北疆极端夏季降水事件的水汽来源及其与大气环流的关系外文翻译资料

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

北疆极端夏季降水事件的水汽来源及其与大气环流的关系

黄伟*，常世桥，谢成玲，张志平

西部环境系统教育部重点实验室，兰州大学地球与环境科学学院，兰州730000，中国

摘要：本研究利用1951年至2014年的日观测降水资料和NCEP再分析资料，使用欧拉和拉格朗日方法，研究了中国北疆夏季极端降水事件的水汽来源。结果表明，北疆大部分夏季暴雨（大于50 mm 和小于100 mm ）的低层和高层水汽主要通过北大西洋和欧亚大陆的西风环流运输。然而，除了来自印度洋的低层水分外，很少观测到的超过100 mm的暴雨主要是由北大西洋，北极海洋和欧亚大陆垂直结合的水分所支配。在这些来源中，印度洋的异常低水位湿度与较强的经向环流密切相关，在暴雨方面被认为更为重要。在暴雨发生前的时段内，强大的经圈环流产生了一个异常的压力梯度力，它可以将印度洋沿青藏高原东部边缘的低空水汽输送到北疆。此外，北大西洋、北极海洋、欧亚大陆和印度洋的水分汇聚在一起，以影响该地区的暴雨发展。

关键词：北疆; 水分来源; 极端降水事件; 拉格朗日轨迹模型; 印度洋

1.介绍

北疆地区（以下简称为NX）位于中国西北部，西北地区降水稀少。这个地区远离海洋，青藏高原和天山山脉阻挡了水汽的运动（图1，Feng and Fu，2013）。 近年来，全球变暖影响了陆地的水循环，并导致了区域水分的变化。为了更好地了解新疆和附近干旱地区的水分变化，已经开展了许多研究。在这方面，研究人员已经确定，某些指标的年降水量和土壤湿度水平与湿度条件有关，因为近几十年来，这些指标在新疆内陆湖泊地区和附近的干旱地区一直在增加（Jiang等，2005；Feng等，2007；Su和Wang，2007；Chen等，2011）。Evidence认为，自20世纪80年代中期以来，新疆的气候和环境一直处于从暖干到暖湿的转变（Shi 等，2007）。 水汽输送的强度和路径在区域水分变化中起着重要的作用，因此，在全球变暖的背景下，分析降水的水汽来源对新疆温暖湿润状况有一定的了解是非常重要的。

图1.1971至2000年期间的气候水汽通量（箭头，单位：kg ）。 黄色阴影表示地形高于2000米（海平面以上）的地区；红点表示北疆29个国家气象台的位置。

先前的研究表明，影响新疆及邻近干旱区的气候水汽主要来自西部（Yatagai，2003；Huang 等，2013）。 Huang等人（2015）分析了塔里木盆地内夏季降水及其与水汽和大气环流的关系，发现异常夏季降水的变化主要受南、东部水汽的控制，而水汽通量异常与环太平洋全球遥相关（CGT）和50°—80°E附近的经向遥相关模式密切相关。然而，NX中降水的水汽来源尚不清楚。

此外，大多数关于水汽输送的研究都集中在气候学上而不是降水事件上，迄今为止，还没有人尝试理解NX中具有不同强度的极端降水事件的水汽来源。在全球范围内，极端降水事件的频率和强度已经显示出与全球变暖相关的显著增长趋势（Easterling等，2000a，2000b； Goswami等，2006）。由于NX位于干旱和半干旱地区，只需要相对较少的降水天数来贡献大部分典型的夏季降水。该地区年降水量不足400毫米，大部分降水发生在夏季。因此，该地区极端降水事件导致夏季降水量的巨大变化。Yang（2003）认为，在20世纪80年代，由于极端降水事件的频率增加，新疆的气候从暖干地区转变为暖湿地区。因此，本研究的重点是分析NX中夏季极端降水事件的水分来源。

2.数据和方法

使用中国地面日报气候数据集3.0版（来自824个国家气象台）的每日降水数据来分析极端降水事件。该数据集涵盖了从1951年1月1日到2014年12月12日这段时间的数据，其质量和一致性由国家气象信息中心维护。在的夏季（6-8月）期间，主要使用29个台站的降水量。在这方面，分析侧重于1951年至2014年期间两种降水情景下的水汽输送： 1）暴雨天数与例1相同（日降水量大于50 mm 且小于100 mm，n = 45 d），2）暴雨天数如例2（日降水量大于100 mm ，n = 2 d）。此外，从国家环境预报中心—美国国家大气研究中心（NCEP—NCAR）再分析资料中获得了1951年至2014年不同压力水平的每日和每月的位势高度，风，垂直速度和比湿（Kalnay等，1996年）。

为了评估水汽输送对NX中降水的影响，垂直积分水平水汽通量按下式计算：

(1)

