（气象学专业论文）华北地区空中水汽含量的演变特征.pdf

摘要 目录 a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究进展2 1 3 研究资料4 1 4 本文内容及结构5 第二章研究资料与方法 2 1 资料 7 2 1 1 观测资料7 2 1 2n c e p n c a r 格点资料。8 2 1 3e r a - 4 0 格点资料8 2 2 探空资料计算整层大气水汽含量的方法8 2 3 分析方法。8 第三章华北地区降水的时空变化特征 1 0 3 1 降水的空间分布特征1 0 3 1 1 降水的平均分布特征l o 3 1 2 降水的的趋势场分布特征1 2 3 2 1 降水的月、季变化1 4 3 2 2 降水的年变化1 4 3 2 3 降水的突变分析1 6 3 3d 、结1 8 第四章华北地区空中水汽含量的时空变化特征 1 9 4 1 水汽含量的空间分布特征1 9 4 1 1 水汽含量的平均分布特征1 9 4 1 2 水汽含量的趋势场分布特征2 2 4 1 3 水汽含量的异常空间分布特征 4 2 水汽含量的时间变化2 7 4 2 1 水汽含量的季节分布2 7 4 2 2 水汽含量的年变化。 4 2 3 水汽含量的周期变化3 0 4 2 4 水汽含量的突交分析31 4 3d 、结。 第五章华北地区空中水汽含量与降水量的关系 5 1 降水效率3 4 5 1 1 降水效率的空间分布3 4 5 1 2 降水效率的年变化3 4 5 1 3 降水效率的季节分布。3 5 5 2 水汽含量与降水量相关的s 、，d 分析3 6 5 3 水汽含量异常年降水量的差异4 1 5 4d 、l 右4 2 第六章华北地区夏季空中水汽异常的成因初探 6 1 涝年与早年水汽含量的差异“ 6 2 水汽含量异常年气候因子的差异4 5 6 2 1 水汽含量异常年水汽通量的差异。4 6 6 2 2 水汽含量异常年5 0 0 h p a 高度场的差异4 7 6 2 3 水汽含量异常年地面温度场的差异4 8 6 3d 、结：4 9 第七章印根和e r a - - 4 0 再分析资料在华北地区的 适用性 5 1 5 1 7 1 水汽含量气候平均值的比较。5l 7 1 1 水汽含量空间分布场的比较：51 7 1 2 水汽含量季节变化的比较。5 2 7 2 水汽含量年际变化趋势的比较5 3 7 3 d 、结：一5 5 第八章结论与讨论 8 1 主要结论 8 2 创新性5 8 8 3 存在问题及展望。 参考文献： 致谢 作者简介 4 5 9 6 3 6 4 摘要 利用华北地区1 9 7 9 - 2 0 0 8 年1 2 个探空站的观测资料、5 0 个地面观测站的降 水资料、同期的n c e p n c a r 再分析资料以及1 9 7 9 - 2 0 0 1 年的e r a - 4 0 再分析资料， 结合多种统计学分析方法，详细地研究了华北地区降水和空中水汽含量的变化 特征及两者之间的相关关系，并分析了影响空中水汽含量的主要气候因子，讨 论了两种再分析资料在华北地区的适用性等问题。主要结论如下： ( 1 ) 华北地区降水量自东南沿海向西北内陆逐渐减少，且空间差异较大， 大部分地区降水呈减少的趋势，干旱化趋势更加显著。降水量具有明显的年际变 化特征，突然变干的过程主要发生在2 0 世纪9 0 年代末期。 ( 2 ) 华北地区空中水汽含量由东南沿海向西北内陆也呈减少的趋势，且空 间差异较大，除了西部边缘和东部部分地区水汽随时间呈减少的趋势外，大部 分地区表现为增加的趋势，尤其是中部地区增加趋势更明显。在长期变化趋势 上，4 季水汽含量均表现为增加的趋势，除了春季没有发生明显突变外，其它季 节在2 0 世纪8 0 年代中期前后均由偏少向偏多发生了突变。夏季水汽含量存在 3 - - - 4 a 和准8 a 的振荡周期，其它3 个季节普遍存在4 a 、6 a 和1 2 - - , 1 4 a 的振荡周 期。 ( 3 ) 近3 0 a 来华北地区降水效率呈波动式下降趋势，且4 季降水效率都较 低。s v d 的第l 模态反映出华北地区水汽含量与降水量存在密切联系，即当水汽 含量偏多( 偏少) 时，大部分地区降水偏多( 偏少) ，但各个季节有所不同。 ( 4 ) 华北地区夏季水汽异常与大气环流有关，水汽含量偏多( 少) 年在南 海至西太平洋地区有( 无) 明显的水汽向华北地区辐合，中纬度西风带有( 无) 水汽向华北地区输送。在5 0 0 h p a 高度场上，水汽偏多年西太平洋副热带高压位 置更偏西、强度更强。另外，水汽异常与地表温度也有一定的关系，地表温度 偏高的年份，空中水汽含量偏多，反之亦然。 ( 5 ) n c e p n c a r 和e r a - 4 0 两种再分析资料在反映华北地区年平均水汽含量 的空间分布与实测资料在量值和分布型上均比较接近，能较好地反映该地区高 空水汽含量的多年平均变化特征。