（气象学专业论文）华南春季降水异常的模拟诊断及其机理的初步探讨.pdf

摘要 华南春季降水异常的模拟诊断及其 机理的初步探讨 专业：气象学 硕士生：吴乃庚 指导老师：温之平副教授、袁卓建教授 摘要 本文利用n c e p n c a r 再分析资料和华南地区1 4 个测站的降水资料， 通过资料统计分析和数值诊断模式的模拟，对引起华南春季降水异常的大气 环流特征进行了分析，从经向环流角度定量诊断探讨了各热力和动力因子对 华南降水异常的影响，并利用e o f 和超前滞后相关等统计方法进一步研究了 华南春旱的形成机理。得到的主要结论有： ( 1 ) 华南春季降水偏多年和偏少年，欧亚地区高低层水平风场以及垂直 环流场均存在明显的差异。降水偏多年，南海西太平洋地区副热带反气旋偏 南，中高纬度乌拉尔山以东地区存在距平气旋环流，贝加尔湖以东地区为距 平反气旋环流，西风带活动影响偏南( 与之对应的距平垂直环流上升支位于 华南地区上空，下沉支位于3 0 4 0 。n 以及5 1 5 。n 附近) 。而降水偏少年， 乌拉尔山地区存在距平反气旋环流，贝加尔湖地区为距平气旋性环流，西风 带较偏北，此时西太平洋副热带反气旋偏北，华南北边为距平南风、南边为 距平北风f 与之对应的距平垂直环流上升支位于3 0 5 0 。n 附近，下沉支位于 华南地区上空、。 ( 2 ) 华南春季降水异常与局地经向环流异常密切相关。利用局地经向 华南春季酶水异常的数值诊断及其机理的初步探讨 环流线性诊断模式定量分析发现，华南春季降水偏多年，对华南地区上升和 热带地区下沉的局地经向环流异常起主要作用的物理因子是低纬地区潜热加 热f 由其激发的经向环流下沉支对华南低层的辐合抬升贡献占2 5 ) * t i 温度垂 直对流( 3 3 1 ；而在降水偏少年，驱动华南地区下沉和3 0 。n 附近上升的距 平经向环流的因子主要是反映中高纬锋面对流活动的潜热加热( 6 5 ) 、与西 风带斜压槽有关的水平温度平流( 2 5 ) 和与西风急流有关的纬向西风动量 平流( 2 0 ) 。 f3 ) 对华南春早最严重的1 9 9 1 年进行e o f 和超前滞后统计分析表明， 乌拉尔山阻高超前副热带高压变化2 - 6 天。由于乌拉尔山阻高建立和维持， 其下游西风带较平直，锋面位置偏北，被锋面抬升的空气在华南下沉造成了 西太平洋副高偏强位置偏西北，使得华南位势高度偏高，因而华南地区偏旱。 因此，建议预报华南春旱要特别关注乌拉尔山阻高的建立和维持。 关键词：华南，春季降水，局地经向环流，乌拉尔山阻塞高压 i i a b s l l t a c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d d i a g n o s t i ca n a l y s i s o f s p r i n gp r e c i p i t a t i o na n o m a l i e si ns o u t h e r nc h i n a a n dp r e l i m i n a r ya n a l y s i so fi t sm e c h a n i s m m a j o r ： m et e o r o l o g y n a m e ：w un a i g e n g s u p e r v i s o r ： w e nz h i p i n ga n dy u a nz h u o j i a n a b s t r a c t t h en c e p n c a rr e - a n a l y s i sd a t aa n dp r e c i p i t a t i o nd a t a o f1 4s t a t i o n si n s o u t h e r nc h i n af s oa r ee m p l o y e dt oc o m p o s i t ea n dn u m e r i c a ld i a g n o s t i cs t u d i e so n t h ea t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l a t e dp h y s i c a lm e c h a n i s m so fs p r i