夏季東亞季風區(qū)云和降水及氣溶膠的年際變化特征研究.pdf

1、東亞夏季風的時空分布變化直接關(guān)系到整個東亞及其周邊地區(qū)的人們生存與發(fā)展問題，因此東亞夏季風變率一直受到氣象學家的重點關(guān)注。特別是東亞夏季風的年際變化會引起該地區(qū)的氣溫和降水發(fā)生顯著的年際變化，繼而造成東亞地區(qū)的高溫酷暑、洪澇、干旱等極端氣象災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律和頻次的不確定性。因此，研究東亞季風區(qū)云、降水的年際變化等自然變率特征及其影響因子（如人類活動排放的氣溶膠等）對理解東亞夏季風的變率特征具有十分重要的科學意義，同時對人們防災(zāi)減災(zāi)具有十分

2、重要的社會和經(jīng)濟意義。
　　本論文以東亞夏季風區(qū)(18°-45°N，100°-135°E)研究區(qū)域，并根據(jù)季風影響顯著程度、地理位置和海拔等因素對東亞夏季風區(qū)進行了分區(qū)(1.中國東部地區(qū)(EC)2.華南地區(qū)(SC)3.東海及臨近海域(ECS)4.四川盆地(SPD)5.華北地區(qū)(NC)6.釣魚島及西太海域(DYD)7.黃海及臨近海域(YS))，利用1998-2013年的TRMM衛(wèi)星資料以及2000-2013年的MODIS氣溶膠光學厚

3、度(AOD)、云產(chǎn)品資料，結(jié)合GPCP降水量資料、再分析資料和探空資料等全面深入地診斷分析和研究了氣溶膠-云-降水相互作用關(guān)系以及云、降水及氣溶膠年際變化特征及其成因。主要成果如下:
　　(1)揭示了1998-2013的東亞夏季風環(huán)流和降水年際變化及強弱年的差異特征季風環(huán)流方面，最近60多年來東亞夏季風呈明顯的年代際減弱趨勢，特別是20世紀70年代末開始顯著減弱，其中6月份的年代際減弱最為明顯。在年代際減弱的背景下，最近16年（1

4、998-2013年）東亞夏季風仍然呈減弱趨勢，但其年際波動仍然較大，準2年和4-7年的振蕩周期仍然存在。東亞夏季風的強弱年差異仍然表現(xiàn)在經(jīng)向輸送的強弱。降水方面，東亞夏季風降水主要發(fā)生在850hPa夏季風中，其在500hPa位勢高度場中表現(xiàn)為中國東部大陸及其洋面降水主要受到西太平洋的副熱帶高壓脊控制。綜合來看，季風弱年，副高西伸到達中國大陸東南部，季風以西南風為主，經(jīng)向輸送弱，季風雨帶位于長江中下游地區(qū)，降水偏多，降水強度偏強;而華南地

5、區(qū)由于處在副高控制，降水偏少，降水強度偏弱?？偟膩砜?，降水量和降水強度的變化均與季風的年際變化呈現(xiàn)出較好的一致性，只不過降水強度與季風指數(shù)的相關(guān)性表現(xiàn)出區(qū)域的不連續(xù)性。對于中國40°N以南的東亞季風區(qū)來說，季風弱年為“南旱北澇”，季風強年則“南澇北旱”。
　　(2)揭示了2000-2013的東亞夏季風區(qū)云參數(shù)的年際變化及強弱年的差異特征云宏觀參數(shù)方面，整個夏季平均來看，云頂高度（云頂氣壓，CTP和云頂溫度，CTT）由南向北梯度遞減

6、，而云量(CF)由南向北梯度減少。云的宏觀參數(shù)對東亞夏季風及其雨帶的推進、副高的移動有很好的指示作用。最近14年（2000-2013年）的夏季云頂高度均在減小，而云量均在增加。云頂高度和云量的與季風指數(shù)年際變化在區(qū)域上有較大差異。東亞季風區(qū)的云頂高度和云量總體受季風的年際變化調(diào)控，但和季風的相關(guān)性沒有降水和季風的相關(guān)性好，且年際變化同樣具有明顯的區(qū)域差異性。
　　云微觀參數(shù)方面，整個東亞季風區(qū)的夏季云滴有效半徑(CER)均呈從西到