两种再分析资料与实测值存在非常相似的年 际变化，但均存在系统性偏大，其中e r a - 4 0 再分析资料能够反映出华北地区水 汽增加的趋势。 关键词：华北地区，水汽含量，降水量，演变特征，影响因子，适用性 a b s t r a c t b a s e d o n19 7 9 - 2 0 0 8 s o u n d i n g d a t af r o m12 s o u n d i n g s t a t i o n s ， c o n t e m p o r a n e o u sp r e c i p i t a t i o no b s e r v a t i o n sf r o m5 0s t a t i o n sa n dn c e p n c a r r e a n a l y s i sd a t aa n d19 7 9 - 2 0 0 1e r a - 4 0r e a n a l y s i sd a t ai nn o r t hc h i n a , t h ev a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i ca n dc o r r e l a t i o no f p r e c i p i t a f i o na n dw a t e rv a p o rc o n t e n ti nn o r t hc h i n a w e r es t u d i e db yl e a n so fm a n ys t a t i s t i c a lm e t h o d s ，a n dt h e nt h em a i nc l i m a t i c f a c t o r sa f f e c t i n gw a t e rv a p o rc o n t e n tw e r ea n a l y z e d , a sw e l la st h ea p p l i c a b i l i t yo f r e a n a l y s i sd a t ai nn o r t hc h i n 盈t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e r e c i p i t a t i o ni nn o r t hc h i n ad e c r e a s e dg r a d u a l l yf r o ms o u t h e a s tc o a s tt o n o r t h w e s ti n l a n da r e a , w i t hg r e a t e rs p a t i a ld i f f e r e n c e t h ep r e c i p r a t i o nw e n td o w ni n m o s tr e g i o n s ，a n dc l i m a t ea r i db e c a m e m o r ea n dm o r eo b v i o u s m o r e o v e r p r e c i p i t a t i o nh a do b v i o u sa n n u a lv a r i a t i o n ，a n dc l i m a t eb e c a m ed r ys u d d e n l ya tt h e e n d o f1 9 9 0 s ( 2 ) a t m o s p h e r i cw a t e rv a p o rc o n t e n ti nn o r t hc h i n aa l s os h o w e dd e c r e a s et r e n d f r o ms o u t h e a s tc o a s tt on o r t h w e s ti n l a n da r e a , w i t hg r e a t e rs p a t i a ld i f f e r e n c e w a t e r v a p o rc o n t e n tw e n td o w ni nw e s t e r nm a r g i na n dp a r to fe a s t e mr e g i o na n dw e n tu p i n o t h e rr e g i o n , e s p e c i a l l yi nm i d d l er e g i o nw i t ho b v i o u si n c r e a s et r e n d t h ew a t e r v a p o rc o n t e n ti nf o u rs e a s o n sa l ls h o w e ds l i g h ti n c r e a s i n g 仃e n di nr e c e n t3 0y