中国热浪时空变化特征及其机理研究

论文摘要

全球变暖背景下极端天气层出不穷,热浪是其中一种典型的极端天气,其主要表现为连续高温天气。近几十年来,中国地区热浪频繁发生,对人民的生产生活、自然生态以及社会经济等都造成了巨大的影响。因此,对于中国地区热浪时空变化及其影响机理等方面的研究十分有必要。目前,国内外研究中使用的热浪定义根据其高温阈值可分为绝对热浪和相对热浪两类。本文则同时使用了绝对和相对两种定义方法进行比较分析,基于中国气象局提供的1959-2013年全国587个站点的日最高温度定义中国地区的热浪并研究其近55年来的时空变化特征,在此基础上探讨导致中国地区热浪变化的主要外强迫因子及其内部大气动力过程。持续性高压是热浪产生的关键因子,陆气相互作用则对其维持发展有重要作用。同时,海温异常也可以通过强迫大尺度环流进而对局地天气产生影响。因此,本文基于再分析资料和数值模拟,将中国地区热浪近几十年的时空变率与大尺度环流、海温、地表土壤湿度等变量联系,探究中国地区热浪的可能影响机制,为提高我国夏季热浪的预测和防范能力提供理论支持。进一步利用区域数值模式对于全球增暖背景下中国地区热浪的未来变化进行预测。全文主要结论如下:一、中国地区热浪事件的气候特征利用全国587个观测站5-9月的日最高温度,同时使用绝对和相对两种定义分析了中国地区1959-2013年间的站点热浪和区域热浪事件的气候特征。其中绝对定义使用35℃作为日最高温度阈值,相对定义则使用局地温度气候态的90百分位作为温度阈值。站点热浪仅考虑高温的时间连续特性,区域热浪则同时考虑了高温的时间连续性和空间延展性。绝对定义下的站点热浪主要发生在新疆和东南地区,持续时间也较其他地区更久,且在7-8月最频繁。而相对定义下站点热浪的发生频率的季节内差异较小,在空间上也较均匀地分布在全国。其持续时间和发生频率具有相似的空间分布。同时,两种定义下的热浪强度在北方都强于南方,这与近几十年来华北地区的变暖强于华南地区的事实一致。两种定义下的站点热浪的发生频率、平均持续时间以及强度在80年代中后期明显上升,表明80年代中后期以来两种定义下的热浪都发生地越来越频繁、持久且强烈。1959-2013期间,共发生298次绝对定义区域热浪,374次相对定义区域热浪。对这些热浪事件的统计特征进行分析发现,大部分的热浪过程影响较小,除少数极端热浪过程（持续时间长,极端温度高,影响面积大）,且热浪主要为天气尺度事件,一般情况下仅维持数日。通过聚类分析得到了中国地区区域性热浪事件的主要空间分布特征。绝对定义下的区域热浪主要分布在东南、西北以及长江中下游地区,而相对定义下的热浪则较为均匀地分布在全国各地。此外,与站点热浪的年际变化类似,两种定义下的区域热浪发生频率在近55年间整体上都表现为上升趋势。考虑到中国不同地区的气候差异性,认为相对定义下的热浪对于描述中国地区的极端事件更合理。二、中国热浪的时空变率及其影响机理将热浪总强度进行EOF分析得到过去55年中国地区热浪时空变率的前三个主模态,分别为年代际型、年际-南北型和年际-中间型。将这三个模态与海温与大尺度环流联系,发现这三种模态都受到高压异常控制,并伴随着局地地表干旱。此外,SST的遥相关作用也十分重要。赤道西太平洋的海温异常增暖导致的显著对流活动异常与热浪的年代际南北型变化紧密相关。而热带西太平洋和东太平洋的正负海温异常加强了 Walker环流,也能导致赤道西太平洋上区域对流活动增加。与异常对流活动相关的西太平洋非绝热加热异常则引发北向传播的Rossby波列,在高压节点形成下沉运动,有利于热浪产生。通过线性斜压模式,再现了上述大气环流对赤道西太平洋非绝热加热的响应。除了分析热浪长期变率的影响机制,也从热浪过程角度分析了热浪发生期间的环流型和地表土壤湿度的配置。通过对热浪期间的环流和地表土壤湿度的合成分析发现,热浪期间的高温区上空存在明显的高压异常,伴随地表土壤湿度减少。且位于中国南部的热浪事件主要受到副热带高压的控制,北方热浪则主要受到中纬度高压的影响。三、中国热浪变化机制的模拟研究利用WRF模式研究了区域模式对于中国热浪特征的模拟能力。首先对于中国地区1989-2008年期间发生的热浪事件的时空特征进行模拟,并讨论了普逼近（SN）方案对于热浪模拟以及大尺度环流模拟的影响。共进行了 5次模拟,其中4次采用了 SN方案,一种未使用（NOSN）,不同的SN方案具有不同的逼近系数等。结果表明标准WRF模拟可以部分地再现热浪特征指数的时空特征。然而它们显著地高估了中国西部和东北部的观测结果,并低估了中国中部和东南部的观测值。使用SN方案的使用能够有效地提高模式对于热浪时空特征的模拟效果,原因在于SN方案能够提高WRF模式对于热浪期间异常高压的位置以及强度的模拟。且具有较强逼近系数的试验对于热浪的模拟效果更好。基于2003,2007,以及2013年中国东部三次严重的热浪事件,通过WRF模式研究了热浪对于初始土壤湿度（ISM）的敏感性。结果表明,ISM的差异对热浪的空间分布和时间变化的影响不显著,但热浪期间的温度和影响面积随着ISM的降低而逐渐增加。