（气象学专业论文）南海地区降水日变化特征及其机理研究.pdf

南海地区降水日变化特征及其机理研究 南海地区降水日变化特征及其机理研究 专业：气象学 硕士生：罗聪 导师：黎伟标副教授 摘要 本文使用9 8 0 6 年的t r m m3 g 6 8 、3 8 4 2 和3 a 1 2 降水产品，q u i k s c a t n c e p 混合风场以及n c e p 一1 再分析资料，采用谐波分析方法对南海地区降水的日变化特 征及其机理进行研究，主要结论如下： 1 、南海降水日变化的区域差异比较明显。南海北部在夏秋季节主要为夜晚一 凌晨极大型，峰值出现在0 6 0 9 l t 。南海南部除了冬季外，表现出较为明显的双峰 值现象，则表现出凌晨和午后双峰值现象，分别出现在上午0 6 l t 和下午1 5 l t 前 后，南海南部的峰值出现时间要早于南海北部。加里曼丹岛及其近岸区域表现出 显著的单峰值日变化，季节差异不明显。华南地区的夏季降水日变化最为显著， 峰值出现于午后1 5 1 8 l t ，春、夏季节的凌晨0 6 l t 左右有一个弱降雨峰值出现。 2 、南海夏季风对于海洋上的日变化有较大的影响。季风爆发后，海洋的上午 降水增加，南海北部的日变化呈现双峰值型。 3 、e ln i 亢。和l an i 冗a 现象对海洋夏季降水日变化影响较大，l an i 亓a 年 的降水峰值出现时间早于e in i 吊。年，而陆地的降水日变化则无明显位相差异。 4 、南海海洋上的凌晨降雨峰值可能是静力辐射对流机制( s r c ) 引起的，而 海表加热机制( o s h ) 则是产生午后降雨极大值的原因；低纬地区的岛屿降水日 变化较为稳定，海陆风局地环流( l s b c ) 是导致其日变化的主要机制；华南区域 的日变化机制主要是地表加热机制( l s h ) ，陆地静力辐射对流机制( s r c l ) 则 有助于解释陆地的凌晨弱降雨峰值。 关键词：南海日变化机制 南海地区降水日变化特征及其机理研究 d i u r n a lv a r i a t i o n sa n dt h em e c h a n i s m sj j l u r n a lv a r l a t l o n sa n dt n e v i e c n a n l s m s o v e rs o u t hc h i n as e a m a j o r ：m e t e o r o l o g ) r n 锄把：l 1 1 0c o i l g s u p e r v i s o r ：l iw r e i b i a 0 a b s t r a c t d i m lv a r i a t i o i l so f p r e c i p i t a t i o no v e rt h es o u t hc 1 1 i i l as e a ( s c s ) a r es t u d i e du s i i l _ gt h e l l a 咖砌ca m i y s i s 啪t h o dw i t ht r m m ，q u i k s c a t 锄dn c e p 一1r e a i l a l y s i sd a t 乱t h e o l l o w sa r et h er e s u h s ： 1 ni s 南咖dt h a tt h ep r e c i p i t a t i o no v e rt h es c sl l a sl a 培ed i m lv a r i a t i o i l sw i t h c o i l s i d e r a b l er e g i o i l a lf e a t u r e s t h ed 衙m l p l l a s ec l l a n g e s 丘o mt h es o u c h t 0n o n ho v e r t h es c s o v e rt h en o r t h e mo ft h es c s ，t h ep r e c i p i t a t i o nd i u r i l a lv a r i a t i o ns h o w se a r l y i n o m i i 塔p a t t e mi i ls r 锄d 踟t l m uw h n eo v e rt h e u t h e mo f t h es c si th a st w o d i u r i l a lp e a k s ：o i l ci i lt h ee a r l yi n o n l i i 培龇l d 锄o t h e ri l lt h el a t en e r n o o l lp r e c i p i t a t i o n e x m b i t st h ei n o s tr e r m r k a b l ed i 1 1 a lf e a t l l r e so v e rt h ek s l i m 锄：t a l li s l a n d ，w 1 1 i c hp e a l 【s i 1 1t h ee v