（气象学专业论文）台风活动对华北汛期降水影响的研究.pdf

台风活动对华北汛期降水影响的研究 摘要 全球变暖背景下 热带气旋活动特点的研究是当今国际台风界的研究热点 热带气旋 降水是台风活动的一个重要体现 本文以华北四省两市一个自治区为研究对象 基于 1 9 5 7 2 0 0 2 年华北汛期总降水量 华北汛期台风降水量 影响华北台风频数以及n c e p n c a i 再分析资料 利用各种先进的气候诊断技术 详细研究了台风活动对华北汛期降水的影响 华北汛期台风降水及其对华北汛期降水贡献的时 空演变规律 影响华北汛期台风降水的 台风活动特点以及有关环境场的变化特征 得到的主要结果如下 1 华北汛期降水量随时间具有减少的趋势 其与登陆台风数在华北中部 东部存在 着大面积的正相关 在南部存在着负相关 登陆台风活动多 少 年和华北中 东部汛期 降水偏多 少 同期海平面气压 8 5 0 h p a 风场以及5 0 0 h p a 高度距平场 冷空气路径环流形 势相似 2 影响华北汛期降水的台风频数随时间具有减少的变化趋势 1 9 6 7 年左右是其由多 到少的突变点 并具有显著的1 1 年和2 年的振荡周期 此外 影响华北汛期降水的登陆台 风有两个关键的登陆点 它们分别是山东沿海和台湾岛的花莲一宜兰一带 3 华北汛期台风降水量在4 6 年的时间里呈减少趋势 并具有显著的准2 3 年周期振 荡 空间分布大体表现为自东南向西北逐渐减少的分布形势 地形的影响使降水量的空f 可 分布复杂化 4 华北汛期台风降水量对汛期总降水量的贡献也表现为随时间减少的趋势 但8 月份 这一贡献却里增大趋势 空间分布上与台风降水的分布特征相似 8 月份的高值区覆盖的 面积比7 月份西伸北抬 其中心值明显大于7 月份 尤其以华北南部太行山东侧的河南更 明显 5 华北台风降水水丰 枯年海平面距平场最显著的差异在在巴尔克什湖至鄂霍次克海 一带 以及日本列岛 我国南海和菲律宾以东的洋面上 夏季台风降水丰年5 0 0 h p a 存在东 亚 太平洋遥相关型 e p a 型 而反e p a 型将会带来华北台风降水枯年 6 华北汛期台风降水与前期副高指数主要以显著的负相关为主 与冬季 卜2 月 春末夏初 5 6 月 同期极涡强度主要以正相关为主 前期5 月西太平洋海域海温和8 月 份台风降水具有显著的正相关 而前期4 月和6 月东太平洋海域海温分别与汛期7 和8 月 台风降水呈负相关 关键词 华北地区 台风活动 汛期台风降水 鱼墨重塾型望j 亟塑堕查墅堕盟婴壅 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i co ft r o p i c a lc y c l o n ea c t i v i t yi sh o t s p o ti n t e r n a t i o nt cs t u d yf i l e do nt h e g l o b a lc l i m a t ew a r m i n gb a c k g r o u n d t cr a i n f a l li sai m p o r t a n tp a r to f t y p h o o na c t i v i t y u s i n gt h en c e p n c a rm o n t h l ym e k nr e a n a l y s i si n d e xo fs u b t r o p i c a lh i 曲a n da s i ap o l a r v o r t e xa n dr a i n f a l la n dt y p h o o np r e c i p i t a t i o no f1 9 5 7 2 0 0 2o v e rn o r t hc n h ai nr a i n ys e a s o n a l e e m p l o y e dt od i a g n o s ea n da n a l y z et h et y p h o o na c t i v i t ye f f e c to nf l o o ds e a s o nr a i n f a l lt h ef e a t u r e o fs p a t i a la n dt e m p o r a lo ft y p h o o nr a i n f a l la n di tc o n t r i b u t i o nt of l o o ds e a s o np r e c i p i t a t i o n a n d t h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f c i m u l a t i o n 1 r a i n f a l lo fn o r t h c h i n ai sd i s p l a y i n gd e c r e a s e st r e m i r a l n f 班lo fn o r t h c h i n aa n dt h e 丘e q u e n c yo fl a n a i n gt y p h o o na r ep o s i t i v e l y n e g a t i v e l y