中国东南沿海极端降水灾害时空变异的天河水汽输送机制

This project is fundamentally guided by the proposed theory of the association between abnormal "Atmospheric River" meridional moisture transport and extreme precipitation. This study focuses on Southeast China Coast, investigates the spatiotemporal characteristics and variability of regional extreme precipitation, uses Big Data mining techniques for complex multi-source multi-variate dataset to dissect moisture transport mechanism closely related to the occurrence of extremes, attempts to establish a statistically and physically based framework linking abnormal meridional moisture transport to extreme precipitation, and further extends to the influences and regulation of teleconnected climate system. The objective is to quantify the process of “teleconnected climate regulation——>moisture birth ——>atmospheric steering” and its spatiotemporal heterogeneity and parametric uncertainty across different spatial and/or temporal scales using Bayesian hierarchical model. This study expects to use Southeast China Coast as a pilot study target to test the hypothesis of improving the predictability of extreme precipitation and its spatiotemporal variability by identifying leading predictors of the moisture transport mechanism and its associated atmospheric circulation patterns and the teleconnected climatic regulation, in order to establish the foundation for a global study.

本项目将以“天河水汽纬向非稳态传输与极端降水”关联的假说为基本指导思想，解析中国东南沿海极端降水时空变异的演变规律，挖掘极端降水灾害发生的时空关联因子，结合大气动力学原理，借助大数据科学对多源数据的综合分析能力及降维处理能力，深入分析直接导致强降水的强对流或强水汽输送机制，构建以水汽输送为主要驱动并兼具物理和统计基础的“天河水汽纬向非稳态传输”模型，进一步引入气候遥相关指标建立“气候系统的总调度——>水汽的产生和源头——>大气环流的牵引”的基于气候-大气动力学机制的理论框架，同时结合分层贝叶斯模型解决系统的异质性与参数跨尺度信息的不确定性。目标是以中国东南沿海为示范研究区，从天河水汽传输的大气动力过程来探讨全球中低纬度区域极端降水灾害时空异质性的分布规律，为丰富“天河水汽纬向非稳态传输”假说提供更加扎实的理论证据。

本项目旨在从“天河”水汽输送机制的视角明晰区域极端降水时空变异性规律。要进行中国东南沿海“天河”研究的第一步，就是需要把中国东南沿海乃至东亚的地区的“天河”找出来。本项目组自主研发出适应于东亚地区气候条件的“天河”追踪算法。作为唯一一个基于东亚地区的“天河”算法，本算法还参与到了全球“天河”追踪算法的比赛项目中，在参与的几十个算法中，本算法在各方面均表现出优越性。根据自主开发的“天河”算法，本项目组进一步建立了时间跨度40年（1979-2018）的首个全年东亚“天河”数据库。由“天河“轨迹分布密度图呈现了东亚“天河”主传播路线：从阿拉伯海起始，途径孟加拉湾，东南亚半岛，中国南海，到中国东南部，最后结束与北太平洋中部。该传播路线与夏季东亚季风的传播路线大致相同，也证明了东亚季风对东亚“天河”形成并引发中国东南部降水的重要作用。本项目组进一步分析了全年周期每个阶段的“天河”与降水的相关性。我们发现从三月中到六月末，“天河”发生与降水发生（尤其是强降水发生）的相关性可以达到0.5。于是，本项目组进一步对中国东南沿海季风区夏季降水的时空变异性进行了分析。为分析目标区极端降水时空变异的演变规律，本研究以研究地区站点五月至八月的日均降水值为主要切入点，通过运用自组织映射方法，将站点降水数据进行分类。 虽然对降雨时空进行了无监督式分类，有趣的是降水区域的空间延展特征与天河降雨的区域性结构非常相似，这个发现也启发了本项目组下一步的研究灵感。在研究天河与其导致的大降雨过程中，我们在分析区域环流特征时经常看到显著的西北太平洋副热带高压的信号。影响我国东南部的天河多沿西太平洋副高西测北进，为我国东南部带去充足的水汽。 同时，不难发现哪怕缩小研究空间尺度，依然可见利于天河水汽北上的西太平洋副高西侧通道。可见西太平洋副高是搭建天河到降雨的桥梁。进一步，我们发现了西太平洋副高与ENSO间的耦合关系对我国东南部降水的影响。