對比研究1963年和1996年華北夏季降水的不同誘因,大氣科學論文

對比研究1963年和1996年華北夏季降水的不同誘因,大氣科學論文0引言針對特殊年份或者不同年代際背景下的天氣氣候的研究一直就有。比方,張慶云等[1]研究分析了1998年夏嫩江松花江流域持續(xù)性暴雨的環(huán)流條件及其演變特征。毛江玉和吳國雄[2]研究了1991年梅雨期間江淮洪澇區(qū)降水的季節(jié)內(nèi)振蕩及其環(huán)流特征,著重考察了不同層次副熱帶高壓的低頻變化與降水的關(guān)系。孫安健等[3]利用觀測資料分析了1983與1985年夏季北半球500hPa高度場大氣低頻波的振蕩特征。丁一匯和馬曉青[4]對2004年12月22日～2005年1月1日的強寒潮事件進行等熵位渦分析。孫建華等[5]、張慶云等[6]分別對2003年中國天氣的氣候異常進行了研究。Li等[7]分析了2006年夏季發(fā)生在中國西南地區(qū)的嚴重干旱特征及其大氣環(huán)流異常。丁一匯等[8]研究了2008年1月中國南方罕見低溫雨雪冰凍災(zāi)禍發(fā)生的原因及其與氣候變暖的關(guān)系。龐子琴和郭品文[9]研究了不同年代際背景下北極濤動與冬季中國東北氣溫年際異常關(guān)系的變化情況。Wu和Wang[10]比照分析了1962～1977年和1978～1993年東亞夏季風與ENSO的關(guān)系。這些研究表示清楚,針對特殊年份或者不同年代際背景下的年份的天氣、氣候的比照分析研究顯得非常重要。1、關(guān)于1963年和1996年華北夏季降水,大都是針對暴雨研究。比方,1963年8月上旬河北省停滯性低氣壓暴雨,給人民的生命財產(chǎn)帶來了損失[11];馮伍虎等[12]和孫建華等[13]都對發(fā)生在1996年中國河南、山西、河北等省的一次特大暴雨經(jīng)過進行了分析研究。圖1給出了1951～2018年華北盛夏降水的標準化時間序,可見60多年來,華北盛夏降水有明顯的一個下降趨勢,而且存在著鮮明的年際和年代際變化特征[14-16]。在年代際尺度上,有研究表示清楚,以1970年末期為界,在之前華北夏季降水處于異常偏多階段,在之后華北夏季降水處于降水異常偏少階段[14-20]。1963年的華北盛夏降水為60余年來降水的最大值,伴隨著東亞夏季風在20世紀70年代際末期的年代際減弱,華北盛夏降水出現(xiàn)了明顯的減少趨勢。而1996年華北盛夏降水又出現(xiàn)了一個降水極大值。因而,選取1963年和1996年這兩個處于不同的年代際背景下的華北盛夏降水的強降水年來進行比照分析。分析和研究不同的年代際背景場對華北盛夏降水調(diào)制作用的異同,這對加深認識華北盛夏降水規(guī)律的認識,顯然具有非常重要的科學意義?！?)中國氣象局國家氣象信息中心提供的中國160站逐月降水資料,時間跨度為1951～2018年。(2)1958～2002年ECWMF全球2.52.5逐月500hPa高度場、850hPa風場、海平面氣壓場、比濕場等資料。文中的華北盛夏指的是7、8兩個月。根據(jù)劉海文和丁一匯[21]對華北區(qū)域范圍的研究,定義35N～43N,110E～120E的區(qū)域作為華北研究范圍。華而不實,從地面到300hPa垂直積分的水汽通量計算[22]:2、1963年和1996年中國東部盛夏降水的差異不同為了研究1963年和1996年華北盛夏降水的空間分布的異同。圖2分別給出了1963年、1996年華北盛夏期間的中國160站降水與1951～2018年平均的差值分布。由圖2(a)可見,對處于華北盛夏降水偏多階段的1963年而言,中國東部降水呈顯著的北澇南旱異常型分布。異常偏多的降水中心主要位于山西中南部,距平0線大致沿長江中下游流域,長江以南地區(qū)為降水負距平,這樣的降水異常分布是和華北盛夏降水處以偏多階段時,中國東部地區(qū)處于北澇南旱[23-25]的年代際背景是相一致的。