n g p r e c i p i t a t i o na n o m a l i e si ns c t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea n o m a l i e so fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lc i r c u l a t i o ni nt r o p o s p h e r ea r eq u i t e d i f f e r e n ti ns p r i n gf l o o da n dd r o u g h ty e a r s i nf l o o d ( d r o u g h t ) y e a r s ，i ti sf o u n dt h a t t h e r ee x i t sa na n o m a l o u sa n t i c y c l o n eo v e rs o u t hc h i n as e a w e s tp a c i f i c ( s o u t h e r n c h i n a ) a n daw a v et r a i nw i t h a na n o m a l o u sc y c l o n eo v e ru r a l - m o u n t a i na n di t s e a s t e r nr e g i o n ( l a k eb a i k a l ) ，t h ea n o m a l o u sa n t i c y c l o n eo v e rl a k eb a i k a la n di t s e a s t e r nr e g i o n ( u r a l s - m o u n t a i n ) t h ea c t i v i t i e so fw e s t e r l i e sa r eu n u s u a l l ys o u t h w a r d ( n o r t h w a r d ) t h a nn o r m a l t h er e l a t e da n o m a l o u sv e r t i c a lc i r c u l a t i o ni sc h a r a c t e r i z e d b ynl o c a la n t i - h a d l e yc i r c u l a t i o nw i t hr i s i n gm o t i o no v e rs c ( 3 0 - 5 0 。n ) a n ds i n k i n g m o t i o no v e r5 - 1 5 。na n d3 0 - 4 0 。n ( s c ) 2 t h el o c a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o na n o m a l i e sa r et i g h t l yr e l a t e dt ot h es p r i n g p r e c i p i t a t i o na n o m a l i e si ns o u t h e r nc h i n a t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo fm e r i d i o n a l c i r c u l a t i o nv a r i a t i o ni sd i a g n o s e dq u a n t i t a t i v e l yw i t ht h el o c a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o n m o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r i b u t i o n st ot h el o w e rl a y e rc o n v e r g e n c ei ns c i ns p r i n gf l o o dy e a r sa r em a i n l yf r