨不同尺度的“显微镜”作用和具有 分离信号在不同角度的贡献的“偏振境”作用。气候资料含有多时间尺度性，由于大小尺 9 度相互包涵，所以就显得杂乱无章，用传统的统计辨别方法很难判别其演变过程，而波分 析具有多方辨性。它就好像是有关数学放大镜，调节其放大倍数( 1 a ) 就可以清楚地看出气 候时间序列在各个层次上的变化趋势以及各层次突变点的确切位置。 最常用的复数形式的小波函数是m o r l e t 子波函数，它的母函数为 y n ( x ) = e i f a x 1 一厄1 p x 2 ) ( 2 8 ) ! 竺= 垒 一垡一! 壁 其f o u r i e r 变换为如下形式：y q ( c o ) = e 2 一p 4p 4 ) ( 2 9 ) 反映该子波性能的几个参数如下( 当q 值较大时) ： & 2 石q = 石q q q 吾 k = o 用该子波变换时，物理空间尺度l 与伸缩因子a 之间的关系为l 万口q ，或： 丁= 志 口= 彳4 万 式中t 为与f o u r i e r 分析中所对应的周期，而q 已取值为5 4 。 m o r l e t 子波是一个复数形式的子波。复数形式的子波在应用中有比实数形式的子波更 多的优点由于它的实部与虚部位相相差7 r 2 ，这消除了实数形式子波变换系数模的振荡。 它可以将子波变换系数的模和位相分离开来，模代表某一尺度成分的多少，位相可以用来 研究信号的奇异性和即时频率。 1 0 第三章江南春雨的气候特征和春雨前后环流演变特征 3 1 前言 我国地处东亚季风区，气候复杂多变。东亚地区( 含青藏高原) 特殊的海陆分布不仅 形成这一地区巨大的经向海陆热力差异，同时也形成东亚大陆与西太平洋之间的纬向海陆 热力差异，从而造成东亚季风系统的复杂性和特殊性，其突出表现之一就是既有热带季风 系统又有副热带季风系统。陈隆勋和金祖辉等f 5 7 1 提出东亚季风系统的概念，朱乾根、何 金海等【5 8 】明确提出东亚季风区可分为南海西太平洋热带季风区( 简称热带季风区) 和大 陆一日本副热带季风区( 简称东亚副热带季风区) 。喻世华等【5 9 删也指出东亚季风环流由热 带季风环流和副热带季风环流组成。 东亚季风系统的复杂性，引起了东亚降水的时空多样性，时常会引起异常的旱涝灾害， 对季风区的国计民生具有重大影响。所以，东亚的降水历来是广大气象学家和短期气候预 测业务工作者关注的焦点。在前期海温、雪盖、冬季风环流等对东亚降水的遥相关影响方 面已经有了很多研究。宇如聪等【6 1 1 分析研究了全球前期海温对夏季降水的影响；黄嘉佑等【6 2 1 使用副高极涡因子、彭京备等6 3 1 使用高原雪盖与e n s o 因子、杨明珠等【6 4 】用春季印度洋海 表温度主模态等，这些工作虽然或多或少都找到一些显著相关因子，但由于因子时空分布相 距较远，彳艮难寻找其影响机制。高辉和王永光【6 5 】已注意到了近2 0 年来作为中国夏季降水的 主要预测指标e n s o 的指示意义已减弱。吴统文和钱正安【6 6 】用高原雪盖对夏季降水、段安 民等【6 7 j 用前期对流层中高层经向温度梯度和高原上空温度对季风爆发时间等进行了相关机 制的有益探索。对于东亚夏季风与降水之间的研究也有很多，如孙颖和丁一汇f 6 8 】分析了1 9 9 9 年夏季风异常活动的物理机制，吴尚森等【6 9 】分析了南海夏季风强度与中国夏季降水的关系， 这些工作主要是对夏季风同期的状况及可能降水影响机制进行了分析，有利于加强对东亚 夏季风环流和降水的理解和认识，而对于如何预报则显得极为困难。