南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响II.数值试验

利用T42L9全球大气环流谱模式进行数值试验 ,以揭示南海夏季风强度异常的特征及其影响。控制试验结果表明 ,该模式不仅能够很好地模拟出气候平均的西风带槽脊和高低空气流分布以及它们的季节性变化 ,而且对于与亚洲季风有关的各个主要系统 ,如南亚高压、副高进退及越赤道气流等都有较强的模拟能力。在亚洲季风区及热带太平洋这一大范围区域的大气内部热源异常强迫下 ,模式显示出了南海夏季风持续异常的特征、北半球热带外环流的响应以及亚洲季风区降水异常分布。南海夏季风长时间强度异常所引起的大气内部热源异常 ,一方面通过三维垂直环流的异常联结着南海夏季风对北半球热带内外环流的影响 ,另一方面它又通过持续异常期的波列传播 ,即能量的传播 ,不仅影响我国长江流域降水 ,还会逐渐影响到北半球中高纬环流结构。这样西风带环流形势将会发生相应的变化和调整 ,南海夏季风持续异常影响到了北半球大气环流和天气气候的变化。     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响Ⅰ.诊断分析

用1980～1996年OLR资料及NCEP/NCAR再分析资料研究了南海夏季风持续异常的基本特征及其与全球环流的关系.对比分析结果指出,强弱南海夏季风期大尺度环流(副热带高压、局地 Hadley环流及 Walker环流等)变化基本相反.在南海地区出现强弱持续异常的季风活动时,该地区的对流活动不仅与大尺度热带和副热带流场有关,而且还反映出北半球西风带环流的调整.北半球中高纬大气环流对南海夏季风持续异常是有响应的.南海地区季风的强弱,特别是出现持续异常时,强弱季风所对应的动能差异是全球性的,其相应的大气热状态也截然不同.南海夏季风强烈而持续的对流活动明显通过改变大气热源的分布和大尺度垂直环流的结构,影响到更大范围地区的环流状况.     

南海夏季风持续异常的特征及其对全球环流的影响Ⅰ.诊断分析

用1980－1996年OLR资料及NCEP／NCAR再分析资料研究了南海夏季风持续异常的基本特征及其与全球环流的关系。对比分析结果指出，强弱南海夏季风期大尺度环流（副热带高压、局地Hadley环流及Walker环流等）变化基本相反。在南海地区出现强弱持续异常的季风活动时，该地区的对流活动不仅与大尺度热带和副热带流场有关，而且还反映出北半球西风带环流的调整。北半球中高纬大气环流对南海夏季风持续异常是有响应的，南海地区季风的强弱，特别是出现持续异常时，强弱季风所对应的动能差异是全球性的，其相应的大气热状态也截然不同。南海夏季风强烈而持续的对流活动明显通过改变大气热源的分布和大尺度垂直环流的影响，影响到更大范围地区的环流状况。     

南海夏季风槽的年际变化和影响研究

南海夏季风槽是南海夏季风的重要组成部分，它的活动不仅对大气环流和气候有明显影响，其本身也具有明显的年际变化特征。首先定义了一个描写南海夏季风槽强度的指数，然后分别对强、弱南海夏季风槽年的例子进行了合成分析。分析结果表明，对应强、弱不同的南海夏季风槽年份，在大气环流背景、对流活动以及海温背景场方面都有很明显的区别，说明南海夏季风槽的异常不是偶然的，有其十分明显的大背景。合成分析的结果还表明，南海夏季风槽的强弱异常不仅对中国夏季降水有重要影响，还会通过遥相关过程影响北半球的其他区域。     

季风及季风与西风带相互关系的数值模拟研究

利用中国科学院大气物理研究所九层大气环流模式积分20年,分析其对季风的模拟能力并探寻季风与西风带的相互关系.模式计算得到的全球广义季风区的分布和大气质量的跨纬圈输送,与由实测资料算得的结果十分接近;行星热对流环流和地表特性差异对大气质量跨纬圈传输的功效比夏季约为1.8:1,冬季为2.2:2,此值也与实测十分接近;模拟结果还发现西风带和热带的降水性质有着本质差别,前者与风暴轴有关,为大尺度抬升凝结降水,后者受控于大气层结,为对流性降水;西风带和季风降水都受两半球副热带辐散源的驱动影响,冬季风加强北半球的西风带,进而加强西风带降水,夏季风则削弱北半球西风带和其降水;起自南半球的两支夏季风气流在印度洋和南亚一带同位相叠加,引发强大的亚-澳夏季风,并伴有最强的降水中心,而冬季风会在西太平洋暖池形成一对南北对称的辐合中心,并形成冬季最强的降水中心.     