e a r s ， a n dw a t e rv a p o rc o n t e n ti n c r e a s e dg r e a t l ya f t e rt h em i d d l eo f19 8 0 se x c e p ts p r i n g ，i n a d d i t i o n , w a t e rv a p o rc o n t e n ti ns u m m e rh a dt h ev a r i a t i o np e r i o do f3 - - - 4y e a r sa n d8 y e a r s ，w h i l ev a r i a t i o np e r i o dw a s4y e a r s ，6y e a r sa n d12 - - - 14y e a r si no t h e rs e a s o n s ， r e s p e c t i v e l y ( 3 ) i nr e c e n t3 0y e a r s ，p r e c i p r a t i o ne f f i c i e n c yi nn o r t h c h i n as h o w e d f l u c t u a t i n gd e c r e a s et r e n da n dw a sl o w e ri nf 0 啦s e a s o n s t h ef i r s tm o d eo fs v d c o m p o n e n t s t h ei n t i m i d a t e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nw a t e r v a p o rc o n t e n t a n d p r e c i p i t a t i o ni nn o r t hc h i n a , t h a ti st os a y , w h e nw a t e rv a p o rc o n t e n ti sm o r e ( 1 e s s ) t h a nn o r m a l ，p r e c i p i t a t i o ni nm o s ta r e ao fn o r t hc h i n ai sm o r e ( 1 e s s ) t h a nn o r m a l ， b u ti ti sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n ts e a s o n s ( 4 ) a b n o r m a lw a t e rv a p o rc o n t e n tw a sr e l a t e dt oa t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n , a n d t h e r ew a s ( n o ) o b v i o u sw a t e rv a p o rc o n v e r g e n c et on o r t hc h i n af r o ms o u t hc h i n a s e at ow e s t e r np a c i f i c ，w h i l et h e r ew a s ( ) w a t e rv a p o rt r a n s p o r tt on o r t hc h i n ai n w e s t e r l yb e l ti nm i d d l el a t i t u d ed u r i n gt h ey e a rw i t hm o r e ( 1 e s s ) w a t e rv a p o r , a n d s u b t r o p i c a lh i g hm o v e dm o r ew e s t w a r da n db e c a m em o r es t r o n g e ri nt h ey e a rw i t h m o r ew a t e rv a p o rc o n t e n ta t5 0 0h p a i na d d i t i o n , a b n o r m a lw a t e rv a p o rh a dc e r t a i n r e l a t i o n 嘶n ll a n ds u r f a c e t e m p e r a t u r e ，n a m e l yt h eh i g h e rt h el a n d5 u r f a t ? 