（气象学专业论文）我国东部极端降水变化特征及成因分析.pdf

l v a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe x t r e m e p r e c i p i t a t i o n o v e rt h eea s to fch i n aa n dt h er e a s o na n a l y s i s d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o n a n ji n gu n i v e r s i t yo f i n f o r m a t i o n s c i e n c e t e c h n o l o g y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fn a t u r a ls c i e n c e b y w a n g m i a o m e t e o r o l o g y d i s s e r t a t i o ns u p e r v i s o r ：p r o f g u op i n w e n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。本论文除了文中特i i i i i 以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均己在 论文中作了声明并表示谢意。 ，- k 学位论文作者签名： t 陶 签字日期：二型! ：生： 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信。i , i i 务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学 研究生院办理。 口公开 口保密( 年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守 此协议) 学位论文作者签名：王茴签字日期：翌! ! ：笠 指导教师签名：签字e i i i ：2 111 生 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 第一章绪论l 1 1 研究背景一。l 1 2 极端降水事件的研究进展1 12 2 1 极端降水事件阈值及表征值的确定2 l2 2 我国极端降水事件的基本变化特征4 1 2 3 极端降水成因研究4 1 3 存在的问题6 1 4 本文研究意义与内容。6 第二章资料和方法9 2 1 资料说明9 2 1 1 站点资料9 2 1 2 格点资料9 29 - 方法介绍9 2 - 2 1 极端降水事件的定义9 2 2 2 线性回归方法1 0 2 2 3 湿位涡、对流稳定度和斜压稳定度1 0 29 - 4 整层水汽通量。ll 29 - 5 合成t 检验。l l 第三章东部地区极端降水变化特征1 3 3 1 极端降水的气候分布及年代际变化1 3 3 2 极端降水事件的时空分布特征1 4 3 3 本章小结16 第四章e n s o 对我国东部极端降水的季节影响。1 9 4 1 极端降水的季节分布2 0 4 2e n s o 对东部地区极端降水的季节影响2 l 4 3 成因分析2 2 4 4 本章小结2 4 第五章我国东都极端降水变化的可能原因2 7 5 1 湿位涡的差异 5 2 大气稳定度的差异2 8 5 2 1 大气对流稳定度的差异2 8 5 2 2 大气斜压稳定度的差异2 9 5 3 水汽输送3 0 5 3 1 纬向水汽输送量。3 1 5 3 2 经向水汽输送量。31 5 4 垂直运动3 2 5 5 西太平洋副热带高压面积、强度、副高脊线及西伸边界3 3 5 6 稳定性差异的可能原因3 3 5 7 本章小结3 5 第六章全文总结3 7 6 1 我国东部地区极端降水基本变化特征3 7 6 2e n s o 对我国东部极端降水季节分布的影响3 8 6 3 我国东部极端降水特征形成的可能原因3 9 6 4 不足与展望4 0 致谢4 l 参考文献。4 3 论文附图。