青藏高原出射長波輻射特征分析

1、青藏高原出射長波輻射特征分析蘇文穎 毛節(jié)泰 紀飛（北京大學(xué)地球物理系暴雨監(jiān)測與預(yù)報國家重點實驗室，北京100871）摘 要 對青藏高原地區(qū)1月、4月、7月和10月高時空分辨率的出射長波輻射（olr）時間序列 進行了譜分析。將各點的功率譜分為三類：第一類代表日變化（周期s d），另外兩類分別為天氣過 程（2 d裁期wo d）和低頻（周期 10 d）變化;將高原分為6個區(qū)域，對區(qū)域平均的各季節(jié)ol r時 間序列進行功率譜分析和顯著性檢驗，結(jié)果表明：1、4、10月份高原上以日變化為主；而7月份日變 化、天氣尺度變化和低頻變化的貢獻相當(dāng)。顯著性分析表明高原上最為顯著的周期為1 d周期,24 d的天氣尺

2、度振蕩也較明顯。68 d和1013 d處雖冇明顯的譜峰，但只冇少數(shù)地區(qū)和個別季節(jié)矢鍵詞：出射長波輻射;譜分析;青藏高原;顯著性檢驗1引言牛球大氣對熱帶熱源的響應(yīng)果大氣環(huán)濟中晶重要的間題。對濟活動果汶種響應(yīng)的 主要機制，對流不僅伴有大量的凝結(jié)潛熱釋放,并且是將熱量、動量和水汽由行星邊界層 傳入自由大氣最有效的途徑。研究對流活動所用的資料有兩種:一種是利用降水資料作 為深對流的代用參數(shù)】，另一種是用出射長波輻射（olr）數(shù)據(jù)集研究對流的變化2§。 olr是從宇宙空間觀測到的地氣系統(tǒng)的射出長波輻射，主要決定于云頂和下墊面的溫 度。由于olr取決于云頂溫度，而云頂溫度又取決于對流強度,深對流

3、的云頂溫度低， olr值小，淺對流則反之。所以olr在一定程度上可以揭示對流活動的強度“。青藏高原（以下簡稱高原）'是一個聳立在對流層中空的大陸塊,它猶如t人氣海洋" 中的一個巨大島嶼，對四周大氣起著明顯的熱源作用。這種作用強烈影響高原及其鄰近 地區(qū)的大氣環(huán)流，也決定了高原及其鄰近地區(qū)的天氣氣候待征。青藏高原上全年約有 70 %以上的日子有對流云出現(xiàn)，對流云主要出現(xiàn)在高原屮、東部地區(qū)，其屮高原屮部32 附近為高原上全年對流云出現(xiàn)頻率最高的地區(qū)；其次是藏東南地區(qū)和位于印度東北部菸 迪布魯加爾、高哈蒂一帶；高原西部獅泉河一帶，對流活動較弱。青藏高原對流云的季節(jié) 變化表現(xiàn)為：7月最

4、多,1月最少，4月增加最快，10月明顯減少。但這種季節(jié)變化特點 存在地區(qū)差異*。錢正安等°利用1979年58月逐日1317時的泰羅斯n氣象衛(wèi) 星可見光云圖，分別統(tǒng)計雨季前（5月1日6月17日）和雨季中（6月18日8月31 口: 青藏高原上對流云岀現(xiàn)的相對頻數(shù)分布。發(fā)現(xiàn)雨季前對流云主要集中在高原東南部、昆1999 - 04 - 01收到,1999 -11-16收到再改稿3國家礬登b項冃肯藏高原地氣系統(tǒng)物理過程及對全球氣候和中國災(zāi)害性天氣影響的觀測和理論研究貿(mào)助達木盆地對流云較少出現(xiàn)。進入雨季后，除昆侖山區(qū)外，對流云的頻數(shù)都有不同程度的 增加，喜馬拉雅山中段、雅魯藏布江流域及帕米爾高原一