但在众多研究中有关夏 季汛期雨带较多，对南海夏季风爆发前的雨带研究较少。本章拟对江南地区春季的雨带一 一江南春雨雨带进行研究，从江南春雨的气候特征出发，研究其降水开始前后的大气环流 演变和降水开始早晚与大气环流及外强迫因子的联系。 3 2 江南春雨的气候特征 图3 1 是1 9 6 1 2 0 0 4 年1 1 0 。1 2 0 。e 的c a m p 纬向平均降水量的纬度一时间演变图。 由图可见，江南地区( 2 0 。3 0 。n ) 从1 月就已存在较弱的降水，到2 月底3 月初。降水 已达到4 m m d ，3 5 月上旬，降水中心位置少动：直至5 月中旬南海季风爆发，雨带中心南 移，此时东亚进入夏季汛期。 图3 1气候平均c m a p 降水的时间一纬度剖面( 1 1 0 0 一1 2 0 0 e 平均，单位：m m d ，横坐标表示侯，阴影区表 示日降水量大于6r a m d ) 本章要研究就是1 5 4 3 0 。n 纬度带在南海夏季风建立前的这一雨带，即江南春雨。 y e h 掣7 0 1 认为，全年实际上只有两个自然季节：冬季和夏季；冬季相对长，而过渡季节短 得几乎可以忽略。所以，在气候研究方面，与江南春雨相关的降水和环流特征很少被人关 注。直到2 0 世纪9 0 年代末，t i a n 和y a s u n a r i1 7 1 1 ( 简称t y ) 提出春季持续降水的概念， 简称江南春雨。万日金和吴国雄( 2 0 0 6 ) 7 2 1 通过资料分析和数值模拟，认为青藏高原的高 大地形的机械和热力作用形成了高原东南侧的西南气流，进而形成了江南春雨。他们进一 步指出【7 3 】，江南春雨雨带的位置和强度同样受南岭、武夷山脉地形的影响，江南春雨雨带 的时间应该在1 3 2 7 侯( t y 为1 2 2 6 侯) ，6 m m d 的中心区范围为长江( 3 0 0 n ) 以南、 1 1 0 。e 以东、雷州半岛以北的中国东南部地区。 图3 2 给出了第1 2 2 6 侯( t y 所取时段) 我国东部地区多年平均( 1 9 6 1 2 0 0 4 年) 降水量图。由图可见，1 2 - 2 6 侯，在江南存在一降水大值带，大致呈东北西南走向，雨 带中心强度6 7 m m d ，这就是t y 所称的江南春雨。因为通常认为该雨带处于长江以南、 南岭以北的“江南”，又出现在春季，常与春季连续低温阴雨天气相联系。图中4 m m d 的降 水区域约为长江中下游( 3 0 。n ) 以南、1 1 0 。e 以东的中国东南部地区，与吴、万关于 1 2 江南春雨空间范围的研究结果基本一致。 图3 3 给出了江南春雨期气候平均的8 5 0 h p a 风场。由图可见，由于高原大地形的分流 作用，东亚的西风气流明显分为南北两支，大致在( 3 0 。n ，1 2 0 。e ) 处汇合。高原南部的西 南气流和西太平洋反气旋西北部的西南气流汇合，在高原东南侧出现一个西南气流风速中 心，最大风速达到7 m s 。风速中心的位置基本和江南春雨雨带中心位置重合。西南风速的 辐合明显，从而直接导致了水汽的辐合明显。该水汽通量散度辐合区控制了江南的大部， 中心区达到一3 1 0 - g - k 旷1 s 。 从图3 4 可以更直观地看出，在江南春雨期，江南地区的水汽来自西太平洋，江南地 区的西南水汽输送强度较大，图中阴影中心区己达到1 3 0k g m - s 。与副高北侧日本以 南的强水汽输送带打通，在东亚副热带地区形成大范围的西南东北走向雨带。