1960-2018年黄土高原地区干湿季转换时间变化及其影响机制研究

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黄土高原地处黄河流域中上游,属于半湿润和半干旱气候过渡区,也是东亚夏季风边缘区。独特的地理环境和气候特征使得黄土高原深受自然灾害和人类活动影响。尤其是在全球变暖以后,强降水事件在时空分布上发生了明显的调整,给黄土高原的农业种植和气象灾害防御带来了新的挑战。本文基于气象观测站资料、NCEP再分析资料和海温资料,运用统计分析、动力诊断和线性正压模式等方法,分析了黄土高原干湿季转换时间变化的时空分布特征。进一步解释了海温模态的年际和年代际变化对黄土高原干湿交替日期早晚变化的重要作用,并用线性正压模式(LBM)进行了验证。主要结论如下:(1)全球变暖后黄土高原干湿转换时间和极端降水事件时空分布特征发生明显调整。黄土高原为典型的单峰型降水,一年之中5-9月为主要的湿季。研究发现在1990年代前后黄土高原西北部湿季开始日期出现偏早趋势,结束日期出现偏晚趋势,湿季持续天数显著延长;黄土高原东南部湿季变化趋势与西北部相反,在1990年以后湿季开始日期出现偏晚趋势,结束日期偏早,持续天数缩短。受干湿季转换时间变化的影响,湿季内极端降水出现时间也发生明显的“位移”。黄土高原西北部极端降水事件在P1阶段(1960年至1990年)主要集中在8月上旬,在P2阶段(1991年至2018年)提前到7月中旬,极端降水出现时间的宽度增加了20天左右;东南部极端降水事件出现时间宽度在P1阶段为6月中旬至8月下旬,在P2阶段主要缩减在7月上旬和中旬,出现时间宽度明显缩减。(2)黄土高原湿季开始早晚与冬春季三大洋海温模态的年代际变化关系。冬春季北大西洋在P2阶段转变为“+-+”分布,对5月份中高纬度大气波列的作用明显加强,在黄土高原北侧表现为更明显的低值中心,冷空气活动明显。太平洋海温模态在1980年之前,受PDO负位向影响,ENSO对黄土高原西北部降水影响不显著;1985年以后PDO转为正位向,ENSO对黄土高原西北部降水影响明显加强,在菲律宾及我国东海海域形成一个显著的反气旋环流,偏南水汽有利于黄土高原西北部提前进入湿季。印度洋在P2阶段海盆变暖的频率明显加大,在暖海盆背景下印度洋中北部的上升气流在菲律宾群岛附近下沉,对菲律宾附近的反气旋环流更加促进的作用,间接的加强了偏南水汽向黄土高原西北部输送的作用。与黄土高原东南部湿季开始早晚相关的冬季印-太海温模态以中部型El Ni?o和IOD为主,P1阶段赤道太平洋冬季海温以中部型El Ni?o为主,印度洋以北暖南冷的海温分布偏多,印度洋暖区上升气流在菲律宾海域下沉,促进反气旋环流的生成,其西侧的偏南水汽有利于向黄土高原东南部输送,促进了湿季提前。P2阶段赤道太平洋冬季海温以中部型La Nina为主,印度洋以南暖北冷的海温分布偏多,导致菲律宾海域以气旋环流为主,对黄土高原东南部水汽输送不明显。总体来说,中部型El Ni?o诱发的反气旋环流要比东部型El Ni?o偏弱很多,其偏南气流不足以影响到黄土高原西北部地区,但是对黄土高原东南部降水的作用是显著的。(3)夏秋季海温模态的年代际转变对黄土高原湿季结束日期的早晚有着重要的作用。与黄土高原西北部湿季结束日期相关的北大西洋海温模态的异常冷(暖)中心比在冬春季偏南,在P1阶段夏秋季北大西洋以“-+-”冷海温为主,黄土高原西北部北侧为反气旋南侧为气旋环流为主;在P2阶段转为“+-+”暖海温后在黄土高原形成北气旋南反气旋配置,有利于黄土高原西北部9月降水偏多,湿季结束偏晚。夏季北太平洋涡旋振荡在P2阶段明显加强,它将北太平洋北部异常暖海温沿北美东岸的波列传播到太平洋赤道中部,形成中部型El Ni?o,导致西北太平洋副热带高压偏北,偏南水汽充足,有利于黄土高原西北部湿季结束偏晚。夏季赤道太平洋东部P1阶段强La Nina有利于黄土高原东南部湿季结束偏晚,导致北太平洋被强大的反气旋环流控制,其南支气流有利于水汽输送。在P2阶段,强El Ni?o发生频率增加,容易形成东亚-太平洋/太平洋-日本(EAP/PJ)型分布,与黄土高原东南部降水的相关关系不显著。印度洋海温以冷(暖)海盆为主要特征,配合赤道太平洋强La Nina(El Ni?o)模态,通过纬向垂直环流促进菲律宾反气旋(气旋)发展,从而影响黄土高原西北部和东南部的降水。(4)线性正压模式对三大洋海温异常模态进行模拟试验,较好的验证了海温强迫对大气环流的作用。模拟发现北大西洋北部的海温异常对东亚中高纬环流有显著的作用,当强迫源为冷(热)源时,一般在黄土高原北侧为反气旋(气旋)环流。在对太平洋和印度洋模态的模拟时,选择西北太平洋或菲律宾海域作为热(冷)源中心,能较好的反映印-太两大洋之间相互作用而导致的大气环流分布异常。
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