5、帶尤為明顯。雨季中，高原35 以北及羌塘高原地區(qū)仍比較干燥，各代表站對流云日變化明顯，午后対流云（特別是秩 云）明顯發(fā)展，而夜間及清晨對流云則較少出現(xiàn)，其中積云和積雨云的最高頻數(shù)分別出現(xiàn) 在14時和20時；而在較潮濕的高原東部及雅魯藏布江流域，各代表站對流云頻數(shù)的fi 變化則不太明顯,在夜間及清晨仍有對流云強烈發(fā)展。rh于資料所限，以往對高原地區(qū)的對流研究只限于個別月份和區(qū)域，無法給出高原 全局各個月份完整的對流圖像。謝安等"利用2.592.5的olrh平均資料分析了青藏 高原及其附近地區(qū)的周期振蕩特征。但由于資料的時間分辨率較低，無法給出日變化 特征。我們利用高吋空分辨率的gms5

6、衛(wèi)星資料（分別為1 h和12 km）反演所得高原 ± 1996年8月至1997年12月的olr資料"，分析了高原地區(qū)各個季節(jié)的對流特2青藏高原對流特征分析2.1方法簡述利用gms5衛(wèi)星高時空分辨率的資料，反演得到時間分辨率為1 h的olr資料。對 于缺測的時次，利用前后兩天同一時刻的olr資料，平均后給出該時次的olr。利用 1996年8月至1997年12月的olr時間序列仃olrj j = 1 , 2 ,，總天數(shù)24），計算 各月的功率譜。首先計算不同波數(shù)斤的傅里葉系數(shù)：bk golr， u ,tk = k/ n.&的取值為1,2，/2,表示取整。然后計算不同波數(shù)

7、&的功率譜值:波數(shù)斤與周期有如下對應(yīng)關(guān)系:將各點所得的功率譜值按周期分為三類:第一類代表周期小于等于1 d的口變化，第 二類代表周期介于210 d之間的天氣尺度變化，第三類代表周期大于1（） d的低頻變 化。計算這三類變化的功率譜占總功率譜的百分比，了解百分比分布有助于研究各種變 化的相對貢獻，特別是周期s d的口變化貢獻，揭示對流發(fā)展的強度。以下分析了 1997 年1月、4月、7月和10月的日變化、天氣尺度變化和低頻變化的功率譜及百分比分布。 2.2日變化1月份整個高原地區(qū)的功率譜值不到300 （wm-2）2,高原北邊塔克拉瑪干沙漠和高 原中東部地區(qū)的功率譜值較大，而高原南邊恒河布拉

8、馬普特拉河和三江流域的功率譜 (圖l)o 4月份高原上日變化功率譜較大的區(qū)域集中在高原西南部，三江流域和恒河流 域的值仍較小。4月份日變化在總功率譜屮所占比重較大，大部分地區(qū)的比例在50 %以 上，高原西南部、恒河流域、雅布河谷和三江流域的比值超過60 %,只有黃河潼水流域、巴 顏喀拉山與阿尼瑪卿山地區(qū)的比值較低，在50 %以下(圖略)。7月份高原上的功率譜有 所增加，特別是恒河流域、布拉馬普特拉河流域、柴達木盆地和高原西部的增加較多。從 百分比圖來看，此時比值最高的區(qū)域為可可西里山西北部地區(qū)，在50%以上。比值在 40 %以上的區(qū)域集屮在恒河流域、布拉馬普特拉河流域和35n線附近。其他地區(qū)的

9、比 值均在40 %以下(圖2) o 10 m份高原主體上的功率譜值大部分在300 (w m2)2以下 只有雅魯藏布江流域的功率譜值較高。高原北邊塔克拉瑪干沙漠和柴達木盆地的功率 譜最大，在600 (wnv2)2以上，另外恒河流域的功率譜也較大。百分比圖的分布與功率 譜圖的分布很相似，塔克拉瑪干沙漠和柴達木盆地的比值在70 %以上，雅魯藏布江流城 的比值在60 %以上,恒河流域的比值較低，小于40 %(圖略)。2.3天氣尺度變化1月份高原上天氣尺度功率譜最大區(qū)域集中在北邊塔克拉瑪干沙漠，譜值在300(w圖11月份高原上日變化功率譜(a)單位：(w xt和其占總功率譜的訂分比(b)圖2 7月份高原