7、東逐漸增大的梯度分布，陸地的CER明顯小于海洋。夏季云光學厚度(COD)/云水含量(CWP)均呈由西到東逐漸減小的梯度分布，陸地的COD/CWP明顯大于海洋的。云微觀參數(shù)也能較清晰看出隨著季風及其雨帶的推進而變化。最近14年(2000-2013)的東亞季風區(qū)夏季的云滴粒子、云光學厚度以及云水含量大小均在減小。夏季東亞季風區(qū)云滴有效半徑、光學厚度以及云水含量的變化與季風指數(shù)的變化在相態(tài)之間以及區(qū)域之間均表現(xiàn)明顯的差異性。相比季風強年，季風

8、弱年從四川盆地到長江中下游地區(qū)的CER偏小，COD和CWP偏大;而其以南和以北地區(qū)的CER偏大，COD和CWP偏小。
　　降水云參數(shù)方面，整個東亞季風區(qū)的夏季降水云、對流降水云以及層云降水云CER均呈現(xiàn)由西到東逐漸增大的梯度分布，陸地的CER明顯小于海洋的。而東亞季風區(qū)的夏季降水云COD和CWP呈從南到北逐漸增大的梯度分布。此外，7個子區(qū)域降水云CER的隨著MODIS的CER的變化均呈較好的線性增加趨勢。但大小方面存在一定的區(qū)域差

9、異性，EC、SPD以及NC的大小相當;而對于其他區(qū)域而言，MODIS的CER呈現(xiàn)不同程度地大于VISR的降水云CER。類似地，7個子區(qū)域的降水云COD和CWP分別隨著MODIS的COD和CWP的變化也呈不同程度的線性增加趨勢，不同的是所有區(qū)域降水云的COD和CWP均明顯大于MODIS的COD和CWP，即降水云的云層更加厚實，含水量更多。
　　(3)揭示了1998-2013的東亞夏季風區(qū)對流和層云降水的年際變化及強弱年的差異特征水平

10、分布方面，對流降水和層云降水分布及其強度和季風推進密切相關(guān)。夏季對流和層云降水強度變化與季風變化關(guān)系表現(xiàn)為較好的一致性，但存在顯著的區(qū)域性差異:EC、SPD和YS均表現(xiàn)為較為顯著的負相關(guān)，而SC、ECS和DYD均表現(xiàn)為較為顯著的正相關(guān)。夏季東亞季風區(qū)對流降水的面積比例及貢獻呈現(xiàn)由南向北梯度遞減分布;相反地，層云降水的面積比例及其貢獻呈現(xiàn)由南向北梯度遞增分布。夏季層云降水是東亞季風區(qū)的主要降水形式，但是層云對總降水的貢獻卻有顯著的區(qū)域性差

11、異。隨著夏季風由南向北推進，主要表現(xiàn)為季風所到區(qū)域的層云降水比例面積和總降水的貢獻在增加。這表明夏季東亞季風的層云降水受到大尺度的夏季風環(huán)流控制。對流降水方面，EC、SC、ECS和DYD的降水比例、降水貢獻的變化和季風變化表現(xiàn)為較為顯著的負相關(guān)，而SPD和YS表現(xiàn)為較為弱的正相關(guān)，上述區(qū)域的層云降水與季風變化關(guān)系則反之。
　　垂直結(jié)構(gòu)方面，對流降水和層云降水的平均降水廓線和雨頂高度存在明顯的年際變化。降水廓線的年際變化上主要表現(xiàn)在

12、近地面降水強度的年際波動，且存在顯著的區(qū)域性差異，且洋面的對流和層云降水廓線的年際變率均大于陸面的。而對于對流降水和層云降水的垂直分層結(jié)構(gòu)均沒有年際變化差異，其對應(yīng)高度均沒有明顯的年際變化或者年際間的差異較小。對流降水而言，EC、SCS、SPD和YS的雨頂高度變化和季風變化表現(xiàn)為較為顯著的負相關(guān)，而SC和DYD表現(xiàn)為正相關(guān)，ECS幾乎不相關(guān)。層云降水而言，EC和SPD表現(xiàn)為負相關(guān)，而DYD表現(xiàn)為較為顯著的正相關(guān)，其它區(qū)域相關(guān)不明顯。

13、r>　　季風強年和弱年的差異方面，對于中國40°N以南的東亞季風區(qū)而言，夏季偏弱年時，以長江為界，其以北地區(qū)的夏季對流和層云降水強度偏強，雨頂高度偏高，對流降水比例及其貢獻減少，層云降水比例及貢獻增多;其以南地區(qū)的夏季對流和層云降水強度偏弱，雨頂高度偏低，對流降水比例及其貢獻增多，層云降水比例及貢獻減少。季風偏強年時，則反之。進一步說明了層云降水是東亞季風區(qū)的主要降水形式，其降水強度表現(xiàn)為:弱年為“南弱北強”，季風強年則“南強北弱”。<