o mt h ef o r c i n gp r o c e s s e sa s s o c i a t e dw i t ht r o p i c a l l a t e n th e a tr e l e a s i n g ( 2 5 ) a n dv e r t i c a lt e m p e r a t u r ec o n v e c t i o n ( 3 3 ) i ns p r i n g d r o u g h ty e a r s ，t h ec o n t r i b u t i o nt ot h el o w e rl a y e rd i v e r g e n c ei ns ca r em a i n l yf r o m i i i 华南眷季降水异常的数值诊断及l 理的初步探讨 t h ef o r c i n gp r o c e s s e sa s s o c i a t e dw i t he x t r a t r o p i c a lb a r o d i n i ct r o ug i i s ( 5 6 f r o m l a t e n th e a tr e l e a s i n g ，2 5 f r o mm e r i d i o n a lt e m p e r a t u r ea d v e c t i o n ，a n d2 0 f r o m z o n a lw e s t e r l ym o m e n t u ma d v e c t i o n ) 3 t h eu r a l sb l o c k i n gh i 曲a n o m a l i e sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h es p r i n gd r o u g h t i ns o u t h e r nc h i n a s t a t i s t i ca n ds y n o p t i ca n a l y s e sa nc o n d u c t e df o rt h ea s s o c i t a t e d g e n e r a lc i r c u l a t i o ni nt e r m so f5 0 0 h p ag e o p o t e n t i a lh e i g h ta n o m a l i e s ( a f 5 0 0 ，d e v i a t e d f r o mt h e1 9 8 0 - 1 9 9 9a v e r a g e dv a l u e ) a sw e l la st h ef s o oi nt h ee x t r e m es p r i n gd r o u g h t y e a ro f1 9 9 1 t h i si n v e s t i g a t i o ns h o w st h a tab l o c k i n gh i g ha r o u n dt h eu r a l sm t s a n das i n i f i c a n tw e s t w a r de x t e n s i o no fw e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g ha r ep r e s e n t ( a b s e n t ) i nt h es p r i n gd r y ( w e t ) s p e l li ns o u t h e r nc h i n a t h en u m e r i c a ld i a g n o s t i c s t u d yt o g e t h e rw i t hs t a t i s t i ca n ds y n o p t i ca n a l y s e si m p l i e st h a tt h ed e v e l o p m e n ta n d m a i n t e n a n c eo ft h eu r a l sb l o c k i n gh i g hf o l l o w e db ys i g n i f i c a n tw e s t