4 9 摘要 本文首先利用我国东部地区3 9 2 个站点的逐日降水资料集对近5 0 年东部 地区极端降水基本变化特征进行研究，其次就e n s o 对极端降水的季节影响加 以分析，并初步运用湿位涡理论探讨了可能成因，最后以1 9 4 8 1 9 7 6 年和 1 9 7 7 2 0 0 8 年两个阶段作为研究子时段，利用n e c p n c a r 再分析资料重点讨 论了前后两个阶段我国东部地区的大气湿位涡差异及稳定度状况，并分析了水 汽输送、垂直运动状况，且从大气对流层顶温度变化的角度出发探讨了造成前 后两阶段大气稳定度差异的原因，得出以下主要结论： ( 1 ) 我国东部地区极端降水气候平均分布呈现从东南沿海到西北内陆方 向减少的态势，在各个年代又各有差异；近5 0 年极端降水量、极端降水量占 降水量比例、极端降水次数和极端降水强度长期变化趋势在北方均主要表现为 减小的趋势，在南方四个要素则呈现一致增大的趋势；华北地区和长江中下游 地区的四个要素在7 0 年代末8 0 年代初均发生了“类似于突变 ，且两个区域 年平均降水量“类似于突变点 均出现在1 9 7 6 年，即以1 9 7 6 年为界，北方地 区由前期的湿状态转为后期的干状态，干旱几率加大，而南方地区则由干转 湿，降水增多，容易形成大范围洪涝； ( 2 ) e n s o 暖、冷年极端降水对比显著区域主要在华北东部地区，暖年和 冷年当年夏季该地区分别对应着极端降水的负、正距平区；在暖年次年，夏季 和春季分布形有相似之处，北方呈现正距平，南方分布形势较为复杂，江南地 区也有极端降水大值区；次年秋季，极端降水正距平区主要分布在北方；次年 冬季，整个东部地区以极端降水负距平为主，冷年次年四季极端降水基本呈相 反的分布形势；对应的m p v 场在暖、冷年当年可以较好的反映出华北地区大 气性质的变化，而在低纬度地区还不能作为很好预测极端降水分布情况的依 据； ( 3 ) 湿位涡有“南减北增”的趋势，对流稳定度在前后两个阶段发生了 显著改变，低层对流稳定度距平在后一阶段的分布形势呈现为“南负北正” 型，与前一阶段相反，南方趋于对流不稳定，北方趋于对流稳定；中纬度地区 斜压稳定度在前期呈现低层负距平高层正距平的分布型，在后期则为低层正距 平高层负距平的分布型，整个东部地区低层斜压稳定度都有趋于增大的趋势； 在中层，相比起前一阶段，后期呈现“南负北正 显著对比分布型，即南方地 区趋于斜压不稳定，北方地区则呈现斜压稳定的形势，大气性质的南北显著变 化是我国东部地区极端降水呈现“南增北减”的变化趋势一个重要原因； ( 4 ) 1 9 7 6 年之后，到达华北地区的水汽量显著减少；前后两个阶段的垂 直环流以3 5 n 为界，东部低纬地区由下沉运动变为上升运动，而高纬地区由 上升运动变为下沉运动；高纬度地区3 0 0 h p a 层次在1 9 7 6 年之后表现为温度负 距平场中心，使得我国东部地区高空热力性质产生差异，进而影响了对流稳定 度的变化；同时高层的温度降低使得冷中心南北两侧西风分量相应的加大和减 小，斜压稳定度相应的出现减弱和增强的变化趋势。 关键词：极端降水，湿位涡，稳定度 a b s t r a c t b yu s i n g t h ed a i l yr a i nd a t ao f3 9 2s t a t i o n so ft h ee a s t e r nc h i n a , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe x t r e m ep r e c i p i t a t i o no ft h ee a s t e r nc h i n ad u r i n gt h er e c e n t5 0 y e a r sa r ea n a l y z e df i r s t l y t h e nt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x t r e m er a i n f a l l o v e re a s t e r nc h i n ai nd i f f e r e n ts e a s o n st ot h ee n s 0a r es t u d i e d i na d d i t i o nw e u t i l i z et h et h e o r yo fm o i s tp o t e n t i a lv o r f i c i t y ( m p v ) t oi n v e s t i g a t et h ep o s s i b l er e a s o n a tl a s t ，b yd i v i d i n gt h er e s e a r c ht i m ei n t o1 9 4 8 - 1 9 7 6a n d1 9 7 7 2 0 0 8 ，t h ed i f f e r e n c e s o fm o i s tp o t e n t i a lv o r t i c i t y ( m p v ) a n dt h ea t m o s p h e r i cs t a b i l i t yo ft h et w op e r i o d s a r ef o c u s l yd i s c u s s e db a s e do nt h en e c p n c a rr e a n a l y z e dd a t a t h em o s