综上可见， 江南春雨期低层风场和水汽场对雨带的形成和维持有相当重要的作用。 图3 3 江南春雨期0 2 - 2 6 候) 东亚8 5 0h p a 风场( a 风场，单位m s ) 及水汽辐合场( b 水汽辐合场，单位：l * 1 0 - 5 g k g - i s - 1 ) 图3 4s p r 期( 1 2 2 6 候) 东亚气候平均的低层水汽输送( 单位：k g m _ s 。) 3 3 江南春雨降水开始日期的确定 研究雨带建立前后的环流场演变对揭示影响雨带建立的关键环流系统有很大帮助。但 1 3 必须首先确定江南雨带建立的标准，参考梅雨雨制7 4 1 、南海夏季风雨带【7 5 1 的建立标准及华 南锋面降水和季风降水划分日期的确趔7 6 1 ，一般雨带建立的标准不外乎从雨量和背景环流 场两方面定义。 首先本节从雨量出发，选取长江中下游( 3 0 。n ) 以南、1 1 0 。e 以东的中国东南部地 区的区域平均，研究气候平均的日降水量，发现日降水量可以作为判断江南春雨雨带是否 建立的一个标准。通过分析1 9 6 1 一 2 0 0 4 年江南地区区域平均的日降水量趋势图( 如图3 5 ) ， 定义：在某天起日降水量达到3 m m d ，且包括该天在内的连续5 天日平均降水量达到 3 m m d ，那么在雨量上，该天达到了雨带建立日的标准。 图3 5 江南春雨气候平均的日降水量变化趋势( y 轴为日降水量，单位：m m d ) 图3 6 给出了中国东部8 5 0 h p a 风场的纬向平均( 1 1 0 。一- - 1 2 0 。e ) 时间演变，在虚线 框内的风场对应于江南春雨期。3 月初风速超过3 m s 的西南风迅速向南向北扩展，对应气 候平均c m a p 降水的时间一纬度剖面( 如图3 1 ) ，江南纬向平均雨量达到4 m m d ；此后西 南风速进一步加大到4 m s 以上，并一直维持到5 月第3 侯。到5 月下旬，江南西南风突然 减弱，大值区在南北方向上同时收缩。南海由东南风转为西南风，南海夏季风爆发，这也 客观上证明了江南春雨在南海夏季风爆发前就已经建立。通过分析中国东部8 5 0 h p a 风场的 纬向平均( 1 1 0 。- 1 2 0 。e ) 时间演变，发现一个有意义的现象：在2 月中下旬到5 月中下 旬的这段时间，西南风的演变与降水演变基本是一致的，这进一步证明了西南风对江南春 雨雨带的建立和维系的重要性。所以本文用8 5 0 h p a 的纬向平均风场作为江南春雨雨带建立 的另一个标准。定义：2 月中下旬到5 月中下旬中，从某天开始，在2 0 。 - - 3 0 。n 上，一 直盛行的偏北风开始演变成西南风，且继续维持了5 天以上，那么该天的风场满足了江南 春雨建立目的标准。 本文规定，同时满足雨量和风场的标准，这一天作为江南春雨的建立日。表3 1 给出 1 4 了1 9 6 1 2 0 0 4 年各年江南春雨建立日期。 图3 6中国东部8 5 0 h p a 风场的纬向平均( 1 1 0 。1 2 0 。e ) 时间演变( 单位：m s ，横坐标表示月份) 表3 11 9 6 1 2 0 0 4 年各年江南春雨建立日期 3 4 江南春雨降水开始前后环流场的演变 根据上节确定的各年江南春雨雨带建立日期，以雨带建立当天为0 天作合成分析，雨 带建立后第2 天为+ 2 天，建立前第2 天为2 天，以此类推。图3 7 给出了江南春雨雨带建 立前后的8 5 0 h p a 风场的演变，分别列出4 天、2 天、o 天、+ 2 的8 5 0 h p a 风