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对流层顶是一个深厚的对流阻滞层,它阻碍着气溶胶和水汽的垂直交换,阻碍着积雨云顶的垂直发展,决定着云的上限、降水以及与云有关的天气现象的位置,该处大气温、压、湿结构以及环流的变化直接影响着近地层的天气与气候。因此,研究我国对流层顶高度变化特征及其对我国天气气候的影响具有非常重要的意义。 本文利用1979-2012年中国地区100个探空站的逐日观测资料和ERA-Interim、NCEP/NCAR、JRA-25再分析资料,对再分析资料在中国地区的可适用问题进行探讨;利用1979-2012年ERA-Interim再分析资料分析了中国地区对流层顶高度的变化特征;并与东亚夏季风相结合建立了对流层顶高度指数,分析了对流层顶高度变化对我国夏季降水的影响;还利用同期的ERA-Interim环流资料探讨了对流层顶高度异常影响我国夏季降水的可能机理。主要结论如下: (1)利用1979-2012年中国100个探空站资料(OBS)和NCEP/NCAR(NCEP-1)、ERA-Interim(ERA-Interim)、JRA-25(JRA-25)三种再分析资料,采用多种统计分析方法,对比研究了四种资料的对流层顶高度在中国的变化特征及其差异,结果表明:ERA-Interim的对流层顶高度无论是时间平均还是空间平均都比NCEP-1和JRA-25与观测资料的一致性更好。尽管ERA-Interim的对流层顶高度比其他再分析资料更好地描述了观测资料,但是它对观测的对流层顶高度的描述也有明显的不足。ERA-Interim、NCEP-1和JRA-25与观测资料34年平均对流层顶高度之间的差值分别为203、228、293gpm,三种再分析资料与观测资料相比均偏高。三种再分析资料与观测资料之间偏差的最大值都出现在热带和热带以外之间的过渡区域,这可能是因为副热带地区是高的热带对流层顶向低的极地对流层顶急剧转变的一个过渡区域。这种差异可以通过提高对流层顶附近的温度数据的垂直分辨率来加以改进。总的来说,ERA-Interim资料能更好的描述中国地区的对流层顶高度,这可能是由于ERA-Interim资料在对流层顶附近的温度数据有更高的垂直分辨率。其次是NCEP-1资料,与JRA-25相比,NCEP-1有较小的平均绝对误差MAEs和误差的标准差SDEs,和较高的相关系数。尽管在描述中国地区对流层顶高度时,NCEP-1资料较好,但是,我们认为,与ERA-Interim资料相比,NCEP-1资料仍需进一步提高。还应该指出的是,观测资料和再分析资料之间对流层顶高度的差异不仅仅归因于输入数据粗糙的垂直分辨率,由观测数据随时间和空间的变化以及再分析同化方案的变更引起的偏差也无法避免。随着卫星技术的发展,特别是1998年和2001年分别引入的AMSU-A资料和GPSRO观测资料,再分析资料与观测资料对流层顶高度之间的偏差明显减小。这虽然使得再分析资料与观测资料的对流层顶高度偏差减小,但也造成由ERA-Interim温度资料计算出来的对流层顶高度在时间上的不连续性。 (2)利用ERA-Interim资料计算的对流层顶高度,分析了1979-2012年中国地区对流层顶高度的变化特征,得到以下结论:中国地区热带对流层顶和极地对流层顶的边界线(以150hPa等压线界定),在2月最南(27°N-28°N),8月最北(42°N-44°N)。较高的热带对流层顶从2月开始,逐渐北进,8月到达最北界,在44°N附近,然后开始南退,2月其北界处于最南端。我国27°N-44°N之间的中纬度地区,对流层顶高度的年变化幅度较大。中国地区总的对流层顶高度近34年来表现为明显的上升趋势;对流层顶高度存在南北地区(24°N以南和40°N以北)-中部地区(24°N-40°N之间)反位相变化模态,自20世纪90年代末开始,我国对流层顶高度更易出现南北低-中部高的特征;对流层顶高度还存在南北(以长江为界)反位相变化的模态。