夏季贝加尔湖地区波破碎事件的年代际变化对我国夏季降水的影响

论文总字数：20656字

目 录

摘要 1

Abstract： 2

1 引言 3

2 数据与方法 4

2.1 数据简介 4

2.3 合成分析法 5

2.5 小波分析 7

3 贝加尔湖地区Rossby波破碎事件：典型个例分析 7

4 夏季贝加尔湖地区Rossby波波破碎事件的年代际变化特征 11

5 夏季贝加尔湖地区波破碎事件的年代际变化与我国夏季降水异常 14

5.1 夏季贝加尔湖地区Rossby波破碎事件的年代际变化与北半球夏季大气环流的关系 14

5.2 夏季贝加尔湖地区Rossby波破碎事件的年代际变化与我国夏季降水异常的关系 15

6 结论与讨论 16

参考文献： 17

致谢 19

夏季贝加尔湖地区Rossby波破碎事件的年代际变化及其对我国夏季降水的影响

齐道日娜

, China

Abstract：Rossby Waves Breaking (RWB) is a rapid irreversible deformation of the material contour, which is a large scale weather process. It has a close relation with the life cycle of baroclinic waves, and can exert a very important impact on changes in low frequency with the period more than 10 days. In this study, we collected the daily data from National Centers for Environmental Prediction (NCEP) and observation-based gridded precipitation datasets compiled by the Asian Precipitation-Highly Resolved Observation Data Integration Towards Evaluation of the Water Resource (APHRODITE), and then discussed the characteristics of the decadal variations of RWB and the related influences in summer precipitation over China with the method of dynamic index of PV-θ. Results were as follows: (1) Viewing from analyses of the typical cases, we found that with the increased RWB intensity, a stable and strong high pressure would occur over the Lake Baikal and its northern region. By contrast, if the RWB intensity weakened, the high pressure around the Lake Baikal would disappear, and even be replaced by the low pressure. Generally, under the context of the more RWB occurrences, the precipitation across the Lower and Middle reaches of the Yangtze River and the south China would like to increase and decrease, respectively. (2) During the period of 1979-2007, there existed obvious decadal variations for the accumulative days with the summer RWB around the Lake Baikal region, accompanied with a shift in 1992. In detail, the period before and after 1992 had a higher and a lower frequency, respectively. (3) For the decadal variations, the positively anomalous center of the height field around the Lake Baikal and its south area had a good relationship with summer RWB around the Lake Baikal. Furthermore, if a positive anomalies around the Lake Baikal and its south region happened, a negative center of precipitation in the south China would appear, which corresponded to the characteristic of floods in the south and drought in the north China (a case of decadal precipitation variation).

Key words: Lake Baikal; Rossby breaking wave (RBW); decadal variation; precipitation over China

1 引言

目前，就Rossby波破碎尚未有一个很明确的定义；但人们通常认为Rossby波的水平振幅在足够大的情况下，等熵面上的位涡等值线可发生不可逆的反转，同时，位涡场也会发生不可逆的混合，此时即可认为是Rossby波破碎事件^[1]。斜压波的生命周期在气象学的研究中是一个长久的课题，其生命周期的意义不只是直接表现在气象预报上，同样在理解大气低频变化（如大气阻塞及北大西洋涛动）上也存在着重要的意义。尽管1983年Mclntyre与Palmer T N^[1]就已经利用卫星资料发现平流层Rossby波破碎的存在；然而，在此之前，已有很多专家学者预言了该现象的存在。随后气象学家们发现Rossby波破碎（RWB）是伴随着物质线快速不可逆的形变，是一个大尺度事件；其发生在对流层顶附近，并与斜压波生命史有着密切的关系。天气尺度Rossby波破碎的过程可以将能量从高频气流迅速传送给低频气流，从而加速改变大尺度急流形态，甚至可在数日内使急流位置发生移动。在天气尺度波对急流异常的动力正反馈过程中，天气尺度Rossby波破碎过程是最关键的时段；通过对这种过程的研究，可揭示中纬度波流相互作用的动力正反馈本质。故波破碎事件可对10d以上的低频变化如北大西洋涛动、西太平洋遥相关型、阻塞形势、太平洋-北美遥相关型、中纬度急流位置以及其他更长时间尺度的低频变化如太平洋年代际振荡、厄尔尼诺现象等都有着十分重要的影响^[2]。