而在圖2(b)中,對于華北盛夏降水處于異常偏少階段的1996年,整個中國東部降水的絕大部分地區(qū)都異常偏多,通過顯著性檢驗的區(qū)域仍然位于山西省境內(nèi),但是和圖2(a)相比擬,其位置略偏北。從淮河流域到中國長江以南的地區(qū)的降水都異常偏多,盡管這些區(qū)域沒有通過顯著性水平信度檢驗。綜上所述,1963年和1996年中國東部地區(qū)夏季降水異常分布有明顯的年代際背景信號。在1963年,中國東部地區(qū)降水呈現(xiàn)出明顯的年代際背景特征,即北澇南旱但是對于1996年而言,華北盛夏降水的年代際背景處于異常偏少階段,盡管中國東部地區(qū)降水并沒有出現(xiàn)南澇北旱[26-27]的年代際背景特征,但是南澇的年代際背景特征還是有所顯示。3、影響1963年和1996年華北盛夏降水的大氣環(huán)流圖3分別給出了1963年和1996年華北盛夏期間500hPa高度場與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖3a可見,對于1963年而言,從北到南,在歐亞大陸中國東部地區(qū),500hPa位勢高度場為異常的北高南低型分布。在貝加爾湖東北側(cè)有一正距平中心,且通過了0.1的顯著性水平檢驗;黃河以南地區(qū)為負距平,臺灣島以東為正距平,表示清楚1963年副熱帶高壓異常偏強,而副熱帶高壓的異常偏強有利于華北盛夏降水的異常偏多[28-29]。而在圖3(b)中,對于1996年而言,從北到南,整個中國東部地區(qū)為異常的西高東低型分布。貝加爾湖附近存在兩個異常的正距平中心,在中國南方地區(qū)、上海出口處和臺灣島以東地區(qū)存在3個異常低值中心。華北盛夏雨量主要取決于1～2場暴雨[30]。研究表示清楚,1996年8月初發(fā)生在河北和山西的特大暴雨經(jīng)過主要是由于9608號臺風登陸北上引起的[13]。所以在圖3(b)中,在中國南方地區(qū)、上海出口處和臺灣島以東地區(qū)分別存在的3個低值中心,可能與9608號臺風有關(guān)。對應(yīng)對流層中高層500hPa位勢高度場的差值分布,圖4分別給出了1963年和1996年華北盛夏期間850hPa風場與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖4(a)可見,來自副熱帶高壓南部的異常偏東氣流在南海轉(zhuǎn)向向北后與來自貝加爾湖以南地區(qū)的異常偏北氣流在華北地區(qū)上空相遇,構(gòu)成了一個異常的氣旋性環(huán)流,使得華北夏季降水異常偏多。在圖4(a)中,中國東部地區(qū)為異常偏南氣流控制,東亞夏季風強度偏強,因而,1963年降水可稱之為季風降水。圖4(b)和圖4(a)相比,卻有很大的不同。南海和副熱帶高壓南部分別為異常偏北和偏西氣流,東南海岸線附近為異常偏北氣流,表示清楚季風異常偏弱[31-35]。在1996年,西伯利亞反氣旋南側(cè)的偏北冷氣流與北上的偏南暖濕氣流在華北地區(qū)相遇,產(chǎn)生輻合,導致降水偏多。因而,從氣候?qū)W意義上講,1996年降水是系統(tǒng)降水,而非季風降水。4、影響1963和1996年華北盛夏降水的大尺度降水條件的異同源源不斷的水汽供給是構(gòu)成降水的一個必要條件。圖5分別給出了1963和1996年華北盛夏期間的整層垂直積分的水汽通量與1958～2002年氣候平均的差值分布。由圖5可見,影響1963年華北盛夏降水的水汽通道主要有3條,它們的源地分別是南海、副熱帶高壓南部的太平洋地區(qū)和鄂霍次克海;而在1996年,影響華北盛夏降水的水汽通道與1963年相比則存在著很大的不同。上述3條水汽通道基本不存在,影響華北盛夏降水的水汽主要是在長江中下游地區(qū)的一個異常水汽輻合,通過遠距離互相作用,使得1996年華北盛夏降水異常偏多。強烈的上升運動是構(gòu)成降水的另一個必要條件。為了研究1963年和1996年華北盛夏異常上升運動的差異不同,圖6分別給出了1963年和1996年的110E～120E平均的距平全風速和距平垂直速度的經(jīng)向剖面。