热带环流系统异常对2003年淮河持续性暴雨的影响

利用高低层环流场及热带季风特征指数研究热带环流系统异常对2003年6～7月淮河持续性暴雨的影响。分析表明：来自南半球的越赤道气流向北半球推进的过程与大暴雨过程紧密联系;淮河流域上空高、低层异常偏强的辐散、辐合环流,为黄河与长江之间降水异常偏多提供了有利的高、低层环流条件;2003年南海夏季风爆发日期较常年偏晚,热带夏季风及环流强度较常年稍偏弱,它的逐月变化相似于1991年,是2003年淮河流域持续多雨的热带环流成因。     

热带环流异常对1998年长江流域特大洪涝的影响

分析了造成1998年长江流域特大洪涝灾害的大尺度热带环流成因.指出1998年处在热带环流强度偏弱的气候阶段,西太平洋暖池地区对流活动偏弱,南海热带夏季风持续异常偏弱,副热带夏季风偏强是造成长江持续强降水的主要原因;西太平洋热带对流层高低层环流系统的异常分布,为1998年长江特大洪涝提供了有利的环流背景.还探讨了热带环流异常影响我国夏季降水的可能途径,它们的关系在1998年夏季降水预测中得到应用.     

气溶胶影响亚洲夏季风机理的数值研究

利用NCEP/NCAR （National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research）2001-2010年再分析资料,检验了全球气候系统模式CESM中大气模块CAM （Community Atmosphere Model）对亚洲夏季风和大气热源的模拟能力。结果显示,模式可以再现亚洲夏季风和大气热源的主要特征。通过敏感试验探讨人为气溶胶影响亚洲夏季风的机理,分析、讨论了气溶胶引起的非均匀加热的变化对辐散风和无辐散风强度的影响,在机理上解释了亚洲夏季风减弱的原因。结果表明,人为气溶胶浓度的升高使东亚夏季风强度在中国东南地区、中南半岛北部和印度半岛北部减弱。而中国东南部季风的减弱促使中国内陆降水减少,沿海降水增多。进一步分析人为气溶胶浓度升高的作用发现,其改变了大气热源的分布,造成阿拉伯海、孟加拉湾和中国南海大气热源增强,中国东部地区和中南半岛大气热源减弱,其中气溶胶通过影响凝结潜热来改变大气热源,主要是对对流过程的影响。此外,大气热源分布的变化改变了季风区的热力结构,使中国东南地区、中南半岛北部的加热减弱,从而减少了全位能的产生,使得全位能向辐散风的转换减小,辐散风减弱;同时,中国东南部、中南半岛北部季风由于辐散风向无辐散风转换的减弱,无辐散风减弱,最终导致了夏季风强度的减弱。而且,人为气溶胶对亚洲夏季风的影响主要通过大气热力和动力过程的响应产生作用。     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨Ⅱ.最优强迫模及其响应

利用最近发展的完备正规强迫模的动力学方法,对亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的外部物理机制进行了探讨.结果表明,北半球夏季亚洲季风区是外强迫最敏感区域之一,最优强迫模与亚洲季风区季内时间尺度对流活动的结构特征相似,而且北半球大气对最优强迫模的响应与滞后于强季风候的环流异常型结构一致,由此可以认为,亚洲夏季风活动造成的热状况变化也是导致北半球大气遥相关的重要物理原因.     

华北汛期降水与亚洲季风异常关系的研究

文中诊断分析了华北汛期降水与亚洲季风区环流异常以及低纬地区热源异常的关系,结果表明:在华北汛期干旱年,亚洲季风偏弱,而在华北汛期降水偏多年,亚洲季风较强,并巳存在两个明显的变化中心,一个位于印度半岛中北部地区,另一个位于菲律宾群岛附近。华北汛期干旱年上述两个地区的热源偏弱,而降水偏多年则偏强。 华北地区干旱年和降水偏多年的前期亚洲季风区热源就已存在明显的不同:华北汛期干旱年前期,亚洲季风区的热源偏弱且位置偏南,表现出季节变化推迟的趋势;华北汛期降水偏多年前期,亚洲季风区的热源偏强且位置偏北,表现出季节变化提早的趋势。 利用IAP L9R15 AGCM气候数值模式,进一步研究了亚洲季风区凝结潜热加热异常对大气环流和华北地区降水的影响,结果表明,印度半岛中北部地区和菲律宾附近地区的凝结潜热加热异常将引起青藏高压和西太平洋副高的异常变化,进而影响到华北地区的降水。     