e i l i i 培，锄di t so 妇f i s h o r e 甜e 岛w l l i c hp e a k si i l m o m i i l g t h e r ei s al a t e e 、，e i l i n g e a r l ym o m i i l gm 钔( i i n u mo v e r s o u t hc l l i l 坞c o e 虹s t i i l gw i t ht l l e s t r o n g e r m i d t o 1 a t ea f t e m o o ni n a x h n u mi i ls u n m l e r 2 t h ed m 玩lv a r i a t i 0 i l so fp r e c i p 础i o no v e rt h es c se ) 【l l i b i t s i g m f i c a n t i i l t r 缌e a s o i m lf e a t u 】旧s a n e rt h eo n s e to ft h es c ss u m m e rm 0 1 1 ：s o o l l ，t h ed i 啪a l v a r i a t i o l l so fp r e c i p 胁i o no v 钌t h ew h o l es c sb e c o m em u c hm o r ep r o n o u n c e d t h c m o m i n gp r e c i p i t a t i o ni i l c r e a s e s ，a i l dt h ed i u i m lv a r i a t i o i l so v e rt h en o m i e mo ft h es c s s h o w t w op e a k s 3 7 r h ep r e c i p i t a ：c i o nr e a c h e si t sp e a l 【e a r h e r 如迦l an 妇y e a r sc o m p a r et 0i t d o e sd i u j n ge ln i n oy e a r so v e rt h eo p e no c e a n t h ed i l l r l l a 】v a r i a t i o n sl l a v ef e w d i 丘宅r e n c e so v e ri a n d 4 7 n l es t a t i cr a d i a t i o n - c o n v e c t i o n ( s r c ) m e c l l a i l i s mc a ne x p l a i nt h em o m m g r a i l l f a l lr n a x 硫mo v e rt h es c s ，w h i l et h eo c e 砚叫eh e a t i i l g ( o s h ) m e c h 砌s m 南海地区降水日变化特征及其机理研究 m a yr e s u ni i lt h ea f t e m o o nr a 砺um a x i m m t h ed 心m lv a r i a t i o n so v e rb 适i s l a n d a r ev e 巧s i g i l i f i c a n ta l lt h ey e 虬、) ，：h i c hc o u l db ea i t r i b u t e dt ot h el a n d s e ab r e e z e c i r c u l a t i o n ( l s b c ) m e c l l a l l i s i l l t h ea n e m 0 0 nr a i l l = f a um a x i m u mo v e rs o u t hc h i i l ai s d u et 0t h el a n ds u r eh e a t i i l g ( l s h ) c y c l e ，w m l et h em o n l i i l gi i l a x i i l l u mi i ld r i z z l ea n d l i g h tr a ma r i s e s 丘o mt h es r c lm e c l l a n i s m k e yw o r d s ：s c s ，d h m l 、k i a t i 0 i l s ，m e c h a i l i s 脚 i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：罗聪 日期：歹矿口，年月日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索，可以采用复印、缩印 学位论文作者签名：罗昭 日期：2 ，年f 月厂日 第一章引言 第一章引言 降水日变化规律是区域气候的重要特征，掌握降水日变化特征及其区域差异 非常重要。