由圖6(a)可見,對于1963年而言,在對流層頂附近200hPa高度上,25N附近有一大風核,這一正距平一直延伸至華北上空,華北地處此正距平的右側(cè)。研究表示清楚,在大風速核右側(cè),存在一個暖空氣下沉,冷空氣上升的逆環(huán)流圈。華北正處于這一逆環(huán)流的上升運動區(qū),圖6(a)中的異常上升運動正講明了這一點,所以異常強的上升運動,有利于華北1963年夏季降水偏多。對于1996年而言,對流層頂層的距平全風速和圖6(a)有著明顯不同。在華北上空有一個負距平中心,這表示清楚副熱帶西風氣流較之氣候平均要小得多,因而在1996年,導致華北異常上升運動的并不是異常西風急流所產(chǎn)生的上升運動。從異常上升運動距平圖能夠看出,1996年華北上空對流要比1963年的強,這也使得華北盛夏降水異常偏多。綜上所述,導致華北1963年和1996年夏季降水的大尺度降水條件有很大不同。從水汽來源上講,在1963年影響中國東部夏季降水的水汽通道有3條,其水汽源地分別是南海、副熱帶高壓南部的太平洋地區(qū)和鄂霍次克海,而1996年的水汽條件,主要是由長江中下游地區(qū)的異常氣旋性環(huán)流通過遠距離作用為華北提供水汽。除此之外,在1963年盛夏,華北地處高空大風速核出口區(qū)右側(cè),而高空大風速核出口區(qū)右側(cè)有利于產(chǎn)生一個逆環(huán)流圈,使得華北處于異常上升運動區(qū),因而華北1963年夏季降水異常偏多;而在1996年盛夏,固然華北上空副熱帶高空急流異常偏弱,但是1996年華北盛夏上空大氣的異常對流要比1963年的強。5結(jié)論利用1951～2018年全國160個測站的逐月降水資料及1958～2002年ECMWF逐月再分析資料,采用統(tǒng)計t檢驗,合成分析等方式方法對不同年代際氣候背景下華北盛夏降水進行了比照分析,得到如下結(jié)論:(1)對于處于不同年代際背景下的1963年和1996年華北盛夏降水而言,中國東部地區(qū)盛夏降水也表現(xiàn)出很大區(qū)別。1963年中國東部盛夏降水的主要特征是北澇南旱,但是對于1996年而言,整個中國東部絕大部分地區(qū)降水都異常偏多。1963年華北盛夏降水要多于1996年華北盛夏降水。(2)導致處于不同年代際背景下華北盛夏降水不同的大氣環(huán)流特征是,在1963年,500hPa高度距平分布中,整個中國東部地區(qū)的位勢高度場為異常的北高南低型分布,異常偏南的西南氣流與來自貝加爾湖以南的異常偏北氣流在華北地區(qū)上空相遇,構(gòu)成了一個異常的氣旋性環(huán)流,導致華北盛夏降水異常偏多,故1963年華北盛夏降水屬于季風降水;而1996年500hPa位勢高度距平則在整個中國東部地區(qū)為異常的西高東低型分布,影響1996年華北盛夏降水的主要系統(tǒng)為長江中下游地區(qū)的異常氣旋性環(huán)流北部的異常東風和來自北方的異常偏北氣流在華北地區(qū)上空交綏,導致華北盛夏降水異常偏多,其屬于系統(tǒng)降水。(3)1963年和1996年的大尺度降水條件也不一樣。在1963年影響中國東部夏季降水水汽通道主要有3條,其水汽源地分別是南海、副熱帶高壓南部的太平洋地區(qū)和鄂霍次克海,而1996年的水汽條件主要是由長江中下游地區(qū)存在的異常氣旋性環(huán)流通過遠距離作用為華北提供水汽。在1963年盛夏,華北地處高空大風速核出口區(qū)右側(cè),處于間接環(huán)流上升運動區(qū);在1996年盛夏,華北上空副熱帶高空急流則異常偏弱,但同時其上空大氣對流要比1963年的強。以下為參考文獻:[1]張慶云,陶詩言.1998年嫩江、松花江流域持續(xù)性暴雨的環(huán)流條件[J].大氣科學,2001,25(4):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