基于多元数据的西北地区大气水汽输送及收支研究

论文摘要

大气水汽是区域水循环的关键,也是区域降水的来源。为进一步研究西北地区空中水循环及大气环流场的变化,同时也为验证不同大气水汽资料在西北地区的适用性,本文选取1958-2013年西北地区21个探空站的大气水汽资料,并将其作为实测值,同时选取ECMWF（欧洲中期天气预报中心）1979-2016年逐月再分析水汽资料、MODIS（中分辨率光谱仪）遥感反演大气水汽的影像资料及同时期该地区探空站所对应的21个气象站点降水数据。首先运用线性回归模型及Thiessen（泰森多边形）法,用实测值对ECMWF与MODIS数据的精度进行评估,并对两种格点水汽数据进行误差校正;其次利用校正后的数据通过一元线性回归分析、距平累积、Kriging及IDW（反距离加权）等方法分析了西北地区1979-2016年大气水汽含量时空变化特征及大气水汽垂直分层分布规律,同时结合降水资料分析了该地区降水转化率的空间变化;再次用Grads分析了西北地区大气水汽输送通量合成场的年际与季节变化、纬向与经向大气水汽输送场的年际与季节变化,同时通过分析大气水汽输送通量散度场的年际与季节分布特征研究了该地区近38年来大气水汽的“源”与“汇”;并运用Resample（重采样）及一元线性回归分析法对西北地区各边界及经向与纬向大气水汽净收支进行了计算;最后利用该地区同时期的气温数据讨论了气温与大气水汽的相关关系。主要结论如下:（1）ECMWF较MODIS与探空实测值一致,且整体相关性高,同时两套数据与实测值的相关性区域差异大;ECMWF整体低于实测值,MODIS数据整体高于实测值,且两套数据均与实测值的偏差区域差异显著;ECMWF和MODIS数据与实测值均偏离较大,但ECMWF较MODIS与实测值偏离小。其次ECMWF与MODIS数据在1 000 mm下均存在高估的情况,校正后的ECMWF和MODIS分别与实测值的误差均显著降低,相关性也显著提高,相关系数高达0.98和0.95,且均通过0.01显著性检验;MODIS数据较ECMWF校正幅度大,但其仍存在低值高估与高值低估的现象。ECMWF与MODIS水汽误差区域分布趋势相反,校正后的ECMWF数据较MODIS空间精度高,其与探空实测值多年平均误差为-43.4 mm,MODIS与探空实测值多年平均误差为25.79 mm。（2）1979-2016年西北地区大气水汽含量总体以3.6 mm/10 a的速度下降,多年平均水汽含量为813.31 mm;其中1979-1986年西北地区气候转冷干,1987-2006年该地区气候转暖湿,2007-2016年西北地区气候转暖干。其次,该地区近38年来大气水汽含量空间分布上整体由季风、西风亚区向高原亚区减少,且季风亚区远大于高原亚区,大气水汽含量最高值达1727.72 mm（汉中站）,最少仅465.14 mm（格尔木）。（3）西北地区各层气压层大气水汽含量随海拔的增加而减少,多年平均各层大气水汽含量和多年各个季节的水汽主要集中在5 000 m以下。该地区降水转换率整体由高原亚区向西风、季风亚区向高原亚区增大,且区域差异显著,山区远高于平原及沙漠,多年平均降水转化率为25.95%,最大可达68.78%（合作）,最小仅为3.58%（若羌）。同时该地区在大气常年稳定的情况下,空中云水资源的开发潜力由西向东先减小再增加。（4）西北地区1979-2016年年均大气水汽输送合成场主要受西风、偏北风及季风水汽通量控制。其中偏北风水汽输送通量强度最大可达850 kg·m-1·s-1,季风次之,强度为400-700kg·m-1·s-1,西风输送强度最小,仅200-300 kg·m-1·s-1;各季节中,夏季是该地区大气水汽输送强度最大的季节,且主要受偏北风及季风水汽输送通量影响,最大可达400 kg·m-1·s-1,冬季最少,最大水汽输送通量强度不足20 kg·m-1·s-1。西北地区近38年来平均纬向大气水汽输送中西风携带的水汽影响范围较大,但其输送水汽的强度较小(0-400 kg·m-1·s-1);偏北风及东南季风携带的水汽影响范围小,但输送水汽的强度都较大(0-800 kg·m-1·s-1);除夏季东部受季风水汽通量影响外,其余季节均主要受西风水汽通量影响。近38年来西北地区中、西部多年年均经向水汽输送主要受偏北风水汽通量影响,水汽输送强度分别为200-1 200 kg·m-1·s-1与0-200kg·m-1·s-1,东部地区受东南季风影响,水汽输送强度为0-200 kg·m-1·s-1;各季节经向水汽输送中,夏季最多,且强度最大,最大达400 kg·m-1·s-1。（5）西北地区近38年来在天山山区、塔里木盆地、甘肃中部及青海东、西部等地区形成水汽辐合中心,辐合强度为0-0.004 kg·m-2·s-1,即为该地区的水汽“汇”,其余地区大气水汽辐散,辐散强度为0.001 kg·m-2·s-1,即为西北地区的水汽“源”。（6）1979-2016年西北地区年均大气水汽净收支整体呈盈余状态,但盈余量以7.59×108t·a-1的速率减少,多年平均大气水汽净收支为2 786.83×108t;纬向大气水汽盈余量以17.88×108t·a-1的速率减少,多年平均净收支为3 541.04×108t;经向大气水汽净亏损量以10.29×108t·a-1的速率减少,多年平均净收支为-754.21×108t。近38年来西北地区各边界年均大气水汽净收支中东边界呈亏损状态,但亏损量以6.21×108t·a-1的速率减少,多年平均大气水汽输入为728.68×108t;西边界大气水汽盈余,但盈余量以0.81×108t·a-1的速率减少,多年平均为586.35×108t;南、北边界大气水汽均盈余,且水汽净输入量分别以10.13×108t·a-1及12.73×108t·a-1的速率增加,多年平均大气水汽净收支分别为250.80×108t与509.45×108t。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 大气水汽含量的研究