c o r r e l a t e di nm o s tp a r t so fc e n t r a la n d e a s t e r n s o u t h e r n o f n o r t h c h i n a n o to n l yt h ef e a t u r eo f s e al e v e lp r e s s u r ea n d8 5 0 h p as l r e a m l i n e a n o m a l yf i e l db u ta l s ot h ec h a r a c t e r i s t i co f5 0 0 h p ah e i g ha n o m a l yf i e l da n dc o l da i rt r a c k c k c u l a f i o na r es i m i l a rt oe a c ho t h e rd u r i n gy e a r so fm o r e 1 e s s a c t i v et y p h o o na n dm o r e 1 a s s r a i n f a l lo v e rt h ec e n t r a la n de a s ta r e a so f n o r t h c h i n a 2 t y p h o o nn u m b e ri nf l o o ds e a s o ni sd i s p l a y i n gd e c r e a s ei nt h e4 6y e a r s i th a sp a r a p e r i o d o f1 i a n d 2y e a r s 1 9 6 7i st h ec a t a s t r o p h ep o i n ta tw h i c ht h ef i e q u e n c yo ft y p h o o nb e g i n sa d o w n w a r d t e n d e n c y e f f e c t s o n n o r t h e r n c h l n a r a i n f a l l t y p h o o n l a n d s a t t w o k e y a r e a s o f c o a s t a l s h a n g d o n ga n dh u a l i a n y i l a no f t a l w a n 3 t y p h o o nr a i n f a l l i n go f f l o o ds e a s o ni sg r a d u a l l yf a l l i n gi nt h ep a s t4 6y e a r sa n dc o n s i s t e n t w i 血ap a r a p e r i o d2 3y e a r s t h et y p h o o nr a i n f a l ld e c r e a s ef r o ms o u t h e a s tt on o r t h w e s t t h e r e l i e f m a k ee f f e c tm o r ec o m p l i c a t i o n 4 n o to n l yo v e r a l lt y p h o o nr a i n f a llc o n t r i b u t i o nr a t ea n dj u l yd i s p l a y i n gd e c r s a e s b e n di np a s t4 6y e a r sb u ta u g u s ti si n c r c a s e t h eh i g hv a l u eo f r a i n f a l li na u g u s tc o v e r sa l la r e a e 硪e n d i n gt ow e s ta n dn o r t h a n di sa p p a r a n f l yh i g h e rt h a nt h a ti nj u l y e s p e c i a l l yi nh e n a n p r o v i n c eo f e a s to f t a l l m u gm o u n t 5 t h en o t a b l ed i f f e r e n c eo fs e al e v e lp m s s u r ei nh i g h 1 0 w p r e c i p i t a t i o ns e a s o n sc a nb e f o u n df r o mba i k a ll a k et oo l d a o t s ks e a j a p a n e s ei s l a n d s f r o ms o u t hc h i n as e at oe a s t e m p t f i l i p p i n e s a sf o rt h e8 5 0 h p az o n a l m e r i d i o n a l w i n d i td i f f e r e n t i a t e sal o ta tn o