青藏高原出射長(zhǎng)波輻射特征分析

1、青藏高原出射長(zhǎng)波輻射特征分析蘇文穎 毛節(jié)泰 紀(jì)飛（北京大學(xué)地球物理系暴雨監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871）摘 要 對(duì)青藏高原地區(qū)1月、4月、7月和10月高時(shí)空分辨率的出射長(zhǎng)波輻射（olr）時(shí)間序列 進(jìn)行了譜分析。將各點(diǎn)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(guò) 程（2 d裁期wo d）和低頻（周期 10 d）變化;將高原分為6個(gè)區(qū)域，對(duì)區(qū)域平均的各季節(jié)ol r時(shí) 間序列進(jìn)行功率譜分析和顯著性檢驗(yàn)，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(xiàn)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(gè)別季節(jié)矢鍵詞：出射長(zhǎng)波輻射;譜分析;青藏高原;顯著性檢驗(yàn)1引言牛球大氣對(duì)熱帶熱源的響應(yīng)果大氣環(huán)濟(jì)中晶重要的間題。對(duì)濟(jì)活動(dòng)果汶種響應(yīng)的 主要機(jī)制，對(duì)流不僅伴有大量的凝結(jié)潛熱釋放,并且是將熱量、動(dòng)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(duì)流活動(dòng)所用的資料有兩種:一種是利用降水資料作 為深對(duì)流的代用參數(shù)】，另一種是用出射長(zhǎng)波輻射（olr）數(shù)據(jù)集研究對(duì)流的變化2§。 olr是從宇宙空間觀測(cè)到的地氣系統(tǒng)的射出長(zhǎng)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(duì)流強(qiáng)度,深對(duì)流

3、的云頂溫度低， olr值小，淺對(duì)流則反之。所以olr在一定程度上可以揭示對(duì)流活動(dòng)的強(qiáng)度“。青藏高原（以下簡(jiǎn)稱高原）'是一個(gè)聳立在對(duì)流層中空的大陸塊,它猶如t人氣海洋" 中的一個(gè)巨大島嶼，對(duì)四周大氣起著明顯的熱源作用。這種作用強(qiáng)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(duì)流云出現(xiàn)，對(duì)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(duì)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(duì)流活動(dòng)較弱。青藏高原對(duì)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(diǎn) 存在地區(qū)差異*。錢正安等°利用1979年58月逐日1317時(shí)的泰羅斯n氣象衛(wèi) 星可見光云圖，分別統(tǒng)計(jì)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(duì)流云岀現(xiàn)的相對(duì)頻數(shù)分布。發(fā)現(xiàn)雨季前對(duì)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(guó)家礬登b項(xiàng)冃肯藏高原地氣系統(tǒng)物理過(guò)程及對(duì)全球氣候和中國(guó)災(zāi)害性天氣影響的觀測(cè)和理論研究貿(mào)助達(dá)木盆地對(duì)流云較少出現(xiàn)。進(jìn)入雨季后，除昆侖山區(qū)外，對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)和20時(shí)；而在較潮濕的高原東部及雅魯藏布江流域，各代表站對(duì)流云頻數(shù)的fi 變化則不太明顯,在夜間及清晨仍有對(duì)流云強(qiáng)烈發(fā)展。rh于資料所限，以往對(duì)高原地區(qū)的對(duì)流研究只限于個(gè)別月份和區(qū)域，無(wú)法給出高原 全局各個(gè)月份完整的對(duì)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(shí)間分辨率較低，無(wú)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(gè)季節(jié)的對(duì)流特2青藏高原對(duì)流特征分析2.1方法簡(jiǎn)述利用gms5衛(wèi)星高時(shí)空分辨率的資料，反演得到時(shí)間分辨率為1 h的olr資料。對(duì) 于缺測(cè)的時(shí)次，利用前后兩天同一時(shí)刻的olr資料，平均后給出該時(shí)次的olr。利用 1996年8月至1997年12月的olr時(shí)間序列仃olrj j = 1 , 2 ,，總天數(shù)24），計(jì)算 各月的功率譜。首先計(jì)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(jì)算不同波數(shù)

7、&的功率譜值:波數(shù)斤與周期有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:將各點(diǎn)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(jì)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(duì)貢獻(xiàn)，特別是周期s d的口變化貢獻(xiàn)，揭示對(duì)流發(fā)展的強(qiáng)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(gè)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(guò)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(dá)木盆地和高原西部的增加較多。從 百分比圖來(lái)看，此時(shí)比值最高的區(qū)域?yàn)榭煽晌骼锷轿鞅辈康貐^(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(dá)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(dá)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(guò)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(dá)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(guò)200 (w nv 2嚴(yán)。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(guò)40 %，柴達(dá)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(guò)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(guò) 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(duì)總譜的貢獻(xiàn)超過(guò) 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?yàn)樗死?/p>