早在2 0 世纪初，h a l l n 【1 1 就开始对降水场的日变化进行研究，随后很多 学者对此展开一系列的深入探讨。鼢a u s 【2 。7 1 等人研究发现，一般而言，广阔洋面上 的降水峰值出现在夜晚到凌晨( e v e 血g e a r l ym o r 血g ) ，r a y 【8 4 2 】等人研究认 为陆地上的峰值通常在下午到傍晚( i i l i d t 0 1 a t em e m 0 0 n ) 出现。同时，人们也认 识到日变化具有明显的区域差异特征：a l b r i g h t 【1 3 】等在中东太平洋的热带辐合带区 域( i t c z ) 发现了上午极大型日变化，而南太平洋辐合区域( s p c z ) 则表现出午 后极大型日变化；j o r d o n 【1 4 】研究发现东大西洋存在从上午持续到傍晚的降雨峰值， 这意味这大西洋的降雨峰值比其他大多数的海域延迟近6 个小时；y a n g 【1 5 】等在研 究热带地区降水日变化时指出，海洋上的降水日变化并非是一致的凌晨极大型， 在大尺度辐合以及深对流盛行地区，有可能表现出午后降雨峰值，而陆地的降水 日变化虽然是午后极大型占主导地位，但是凌晨极大型日变化也可与之并存。 许多学者提出了各种机制解释日变化：b y e r sa 1 1 db r a h a m 【1 6 五o 】等提出最常见的 陆地降水机制是由于地表加热( l s h ) 导致对流不稳定产生午后最大值。t e n l 0 o h s a w 【2 1 】认为夜晚一凌晨极大型( l e e m ) 常见于山脉的迎风区、盆地、峡谷以 及沿海地区，该类型主要与地形、以及山谷风、海陆风等局地环流场有关；而午 后一傍晚极大型( a f i e n l o o n e a r l ye v e n i n g ) 主要与太阳辐射相关。d a i 锄dd e s e r 【2 2 】 研究了风场日变化和辐合场的关系，认为海表加热可能导致近赤道风场的对称性 日变化。此外还有m t f p s ( m a p e sa n dh o u z e 【2 3 】) 、s r c ( 心a u s 【2 】) ，d i ( r 唧舱c h t a n d 研a y 【2 4 1 ) 、o s h ( 研a ya i l dj a c o b s o n 【2 5 1 ) 、s r c l ( d a i 【2 6 1 ) 等用于解释不同类型 日变化的可能机制。 因为降水引起的潜热释放直接影响周围大气环流的变化，甚至影响到大尺度 能量和水汽循环。由于降水对于水气和能量循环高度敏感，能否准确模拟出降水 的日变化也是检验模式水气参数化方案的重要标准。r 加d a l l 【2 7 】等研究发现忽略降 水日变化时，季风降水将减小；m i t c h e l l 【2 9 】也指出增加资料的时间分辨率对于模式 南海地区降水日变化特征及其机理研究 结果有重要影响，主要原因在于它能够更好地反映出日变化。 南海是一个被大陆和岛屿环抱的热带海洋，海域辽阔，东起菲律宾群岛，西 至中南半岛，北濒我国大陆，南达印度尼西亚群岛，它是亚一澳季风系统的重要气 流通道，也是中国东部和东南部降雨的主要水汽来源【2 9 。3 0 】，南海地区的降雨以及 由此导致的潜热释放对东亚的大气环流、能量收支有重要的影响。南海地区的降 雨在空间上分布很不均匀，同时具有显著的季节变化。除了副高活动、季风潮、 冬季冷涌和热带低压活动等天气过程，南海周边广泛分布的山地地形对该地区的 降雨分布也产生强烈影响。陈举等【3 1 】的研究指出，南海受季风的影响，降水具有 显著的季节变化特征，夏季水汽充足，冬季水汽含量比较少；在空间上，南海南 部降水高于北部，东部高于西部。乔云亭等【3 2 】分析指出，南海夏季风爆发前后南 海降水发生明显的突变。 以前由于海上常规观测资料的缺乏，以及降水时空分布的不连续性，前人的 研究多关注于南海降水的空间结构和季节、季节内变化特征以及南海夏季风期间 降水的突变特征，而对于降水的日变化特征及其区域差异研究甚少。1 9 9 7 年开始 的热带降雨测量任务( t i 洲) 为我们提供了时空分辨率都较高的卫星降水资料， 本文就利用t r m m 的3 g 6 8 等降雨产品分析南海地区的降水日变化特征，并结合 q u i k s c a t 卫星资料以及n c e p l 再分析资料对其机制进行探讨。 2 第二章资料与方法 第二章资料与方法 t r m m ( t r o p i c a lr a i l l f a nm e a s u r i l l gm i s s i o n ) 卫星于1 9 9 7 年1 1 月成功发射， 能够满足对热带区域加密观测的要求。卫星上搭载的用于降雨观测的主要传感器 有：降雨雷达( p r ) 、被动式微波辐射计( t ) 以及可见、红外传感器( v i r s ) 。 本文采用的是t 删3 8 4 2 和3 g 6 8 降水产品。 