（氣象學(xué)專業(yè)論文）大氣自由模與長江中下游地區(qū)梅雨的關(guān)系分析.pdf

摘要 本文通過分析不同層次位勢高度場及前冬北太平洋海溫與長江中下游地區(qū) 梅雨的關(guān)系，得到：豐梅年，同期高緯地區(qū)呈雙阻型，西太副高偏西偏強(qiáng)，南 亞高壓偏東偏強(qiáng)，前冬北太平洋海溫西冷東暖：枯梅年，同期高緯地區(qū)呈單阻 型，西太副高偏東偏弱，南亞高壓偏西偏弱，前冬北太平洋海溫西暖東冷。 利用n c e p n c a r 再分析資料，用擬牛頓法通過菱形1 5 波截斷的譜方法對無 強(qiáng)迫無耗散的正壓渦度方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到1 9 8 2 2 0 0 6 共2 5 年6 、7 月的 逐日定常自由模，認(rèn)為：自由模中副高的第一次北跳日期超前于實際入梅日 期：豐梅年，前者平均超前l(fā) o 6 d ；枯梅年，前者平均超前3 8 d ；一般年，前 者平均超前6 8 d 。自由模中副高的第二次北跳日期超前于實際出梅日期：豐 梅年，前者平均超前8 6 d ；枯梅年，前者平均超前4 2 d ；一般年平均提前6 0 d 。 這對長江中下游地區(qū)的梅雨預(yù)報有較好的參考作用。 利用標(biāo)準(zhǔn)模方法對實際自由模的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得知自由模均是不穩(wěn)定 的，幾個最快增長的不穩(wěn)定模表現(xiàn)為強(qiáng)烈的局地性特征且是低頻變化的。這幾 個最快增長的不穩(wěn)定模中，周期最長的占主導(dǎo)地位，使得這種不穩(wěn)定模的大尺 度環(huán)流型得以在實際流場中維持一段較長的時間。 由此，認(rèn)為大氣自由模態(tài)對長江中下游地區(qū)的入梅、出梅分別具有提前 3 - 1 4 、2 - 1 3 天的指示意義，前三個最快增長模中生長周期最長的不穩(wěn)定模態(tài)對 實際流場一段時間內(nèi)穩(wěn)定維持的環(huán)流型具有重要的參考作用。 關(guān)鍵詞：西太平洋副高；平均脊線；梅雨；自由模態(tài)；不穩(wěn)定模 i i i a bs t r a c t i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n tl e v e l so fg e o p o t e n t i a lh e i g h tf i e l d s ，t h e p r e v i o u sw i n t e rs s t aa n dm e i y ui sa n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a t ，i np l e n t i f u lm e i y uy e a r s ，h i g h l a t i t u d ei sd o u b l eb l o c k i n gt y p e t h ew p s h ( w e s t e r np a c i f i cs u b t r o p i c a lh i g h ) e x t e n d st ow e s t a n da p p e a r ss t r o n g ，w h i l et h es a h ( s o u t ha s i a nh i g h ) e x t e n d st oe a s ta n da p p e a r ss t r o n g t h e p r e v i o u sw i n t e rs s t ai s c o l di nw e s t ，w a r mi ne a s t i nd r ym e i y uy e a r s ，h i g hl a t i t u d ei ss i n g l e b l o c k i n gt y p e t h ew p s h e x t e n d st oe a s ta n da p p e a r sw e a k , w h i l et h es a he x t e n d st ow e s ta n d a p p e a r sw e a k t h ep r e v i o u sw i n t e rs s t a i sw a r mi nw e s t ，c o l di ne a s t i nt h es e c o n dp l a c e ，b a s e do nn c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t a , u s i n g15 - w a v er h o m b o i d a l t r u n c a t i o ns p e c t r a lm o d e lp r o c e d u r e ，a n db yn u m e r i c a l l ys o l v i n gt h eu n f o r c e da n di n v i s c i d n o n l i n e a rb a r o t r o p i cv o r t i c i t ye q u a t i o nt h r o u g ht h eq u a s i - n e w t o nm e t h o d ，t h ed a i l ys t e a d yf r e e m o d e so fj u n ea n dj u l yf r o m19 8 2t o2 0 0 6a r eo b t a i n e d i ti ss h o w nt h a tt h ef i r s tn o r t h w a r dj u m p o fw p s hi nt h ef r e em o d e si sg e n e r a l l ya h e a do ft h eb e g i n n i n gd a t eo fm e i y u ，a v e r a g e l y10 6 d a y sa h e a di np l e n t i f u