冶 t e m p e r a t u r e ，t h em o r et h ea t m o s p h e r i cw a t e rv a p o rc o n t e n t , a n dv i c ev e r s a ( 5 ) t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fa n n u a la v e r a g ew a t e rv a p o ro v e rn o r t hc h i n a b a s e do nn c i p n c a ra n de r a _ 4 0r e a n a l y s i sd a t aw a sr e l a t i v e l ys i m i l a rw i t h s o u n d i n gd a t ai nv a l u ea n dd i s t r i b u t i o np a t t e r n 硼1 er e s u l t so f a n n u a la v e r a g ew a t e r v 印o ro v e rn o r t hc h i n ab a s e do nn c e p n c 创ra n de r a _ 4 0r e a n a l y s i sd a t aw a s c o n s i s t e n tt ot h a to fs o u n d i n gd a t a , w h i c hc o u l dr e f l e c tt h ea n n u a lv a r i a t i o no f w a t e r v a p o rc o n t e n to v e rn o r t hc h i n a t w or e a n a l y s i sd a t as h o w e ds i m i l a ra n n u a lv a r i a t i o n t om e a s u r e dv a l u e ，b u tt h e yw e r es y s t e m i ch i g h e ra n de r a 4 0r e a n a l y s i sd a t ac o u l d r e f l e c ti n c r e a s et r e n d k 呵w o r d s ：n o r t hc h i n a , w a t e rv a p o rc o n t e n t , p r e c i p i t a t i o n , v a r i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，i n f l u e n c i n gc l i m a t ef a c t o r s ，a p p l i c a b i l i t y m rr i 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 华北地区地处中纬度欧亚大陆东岸，包括内蒙古自治区、河北省、山西省、北京和天 津，东起东经1 2 6 0 2 9 ，西至东经9 7 0 1 0 ，北起北纬5 3 0 2 0 ，南至北纬3 4 0 3 4 ，总面积约1 4 6 8 万平方公里，占我国总面积的1 5 ，是我国政治、经济、文化、交通的中心地带。该地区 地形复杂多样，主要包括高原、平原、山地、丘陵等多种地貌类型，海拔差异大。北部为 内蒙古高原，一般海拔1 0 0 0 1 2 0 0 m ，高原东部有大兴安岭，南部有阴山、贺兰山、燕山 山脉及太行山脉，东南部为辽阔的华北平原，海拔大多在5 0 m 以下。华北地区处于暖温带 半湿润、半干旱大陆季风气候区，具有冬季寒冷雨雪少，春季干旱风沙多，夏季炎热雨集 中，秋高气爽日照足的显著特点【1 1 。 近百年来，全球变暖已经对许多地区的自然生态系统产生了影响【2 捌，如海平面升高、 冰川退缩、湖泊水位下降、冻土融化等，并将对全球自然生态系统和社会经济可持续发展 产生重大而深远的影响，如地表径流、旱涝灾害频率等发生变化，特别是水资源的供需矛 盾将更为突出，进入二十一世纪以来，水资源短缺问题日益成为科学家关注的焦点之一。 我国是世界上水资源匮乏的国家之一【4 】，人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有 量的1 4 ，其中2 3 的城市存在供水不足问题，平均每个城市年缺水量达0 1 亿m 3 ，并且水 资源的时空分布极不平衡，北方地区缺水较为严重，其中华北地区是我国水资源严重缺乏 的地区之一，按地表水和地下水资源总量计，华北地区人均水资源占有量为9 5 0 m 3 ，仅占 全国的l 6 ，耕地亩均水资源只占全国的1 1 0 ，属于水资源紧缺地区1 5 。由于长期严重缺水， 造成地下水位大幅度下降、地面下沉、海水入侵、水质和生态环境恶化，其危害影响深远 6 - 7 1 。