中国地区对流层顶高度可以分为6个变化区,分别为华南区、长江流域区、青藏高原区、新疆区、华北区、东北区。各区对流层顶高度最大值一般出现在夏季,最小值一般出现在冬季,只有华南区最大值出现在春季,最小值出现在夏季。华南区、长江流域区、新疆区对流层顶高度的年变化幅度较小,主要原因是华南区和长江流域区常受到热带对流层顶的控制,而新疆区常受到极地对流层顶的控制。东北区、华北区、青藏高原区对流层顶高度的年变化幅度较大,主要原因是这3个区是热带对流层顶和极地对流层顶交替控制的区域。中国地区对流层顶高度的年际变化特征具有十分明显的地域性。华南区和长江流域区近30年来对流层顶高度呈明显的上升趋势;青藏高原区和华北区对流层顶高度在2005年之前波动上升,之后下降;新疆区对流层顶高度2000年以前上升趋势明显,之后下降趋势明显;东北区对流层顶高度在波动中下降。中国各区对流层顶高度主要存在准3年、准5年周期振荡以及与太阳活动相关的10到12年振荡。 (3)以夏季对流层顶高度为主要研究对象,研究它与东亚夏季风的关系和对我国夏季降水的影响,得到以下结论:从对流层顶高度与东亚夏季风关系的角度看,郭其蕴的GI指数与我国华北和长江流域对流层顶高度呈显著的正相关;黄刚、严中伟的HYI指数与华北地区的对流层顶高度呈显著正相关;李建平、曾庆存的LZI指数与我国对流层顶高度无明显的相关。这也从侧面反映出我国对流层顶高度变化主要受到海陆热力差异的影响(GI指数)和东亚地区大气环流异常的影响(HYI指数)。长江流域区和华北区夏季对流层顶高度与长江流域夏季降水呈显著的负相关关系。长江流域区冬、春两季对流层顶高度年际变化幅度较大,最大出现在冬季,夏、秋两季对流层顶高度年际变化幅度很小,且季节平均和年平均对流层顶高度的年际变化特征是基本一致的。华北区四季对流层顶高度年际变化幅度都较小,季节平均和年平均对流层顶高度的年际变化演变趋势的一致性较差。长江流域区对流层顶高度与我国夏季降水关系显著,该区域对流层顶高度可以作为东亚夏季风强弱的指标。根据长江流域区夏季对流层顶高度指数的演变趋势,确定出对流层顶高度偏高年为2003、2012、1986、1998、1988、1993、2005、2009;对流层顶高度偏低年为1980、1982、1992、2008、2004、2010、1987、1997。对流层顶高度偏高年长江中下游地区明显少雨,东北地区明显多雨;对流层顶高度偏低年长江中下游地区明显多雨,东北地区明显少雨。 (4)应用选定的1979-2012年间的长江流域区对流层顶高度异常年份,主要选用ERA-Interim环流资料,对对流层顶高度正异常8年和负异常8年分别进行环流场的合成分析,研究对流层顶高度正、负异常年份的环流异常特征,并解释夏季天气异常的原因,具体结论如下:长江流域区夏季对流层顶高度正(负)异常年,我国黄河以南地区大范围高(低)温,黄河以北地区大范围低(高)温。对流层顶高度正(负)异常年,雨带偏北(南),长江流域少(多)雨,我国北方多(少)雨,使得我国黄河以南地区大范围气温偏高(低),黄河以北地区大范围气温偏低(高)。长江流域夏季对流层顶高度正异常年,中国大陆上空的春季气温明显偏高,而大陆南部海洋上空春季气温无明显的异常,增大了海陆温差,促进了东亚夏季风的到来,一定程度上加强了东亚夏季风环流的强度;长江流域夏季对流层顶高度负异常年,我国长江以南地区上空的春季气温明显偏低,而大陆南部海洋上空春季气温明显偏高,降低了海陆温差,延缓东亚夏季风的到来,一定程度上减弱了东亚夏季风环流的强度。长江流域夏季对流层顶高度正(负)异常年,长江流域500 hPa高度距平为正(负),不利于(利于)该区域降水的发生,华北为负(正),利于(不利于)该区域降水的发生。长江流域夏季对流层顶高度正(负)异常年,对流层中低层长江流域出现明显的南(北)风距平,南(北)风增强,夏季风强(弱),夏季雨带偏北(南),长江流域少(多)雨,华北多(少)雨。长江流域夏季对流层顶高度正(负)异常年,长江中下游地区为下沉(上升)运动距平,造成长江中下游地区少(多)雨;东北地区为上升(下沉)运动距平,造成东北地区多(少)雨