其中q，g，Ps，V和Q分别代表比湿度，重力，表面压力，水平速度和水汽通量。 在计算水汽通量时，我们忽略了由地形造成的低于表面压力的压力水平。 为了评估低和高水汽含量对NX降水的相对作用，计算了低水位（1000至700 hPa）和高水位（700至300 hPa）水汽通量。此外，拉格朗日弹道法被用来确认水汽输送。

利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）开发的HYSPLIT拉格朗日轨迹模型（Draxler and Hess，1997）计算水汽轨迹。 为了确定这些水汽轨迹，使用6小时平均NCAR / NCEP再分析资料（Kalnay 等，1996）作为模型输入。利用这些数据，HYSPLIT模型在前10天产生了反向轨迹，我们将它们组合成一个水汽轨道。

3.水蒸气来源

3.1.气候水汽起源

在分析NX中极端降水事件的水汽输送之前，我们确定了垂直一体化夏季气候的水汽通量。 来自西部（北大西洋）的水汽通量在中亚盛行，然后与来自西北部（北冰洋）的通量一起向东转，然后到达研究区域。这个结构表明里海和咸海北部的一个弱脊和NX西北部的一个弱槽（图1）。与亚洲季风区相比，NX只有轻微的水汽通量。由于西风带，输送到研究区的大部分水汽来自西部和西北部，并从东部离开该区域。此外，位于研究区南部的青藏高原和天山山脉阻止了向该地区运输的平均水汽通量向南延伸。这些气候学结果与以前的研究相似（Yatagai和Yasunari，1998；Yatagai，2003）。

3.2. 极端降水事件的水汽来源

如前所述，NX的降水主要在夏季（6-8月）降雨，因此我们只关注该地区夏季极端降水事件。我们分析了水汽输送到NX的第二部分定义的不同的预先沉淀情景。图2分别显示了暴雨（PHR）日和暴雨（HR）日前一天的复合水汽通量和大气环流。如图2所示，两种类型的复合大气环流模式都有类似的模式：在里海和咸海北部有一个山脊。此外，中国西北边界还有一个谷，而中国东北部的另一个谷则在谷底。由于这些类似的大气环流模式，PHR和HR日的水汽输送几乎相同。除了海洋地区的水分外，先前的研究已经证明，来自欧亚大陆的水汽是欧亚大陆降水的重要来源（Numaguti，1999），尤其是内陆中国的降水（Sun and Wang，2014）。另外，由于欧亚大陆位于北大西洋的顺风带上，在PHR日，低纬和高纬水汽通过西风带从北大西洋和欧亚大陆运输到中亚（图2a和b）,然后在HR日进一步运送到NX（图2c和d）。

图2.（a）平均垂直积分低层（1000至700 hPa）水汽通量（箭头，单位：kg ），垂直积分水汽输送矢量（颜色）的大小和500 hPa位势高度 （轮廓，单位：gpm）为大雨天前一天。（b）如（a）所述，但是对于全层（1000至300 hPa）水蒸气通量; （c）如（a）所示，但为大雨天（例1）; （d）与（b）中相同，但为大雨天（例1）。

图3.如图2所示，但暴雨天（例2）。

图3分别显示了暴雨（PRS）日和暴雨（RS）日前一天的复合大气环流和水汽通量。在PRS日，中国北部的山脊较强，这可能使青藏高原东部边缘的低水平水汽通量向西弯曲并促进向NX的运输（图3a）。与HR天数相比，里海和咸海北部的山脊非常明显，在北部的印度北部，印度北部的印度洋北部槽深度更大，穿透印度北部。 槽也从北部带来一定量的水汽到研究区域（图3）。此外，在RS日，两个低层水汽通量汇聚在NX中，有利于降水的形成。

总而言之，水蒸汽向NX运输的主要原因有两个：一是来自北大西洋的垂直一体化水汽和一个由西风带运往NX的欧亚大陆。然而，在RS天，经向NX的水汽输送更加强劲，我们确定了四个主要来源。来自北大西洋，北极海洋和欧亚大陆的垂直一体化水汽在西伯利亚汇合，一起运往NX。 第四个值得注意的来源是从印度洋北部沿青藏高原东部边缘移动的低水平水汽通量，然后在PRS日内向西转向NX。来自印度洋北部的低层水汽输送在RS日子变得越来越重要。这些结果与Huang等人的结果相似（2015）指出，南部的水汽通量可以输送到青藏高原的南部，并沿高原东部的低层输送，以影响塔里木盆地的夏季降水。不同之处在于塔里木盆地南部的水汽通量影响了RS天数，而南部的水汽通量影响了PRS日的NX。

