中国西北干旱区地面感热特征及其与东亚夏季风北边缘位置和中国夏季降水的关系

摘要

本文首先选用黑河野外试验(HEIFE)地面观测资料与归一化差值植被指数(NDVI)卫星遥感资料相结合，对我国西北干旱区不同下垫面CH-NDVI参数化关系进行研究，利用此关系式对干旱区区域尺度地表热力输送系数(CH)进行估算，并进而估算出近几十年的地面感热通量。接着研究其年际、年代际时空特征及其与东亚夏季风北边缘带位置和中国夏季降水的关系及成因，并利用区域气候模式(RegCM3)进行了模拟验证。以期为我国汛期早涝预测和农牧交错带生态环境保护提供一些理论基础。主要结论如下：
　　 (1)研究得到针对我国西北干旱区不同下垫面区域尺度CH-NDVI参数化关系式，并对其进行了合理性检验。结果表明，在缺乏其他方法获得较准确的区域CH值的情况下，利用卫星遥感资料对其估算是较为可靠的方法。
　　 (2)利用西北地区各气象站所在区域的NDVI多年平均最大值(Imax)可以对气象站所在区域下垫面类型进行判定。由此，选择了绿洲、沙漠和戈壁代表气象站与HEIFE试验相同下垫面野外站观测的气象要素进行对比分析。地-气温差的比较显示，绿洲下垫面秋、冬、春三季两者变化形式一致，但夏季气象站观测值明显高于野外站，且变化位相相反。地面风速的比较发现，戈壁下垫面气象站观测值比野外站小一半左右。
　　 (3)西北干旱区地面感热输送呈单峰型年变化特征，春、夏季非常强，秋、冬季较弱；大部分区域全年均为正值，地表表现为感热源。以97.5°E为界，西北干旱区东、西部具有不同的年际变化趋势，东部地面感热四季均有逐年增加的趋势，而西部秋、冬季逐年略有增加，春、夏季却逐年明显减弱。地面感热输送年代际变化特征也很明显，在1980年代总体偏强，1990年代总体偏弱，2000年以来，西北地区中部感热输送偏弱，东、西两边偏强。对西北干旱区地面感热进行EOF分析发现，第一模态反映了全区一致的空间变化，第二和第三模态显示出东部和西部具有不同的东西反向或南北反向的空间变化。西北干旱区感热的变化并不只由地气温差的变化来决定，它与地面风速和地表状况的变化也有较强的依赖关系。在冬季，主要响应于地气温差的变化，春季地面风速和地气温差的影响作用同等重要，夏季以地面风速的影响为主，地气温差的影响次之，秋季与夏季相反。另外，夏季地表状况的影响作用也不容忽视。
　　 (4)我国西北干旱区东部5～9月地面感热与东亚夏季风北界位置存在显著且持续的反相关关系，地面感热输送异常偏弱(强)年，东亚夏季风北边缘位置异常偏北(南)。夏季地面感热的变化与我国河套、华北及东北地区夏季降水呈反相关关系，与江淮流域夏季降水呈正相关关系。地面感热与季风边缘带区域降水相互影响，在季风前期，前者对后者有抑制作用，到了季风盛期，后者又会抑制前者的发展。夏季地面感热输送异常偏强年与偏弱年相比，在500 hPa高度场上呈现相反的遥相关波列，我国大陆上空由高度负距平异常跃变为正距平异常；在850 hPa风场上，我国大陆东部上空由偏南风异常转变为偏北风异常；在200 hPa纬向环流场上，西风急流位置由偏北变为偏南。此外，在垂直速度场上，河套、华北地区上空由上升气流异常转变为下沉气流异常。所有这些转变均不利于河套、华北地区的夏季降水，出现东亚夏季风北边缘位置的异常偏南。
　　 (5)数值模拟研究表明：我国西北干旱区东部地面感热输送加强(减弱)，使得中国西北地区和蒙古国及其附近地区低层空气温度升高(降低)，产生一个向上(下)的垂直速度距平，在中、高层大气出现一个高(低)的气压距平。我国东北和西北地区上空出现反气旋性(气旋性)环流距平，华东地区上空为气旋性(反气旋性)环流距平，我国大陆东部有较强的偏北(南)风，不(有)利于东亚夏季风的北推，因而我国北方夏季降水异常偏少(多)，东亚夏季风北边缘位置异常偏南(偏北)。RegCM3模式基本上可以清晰揭示出西北干旱区地面感热异常偏强、弱年的环流特征及其与东亚夏季风北边缘位置之间的匹配关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题的提出及研究意义

1.2国内外研究现状及存在的问题

1.2.1陆面上总体输送系数及参数化研究

1.2.2西北干旱区感热的研究

1.2.3东亚夏季风及其北边缘的研究

1.2.4海陆热力作用对东亚夏季风及中国降水的影响研究

1.3主要研究内容及技术路线

1.4拟解决的主要科学问题和创新点

参考文献:

第二章西北干旱区区域尺度地表热力输送系数的估算

2.1引言

2.2资料与方法

2.2.1所用资料

2.2.2研究方法

2.3结果分析

2.4合理性检验

2.5西北干旱区地表CH值的季节分布

2.6本章小结

参考文献：

第三章西北干旱区气象站与野外站观测的气象要素的差异

3.1引言

3.2所用资料

3.3结果分析

3.3.1温度的比较

3.3.2风速的比较

3.3.3湿度的比较

3.4本章小结与讨论

参考文献

第四章西北干旱区地面感热通量的计算及特征分析

4.1引言

4.2资料与方法

4.3地面感热计算值与ERA-40再分析资料的比较

4.4地面感热通量的基本气候特征

4.4.1年变化特征

4.4.2季节变化特征

4.4.3感热异常的空间分布和时间演变

4.4.4干旱区东、西部地面感热年际变化的异同

4.4.5地面感热年代际变化特征

4.5地面感热变化与地面各要素的相关分析

4.6本章小结

参考文献:

第五章西北干旱区地面感热与东亚夏季风北边缘位置和中国夏季降水的关系

5.1引言

5.2西北干旱区地面感热异常变化的影响研究

5.2.1与东亚夏季风北边缘位置的关系

5.2.2与中国夏季降水的相关分析

5.3感热输送异常偏强(弱)年的大气环流型分析

5.3.1 500hPa高度场的变化

5.3.2低层和高层大气环流的变化

5.3.3垂直速度的变化

5.4本章小结

参考文献:

第六章西北干旱区地面感热变化与中国夏季降水关系的数值模拟研究

6.1引言

6.2区域气候模式RegCM3简介和设计方案

6.3模式控制试验结果分析

6.4地面感热输送异常影响的敏感性试验结果分析

6.5本章小结

参考文献:

第七章结论与展望

7.1主要结论

7.2讨论与展望

在读期间发表论文、参加科研及学术交流情况

致谢