随着社会经济的发展、人e 1 的增长、城市的扩张，水资源危机已经相当严重1 8 ，华北 干旱更加明显p ，水资源严重不足成为影响该区经济发展和人民生活水平的提高的瓶颈， 因此加强华北地区水资源的研究具有非常重要的现实意义。 华北地区水资源的主要来源之一就是气候降水，而空中水汽是降水的基础，它通过气 流的输送和辐合( 辐散) 等过程直接影响某地的降水多寡，其次，水汽还通过平流和垂直 输送及蒸发凝结过程，明显地影响地面和大气中的水分循环及能量平衡【1 5 1 。因此，详细地 研究在气候变暖背景下该地区空中水汽的变化特征、成因及其变化规律，为华北地区水资 源的合理调配和开发利用提供参考依据，不仅具有科学意义，而且具有十分重要的应用价 值，同时对于防灾减灾工作也存在非常重要的经济意义和社会意义。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 2 国内外研究进展 大气中的水汽含量虽然只占全球水循环总水量的1 5 3 ，但却是全球水循环过程中最 活跃的成分【1 6 1 。正是由于大气水汽连续活跃的更新和输移，才实现了全球各水体间水量连 续转换和更新。大气水汽含量和水汽输送不仅与大气环流有密切的内在联系，而且是全球 能量和水循环过程的重要部分，对区域水分平衡有重要作用。国内外科学家很早就开始了 这方面的研究，上世纪6 0 到7 0 年代，在国际水文计划和世界气象组织的推动下，特别是 上世纪8 0 年代后期至9 0 年代以来，在全世界面临资源与环境等问题的背景下，在全球水 量平衡和水文循环的研究方面，已取得了不少的研究成果【1 7 - 2 2 。 2 0 世纪5 0 年代，原苏联在以m h 布德科为代表的一批水文气象学家，对原苏联领土 的水量平衡和大气水分循环进行了多方面研究，提出了大陆水文内循环的概念和分析方法。 6 0 年代初，b a n n o njk 等烩制了全球l 、4 、7 、1 0 月的地面和8 5 0 、7 0 0 、5 0 0 h p a 上的 水汽含量分布图。r e i t a nch 【2 4 】绘制和分析了美国大陆上空各月的水汽含量分布图，并计算 了水汽含量的年、月离差系数。由于当时探空资料太少，因此这些成果还只是探索性的、 初步的。 我国也于2 0 世纪5 0 年代开始开展中国上空水汽的研究。吴伯雄【2 5 】根据1 9 5 6 年的探空 资料，分析了我国大陆上空水汽含量各月分布的一些主要特点。徐淑英等【2 6 】在1 9 5 8 年分析 了中国东部地区大气水分平衡。邹进上等【2 7 1 利用1 0 5 个探空站1 9 6 0 1 9 6 9 年资料，研究了 我国大陆上空水汽含量的分布特点及其季节变化，发现水汽含量的地理分布特点是南方大， 西北方小；季节变化特征是夏季大，冬季小，且与东亚低层大气环流的关系密切。陆渝蓉 等 2 s l 利用1 9 6 0 1 9 6 9 年我国台站的高空和地面资料，分析了大气中平均水汽含量与水分平 衡特征，指出水分平衡时空变化与我国旱涝的季节和地区变化相当一致。沈建柱 2 9 】依据 1 9 7 4 - 1 9 7 8 年平均探空资料，计算了我国夏季风时期的大气水分平衡。施永年等p o 】利用我 国东部3 8 个台站的高空资料分析了我国东部夏季的水汽输送和水汽含量，发现我国东部大 陆夏季的水汽主要来自西南方向，其次是东南方向。邹进上掣3 l 】利用探空资料讨论了影响 我国水汽含量分布和变化的基本因子，研究表明地理纬度、海陆分布、地形、环流等是影 响和控制水汽含量的主要因子，其中环流因子尤为重要，另外青藏高原大地形对水汽的屏 蔽作用也非常明显。刘国纬【3 2 】在1 9 9 7 年对中国水文循环的状况进行了全面分析，给出了中 国大陆上空年平均和各季平均状态下的大气水汽含量、大气中的水汽输送、水汽辐合与辐 散、水汽收支、陆地一大气系统水量平衡与水文循环。 近年来对于我国空中水汽的变化趋势也作了不少研究戴莹等【3 3 】利用n c e p n c a r 和 e c m w f 再分析资料，研究了1 9 5 8 2 0 0 1 年我国大陆上空可降水量的时空变化特征，发现 2 第一章绪论 我国大部分地区大气可降水量为减少趋势，而西北地区和华南沿海呈增加趋势，1 9 6 5 年可 降水量由偏多向偏少转变，1 9 8 7 年前后可降水量由偏少向偏多转变。王霄等 3 4 - 3 5 基于 1 9 4 8 2 0 0 7 年的n c e p n c a r 再分析资料，分析了青藏高原夏季大气可降水量的分布和变 化特征，发现高原上空存在3 个明显的水汽含量高值中心：即高原的东南部、西南部和南 侧。王鹏祥等【3 6 】利用n c e p n c a r 再分析资料研究了近4 3 a ( 1 9 6 1 - 2 0 0 3 年) 青藏高原夏季 水汽的分布及演变特征，得出近4 3 a 来高原净水汽通量收支整体上呈增加趋势。