w a r da n d n o r t h w a r de x t e n s i o no fw e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g hc a nb et h ew a m n i n go fs p r i n g d r o u g h ti ns o u t h e r nc h i n a k e yw o r d s ：s o u t h e r nc h i n a ，s p r i n gp r e c i p i t a t i o n ，l o c a lm e r i d i o n a lc i r c u l a t i o n ，u r a l s b l o c k i n gh i g h 1 v 第l 章前言 第l 章前言 华南地区地处我国最南端，是我国汛期最长、降雨量最大的地区，受早涝 灾害影响尤为突出。旱涝灾害对华南地区工农业生产以及人民生命财产造成巨 大损失，而且随着社会和经济的发展以及城市化程度的不断提高，早涝异常也 越来越严重影响到社会的各方面。因此，不少学者对华南早涝的成因和变化规 律作了多方面的研究“”3 。 在降水规律方面，郭其蕴等分析指出，华南雨季的开始及持续与降水总 量有很好的关系。吴尚森等”先后研究了华南前汛期降水时空分布特征和后 汛期降水的年际变化，发现华南前、后汛期降水都存在准3 年的振荡周期。在 降水成因方面，梁建茵等“1 研究认为副高对华南降水的影响主要是由其南北 移动造成的，6 月副高脊线位置与华南降水有着一定对应关系，脊线偏北( 南) 与华南降水量偏少( 多) 相对应。梁建茵。1 、李崇银“1 、朱乾根”1 等对南海夏 季风活动的分析认为，强夏季风年华南降水多，弱夏季风年华南降水少。徐海 明。1 分析华南夏季降水时指出，前期冬季黑潮海温以及春季台湾一菲律宾一带 海温对夏季华南地区降水有一定影响。陈长胜和王开平等。1 分析表明，南海是 影响华南降水异常的关键区，华南地区经向水汽输送异常变化将导致该地区的 异常旱涝。 然而，到目前为止，对华南旱涝的研究几乎都侧重于汛期。由于华南前汛 期定义是4 6 月，并没有完全包括春季。而我们知道，华南季风区与印度季 风区因季风直接带来降水不一样，在南海季风爆发前雨季已经来临。事实上， 东亚地区自春到夏存在着副热带季风雨季和热带季风雨季，华南前汛期可分为 前期的锋面降水和后期的夏季风降水，作为一个整体来研究它的影响园子、影 响机理和预测方法是不太恰当的“”1 。 华南春季降水与华南夏秋降水不同，华南夏秋季节降水主要与季风和热带 气旋活动有关，春季降水则主要与冷暖空气交绥的锋面活动有关。虽然春季降 水量比起夏季少，但是春季是农作物生长的重要时期，降水异常对春耕播种以 及农作物生长有着重要影响“”1 。资料统计表明，华南地区容易发生春旱和 _ 【j 三南春季降水异常的数值诊断及其帆理的初步探讨 秋旱，尤其是春旱出现的频率最高，对华南农业生产影响最大“5 “”。特别近 几年，华南地区春早较为频繁，严重影响到早稻育秧以及华南地区工业和生活 用水。因此，研究华南春季降水变化特征及机制，对做好春季减灾防灾工作有 着十分重要意义。 为了探讨华南春季降水异常的形成机理，本文首先分析了华南春季降水异 常年的环流特征，并抓住华南春季以锋面降水为主，降水多寡的关键在于来自 南边的水汽( v o ) 在华南地区是否被锋后冷空气( v 气候平均i( b ) 偏多年距平：( c ) 偏少年距平 图3 4 春季( 3 5 月) 2 0 0 h p a 水平流场分布( 单位州s ，阴影区为通过9 5 信度检验区域) ( a ) 气候s f 均；( b ) 偏多年距平：( c ) 偏少年距5 f 3 3 华南春季降水偏多年和偏少年垂直环流场特征 上一节的分析发现，华南春季降水偏多年和偏少年，欧亚地区高、中、低层 的水平风场都存在明显的差异。南海一西太平洋副热带反气旋异常以及中高纬度 环流分别通过影响华南南边的西南暖湿气流和北边冷空气活动对华南降水产生 影响。而我们知道，华南春季锋面降水除了体现在南北辐合辐散外，在垂直运动 上必然存在明显反映。因此，本节拟从垂直环流方面对华南春季降水异常年份的 环流特征进行分析。 图3 5 给出了华南春季降水偏多年、偏少年以及气候平均的局地( 1 0 5 1 2 0 。