i t u r ef l u x a n dt h ev e r t i c a lm o t i o na r ea l s oa n a l y z e d f r o mt h ep o i n to ft h ec o o l i n go ft h ea i ri n t h em i d d l ea n du p p e rt r o p o s p h e r e ，w ei n q u i r ei n t ot h er e a s o n so ft h ed i f f e r e n c e so f t h ea t m o s p h e r i cs t a b i l i t yd u r i n gt h et w op e r i o d s t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h ee x t r e m ep r e e i p i t m i o no v e rt h ee a s t e r nc h i n ae x h i b i t sm o r ea l o n gt h e s o u t h e a s ta n dl e s si nn o r t h w e s ti n l a n d ，b u td i f f e r e n ti ne a c hd e c a d e ：1 1 1 ec o u n t 、 i t s p e r c e n t a g eo ft h et o t a l r a i n 、t h ef r e q u e n c ya n dt h e i n t e n s i t yo ft h ee x t r e m e p r e c i p i t a t i o na l ld e c r e a s e di nn o r t hc h i n aw h i l ei n c r e a s e di ns o u t hc h i n a t h ef o u r f a c t o r so ft h en o r t hc h i n aa n dl o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e rt a k eac h a n g e w h i c hi ss i m i l a rt ot h em u t a t i o nf o r mt h el a t e19 7 0 st ot h ee a r l y19 8 0 sa n dt h e p r e c i p i t a t i o np a t t e r nc h a n g e si n19 7 6 t h a tm e a n st h er a i n f a l lo v e r t h en o r t hc h i n a t r a n s f o r mi n t od r ys t a t ew h i l et h es o u t hc h i n ac o v e r t si n t ow e ts t a t e ； 2 ) t h ee x t r e m er a i n f a l ld i f f e r ss i g n i f i c a n t l yo v e rt h ee a s ta r e ao ft h en o r t h e r n c h i n ai nt h ew a r ma n dc o l dy e a r s i nt h es p r i n ga n ds u m m e ro ft h ef o l l o w i n gy e a ro f e ln i o ，i th a sn e a r l yt h es a m ed i s t r i b u t i o nt h a tt h en o r t he x h i b i t sm o r ea n dt h e s o u t he x h i b i t sac o m p l e xd i s t r i b u t i o nt h a tt h e r ei sag r e a tv a l u eo v e rt h es o u t ha r e ao f t h ey a n g t z er i v e rv a l l e y ；i nt h ea u t u m no ft h ef o l l o w i n gy e a r c o n s t r u c tt ot h es p r i n g a n dt h es u m m e r t h eb i gv a l u ei sm a i no v e rt h en o r t h e r nr e # o n ；i nt h ew