3 8 4 2 算法是由t r m m 科学小组开发的一种综合降水评估算法，它结合了 2 8 31 、2 a 1 2 、微波成像专用传感器( s s ) 、改进的微波扫描辐射计( a m s r ) 、 高级微波探测器( 蝴s u ) 等多种被认为是高质量的降水评估算法，并用地球同 步红外观测系统获得的红外辐射资料进行校准，得到估测3 h 降雨率( 指该时刻前 后9 0 i n 岫，空间分辨率为o 2 5 。0 2 5 。，覆盖范围0 0 3 6 0 0 ，5 0 0 s 5 0 a n 。 3 g 6 8 降水产品包含了t r 删2 a 1 2 ( t m i ) 、2 a 2 5 ( p r ) 和2 8 3 1 ( c o m b i n e dp r ，t m i p r o f i l e ) 三种轨道降水资料的信息，时间分辨率为1 小时，空间分辨率为o 5 。 0 5 。，覆盖范围0 。一3 6 0 ，4 0 。s 一4 0 。n 。尽管3 g 6 8 产品的时间分辨率较高，但 是在统计样本量较小时会产生较大的误差。 q u i k s c a t ( 海风测量快速散射仪) 卫星是n a s a 在1 9 9 9 年6 月发射的极轨卫 星，它上面携带的s e a w i n d s ( 洋面风场散射探测仪) 主要通过探测海洋表面的起 伏状况，得到洋面l o m 的风场数据。该卫星轨道高度为8 0 3 公里，宽度1 8 0 0 k m ，每 天覆盖全球海洋的9 0 以上，利用其洋面风资料，可以很好地弥补海洋中气象资 料的缺乏。q u i k s c a t 散射计资料在国外已经得到广泛的应用，从资料性能的分析到 在天气分析、天气预报中应用，不仅如此，在欧洲中期数值预报中心，美国n c e p 等 已经把该资料同化到业务数值预报模式中，同时已有科学家将该资料应用于南海 大风遥感分析气候分析【3 3 1 。本文采用q u i k s c a t n c e p 混合风场资料，每天4 个时 次，水平分辨率为0 5 。0 5 。，时间长度为1 9 9 9 2 0 0 6 年。 n c e p n c a r ( 美国环境预测中心和大气研究中心) 全球大气每日四次再分析资 料，空间分辨率为2 5 。2 5 。，时间长度为1 9 9 8 2 0 0 6 年。本文主要利用其温 度要素场探讨日变化的机制。 南海地区降水日变化特征及其机理研究 9 8 年南海季风试验观测资料，每日四次，空间分辨率为l 。1 。，主要用于 和n c e p 一1 再分析资料进行对比验证。 本文主要运用谐波分析法对降雨、风场资料进行统计分析，得出南海地区的 降水时空变化特征，并对部分区域的降水日变化机制进行探讨。具体可参考魏凤 英编著的现代气候统计诊断与预测技术以及黄嘉佑编著的气象统计分析与 预报方法【3 4 - 3 5 1 。 4 第三章降水日变化特征及其区域差异 第三章降水日变化特征及其区域差异 3 1 南海区域划分 降水日变化规律是区域气候的重要特征，正确认识日变化规律及区域差异特 能够使我们更加深入了解降水引起的潜热释放对影响周围大气环流的变化，以此 改进和检验数值模式的水气参数化方案，从来提高数值预报的准确率。 南海是一个被大陆和岛屿环抱的热带海洋，海域辽阔，因地形和季风环流影 响，降水分布有较强的地区性和季节性。以前的学者在研究南海降水日变化进行 时，由于受资料的时空分辨率限制，通常将南海当成一个区域进行研究；但是本 文利用t r 删、q u i k s c a t 等最新卫星资料研究发现：南海降水日变化的区域差异合 季节变化都比较显著。 由图1 可见，南部的加里曼丹岛及其近岸海域全年均表现出较强的日变化， 其中岛上的日变化峰值出现在1 8 2 l l t ，而其近岸区域的峰值则出现在0 6 一0 9 l t ， 并且峰值出现的时间基本不随季节变化。南海海洋上则是夏、秋季节的日变化规 律比较显著，峰值出现在1 2 一1 5 l t ，这一现象与人们通常认为的广阔洋面上降水日 变化为夜晚一凌晨极大型有所不同；而从空间分布上看则可以发现，纬度越低的 海域，其日变化越明显。另外我们也可以看到，华南区域的夏季日变化最显著， 而秋、冬季节日变化则不明显。 南海地区降水日变化特征及其机理研究 图1 南海地区降水日变化 ( a d 分别表示春一冬季，矢量长度表示日变化幅度，方向代表降水峰值时间 向北为l t o o z ，向东表示l t 0 0 6 z ，向南表示l t1 2 z ，向西表示l t1 8 z ) 为了更好地揭示南海地区的降水日变化特征，本文根据降水日变化区域差异 将南海划分为以下几个区域进行研究： 区域范围 区域l ( 南海北部)1 1 2 - 1 1 9 0 e ，1 5 2 0 0 n 区域2 ( 南海南部) 1 1 0 - 1 1 7 0 e ，7 - 1 2 0 n 区域3 ( 岛屿) l1 4 - 1 1 7 0 e 2 4 0 n 区域4 ( 近岸区域) 1 1 0 - 1 1 3 0 e 3 - 5 0 n 区域5 ( 华南沿海) l lo 1 18 0 e ，2 2 2 5 。n 3 2 降水日变化特征 谐波分析方法是研究日变化的一个重要工具，它能将气象要素的不同位相和 振幅分离开来，可以用公式表达为如下形式： 肌脚+ 争c o s 【掣l - ， r o ) 是变量的时间序列，r 是平均值， 是第n 个谐波的振幅，如是其相应 的位相， 为周期。