lm e i y uy e a r s ，3 8d a y sa h e a di nd r ym e i y uy e a r s ，a n d6 8d a y sa h e a di n g e n e r a ly e a r s t h es e c o n dn o r t h w a r dj u m po fw p s h i nt h ef r e em o d e si sg e n e r a l l ya h e a do ft h e b e g i n n i n gd a t eo ft h ee n d i n gm e i y uy e a r s ，a v e r a g e l y8 6d a y sa h e a di np l e n t i f u lm e i y uy e a r s ，4 2 d a y sa h e a di nd r ym e i y uy e a r s ，6 0d a y sa h e a di ng e n e r a ly e a r s i ti sg o o df o rt h ef o r e c a s to n m e i y uo v e rt h em i d l o w e rr e a c h e so ft h ey a n g t z er i v e r f i n a l l y , n o r m a lm o d ei n s t a b i l i t ya n a l y s i si sp e r f o r m e dt oe x a m i n eo b s e r v e ds t a b i l i t yo ff r e e m o d e s t h er e s u l t ss u g g e s tt h a ta l lt h ef r e em o d e sa r eu n s t a b l e t h ef r o n t a lf a s t e s tg r o w i n gf r e e m o d e sa p p e a rs t r o n gl o c a lc h a r a c t e ra n dl o w - f r e q u e n c yv a r i a t i o n t h eg r o w i n gf r e em o d e sw h i c h h a sl o n g e s tu n s t a b l ep e r i o di st h el e a d i n gr o l e ，t h ec i r c u l a t i o np a t t e r no fw h i c hm a k e si tm a i n t a i n s o m et i m eo no b s e r v a t i o n t h e r e f o r e ，w ec o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h ef r e em o d e sa r er e s p e c t i v e l y3 1 4 ，2 - 1 3 d a y s a h e a do ft h eb e g i n n i n ga n dt h ee n d i n gd a t eo fm e i y u t h eg r o w i n gf r e em o d ew h i c hh a sl o n g e s t u n s t a b l ep e r i o di so fg r e a tr e f e r e n c et ot h eo b s e r v a t i o nc i r c u l a t i o np a t t e r n k e yw o r d s ：w p s h ；t h ea v e r a g er i d g el i n e ；m e i y u ；f r e em o d e ；u n s t a b l ef r e em o d e i v 學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： i 、堅持以“求實、創(chuàng)新 的科學(xué)精神從事研究工作。 2 、本論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本論文中除引文外，所有實驗、數(shù)據(jù)和有關(guān)材料均是真實的。 4 、本論文中除引文和致謝的內(nèi)容外，不包含其他人或其它機(jī)構(gòu) 已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。 5 、其他同志對本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了聲明并表示 了謝意。 作者簽名：蘭縋絲墾 ，- ，r 日期：絲! 壁： 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解南京信息工程大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論 文的電子版和紙質(zhì)版：有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制 并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館被查閱：有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索：有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密 的學(xué)位論文在解密后適用本規(guī)定。 作者簽名： 墨i 笪絲! 一一 ，0 日 期：2 盟篁：一一 第一章引言 1 1 已取得的研究成果和進(jìn)展 對于梅雨的研究一直是氣象學(xué)者關(guān)心的熱點問題。西太平洋副熱帶高壓因為其所在的 特定地理位置，成為連接中高緯度和低緯地區(qū)環(huán)流系統(tǒng)的中間紐帶，它的活動對江淮流域 梅雨的維持和發(fā)展產(chǎn)生極大的影響。