【摘要】：在全球變暖背景下,強降水事件頻發(fā),因其通常伴隨著洪水、突然侵蝕和泥石流等災害事件,對經(jīng)濟社會發(fā)展有著十分重大的影響。目前對強降水的發(fā)生發(fā)展演變特征及機理研究仍不夠充分。本研究基于長期的地表氣象觀測資料、探空觀測數(shù)據(jù)、再分析資料等,探究了強降水和相關氣象要素之間的聯(lián)系。在詳細討論了強降水過程發(fā)生的時空分布特性、大尺度環(huán)流變化以及局地的熱力學特性的基礎上,試圖尋找和強降水關系密切的氣象要素以及大氣層結(jié)結(jié)構特性,從而提高對強降水發(fā)生大氣背景的認識,以更好地預測全球變暖背景下強降水的變化特征及其機理。首先,基于2008 2017年夏季的地表降水觀測數(shù)據(jù)、L波段探空觀測資料以及再分析資料,利用統(tǒng)計方法對北京地區(qū)強降水發(fā)生的大尺度環(huán)流、局地熱力學特征進行了系統(tǒng)的分析。發(fā)現(xiàn)北京地區(qū)的降水量在夏季呈現(xiàn)一個單峰的分布,在7月下旬達到最大值。這在大尺度上主要和副熱帶高壓自南海向我國的高緯度地區(qū)移動有關,在局地尺度上則伴隨著水汽的累積和不穩(wěn)定能量的增加。利用強對流天氣發(fā)生的探空型識別算法,分析了“Loaded-Gun(LG)”、“Thin-Tube(TT)”、“Inverted-V(IV)”三種強對流天氣發(fā)生的典型探空型在北京地區(qū)強降水中發(fā)生的頻次,發(fā)現(xiàn)45%的強降水都發(fā)生在TT型層結(jié)下,平均降水量為55.8 mm/day,主要特征是在地表~7 km內(nèi)對應一個深厚的暖濕氣層,其形成和南部的強水汽輸送有關。通過T模態(tài)主成分分析方法,識別出主導北京地區(qū)強降水的三種環(huán)流型,共同特征是對流層低層受南風的主導,利于華北地區(qū)水汽的累積,進而促進強降水的形成和發(fā)展。此研究可以幫助更好的認識華北平原地區(qū)強降水的發(fā)生發(fā)展變化過程及其機理。其次,利用1958 2017年期間暖季長期的氣象站點降水、溫度、濕度以及探空觀測資料,分析了中國大陸地區(qū)強降水對溫度的依賴性關系及其潛在的機制。在全球變暖背景下,大氣中相對濕度、環(huán)流變化等因素變化不大的前提下,我們發(fā)現(xiàn)中國地區(qū)極端強降水和溫度之間的關系也可以用Clausius Clapeyron(CC)方程進行量化,即溫度每升高1°C,極端降水強度會增加7%�？臻g上,在中部地區(qū)站點,極端降水強度隨著溫度的增加而增強,速率可以達到2倍CC,而西北和東南部地區(qū)站點普遍呈現(xiàn)CC速率,有些站點低于CC速率。此外,增加的速率還和其所處的溫度區(qū)間有關,隨著溫度的增加,相關性曲線斜率呈現(xiàn)一個由1倍CC向2倍CC速率的過渡,西北和中部地區(qū)轉(zhuǎn)換點在14°C左右,而東南部地區(qū)一般出現(xiàn)在20°C左右,且當溫度超過~25°C時,東南部地區(qū)極端降水強度會隨著溫度增加而下降。由于溫度主要通過影響大氣的水汽條件和不穩(wěn)定度而影響降水,因而本文進一步利用長期的探空觀測數(shù)據(jù)反演的大氣可降水量(PW)和對流不穩(wěn)定度(CAPE)分析其和極端降水之間的聯(lián)系。結(jié)果表明,西北部地區(qū)水汽向極端降水轉(zhuǎn)化的效率更高,中部地區(qū)極端降水更依賴于上升運動的作用,通過對比極端降水強度、PW和CAPE隨溫度的變化發(fā)現(xiàn),相比于CAPE,極端降水強度和PW關系更為密切,即表明極端降水強度隨溫度增加而增強過程主要和水汽的凝結(jié)及潛熱釋放有關。極端降水和溫度變化的長期序列對比結(jié)果表明,二者的變化趨勢大體一致,溫度增加的時候,極端降水強度也增強,即表明全球變暖在一定程度上伴隨著極端降水的增強過程。
【學位授予單位】：中國氣象科學研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P426.6
【圖文】：

第二章 數(shù)據(jù)和方法2.1 研究區(qū)域2.1.1 北京地區(qū)北京是中國的首都，人口約為2170萬，位于華北平原西北部地區(qū)，背靠太行山和燕山山脈，東南部距渤海約150 km（圖 2.1）。北京位于暖溫帶的半濕潤地區(qū)，屬于典型的暖溫帶半濕潤大陸季風氣候（Peel 等.，2007），夏季炎熱潮濕，冬季干而冷（Miao等.， 2012）。北京的降水呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，主要集中在夏季，累積降水量可以達到約417mm，占全年總降水量（600mm）的70%（Song 等.，2014；尤煥玲 等，2012；Zhai 等.， 2014）。北京的夏季降水主要受來自我國南海的西南或者東南季風的影響（Ding1994；Ding 和 Chan，2005；Ding 等.，2004；Guo 等.，2014；Li 和 Zeng，2002；Miao 等.， 2017b；Yang 等.，2017；Zhang 等.，2017）。近年來，北京夏季強降水事件出現(xiàn)頻繁，造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。例如，發(fā)生在2012年的7月21日北京的（簡稱721）特大暴雨事件，造成了79人死亡，近百億的經(jīng)濟財產(chǎn)損失（Zhang 等.，2013）。因此，盡管面臨著諸多挑戰(zhàn)和困難，準確預測和研究這種高影響天氣事件是十分必要的（Zhong 等.， 2015）。

強降水對相關氣象要素的依賴性研究征，進而呈現(xiàn)出不同的降水季節(jié)、區(qū)域分布特征（宋世凱，2017）。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)年降水量的多少，本文將中國大陸地區(qū)分為了三個區(qū)域 （Regionof interest，ROI）：西北地區(qū)（ROI-N）、中部地區(qū)（ROI-C） 和東南地區(qū)（ROI-S）。如圖 2.2所示，中國大陸地區(qū)年降水量從北到南呈現(xiàn)一個遞增的分布，從ROI-N（小于~350 mm/yr），ROI-C（~350 mm/yr 800 mm/yr），一直到ROI-S（大于~800 mm/yr）每個區(qū)域內(nèi)的站點數(shù)從北到南依次為42，37和41，在空間上呈現(xiàn)較為一致的分布。

極端小時降水對溫度依賴性的研究，在極端降水閾值的選取中究中百分位數(shù)的定義方法，選取各個站點及區(qū)域的小時降水樣50th不同百分比取值下的降水作為極端強降水閾值進行分析。表 2.1 北京地區(qū)降水測量站點信息經(jīng)度（°） 緯度（°） 海拔 （m） 距探空站距離 （116.5 39.8 31.3 0.0116.4 39.7 37.5 13.6116.5 40.0 35.3 16.9116.3 39.9 55.2 20.0116.2 39.8 48.9 23.1116.8 39.9 19.8 24.9116.3 40.0 45.8 25.7116.2 40.0 63 28.2116.2 39.9 85.5 28.6

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