i n t e r , i t m a i n l yh a sl e s s h o w e v e r , i tp r e s e n t sa na d v e r s ed i s t r i b u t i o np a t t e r ni nt h ef o l l o w i n g y e a ro fl an f f f a ；t h ec o r r e s p o n d i n gm p v c a l lw e l lr e f l e c tt h ea t m o s p h e r i cs t a b i l i t y o ft h en o r t ha r e a , e s p e c i a l l yn o r t h e r nc h i n ab u tn o tp e r f e c t l yi nt h el o w l a t i t u d e r e # o n ； i i i 3 ) t h em p ve x h i b i t sa r e d u c t i o ni nt h en o r t hc h i n aa n da g r o w t hi nt h es o u t h c h i n a t h ec o n v e c t i v es t a b i l i t yc h a n g e ss i g n i f i c a n t l yi nt h et w os t a g e sa n ds h o w s l e s si nt h es o u t ha n dm o r ei nt h en o r t hi nt h en e x ts t a g eo nt h el o w e rl e v e l t h a ti st o s a yt h a tt h es o u t ha r e at e n d st ob ee o n v e c t i v e l yu n s t a b l ea n d 也en o r t hc h i n at e n d st o b ec o n v e c t i v e l ys t a b l e ；t h eb a r o c l i n i cs t a b i l i t yo ft h em i d d l e1 a t i t u d es h o w sm i n u s d e p a r t u r eo nt h el o w e rl e v e li nt h ef o r m e rs t a g ea n dr e v e r s e d l yi nt h el a t t e rs t a g e t h e b a r o c l i n i cs t a b i l i t yo ft h ew h o l ee a s ta r e at a k e so na i n c r e a s i n gt e n d e n c y ；o nt h e m i d d l el e v e li ts h o w sl e s si nt h es o u t ha n dm o r ei nt h en o r t hi nt h en e x ts t a g et h a t m e a n st h a tt h es o u t ha r e at e n d st ob eb a r o c l i n i c l yu n s t a b l ea n dt h en o r t hc h i n at e n d s t ob eb a r o c l i n i e l ys t a b l e t h ev a r i a t i o no ft h ea t m o s p h e r i cp r o p e r t yi sam a i nr e a s o n f o rt h ec h a n g et r e n do ft h ee x t r e m ep r e c i p i t a t i o no v e re a s t e r nc h i n a ； 4 ) t h em o i s t u r er e a c h i n gt h en o r t hc h i n ad e c e a s e dr e m a r k a b l ya f t e r19 7 6 t h e l o wl a t i t u d ec h a n g e sf r o md o w n w a r dm o v e m e n tt ou p w a r dm o v e m e n ta n dt h eh i g h 1 a t i t u d ec h a n g e sc o n t r a r i l y ；t h et e m