当_ 时，( 3 - 1 ) 式可以准确再现r ( f ) 。 有些文章在研究日变化时并没有采用谐波分析法，只是将降水进行平均然后 指出其峰值出现的时间，尽管这样做的好处是不必将降水的变化限制为谐波，但 6 第三章降水日变化特征及其区域差异 是采用谐波分析方法可以将降水的日变化和其他周期的循环区分开来。 d a i 【2 6 】研究发现：除冬季外，日周期的谐波可以反映陆地上4 0 8 0 的平均日 降水变化，海洋上约占4 0 ，而半日周期的谐波在陆地上约占1 5 2 0 ，海洋上占 2 0 4 0 。这说明利用谐波分析法研究南海降水日变化是可行的。根据d a i 的研究， 我们在公式( 3 1 ) 中取n = 1 ，2 ，p l = 1 2 办，尸2 = 2 4 厅。3 g 6 8 的资料每天有2 4 次观测值，而方程有5 个未知数，因此可以归结为求解一个超定方程，最终得到 南海地区各个区域的日变化曲线如下： c 。 e e q ) o c o o 匕 图2 9 8 一0 6 年9 年平均的南海地区降水日变化特征 ( a e 分别表示区域l 5 ) 区域l ( 图2 a ) ：南海北部的降水主要集中在夏、秋季节，降水峰值出现在 凌晨0 6 0 9 l t ，主要表现为凌晨降水极大型。夏、秋季节的日变化可以归为单峰值 类型，但是其变化幅度较小远小于陆地上，降水主要集中在白天。 7 南海地区降水日变化特征及其机理研究 区域2 ( 图2 - b ) ：南海南部春季的降水日变化为单峰值型，中午l2 i 。t 左右的 降雨最大，而其它季节主要表现为双峰值类型，分别出现在凌晨0 3 0 6 l t 和傍晚 1 5 一1 8 i 。t 。和区域1 不同的是，这一区域的两个降水峰值的雨量基本相同。 区域3 ( 图2 c ) ：加里曼丹岛的降水日变化非常明显，同变化呈现一峰一谷 型，降水主要发生在夜晚，峰值出现在2 1 l t ，谷值出现在11 l t 前后。不同季节的 降水日变化在时间和雨量上都非常接近。 区域4 ( 图2 d ) ：加里曼丹岛的近岸区域降水同变化也较明显，呈现一峰一 谷型，降水主要发生在清晨，峰值出现在0 7 0 9 l t ，谷值出现在1 8 l t 左右；不同 季节的降水日变化非常相似，但是秋、冬季节的降水略大于春、夏季。 区域5 ( 图2 一e ) ：华南地区的夏季雨量明显大于其它季节，日变化也最为显 著，峰值出现于午后1 5 1 8 l t 。同时我们也可以注意到：春、夏季节的凌晨0 6 l t 左右有一个弱降雨峰值出现，表明在华南地区，强烈的对流降雨通常产生于午后， 而毛毛细雨则通常发生在早上。在秋、冬季节，平均而言雨量很小，日变化也不 太明显。 区域3 和区域4 的日变化类型可以归结为海上大型岛屿的日变化，主要表现 为一峰一谷型，不同的是岛上的降水峰值出现于傍晚，而近岛区域的降水峰值出 现于凌晨。其日变化产生的原因主要是海陆风的影响，具体情况留待接下来的部 分再做分析。 3 3 降水空间演变特征 第三章降水日变化特征及其区域差异 l l 盏：盟澄：鍪塑塑鬣强圈叠- 一 o 20 4 0 60 811 2 1 4 图3 9 8 0 6 年9 年平均的降水空间演变特征 上一小节分析结果表明南海的降水曰变化特征有显著的区域差异，为了进一 步了解降水的日变化的空间演变特征，我们对南海及周边地区的降水场空间分布 进行统计分析。由图3 可见：0 0 l t ，在整个南海海面上降水率不足0 2r n l l l h ，降水 主要出现在加里曼丹岛；0 3 l t ，南海南部开始产生比较显著的降水，同时加里曼 9 南海地区降水日变化特征及其机理研究 丹岛的降水区域有向西移动的趋势；随着时间的推移，0 6 l t 以后，整个南海洋面 降水明显增加，而加里曼丹岛的降水区域继续西移，至0 9 l t 时只在西南角有少量 降水，1 2 l t 以后则已经基本移至海洋上，此时降水主要集中在洋面上。此后，海洋 上的降水开始减小，降水区域则由北向逐渐缩小；同时南海南部加里曼丹岛的降 雨雨量和范围再次增加，雨量和雨区都2 l l t 左右达到最大值。 总体而言：南海海洋上的降水从凌晨0 3 l t 时开始逐渐增强，雨区由南向北迅 速扩展，0 6 l t 就已覆盖整个洋面，雨量在中午1 2 l t 达到最大，此后降水开始减弱， 雨区向南撤退。而陆地( 包括中南半岛和加里曼丹岛) 的雨量则是从午后开始增 加，雨区从西边沿岸开始逐渐扩大，在2 1 l t 前后达到最大，然后慢慢西退。 l o 第四章南海夏季风前后降水日变化特征 第四章南海夏季风前后降水日变化特征 4 1 季风爆发的定义 南海季风是亚洲季风系统的重要成员。对东亚季风系统的研究表呀3 6 1 ，南海 是整个亚洲夏季风爆发最早的地区，南海夏季风在亚洲夏季风的建立和活动中起 重要的作用，它的爆发标志着东亚夏季风的来临，对亚洲地区乃至全球的的天气 变化有重要影响，南海夏季风的突然爆发可能与其周围地区的对流和降水有直接 的关联。 