e ) 纬向平均垂直环流场。从气候平均场( 图3 - 5 a ) 可以看到，春季局地垂直环流主 要特征为低纬地区( 3 0 。n 以南) 上升中纬度地区( 3 0 5 0 。n ) 下沉的h a d l e y 型 环流。上升中心主要位于赤道地区和2 0 3 0 。n 附近，分别对应春季印尼附近地 区1 t c z 雨区和我国东部长江以南地区降雨带( 2 0 3 0 。n ) 。与赤道地区对流性 降水不同，长江以南地区的降水主要是由于南海低层暖湿水汽遇到北边南下的冷 空气抬升而造成的锋面降水。在华南春季降水偏多年( 图3 - 5 b ) ，可以看到中低 纬异常垂直环流主要特征为上升支位于1 7 5 3 0 0 n ( 上升中心为一1 l o 。c a s ) ， 华南存季降水异常的数值诊断及其机理的初步探讨 下沉支位于5 1 5 。n 以及3 0 4 0 。n 附近。南海低层的距平南风与华南北部距平 北风在华南地区辐合上升，使得华南地区上升运动加强，锋面降水偏多。而降水 偏少年( 图3 - 5 c ) ，可以看到距平垂直环流特征与气候平均垂直环流场( 图3 - 5 a ) 形势几乎相反，3 0 5 0 。n 中纬度地区为距平上升运动，3 0 。n 以南地区为距平下 沉运动，下沉运动中心位于2 0 2 5 。n 的华南地区( 下沉中心为1 2 l o - zp 确) 。 这种距平垂直环流形势表明春季h a d l e y 型环流较常年减弱，南海地区的偏南暖 湿气流以及北方南下的冷空气均减弱，华南地区为距平辐散下沉区，因而降水较 常年偏少。 图3 5 春季( 3 5 月) 沿1 0 5 1 2 0 。e 平均的垂直环流( 等值线为垂直运动大小，经向风单位：m s ， 垂直运动单位：1 0 。p a s ，) ( a ) 气候平均；( b ) 偏多年距平：( c ) 偏少年蹦平 第4 章华南春季降水异常与经向环流异常关系的数值诊断 第4 章华南春季降水异常与经向环流异常关系的 数值诊断 上一章分析表明，南海西太平洋副热带反气旋异常以及中高纬度环流分 别通过影响华南南边的西南暖湿气流和北边冷空气活动对华南降水产生影响，华 南春季降水异常与局地垂直环流异常关系密切。引言也提到，分析表明，南海 是影响华南降水的异常关键区，华南地区经向水汽输送的异常变化将导致其降 水异常，而纬向水汽输送异常变化只会导致整个华南地区降水不均，出现小范 围降水异常。1 。可见，华南春季降水及其多寡很大程度上取决于来自南边的水 汽在华南地区是否被锋后冷空气抬升以及抬升运动的强弱。南下的冷空气 ( v o ) 在锋区相遇，产生南北风辐合和拾升( ( _ ) o ) 并造成降水。由此可见，华南春季降水异常与局地经向环流异常存在密切关系。 本章通过运用局地纬向平均经向环流模式“”( 有关局地经向环流数值诊断 模式的说明见第2 章) ，通过定量诊断华南地区( 1 0 5 1 2 0 。e ) 纬向平均经向 环流异常探讨华南春季降水异常的机理。值得一提的是，该模式不仅考虑了华 南地区经向环流特征，还考虑了纬向环流的特征，如纬向水汽输送的影响可由 反映纬向环流的作用的纬向西风动量的水平和垂直输送以及纬向温度平流等 强迫项对经向环流的垂直分支m 和相应的水平散度的驱动作用来体现。 另外，需要说明的是，从第三章图3 - 1 可以看到，华南春季降水量除了具 有明显的年际变化外，还具有年代际变化。从2 0 世纪5 0 到7 0 年代初降水偏 少，之后降水明显偏多，这可能与2 0 世纪7 0 年代全球大气环流发生突变有关。 为了去除这一年代际变化的影响，同时考虑到n c e p 资料在2 0 世纪7 0 年代 末前后可能存在一定不连续性“，本文的模拟只用了1 9 8 0 1 9 9 9 年n e c p 逐 日两时次资料( 华南降水偏多年为1 9 8 1 、1 9 8 3 和1 9 9 2 年，偏少年为1 9 9 1 和 1 9 9 5 年) 。 华南春季降水异常的数值诊断技其机理的静j 步探讨 4 1 模式性能检验 在运用华南局地纬向平均经向环流模式分解各热力、动力因子，定量分析 各因子对华南春旱形势单独贡献前，为了确保模式输出结果的可信度，首先要 检验模式的模拟性能。模式性能检验所采取的思路和方法如下：用观测的 v ，一v 。= 一v 。 