14、br>　　(4)給出了東亞季風區(qū)氣溶膠-云參數(shù)-降水強度相互關(guān)系氣溶膠與云微觀參數(shù)的關(guān)系方面，二者的相關(guān)關(guān)系在不同相態(tài)以及不同區(qū)域均有較大差異。(1) CER方面:隨著AOD的增加，EC的水云CER減小，而其混合云CER增加，冰云CER則無明顯變化;SC的冰云、水云和混合云CER均減小;SPD的水云和混合云CER增大，而其冰云的CER先增加后減小;NC的水云CER增加，而冰云和混合云無明顯變化;ECS、DYD、YS的冰云、水云以及混合云

15、的CER較為顯著的減小。(2) COD/CWP與AOD關(guān)系:隨著AOD的增加，EC的冰云、水云以及混合云的COD/CWP均增大;SC的冰云、水云和混合云COD/CWP先增大后減小;SPD的冰云COD/CWP增加，而其水云的減小，混合云的變化趨勢不明顯;NC的冰云、水云和混合云COD/CWP均顯著減小;ECS和DYD的冰云、水云以及混合云的COD/CWP均增大;而YS的冰云COD/CWP減小，水云的增加，混和云的減小。(3)在沒有分相態(tài)條

16、件下，AOD和降水云參數(shù)變化關(guān)系與其和MODIS混合云參數(shù)的總體關(guān)系較為一致。
　　降水云參數(shù)與地表降水強度(RR)的關(guān)系方面，不同相態(tài)的的降水云綜合平均態(tài)來看，隨著CER增加，陸地降水強度增加，而海洋降水強度有減小趨勢，這可能與海洋的云凝結(jié)核少有關(guān);隨著COD和CWP的增強，無論陸地還是海洋區(qū)域的不同相態(tài)下的降水強度均增大;對流和層云降水云的CER、COD以及CWP與地表降水強度的變化關(guān)系類似。
　　氣溶膠與地表降水強度的

17、關(guān)系方面，AOD-CER-RR作用過程的間接推理得到的AOD和降水強度的關(guān)系和直接統(tǒng)計AOD和RR的結(jié)果一致:隨著AOD的增加，EC、SPD以及DYD的降水強度變大趨勢，ECS的降水強度也有相對較弱的增加趨勢，而SC和YS的降水強度減小趨勢?？梢?，氣溶膠對降水強度的影響具有很強的區(qū)域選擇性。
　　(5)闡明了東亞季風區(qū)夏季降水的年際變化趨勢成因東亞夏季降水的年際變化趨勢成因主要表現(xiàn)為，(1)大尺度的夏季風環(huán)流調(diào)控著東亞季風區(qū)夏季降

18、水的大氣層結(jié)穩(wěn)定條件和水汽輸送條件等。(2)在2000-2013年季風減弱的大趨勢下，夏季降水的變化趨勢成因具有明顯的區(qū)域差異性，具體表現(xiàn)為:①長江中下游的東部地區(qū)的夏季總降水量（層云降水比例和貢獻為主）的變化受夏季風調(diào)制為主，而其降水強度受到氣溶膠的調(diào)控作用;②華南地區(qū)的夏季總降水量和降水強度均以夏季風調(diào)制為主，而氣溶膠對降水的影響則不明顯;③我國東海海域的降水量和降水強度是由受到夏季風變化和氣溶膠變化的共同作用;④四川盆地的夏季總降

19、水量和降水強度均以夏季風調(diào)制為主，氣溶膠對降水強度的調(diào)控作用沒有凸顯;⑤釣魚島以及周邊海域的降水量和降水強度受到夏季風變化和氣溶膠變化的共同作用;⑥黃海海域的層云降水受到夏季風變化的控制，而對流降水則受到氣溶膠變化的影響作用。
　　總的來看，東亞夏季風調(diào)控著季風區(qū)的大氣穩(wěn)定度和水汽輸送，繼而影響降水強度、層云和對流的降水比例和貢獻繼而影響總降水量的變化;同時，AOD的變化趨勢以及AOD對降水強度影響途徑的區(qū)域性差異，致使一些區(qū)域的