异常东亚冬季风对夏季南海地区风场及热力场的影响

用合成及SVD方法,对冬季风异常在南海地区的风场和热力场中所产生的影响进行了研究,并探讨了这种相互联系的可能机制。结果表明,冬季风异常对流场的影响可以从冬季持续至春、夏季。在强冬季风年,南海夏季风爆发偏早、偏强且突发性显著;而在弱冬季风年则相反。长江流域的情况则与此相反,强冬季风时,该地区夏季对流偏弱,降水减少;弱冬季风时相反。南海地区风场的变化与该地区大气及下垫面热状态的改变有关。强、弱冬季风所对应的同期及后期的海温截然不同。在强冬季风年,热带海温场上呈现LaNi*S～/n@a型的异常分布,而在亚洲大陆近海及南海地区,则维持较强的负距平,海水温度明显偏低,强度以春季为最强。它所形成的南海及邻近地区海陆之间的温度梯度有利于夏季风的早爆发和加强;而在弱季风年,则完全相反。与异常冬季风相关联的大气的热状态同样具有季节的持续性。春、夏季季风区中大气热状态的改变,影响了夏季风特别是南海夏季风爆发的早晚及其强度的变化。由冬季风异常引起的热源变化可能也是环流隔季相关的重要纽带之一。     

赤道东太平洋海温异常期间印度洋偶极子对东亚季风区影响的数值模拟

利用中科院大气所的IAP AGCM-Ⅱ大气环流模式，模拟了在存在和没有赤道东太平洋海温异常影响下，印度洋偶极子对东亚季风区天气气候的影响。结果表明：后者东亚地区西南季风的爆发偏晚，南海夏季风增强，此时我国大陆降水偏多；而前者西南季风的爆发将更偏晚，南海夏季风减弱，此时华北降水偏少；赤道东太平洋海温异常和印度洋偶极子有协同作用。     

亚洲夏季风活动激发的北半球大气环流遥相关型

亚洲季风区是全球热力变化最为显著的区域，亚洲夏季风活动必定会对其它环流系统产生影响。本文通过夏季风指数与北半球环流的相关计算以及强、弱季风候北半球环流异常合成的分析发现，亚洲夏季风的活动会激发北半球夏季大气环流遥相关型，其主要相关中心均出现在季风区的下游地区，即从亚洲经太平洋至北美洲一带，除了表现出正负中心交替出现的波列状结构外，该遥相关型在太平洋地区还表现为一对南北向的偶极子异常型，我们将这一遥相关型称为亚洲太平洋北美（ＡＰＮ）型。     

亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的物理机制探讨 II.最优强迫模及其响应

利用最近发展的完备正规强迫模的动力学方法,对亚洲夏季风活动激发北半球大气遥相关的外部物理机制进行了探讨。结果表明,北半球夏季亚洲季风区是外强迫最敏感区域之一,最优强迫模与亚洲季风区季内时间尺度对流活动的结构特征相似,而且北半球大气对最优强迫模的响应与滞后于强季风候的环流异常型结构一致,由此可以认为,亚洲夏季风活动造成的热状况变化也是导致北半球大气遥相关的重要物理原因。     

热带太平洋印度洋海温异常对亚洲夏季风影响的数值研究

利用L9R15气候谱模式，就热带太平洋－印度洋夏季海温异常对亚洲夏季风的影响进行了数值研究。结果表明，夏季热带太平洋和印度洋海温正异常时，不仅能造成热带地区大气环流和降水的同时性响应，还能导致东亚夏季风和南亚夏季风的一致减弱，两者的影响是同号的，但并不是两者单独影响的线性叠加，由此给出了亚洲夏季风与热带太平洋－印度洋海气系统的同期关系。     

七月大气环流对南极海冰异常的响应

本文用一个全球大气九层谱模式，模拟了七月份南极两个不同海区海冰区异常对大气环流的影响。主要讨论了大气环流对南极海冰异常存在的局地性的及全球性的响应。细致分析了二个区域极冰异常导致的南北半球低频波列分布的差异，以及它们对热带区域及亚洲季风区降水、越赤道气流的不同影响。最后则依据我们的模拟结果，讨论了南极海冰异常影响全球大气环流的动力学机制。     

