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1980年前后华北地区出现了由相对“湿润期”向相对“干旱期”的转变,大范围区域性暴雨也相应减少。基于地面站雨量观测数据、NCEP/NCAR再分析资料、GMS卫星红外云图和TBB资料、“CMA-STI热带气旋最佳路径数据集”,以及部分探空和自动站数据,本文对这种干旱背景下的华北暴雨进行了比较系统的研究。
论文第一部分对近五十年来华北暴雨的年代际变化特征、异常多雨年和异常少雨年的大气环流差异,以及“干旱期”和“湿润期”大尺度热力强迫的差异等进行了分析;论文第二部分从高层对低层的影响、Rossby下游效应理论和台风温带变性发展的角度,探讨了华北暴雨的主要影响系统一气旋暴雨、深槽暴雨和台风暴雨的形成机制。主要结论如下:
(1)1956~2007年华北地区暖季总降水量表现出显著的下降趋势,平均每10年减少17.2毫米。降水量的变化主要源于降水频数显著下降。不同强度等级(小、中、大、暴雨)降水的频数都有明显减少,而其中又以暴雨频数下降导致的暴雨雨量下降对总降水量变化趋势的贡献最大,约占35%。(2)对“湿润期”和“干旱期”异常多雨和少雨年环流形势的合成对比分析表明,华北多雨年和少雨年对流层中高层形势的差异主要表现在35°N~40°N的副热带西风急流(波导)中存在相反的距平波列分布。当波列在朝鲜半岛-日本附近区域为距平脊区时,有利于副高的西伸北跳,华北处于偏南风距平,有利于降水的发生;当波列在朝鲜半岛-日本附近区域为距平槽区时,不利于副高的西伸北跳,并且在日本到我国长江流域维持一条近似东-西向的横槽,有利于梅雨锋的维持和长江流域降水,但不利于华北地区降水发生。
(3)在“干旱期”,无论多雨年还是少雨年,华北上空对流层低层850hPa均为偏北风距平所控制,季风涌向华北的水汽输送整体减弱。经向水汽输送的减少也是“干旱期”华北暴雨减少的一个重要原因。
(4)“干旱期”青藏高原北部的高大地形区感热加热减弱、长江以北到贝加尔湖之间的中纬度地区感热加热增强。中国大陆上这种东部加热增加,西部加热减弱的变化,可能有利于夏季贝加尔湖南侧大陆暖高压脊的维持。此外,与“湿润期”相比,“干旱期”暖池及其以南的赤道西太平洋地区对流活动加强,与此同时从中南半岛到印度季风区的潜热加热减弱,表明“干旱期”印度季风偏弱。
(5)对气旋暴雨的研究表明,由于中国大陆夏季大气的斜压性较弱,在一般情况下不利于锋面气旋的产生。但平流层高位涡冷气团侵入对流层所形成的高层正位涡扰动可以诱生对流层低层的气旋性环流,当气旋性环流形成后,加强了低层的温度梯度,与高层动力作用相叠加,使气旋发展。这种高层对低层的影响在预报华北暖季气旋暴雨时应予以重视。
(6)对华北地区五次深槽暴雨过程的分析发现,深槽的形成和发展受到了上游准静止Rossby波列能量频散的影响。副热带急流类似一条波导使Rossby波能量沿急流传播,华北地区处在欧亚大陆副热带西风急流下方,如果沿急流传播的准静止Rossby波能量使110°E附近形成深厚的低压槽,或使原有西风槽发展加强,提供由天气尺度强迫产生的强的上升运动,则非常有利于华北出现暴雨过程。深槽暴雨过程的降水强度和持续时间主要取决于水汽输送和深槽南压的程度(辐合上升区的位置)。由于华北地区纬度较高,暴雨通常出现在深槽开始发展或加强阶段,305K等熵面上高位涡区代表了对流层低层不稳定区的位置,对华北地区强降水的落区有较好的指示意义。
(7)统计表明北上热带气旋能否完成ET(Extra-tropical Transition),成为温带气旋,与其可能造成的华北降水强度并没有必然的相关,论文重点研究了台风变性过程中与中纬度环境的交互作用及其对降水落区的影响。北上转向型台风在变性过程中都存在与中纬度西风槽的相互作用。由于主要的辐合上升区位于台风低压右侧偏南风急流与西风槽前偏西/西南风交汇处,因此西风槽相对于台风低压的位置对降水落区有重要的影响,并不总是集中在路径左侧,有别于美国发生ET的热带气旋暴雨落区。西北消亡型的台风在北上过程中受到东-西向的高压带的阻挡,无法继续北上而逐渐消亡。其降水主要是由于台风低压右侧偏南暖湿气流受北侧高压坝阻挡而产生的上升运动所造成,因而降水集中在路径的右侧。对于沿海北上型台风Matsa(2005)的北上变性过程的分析表明,除了西风槽的位置,高空急流的位置对暴雨的落区也有重要影响。而直接登陆型台风Rita(1972)的降水主要由台风倒槽造成,地形的抬升对强降水的发生有重要作用。此外,研究中还发现Rossby波下游效应引起的对流层上层长波的强度变化或位相调整,可能会影响台风的移动路径和移速,比如造成1982年黄河中下游暴雨的台风Andy,造成“75.8”暴雨的台风Nina,以及Winnie(1997)等都受到Rossby波下游效应的影响。