俞亚勋等 【3 7 1 利于1 9 5 8 - 2 0 0 0 年的n c e p n c a r 再分析资料，对我国西北地区空中水汽的时空分布及 变化趋势进行了研究，发现西北地区水汽主要集中在东部和西部，而中部地区水汽含量较 少，自上世纪5 0 年代末至8 0 年代中期呈明显下降趋势，而从上世纪8 0 年代后期开始又呈 波动上升趋势。向华等【3 s 】利用地面水汽压资料，分析了湖北省空中水汽含量的时空分布特 征及与地面降水的关系，认为少雨年与多雨年的差异，除了空中水汽含量偏少外，主要是 由于成雨的概率不高。王毅荣等【3 9 】研究了甘肃省空中水汽含量对全球气候变化响应，发现 全区水汽星一致的上升趋势，其中西部上升明显于东部，对全球气候变化的敏感区域主要 在黄河附近。杨光林等【加】利用g p s 遥感资料分析了西藏地区水汽特征，发现空中水汽的日 变化和季节变化都比较明显杨保东等【4 1 】利用邢台和张家口两站的探空资料，计算了河北 省的大气水汽含量，并讨论了河北省大气水汽含量的长期变化趋势及时空分布特征。 目前对于华北地区水资源的研究，已有大量的研究成果。黄荣辉等1 9 】利用1 9 5 1 1 9 9 4 年 6 - - 8 月份降水量资料研究指出，我国夏季降水于1 9 6 5 年前后发生了一次气候跃变，在华北 地区表现为1 9 6 5 年以后夏季降水明显减少，干旱化趋势明显。马晓波 4 2 1 分析认为5 0 年代以 来华北地区降水量呈减少趋势，特别是从1 9 6 5 年以来持续减少，利用计算的蒸发量资料分 析发现华北全区蒸发量呈增加的趋势。陈烈庭【4 3 】分析了华北地区夏季降水标准差的空间分 布及其距平百分率的年际和年代际的地域特征，并分区分析了华北降水量的长期变化趋势 及其阶段性和突变性，指出华北地区夏季降水年际变化存在很大的地域性差异，4 0 多年来 发生过两次变干过程：一次是在6 0 年代中期，另一次是在7 0 年代末期，且不同地区干旱化 趋势和变干的程度也有明显不同。张庆云畔】研究1 8 8 0 年以来华北降水及水资源的变化指出 1 8 8 3 1 8 9 8 年和1 9 4 9 1 9 6 4 年是华北降水较丰沛时段，1 8 9 9 1 9 2 0 年和1 9 6 5 1 9 9 7 年是华北降水 处于偏少阶段，其中1 9 8 0 1 9 9 3 年降水持续偏少。范广州等【4 5 1 分析了华北地区夏季水资源特 征及其对气候变化的响应，利用模型模拟了水资源各分量对不同气候变化情况的响应。一 些学者【4 7 】对华北地区降水的时间演变特征进行- f d , 波分析，发现华北地区降水存在明显 的2 5 a 和6 - - - 8 a 的短周期和1 0 一- 2 0 a 的长周期变化特征。 近年来，科研工作者们开始对华北地区空中水资源越来越重视。曹丽青等郴】利用 1 9 4 8 2 0 0 3 年的n c e p n c a r 再分析资料，研究了华北地区大气水分气候的变化及其对水资 3 南京信息工程大学硕士学位论文 源的影响，分析认为2 0 世纪6 0 年代初n s o 年代中期水汽呈持续下降趋势，之后略有回升， 9 0 年代中期以后又呈下降的趋势。李国翠等 4 9 1 利用2 0 0 4 2 0 0 5 年北京、邢台和张家口3 个探 空站0 8 和2 0 时的资料，计算了各个站点不同时刻对应的水汽总量，在此基础上分析了华北 地区水汽总量特征，并建立了水汽总量与地面水气压的关系。谢坤等唧l 利用e r a - 4 0 再分析 资料，分析了华北地区1 9 5 8 2 0 0 2 年夏季的大气水汽含量和水汽输送基本气候特征及早涝年 的异常情况，结果表明：华北地区夏季降水的大气水汽主要来自孟加拉湾、南海和西太平 洋以及中高纬西风带输送，与夏季旱涝密切相关的水汽输送主要是南海和西太平洋以及西 风带的水汽输送异常，其中南边界和东边界水汽输出异常是造成夏季旱涝年水汽收支异常 的主要原因，近半个世纪以来，伴随着华北干旱化的加剧，华北地区南边界输入的大气水 汽呈现显著的减少趋势。蔡英等【5 l 】分析了华北湿年的低层水汽通量场，指出，在华北湿年 夏季，西太平洋副高偏北，东亚夏季风偏强，来自南海的水汽输送增加。 1 3 研究资料 气象学中探测大气水汽含量的方法主要有三种【5 ”3 1 ：( 1 ) 无线电探空技术，既通过发 射探空气球，收集有关的温度、气压、湿度等气象因子来计算水汽含量。目前该技术的空 间分辨率为数百到数千k m ，一般每天早晚两次探测，时空分辨率低，不能满足中小尺度灾 害性天气的需要；优点是计算精度相对较高，是一种常规计算水汽总量的方法阡 】。( 2 ) 微波辐射计是一种无源微波测量装置，实际上是一台高灵敏度的接收机，用于接收被观测 物体辐射的电磁波，分地基和星载两种，是目前探测大气水汽最为精确的一种设备。但地 基微波辐射计在有浓云时穿透能力下降，特别是有降水发生时更会产生较大误差。而星载 微波辐射计由于受背景温度影响较大，所以在陆地上其精度较低陋卯j ，另外微波辐射计昂 贵的价格，也限制了它的广泛应用。( 3 ) g p s 水汽遥感技术，分地基和空基两种。