陶詩言等n 卜幢1 ( 1 9 6 2 ) 和黃仕松陽1 ( 1 9 6 3 ) 的成果表明 了副高季節(jié)性北跳的特征與江淮流域梅雨的關(guān)系，成為副高研究和預(yù)報的理論基礎(chǔ)。之后， 畢慕瑩4 1 和喻世華等5 1 ?！? 1 又系統(tǒng)研究- f n 高東西振蕩的特征，認(rèn)為在降水異常特別是區(qū)域性 暴雨、特大暴雨大尺度環(huán)流背景分析時，副高短期變異起著關(guān)鍵性作用。西太平洋副高還 是東亞季風(fēng)系統(tǒng)的重要成員 7 1 ，它把梅雨鋒和南海季風(fēng)槽分割開來，因而副高脊線的南北 位移和東西進(jìn)退不僅影響其南側(cè)的東南氣流及轉(zhuǎn)向西南氣流的強(qiáng)弱，而且影響源于索馬里 赤道氣流的熱帶夏季風(fēng)和南海季風(fēng)的并入，從而影響梅雨鋒降水【8 】。本文從入梅、出梅早 晚的角度出發(fā)，研究認(rèn)為，6 月我國長江中下游地區(qū)入梅偏早時，我國1 0 - 3 0 。n 地區(qū)主要有 三支氣流，分別是印度西南季風(fēng)經(jīng)中南半島轉(zhuǎn)向的氣流，蘇門答臘越赤道氣流和副高南側(cè) 轉(zhuǎn)向的偏南氣流。7 月我國長江中下游地區(qū)出梅偏遲時，我國1 0 一3 0 0 n 地區(qū)主要也有三支氣 流，分別是孟加拉灣槽前西南氣流，南海地區(qū)的東南氣流及副高南側(cè)轉(zhuǎn)向的偏南氣流。 黃曉東和羅會邦【9 】( 2 0 0 4 ) 探討了東亞夏季風(fēng)雨帶與西太平洋副高季節(jié)移動的耦合關(guān) 系，發(fā)現(xiàn)：4 - - 9 月西太平洋副高與東亞夏季風(fēng)雨帶季節(jié)移動的耦合關(guān)系十分密切，雨帶的 停滯、跳躍過程與副高的緩變、突變配合得很好。副高脊線入梅前的演變特征主要有兩大 類：一類是在入梅前，副高脊線已有北越2 0 0 n 的過程，即副高脊線的先期北跳過程， 此后副高脊線明顯南落，當(dāng)脊線再次北越2 0 0 n 時，長江中下游地區(qū)進(jìn)入梅期；另一類是從 5 月份起直到6 月1 候，副高脊線偏南，一般低于1 7 0 n ， 6 月2 候開始突進(jìn)或穩(wěn)定北移， 當(dāng)?shù)谝淮伪痹? 0 0 n 時，就進(jìn)入梅雨期。黃榮輝等【1 1 1 ( 1 9 8 8 ) 曾提出，長江中下游夏季出 現(xiàn)干旱，如1 9 8 4 、1 9 8 5 年，主要是由于副高位置異常偏北，并且強(qiáng)度偏強(qiáng)所至。然而。林 建等1 2 】( 1 9 9 9 ) 指出，e a p 低指數(shù)年( 對應(yīng)早年) ，副高位置偏東偏北，強(qiáng)度偏弱；而澇 年副高偏南偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)?？梢婇L江中下游梅雨期降水與副高的強(qiáng)度和位置之間的關(guān)系 非常復(fù)雜，本文研究了1 9 8 2 2 0 0 6 年期間的副高與梅雨的關(guān)系，認(rèn)為長江中下游地區(qū)豐梅 年偏南偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)，枯梅年，副高位置偏東偏北，強(qiáng)度偏弱。 任榮彩和吳國雄【1 3 】( 2 0 0 3 ) 的研究表明西太副高短期變異的動力和熱力機(jī)制與南亞高 壓的異常活動和中高緯度環(huán)流系統(tǒng)的異常有著密切的聯(lián)系。張瓊和吳國雄【1 4 j ( 2 0 0 1 ) 研究 了對流層高層南亞高壓和中低層副熱帶高壓的關(guān)系，指出當(dāng)夏季南亞高壓為青藏高壓型時， 高壓偏南偏強(qiáng)，相應(yīng)的西太平洋副高也偏南偏強(qiáng)，造成長江流域多雨；當(dāng)南亞高壓為伊朗 高壓型時，高壓偏北偏弱，相應(yīng)的西太平洋副高也偏北偏弱，造成長江流域干旱少雨。而 且南亞高壓與西太平洋副高有相向而行和相背而去的趨勢。張慶云等 1 5 - 1 6 】( 1 9 9 8 1 9 9 9 ) 研究了副熱帶高壓異常時的中高緯環(huán)流的情況，當(dāng)脊線偏南，西脊點偏西時，中高緯鄂霍 次克海地區(qū)出現(xiàn)阻塞型，高緯冷空氣直達(dá)中緯度，梅雨鋒擾動加強(qiáng)，造成江淮流域降水偏 多。但這一研究考慮的時間范圍是1 9 8 0 1 9 8 9 年，本文將資料的時間范圍擴(kuò)展到1 9 8 2 。2 0 0 6 年，進(jìn)一步證實了這個觀點，認(rèn)為豐梅年，東亞高緯地區(qū)成雙阻型，南亞高壓偏強(qiáng)偏東西； 枯梅年，東亞高緯地區(qū)成單阻型，南亞高壓偏弱偏西。 為了理解副高持續(xù)異常的物理機(jī)制，需要探討大氣內(nèi)在的動力學(xué)原因。陶詩言等f 1 7 】 ( 2 0 0 6 ) 認(rèn)為副熱帶高壓西伸北跳是由于歐亞大陸上空存在靜止r o s s b y 波列，波的能量沿著 高空副熱帶急流向東傳播到我國沿海海岸( 1 1 5 0 - 1 3 0 0 e ) 時，在該地區(qū)激發(fā)出一個長波脊。這 個長波脊的建立，使得副熱帶高壓和對流層上部的青藏高壓都朝長波脊方向伸展，表現(xiàn)為相 向而行：當(dāng)在沿海海岸上空激發(fā)出一個長波槽時，副熱帶高壓南撤東退而青藏高壓退回到高 原上空。當(dāng)夏季沿海海岸上空的長波脊持續(xù)維持時，長江中下游會出現(xiàn)持久的高溫酷暑天 氣。李麥村和羅哲賢u 剮( 1 9 8 3 ) 用一個考慮t a n 熱和耗散的非線性模式去研究大氣運(yùn)動的 非線性行為，其計算的結(jié)果與6 月，1 0 月南支急流突然跳躍的圖像相似，表明環(huán)流突變機(jī)制 是一個有多種熱力強(qiáng)迫和耗散的非線性機(jī)制。c h a m e y 1 9 】( 1 9 7 9 ) 和繆錦海等1 2 0 ( 1 9 8 5 ) 揭示了在不同的經(jīng)向和緯向熱力差異下，副熱帶高壓可以出現(xiàn)不同類型的北跳。