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近20年来,随着观测数据和重建资料的增多,气候的年代际变率研究逐渐成为气候研究的焦点。降水作为与人类活动和生产直接相关的重要气象要素,其年代际变化备受关注。我国东南沿海地区同时有热带和副热带的气候特征,既受东亚夏季风的控制,又是我国受热带气旋降水影响最严重地区,其夏季降水的年际、年代际变率极为复杂。降水的年代际变化不仅在平均要素上表现明显,在极端降水上反映更为突出,由于高强度、长持续性降水及由此引起的洪水往往导致严重的自然灾害,因而包括降水强度,降水持续性等降水性质的归因研究成为降水年代际变化研究的前沿问题。本文利用台站观测降水资料揭示了我国东南沿海地区盛夏近40年(1967-2006年)包括降水量,日降水强度,小时降水强度和降水持续时间等降水性质的年代际变化特征,探讨了热带气旋降水和非热带气旋降水的特征差异及其对东南沿海地区降水特征变化的不同贡献,重点分析了热带气旋降水强度的变化对东南沿海地区降水的影响,利用热带气旋最佳路径资料和再分析合成资料,讨论了热带气旋活动和降水强度变化的可能原因,同时分析了非热带气旋降水的强度变化特征及其对局地热力条件的响应。通过合成热带气旋样本作为初始场,利用中尺度数值模式对热带气旋的降水性质变化进行了数值模拟,进一步验证了环流场和热带气旋结构的改变对东南沿海降水的影响。主要结论总结如下:
1.东南沿海地区盛夏降水性质发生显著变化。日降水资料的分析结果肯定了我国东南沿海盛夏的降水量呈显著增加趋势,且主要是由于日降水强度增强所致,日降水频次的贡献不显著。结合小时降水资料的分析结果发现,不同于长江流域小时降水频次增加而小时降水强度的减弱,东南沿海地区虽然降水日的平均降水小时数显著增加,但平均小时降水强度也显著增强。通过将降水事件按持续小时数分类后分析发现:短持续(小于5小时)降水平均小时强度显著增强,具体表现为弱小时强度降水减少和强降水增多;长持续性降水平均小时强度减弱,但降水频次增加,但由于长持续性降水的平均小时降水强度远大于短时降水平均小时强度,其对整体小时强度增强是正贡献。总之,我国东南沿海盛夏平均降水强度增强主要来自长持续性降水频次增多、短时强降水频次增多和短时弱降水频次减少。
2.热带气旋和非热带气旋降水对东南沿海地区降水性质的变化贡献有别。近30年影响我国东南沿海盛夏的热带气旋降水增加是导致该地区降水显著增加的主要原因。平均热带气旋小时降水强度和非热带气旋小时降水强度空间分布差别不大,而平均降水持续时间则有很大差别。热带气旋降水续较时间较非热带气旋降水长,且越近沿海,持续时间越长,而非TC降水在沿海地区持续时间较内陆短。东南沿海的平均降水强度结果显示,热带气旋降水中弱降水(小于9 mm/h)占主导地位,而非热带气旋降水中强降水偏多;从持续时间来看,则是热带气旋降水的长持续性降水显著偏多,而非热带气旋降水以短时降水为主。东南沿海区域平均结果来看,总降水的增加以热带气旋降水占主导,主要来自平均持续时间的增加;而非热带气旋降水的平均小时降水强度显著增加。进一步分析热带气旋降水和非热带气旋降水对长持续性降水和短时强降水的贡献,可发现长持续性降水的增加主要来自热带气旋降水,而短时强降水的增加则主要来自非热带气旋降水。两类降水的变化也对降水的日变化造成了不同的影响,具体表现在热带气旋降水的长持续性降水的显著增加对各个时次的降水均有正的贡献,而非热带气旋降水的增加则主要集中在午后。