r t h e a s to f n o r t h c h i n at on o r t ho fk o r e ap e n i n s u l aa n dj a p a ns e a e a s ts e aa n dw e s tp a c i f i co c e a n e a s ts i d eo f c e n t r a ls o u t hp e n i n s u l a e a s t e r no fn o r t hc h i n a a n dt h ec e n t e ro ft h ep a c i f i co c e a n i nm o r e t y p h o o n r a i n f a l l y e a r s t h e r ei s at e l e c o n n e c t i o n p a t t e mf o r5 0 0 h p ac a l l e de u r o p e a s i a p a t t e r n m e a n w h i l en e g a t i v ee p am i g h tr e s u l ti nl e s st y p h o o nr a i n f a l l 2 鱼垦递垫型兰j 墨塑竖查丝堕堕堑壅 6 n o to n l ys u m m e rt y p h o o nr a i n f 烈1b ma l s om o n t h l yt y p h o o np r e c i p i t a t i o nh a sw e l l c o r r e l a t i o n w i t h i n d e xo f s u b t r o p i c a l h i 曲a n d a s i a p o l a r v o r t e x s s t k e y w o r d s n o r t hc h i n ar e g i o n t y p h o o na c t i v i t y f l o o ds e a s o nt y p h o o np r e c i p i t a t i o n 3 台风活动对华北汛期降水影响的研究 第1 章绪论 引言 热带气旋 t 是影响我国的重要天气系统 虽然它常常以 种灾害性天气系统出现 但在一定的地区和时期 t c 降水会缓解旱情 在区域性降水中占有重要的地位 近年来 热带气旋活动对全球变暖响应的研究在台风界得到了极大关注 最近在s c i e n c e w e b s t e r e ta 12 0 0 5 t r e m b e r t h2 0 0 5 k e i t2 0 0 6 和n a t u r e e m a n u d2 0 0 5 上接连发表了多篇文献对此 问题进行报道 与热带气旋活动有关的降水是台风活动的重要表现 对全球变暖背景下热 带气旋降水演变规律的研究具有重要的理论和实际意义 华北地区属大陆中纬度地区暖温带半干旱半湿润季风气候 冬季受大陆北部南下的冬 季风控制 气候十分干燥寒冷少雨 比同纬度其它地区温度偏低 夏季则受从低纬度洋面 来的夏季风影响 降水偏多 变率大 干旱发生频率高 比同纬度其它地区温度偏高 雨 季和干季也很明显 吴正华 1 9 9 9 顾廷敏等 1 9 9 1 王馥棠等 1 9 9 7 华北地区是我国 水资源严重匮乏的主要地区之一 该区入均占有水量在全国各大流域中是最低的 旌雅风 1 9 e 5 随着社会经济的发展 水资源危机目趋严重 缺水问题一直困扰着该区域经济的发 展和人民生活水平的提高 由于长期严重缺水 造成地下水位大幅度降低 地面下沉 海 水入侵 水质和生态环境恶化 其危害影响深远 因此加强华北地区水资源问题的研究具 有非常重要的现实意义 由于华北地区所处的地理位置 虽然t c 的影响总体来说远小于 我国华东和华南地区 但t c 活动对其降水到底有怎样的影响以及这一影响有怎样的演变 特点等是有待于分析的重要问题 本论文的工作重点是开展全球变暖背景下 台风活动对 华北汛期降水的影响以及华北热带气旋降水变化特点的研究 我们将提出这一领域的新结 果 广大气象科研工作者在副热带高压 地形 季风 海温 高原加热 台风以及极端天 气事件等对华北汛期降水影响的机制进行了长期的研究 取得的丰硕成果是本文研究的工 作背景 需要对这个背景傲一个比较系统的说明 在这些背景叙述的基础上 本章最后给 出本文的研究内容和创新特色 1 1 西太平洋副热带高压对华北汛期降永的影响 西太平副热带高压 以下简称 副热带高压 是制约大气环流变化的重要成员之一 是控制热带 副热带地区的 持久的大型天气系统之一 朱乾根等 2 0 0 2 副热带高压的 位置 面积和强度对华北地区降水有着极其重要的作用 研究表明 5 月下旬到7 月中旬 副高脊线稳定在2 2 2 7 a n 之间 主要雨带推进到黄河流域以南 华北南部进入雨季 华北 往往出现南涝北早的天气 7 月中旬副高再次季节性北跳 脊线到达3 0 n 附近 雨带推进 到黄河与海河流域 整个华北地区进入雨季 9 月下旬 副高势力减弱并开始南撤 脊线 4 台风活动对华北汛期降水影响的研究 退至2 5 n 以南 华北雨季结束 曹钢锋等 1 9 8 8 顾廷敏等 1 9 9 1 如果副高不能顺利 