范紅【2 1 】【2 2 l ( 1 9 9 6 ) 首先用r o s s b y 孤立波理論來解釋副熱帶高壓的形成，研究了存在臨界層和不存在 臨界層情況下非均勻緯向流中的r o s s b y 孤立波。h o s k i n s ( 1 9 9 3 ) ，r o d w e l l ( 1 9 9 6 ) ，吳國雄等 【2 3 】。( 1 9 9 9 2 0 0 0 ) 導(dǎo)得全型渦度方程，為認(rèn)識副高的形成和變異提供了有效的工具，通 過模擬研究發(fā)現(xiàn)：中低對流層西太平洋副熱帶高壓主要是由于東亞季風(fēng)降水的凝結(jié)潛熱的 2 作用形成的，而高層的南亞高壓既與季風(fēng)降水有關(guān)，也與青藏高原的感熱加熱有關(guān)。u e k i k u s u o 等( 1 9 7 8 ) ，d y e rtg j ( 1 9 7 9 ) ，吳國雄等2 8 】【3 0 1 ( 2 0 0 4 ) 比較了h a d l e y 環(huán)流和副熱 帶高壓動力學(xué)的差異。陸維松等( 1 9 9 5 ) 首先用非線性臨界層理論研究副高，先采用北 邊界定常強(qiáng)迫和無輻散準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓渦度方程模式模擬了非線性臨界層，得到了k e l v i n 貓眼 的主要特征及其與副熱帶高壓的關(guān)系。 很多學(xué)者試圖用孤立波、偶極子、多平衡態(tài)等非線性理論或者線性的行星波理論來解 釋副高持續(xù)異常的物理機(jī)制。1 9 6 0 年，l o r e n z 3 2 1 采用盡可能簡化的低階譜模式去研究大氣 內(nèi)在的動力過程。7 0 年代末，c h a m e y 和d e v o r e 3 3 1 ( 1 9 7 9 ) 在準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平面近似的正壓模型 中發(fā)現(xiàn)大氣存在多值平衡態(tài)的特征，并把雙穩(wěn)態(tài)與大氣的高低西風(fēng)指數(shù)聯(lián)系起來，提出了 大氣環(huán)流的多平衡態(tài)理論。l e g r a s 和g h i l t 3 4 1 ( 1 9 8 5 ) 的研究表明，對于較合理的弱耗散情 況，多解的可能性比較小，也是比較難以穩(wěn)定的。陸維松【3 5 】認(rèn)為，可通過初值是否在給定 的漸進(jìn)狀態(tài)吸引子內(nèi)，來確定所選擇的穩(wěn)定定常態(tài)。與研究強(qiáng)迫耗散系統(tǒng)的定常解不同的 是，p i e r r e h u m b e r t 和m a l g u z z i 3 6 1 ( 1 9 8 4 ) 研究了無粘無強(qiáng)迫系統(tǒng)的定常解即自由模， 認(rèn)為自由模的存在可以導(dǎo)致大振幅有閉合流線的經(jīng)向流和緯向流兩類平衡態(tài)。g r a n t b r a n s t a t o r 3 7 1 ( 1 9 8 9 ) 利用正壓渦度方程譜模式發(fā)現(xiàn)，對于任何初始條件，非線性正壓大氣 在弱強(qiáng)迫耗散作用下，大氣由一種自由模態(tài)轉(zhuǎn)向另一種自由模態(tài)。陸維松( 1 9 9 5 ) 使用 變分方法，首次求得近定常有限振幅準(zhǔn)確解，即新的斜壓自由解，提出“不相容原理”， 即正壓定常行星波和斜壓定常行星波數(shù)不能相等。陶麗等【3 9 1 ( 2 0 0 5 ) 通過1 9 9 8 年實際流場 和自由模相比較發(fā)現(xiàn)，自由模中副高的西進(jìn)、北上、南退、東撤早于實際流場中副高的西 進(jìn)、北上、南退、東撤。但這一研究僅討論了一年，有較大的局限性，為克服這一局限性， 本文利用1 9 8 2 2 0 0 6 年共2 5 年的實際觀測資料，進(jìn)一步進(jìn)行研究，由實際大氣自由模副高 揭示實際大氣副高變化的新的物理機(jī)制。 長期以來，許多學(xué)者試圖從運(yùn)動方程中尋找動力穩(wěn)定性的解，如l e i t h ( 1 9 8 3 ) 1 4 0 】等所 作的工作?？墒牵瑢τ陔S機(jī)擾動，其有限振幅的解通常是不穩(wěn)定的。h o s k i n s ( 1 9 7 3 ) 4 1 】 通過球面模式研究了r h 波的穩(wěn)定性，指出緯向波數(shù)小于等于5 的波是穩(wěn)定的，而大于5 的波 對于任何振幅均是不穩(wěn)定的。b a i n e s ( 1 9 7 6 ) 4 2 】通過求解特征向量指出：當(dāng)總波數(shù)n 3 時， 3 則由勒讓德函數(shù)p ：所表示的r - h 波對于任何振幅均是穩(wěn)定的，反之則不穩(wěn)定。v e r k l e y ( 1 9 8 7 ) 1 4 3 1 在構(gòu)造西風(fēng)氣流中的偶極子時，偶極子也是線性不穩(wěn)定。還有許多動力學(xué)家， 如s i m m o n s 等( 1 9 8 3 ) 4 4 1 在探討遙相關(guān)的物理機(jī)制時提出：大氣環(huán)流的遙相關(guān)并不一定都是 由于外源強(qiáng)迫所產(chǎn)生的準(zhǔn)定常行星波在球面大氣中傳播所造成的，緯向非均勻基本氣流上 的正壓不穩(wěn)定所產(chǎn)生的最大增長率波動也可形成大氣環(huán)流的遙相關(guān)型。a n d e r s o n ( 1 9 9 1 ) 4 5 1 研究認(rèn)為，那些對截斷波數(shù)和耗散不敏感的不穩(wěn)定模和大氣遙相關(guān)有關(guān)。p e i l iw u 4 6 】 ( 1 9 9 3 ) 研究了大氣中的非線性共振、行星波不穩(wěn)定及低頻振蕩，并分析了理想的解析自 由模態(tài)的穩(wěn)定性，他給出了六個最先快速增長的模態(tài)，指出：這些增長模在空間上都是大 尺度的；這些增長模在時間上從它們的周期可以看出是低頻變化的或者是定常的；絕大多 數(shù)增長模在中高緯均表現(xiàn)為1 - 3 波。