近年来，国内外许多专家学者对Rossby波破碎事件进行了研究；他们将对流层天气尺度Rossby波破碎与中纬度天气扰动相联系，得出一系列结论，进一步加深了对Rossby波破碎事件的认识。Simmons等^[3]通过研究中纬度斜压波的生命史在原始方程内的变化，发现当扰动增加至4-5d时，正压且高度非线性过程开始变得十分重要。随之，Thorncroft等^[4]的研究表明，在斜压扰动生命史晚期的这种非线性正压过程所表现出的是对流层高层的天气尺度的Rossby波破碎；通过将模式纬向风切变初始值改变后，可以得到形态完全不一样的两类波破碎事件，分别称为Lifecyle1（LC1）与Lifecycle2（LC2）。其中，LC1是在气象观测中比较多见的反气旋式波破碎（AWB），而LC2则为以前较少被观测到的气旋式波破碎（CWB）。Thorncroft^[4]在数值试验中发现，LC2试验与LC1试验的唯一区别为LC2在LC1所对应的背景风场上叠加一个正压气旋式的纬向风切变；这种差别意味着波破碎发生的类型与背景流的纬向风切变存在重要的联系，气旋式（反气旋式）的切变可能会有利于CWB（AWB）的发生。通过研究位势涡度梯度方程与准地转气流折射指数中的不同项对天气尺度的波形变所产生的影响，Riviere^[5]发现，绝对涡度项对AWB的发生有利，而拉伸项CWB的发生有利；这是因为拉伸项（绝对涡度项）所产生的作用随着纬度的增加而减弱（增强），所以当急流偏南（偏北）时，则有利于CWB（AWB）的发生。除了环流背景的作用外，也有其他学者指出天气尺度扰动也可能会对Rossby波破碎的类型产生影响。刘承基^[6]的研究发现，与AWB相关的高频天气尺度扰动的信号主要在高层，且向东传播速度快；且扰动中心则均呈东北-西南向倾斜，并伴随着向南能量的频散；同时，扰动在垂直方向上呈相当正压结构。与CWB相关的高频天气尺度扰动的信号先在底层出现，而后向高层传播，传播方向为东北；扰动中心在高层中呈现出西北-东南向倾斜，存在向北的能量频散。通过分析合成底层PV（等位涡面）场后，发现在低层先后发生的CWB与AWB波破碎在CWB发生前就已经出现；另外，低层发生的CWB可能会对高层CWB的产生与维持起到了一定作用。

IPCC第四次评估报告的结果指出^[7]，1900至2005年在全球范围内所观测到的降水量存在着长期的变化趋势；例如，南美东部和北美、亚洲北部和中部及欧洲北部降水显著增加，而地中海、萨赫勒、亚洲南部部分地区与非洲南部的降水显著减少。大量研究表明，影响我国夏季降水分布形势的因子众多，且十分复杂^[8-12]。黄荣辉等^[13-14]研究发现我国夏季旱涝变化受到诸多因子的影响，既与东亚季风的年际变化有关，还与赤道中东太平洋海温的年际变化和年代际变化相关。这些影响因子都可引起大气环流形势的异常，进而导致我国降水的异常。对于我国华北地区，自20世纪70年代末开始便发生了持续的干旱灾害，；学者们认为太平洋热带地区海温的年代际变化是影响我国华北地区降水年代际变化的重要因子，而东亚地区季风的强弱可以对我华北地区降水产生影响^[15-17]。Chang等^[18]的研究结果指出海温的异常变化对东亚地区降水有着显著的影响。自20世纪50年代起，国内外很多专家学者开始关注中高纬度阻塞形势与我国降水之间的关系，并取得了一定的成果，他们的研究发现阻高的发生、维持和崩溃可以对我国降水产生重要影响。李春等^[19]研究表明在阻塞高压的高发期，西太平洋副热带高压位置向南偏，东亚夏季风减弱，进而使得我国江淮地区降水增多，而华北地区降水有所减少；少发期则反之。张庆云与陶诗言^[20]的研究指出乌拉尔山与鄂霍茨克海地区阻塞高压可以对东亚地区的夏季降水和环流产生重要的影响，特别是对夏季梅雨期的影响尤为显著。

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