3.3．基于拉格朗日轨迹模型的水汽来源

下面使用拉格朗日弹道模型来确认水汽的输送。我们选择了1951年至2014年夏季发生的所有降水事件，并且我们在不同的水平上追踪了它们的后向轨迹240小时。结果表明，主要影响NX降水的水汽源于两个地区：北大西洋和北极海洋（图4）。此外，一些低层水汽似乎通过青藏高原东部并流向源自印度洋的NX（Li等，2012,2016），并通过独特的大气环流运输到NX 模式（图3a）。 因此，除了北大西洋和北极海洋，来自印度洋的水汽输送在RS日的NX中变得越来越重要。

图4.（a）地面以上2公里处所有降水事件的水汽轨迹，以及（b）地面以上3公里处的所有降水事件的水汽轨迹。 黑点表示终点位置。

图5（a）所有降水事件的气候学，（b）NX的前50次日降水事件，以及（c）1951年至2014年夏季地面以上2公里处的异常;（d）与（a），（e）一样，（b），（f）和（c）一样，但在地面以上3公里处。

接下来，我们通过将11个网格框中的前50个每日夏季降水事件除以NX中的夏季降水事件总数，计算和检查了降水事件的频率。我们对所有夏季降水事件和前50个每日夏季降水事件进行了分析。 图5a和d表明，在气候上，水汽经常从西部以高密度通过NX，然后轨道通常结束。然而，对于日前50次夏季降水事件（图5b和e），水汽通过的频率与气候学显着不同：它从NX的东部和南部增加，并且可以清楚地观察到异常情况（图5 c和f）。

4.结论和未来前景

在这项研究中，我们分析了北疆，西北地区夏季极端降水事件的水分来源及其与大气环流的关系。结果表明，夏季暴雨天数（大于50 mm且小于100 mm）的大气环流模式和水汽输送与已知的气候模式相似。NX在夏季暴雨期间的垂直整合水汽通量来自北大西洋和欧亚大陆，这些通过西风带运输。但是，在暴雨日（超过100毫米/天），经向环流更强烈，水汽来自四个来源：北大西洋，北极海洋，欧亚大陆和印度洋。这些海陆结构也是NX起源于一些潮湿的起源，它起源于多种来源，具有复杂的垂直结构。由于暴雨天数的经向环流较强，来自印度洋的低水平水汽通量沿着青藏高原的东部周边运送，并在那里向西弯向NX。这种湿度起源于印度洋，并且是导致NX暴雨的最重要因素。

拉格朗日弹道模型也被用来确认这些水汽输送结果，这与欧拉法所确定的结果相似。此外，降水事件的通过频率表明，当发生极端降水事件时，东部和南部将传输更多的水汽。

了解NX中夏季极端降水事件的湿度来源，对于区域生态系统和环境的管理非常重要。 但是我们注意到，仅在近几十年中，新疆气候变暖导致的极端降水事件频率的增加已经从暖干地区转变为暖湿地区。全球变暖的进一步发展正在导致一些极端的天气、气候事件更频繁地发生。 这个地区的气候将来会变得更干燥还是更潮湿？ 过去极端降水事件的水分来源是否与今天一致？ 这些科学研究问题必须进一步研究。

致谢：

我们感谢杨连美博士的讨论和建议。 这项工作得到了国家自然科学基金（41505043）和兰州大学和中央大学基础研究基金（lzujbky-2015-124）的共同支持。

参考：

Chen，F.-H.，Huang，W.，Jin，L.-Y.等，2011.全球变暖背景下中亚干旱中的时空降水变化.中国地球科学，54（12），1812至1821.

Draxler，R.R.，Hess，G.D.，1997.NOAA技术备忘录ERL ARL-224.HYSPLIT_4建模系统说明，第一卷，12（298），第197至199页.

Easterling，D.R.，Evans，J.L.，Groisman，P.Y.等，2000a. 美国气象学会公报，第一卷，81（3），第417至425页.

Easterling，D.R.，Meehl，G.A.，Parmesan，C等，2000b。极端气候：观测，建模和影响。 科学，289（5487），2068至2074.

Feng，S.，Fu，Q.，2013.在气候变暖的情况下扩大全球旱地。大气化学和物理学，13（6），14637至14665.

Feng，S.，Nadarajah，S.，Hu，Q.，2007.使用广义极值分布模拟中国年极端降水.日本气象学会会刊， 85（5），599至 613.

哥斯瓦米，B.N.，Venugopal，V.，Sengupta，D等，2006.在变暖的环境中越来越多的印度极端降雨事件的趋势。科学，314（5804），1442至 1445.

Huang，W.，Chen，F.-H.，Feng，S.等，2013.亚洲中纬度年际降水变化及其与大尺度大气环流的关系.中国科学通报，47（32），3962至3968.

Huang，W.，Feng，S.，Chen，J.-H.等，2015.中国西北地区塔里木盆地夏季降水变化的物理机制.气候杂志，28（9），3579至3591.

Jiang，F.-Q.，Zhu，C.，Mu，G.-J等，2005年以来中国西北新疆洪水灾害放大及其与

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21678]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word