该技术 的优点是具有较高的精度，可以全天候观测而不受气溶胶、云和降水的影响，具有很高的 垂直和时间分辨率，设备维护简单，是当前研究的热剧5 嘲l 。但目前我国地基g p s 站点较 少，可供研究的资料还很少。 近年来，随着美国n c e p n c a r 再分析资料和欧洲e r a - 4 0 再分析资料的问世，为深 入研究气候变化的成因和规律提供了重要的数据支持，许多学者利用再分析资料研究空中 水汽的变化特征1 3 4 - 3 6 , 4 s 。然而再分析资料作为一种利用资料同化方法把数值预报产品和观测 资料融合起来的“产物”，必然包含着数值预报、同化方案和观测系统等所引入的误差，特 别是观测系统随时间的变更可能会引入虚假的气候变化信号和趋势 6 3 - 拍1 。除此之外，数值 预报模式和同化方案所引入的误差也是影响再分析产品质量的主要因素。因此，在使用再 4 第一章绪论 - _ _ - - - - _ _ - i _ - _ - - - - - - - - _ - _ l _ _ - _ - - _ - _ l _ i - - 一 可信度的合理性进行检验，来 e r a - - 4 0 、n c e p n c a r 以及 分析资料研究气候变化之前，有必要对再分析资料的质量和 减小气候交化研究结果的不确定性。赵天保等m 研究了 n c e p d o c 再分析地表气压产品在我国不同区域、不同年代和不同季节的适用性，发现这 几种再分析产品虽然在一定程度上能反映出观测资料所具有的时空分布特征，但它们之间 的差异却具有明显的区域和季节变化特征，且2 0 世纪7 0 年代以前均与观测资料有相对较 大的差别。周顺武等【醯】对青藏高原上空n c e w n c a r 再分析温度和位势高度资料与观测资 料进行了比较分析，结果表明：再分析资料能够客观地反映青藏高原上空温度和位势高度 多年平均的气候特征，但在长期变化趋势上，再分析资料在对流层低层存在明显虚假的变 化趋势。施晓晖等 6 9 1 分析了n c e p n c a r 再分析风速、表面气温距平在我国区域气候变化 研究中的可信度。目前关于水汽方面的再分析资料在我国不同区域的适用性方面的研究还 较少。 由上述小结可知，探空资料具有计算精度相对较高、研究资料相对较多的优点，在研 究整个中国大陆上空的水汽分布及变化特征上曾被应用，而很少单独利用探空资料来分析 华北地区上空的水汽情况，过大的空间跨度会忽视区域特点，并且关于再分析水汽资料在 华北地区的可靠性研究得还较少。 为此本文选用1 9 7 9 2 0 0 8 年华北地区的探空资料、地面观测资料和同期的n c e p n c a r 再分析资料以及1 9 7 9 2 0 0 1 年e r a - 4 0 再分析资料，采用多种统计学方法，详细地研究了 华北地区空中水汽含量的时空变化特征及与地面降水的相关关系，分析了降水效率的变化 情况和影响夏季空中水汽异常变化的气候因子，以期能够对华北地区空中水资源的变化特 点及开发潜力有更全面、更深入的认识，最后进一步地探讨了再分析资料在华北地区的适 用性。 1 4 本文内容及结构 本文首先分析了华北地区降水的变化特征，然后详细地研究了空中水汽含量的时空演 变特征，在此基础上分析了水汽含量和降水量的相关关系，并对影响夏季水汽异常的气候 因子进行了初步探讨，最后比较了n c e p n c a r 和e r a - 4 0 两种再分析资料在华北地区的 适用性。具体结构如下： 第一章，绪论。 第二章，研究资料与方法。对本文所用的资料、计算的内容及研究方法进行了阐述。 第三章，华北地区降水的时空变化特征。主要研究了华北地区地面降水的空间变化特 征及长期变化的趋势。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第四章，华北地区空中水汽含量的时空变化特征。主要分析了华北地区空中水汽含量 的空间变化特征、周期变化及突变特征。 第五章，华北地区空中水汽含量与降水量的关系。首先探讨了降水效率的变化特征， 然后对水汽含量和降水量的相关性进行了s v d 分析。 第六章，华北地区夏季空中水汽异常的成因初探。根据第四章的一些结果，选出该地 区夏季空中水汽的偏多年和偏少年，在此基础上研究影响夏季水汽异常的气候因子，主要 分析了大气环流和地面温度的差异。 第七章，n c e p n c a r 和e r a - 4 0 再分析资料在华北地区的适用性。比较n c e p n c a r 和e r a - 4 0 两种再分析水汽资料与探空资料在多年气候均值及年际变化趋势上的差异。 第八章，结论与讨论。 6 第二章研究资料与方法 2 1 资料 第二章研究资料与方法 本文所指华北地区为3 5 0 n - - 4 5 0 n ，1 0 0 。e 1 2 5 0 e 范围内内蒙古、山西、河北、北京、 天津所在的地区。