和 垂直运动无辐散成分 ，= m 一k = m 一尼。，) 【一呻。“】印组成的经向环流场( ，) 作为标准场，与由第2 章模式说明的( 2 - 1 ) 和( 2 - 3 ) 式算出来的”p 和组 成的模拟场( ”一，) 作比较，若模拟得出的经向环流中心位置和中心强度 量级与标准场的差别不大，则可认为模拟结果是可信的。 用以上标准衡量降水偏多年和偏少年的模拟结果( 图4 - 1 ) ，可以看到， 在开边界条件下由所有内力驱动的模拟的距平经向环流场( 图4 - 1a 2 ，b 2 ) 与 观测的距平经向环流场( 图4 - 1a l ，b 1 ) 的上升中心、中心所在位置及强度的量级 均吻合很好f 模拟的不足之处是垂直运动强度稍弱，原因可能是：本模式没包 括辐射及云物理过程，且n c e p 资料中的垂直运动不是实际观测的结果，而 是由预报模式提供，两种不同数值模式的假设条件、计算方法及误差来源都不 太相同，所咀两者存在一定差异是可以理解的，前期午h 关工作表明这些差异并 不影响各物理因子贡献大小的排序”3 。”) ，故可认为，模式输出结果具有一定 的可信度。 图4 - 1 华南春季降水偏多年( a ) 和偏少年( b ) 距j f 局地经向环流 ( 嘲影区为垂直运动中心，负值代表研运动；国中有些空白地方是由丁作蹈平处理后 值变少产牛的不连续点，井不足缺捌值：单位1 02 p 矾) a l 、b 1 ：宴测经向环流；a 2 、b 2 ：模拟的经向环流 由于降水主要与水汽输送( 对华南而言主要是低层南风) 和抬升机制( 上升 运动) 有关，因此以下分水汽输送和垂直运动两方面进行分析。 4 2 华南春季降水异常与南海地区低层经向风异常的关系 图4 2 给出的是华南春季降水偏多年和偏少年的距平经向风情况，左边是 第4 章华南眷季降水异常与经向环流异常关系的数值诊断 降水偏多年的经向风距平：从总经向风( 非地转与地转风之和) 距平场( 图 4 - 2 a 1 ) 可以看到，我们关注的2 0 。n 以南南海低层区域为距平南风，中心值约 为0 8 r o j s ，来自南海暖湿的距平南风为华南地区带来的充沛水汽有利于华南降 水增多。将总经向风分解为地转( 只由真实的气压梯度力驱动) 和非地转风( 由 压力梯度力外其它许多动力热力因子驱动) 两部分。经对比发现，非地转南风 成分( 0 3 o 5 m s ) 大于地转南风成分( o 1 0 4 m s ) 。 而降水偏少年，情况明显相反，南海低层为0 7 米秒的距平北风( 图3b 1 ) ， 表明南海地区低层南风偏弱，不利于南海的水汽输送到华南，因而降水偏少。 对比( 图3b 2 ) 和( 图3b 3 ) 可知，距平北风主要由压力梯度力驱动( 地转北 风距平成分，0 5 m s ) ，非地转北风距平相对较小( 0 2 m s ) 。 圈4 - 2 华南春季降水偏多年( a l a 4 ) 和偏少年( b l a b 4 ) 经向风距平场( 单位：i n ，s ) ( a 1 ) ：总经向风；( a 2 ) ：地转风；( a 3 ) ：观测的非地转风；( a 4 ) ：模拟的非地转风( b l a b 4 ) 同( a l a 4 ) 纵坐标：高度o ? a ) ；横坐标：纬度 考虑到水汽主要集中在低层，在分析南海低层经向风与华南春季降水的关 系时，我们选取了南海低层8 5 0 h p a ( 1 0 1 5 。n ，1 0 5 1 2 0 。e ) 区域平均经向风 作为南海低层经向风变化指数。图4 3 反映经标准化处理后总经向风指数 ( i o n 。) 、非地转风指数m 。) 以及模拟的非地转风指数( i 。，) 随时间的变化十分相 似，模拟和观测的非地转风指数相关也很好( 相关系数为o 8 8 ，通过9 9 9 的 可信度检验) ，这不但从另一个侧面反映模式性能良好，还说明非地转风变化 可以很好地反映总的经向风变化。再将各经向风指数与华南春季降水年际变 化序列作相关分析( 表4 - 1 ) ，结果表明，华南地区降水变化与南海低层总经 向风、非地转风以及模拟的非地转风变化关系密切( 均超过9 5 信度检验) ， 而与低层地转风变化相关不明显。这结果是显然易见的，因为降水与水平辐合 辐散有关，在f - 常数时，水平辐合辐散仅由非地转风引起，所以华南降水主 要与低层经向非地转风有关。 