季风研究面临的突破首先是季风及其爆发时间的定义问题，南海季风试验 ( s c s m e x ) 以来，许多学者用多种指标对如何确定南海夏季风爆发的合理日期进 行了分析研究，这些指标大致分为动力学因子和热力学因子两大类。梁建茵、吴 尚森【3 7 1 在总结南海西南季风爆发前后8 5 卟p a 大气环流特征的基础上，采用动力学 因子( 西南风) 与热力学因子( 0 l r ) 相结合的指标，提出了一个较为客观的确定 南海西南季风爆发日期的季风指数。他们认为：当南海地区( 5 2 0 n ，1 1 0 1 2 0 e ) 平均纬向风为西风，且西风主要来源于热带低纬，持续时间在5 天以上则说明季 风建立，将首日定为南海季风爆发日。确定南海西南风主要来源于热带的方法： 首先在南海地区确定最强西风出现的位置，然后向其西8 0 9 5 e 范围内追踪最大 西风轴所在位置，如果其平均纬度低于1 5 n ，则可以认为南海西南风来源于低纬热 带气流。季风指数定义如下： i s c s m s = ( v s w 一1 0 ) a + ( 2 3 5 一v o l r ) b 其中v s w ，v o l r 为南海区域平均的8 5 0 h p a 西南风风速值和o l r 值，a 1 m s ， b = 1 0 w m 2 ，i s c s m s 由正值变为负值时，南海季风爆发。根据该指数定义的 1 9 9 8 2 0 0 6 年南海季风爆发时间如下： 表一南海夏季风爆发时间 年份 1 9 9 81 9 9 9 2 0 0 02 0 0 1 2 0 0 22 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 i 爆发时间( 月- 候) 瓦瓦 4 瓦 只d rrrq瓦瓦瓦dr式4 南海地区降水日变化特征及其机理研究 郑斌等嗍研究表明：华南夏季风降水开始日期落后于南海夏季风爆发约1 候。 另外很多学者研究指出【3 9 4 0 1 ，南海夏季风的爆发会导致雨量的增加以及雨带的推 进，但是在季风对日变化的影响方面则甚少关注，因此本文针对此问题进行一系 列的探讨。 4 2 日变化特征差异 本文分别对9 8 0 6 年南海夏季风爆发前后一个月的降雨率进行合成分析，结 果如图5 所示：南海夏季风爆发后，南海海洋上和华南沿海地区( 图4 - a ，4 - b ， 4 e ) 的降水都有明显的增加，而南部加里曼丹岛及其近岸区域的日变化差别则不 太显著。 e o l c o a 匕 图4 9 8 0 6 年9 平均的南海夏季风爆发前后一个月的日变化特征 1 2 第四章南海夏季风前后降水日变化特征 区域1 ( 图4 a ) ：南海北部在季风暴发前，降水日变化幅度较小，但是可以 看出降水主要出现在午后，峰值出现在1 5 1 8 l t 左右；季风爆发后，降水明显增 加，而且出现显著的日变化，在凌晨0 6 l t 和傍晚1 8 l t 出现了双峰值。 区域2 ( 图4 - b ) ：南海南部在季风暴发前后降水日变化较为相似，都是单峰 值类型，不同之处在于峰值出现时间由0 8 l t 延迟至0 9 l t ，降水主要出现在上午。 区域3 ( 图4 c ) ：加里曼丹岛的日变化在季风暴发前后都非常显著，日变化 呈现一峰一谷型，雨量和峰值出现时间都无明显差别，可见季风对该区域的日变 化影响不占主导地位。 区域4 ( 图4 d ) ：近岸区域降水的日变化在季风暴发前后有一定差别，尽管 该区域都是上午降水占多数，但是季风暴发后上午降水所占比例增加，而且从0 3 l t 降水就显著增加，一直持续到1 2 l t ，然后迅速减小。 区域5 ( 图4 e ) ：华南区域的日变化基本上都表现为双峰值型。差别在于季 风暴发后，午后降水显著增加，可能是由于西南暖时气流带来的充沛水汽导致午 后对流能产生更大的降水量。 4 3 空间演变特征差异 图5 为季风爆发前后的降水空间分布，我们可以发现南海地区的降水空间分 布特征在季风爆发前后有一定的差别，南海夏季风爆发后，华南沿海和南海海洋 的降水显著增加，南海北部和南部的日变化差异比较明显，而加里曼丹岛的降水 量变化不明显。 南海地区降水日变化特征及其机理研究 r a i n f a | | p r e m o n s o o n r a i n f a l | p o s t m o n s o o n 图5 9 8 一0 6 年9 年平均的季风前后一个月的累积降水量空间分布 为了揭示南海夏季风爆发前后的降水日变化空间演变特征的差异，本文分别 对9 8 0 6 年季风爆发前后一个月的降雨率进行合成分析，然后对1 1 0 一1 2 0 。e 作纬 向平均得到时问一纬度剖面图( 图6 一a ，6 一c ) ，对6 2 0 。n 作经向平均得到时间一经 度音0 面图( 图6 一b ，6 一d ) 。 季风爆发前，由时间一纬度图叮以发现，南海海洋洋面降水较为稀少，降水主 要出现在低纬度地区，近赤道地区的降水从午后1 5 l t 开始显著增加，一直持续到 第次日凌晨0 3 l t 左右。而从时间一经度图上可见，降水主要产生在1 0 5 。e 以西地 区，降水主要来自中南半岛，时间从1 5 l t 持续到次日凌晨0 0 l t 。 