10、上日變化功率譜(a)單位:(wm*2)2和其占總功率譜的百分比(b)南部邊界附近和雅布河谷地區(qū)的百分比較高，在5() %以上(圖3)。4月份高原上天氣尺 度功率譜較大的區(qū)域集中在高原中部、塔克拉瑪干沙漠、黃河湼水流域和高原南部邊界 處,譜值在20() (w m'2)2以上。恒河上游和三江流域的值較小，在1()0 (w m-2)2以下。 從百分比圖上可見,高原東部的比值較高，在30 %以上，其屮黃河湼水流域、念青唐古拉 山兩側(cè)及不丹以南地區(qū)的比值在40 %以上。高原西邊的比值較低，一般不超過30 %(圖 略)。7月份天氣尺度功率譜較人的區(qū)域包括塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地、高原西部和 恒河

11、上游,譜值在600 (wm-2)2以上。高原南部邊界附近、三江流域和高原東部地區(qū)的 譜值較低，在400 (w m-2)2下，這些地區(qū)天氣尺度功率譜值占總譜的比值也較低，在 30 %以下，而其他地區(qū)的比值在30 %以上(圖4)。10月份高原上天氣尺度譜值較大的區(qū) 域集屮在恒河流域，高原主體地區(qū)的譜值一般不超過200 (w nv 2嚴。黃河源頭、唐古拉 山地區(qū)和高原南部地區(qū)的比值較大，超過40 %，柴達木盆地、雅魯藏布江流域的比值較小 (圖略)。2.4低頻變化1月份高原上的低頻譜值較小，一般不超過40 (w bi"2)2，所占比例也較小,30n以v8530 n8o°eioo&q

12、uot;e圖31刀份高原上天氣尺度功率譜(a)單位:(wm-2)2和其占總功率譜的百分比(b)4月份低頻譜值較大的區(qū)域出現(xiàn)在高原北部邊界和可可西里山以北地區(qū)，最大值超過 100 (w m-2)2 但其占總功率譜的比值并不大l般在20 %以下其他大部分地區(qū)的比 值在10 %以下(圖略)。7月份低頻譜值較大的區(qū)域集中在雅魯藏布江流域、三江流域、 雅布河谷和恒河中游，譜值在500 (w m*2)2以上，這些地區(qū)低頻譜對總譜的貢獻超過 30 %，雅布河谷和三江流域甚至有小塊地區(qū)的比值在40 %以上?？煽晌骼锷侥媳眱蓚?cè)恵 恒河上游的比值較低，在20 %以下，如圖6所示。10月份低頻譜值較大的區(qū)域為塔克拉

13、 瑪干沙漠和恒河上游地區(qū)，高原主體大片地區(qū)的譜值較低。低頻變化對總譜的貢獻一般 不超過20 %,比值在10 %以上的地區(qū)集中在高原南部和高原最西邊(圖略)。由以上分析可見,1月份高原主體以日變化為主，其對總譜的貢獻超過50 %,而天氣 尺度的貢獻一般在40 %以下，但高原北部塔克拉瑪干沙漠、高原最西端和高原西南邊界 至雅魯藏布江一帶則以天氣尺度變化為主。低頻變化在整個高原上都比較小，其對總譜 的貢獻表現(xiàn)為南部大、北部小。4月份高原主體仍以日變化為主，特別是高原西部和南部 地區(qū)，其對總譜的貢獻超過50 %，有些地區(qū)甚至在60 %以上。而天氣尺度變化的貢獻較 小 高庾東湘齊氣尺唐對總譜的舌獻大干面