北跳 脊线不能跳跃到2 5 口n 以北时 则会使长江以南地区的降水偏多 甚至发生雨涝 而 我国北方地区会发生严重干旱 尤其是副热带高压过于偏西 海洋输送的水汽便会受阻 北方的许多次大早是如此 叶笃正等 1 9 9 6 温敏等 1 9 9 7 当副高在某地停留过长 其 控制区干旱少雨 其北侧雨水偏多 造成洪涝 南侧则会经常受到台风暴雨的侵袭 带来 严重经济损失 吴国雄等 2 0 0 2 造成华北干旱的三种东亚环流型都是由于副热带高压与 大陆高压相结合 切断南来的暖湿气流 使华北出现干旱少雨 毕慕莹 1 9 9 0 所以副高 位置的配置对我国华北地区的降水有很大的影响 不仅如此 副热带高压各特征指数 与 我国汛期降水的分布与旱涝都有密切的关系 其中以与副热带高压脊线位置的关系为最佳 分析指出 7 8 月平均副热带高压脊线与江南南部到华南地区和黄河以北的大范围地区呈 正相关 而与长江流域的大范围地区为负相关 这表明当汛期副热带高压脊线位置偏北时 我国长江流域大部分地区易少雨 伏旱明显 而我国北方大部分地区和江南南部 华南等 地易涝 全国降水出现大致为南北多 中间少的分布特征 相反 当汛期副热带高压脊线 位置偏南时 长江流域太范围地区将出现多雨 我国北方大部分地区和江南南部的华南地 区降水偏少 全国出现两头少中间多的分布特征 赵振国等 1 9 9 9 1 2 地形对华北汛期降水的影响 华北地域辽阔 地形复杂 其独特的地形对该地区大雨和暴雨的分布具有不可替代的 作用 由于山地对暖湿气流的抬升作用 使得山地的迎风坡降水量普遍偏多 暴雨集中 而在山地的背风坡 由于气流下沉增温 加之水汽减少 降水量明显不如前者 暴雨出现 较少 顾廷敏等 1 9 9 1 游景炎等 1 9 9 2 李克让等 1 9 9 0 2 0 0 1 年8 号台风桃芝登陆 之后影响山东产生强烈降水以及 7 5 8 河南特大暴雨 都是由于地形对台风降水的再分配 起到了重要的作用 李庆宝 2 0 0 2 7 5 8 暴雨研究会战领导小组 1 9 7 7 但是 旦降 低地形的高度后 则华北地区迎风坡地形抬升作用减弱 从而减小了迎风坡的降水 范广 洲等 1 9 9 9 可见华北地形对其降水 尤其是大至0 暴雨天气具有不可忽视的制约作用 i 3 夏季风对华北汛期降水的影响 华北位于我国副热带季风气候区 高由禧等 1 9 6 2 夏季风对华北汛期降水的影响 有其时间和空间上的变化特征 即 从时间上来说 在夏季风到达早的年份 最大月雨量 出现在7 月 夏季风到达晚的年份 最大月雨量出现在8 月 而从空间上分析 华北降水 与夏季风强度的关系以黄河为界 在黄河以南二者呈负相关 而在北侧二者呈正相关 李 克让等 1 9 9 0 竺可桢 1 9 7 9 华北地区干旱年和降水偏多年的前期亚洲季风区热源就已 存在明显的不同 华北汛期干旱年前期 亚洲季风区的热源偏弱且位置偏南 表现出季节 变化推迟的趋势 华北汛期降水偏多年前期 亚洲季风的热源偏强且位置偏北 表现出季 5 台风活动对华北汛期降水影响的研究 节变化提早的趋势 华北汛期干旱年同期亚洲季风减弱 且降水偏多年同期 亚洲季风增 强 赵声蓉等 2 0 0 2 利用o l r 资料定义的i t c z 指数综合反映出印度季风和东亚季风的 强度和位置 并指出华北汛期降水偏多年 印度季风和东亚季风位置偏北 偏强 汛期降 水偏少年 印度和东亚季风偏南 强度弱 另外 华北汛期降水与2 4 个月之前的i t c z 有 很好的时滞相关 z h a n ge ta l 2 0 0 1 1 4 太平洋地区海温异常对华北汛期降水的影响 海洋作为水汽的重要来源和大气的加热场 它的各种变化对气候变化 降水多寡起着 决定性作用 近年科研人员对热带海洋海表温度的分布特征 各种尺度的变化以及对降水 的影响进行了许多研究 发现其影响非常显著 b r a d l e y e ta l 1 9 8 7 n i t t a e ta l 1 9 8 9 符淙斌 1 9 9 1 目前各海区海温对华北汛期降水的影响研究指出 赤道东太平洋海 温与华北地区汛期降水的相关 超过0 0 5 的显著性水平检验 是我国与海温相关最高的区 域 而且华北春季和汛期干早期及多雨期对应着赤道东太平洋区域不同的距平分布 粱平 德 1 9 8 6 魏风英等 2 0 0 3 华北汛期降水量与赤道东太平洋海温有负相关 当华北汛期 降水量多 少 时 对应的赤道东太平洋海温呈显著的负 正 异常 当赤道中东太平洋 海温处于升高阶段 即e n s o 事件的发展阶段 华北出现严重干旱 反之 华北易出现雨 涝 陆日宇 2 0 0 5 黄荣辉等 1 9 9 4 杨修群等 2 0 0 5 孙安健等 2 0 0 0 西风漂流区海 温与华北汛期降水的关系也得到了研究 即西风漂流区海温出现正异常时 华北汛期降水 偏多 反之 华北汛期降水偏少 于润玲等 2 0 0 3 华北汛期降水量与西北太平洋海温的 相关研究表明 华北汛期降水与当年3 4 月份北太平洋海温场的相关最高 夏涝年 西北 太平洋海温场为正距平 夏旱年则相反 叶笃正等 1 9 9 6 赤道太平洋大范围的升温和降温导致的厄尔尼诺和拉尼娜现象也与华北旱涝具有很好 的相关关系 研究结果发现 e n s o 现象酝酿阶段华北汛期降水处于正常略偏多 在发展阶 段华北位于我国汛期降水偏少的中心 