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在亚洲大陆和澳大利亚之间,从印度洋到西太平洋为广大的亚澳季风区。随着夏半球季风的推进,在这个区域的南亚、东亚及澳大利亚常引发较强的降水。除了东亚最著名的梅雨锋低压(MFL)外,作为低纬度地区的另一些重要系统,即出现于北半球孟加拉湾的季风低压(BMD)和南半球澳大利亚的季风低压(AMD),亦值得注意。季风低压常生成在低纬度季风槽中,是造成当地夏季暴雨和洪涝灾害的重要天气系统之一。对季风低压的研究已引起科学工作者的关注,这方面的工作已有一些结果,但仍有许多科学问题有待解决。
本论文集中对南北半球低纬度地区季风低压的特征和影响天气进行了研究。首先对2003年南亚季风区低纬度季风低压西移发展并与阿拉伯海中尺度低压合并,引发一次巴基斯坦的暴雨过程进行了天气学诊断分析,尤其是对其影响系统季风低压的结构,涡度和水汽收支状况作了讨论。在此基础上,与同半球同年同月东亚季风区梅雨锋及其上的低涡作了较系统的比较,指出南亚和东亚季风区系统的异同之处。另外,我们又对2005年澳大利亚季风区低纬度季风低压的特征及其东移发展与中纬度系统相互作用引发澳大利亚中部强降水的过程进行了诊断,在此基础上,还利用MM5有限区域非静力数值模式对该过程进行了模拟研究。本论文的目的就是要通过研究南亚和澳大利亚天气系统的特点,对比分析它们与东亚尤其是我国梅雨锋低压的差别和联系,从而加深对它们的理解,这对东亚、南亚以及澳大利亚地区强降水天气预报工作有一定的参考价值。
本论文中我们使用了NCEP1°×1°格点资料、澳大利亚6 h一次地面图、澳大利亚24 h降水量图以及国家卫星气象中心的卫星云图(METEOSAT-5和GOES-9拼图)等,用诊断分析和数值模拟的方法进行了研究。
本论文以跨越南北半球的亚澳地区内季风低压引发的暴雨灾害性天气系统为主要讨论内容,分三个大部分,共六章。第一部分是引发南亚大暴雨的季风低压结构、涡度与水汽收支分析及与东亚梅雨锋的比较研究,第二部分是中低纬度系统相互作用引发澳大利亚强降水的分析及数值模拟研究,第三部分是概念模型和比较研究结果。
第一部分为第二章。对2003年7月的南亚季风低压,从环流背景场,影响系统的结构和收支等方面进行了分析。具体内容包括:
讨论了天气成因分析:此次暴雨过程的发生是季风槽中季风低压生成,发展西移,与季风槽西端的阿拉伯海中尺度低压合并加强造成的强降水天气。
进行了诊断分析:通过对印度季风槽和季风低压的三维结构以及低压所在区域的涡度、水汽收支的研究,揭示和确认了一些事实,即印度季风槽区对流层中下层存在明显的风场切变,槽区高温高湿,为单一性质的热带气团,低层为对流不稳定,槽区对应正涡度区;季风低压是一较深厚系统。动力结构为低层正涡度,高层负涡度,低层辐合,高层辐散。其西移速度约500 km·d-1。季风低压北侧整层为深厚的东风,南侧在对流层中低层为西风,在高层为东风。热力结构在低层(700~800 hPa)间存在弱冷区,而中高层几乎为暖心结构。低压对应高湿区,低压中心西侧整层为相对湿度大值区;季风低压涡度收支表明,低层的辐合场导致正涡度制造,对低压的发展起直接作用,在所有项中水平辐散项的贡献最大;季风低压区的水汽收支可知西边界输入水汽量最大,低压区水汽强烈辐合。在此研究工作的基础上,比较了夏季风期间南亚印度季风槽和东亚梅雨锋系统及其上低涡的异同。
第二部分为第三章和第四章。对2005年1月1~4日澳大利亚季风低压与中纬度系统相互作用引发澳大利亚中部强降水过程进行了诊断分析,并在此基础上利用MM5模式进行了数值模拟研究。
探讨了天气成因分析:北半球冬季冷空气爆发,跨越赤道在北半球低纬度地区形成强烈扰动和强对流天气,并进入南半球,在澳大利亚夏季风槽中激发了强对流活动,使季风低压发展增强,达到了热带气旋的强度,此时的降水主要集中在澳大利亚的西北部。随着季风低压的东移发展,中低纬度系统相连通,在澳大利亚中部产生强降水。此次降水过程分为两个阶段,1月1~2日为第一阶段,3~4日为第二阶段。第一阶段主要是季风低压本身引起的降水,而第二阶段的降水是中低纬度系统相互作用的结果。本部分着重于第二阶段的降水研究,揭示了一类较远距离中低纬度系统的相互作用。
进行了诊断分析:中纬度温带气旋及锋面系统与季风低压相连接,季风低压的偏北气流向澳大利亚内陆输送了大量的水汽,同时中纬度系统低层的冷空气和锋前的上升区与季风低压的上升区合并加强,使得澳大利亚中部的降水加大。充足的水汽和上升运动两大要素均非常有利。这与单独由季风低压引发的降水不同;低纬度季风低压具有暖心涡旋、深厚湿层等热带系统的结构特点;季风低压涡度收支各项中水平平流项和水平辐散项的极值位于低层,均为负值,且第一阶段的值较大;季风低压所在区域整层水汽通量辐合,以西边界和北边界的输入量最大,且第二阶段水汽辐合加大;此次降水过程中中纬度地区对流层低层存在明显的温度平流和强温度梯度,这类斜压区的存在有利于锋面的加强和高空急流的发展增强;中纬度地区对流层高层的位涡大值区与低层的锋区相对应,且位涡大值区向下向东传递,在对流层中形成了一个垂直涡柱,有利于温带气旋的发展;高空急流入口区和出口区的侧向垂直环流,有利于中低纬度系统的加强发展。
进行了数值模拟分析:利用MM5模式较成功的模拟出西北-东南走向的雨带和中部的强降水区,再现了低纬度季风低压、中纬度气旋及锋面系统移动发展的特点,这也进一步说明模式对预测低纬度降水天气有较好的指导作用;模拟的低纬度季风低压系统所在位置对应垂直涡柱,发展前期垂直运动上升区与涡柱重合,有很好的对应关系。随着季风低压的发展东移,垂直运动上升区略偏于涡旋中心的前方。季风低压的水汽输送大值区在700、800 hPa附近,相对湿度大值区也在此高度。整个过程中对应对流层低层为对流不稳定;中纬度系统等熵分析与位涡异常分析得到了与观测分析相似的结论;从模拟结果可很好的说明了中低纬度系统的相互作用以及高空急流的侧向垂直环流。
第三部分为第五章。本部分综合了本论文的研究结果。提出了北半球孟加拉湾“双低压”相互作用和南半球澳大利亚中低纬度系统较远距离相互作用的概念模型。并对东亚、南亚和澳大利亚季风区辐合带上低压系统(MFL、BMD和AMD)特征进行比较,表明MFL的情况更为复杂,对其要结合我国的情况开展更进一步的研究。