华南春季降水异常的数值硷断及其机理的初步探讨 表4 - 11 9 8 0 1 9 9 9 年华南春季降水与南海低层各经向风指数的相关系数及通过信度检验 以上分析显示局地经向环流线性模式有较好的可信度，所以我们可用线性 叠加原理，用局地经向环流模式( 式2 1 ) 分解导致经向非地转风的诸多动力和 热力因子，根据定量排序找出主要因子。表4 2 揭示在华南春季降水偏多年， 对图4 2a 4 中低层距平南风( o 5 5 m s ) 起主要正贡献的有来自区域外系统影响 即边界效应( 4 9 ) ，内力因子依次为潜热加热( 2 5 ) 、温度垂直对流( 1 7 ) ；在 降水偏少年，非地转作用在南海低层产生距平北风( 一0 2 2 m s ) ，见图3b 4 ，这 主要是边界效应的影响f 。0 1 8 m s ) 衷4 - 2 ：毕南春季降水偏多年( 左) 和偏少年( 右) 模拟韵再强迫因子对南海地区低层非地转风距s f 贡献 ( 南海低层区域选取为：8 5 0 h p a ，i o 1 5 蚋) 强迫因子偏多年经向非地转风距百分 偏少年经向非地转风距百分比 。! f 型生 些：! f 型生 潜热加热 o 1 4 2 5 0 0 21 0 感热通量 0 0 0 0 50 - 0 0 2 51l 潜热通量 0 0 1 2 一o0 4 4 2 0 涡动量的温度垂直对流 0 0 0 1 3 o 一0 0 0 31 平均量的温度垂直对流0 1 1 7 一o ，0 62 6 涡动量经向温度平流 o0 0 30 - 0 加0 40 甲均量的经向温度甲流 o 0 58 - 0 0 3 7 1 6 涡动量纬向温度平流 o0 0 10 0 0 0 0 3 0 平均量纬向温度平流 - 0 0 23 0 0 3 4 1 5 涡动量西风动量对流 o 0 0 0 4o 一of 1 0 2【 平均量西风动量对流 0 叭2 o 0 1 4 涡动量纬向西风动量平流 - 00 0 10 一0 0 1 3 5 平均量纬向西风动量甲流 o 0 47 0 0 0 5 - 2 涡动量经向西风动量平流 - 0 0 0 6一i 0 ，0 31 2 平均量经向西风动量平流 0 0 120 0 3 1 4 摩探力 一0 0 0 61 0 0 1 6 7 边界效应 0 2 7 4 9 0 1 8 8 9 总强迫力 0 5 51 0 0 0 2 2 1 0 0 1 4 第4 章华南春季降水异常与经向环流异常关系的数值诊断 4 3 华南春季降水异常与局地经向垂直环流异常的关系 前面我们从南风给华南地区带来水汽这角度出发，分析了经向环流经向分 支变化对华南春季降水异常的影响。但是降水不仅与水汽输送有关系，还要有 抬升机制( 垂直运动) 。虽然环流的水平分支和垂直分支是紧密相连的，但考 虑到垂直运动由水平辐合所致，所以强南风不一定代表强垂直运动，反之亦然。 同理，导致南风偏强的机制不一定是导致垂直运动偏强的机制。因此下面我们 将注意力集中到经向环流垂直分支的形成机制之上。 图4 - 1 给出的是华南春季降水偏多年和偏少年的局地距平经向环流。降水 偏多年( 图4 - l a ) ，低纬总经向环流表现为在2 0 。n 上升1 0 。n 下沉的距平局地 反h a d l e y 环流，该距平经向垂直环流使得南海低层输送来的水汽得以在华 南地区上升，导致降水增多。而降水偏少年( 图4 - l b ) ，总距平经向环流表现 为3 0 0 n 上升2 0 0 n 下沉的副热带局地经向垂直环流，华南地区距平下沉运动 加上南海地区低层距平偏北风不利于水汽输送，使得华南地区降水偏少。下面 运用局地经向环流模式将各热力、动力因子独自造成的经向垂直环流分开来研 究，定量分析各物理因子对垂直运动的作用及贡献。 4 3 1 影响华南春季降水偏多年经向环流异常的主要物理因子 我们先讨论降水偏多年处于华南附近有距平上升气流的成因，利用数值诊 断模式分解驱动华南以南局地反h a d l e y 经向环流后( 图4 - 1a 2 ) ，发现在 1 7 个内力因子中起正贡献的主要因子为：热量的垂直输送( 图4 - 4 a ) 、潜热加 热( 图4 - 4 b ) 、水平温度平流( 图4 - 4 c ) 、平均量纬向西风动量输送( 图4 - 4 d ) ， 这些主要因子的排序与驱动南海地区近地面南风的主要因子的确有些区别。