在e n s o 现象减弱阶段华北汛期降水又进入了多雨期 叶笃正等 1 9 9 6 h u a n ge ta l 1 9 8 9 e n s o 东部型峰期过后 华北地区降水偏多 中 部型峰期过后 华北降水偏少 林学椿等 1 9 9 3 而且进入8 0 年代之后 e n s o 现象的暖 事件年华北汛期降水减少更加明显 夏冬冬等 2 0 0 3 这些研究归结为两点 第一 e n s o 对华北地区降水的影响明显 第二 影响过程和结果是复杂的 l5 海冰对华北汛期降水的影喻 海冰被认为是天气和气候变化的一个重要影响因子 研究发现 冬季喀拉海 巴伦支 海海冰与同期8 月海河流域的降水呈负相关 武炳义等 2 0 0 0 哈得孙湾冬季海冰分别与 同期华北夏季5 月和6 8 月降水里负相关 即当哈得孙湾海冰面积偏大时 同期夏季5 月 和6 8 月降水量偏少 反之降水偏多 谢付莹等 2 0 0 3 6 台风活动对华北汛期降水影响的研究 1 6 青藏高原对华北汛期降水的影响 青藏高原耸立于对流层低层 平均海拔高度在4 0 0 0 米以上 是世界上面积最大 平均 高度最高 地形最复杂的高原 其雪盖可以改变地表面的热状况 其地温更是改变其他热 源的重要因子 高原雪盖一直被视为研究高原对下游地区的影响的重要因素 研究认为 青藏高原冬 春积雪多的年份之后的春季 5 月 到初夏 6 月 东亚北风较强 偏南季风较弱 有利 于中国北方少雨 徐国昌等 1 9 9 4 高原地温异常同样与华北汛期降水具有一定的关系 研究指出青藏高原东北部和西南部0 5 m 0 8 m 地温异常与华北汛期降水具有显著的正相 关 而高原区域平均的异常影响我国绝大部分地区的降水 余锦华等 2 0 0 6 李超 1 9 9 5 河北北部大多测站的降水与一个月前高原东部热源具有正相关 而河北东南部大多测站的 降水与两个月前高原东部热源存在着正相关 罗会邦等 1 9 9 5 1 7 台风对华北汛期降水影响的研究进展 台风是地球上最强烈的一种成灾自然现象 在对1 9 4 7 1 9 8 0 年全球1 0 种主要自然灾害 的统计中 发现在这3 4 年间这1 0 种自然灾害造成死亡总数为1 2 1 3 万人 其中以台风灾 害造成死亡人数最多 达4 9 9 万人 b i n de ta l 1 9 8 3 全球每年发生8 0 一1 0 0 个热带 气旋 平均每年造成损失高达6 0 一7 0 多亿美元的经济损失和2 万人死亡 个别台风造成的 灾害更惊人 a n t h e se ta l 1 9 8 2 中国是世界上受台风影响最严重的国家之一 全国约 有五分之四的省 市 自治区可能受到台风的影响 尤其是从华南到东北长达1 8 万多公 里的沿海地带更是常受台风之害 陈联寿等 1 9 7 9 据亚太经济理事会 e s c a p 和世界 气象组织 w m 0 所属台风委员会年度报告 a n n u a lr e p o r t 公布数据统计表明 我国由 于台风平均每年造成2 4 6 亿经济损失 死亡5 7 0 人 造成的经济损失是日本的7 3 倍 菲 律宾的1 0 2 倍 越南的2 2 3 倍 人员伤亡分别是上述三国的4 2 倍 7 6 倍和1 9 3 倍 陈 联寿 2 0 0 1 可见我国台风灾害之深重 虽然每年夏季影响华北的登陆台风并不多 据1 9 4 0 1 9 8 8 年资料统计 登陆并移近华 北地区的台风平均每年仅为0 7 6 个 游景炎等 1 9 9 2 但其产生的降水却具有范围广 最 北可达到4 s n 附近 最西可以抵达1 0 9 e 即除了内蒙古的西部外 我国华北都受到了登 陆台风的影响 强度大 如创造我国l 小时 3 小时 6 小时 1 2 小时 2 4 小时 三天最 大雨量记录的7 5 8 河南特大暴雨 等特征 自2 0 世纪7 0 年代中期以来华北台风降水引起 了广大气象科研人员的重视 目前在个例分析 数值模拟以及气候诊断等方面的研究日趋 完善 成果累累 1 7 1 影响华北汛期降水的台风个例诊断研究 个例的诊断分析是近年来研究台风对华北汛期降水影响的主要手段 7 0 年代末8 0 年 台风活动对华北汛期降水影响的研究 代初 有专家 陶诗言等 1 9 8 0 综合研究了河南 7 5 8 河北 6 3 8 陕西和内蒙交界 7 7 8 特大暴雨指出 这些在当地乃至全国造成重大经济和人民生命财产损失的灾害都是 由于台风与中低空急流 西风槽等天气尺度和当地独特的地形相结合产生的 2 0 世纪初 又有科研人员 仇永炎 1 9 9 7 利用1 9 4 9 1 9 9 6 年汛期期间 我国北方地区1 0 次过程降 水最大值大于4 0 0 m m 的台风暴雨实例 根据中高纬度环流系统之间的相互作用 把台风槽 河套西风槽 日本海渤海高压 上海地区8 5 0 h p a 东南急流以及弱冷空气入侵台风等5 个因 子作为分类依据 提出了相互作用型 亚相互作用型和非相互作用型等三种台风影响北方 的类型 对于影响华北各区域的台风个例的研究也取得了一定的成绩 对 9 4 7 北京和河 北范围内特大暴雨的研究发现 方文举 1 9 9 5 周文吉等 1 9 9 5 李青春等 1 9 9 5 由于 受 9 4 6 台风和西风槽同共同影响造成了北京和河北境内强度大 面积广和降水时间集中 等的特大暴雨 