季节的划分采用气象季节，即3 5 月为春季，6 8 月为夏季，9 - 1 1 月 为秋季，1 2 次年2 月为冬季。 2 1 1 观测资料 本研究中所用的台站观测资料主要包括：( 1 ) 国家气象信息中心提供的华北地区范围 内1 2 个探空站1 9 7 9 - 2 0 0 8 年地面和高空各标准等压面上的月平均气温和温度露点差资料以 及地面气压资料，标准等压面包括：8 5 0 ，7 0 0 ，5 0 0 ，4 0 0 ，3 0 0 ，2 5 0 ，2 0 0 h p a ，1 2 个站点 分别为：锡林浩特、通辽、赤峰、额济纳旗、呼和浩特、临河、巴音毛道、东胜、张家口、 邢台、太原、北京。( 2 ) 国家气象信息中心提供的华北地区范围内5 0 个台站1 9 7 9 2 0 0 8 年 月降水资料5 0 个台站中除了上述的1 2 个探空站外，还包括3 8 个地面观测站：天津、达 尔罕茂明安联合旗、四子王旗、化德、张北、右玉、集宁、大同、河曲、五台山、蔚县、 五寨、兴县、原平、石家庄、离石、阳泉、榆社、隰县、介休、临汾、运城、阳城、丰宁、 围场、怀来、承德、遵化、青龙、秦皇岛、坝县、唐山、乐亭、保定、饶阳、塘沽区、黄 骅、密云。研究区域及代表站点如图2 1 所示，其中表示探空站，表示地面站。 图2 1 华北地区选取站点示意图 7 1 南京信息工程大学硕士学位论文 美国国家环境预测中心( n c e p ) 美国国家大气研究中心( n c a r ) 的1 9 7 9 2 0 0 8 年地 面及高空各标准等压面上的再分析月平均资料，格距为2 5 。x 2 5 0 ，资料格式为g r b ，高空 标准等压面包括8 5 0 、7 0 0 、6 0 0 、5 0 0 、4 0 0 、3 0 0 h p a 。 2 1 3e r a - 4 0 格点资料 欧洲中期天气预报中心( e c 椰) 的1 9 7 9 - 2 0 0 1 年地面及高空各标准等压面上的 e r a - 4 0 再分析月平均资料，格距为2 5 。2 5 。，资料格式为g r b ，高空标准等压面包括8 5 0 、 7 0 0 、6 0 0 、5 0 0 、4 0 0 、3 0 0 h p a 。 2 2 探空资料计算整层大气水汽含量的方法口阳 探空观测资料中，大气湿度量通常为各等压面上的温反露点差。在实际应用中需要根 据饱和水汽压与温度的关系，通过温度露点差来确定各个等压面上的水汽压值。首先由温 度和温度露点差得到露点温度c h ) ，再由r d 代入饱和水汽压公式得到水汽压( p ) ： 础朋d 鼎1 6 + t a - b 1 ) ( 2 1 ) l 2 7 3 、7 式中口和b 为常数，当乃 n 一i 、 。，、。 、一，? ， 1 9 8 01 9 8 4 1 9 8 8 1 9 9 21 9 9 62 0 0 02 0 0 4 2 0 0 8 年份 图4 9 华北地区水汽含量m a n n - k e n d a l l 曲线图( a 年、b 春季、c 夏季、d 秋季、c 冬季) ( 实折线：硌；虚折线：；直线：a = 0 0 5 显著性水平临界值) 3 2 第四章华北地区空中水汽含量的时空变化特征 4 3 小结 本章利用近3 0 a ( 1 9 7 9 2 0 0 8 年) 华北地区1 2 个探空站的地面和高空各标准等压面上的 月平均气温和温度露点差资料以及地面气压资料，分析了华北地区空中水汽含量的时空演 变特征，得出以下认识： ( 1 ) 年和4 季水汽含量的空间分布较为相似，基本特点是由东南沿海向西北内陆随纬 度增高呈减少的趋势，且空间差异较大，水汽含量高的地区，水汽变化幅度相对也较大一 些。在长期变化趋势上大部分地区水汽随时间呈增加的趋势，其中最明显的地区以中部为 主。在时间分布上，夏季水汽含量最多，春、秋季节次之，冬季最少。 ( 2 ) 年和4 季水汽含量存在多种空间分布类型，各站水汽含量变化具有一致性的基础 上，仍存在一定的差异，水汽含量多的地区，相对而言水汽变化的幅度也大。总体来讲， 华北地区年平均水汽含量除了西部边缘和东部部分地区水汽呈减少的趋势外，大部分地区 随着时间表现为增加的变化趋势，尤其是中部地区增加趋势更明显。一年四季中大部分地 区水汽呈增加的趋势，其中春季增加的趋势不明显，夏季和秋季增加趋势最显著的地区均 位于华北地区中部，冬季增加趋势最显著的地区位于华北南部地区。 ( 3 ) 年和4 季水汽含量均存在明显的年际、年代际变化特征。年、春季和夏季水汽含 量在2 0 世纪8 0 年代以偏少为主，9 0 年代到2 l 世纪初明显增多，之后又开始下降。秋季 和冬季水汽含量8 0 年代中期以前以偏少为主，从2 0 世纪8 0 年代中期到2 1 世纪初大气中 水汽含量呈振荡式增加的趋势，之后又开始下降。 ( 4 ) 夏季水汽含量存在3 - 4 a 和准8 a 的变化周期，其它3 个季节和年水汽含量普遍 存在4 a 、6 a 和1 2 1 4 a 的变化周期，其中1 2 1 4 a 的变化周