和自由模的解析解不同的是，實際大氣自由模的不穩(wěn)定 模表現(xiàn)為較強(qiáng)的局地性特征。陶麗等3 9 1 診斷出來的不穩(wěn)定模在西太平洋出現(xiàn)波列，和遙相 關(guān)圖有極相似的地方，而這種遙相關(guān)并不是由外源強(qiáng)迫所產(chǎn)生的準(zhǔn)定常行星波的傳播造成， 而是正壓不穩(wěn)定所產(chǎn)生的最快增長波動。本文的研究認(rèn)為在前幾個最快增長的不穩(wěn)定模中， 周期最長的占主導(dǎo)地位。 1 2 本文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點 本文取了從1 9 8 2 - 2 0 0 6 年共2 5 年n c e p n c a r 再分析資料及全國1 6 0 站降水資料，用擬 牛頓法通過菱形1 5 波截斷的譜方法對無強(qiáng)迫無耗散的正壓渦度方程進(jìn)行數(shù)值求解，得到這 2 5 年6 、7 月的逐日定常自由模，進(jìn)一步對副高和自由模態(tài)進(jìn)行研究，并對個別年份作了 具體分析。結(jié)果表明：自由模中副高的第一次北跳日期超前于實際入梅日期3 1 4 天；自由 模中副高的第二次北跳日期超前于實際出梅日期2 1 3 天。這對長江中下游地區(qū)的梅雨預(yù)報 有較好的參考作用。 利用標(biāo)準(zhǔn)模方法對實際自由模的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得知在前幾個最快增長的不穩(wěn)定模 中，周期最長的占主導(dǎo)地位，使得這種不穩(wěn)定模的環(huán)流型( 如阻高、副高、低壓槽的配置) 得以在實際流場中維持一段較長的時間。 由此，認(rèn)為大氣自由模態(tài)對長江中下游地區(qū)的入梅、出梅具有提前2 1 4 天的指示意 義，前三個最快增長模中生長周期最長的不穩(wěn)定模態(tài)對實際流場一段時間內(nèi)穩(wěn)定維持的環(huán) 4 流型具有重要的參考作用。 1 3 資料說明 本文所用的資料主要有n c e p n c a r 再分析數(shù)據(jù)集和國家氣候中心提供的降水資料， 具體如下： 國家氣候中心提供的全國1 6 0 站2 5 年( 1 9 8 2 2 0 0 6 ) 的逐月降水資料。 n c e p n c a r 制作的2 5 年( 1 9 8 1 2 0 0 5 ) 逐月s s t 資料，水平分辨率為2 0 木2 0 。 n c e p n c a r 制作的2 5 年( 1 9 8 2 2 0 0 6 ) 1 7 層逐日再分析資料，包括高度場，水平風(fēng) 場，水平分辨率為2 5 0 奉2 5 0 。 江蘇省氣象臺提供的1 9 8 2 - 2 0 0 6 共2 5 年的入梅、出梅日期。 第二章長江中下游地區(qū)同期( 6 、7 月份) 梅雨 旱、澇的大氣環(huán)流背景 2 1 梅雨概述 2 1 1 梅雨的定義及近3 0 年的特點 氣象學(xué)的梅雨是季風(fēng)氣候和季節(jié)轉(zhuǎn)換過渡的產(chǎn)物，它是以大氣環(huán)流的季節(jié)性調(diào)整為背 景，通常是印度季風(fēng)爆發(fā)，副熱帶高壓帶北跳，夏季風(fēng)把暖濕氣流推進(jìn)到長江中下游與北 方冷空氣在江淮地區(qū)對峙，而形成梅雨鋒所產(chǎn)生的天氣。它以高濕、悶熱、陰雨連綿而著 稱，是我國長江中下游一帶以及韓國、日本南部所特有的一種天氣現(xiàn)象。古詩“黃梅時節(jié)家 家雨，青草池塘處處蛙”生動地描繪了當(dāng)?shù)孛酚昙竟?jié)的自然景象。我國梅雨區(qū)的范圍，北起 淮河，南至閩、贛、湘三省中部，大致在1 1 0 0 e 以東的2 7 3 4 。n 之間。梅雨期長度以梅雨 區(qū)中部最長，由于冬夏季節(jié)環(huán)流調(diào)整中的各種復(fù)雜因素，每年的梅雨期無論在入梅的遲早， 梅雨的長短，梅雨量的豐、欠等方面，都存在著顯著的年際差異。歷史上解放以來出現(xiàn)澇 梅的年份，如1 9 9 1 年江蘇省江淮地區(qū)梅雨量普遍達(dá)5 0 0 - 1 0 0 0 毫米，最大值在興化達(dá)1 2 2 0 毫米，南京也達(dá)8 8 0 毫米，造成了江蘇的特大洪澇年。但梅雨量少的年份如1 9 7 8 年，梅雨 量只有5 4 0 毫米，蘇州只有6 毫米，是典型的枯梅年，全省出現(xiàn)百年未遇的特大干旱。 5 統(tǒng)計說明，江淮地區(qū)在入梅后天氣持續(xù)陰雨連綿的年份并不多，相反大多數(shù)年份的梅 雨期間天氣都以過程性更迭為主，其中不少年份在梅雨期中，受沿海熱帶氣旋，或西風(fēng)槽 影響，而致使江淮梅雨中斷。但當(dāng)熱帶氣旋東移消失，西風(fēng)帶低壓槽東移北縮，西太平洋 副熱帶高壓脊西伸，其東經(jīng)1 2 0 度的脊線位置仍維持在北緯2 0 2 6 度附近時，江淮地區(qū)又 將出現(xiàn)一段梅雨天氣。這就是所謂的“二段梅雨”。 引起梅雨中斷與導(dǎo)致梅雨結(jié)束的因素大體上是差不多的，一是與沿海有熱帶氣旋活動 相關(guān)，或是熱帶氣旋引導(dǎo)西太平洋副熱帶高壓西伸北抬：或是熱帶氣旋北上使副高東撤，而 導(dǎo)致梅雨中斷。二是與較強(qiáng)西風(fēng)槽南下相關(guān)，而導(dǎo)致副高東撤南壓，使梅雨中斷。三是在 上述兩種因素共同作用下而導(dǎo)致的梅雨中斷。對兩段梅雨的研究表明，前段梅一般以出現(xiàn) 過程性降水和局地暴雨為主，發(fā)生連續(xù)暴雨的頻數(shù)不大。而一旦出現(xiàn)二段梅雨，則絕大多 數(shù)雨量陡增，雨勢更為強(qiáng)盛，區(qū)域性暴雨和連續(xù)暴雨的出現(xiàn)明顯增多，其連續(xù)暴雨的雨量 合計，往往可占梅雨期總雨量的6 0 8 0 。 本章取長江中下游地區(qū)四站( 武漢、合肥、南京、上海) ，計算1 9 8 2 - 2 0 0 6 年逐年同 期( 6 、7 月份) 的平均降水量。