此次降水低层水汽辐合中心与暴雨中心基本相重合 低层水汽辐合及上升 运动的加强与1 2 小时最大降雨量相对应 而且对流层低层对应有明显的温湿水平能量锋 区 这种能量锋区与同时次6 小时降水相对应 9 6 8 河北特大暴雨的出现是由于9 6 0 8 号 台风登陆之后残余低涡一直向西北移动 使得南部倒槽和北部冷槽在河北相遇 从而河北 上空辐合加剧 引起强烈的位势不稳定能量释放 导致中尺度云团新生和迅速发展 而这 些中尺度云团不仅可使降水增幅 而且可以直接引起强降水产生 任振球 1 9 9 7 李云川等 1 9 9 9 分析指出造成河南开封 8 4 8 特大暴雨的主要原因还是由于8 4 0 7 号台风在开封附 近形成高能级湿层 大气具有较强的上升运动和对流不稳定 孙晖 1 9 9 4 9 7 1 1 和 9 9 0 7 是两个影响山东汛期降水的台风 给山东带来了暴雨天气 在对其湿位涡诊断分析中可以 发现 两个台风引起的这两场暴雨都产生在oe 相当位涡 陡立密集区附近 oe 陡立 密集区附近易导致湿斜压涡度发展 对流层高层高值湿位涡下传 有利于位势不稳定能量 的储存和释放 使降水增幅 赵宇等 2 0 0 4 2 0 0 1 年8 号台风 桃芝 登陆填塞后又重 新发展加强 并在北移中给山东半岛带来特大暴雨 研究指出造成台风减弱之后又重新发 展的主要原因是低值系统同位相叠加和冷空气侵入 而造成台风 桃芝 路径突然转北的 原因是冷槽 逆转 和副热带高压从日本向朝鲜半岛发展引起我国东部径向环流加强 南 风急流加大 李庆宝等 2 0 0 4 1 7 2 影响华北汛期降水的台风模拟研究 个例的数值模式试验是8 0 年代以来科研人员热衷的一种研究方式 针对影响华北各区 域的台风降水的数值试验也不在少数 9 0 年代利用m m 4 模式研究了河北r 9 6 8 特大暴雨 的水汽敏感性试验分析发现 徐国强等 1 9 9 9 台风在此次特大暴雨过程中的水汽输送作 用是不容忽视的 而且水汽小的变化可能会引起降水量大的改变 利用非静力m m 5 模式更 详细 具体地模拟出了造成 9 6 8 特大暴雨的 9 6 0 8 号台风登陆之后的低压具有的涡柱 8 台风活动对华北汛期降水影响的研究 的暖心高湿结构和急流对暴雨形成过程中的水汽输送和降水量级大小具有至关重要的作 用 台风倒槽内发生发展的2 个中尺度对流云团是造成此次暴雨的直接影响系统 暴雨期 间 低空急流不仅强度大 而且伸展高度也相对较高 分析还表明太行山对对流系统的阻 挡可能是导致强降水长时间维持在石家庄附近的原因之一 冯伍虎等 2 0 0 1 孙建华等 2 0 0 6 1 9 9 2 年8 月3 0 日至9 月2 日的一次登陆北上台风暴雨过程 对华北地区造成了巨 大的经济损失 利用一个混合相云模式对该过程进行了模拟研究 黎清才等 1 9 9 8 发现 该模式能够很好地模拟台风暴雨的增幅 并指出造成台风降水增幅的原因可能主要是由于 江南沿岸的低层云水区突然快速北移与高层冰晶云相重叠造成的 利用北京大学地球物理 系暴雨监测与预报国家重点实验室发展的有限区域数值模式对1 9 9 2 年1 6 号台风的研究发 现 黄伟等 1 9 9 6 该模式预报的台风和实际台风移动方向 致 移动距离相当 而且能 够比较好地预报出由台风倒槽所引起的强降水 印证了地形确实对台风的位置和降水的制 约作用 1 7 3 影响华北讯期降水的台风气候特征分析 在近半个世纪的时间里 从气候角度分析登陆台风对华北降水影响的研究也进行了许 多 有研究人员 r e ne ta l 2 0 0 2 从台风的影响频率 台风降水的气候特征 个例降 水分析研究认为 台风影响中国的主要季节为5 1 1 月 尤其以7 至9 月频繁 而重点影 响中国的海南和东南沿海地区 长江以南大部地区每年都受到台风的影响 并指出影响区 域大部分地区的台风降水在过去4 0 年中表现出下降的趋势 统计发现在1 9 4 9 2 0 0 0 年的 5 2 年时间里由台风引起的暴雨共5 1 次 平均约每年1 次 且主要出现在汛期 尤以7 8 月 最多 影响华北的台风登陆地点以及移出或消失地点具有明显的特征 其中福建 浙江沿海 登陆次数最多 边清河等 2 0 0 5 1 9 9 4 年是影响我国热带气旋明显偏多的一年 当年有 4 个热带气旋影响山东 有研究指出西太平洋副热带高压稳定偏北和海面温度明显偏高 是北上热带气旋偏多的主要原因 而北上的热带气旋和西风槽相结合是引起明显台风降水 增幅 是造成山东降水强度与范围加大的重要前提 倒槽环流产生的热带气旋降水 无论 是出现的时间还是强度都比无倒槽环流产生的热带气旋降水旱和强 张少林等 1 9 9 6 河 南也是华北汛期受台风影响的主要省份之一 在1 9 4 9 1 9 9 8 年的时间里有3 l 例台风通过直 接或间接在河南产生了降水甚至暴雨 在这些影响台风中主要以在闽 浙登陆的居多 而 台风暴雨一般出现在台风登陆后的卜3 日 登陆时中心气压均 和 热 带气旋年鉴 1 9 8 9 2 0 0 2 台风降水量指的是由台风系统本身及其与中纬度系统相互作用 引起的降水量 副热带高压强度指数 面积 脊线 北界 脊点指数 亚洲极涡强度和面积指数取自 国家气候中心的7 4 项环流指数集 国家自然科学基金会地学部南京信息工程大学大气资料服务中心提供了n c e p n c a r 