【摘要】：在全球變暖背景下,強(qiáng)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(zāi)害事件,對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有著十分重大的影響。目前對(duì)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展演變特征及機(jī)理研究仍不夠充分。本研究基于長(zhǎng)期的地表氣象觀測(cè)資料、探空觀測(cè)數(shù)據(jù)、再分析資料等,探究了強(qiáng)降水和相關(guān)氣象要素之間的聯(lián)系。在詳細(xì)討論了強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生的時(shí)空分布特性、大尺度環(huán)流變化以及局地的熱力學(xué)特性的基礎(chǔ)上,試圖尋找和強(qiáng)降水關(guān)系密切的氣象要素以及大氣層結(jié)結(jié)構(gòu)特性,從而提高對(duì)強(qiáng)降水發(fā)生大氣背景的認(rèn)識(shí),以更好地預(yù)測(cè)全球變暖背景下強(qiáng)降水的變化特征及其機(jī)理。首先,基于2008 2017年夏季的地表降水觀測(cè)數(shù)據(jù)、L波段探空觀測(cè)資料以及再分析資料,利用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)北京地區(qū)強(qiáng)降水發(fā)生的大尺度環(huán)流、局地?zé)崃W(xué)特征進(jìn)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(gè)單峰的分布,在7月下旬達(dá)到最大值。這在大尺度上主要和副熱帶高壓自南海向我國(guó)的高緯度地區(qū)移動(dòng)有關(guān),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(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的探空型識(shí)別算法,分析了“Loaded-Gun(LG)”、“Thin-Tube(TT)”、“Inverted-V(IV)”三種強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的典型探空型在北京地區(qū)強(qiáng)降水中發(fā)生的頻次,發(fā)現(xiàn)45%的強(qiáng)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(duì)應(yīng)一個(gè)深厚的暖濕氣層,其形成和南部的強(qiáng)水汽輸送有關(guān)。通過(guò)T模態(tài)主成分分析方法,識(shí)別出主導(dǎo)北京地區(qū)強(qiáng)降水的三種環(huán)流型,共同特征是對(duì)流層低層受南風(fēng)的主導(dǎo),利于華北地區(qū)水汽的累積,進(jìn)而促進(jìn)強(qiáng)降水的形成和發(fā)展。此研究可以幫助更好的認(rèn)識(shí)華北平原地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展變化過(guò)程及其機(jī)理。其次,利用1958 2017年期間暖季長(zhǎng)期的氣象站點(diǎn)降水、溫度、濕度以及探空觀測(cè)資料,分析了中國(guó)大陸地區(qū)強(qiáng)降水對(duì)溫度的依賴性關(guān)系及其潛在的機(jī)制。在全球變暖背景下,大氣中相對(duì)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(guó)地區(qū)極端強(qiáng)降水和溫度之間的關(guān)系也可以用Clausius Clapeyron(CC)方程進(jìn)行量化,即溫度每升高1°C,極端降水強(qiáng)度會(huì)增加7%�？臻g上,在中部地區(qū)站點(diǎn),極端降水強(qiáng)度隨著溫度的增加而增強(qiáng),速率可以達(dá)到2倍CC,而西北和東南部地區(qū)站點(diǎn)普遍呈現(xiàn)CC速率,有些站點(diǎn)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(guān),隨著溫度的增加,相關(guān)性曲線斜率呈現(xiàn)一個(gè)由1倍CC向2倍CC速率的過(guò)渡,西北和中部地區(qū)轉(zhuǎn)換點(diǎn)在14°C左右,而東南部地區(qū)一般出現(xiàn)在20°C左右,且當(dāng)溫度超過(guò)~25°C時(shí),東南部地區(qū)極端降水強(qiáng)度會(huì)隨著溫度增加而下降。由于溫度主要通過(guò)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(jìn)一步利用長(zhǎng)期的探空觀測(cè)數(shù)據(jù)反演的大氣可降水量(PW)和對(duì)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(yùn)動(dòng)的作用,通過(guò)對(duì)比極端降水強(qiáng)度、PW和CAPE隨溫度的變化發(fā)現(xiàn),相比于CAPE,極端降水強(qiáng)度和PW關(guān)系更為密切,即表明極端降水強(qiáng)度隨溫度增加而增強(qiáng)過(guò)程主要和水汽的凝結(jié)及潛熱釋放有關(guān)。極端降水和溫度變化的長(zhǎng)期序列對(duì)比結(jié)果表明,二者的變化趨勢(shì)大體一致,溫度增加的時(shí)候,極端降水強(qiáng)度也增強(qiáng),即表明全球變暖在一定程度上伴隨著極端降水的增強(qiáng)過(guò)程。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：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(guó)的首都，人口約為2170萬(wàn)，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(rùn)地區(qū)，屬于典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸季風(fēng)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(dá)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(lái)自我國(guó)南海的西南或者東南季風(fēng)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(lái)，北京夏季強(qiáng)降水事件出現(xiàn)頻繁，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。例如，發(fā)生在2012年的7月21日北京的（簡(jiǎn)稱721）特大暴雨事件，造成了79人死亡，近百億的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失（Zhang 等.，2013）。因此，盡管面臨著諸多挑戰(zhàn)和困難，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和研究這種高影響天氣事件是十分必要的（Zhong 等.， 2015）。

強(qiáng)降水對(duì)相關(guān)氣象要素的依賴性研究征，進(jìn)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(guó)大陸地區(qū)分為了三個(gè)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(guó)大陸地區(qū)年降水量從北到南呈現(xiàn)一個(gè)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(gè)區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)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(shí)降水對(duì)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(gè)站點(diǎn)及區(qū)域的小時(shí)降水樣50th不同百分比取值下的降水作為極端強(qiáng)降水閾值進(jìn)行分析。表 2.1 北京地區(qū)降水測(cè)量站點(diǎn)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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