季风爆发后的空间演变特征与季风前有较大的差异，近赤道地区加里曼丹岛 的变化与季风前相差不大，而海洋上的降水则从0 3 l t 后丌始显著增加，并且雨区 由北向南迅速扩展，0 6 i t 后雨区逐渐覆盖整个洋面，中午1 2 l t 后，雨区又迅速撤 退到南海北部( 1 6 。n 以北) ，午后降水主要发生在南海北部和华南沿海地区。从 时间一经度图上看，降水依然集中在中南半岛，降水从午后1 5 l t 开始显著增加， 一直持续到次日凌晨，晚上2 4 l t 后的雨强有所减弱；南海洋面的降水从0 3 l t 后 大幅增加，雨区迅速向两扩展到10 0 。e ，午后1 2 l t 开始东退然后维持在1 1 4 。e 以 东地区。 第四章南海夏季风前后降水日变化特征 r a i n r a t ed r e m o n s o o n r a i n r a t ed o s t m o n s o o n 2 4 z 2 1z 18 z 15 z 12 z 0 9 z 0 6 z 0 3 z zo o z 2 4 z 2 1z 18 z 15 z 12 z 0 9 z 0 6 z 0 3 z r a i n r a t ed r e m o n s o o n zo o z1 r a i n r a t eo o s t m o n s o o n 0 2o 30 4o 50 6o 70 8 图6 9 8 0 6 年9 年平均的季风前后一个月的降水空间演变特征 总体而言：南海夏季风爆发后，海洋上的降水从凌晨0 3 l t 时丌始逐渐增强， 雨区由北向南迅速推进，0 6 l t 左右就扩展到整个洋面，从中午1 2 l t 起，雨区退回 到南海北部区域。岛屿的日变化在季风爆发前后差异不明显。 1 5 南海地区降水日变化特征及其机理研究 第五章日n j f l o 和l an i n a 年降水日变化特征 5 1 日n i f l o 年和l an i n a 年的定义 e in i n o 和l an i n a 是全球性气候异常现象，国际上关于厄尔尼诺现象公认的 判断标准是：赤道中东太平洋s s t 正距平连续6 个月以大于o 5 ，则定义1 0 月 至次年9 月为曰n i 1 0 年，指数值小于一0 5 则为l an i 亓a 年。图7 为美国气候预 报中心发布的n i 亓0 3 4 区( 5 。n 一5 。s ，1 2 0 。w 一1 7 0 0 w ) s s t 距平值，根据该指数，本文 选定1 9 9 8 为典型的e ln i 矗。成熟年，1 9 9 9 和2 0 0 0 年为l an i 矗a 成熟年。 公0 | | | i | | | | | | | | 豢0 0 塞| | 卜i | 一： _ ：扩v 一 i i _ 蝌_ 0 j _ 0 - 0 - 。0 - ： 图7 n i 矗0 3 4 区s s t 距平值 e in i 1 0 对我国降水有较大的影响：夏季风减弱，夏季雨带位置偏南，华北一 带少雨干旱，长江中下游地区进入梅雨的日期偏晚；秋季，我国东部地区容易出 现北少南多的降水分布类型。而l an i f l a 导致我国北方夏季降水增多。由于大气 环流以及副热带高压的变化，影响我国的夏季风明显增强，强劲的夏季风将大量 暖湿空气带到内陆，使我国北方地区夏季降水增多。本文比较关注的是日n i 厅。 和l an i 冗a 现象是否会影响日变化，由于t r m m3 g 6 8 资料在统计样本数较小时存 在误差较大的缺陷，因此这一部分将利用t r 删3 8 4 2 资料研究比较e ln 城。年和 l an i 矗a 年南海地区夏季降水日变化的特征差异： 1 6 第五章日n i n o 和l an i n a 年降水日变化特征 5 2 夏季降水日变化特征差异 图8 e ln i 吊。与l an i 亓a 年夏季降水日变化 从图8 可以发现，海洋上的夏季降水日变化在e in i 亢。和l an i 斤a 年有一定 差异，l an i 亢a 年，南海北部( 南部) 降水峰值出现在0 4 l t ( 0 6 l t ) ，e in i 吊。 年，南海北部( 南部) 的峰值出现在1 2 l t ( 1 4 l t ) ，e in i 亢。年的峰值出现时 间比l an i 吊a 年延迟约9 h 。加里曼丹岛近岸区域同样表现为l an i 亓a 年的降水 日变化峰值早于e in i 齐。年，但是延迟时间只有3 h 。陆地上( 包括加里曼丹岛) 的降水日变化在e ln i 吊。和l an i 吊a 年则没有明显位相差异。综上所述，海洋夏 季降水日变化差异比较显著，l an i 艽a 年的降水峰值出现时间早于e ln i 亓。年， 而陆地的夏季降水日变化则无明显位相差异。 1 7 南海地区降水日变化特征及其机理研究 第六章降水日变化机制的探讨 6 1 南海海洋日变化机制 从图2 可以发现，南海海洋上的降水多发生在0 3 1 8 l t 之间，其中南部的降 水比北部来的更早，日变化既不是海洋上常见的夜晚一凌晨极大型( h t ee v e 血g e a r l ym o r i l i i l g ) ，也不同于陆地上的午后极大型( a r e m o o n e a r l ye v e 血g ) ，而是类 似这两种类型的结合。 