計算得出2 5 年的同期平均降水量為1 7 8 8 2 m m ，本文采用 降水量多于平均值4 0 m m ( 即2 1 8 m m ) 為豐梅，降水量小于平均值4 0 m m ( 即1 3 8 m m ) 為枯梅。 由圖可見，2 5 年梅期旱澇的分布為：屬澇( 即豐梅年) 有1 9 8 2 、1 9 8 3 、1 9 9 1 、1 9 9 6 、 1 9 9 8 、1 9 9 9 、2 0 0 3 年( 共7 年) ，屬旱( 即枯梅年) 有1 9 8 5 、1 9 8 8 、1 9 9 0 、1 9 9 2 、1 9 9 4 、 1 9 9 7 、2 0 0 0 、2 0 0 1 、2 0 0 5 年( 共9 年) 。 2 1 2 長江中下游地區(qū)梅雨期的劃分標(biāo)準(zhǔn) 有的學(xué)者主張從氣候角度劃定梅雨期，即考慮副高北跳后陰雨日達(dá)到幾天的界限，日 照和候平均氣溫基本穩(wěn)定在某值。但如此一來，往往對入梅日只能事后劃定，顯然對天氣 預(yù)報服務(wù)缺乏實際意義。周曾奎指出，劃定梅雨期應(yīng)以大氣環(huán)流季節(jié)性的調(diào)整、轉(zhuǎn)折為主 要依據(jù)。在分析環(huán)流調(diào)整時，以暖濕氣流的穩(wěn)定北上，即西太平洋副熱帶高壓在東經(jīng)1 2 0 6 度處脊線的北移位置為主，以西風(fēng)帶環(huán)流的調(diào)整為輔。根據(jù)以上原則，先確定入、出梅的 環(huán)流調(diào)整日，然后再結(jié)合大范圍降水現(xiàn)象的起始和終止日期，具有重要的意義。梅雨期的 環(huán)流特征主要表現(xiàn)在：副高的北跳，西風(fēng)急流的北撤和減弱，中高緯西風(fēng)帶波長的縮短， 波數(shù)的增加以及東亞沿海大槽的北縮、西退等方面。 本文主要研究梅雨期實際場及自由模態(tài)場中西太平洋副熱帶高壓的演變特征，采用 1 1 0 。e 、1 2 0 0 e 、1 3 0 0 e 的平均脊線位置來描述副高的南北位置，讀取脊線的規(guī)則如下： 實際高度場：若1 1 5 。一1 3 0 。e 之間為低槽，則不讀脊線。 自由流函數(shù)場：若1 1 5 0 1 3 0 。e 之間為低值系統(tǒng)，則不讀脊線。 副高第一次北跳時，i i 0 。e 、1 2 0 。e 、1 3 0 0 e 經(jīng)度上副高脊線平均位置2 0 0 n 。 副高第二次北跳時，1 1 0 。e 、1 2 0 。e 、1 3 0 。e 經(jīng)度上副高脊線平均位置2 5 0 n 。 有些年份，實際副高在入梅前已有北移至2 0 0 n 的過程，本文中所指的副高第一次北跳 均指副高入梅時的北跳。 2 2 本章研究方法 2 2 1 合成分析 。 合成分析是指以不同的氣候態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)將某變量場x 分成兩組樣本x 。、) 【2 ，并對x 。、) 【2 分別進(jìn)行合成，從而分析在兩種不同的氣候態(tài)下，場( 變量) x 有無明顯不同，或說兩種 氣候態(tài)是否對場( 變量) x 有顯著的影響。 合成分析可用t 檢驗進(jìn)行顯著性檢驗。設(shè)n 1 、n 2 分別是x - 、x ：的樣本容量，、x 2 是 相應(yīng)的平均值，s 1 2 、s 2 2 是相應(yīng)的方差，則檢驗兩個樣本總體平均值有無顯著差異的統(tǒng)計量： t2 五一屯 ( 確一1 ) s 1 2 + ( 行2 1 ) s 2 2 r 6 + 刀2 2 ( 2 1 ) 該式遵從自由度y = r 6 + 刀2 2 的t 分布。t 檢驗可用于檢驗兩個樣本總體平均值有無顯著 性差異。當(dāng)給定某信度a ，查t 分布表，若iti 乞，認(rèn)為兩個樣本總體平均值有顯著性差 異，也就是在兩種不同的氣候態(tài)下，x 變量有顯著的差異。 7 2 2 2 氣候穩(wěn)定性檢驗 構(gòu)造統(tǒng)計量：j l t ：x - i t o 石 仃 ( 2 2 ) 其中x 為樣本均值；盹和d 為原總體均值和標(biāo)準(zhǔn)差；1 1 為樣本量。如果假設(shè)總體均值 無改變，即p = ，則x 遵從正態(tài)分布n ( j u o ， 一o - 2 ) ，遵從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布n ( 0 ，1 ) 。由 n 正態(tài)分布查得心l ，心2 ，使得 p ( p p a l ) + p ( j l l p 。2 ) = a 1 + a 2 = a ( 2 3 ) 由于正態(tài)分布的對稱性，令a l = 口2 = 等，于是有： p ( “j l l a 2 ) = a ( 2 4 ) 在給定的顯著性水平a2 0 0 5 ，查得p 。的值，若ij l li 心= 1 9 6 時否定假設(shè)，若ij l ii 0 ，那么對于任意一個擾動，正壓渦度方程的解都是不穩(wěn)定的；只有當(dāng)所有 的v _ = l 0 時，正壓渦度方程的定常解才是穩(wěn)定的：而當(dāng)v ? = o 時，解為中性穩(wěn)定。為了得 到1 ，? ，可用譜方法來數(shù)值求解( 5 5 ) 式( v e r k l y ，1 9 8 7 ) 。假設(shè)( 5 5 ) 式中的純量場是 復(fù)希爾伯特空間h 的元素，這個空間由所有單位球面上的二次判別函數(shù)組成，并有如下的 內(nèi)積形式：似。，l f ，：) = 石1 p ? y ：出 ( 5 6 ) 這里，d s = c o s 螄聊為球面積元，木表示復(fù)共軛，h 空間建立在標(biāo)準(zhǔn)正交的基礎(chǔ)上，由球 船砜緘p 裟主囂黧”a p 進(jìn)行有限維球諧函數(shù)展開，即： fn + i 考= 毒。l 。 ”= - n 矧 lp = p 。匕。 7 槲6 舭= 讎2 微和 ( 5 8 ) 這里，髻。= ( 匕。，l f ，) ，p 。= 一”( ，z + 1 ) 髻，。，記射影算子p 為： nn + l m l p v = y 。匕。 ( 5 9 ) ，；一n ；l m 則( 5 5 ) 式改寫為甲+ ( p l f ，o ，p ) + 彤( 考，朋o ) = 0 ( 5 1 0 ) n+ l i 對上式在球諧函數(shù)上投影，得：v p 。+ a 。h p 。h = 0 ( 5 1 1 ) m = 一n ”= l m 1 矩陣a m w2 ( ，( p v o , 匕w ) ) 一二萬南麗( l 一，j ( p q o , 匕w ) ) ( 5 1 2 ) 其中，m r 表示矩陣第幾行，m 表示矩陣第幾列。方程( 5 1 1 ) 為有限維的特征方程。 對矩陣么。刪。進(jìn)行常規(guī)的數(shù)值求解即可得特征值和特征向量。本文取平行四邊形截斷， n = 1 5 ，則矩陣共有元素4 9 6 4 9 6 個。 5 2 解析自由模的不穩(wěn)定性 圖5 1 和圖5 2 分別給出了1 9 9 1 年6 月8 日和2 0 0 1 年6 月1 7 日實際大氣自由模的特 征值分布圖，由圖可以看出，實際大氣不穩(wěn)定模的個數(shù)很多，即有很多模態(tài)的特征值的實 部大于零，也就是圖中位于y = 0 上方的點很多，但不穩(wěn)定?；旧线€是沿著y = 0 ，x = 0 兩個 坐標(biāo)軸分樅這說明大部分不穩(wěn)定的模態(tài)變化較慢，其變率屬于低頻變率，由丁= 臥 f = h 式可以算岫9 年6 月8 日、z o 。年6 肋日和啪5 年6 月z o 日三個日期下 最快增長的不穩(wěn)定模的周期和衰減的e - 折時間尺度，列出表5 - 1 ，表中9 9 9 代表時間超過 1 0 0 0 天。從表中可以看出，這些實際大氣自由模中最快增長的不穩(wěn)定自由模的e - 折時間尺 度在6 天以上，而其周期至少為1 6 天，最多達(dá)1 0 0 0 天以上，說明這些快速增長的不穩(wěn)定 自由模態(tài)可以維持較長的時間。 圖5 11 9 9 1 年6 月8 日實際大氣自由模的特征值分布圖 圖5 22 0 0 1 年6 月1 7 日實際大氣自由模的特征值分布圖 表5 1 三個日期下的實際大氣自由模態(tài)中三個最快增長的 不穩(wěn)定模的周期和e 一折時間尺度 圖5 - 3 至圖5 - 5 是1 9 9 1 年6 月8 日( 1 9 9 1 年入梅日) 最先快速增長的三個模態(tài)，可 以看出，前三個最快增長模的空間結(jié)構(gòu)中，西北太平洋、中太平洋、東太平洋在3 0 0 n 地 區(qū)均有反氣旋性環(huán)流。第二、第三快不穩(wěn)定模在貝加爾湖以東至鄂霍次克海以西為低值系 統(tǒng)，而最快增長模中對應(yīng)的低值系統(tǒng)已東移到鄂霍次克海地區(qū)，這些環(huán)流系統(tǒng)的產(chǎn)生像一 個個波列從鄂霍次克海傳來，和遙相關(guān)圖有極相似的地方，而這種遙相關(guān)并不是由于外源 強(qiáng)迫所產(chǎn)生的準(zhǔn)定常行星波的傳播所造成的，而是正壓不穩(wěn)定所產(chǎn)生的最快增長波動。 對比第三快增長模( 圖5 5 ) 和1 9 9 1 年6 月8 日一2 0 日的實際流場( 圖略) ，發(fā)現(xiàn)6 月1 0 日的實際流場出現(xiàn)類似的環(huán)流型( 圖5 6 ) ，此后維持到6 月2 0 日，可見第三快增 2 9 長模對之后的實際流場演變占主導(dǎo)地位。 對比分析第三快增長模( 圖5 - 5 ) 和1 9 9 1 年6 月中旬的5 0 0 h p a 位勢高度合成場( 圖 5 - 7 ) ?？梢钥闯?，第三快增長模中，貝加爾湖以東至鄂霍次克海，白令海至阿拉斯加灣一 帶均是低值系統(tǒng)，西太平洋地區(qū)、中太平洋( 1 8 0 0 e ) 地區(qū)、和低緯太平洋東部( 1 2 0 唧) 地 區(qū)均有高值系統(tǒng)。圖5 - 7 中，貝加爾湖以東至鄂霍次克海，白令海至阿拉斯加灣均為低壓 槽，在太平洋地區(qū)呈兩槽三脊型。可見第三快增長模對大氣環(huán)流型的維持占主導(dǎo)地位。這 是因為第三快增長模的周期最大，超過了1 0 0 0 天。 圖5 - 31 9 9 1 年6 月8 日實際大氣自由模中最快增長的模態(tài)空間結(jié)構(gòu) 圖5 - 41 9 9 1 年6 月8 日實際大氣自由模中第二快增長的模態(tài)空間結(jié)構(gòu) 圖5 51 9 9 1 年6 月8 日實際大氣自由模中第三快增長的模態(tài)空間結(jié)構(gòu) 圖5 - 61 9 9 1 年6 月1 0 日的實際流場 圖5 - 71 9 9 1 年6 月1 01 j - 2 0 日的5 0 0 h p a 位勢高度場合成圖 圖5 - 8 至圖5 - 1 0 是2 0 0 1 年6 月1 7 日( 2 0 0 1 年入梅日) 最先快速增長的三個模態(tài)， 可以看出，最快增長模在鄂霍次克海及鄂霍次克海以東為反氣旋性氣流控制，西北太平洋 地區(qū)、中太平洋地區(qū)地區(qū)( 2 5 。n ，1 8 0 0 e 以東) 、東太平洋地區(qū)( 2 5 。n ，1 1 0 0 w ) 有三個反氣 旋性環(huán)流。對比最快增長模( 圖5 - 8 ) 和2 0 0 1 年6 月1 7 日一3 0 日的實際流場( 圖略) ，發(fā) 現(xiàn)6 月1 9 目的實際流場出現(xiàn)類似的環(huán)流型( 圖5 1 1 ) ，此后維持到6 月2 2 日。圖5 1 2 是2 0 0 1 年6 月1 9- 2 2 日的5 0 0 h p a 位勢高度合成場，對比圖5 8 和圖5 1 2 ，可見最快增 長模對之后的實際流場演變占主導(dǎo)地位。這主要是因為2 0 0 1 年6 月1 7 日最快增長模的周 期最大，超過了3 0 0 天。 圖5 - 82 0 0 1 年6 月1 7 日實際大氣自由模中最快增長的模態(tài)空間結(jié)構(gòu) 圖5 - 92 0 0 1 年6 月1 7 日實際大氣自由模中第二快增長的模態(tài)空間結(jié)構(gòu) 圖5 - 1 02 0 0 1 年6 月1 7 日實際大氣自由模中第三快增長的模態(tài)空間結(jié)構(gòu) 3 0 圖5 - 1 12 0 0 1 年6 月1 9 日的實際流場 圖5 - 1 22 0 0 1 年6 月1 9 日一2 2 日的5 0 0 h p a 位勢高度場合成圖 5 3 本章小結(jié) ( 1 ) 自由模均是不穩(wěn)定的，其不穩(wěn)定程度與自由模的振幅有關(guān)，振幅越大，自由模越不穩(wěn) 定。