14、酈的奇獻.任頰莎化對總it的舌獻不招討30“ n圖4 7刀份高原上天氣尺度功率譜(a)單位:(w m')2和其占總功率譜的百分比(b)少，只有可可西里山附近和恒河上游有小塊區(qū)域的比值在50 %以上，其他地區(qū)的比值垓 不超過50%。天氣尺度變化對總譜的貢獻顯著增加，30n以北地區(qū)的比值基本都在30 %以上。7月份的低頻變化明顯加強，特別是在雅魯藏布江流域、雅布河谷和三江流域 處的貢獻較大，在30 %以上。10月份高原上以口變化為主，高原主體大部分地區(qū)日變化 對總譜的貢獻超過50 % ,北部地區(qū)和雅魯藏布江流域的比值更大。恒河流域、雅布河谷 和三江流域的比值較小，但天氣尺度變化對這些地區(qū)的

15、貢獻相對較大，在40 %以上。另 外念青唐古拉山北部地區(qū)天氣尺度的貢獻也在40 %以上。低頻變化的貢獻不超過 20 %,高原南部和西部的比值相對較高。7月份高原上日變化、天氣尺度變化及低頻變化 對總譜的貢獻相當(dāng)，這主要是由于7月份高原進入雨季，受西南季風(fēng)影響較大，高原以南 為印度季風(fēng)槽和季風(fēng)低壓，人量水汽由孟加拉灣向高原輸送，使得高原上特別是南部地 fz砧斗呂冃曲亦r 圧繇亦”此帝衣尖4茁hn xr壬由昌g諭一古瑋“屮甸i n日必 伯2記曲右亦3顯著性檢驗為講一步研究高原卜各個至節(jié)和區(qū)域的再期特征.將高原分成6個部分緯向以ro丿so°e90ne30°n35°n30

16、°n100«(>6()4020ic0403020100圖51刀份高原上低頻變化功率譜（a）單位:（wm 2）2j和其占總功率譜的白分比（b）32.5n為界分為上下兩部分，經(jīng)向以85e、95e為界分為西沖、東部，將這6個部分從西 到東、從北到南分別記為1、2、3、4、5、6區(qū)。對高原各個季節(jié)每個區(qū)域的olr資料進行 區(qū)域平均后，給出這6個區(qū)域各個季節(jié)（12、1、2月，djf）、（3、4、5月，mam）、（6、7、e 月jja）、（9、10、11月，son）的olr時間序列，序列長度n為各季節(jié)的天數(shù)乘24。計算 olr時間序列的落后自相關(guān)系數(shù)"仃=0, 1 ,2

17、,m） 為最大后延長度，此處 取= ,i/2 o所得olr時間序列落后一個時刻的自相關(guān)系數(shù)有較大的正值，適合用紅 噪聲過稈進行顯著性檢驗。有了不同季節(jié)各區(qū)域olr時間序列的落后自相關(guān)系數(shù)后 利用梯形公式求粗譜估計,然后對粗譜加以平滑給出功率譜密度值。同時計算了信度為 95 %的紅噪聲譜。圖7和圖8給出了 djf季節(jié)和jj a季節(jié)的計算結(jié)果。根據(jù)不同季節(jié) 各個區(qū)域的功率譜密度及相應(yīng)的紅噪聲譜，歸納總結(jié)出了每個區(qū)域各個季節(jié)的主要周期 和次要周期，結(jié)果列于表1。所謂主要周期是指該周期越過95 %的信度檢驗，而次要周 期是指雖然該周期并未越過信度檢驗，但在該周期處有明顯的譜峰，且與紅噪聲譜的差 異不大

18、。30°nko°e8”e95ueloo'e403()20100圖6 7月份高原上低頻變化功率譜(a)單位:(wm2)2和其占總功率譜的百分比(b)表1高原上各個季節(jié)各個區(qū)域的主、次周期d區(qū)城djfmamjjason1 kt主周期l 24 51、24h 10-13l 2&次周期7& 11-126, 102467、13主周期l 25h 6. 341、24l 342 k.次周期& 1】11-1211 13、575、6主周期l 3丁4、5k 5. 23l 24、6h 3-4j li次周期2610116、10主周期10-12. 34h 231、23、5