p e r a t u r es h o w sm i n u sa f t e r19 7 6o nt h e3 0 0 h p a l e v e lo v e rt h eh i g l ll a t i t u d e s ，w h i c hl e a d st ot h ed i f f e r e n c eo ft h et h e r m a lp r o p e r t i e s a n dt h e na f f e c t st h ec o n v e c t i v es t a b i l i t y ；m e a n w h i l et h et e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g m a k e st h ew e s tw i n di n c r e a s ei nt h es o u t ha n dd e c r e a s ei nt h en o r t hr e s p e c t i v e l ya n d t h eb a r o c l i n i cs t a b i l i t yw e a k e n sa n ds t r e n g t h e n sa c c o r d i n g l y k e yw o r d s ：e x t r e m ep r e c i p i t a t i o n ，m o i s tp o t e n t i a lv o r t i c i t y , s t a b i l i t y ； i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 自1 9 9 8 年i p c c ( 政府间气候变化专门委员会) 成立以来，已经陆续对气候变化对社 会、经济的潜在影响以及如何适应和减缓气候变化的可能对策做过四次评估。i p c c 第三 次评估报告( t a r ) ( 2 0 0 1 ) 指出i lj ，2 0 世纪( 1 9 0 1 - - 2 0 0 0 年) 全球平均地表温度升高约0 6 ( 0 4 - 0 8 ) ，比第二次报告( s a r ) ( 1 9 9 5 ) 高出o 1 5 。c 。第四次评估报告( a r 4 ) ( 2 0 0 7 ) 2 】指出 1 9 0 6 - 2 0 0 5 年全球地表温度升高了约0 7 4 ( o 5 6 - 0 9 2 。c ) 。新评估报告分析时段内增加 的几年与以往年份相比几乎都是偏暖的，这也说明了近些年来全球变暖越来越明显。因为 全球变暖，使得地表蒸发加剧，导致大气保持水分能力增加，全球和区域水循环加剧，势 必造成部分地区降水增多。根据概率分布，相应的极端降水出现的概率也增大，即容易发 生极端降水事件，进而容易引起洪涝灾害，另一方面部分地区极端降水状况出现频数偏 少，也是旱灾出现的可能原因，极端降水带来的气象灾害不仅影响了国民经济的可持续发 展，更威胁到了人民的生命财产安全。因此，选取适当的极端降水事件的表征值，分析我 国极端降水的时空分布特征并研究其可能成因，不仅有利于全面认识极端降水事件的发生 发展机理，也是国民经济稳步快速发展的需要。 1 2 极端降水事件的研究进展 对于极端降水事件，国内外的学者都展开了一系列的研究，并都取得了一定的成就。 分析研究极端事件的变化特征通常有两种方法，一种是定义与极端事件相关的代用气候指 数，通过分析这些气候指数的特征来反映极端事件的变化情况；另一种就是根据天气现象 ( 如热带气旋) 本身的定义标准，直接通过对原始资料的分析来判断该类极端事件的频率或 强度有何变化。2 0 0 2 年，f i l c h 等”】提出了l o 个相对“弱极端，低噪音，希望更可靠”的极 端指数，其中5 个指数与极端降水有关：中雨以上日数( r 1 0 ) 、连续干日( c d d ) 、最大五日 降水总量( r s d ) 、平均日降水强度( s d i d 、超过9 5 百分位降水占总降水量的百分率 ( r 9 5 t ) 。2 0 0 3 年e t c c d m i 一1 ( e x p e r tt e a m0 1 1c l i m a t ec h a n g ed e t e c t i o na n di n d i c e s ) 定义了2 7 个代用气候指数，主要集中在对极端事件的描述上，其中包括1 6 个气温指数和1 1 个降水指 南京信息工程大学硕士学位论文 数( 1 1 个降水指数见表1 ) ，这一系列的指数既包括了一些“绝对”的指数，如在某一段时间内 日降水量大于l o m m 的天数的变化；还有一些“相对”的指数，如针对日最高温度，定义为 以1 9 6 1 年到1 9 9 0 年期间5 天滑动平均最高温度为基准，按照可以拟合该序列的某种分布计 算第9 0 个百分位值作为阈值，以此来计算某个时期内“极端”最高温度的日数变化；特殊类 指数，如湿天的年际降水量( 这里湿天定义为日降水量大于1 0 m m 的日子) ，也就是一年 中湿天的降水合计量。