基于2017-2021年雷达观测的中国降水类型和对流触发的时空分布特征

作     者：唐菁 

作者单位：南宁师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈生;李峙

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：雷达拼图 对流降水 层云降水 降雪 对流触发 时空分布 

摘      要：降水信息是地理信息的重要组成部分。研究降水类型划分和对流触发(Convection Initiation,CI)的时空特征,有助于提高人们对地球表层大气运动规律的理解。本文基于中国雷达拼图和ERA5-Land再分析数据,把中国的降水分成三类(即对流降水、层云降水和降雪),并统计这些降水类型在2017年9月至2021年8月期间不同时间尺度下的时空分布特征,进一步识别出在研究期间内出现的对流触发,揭示我国对流触发的时空特征。本文从雷达观测的角度展示了中国上空不同降水的特征,可作为中国降水特征研究的参考,也为中国气象和水文预测应用提供了潜在有用的数据库,成为我国气象地理信息系统的本底数据库的主要内容。论文的主要结论如下:(1)本文通过对中国雷达反射率二维拼图进行目视检查,在去除损坏的雷达拼图后,数据完整率为98.35%。随后,基于背景处理后的雷达拼图数据来构建2017年9月至2021年8月的中国雷达拼图数据集。在此基础上,本文以ERA5-Land数据为辅助数据,并参考以阈值区分降水的方法和美国国家强风暴实验室的基于雷达的降水定量估算系统中对降水的分类方法,将降水划分为:对流降水、层云降水和降雪,并探讨中国不同降水的时空分布变化特征。此外,为了更好地了解对流降水在我国的发展变化特征,本文首先对比了对流触发识别算法在改进前后识别结果,从空间分布和案例对比上来看,改进后的对流触发识别算法能更好地识别出对流触发的位置和发生时间,可以运用于识别2017年9月至2021年8月期间中国对流触发的时空变化特征。(2)三种降水在不同时间的时空分布都有所不同,表现出明显的季节变化和区域特征。对流降水和层云降水在空间分布上的变化,都与东亚夏季风的发展以及地形有着密切的联系。80%以上的对流降水和层云降水在4-9月出现,这与华南汛期和江淮梅雨期的发生时间相对应。对流降水主要分布在我国南方地区,其最大降水中心位于珠三角洲和长三角洲。层云降水占全年总降水发生率的主导地位,其发生率远高于对流降水和降雪。东亚夏季风在5月爆发后,对流降水和层云降水明显增加,并向北扩展。此外,对流降水还沿着我国海岸线向北和内陆扩展。因此,珠三角洲早于长三角洲成为对流降水的最大降水中心。由于对流降水的不断增加,其比例也不断增加,并在7月达到高峰。导致层云降水在5月达到高峰后出现减少趋势,但在7月开始逐渐增加,到8月再次达到峰值。降雪主要分布在西北地区的高海拔地区,集中在11月至次年3月出现,以“横断山脉-秦岭-太行山-辽东半岛为界呈现自西北向东南逐渐减少的空间分布特征。(3)对流降水在11月至次年3月集中在夜间至清晨出现,在4-10月期间集中在日间出现,并在午后晚些时候的本地太阳时(Local Solar Time,LST)15-17 LST达到最大峰值。珠三角洲的强对流降水常出现在午后,而长三角洲的强对流降水常出现在午夜至清晨。同时,对流降水中心在汛期最初出现在沿海地区,由于海陆热力差异和海风活动的影响,逐渐向内陆扩展,并在午后(12-19 LST)达到峰值。层云降水在4-11月具有强烈的日变化特征,常出现在午后至夜间(15-06 LST)。在汛期,沿海地区的层云降水在夜间至上午(21-11 LST)的发生率高于午后(12-20 LST)。而降雪常在夜间至上午(20-10 LST)出现,且在凌晨至早上之间达到峰值(02-08 LST)。(4)对流触发的时空分布特征表明,东亚夏季风的发展和地形对对流触发有明显的影响。对流触发事件主要分布在南方沿海地区,同时,对流触发在近海地区的发生率远低于沿海陆地。对流触发在近海地区多在夜间至清晨(00-06 LST)出现,而陆地上的对流触发基本出现在日间(09-18 LST)。对流触发在8月的月均次数(1731次)最高,出现在4-9月的对流触发事件占全年总数的90%以上。从月变化的时空分布上看,对流触发日频率最高的地区最初位于海南。在4月后,随着夏季风不断向北扩展,对流触发高值区也向北方的陆地以及东北方向的海岸线扩展,并在我国东南沿海形成一条对流触发雨带。同时,对流触发在台湾和天山山脉的差异性分布,表现了夏季风和地形对对流触发有着显著的影响。在夏季风消退后,对流触发明显减少。3月至9月,大部分的对流触发在陆地上的出现时间从夜间-早上(21-08 LST)逐渐提前下午(12-15 LST)。其中,在6-9月,一条在午夜至清晨(00-06 LST)的对流触发雨带从“四川盆地-山东半岛-东北地区逐渐移动到“广西中北-长三角洲。(5)对流触发在4-9月的日变化较为相似,自09-10 LST开始越来越活跃,在12-13 LST达到峰值。而在10月至次年3月,对流触发的日变化较为平稳。此外,与对流降水高峰时间常出现在午后晚些时候(15-17 LST)相比,