的 再分析的全球海温资料 分辨率为1 1 度 资料序列长度为1 7 8 7 个月 1 8 5 4 年1 月 2 0 0 2 年1 1 月 5 0 0 h p a 高度场 8 0 0 h p a 风场 地面气压场 以上资料分辨率均为2 5 x 2 5 度 国家自然科学基金会地学部南京信息工程大学大气资料服务中心提供了n c e p n c a r 的 再分析的射出长波辐射 o l r 以上资料序列长度为6 6 4 个月 1 9 4 8 年1 月一2 0 0 3 年4 月 其中缺1 9 7 8 年资料 以上资料分辨率均为2 5 x 2 5 度 2 2 研究中所使用方法简介 2 2 1 经验正交函数 e o f 和旋转经验正交函数 r e o f 分解 吴洪宝等 2 0 0 5 魏风英 1 9 9 9 将华北汛期台风降水原始资料写成矩阵 1 4 台风括动对华北汛期降水影响的研究 i 矩阵x 的每一行是一个站点上的资料序列风 t l 2 n 每一列是样本 时间 在各站 点的资料 x mi l 2 然后根据以下步骤进行e o f 分解 1 对原始矩阵x 作标准化处理 由于空间点数大于样本量 则在此进行时空转换过程 的计算 然后计算其协方差矩阵s x x s 是m m 的实对称矩阵 2 用求实对称矩阵的特征值及特征向量方法 最常用的实j a c o b i 方法 求出协方差 矩阵的特征根 和特征向量v r 1 3 利用公式v 删x 和v n 二v 求出特征向量v n 即xx 的特征向量 a 4 求出特征向量和特征值之后 利用t v x 求出时间系数矩阵t 5 利用n o r t h 等人提出的计算特征值误差范围进行显著性检验 对通过检验的特征值 所对应的特征向量和时间系数进行分析 从而得到分析对象的空间和时间的分布特征 旋转经验正交展开是在经验正交展开的基础之上 其具体计算步骤如下 将华北汛期台风降水量原始资料写成矩阵 巨 矩阵x 的每一行是一个站点上的资料序列x mt l 2 n 每一列是样本 时间 在各站 点的资料 x i t i l 2 m 然后根据以下步骤进行旋转经验正交展开分解 1 对原始矩阵x 作标准化处理 然后计算其相关矩阵r 利用j a c o b i 法计算特征值a 和特征向量v 2 利用以下三种准则之一来确定旋转特征向量的个数 由经验正交展开的累积方差贡献来确定 一般可取累计方差贡献达8 5 标准来确定 旋转特征向量的个数 参通过特征值对数曲线变化来确定旋转特征向量的个数 如果某个特征值之后的直线 的斜率明显变小 即以该点特征值的个数作为旋转特征向量的个数 1 5 m 耽 撇 一 m p 黔 1 j 砌 胁 靴 娩 撇 台风活动对华北汛期降水影响的研究 f 用n o r t h 特征值误茬范围来确定旋转特征向量的个数 e j j 木i f 其中 为特征 y 挥 值 n 为样本量 当相邻的特征值 j l 满足 厂 j 一 e j 时 就认为这两个特征值对应的特 征向量的个数是有意义的 3 计算初始载荷矩阵v 2 功旯 和公共因子方差巧 芑访 j l 4 极大方差正交旋转过程 首先 进行因子载荷阵的正规化 其次 将两两因子进行 旋转得到矿t 及方差 g 再用矿t 为新因子载荷阵最终得到新的因子载荷矩阵矿 5 计算方差贡献率和累计方差贡献率 最后通过分析载荷向量和时间系数得到华北汛期降水的空间和时间上的分布特征 2 2 2 奇异谱分析 s s a 吴洪宝等 2 0 0 5 魏风英 1 9 9 9 余锦华等 2 0 0 0 奇异谱分析是从时间序列的动力重构出发 并与经验正交函数相联系的一种统计技术 它己经广泛使用在时间范围上的数字信号处理技术中 b r o o m h e a d 和k i n g 及f r e a d r i c h 最 先将s s a 引入到非线性动力学研究 后来由v a u t a r d 和g h i l 将其进行了一系列改进 并应 用研究气候序列周期振荡现中 s s a 的优点主要表现在两方面 一是它的滤波器不象通常 的谱分析需要预先给定 而是根据资料自身最优确定 因此 它适合确定和寻找噪音系统 中的弱信号 尤其它不需要作时间序列由不同频率正弦波迭加而成的假定 因而也就无需 将一个本质上是非线性振荡的信号分解为大量正弦波之迭加来讨论 二是对嵌套空间维数 i l l 的限定 可以使得对震荡的转换进行时间定位 s s a 是一种特别适合识别隐含在气候序列 中的弱信号 s s a 的主要计算步骤如下 i 给定一个间隔为l 取样 样本量为n 均值为0 的时间序列z x r 再给定 嵌套空间维数朋 ms 了n ta 则 可将原时间序列z 排列为m n 的资料矩阵 其中 即r m 1 x x x 2 x 2x 3 x mx w 1 1 6 1 j 洳 m 台风活动对华北汛期降水影响的研究 2 计算矩阵x 的滞后自协方差则是一个m m 的矩阵 即 去砉x 叫 其中j 时 间滞后步长 j l 2 m 显然 s t j 为对称阵且主对角线为同一常数 称为t o e p l i t z 矩 阵 3 利用j a c o b i 方法求解协方差矩阵s j 的特征值 x 和相应的特征向量 再利用 t p 兰x 妒f t 2 1 2 n 求出时间主分量 其中p u 为时间经验正交函数 1 4 将特征值大小排列 并计算方差贡献隐r i 生 