t a n k 等t s l ( 2 0 0 3 ) l i 琥欧洲区域1 9 4 6 _ 1 9 7 5 和1 9 7 5 1 9 9 9 两个时间段的降 水情况，发现2 阶段中除了单日最大降水量外的极端降水指数都是增强的。 g o s w a m i 6 1 ( 2 0 0 6 ) g j 印度中部1 8 7 1 2 0 0 3 年的降水资料进行分析，发现在变暖的环境背景 下，极端降水事件呈显著的增长趋势。对于我国极端降水事件的研究，目前也取得了一定 的进展，主要研究内容集中在对极端降水表征值的确定、极端降水分布和演变趋势、可能 影响极端降水因子分析等方面。 1 2 1 极端降水事件阈值及表征值的确定 极端天气事件的确认可以根据经验，或对社会、经济有重大影响来判断，但为了定量 研究还是要从气象要素上给定一个阈值来判别【7 】。对于我国极端降水阈值的定义现在常用 的方法有：( 1 ) 分级法：将降水分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨多个等级进行考 虑。龚道溢等【8 】将我国北方的降水分成4 个等级进行研究，弱( 小于l o m m d ) 、中等( 1 0 2 5 m m d ) 、强( 2 5 1 0 0 m m d ) 和极端降水( 大于5 0 m m d ) ；( 2 ) 标准差法：取距平值大于标 准差一定倍数的值作为极端事件阈值，如将降水距平大于o 5o ( 标准方差) 为异常强降水 事件等【9 】；( 3 ) 百分位法：这是目前运用最为广泛的一种方法，翟盘茂是我国最早利用百 分位法确定极端降水阈值并将文章发表到国外的一位学者【l0 1 。他指出【1 1 1 ，我国通常把日 降水量超过5 0 m m 的降水事件称为暴雨，将日降水量超过2 5 m m 的降水事件称为大雨，在 我国北方暴雨和大雨都可以看作是强降水。但对于不同地区而言，极端降水事件不能用统 一固定的日降水量来简单定义。因此，可根据每一个测站的日降水量确定不同地区的极端 降水事件的阈值。本文对极端降水研究主要采用的是第三种方法，即百分位法。 应该说，确c h 等提出的极端降水指数比较经典，具有很好的指示意义，为很多研究所 用。大多数研究在着重于极端降水时空变化特征分析时，多采用前文提到的百分位方法确 定极端降水阈值，对日降水量大于等于极端降水事件阈值的降水量及日数结合其他极端降 水表征值进行长时间序列的统计再加以分析；而涉及到对于极端降水成因分析的时候，多 采用前文提到的标准差法，通过判断降水量距平绝对值是否大于标准差一定倍数值的方法 确定降水异常年，再对可能影响降水形成的因子进行分析。 2 第一章绪论 表11 1 个降水指数 时段j 内的第i 日( r r l m m ) 的降水量为 p r c p t o t 年总降水量 ，i 为降水日数，yirriip r c p t o t i =咫i i m m ，i 为降水日数， 咫 3 南京信息工程大学硕士学位论文 值。 注：表1 中部分指数即为m c h 等提出，有下划线的指数常被用于作为极端降水的表征 1 2 2 我国极端降水事件的基本变化特征 我国极端降水事件的变化极其复杂，具有明显的区域性和局地性。严中伟等( 2 0 0 0 ) 【1 2 】利用中国6 1 个站点的气象观测资料分析指出北方干旱化问题主要反映在微量降水事件的 显著减少方面。黄荣辉等( 2 0 0 3 ) f 1 3 】通过观测资料分析我国旱涝灾害的年代际变化特征， 表明从1 9 7 6 年之后迄今我国华北地区发生持续干旱，长江、淮河流域夏季季风降水明显增 加。钱维宏等( 2 0 0 7 ) 1 0 l 利用多年平均逐日降水资料研究指出：我国极端强降水有增多的 趋势。与东亚季风气流和西风带气流异常对应的我国有效降水在区域分布上发生了显著变 化，东部季风区的“北涝南旱”从1 9 7 0 s 年代末转型为“南涝北旱”，与华南偏干一起形成 了东部季风区降水从华南、长江、到华北的“、+ 、”异常分布型，但华南在1 9 9 1 年出 现了转湿的突变；东北和西北先后从1 9 8 3 年和1 9 8 7 年前后转为暖湿气候。翟盘茂【1 牝3 】系统 地对我国的极端气候事件进行了研究，其大量的结果表明我国华北地区强降水事件趋于减 少，西北大部分地区极端降水事件的出现呈明显的增长趋势，极端降水事件在近期比早期 增加了近1 倍，东北西部也趋于增加，但东北东部到华北大部极端降水事件发生的日数明 显趋于减少，并发现( 1 9 9 9 ) 近4 0 年中国东部年平均降水强度极端偏强的趋势较为显著，同 时进一步指出( 2 0 0 5 ) 夏半年极端降水频率在长江流域增加，全年平均华北地区降水量减少 主要是由于降水频率减小，而长江流域降水增加主要是由于降水强度加大且极强降水事件 增多。