西北地区东部低层风与水汽协同变化特征及其异常机理

Low-level wind is the most direct power factor of moisture transportation and distribution. Wind speed and wind's convergence and divergence role is not only the key elements of the change of the regional moisture content, as well as one of the important conditions of rainfall and other weather phenomenon form. The east of northwest China is lacated in the sensitive zone of climate, fluctuation of precipitation is large and maldistribution, which is one of the fragile ecological environment area. For some reasons,there is limited domestic work on synergy change between wind and moisture distribution. Lack of the objective and quantitative knowledge of moisure transport characters and the mechanism of its abnormality, the problems of climate projection foundation and the cost and risk of water resource sustainable developing can not be well solved. Based on the previous research, using NCEP/CFSR reanalyzed data and circulation elements, with a variable analysis method,the project attempts to :⑴ analysis the basic features of synergy change between wind and moisture distribution, reveal the main reason of building movement and propagation of maximum abnormality center;⑵ obtain the influence and control function of low-lever wind acted on moisture distribution under the different backgrounds;⑶ explore the most possibility cause of precipitation change in different regions and different seasons;⑷ improve the quantitative understanding of synergy change betwween low-level wind and moisture transport or the main driving force of transformation. These expected results will be helpful to reduce the uncertainty caused by the insufficient understanding of the key force of climate variability in forecasting.

低层风是水汽输送与分布的最直接动力因子，风变率及风场的辐合辐散作用既是引起区域水汽含量与分布变化的关键性要素，同时也是降水等天气现象形成的重要条件之一。西北地区东部地处气候敏感区，降水波动大，是我国生态环境脆弱区之一。由于诸多原因，国内外对低层风与水汽协同变化研究甚少，缺乏对水汽分布异常机理的客观定量化认识，还不能较好地解决气候变率预测基础及可持续利用水资源的成本与风险问题。本项目在前期研究的基础上，拟利用NCEP/CFSR再分析等资料，重点分析低层风与水汽协同变化的基本特征及气候型态差异，揭示其极大变异中心生成、移动、传播的主要原因，分离出低层风对水汽分布在不同背景下的影响与控制作用，进而为深入探索我国不同区域与时期系统性降水变化的可能原因，提高对低层风与水汽协同变化或转型时代主要驱动力的定量化认识，减少因对气候变率的关键强迫因子认识不足而在预报预测领域所带来的不确定性提供重要依据。

依照研究内容，利用cressman插值法，对再分析风场资料在中国区域内的可信度进行了检验，发现风速资料可信度比风向要高，且地形对可信度的影响较大。为探索风变率对水汽分布的影响与控制作用，通过对风场辨识与趋势分析，首先给出了西北地区东部低层风与水汽协同演变的关键事实：西北地区东部低层700hPa水汽与辐合性风场频数在月际变化呈一致的单峰型，变化趋势较为相似。其中，5月中旬至9月上旬主要降水时段内，辐合性风场与水汽变率同为正距平，到9月初同时达到最大值；而辐散性风场与水汽出现的峰值在时间上存在滞后性，由于风场辐合减弱，使得西北地区东部低层水汽含量减少。在SVD分解中，当时间系数为正值时，西北地区东部低层辐合性风场频数几乎全为正距平，即700hPa风场辐合性较强时，西北东部整个区域700hPa水汽除青海高原东部之外，其它地区均为正距平。采用箱法分析水汽收支，西北地区东部东边界呈水汽净输出，主要通道在700hPa-400hPa；西边界为水汽净输入，水汽通道在500hPa -300hPa；南、北边界的水汽收支量较小，主要集中在对流层下层。为摸清处于风或水汽变率异常期的基本型态差异，筛选出了探讨不同要素场之间关联性的相似离度、信息流等多种检验与分析方法，通过长序列资料分析得出风变率及低层风场的辐合辐散作用对水汽分布在不同区域与时间尺度上的影响与控制结果：西北地区东部及各个分区700hPa水汽与风场存在互为因果的协同变化关系，但这种关系在不同区域并不对称、且随时间尺度的改变存在较大的互馈性差异。其中，在青海高原区，风场对水汽的信息流Tdiv→q值大于Tq→div，风变率可引起水汽迅速发生变化，并存在一定的正负反馈机制；季风边缘区，Tdiv→q=0.008与Tq→div=0.023（nats/month），均为正值，且水汽对风场的信息流值更大，表明此区域水汽变化或水汽凝结蒸发潜热收放等过程更易对区域环流产生影响，并使得水汽对风场的反馈效果比其它两个地区更加显著；西风区，Tdiv→q=0.026，Tq→div=-0.011，说明该区700hPa水汽与风场虽存在互为因果关系，但风场对水汽的影响作用相对更显著。