此外,热浪对于ISM的敏感性随着ISM的增加而逐渐下降。ISM通过影响地表能量平衡对温度造成影响:ISM减少导致潜热降低、感热增加,进而导致近地表大气增暖。这三次热浪过程都受到异常高压系统的影响,而ISM的减少会增加大气层厚度,加强环流异常,进一步加固局部土壤干旱和地表增暖。四、全球变暖下中国未来热浪的变化预估利用WRF模式对于CMIP5中4个全球气候模式（GCMs）进行动力降尺度分析,预测RCP8.5增暖背景下中国地区的热浪事件在未来气候（2031-2055）条件下的特征相对于当前气候（1981-2005）的变化。分析表明未来情景下,全国各个地区的热浪频率,持续时间,强度等特征相对于当前气候都存在明显的增加。这意味着未来更多的地区会遭受频繁、持久且强列的热浪事件。且在未来气候下,热浪各特征指数的强化趋势较当前气候下的热浪变化趋势更加快速。此外,强热浪事件较一般强度的热浪变化幅度更大。将热浪的变化特征与大尺度环流进行联系发现,热浪的变化很大程度上与同时期的高度场的变化有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 极端温度的定义
•   1.3 热浪的定义和衡量指标
•     1.3.1 站点热浪
•     1.3.2 区域热浪
•   1.4 影响热浪的因素
•     1.4.1 大气环流系统
•     1.4.2 陆面过程
•     1.4.3 海温异常
•   1.5 全球变暖对于热浪的影响
•   1.6 本文的研究意义
•   1.7 本文的内容安排
•   参考文献
• 第二章 中国热浪事件气候特征分析
•   2.1 引言
•   2.2 资料和方法
•     2.2.1 资料
•     2.2.2 热浪定义和指数
•     2.2.3 聚类分析
•   2.3 站点热浪的气候统计特征
•     2.3.1 空间分布特征
•     2.3.2 年际变化特征
•   2.4 区域热浪的气候统计特征
•     2.4.1 典型热浪事件
•     2.4.2 热浪指数的统计特征
•     2.4.3 热浪时空分布特征
•   2.5 讨论与总结
•   参考文献
• 第三章 中国热浪时空变率及其机理研究
•   3.1 引言
•   3.2 数据和方法
•     3.2.1 资料
•     3.2.2 线性斜压模式[LBM]
•   3.3 热浪变率的主要模态
•   3.4 热浪主要变率与大气环流的关系
•   3.5 热浪主要变率与海温的关系
•   3.6 热浪期间局地环流型与地表土壤湿度的配置
•   3.7 总结与讨论
•   参考文献
• 第四章 中国热浪变化机制的模拟研究
•   4.1 引言
•   4.2 WRF模式对热浪气候特征的模拟
•     4.2.1 模式简介和模式设计
•     4.2.2 数据和方法
•     4.2.3 热浪气候特征空间型的模拟
•     4.2.4 热浪时间变率的模拟
•     4.2.5 热浪期间异常环流的模拟
•   4.3 热浪对于初始土壤湿度的敏感性分析
•     4.3.1 三次强热浪过程以及模式设计
•     4.3.2 模式验证
•     4.3.3 热浪对于初始土壤湿度的敏感性
•     4.3.4 热浪对于土壤湿度敏感性的解释
•   4.4 结论和讨论
•   参考文献
• 第五章 中国未来热浪事件变化预估
•   5.1 引言
•   5.2 数据、方法以及模式设计
•     5.2.1 模式以及试验设计
•     5.2.2 方法和数据
•   5.3 模式模拟结果
•     5.3.1 当前气候下热浪特征模拟评估
•     5.3.2 热浪期间的环流特征及未来变化预估
•     5.3.3 热浪变化预估
•   5.4 结论
•   参考文献
• 第六章 总结和展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 论文创新点
•   6.3 讨论和展望
•   参考文献
• 致谢
• 已发表论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王品雅

导师: 方娟,汤剑平

关键词: 中国热浪,大气环流,海温异常,地表土壤湿度,模拟

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京大学

基金: 国家自然科学基金,国家留学基金委

分类号: P467

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000142

总页数: 142

文件大小: 19930k

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