由此可以看出，每个地区的极端降水事件都有其独特的分布格局和各自的演变形 势。 1 2 3 极端降水成因研究 应该说，对于极端降水的统计分析目前已经作了相当多的工作，对于极端降水分布格 局已经有了比较清晰的认识，只是因采用的数据、方法以及对于极端降水定义的不同导致 结果有些许差异，但大体趋势是相同的，更重要的是要加强可能影响极端降水形成的因子 及其影响机制的研究。张永领、丁裕国等( 2 0 0 4 ) 【2 4 】对我国东部极端降水与北太平洋海温 的遥相关进行研究，指出太平洋海温异常是直接影响我国异常降水的主要因素之一。杨金 虎、江志红等( 2 0 0 8 ) 【2 5 】研究指出冬季太平洋海表温度对后期西北区东部夏季极端降水事 件的影响显著，赤道中东太平洋海表温度发生异常时，首先引起纬向和经向垂直环流圈发 生异常，进而强迫大气环流发生调整，先后通过p n a 和w p 遥相关使得西太平洋副热带 高压发生异常，最终使得西北区东部夏季极端降水事件发生异常。 4 第一章绪论 极端天气气候事件是造成自然灾害的重要原因之一，而极端降水常常与旱涝灾害联系 在一起1 2 6 1 。我国地处东亚季风区，受东亚夏季风影响显著，强降水主要集中在夏季，夏季 的强降水多寡和该年可能的旱涝产生有着密切的联系，这也是很多研究极端降水成因多和 夏季异常降水可能影响因子联系起来的原因所在。旱涝的发生与降水发生异常有关，而降 水异常又主要是因为影响降水系统产生的大气环流背景发生改变。大量的研究已经证实， 从2 0 世纪7 0 年代以来，东亚地区和北太平洋地区的大气环流和气候都发生了显著的年代 际变化口7 】【2 引，也有观测证实这种变化在全球范围内都有发生【2 9 】【3 们，东亚地区的夏季风减 弱是这种变化的直接反映之一。张庆云等( 2 0 0 3 ) 【3 i 】指出2 0 世纪8 0 年代以来华北地区降 水持续偏少，这与夏季2 0 0 h p a 矢量风距平场亚洲中纬度西风环流加强，8 5 0 h p a 风矢量距 平场中国东部1 1 0 e 1 2 0 e 范围内偏南气流比气候平均状况偏弱有关。影响大气环流异常 的原因有很多方面，海表温度的差异是其中一项重要因素。早在1 9 8 5 年，罗绍华、金祖 辉、陈烈庭等【3 2 】就做了印度洋和南海海温与长江中下游夏季降水的相关分析，指出从空间 和时间上两者都存在较好的统计相关关系，加上对e n s o 事件影响全球气候异常的更清楚 的认识，很多学者开始致力于从海温异常变化对降水的可能影响来寻找早涝预报因子。杨 明珠、丁一汇( 2 0 0 6 ) 【3 3 】研究得到印度洋全海盆的增温趋势与我国夏季降水的气候线性变 化趋势十分一致的结论，正s i o d ( 南印度洋偶极子) 年中国江南和西南以及长江中下游 的降水偏多，负s i o d 年江南大部降水偏少。有研究进一步指出【3 4 】f 3 5 】，长江流域降水与赤 道中东太平洋海温的关系不确定，而与邻近海域如西太平洋、南海、印度洋有较密切的关 系( 2 0 0 1 ) ，前春赤道南印度洋海温异常偏暖，则夏季南海海温异常偏暖，南海低空出现 异常偏南风，异常多的水汽向我国南方输送，长江中下游地区易涝；反之，则易旱 ( 2 0 0 3 ) 。也有学者以一些影响降水的环流系统如副热带高压、南亚高压等为切入点着手研 究其影响旱涝的可能机制，g o n g 等( 2 0 0 1 ) 【3 6 】和h h ( 2 0 0 3 ) 等【3 7 】提出热带太平洋和热 带印度洋s s t 的年代际变化通过影响副热带高压而影响中国夏季降水。张琼、吴国雄 ( 2 0 0 1 ) 田j 发现南亚高压强度指数与长江流域降水有显著相关，二者的年代际变化趋势非 常一致，2 0 世纪年代末当南亚高压由弱变强长江流域由相对干旱转为相对多雨。陶诗言 和卫捷( 2 0 0 7 ) 【3 8 】研究指出，夏季东亚热带季风涌的异常对中国南方致洪暴雨有重要作 用。近些年来，夏季对流层中上层大气有明显变冷的趋势，使得下层出现反气旋环流异 常，导致夏季风减弱，有学者提出东亚副热带西风急流轴有对应的偏南趋势【3 9 1 ，使得西风 急流的位置变动对于我国降水异常的影响又成为研究的焦点【删：夏季西风急流异常偏北 时，我国长江中下游夏季降水异常偏少，河套、华北地区夏季降水异常偏多：夏季西风急 流异常偏南时，我国长江中下游夏季降水异常偏多，河套、华北地区夏季降水异常偏少。 孙风华等( 2 0 0 9 ) j 则进一步指出东亚副热带急流轴位置从7 0 年代末开始偏南，这可能 5 南京信息工程大学硕士学位论文 也是7 0 年代末南北旱涝状况发生转变的原因之一。 