， 此外边界效应( 图4 - 4 e ) 对华南地区距平上升运动和南海低层的距平南风也 有一定贡献。虽然由边界效应造成的经向风的值因受模式边界信息必须按质量 守恒进行调整的影响( 因模式对流层顶设为5 0 h p a ) 而难免有些失真，但这并 不影响内力因子的排序f 2 3 】，故在此对边界作用不作进一步展开讨论，以下讨 沦将重点放在内力因子之上。 4 社南春季降水异常的数值诊斯及其机理的初步探讨 图4 - 4华南春季降水偏多年各主要因子分别激发的距平经向环流 ( 阴影区为垂直运动中心，负值代表上升运动：阔中有些空白地方是由于作距平处理后 值变少产生的不连续点，并不是缺测值；单位：1 0 + 2 p 砒1 ( a ) ：温度垂直对流；0 ) ：潜热加热；( c ) ：水_ 甲温度平流；( d ) ：纬向西风动量平流；( e ) ：边辨效应； 4 3 2 影响华南春季降水偏少年经向环流异常的主要物理因子 对比降水偏多年的情况得知降水偏少年3 0 。n 上升2 0 。n 下沉的总距平局 地经向环流( 图4 - 1b 2 ) 的主要驱动因子为：潜热加热( 图4 - 5 a ) 、水平温度 平流( 图4 5 b ) 和平均西风动量纬向输送( 图4 - 5 c ) 。边界效应( 图4 5 d ) 作 用则与降水偏多年相反。其中，无论从中心强度以及位置来看，潜热加热激发 的经向环流( 图4 - 5 a ) 与总的经向环流( 图4 - 1b 2 ) 较接近，说明3 0 。n 处潜 热加热激发的经向环流对华南的下沉运动贡献最大。 图4 - 5华南春季降水偏少年备主要冈子分别激发的距平经向环流 ( 阴影区为垂直运动中心，负值代表卜升运动：图中有些空白地方足由于作距平处理后 值变少产生的币连续点，并不是缺测值；单位：l o 2 p a g s1 ( 3 ) 潜热加热；( b ) ：水平温度平流；( c ) ：纬向西风动量水平输送；( d ) ：边界效麻； 4 4 局地经向环流异常的机理分析 4 4 1 降水偏多年局地经向环流异常的机理 为了将以上的数值结果与预报员熟悉的天气形势联系起来，本节将结合天 气形势对上面的定量结果作进一步分析。由于温度垂直对流项的计算是用垂直 运动的辐散分量，该量不能直接从观测资料得到( 无法用天气形势作直观解 释) 。因此，这里我们主要结合天气形势分析潜热加热( 即低层水汽辐合抬升 作用) 、水平温度平流( 西风带斜压槽作用) 、平均两风动量纬向输送作用( 西 风急流周围次级环流作用) ( 图4 - 6 ) 。 从8 5 0 h p a 高度距平场来看( 图4 6 a ) ，在降水偏多年，距平高压位置偏 南强度加强，南海南部地区为距平高压控制，而华南以北地区为距平低压，这 样的配置有利于水汽在华南地区辐台加强。在这种距平高度场形势下，8 5 0 h p a 距平水汽通量场的主要分布特征是( 图4 6 b ) ，南海地区1 0 。n 附近存在一水 1 6 第4 章华南春季降水异常与经向环流异常关系的数值诊断 汽辐散区，而华南地区2 0 2 5 。n 受一个西南一东北向的水汽辐合带影响。这 种距平水汽通量分布形势十分有利于华南地区水汽辐合上升，由其导致的凝结 潜热释放，使得华南地区上升运动进一步加强，降水增多。另外华南上升运动 的加强也有利于其南边1 0 。n 附近下沉运动的加强，此下沉区近地面向北的辐 散还起到加强了往华南地区的水汽输送。这种( 反映低层水汽散度分布不均匀 的) 潜热加热的南北不均匀分布必将导致华南上升1 0 6 n 附近下沉的反h a d l e y 型经向环流( 图4 - 4 b ) ，从而对华南降水起到加强的作用。 再分析水平温度平流的作用，从8 5 0 h p a 距平温度和风场( 图4 - 6 c ) 可以 看到，华南地区上空为一支从暖中心( + o 6 k ) 吹向华南地区的西南暖平流， 而1 0 。n 附近为一支从西太平洋冷中心( 一o 6 k ) 吹向南海地区的较弱冷平流 ( 海洋上温度平流较弱) 。与这种距平温度平流相对应的经向环流必然以华南 地区出现较强上升运动，其南北两侧出现较弱的下沉运动为主要特征( 图 4 - 4 c ) 。 由于图4 4 d 反映的与西风带斜压槽有关的西风急流的作用主要表现在高 层，故主要考察2 0 0 h p a 距平纬向风场( 图4 6 d ，图中框出区为模