幾個最快增長的自由模表現(xiàn)為強(qiáng)烈的局地性特征。 ( 2 ) 前三個最快增長的不穩(wěn)定模的e 一折時間尺度和周期都超過了6 天，最大的周期達(dá)到 3 0 0 甚至1 0 0 0 天以上，說明不穩(wěn)定模是低頻變化的。 ( 3 ) 不穩(wěn)定模的周期越長，越占主導(dǎo)地位，使得這種不穩(wěn)定模的環(huán)流型得以在實際流場中 維持一段較長的時間。 第六章結(jié)論 ( 1 ) 通過分析2 0 0 h p a 、5 0 0 h p a 位勢高度場及前冬北太平洋海溫與長江中下游地區(qū)梅雨 的關(guān)系，得到：豐梅年，一般前冬太平洋海溫出現(xiàn)中一東太平洋正距平，西太平洋 負(fù)距平，同期( 6 、7 月) 高緯地區(qū)呈雙阻型( 烏拉爾山阻高和鄂霍次克海阻高) ， 西太平洋副高位置偏西，強(qiáng)度偏強(qiáng)，南亞高壓偏強(qiáng)偏東；枯梅年，一般前冬北太平 洋海溫出現(xiàn)中西太平洋正距平，東太平洋負(fù)距平，同期高緯地區(qū)呈單阻型( 貝加爾 湖阻高) ，西太平洋副高位置偏東，強(qiáng)度偏弱，南亞高壓偏弱偏西。 ( 2 ) 分析6 月8 5 0 h p a 合成風(fēng)場，說明6 月我國長江中下游地區(qū)入梅偏早時，有三支氣 流會影響我國，分別是印度西南季風(fēng)經(jīng)中南半島轉(zhuǎn)向的氣流，蘇門答臘越赤道氣流 和副高南側(cè)轉(zhuǎn)向的偏南氣流。分析7 月8 5 0 h p a 合成風(fēng)場，說明7 月我國長江中f 游地區(qū)出梅偏遲時，主要也有三支氣流會影響我國，分別是孟加拉灣槽前西南氣流， 南海地區(qū)的東南氣流及副高南側(cè)轉(zhuǎn)向的偏南氣流。 ( 3 ) 統(tǒng)計分析了1 9 8 2 2 0 0 6 年共2 5 年的入梅、出梅日期，實際自由模中副高的第一、 第二次北跳日期，得到：豐梅年入梅早，出梅遲，梅期長；枯梅年入梅晚，出梅 早，梅期短。自由模中副高的第一次北跳日期超前于實際入梅日期：豐梅年，前 者超前5 1 4 d ，平均超前1 0 6 d ；枯梅年，前者超前3 5 d ，平均超前3 8 d ：一般年， 3 1 前者超前3 9 d ，平均提前6 8 d 。自由模中副高的第二次北跳日期超前于實際出 梅日期：豐梅年，前者超前5 - 1 3 d ，平均超前8 6 d ；枯梅年，前者超前2 - 7 d ，平 均超前4 2 d ；一般年，前者超前2 - 1 0 d ，平均提前6 o d 。 ( 4 )選取了一個豐梅年( 1 9 9 1 年) 、一個枯梅年( 2 0 0 1 年) 和一個一般年( 1 9 9 5 年) 作個例分析，發(fā)現(xiàn)自由模態(tài)副高第一次北跳日當(dāng)天的自由流場與實際入梅日當(dāng)天的 實際流場兩者間的相關(guān)系數(shù)是一個極值，可見兩者非常相似。比較兩個流場及( q ， l f ，) 點陣圖，發(fā)現(xiàn)自由模流場中的小波動基本消失，自由模的( q ，l f ，) 點陣圖比實際 的( q ，t f ，) 點陣圖的發(fā)散程度降低很多，突出了大氣中大尺度運(yùn)動的特征。 ( 5 ) 利用標(biāo)準(zhǔn)模方法對實際自由模的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得知自由模均是不穩(wěn)定的，幾個 最快增長的不穩(wěn)定模表現(xiàn)為強(qiáng)烈的局地性特征。它們的e 一折時間尺度和生長周期 都超過了6 天，有的生長周期達(dá)到了3 0 0 多天，甚至超過了1 0 0 0 天，說明它們是 低頻變化的。并且發(fā)現(xiàn)這幾個最快增長的不穩(wěn)定模中，周期最長的占主導(dǎo)地位，使 得這種不穩(wěn)定模的環(huán)流型( 如阻高、副高、低壓槽的配置) 得以在5 0 0 h p a 實際流 場中維持一段較長的時間。 由此，認(rèn)為大氣自由模態(tài)對長江中下游地區(qū)的入梅、出梅分別具有提前3 - 1 4 、2 - 1 3 天的指示意義，前三個最快增長模中生長周期最長的不穩(wěn)定模態(tài)對實際流場一段時間內(nèi)穩(wěn) 定維持的環(huán)流型具有重要的參考作用。 3 2 參考文獻(xiàn)： 陶詩言，徐淑英夏季江淮流域持久性早澇現(xiàn)象的環(huán)流特征【j 】氣象學(xué)報，1 9 6 2 ，3 0 ( 1 ) ： 1 1 0 【2 】陶詩言等中國夏季副熱帶天氣系統(tǒng)若干問題的研究 m 】北京：科學(xué)出版社，1 9 6 3 ， 1 0 6 1 2 3 【3 】黃仕松副熱帶高壓東西向移動及其預(yù)報的研究 j 】氣象學(xué)報，1 9 6 3 ，3 3 ( 3 ) ：3 2 0 3 3 2 【4 】畢慕瑩夏季西太平洋副熱帶高壓的振蕩【j 】氣象學(xué)報，19 8 9 ，4 7 ( 4 ) ：4 6 7 4 7 4 喻世華，楊維武季節(jié)內(nèi)西太平洋副熱帶高壓異常進(jìn)退的診斷研究陰熱帶氣象學(xué)報， 1 9 9 5 ，1 1 ( 3 ) ：2 1 4 2 2 2 喻世華，張韌，楊維武劇熱帶高壓進(jìn)退機(jī)理研究【m 】北京：解放軍出版社，1 9 9 9 ， 4 7 5 3 t a os h i y a n ，c h e nl o n g x u n ar e v i e wo fr e c e n tr e s e a r c ho nt h ee a s ta s i a ns u m m e r m o n s o o ni nc h i n a m 】m o n s o o nm e t e o r o l o g y ，o x f o r du n i v e r s i t yp r e s s