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(duì)總譜的貢獻(xiàn)一般 不超過(guò)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(duì)總譜的貢獻(xiàn)超過(guò)50 %,而天氣 尺度的貢獻(xiàn)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(gè)高原上都比較小，其對(duì)總譜 的貢獻(xiàn)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(duì)總譜的貢獻(xiàn)超過(guò)50 %，有些地區(qū)甚至在60 %以上。而天氣尺度變化的貢獻(xiàn)較 小 高庾東湘齊氣尺唐對(duì)總譜的舌獻(xiàn)大干面

14、酈的奇獻(xiàn).任頰莎化對(duì)總it的舌獻(xiàn)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(guò)50%。天氣尺度變化對(duì)總譜的貢獻(xiàn)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(qiáng)，特別是在雅魯藏布江流域、雅布河谷和三江流域 處的貢獻(xiàn)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(duì)總譜的貢獻(xiàn)超過(guò)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(duì)這些地區(qū)的

15、貢獻(xiàn)相對(duì)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(xiàn)也在40 %以上。低頻變化的貢獻(xiàn)不超過(guò) 20 %,高原南部和西部的比值相對(duì)較高。7月份高原上日變化、天氣尺度變化及低頻變化 對(duì)總譜的貢獻(xiàn)相當(dāng)，這主要是由于7月份高原進(jìn)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(yàn)為講一步研究高原卜各個(gè)至節(jié)和區(qū)域的再期特征.將高原分成6個(gè)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(gè)部分從西 到東、從北到南分別記為1、2、3、4、5、6區(qū)。對(duì)高原各個(gè)季節(jié)每個(gè)區(qū)域的olr資料進(jìn)行 區(qū)域平均后，給出這6個(gè)區(qū)域各個(gè)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(shí)間序列，序列長(zhǎng)度n為各季節(jié)的天數(shù)乘24。計(jì)算 olr時(shí)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(zhǎng)度，此處 取= ,i/2 o所得olr時(shí)間序列落后一個(gè)時(shí)刻的自相關(guān)系數(shù)有較大的正值，適合用紅 噪聲過(guò)稈進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。有了不同季節(jié)各區(qū)域olr時(shí)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(jì),然后對(duì)粗譜加以平滑給出功率譜密度值。同時(shí)計(jì)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(jì)算結(jié)果。根據(jù)不同季節(jié) 各個(gè)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(gè)區(qū)域各個(gè)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(guò)95 %的信度檢驗(yàn)，而次要周 期是指雖然該周期并未越過(guò)信度檢驗(yàn)，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(gè)季節(jié)各個(gè)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(gè)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(shí)間斥列的功率譜(實(shí)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(gè)別季節(jié)英譜值能超過(guò)95 %的信度檢 驗(yàn)，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(shí)測(cè)資料進(jìn)行譜分析，指出準(zhǔn)8天振蕩是1979年夏季東亞地區(qū)的主要中期過(guò)

22、程。 黃福鈞等"對(duì)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(zhǔn)一周和準(zhǔn)兩周振蕩周期。上述工作由于受資料的限制，都沒(méi)有涉及到日變化和25 d的天氣尺席彎化 伯從我們餉計(jì)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(shí)間序列的功率譜(實(shí)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(zhǔn)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(shí)間序列作次對(duì)濟(jì)研究的指標(biāo).對(duì)olr肘間序列的譜分析表明：從羔的格 勢(shì)上來(lái)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(xiàn)最??；而7 月份日變化、天氣尺度變化和低頻變化的貢獻(xiàn)相當(dāng)。冬季主要表現(xiàn)為天氣尺度背景下的 局地對(duì)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(xiàn)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(guò)95 %的信度檢驗(yàn)。高原上除了 c經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一天、準(zhǔn)一周和準(zhǔn)兩周周參考文獻(xiàn)1 gray , wand r. w. jacobs

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28、,1979年盛復(fù)青藏高原雨季中斷和活躍及其與印度季風(fēng)的關(guān)系，靑藏高原氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)文集(一)，北 zlsf 工ill ilcx aia an analysis of outgoing long rave radiation characteristicsfor tibetan plateausu wenying, mao jietai and ji fei(state key l alx)ratoty of severe storm research , geophysics depart ment of peking university, beijing 100871?abstract spectral analysis was applied to outgoing longwave radiation (olr) series of j anuary , april, july and october for the tibetan plateau. the temporal and spatial re