亚洲热带夏季风建立时风场相似度的分析

基于1968—1997年美国国家大气研究中心/美国国家环境预报中心(National Center for Atmospheric Research/National Centers for Environmental Prediction,NCAR/NCEP)共30 a平均的全球各标准等压面上经纬网格距为2.5°×2.5°的逐日气候风场资料,对南海夏季风和南亚夏季风建立期间气候逐日风场的相似度进行了分析。结果表明:风场相似度能较好地反映亚洲热带夏季风的建立,在南海夏季风和南亚夏季风建立期间的季风区,对流层低层风场相似度等值线的水平梯度较大,可视为"相似度锋区",季风沿其法线方向推进。在南海夏季风和南亚夏季风建立过程中,对流层低层大气环流的变化较中层剧烈。在对流层低层,气候状态的南海夏季风最早在西太平洋暖池洋面建立,数日后则已覆盖整个南海,南海和南亚夏季风建立是低层大气环流的突变过程;相应南亚夏季风则最早在赤道东印度洋和赤道西印度洋建立,进而覆盖整个南亚次大陆,其突变性不及南海夏季风。亚洲热带夏季风建立时除季风区及附近外,在全球个别地区大气环流的调整也相当剧烈,甚至发生突变。     

2008年海洋和大气环流异常及对中国气候的影响

2008年,尽管总体来看,全国天气气候的持续异常较弱,未发生大范围持续干旱和严重洪涝灾害,但依然出现了非常显著的天气气候异常特征,如全国平均年降水量比常年偏多,为近10年来降水最多的年份;夏季华南降水异常偏多,黄淮降水偏多;年平均气温偏高,但冬季气温偏低,年初南方遭遇罕见低温雨雪冰冻灾害;在南海和西太平洋生成的台风个数明显偏少,但是登陆台风偏多,初台异常偏早.分析发现,2008年赤道中东太平洋总体处在冷水位相,受海洋异常强迫和海气相互作用的影响,北半球大气环流表现出的主要特征是:500hPa西太平洋副高强度和位置变化较大;冬夏季风均偏强;冬春季西太平洋暖池区热带对流活动偏强,夏秋季则偏弱;1月份,亚洲中高纬度经向环流异常发展,2至4月份则以纬向环流为主,春季后期至秋季,经纬向环流的转换较快,环流的持续性较弱.这些环流异常是影响2008年中国气候异常的主要原因.     

地形在东亚夏季风环流中的作用

本文应用大气所二室改建的二层球谱模式,引入OSU二层格点模式的物理过程,模拟了5月份东南亚和我国南海的夏季风环流。通过有无地形作用的对比试验,揭示出地形对东亚夏季风环流的建立以及季风区降水和大气热源的形成起了重要作用。      

冬夏季环流隔季相关的数值试验

利用海气耦合和大气气候模式研究东亚冬季风异常对夏季环流的影响, 结果表明, 东亚冬季风异常对于后期环流及海洋状态异常都起了很大的作用.一般情况下, 强的冬季风与后期弱的东亚夏季风和较强的南海季风相对应.与强(弱)冬季风异常相关的风应力的改变可以使热带太平洋海温从冬季至夏季呈现La Nina (El Nio)型异常分布.试验得到的由冬季风异常所产生的海洋及夏季环流的变化与实况是相当接近的.在异常的冬季风偏北风分量强迫下, 西太平洋上形成的偏差气旋环流在夏季已不存在, 这时东亚夏季风反而增强.而冬季赤道西风分量所产生的影响, 则在西太平洋上形成显著的偏差气旋环流, 使东亚副热带夏季风减弱, 南海夏季风加强.对于东亚大气环流而言, 与强弱冬季风对应的热带海洋海温异常强迫下, 不仅是冬季, 后期春季和夏季环流的特征都能得到很好的模拟.但是从分区看, 西太平洋暖池区的海温异常比东太平洋更为重要.单纯的热带中东太平洋的海温异常对东亚大气环流的影响主要表现在冬季, 对后期的影响并不十分清楚.整个热带海洋的异常型分布(不论是El Nio还是La Nia)型, 对冬夏季风的影响是重要的, 而单纯的某个地区的海温异常都比它的整体影响要小.从试验结果看, 海温在大尺度冬夏季环流的隔季相关中起了十分重要的作用.