1 3 存在的问题 由前人研究可以看出，目前对于我国极端降水分布特征的研究还是相对比较全面成熟 的，但是涉及到成因的研究依然存在着种种不同的观点。前人多是从夏季风减弱、邻近海 域海温的强迫、副热带高压和南亚高压的南北移动及强度的变化、热带季风涌、高低空急 流的位置变动等方面着手分析。极端降水可以说是各个地区的强降水，其发生发展必然是 有其特定的大气环境场，需要一定的天气尺度系统的背景场，同时配合中小尺度系统的共 同作用。只有在有利的气候背景条件下，大气中有足够的不稳定能量释放，利于产生降水 系统，才能够产生较强的降水。那么我国的极端降水在近5 0 年来到底表现出了怎样比较显 著的变化特征? 作为全球大气和海洋相互耦合的最强信号之一的e n s o 对于我国极端降水 产生了怎样的影响? 这种特征的呈现及影响的结果和其所处的区域气候背景之间是怎样的 联系? 这种气候背景是否影响了大气稳定度的变化，造成了不稳定能量分布的不均衡性， 从而使得部分地区容易发生极端降水，部分地区则相反不容易发生极端降水? 这种大气稳 定度又是如何变化的呢? 本文将对这些问题一一进行研究阐述。 1 4 本文研究意义与内容 极端天气气候事件是造成自然灾害的重要原因之一，而极端降水常常与早涝灾害联系 在一起。我国东部地区地处季风区，深受东亚季风影响，且由于东部地区经济发达，对于 极端降水等易致灾事件特别敏感，因此研究其极端降水的变化情况及其可能成因显得尤为 重要。本文将分为六个章节内容进行： 第一章绪论，对我国极端降水事件的表征值确定、极端降水演变特征及成因进行了回 顾，并介绍本文的研究目的及意义； 第二章主要介绍本文所用到的资料和方法； 第三章主要对我国东部地区极端降水的年代际变化特征、气候变化趋势及时空分布等 基本特征进行研究； 第四章主要从大气和海洋相互耦合信号入手，研究e n s o 事件暖、冷年我国东部地区 极端降水特征，分析e n s o 对极端降水的季节影响，并利用湿位涡理论对极端降水成因进 行初步探讨； 第五章则在第三章和第四章的基础上重点利用大气稳定性理论对大气背景场进行分 析，配合水汽输送场和垂直运动场，并以东部地区高层大气温度降低作为切入点分析造成 6 第一章绪论 稳定度变化的可能成因，以期得出我国东部极端降水变化成因及东亚地区对于全球气候突 变响应情况； 第六章对全文研究成果加以总结，并对以后工作进行展望。 7 第二章资料和方法 第二章资料和方法 2 1 资料说明 2 1 1 站点资料 本文所定义的东部地区为我国1 0 0 e 以东的大陆区域，采用了来自中国气象局气候中 心整编的7 5 3 个测站1 9 5 9 2 0 0 8 年逐日降水资料集； 对于降水和极端降水的长期趋势统计工作，保留了7 5 3 个测站中资料时间序列完整的 站点，保证每一天都有记录，时间段为1 9 5 9 2 0 0 8 年5 0 年，再对其进行5 的质量控制， 即一年内缺测超过2 8 天时，该年作为缺测年，5 0 年内缺测年达3 年以上，该站点作为缺 测站点予以剔除，最后选取了东部地区的3 9 2 个站点参与统计计算。 2 1 2 格点资料 格点资料采用了美国n e c p n e c r ( n a t i o n a lc e n t e r sf o re n v i r o n m e n t a lp r e d i c t i o n n a t i o n a lc e n t e rf o ra t m o s p h e r i cr e s e a r c h ) 月平均再分析资料，其水平分辨率为2 5 宰2 5 。， 要素主要包括温度t 、位势高度h 、水平径向风u 、水平纬向风v 、比湿q 、垂直p 速度c o ， 本文所用的资料年限是1 9 4 8 2 0 0 8 年； 另外采用了n o a a 改进扩展重建的全球海表温度场( n o a ae x t e n d e dr e c o n s t r u c t e d s s t ) ，水平分辨率为2 0 2 0 ； 西太平洋副热带高压指数来自国家气候中心系统诊断预测室再处理资料； 为了验证部分结果，本文最后还采用了欧洲中心e r a - 4 0 ( 世界时0 0 时) 再分析资 料，其水平分辨率为2 5 2 5 ，数据起止时间为1 9 5 7 年9 月2 0 0 2 年8 月，要素场主要包 括温度场t p r s 、高度z p r s 、水平径向风u p r s 、水平纬向风v p r s 。 2 2 方法介绍 2 2 1 极端降水事件的定义 本文采用绪论中提到的第三种方法，即翟盘茂等】提出的百分位方法：把每个站点气 候基准时段( 1 9 7 1 2 0 0 0 年) 逐年湿日降水量序列的第9 5 个百分位值的3 0 年气候平均值 定义该站点的极端降水阈值。对于百分位值的确定，则具体参照b o n s a i 4 2 】的计算方法：把 湿日降水序列的n 个值按升序排列，x l ，x 2 ，