新疆降水水汽来源的模拟研究

摘要

新疆维吾尔自治区——中国面积最大的省份——占国土总面积的六分之一,具有复杂的地形与气候条件。同时,新疆也是典型的干旱—半干旱区,水资源匮乏。在全球变暖背景下,新疆水循环的变化会对当地气候、生态、人类生存和发展都有重要影响。因此,针对新疆开展水循环研究,具有重要的科学和现实意义。基于美国国家环境预报中心(National Center for Environmental Prediction,NCEP)的气候预测系统再分析资料(Climate Forecast System Reanalysis,CFSR)和降水观测资料,本文利用拉格朗日可变粒子扩散模式(Flexible Particle Dispersion Model,FLEXPART)、机器学习和其它统计方法,探究了新疆各季节降水的水汽来源,及其年际变化,以及不同种类降水(包括不同等级和不同环流型下的降水)的水汽来源。本文利用FLEXPART模式模拟了1979～2018年全球空气粒子的运动轨迹。当回溯10天时,新疆降水中90%以上的水汽可以被确定源地。研究发现,输入新疆的水汽,在冬季和夏季有三条相似的输送路径,分别是:地中海—里海—巴尔喀什湖;东欧平原—西伯利亚平原—巴尔喀什湖以及阿拉伯半岛—伊朗高原—帕米尔高原。此外,夏季还有另一条路径为印度洋—印度半岛—帕米尔高原。春季的水汽输送路径与冬季相似,秋季的则与夏季相仿。夏季,新疆本地和中亚地区的水汽贡献超过80%,其中前者为52%。春、秋、冬三季,新疆降水的水汽主要来自新疆本地、中亚、北非—阿拉伯半岛和南亚。除中亚外,其他水汽源区水汽贡献率具有显著的季节变化。就新疆各分区而言,南疆水汽源的分布与全疆相似;而北疆的水汽主要来自中亚。新疆各季节降水存在明显的年际变化,各水汽源地贡献的水汽量亦如此。夏季水汽源的年际变率最强,其次是春季、秋季,冬季最弱。各季节水汽贡献量年际变化最强的地区为新疆本地与中亚,四个季节均是如此。各源区水汽贡献比例的年际变率较小,主要水汽源并不存在明显的年际转换。进一步考察新疆多雨和少雨年份水汽源水汽贡献量的差异,发现新疆本地是贡献量差异最明显的地区。并且在降水最多的夏季,新疆本地水汽贡献率在多雨年明显高于少雨年,而中亚的水汽贡献率与之相反,其他源区无显著变化。多雨年本地贡献水汽的增加主要由本地蒸发加强导致。总体上,各源区贡献水汽年际变化以同向变化为主,新疆与中亚水汽贡献反向变化为辅。新疆降水的年际变化与本地水循环的加强与减弱有密切关系。新疆夏季不同等级降水的主要水汽源区与夏季气候平均态相似,为新疆本地与中亚地区。并且,不同等级降水发生前的水汽聚集过程无明显区别。均表现为,临近降水发生,水汽大量聚集,距离降水发生时刻越远,水汽聚集的越少。进一步使用自组织神经网络(SOM),对新疆湿季(4～9月)强降水按发生时大气环流差异进行聚类分析,得到N1、N2、N3和N4四种主要强降水类型。这些强降水的环流型与中亚中高层位势高度负异常中心的强度和位置相吻合。这反映了中亚低涡与低槽系统的异常活动。当环流型为N1和N3时,强降水集中在天山与昆仑山区;当为N2与N4时,强降水则更多向天山集中。新疆湿季强降水主要有4个水汽源区,其贡献由高到低依次是南疆(29～37%)、中亚北部(19～27%)、北疆(14～19%)和中亚南部(13～16%)。各源区水汽贡献率随环流型的不同而改变。各源区对不同类型强降水的水汽贡献率与强降水发生前粒子聚集度的空间分布有很好的对应关系。这些成果有助于更好地认识新疆强降水的水汽来源。

目录

作者简历

摘要

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 新疆降水研究概况

1.2.2 水汽源研究概况

1.2.3 拉格朗日模型与水汽分析方法研究进展

1.3 研究内容与章节安排

第二章 资料、模式与方法

2.1 资料

2.2 拉格朗日粒子扩散模型FLEXPART与试验设计

2.2.1 拉格朗日粒子扩散模型FLEXPART简介

2.2.2 试验设计

2.3 方法

2.3.1 水汽源诊断方法

2.3.2 自组织神经网络

2.3.3 其他统计方法与定义

第三章 新疆各季节降水的水汽来源

3.1 拉格朗日模拟降水与观测资料的比较

3.2 不同回溯时间对水汽追踪的影响

3.3 水汽输送路径

3.4 新疆各季节降水的水汽来源

3.5 各水汽源区的定量贡献

3.6 北疆和南疆的水汽传输路径与水汽来源

3.7 本章小结

第四章 新疆降水水汽源的年际变化

4.1 新疆降水水汽来源的年际变化

4.2 多雨与少雨年份水汽源分析

4.2.1 多雨与少雨年份的选取

4.2.2 多雨与少雨年份水汽源分析

4.3 本章小结

第五章 新疆不同类型降水的水汽来源

5.1 夏季不同等级降水的水汽来源

5.2 湿季不同类型强降水的水汽来源

5.2.1 新疆强降水事件的选取与对应的环流型

5.2.2 自组织神经网络的应用

5.2.3 自组织神经网络结果分析

5.2.4 拉格朗日模拟的强降水与观测对比

5.2.5 不同回溯时间对水汽追踪的影响

5.2.6 水汽传输过程

5.2.7 不同类型强降水的水汽来源

5.3 本章小结

第六章 结论与讨论

6.1 结论

6.2 讨论

致谢

参考文献