1.2.2 大气水汽输送及收支研究

1.2.3 本文研究内容

1.3 技术路线

2 研究区自然地理概况

2.1 地理位置

2.2 地质地貌

2.3 气候特征

2.4 水文与水资源

2.5 土壤与植被

3 研究资料与方法

3.1 数据资料

3.2 研究方法

3.2.1 大气水汽计算方法

3.2.2 数据精度评估方法

3.2.3 数据分析方法

4 数据精度评估与误差校正

4.1 数据精度评估

4.2 数据误差校正

4.2.1 时间序列校正

4.2.2 空间分布校正

4.3 小结

5 西北地区大气水汽含量时空变化

5.1 西北地区大气水汽含量年际变化

5.2 西北地区大气水汽含量空间分布

5.3 西北地区大气水汽含量垂直变化

5.4 西北地区大气水汽含量与降水的关系

5.5 小结

6 西北地区大气水汽通量及其“源”与“汇”

6.1 西北地区大气水汽通量时空变化

6.1.1 西北地区大气水汽通量合成场变化

6.1.2 西北地区纬向大气水汽通量场分布

6.1.3 西北地区经向大气水汽通量场分布

6.2 西北地区大气水汽“源”与“汇”

6.3 小结

7 西北地区大气水汽净收支变化

7.1 西北地区大气水汽输送边界划分

7.2 西北地区各边界大气水汽净收支变化

7.3 西北地区大气水汽净收支年际变化

7.4 小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 讨论与展望

参考文献

致谢

附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 巩宁刚

导师: 孙美平

关键词: 探空资料,大气水汽输送,精度评估,误差校正,西北地区

来源: 西北师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,气象学,气象学

单位: 西北师范大学

分类号: P426;P412.2;P407

DOI: 10.27410/d.cnki.gxbfu.2019.000509

总页数: 68

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