19、736 1次周期1 5、7857、10-1211-122主周期1. 4l 23145、k 3i i25l次周期5、& 11 126, 1067. 137> 13主周期l 4、5、856、k 23h 23457& 4、10 ks次周期11-121356、785. 13中、東部主周期仍以日變化周期和天氣尺度周期為主，次周期為8 d和1112 do mam 季節(jié)高原上各個區(qū)域的主周期為日變化周期和天氣尺度周期，次周期以6 d和1013 d 為主。jja季節(jié)32. 5n以北主周期除日變化周期外，西部1013 d周期和東部6 d周期 也很顯著,次周期西部為24 d沖部為57 d、l

20、l13 d ,東部為1011 d;32.5n以南圖7高原上djf季廿區(qū)域平均的olr時間斥列的功率譜(實線為功率譜密度，虛線為紅噪聲譜)(a)l 區(qū);(b)2 區(qū)；(c)3 區(qū);(d)4 區(qū);(e)5 區(qū)；(f)6 區(qū)都有明顯的1 d周期，西部23 d、57 d和東部23 d、45 d的周期也較明顯,次周期立r洛11d立r人1 1 a 店立a人uccz 示姑 ao "t im 4卜士 周期有1 d周期和24 d周期,次周期西部為67 d、13 d,屮部為5 d、6 d ,東部為6 d、 10 do 32. 5n以南都有明顯的1 d周期，另外西部36 d,中部35 d和東部4 d、78

21、 d 的周期也較顯著。次周期西部為2 d、中部為7 d和13 d、東部為5 d和13 do由以上分 析可見，高原上最為顯著的周期為1 d周期,24 d的天氣尺度振蕩也較明顯。68 d和 1013 d處雖有明顯的譜峰，但只有少數(shù)地區(qū)和個別季節(jié)英譜值能超過95 %的信度檢 驗，大部分68天和10-13天振蕩表現(xiàn)為次周期。p4- -u. hxp a/r 10 工j cej 占 k |(l rt a jkhl 亠 j « crc / c 口 zx rt-4- 4-. y/> a/r k i . 心工rt jfl 度的實測資料進行譜分析，指出準8天振蕩是1979年夏季東亞地區(qū)的主要中期過

22、程。 黃福鈞等"對1979年78月高原面平均日雨量資料所作的功率譜分析表明，降水存在 著準一周和準兩周振蕩周期。上述工作由于受資料的限制，都沒有涉及到日變化和25 d的天氣尺席彎化 伯從我們餉計空結(jié)果可旺.高原卜這兩種尺it的振蕩是很、冃茗的。柏圖8高原上jja季節(jié)區(qū)域平均的olr時間序列的功率譜(實線為功率譜密度虛線為紅噪聲譜)(a) 1 區(qū);(b)2 區(qū)；(c)3 區(qū)；(d)4 區(qū);(e)5 區(qū)；(f)6 區(qū)卜匕少下 海一固和準兩因的攥蕩不力口口奪仃和0氣円奪仃兄“4結(jié)論ffi ot.r時間序列作次對濟研究的指標.對olr肘間序列的譜分析表明：從羔的格 勢上來看高原上1、4、10

23、月份以日變化為主，天氣尺度次之，低頻變化的貢獻最?。欢? 月份日變化、天氣尺度變化和低頻變化的貢獻相當(dāng)。冬季主要表現(xiàn)為天氣尺度背景下的 局地對流天氣，而夏季則表現(xiàn)為行星尺度、天氣尺度和屮小尺度系統(tǒng)的共同作用。但在 某些月份，局部區(qū)域的變化情況與上述規(guī)律有-定的差異，并且各種變化的貢獻在不叵 的地理位置上也有一定的差異。顯著性分析表明高原上最為顯著的周期為1 d周期,2 4 d的天氣尺度振蕩也較明顯。68 d和1013 d處雖有明顯的譜峰，但只有少數(shù)地區(qū) 和李節(jié)其譜值能超過95 %的信度檢驗。高原上除了 c經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一天、準一周和準兩周周參考文獻1 gray , wand r. w. jacobs

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