静力辐射对流( s i 犯一s t a t i cr a d i a t i o n - c o n v e c t i o n ) 机制是目前气象学者较为广 泛认同的用于解释海上降雨凌晨极大型的理论，可以简单阐述为：由于晚上没有 阳光，云顶水汽对太阳短波辐射的吸收降低，相对而言则云顶红外辐射加强，因 此垂直方向上的热力递减率增加，由此导致对流和降水在夜间加强。 由于高时间分辨率资料的相对缺乏，本文只能利用n c e p 一1 再分析资料对南海 海洋上的日变化机制进行定性研究，同时还利用9 8 年南海季风试验观测资料进行 夏季情况的检验，可以得到相同的结论( 图略) 。对流性降水主要是由中低云产生 的，其形成主要取决于对流层中低层的层结稳定度以及垂直扰动等因素，因此可 以利用8 5 0 h p a 至5 0 0 h p a 这两个等压面的温差随时间的变化来定性讨论温度垂直 递减率的变化，从而间接探讨降水产生的机制。图9 是( t 8 5 0 h p a t 5 0 0 h p a ) 随时间变 化的曲线，可以看出，无论是南海北部还是南部，都是0 8 l t 的温差大于白天1 4 l t ， 由于n c e p 一1 再分析资料的时间分辨率为6 h ，无法求取0 2 l t 0 8 l t 之间的温差，但 是( t 8 5 0 h p a t 5 0 0 h p a ) 的日变化为单峰值型，因此可以定性认为从0 2 l t 一0 8 l t 的温度 递减率近似是增加的，而且期间有一个最大值。根据s r c 机制，晚上的温度垂直 递减率增加，可以使得夜间的对流加强，并导致凌晨的降雨增加，形成夜晚一凌晨 极大型的日变化。 1 8 第六章日变化机制的探讨 旦一f 主三一、主嚣 二：形2 ：兰： 。j 歹少：二：_ ，。一一一 一一一 图9 温度垂直递减率的日变化 a 、b 分别代表南海北部和南海南部 虽然s r c 机制可以解释南海海洋上的凌晨降雨峰值，但是从图9 我们可以发 现，( t 8 5 0 h 附t 5 0 0 h p ：a ) 随季节变化不明显，而降水日变化的季节差异比较显著，南 海北部的春季和冬季，南部的春季并没有明显的凌晨降雨峰值出现，但是仍然存 在晚上的温度递减率比白天大的现象，因此s r c 机制可能只是导致夜晚一凌晨极大 型日变化的原因之一，而不是充要条件。 南海南部的降水日变化除了凌晨降雨峰值以外，午后1 5 l t 左右同样存在一个 降雨峰值。对该类型日变化的现有解释是强调海表温度对边界层的强迫作用，其 作用类似于地表加热机制( l s h h n d 吼j r eh e a t i i 培) 引起午后的对流，不同之 处在于这种作用发生在海洋上，称之为海表加热( o s h o c e a ns l j r f a c eh e a t i f 坞) 机制。尽管o s h 机制和l s h 机制非常相似，都是导致午后出现降水峰值的重要原 因，但是图2 - b 揭示了海洋上各个季节的日变化都存在午后降雨峰值，而图2 一e 则表明华南地区只有夏季的午后降水最显著，这是因为海洋上有充足的水汽，只 要海表温度引起的对流强迫作用足够强烈就可以产生降水，陆地上则可能因为水 汽未能达到过饱和，虽然可以形成午后热力对流，但是却无法产生强降雨。 6 2 岛屿及近岸区域的日变化机制 区域3 和区域4 的日变化无论在哪个季节都很显著，并且没有显著的季节差 异。此外，这两个区域的日变化受季风以及e ln i 乔o 、l an i 亓a 的影响很小( 见 图2 ，图4 、图8 ) ，因此可以猜测局地性因素在其日变化机制中占主导地位。 地表加热机制( l s h ) 通常用于解释日变化类型中的午后降雨极大型。地表加 1 9 5 4 5 3 5 2 5 ， 5 0 m ： 强 ： 弦 ： 孔 ： 孤 ： p 一 一od8nj-。(o昌)l 南海地区降水日变化特征及其机理研究 热机制主要通过两种过程导致降水日变化：l 、行星边界层和自由大气的静力扰动 产生降水；2 、形成中小尺度的局地热力环流，从而导致降水的出现。海陆风环流 就属于其中一种。 区域3 和区域4 为海上的大型岛屿及其临岸区域，由于海陆热力性质的差异， 其海陆风应该较为明显，或许正是这个原因导致了显著的日变化。h a u n i t z 【4 1 1 等 通过定位观测发现海陆风每天的变化与椭圆非常相近，本文参照s a r a l lt g i l l e 【4 2 1 的 方法，同样利用谐波分析来研究q u i k s c a t n c e p 混合风场的日变化，对此猜想进 行验证，结果证明了海陆风确实是导致这两个区域产生显著日变化的重要原因： “= “o + “lc o s 埘+ “2 s i n 埘( 6 1 ) 1 ，= 1 ，o + v lc o s 埘+ v 2 s i l l ( 6 2 ) 此处u = 2 兀d a y ，“o 、甜l 、甜2 、v o 、，1 、，2 为待定参数，由此得到每天的 风场矢端曲线为一椭圆，假定风向平行于椭圆主轴的时刻为丁( 即是海陆风最为 明显的