3.热带气旋降水强度增强致东南沿海地区受热带气旋降水影响增加。仅从热带气旋降水来看,东南沿海和内陆(包括江西、湖南东部和湖北南部)热带气旋降水强度均显著增加,而影响热带气旋降水频次略有增加。通过分析雨量站与引起降水的热带气旋中心距离发现:近30年,内陆地区影响热带气旋距离显著下降,近距离热带气旋引起降水的增加是该区域热带气旋降水强度增加的主要原因;而东南沿海地区近距离热带气旋降水增加不明显,热带气旋降水强度的增加主要由于同距离热带气旋降水强度的增加。分析热带气旋经过频次的空间变化结果证实,近30年经过中国沿海的热带气旋个数变化不大,仅福建沿海一带略有增加,而内陆地区则增加明显,且经过该区域时热带气旋移动速度变慢,这均与该区域近距离热带气旋降水的增加一致。对进入我国东南地区近海(影响东南沿海)的热带气旋进行统计发现,进入该地区的热带气旋数量和频次略有减少,且平均强度有所减弱;但进一步利用JRA-25资料对前后14(15)年进入该区域热带气旋合成的结果发现,后期热带气旋所含平均可降水量显著增加,从轴对称的热带气旋平均相对湿度的变化来看,湿度的增加是普遍的,尤其在离热带气旋中心600km外、700hPa以上地区,后期TC湿度显著增加。
4.短时非热带气旋降水增强受局地热力条件调制。扣除热带气旋降水的影响,我国东南沿海地区短时降水(持续时间1-6h)占总降水的50%以上。从降水强度的变化水平分布来看,总降水的强度变化分布与短时降水一致,而与长持续时间降水的强度变化相反。东南沿海和内陆地区短时降水的强度变化趋势完全不同,东南沿海呈现短时降水的强度增强,而内陆的短时降水则一致减弱;东南沿海主要表现为午后强降水的显著增加,而内陆则表现为凌晨弱降水的显著增加。两区域降水强度的变化均与当地的最高地面气温有显著正相关,但也呈现不同特点:东南沿海地区的地面气温和湿度与近海SST有显著正相关,而近海SST在近40年显著上升;而内陆地区的降水强度不但同地面最高气温有显著正相关,而且同地面比湿有显著正相关。
5.数值试验结果验证大气环境和涡旋场的改变对热带气旋降水强度的影响。利用JRA-25资料合成的两个时段(1979-1992年和1993-2007年)不同环境场和涡旋场分别设计控制试验EXP1(后期),EXP2(前期)和替换涡旋场的敏感性试验EXP3,EXP4,以及在EXP1基础上替换前期水汽场的敏感性试验EXP5,并利用高分辨率中尺度数值模式进行试验。从对热带气旋路径的模拟来看,EXP2模拟的热带气旋路径偏西,EXP1模拟的路径偏东、偏北,而水汽场的改变(EXP5)对热带气旋路径影响不大。对热带气旋强度的模拟结果来看,涡旋场和环境场的交换对热带气旋强度影响较小,造成强度差异的主要原因是其路径的变化导致登陆时间的不同;而单纯水汽场的改变则对热带气旋的强度变化有重要影响,最强时海平面中心气压相比EXP1高8hPa左右。EXP2和EXP1模拟的东南沿海地区降水特征差异与前面章节分析的两个时段影响东南沿海地区降水特征变化吻合,主要表现为:相比前期,后期模拟的东南沿海平均降水量,超过250mm/d的日降水量、超过15 mm/h的小时降水量和持续时间超过24 h的降水事件引起的降水占总降水量的百分比均是增加的,这一方面是由于热带气旋路径偏东,使得其对东南沿海影响加大,但另一方面,通过水汽场敏感性试验模拟的降水结果对比发现,大气中水汽含量的变化也对东南沿海地区降水增加有重要影响。对热带气旋降水结构的模拟来看,相比前期,后期的平均环境场和涡旋场均对热带气旋内核降水的增强有正贡献;水汽场的变化对热带气旋内核和外围降水强度均有重要影响。热带气旋降水结构的另一个特点是最强降水的发生半径增大,水汽场敏感性试验的结果表明水汽场的改变对热带气旋尺度的改变有重要影响。