i 1 2 聊 五 5 利用矾 2 n d l 2 允 其中n d 为给定窗口m 的自由度个数 n d m 一1 计算各特征值的误差范围 若某对t e o f 对应的特征值满足 2 1 尢i m i n 6 l 巧见 的条件 则进一步计算这对t p c 的滞后相关系数 将相关系数亦按大小排列 如果存在较大数值 表示这对t p c 代表系统的基本周期 6 计算周期 由于上述一对t p c 近于正交 j 滞后时间内相差9 0 0 一个周期3 6 0 0 为4 j 将最大滞后相关系数对应的滞后时间长度j 乘以4 所得到的周期就是系统存在的 显著周期 7 考察是否还有其他成对的特征值满足第5 6 步中的条件 也视为统计的基本周期 但是当满足条件的特征值出现在某个非线性动力系统的统计维数s 之后就无需再考虑 当 特征值 t 随k 的变化曲线斜率由明显的负值转化为近似0 时 对应的k 就是统计维数s 另外 还有3 个检验周期成分显著的判据 1 两个相邻的特征根相接近 即特征根五和五 1 接近 在后面用到s s a 处意义一致 2 2 m f f 了2 其中e 2 为频率响应函数 后面用到s s a 时意 义相同 通过以上的计算即可以得到所研究的原始资料的气候时间序列隐含的显著周期 2 2 3 小波分析 吴洪宝等 2 0 0 5 魏风英 1 9 9 9 1 7 堂墨适塾 丝 墨塑壁查星堕塑堡塞 2 2 4m a n n k e n d a l l 突变检验法 魏风英 1 9 9 9 a n n k e n d a l l 法是一种非参数统计检验方法 其优点是不需要样本遵从一定的分布 也不受少数异常值的干扰 更适用于类型变量和顺序变量 计算也比较简便 其计算方法 概述如下 对于具有力个样本量的时序列x 构造一秩序列 kr 上1 t 意 2 3 以 其中 汀当x x j 1 2 f 可见 秩序列矗是第i 时刻数值大于j 时刻数值个数的累计数 在时间序列随机独立的假设下 定义统计量 u f k 丽 s k e s d 七 1 2 n 其中e 弼 0 e s k v a r s k 是累计数 的均值和方差 在而 x 2 x 相互独立 且 有相同连续分布时 它们可由下式算出 e s d 掣 v a t s n n 面1 2 一n 5 u f 为标准正态分布 它是按时间序列xn n x l x 2 x n 计算出的统计量序列 绘定显 著性水平a 查正态分布表 若j c 田j 则表明序列存在明显的趋势变化 按时间序列x 逆序列x x 州 x 1 再重复上述过程 同时使 u b t 一l 疆l 后 阼一1 1 e 理毛 0 通过以上计算之后 可以分别绘出呱和u b 曲线 若呱或u 吼的值大于0 则表 明序列呈上升趋势 小于0 则表明里下降趋势 当它们超过临界直线时 表明上升或下降 趋势显著 超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域 如果呱和u b 两条曲线出现 交电 且交点在j 临界线之间 那么交点对应的时刻便是突变开始的时间 2 2 5 相关分析 魏风英 1 9 9 9 用来描述两个时间序列之间相互关系的方法 用相关系数法表示 其数学表达式为 台风活动对华北汛期降水影响的研究 三喜 等 学 濮咚轧棚崂鼽襻嘲她黼糍一碱还 使用了相关分析 合成分析以及合成合成t 检验等统计方法 白绝对值越大 表示两者的 关系越密切 2 2 6 差值t 检验 魏风英 1 9 9 9 文中分别对多 少登陆台风年和降水丰 枯年所对应的高低空环流进行了差值计算 为了对其进行显著性检验 多 少 用下述公式 x y 趣一1 s 2 卯 一1 s 2 1 1 v 尼1 靠2 2 叫 1 栉2 上式中砟 栉z 分别是多 少登陆台风数或多少雨年的年数 i 歹分别是多 少登陆台风 年或多 少降水年时段要素的多年平均值 砰 s 2 2 是相应的方差 参考文献 1 荣艳淑 大范围气候变化与华北干旱研究 南京 南京气象学院博士论文 2 0 0 4 年6 月 1 8 2 7 2 魏风英 现代气候统计诊断与预测技术 北京 气象出版社 1 9 9 9 年 1 0 月 3 吴洪宝 吴蕾 气候变率诊断和预测方法 北京 气象出版社 2 0 0 5 年 1 0 月 4 余锦华 丁裕国 江志红 我国近百年气温变化的奇异谱分析 j 南京气象学院学报 2 0 0 0 2 3 4 5 8 6 5 9 3 1 9 台风活动对华北汛期降水影响的研究 第3 章华北汛期降水的时空分布特征 华北是我国旱涝灾害最为频繁和强烈的地区之一 也是我国降水变率最大的地区 更 是我国水土流失最为严重的区域之一 所有这些都与华北汛期降水量的多寡具有密不可分 的联系 汛期降水直接制约着这里的农业的发展和自然环境的变化 5 0 年代中期 研究指 出 叶笃正等 1 9 5 6 位于黄河流域中游的山西以东和渤海以西的华北平原夏季降水量占 全年的7 0 以上 最大超过8 0 是全国范围内少有的几个夏雨集中区 进入8 0 年代之后 针对华北汛期降水的研究日渐完善 既研究了华北汛期降水的自身变化特征 顾廷敏等 1 9 9 1 陈波涔等 1 9 8 2 张庆云 1 9 9 9 还研究了华北汛期降水与5 0 0 h p a 位势高度场 西太副高脊线位置 贝加尔湖阻高出现频次 南亚高压强度和中心位置以及