中国东部城市群发展对南海夏季风爆发影响的模拟研究

本文利用NCAR开发的CAM5.1(Community Atmosphere Model Version 5.1)模式,针对我国东部大规模城市下垫面发展对南海夏季风爆发的影响进行了数值模拟研究。结果表明我国东部大规模城市群发展可能使得南海夏季风提前1候爆发;机理分析表明:在南海夏季风爆发之前,中国东部城市群发展引起的陆面增温,使得南海及其附近地区南北温差提前逆转、中国东部区域海平面气压降低,导致中南半岛到南海地区西南气流加强,中南半岛到南海地区降水增加,而凝结潜热垂直变化强迫出的异常环流,促进了南亚高压的加强及提前北跳,相伴随的高层抽吸作用有助于季风对流的建立和西太平洋副高的减弱东撤,从而形成了有利于南海夏季风爆发的高低层环流条件,导致南海夏季风提前爆发。另外,观测结果表明1993年之后南海夏季风爆发的日期相对上一个年代明显提前约2候,城市化快速发展阶段与南海夏季风爆发的年代际变化存在时间段的吻合,表明城市下垫面发展可能是南海夏季风提前爆发的原因之一。     

中国东部地区人为气溶胶对东亚冬、夏季风的影响—— 一个高分辨率大气环流模式的模拟研究

使用一个高分辨率的公用大气环流模式（CAM5.1）研究了我国东部地区人为气溶胶对东亚冬、夏季风的影响。结果表明,人为气溶胶中的黑碳和硫酸盐气溶胶含量的季节性变化在冬、夏季节对大气表现出不同的热力效应,并且可能是影响我国东部地区上空大气温度长期变化的重要因素。人为气溶胶引起的东亚季风区夏季降温可达对流层中高层造成东亚地区海平面气压升高、海陆气压梯度减小,减弱夏季低层的偏南风分量和高层的南亚高压。东亚人为气溶胶可使东亚地区冬季近地面层温度普遍降低、对流层中高层明显增温,导致东亚东部地区海平面气压下降,减弱东亚地区冬季低层的偏北风分量,阻止中层的东亚长波槽南伸,并削弱高层西风急流的强度。      

南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响

利用NCAR的全球大气模式CAM3,模拟了南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响.结果表明:晚春时期,南亚地区黑碳气溶胶强烈吸收太阳辐射,加热低层大气,造成孟加拉湾及沿岸地区雨季的提前,可能导致南亚夏季风提前爆发.夏季,被加热的大气沿青藏高原南坡爬升,在高空形成一个稳定的加热层.高空的持续加热,引起局地的深对流活动,使得印度洋和南亚大陆之间产生一个北升南降的经圈环流,导致印度洋洋面上的向北运动加强,从而使南亚夏季风的强度增大.但是,南亚地区黑碳气溶胶通过影响表面气压、垂直运动、降水和850 hPa风场等减弱了东亚夏季风,且导致西太平洋副热带高压北移西伸,使我国梅雨带位置向东北方向移动.     

硫酸盐和黑碳气溶胶影响南海夏季风爆发的数值模拟研究

硫酸盐气溶胶(SO₄^2-)和黑碳气溶胶(BC)可以通过散射或吸收太阳辐射改变地气系统能量收支,进而引起局地热力和云过程变化乃至大气环流的调整而影响气候系统。南海夏季风(SCSSM)作为东亚夏季风的子系统之一,与东亚大气环流和降水有着重要的相互影响。前人对SO₄^2-和BC对东亚副热带季风已有详细研究,但对SO₄^2-和BC影响南海夏季风的机制研究较少。本研究利用CESM(The Community Earth System Model)模式CAM5.1模块模拟研究了SO₄^2-和BC对南海—华南经向海陆热力差异、中南半岛对流、西太平洋副热带高压(西太副高)断裂以及南海夏季风爆发的影响,重点探讨了气溶胶影响SCSSM爆发的动力和热力机制。模拟试验结果表明,SO₄^2-和BC均有利于中南半岛对流层整层大气稳定性增强,引发了中南半岛上空的下沉气流异常,动力上抑制了中南半岛对流,分别使...     

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。     

利用CAM5.1模拟中国东部大规模城市化对东亚地区夏季大气环流及降水分布的影响

利用CAM5.1大气环流模式研究中国东部大规模城市化对东亚夏季大气环流及降水分布的影响。通过在模式中修改中国东部地区(22～42°N,110～125°E)城市比重的方法,探讨东亚地区夏季大气环流与降水等气象要素在一般城市化及极端城市化两种情景下的响应。结果表明:(1)CAM5.1模式能够很好地模拟出东亚地区夏季大气环流形势及降水分布。(2)城市比重增大后,晴空时地面吸收的净辐射增多,近地层气温升高,低层增温中心上空的大气由于受热产生上升运动,35°N以南的气流向增温区辐合,东亚夏季风出现增强的趋势,大量暖湿水汽往北输送,导致降水在中国北方地区增多而南方减少。(3)城市化的发展程度越高,它所产生的气候效应对各气象要素的影响就表现得越明显。     

南海夏季风爆发早晚的大气热源特征分析

利用1972—2007年NCEP/NCAR再分析资料计算大气热源,分析了南海夏季风爆发前后大气热源的特征,在此基础上,以南海夏季风爆发偏早年(1983年)和爆发偏晚年(1989年)为例,对比分析大气热源和大气环流特征的差异。结果表明:季风爆发后热源中心有明显的北抬现象,伴随着我国南部至南海区域低层较强的西南风建立;季风爆发偏早年,中层大气在我国以北出现负距平,赤道区域热源中心值较平均水平高,与之对应的是爆发偏晚年热源中心值偏低,偏早年季风爆发前在赤道至南海区域有较大的热源梯度,这种动力和热力形势的配置使季风爆发偏早年Hadley环流强度增强,导致从孟加拉湾向北的水汽输送增多,南海夏季风爆发时间偏早,造成雨带北移的时间提前。     

气溶胶对东亚夏季风指数和爆发的影响及其机理分析

利用高分辨率区域气候模式RegCM4.3,通过引入沙尘、海盐、硫酸盐、黑碳和有机碳等5种气溶胶,对1995—2010年的东亚夏季风进行数值模拟,研究了自然和人为气溶胶对东亚夏季风的可能影响。结果表明:区域气候模式对东亚夏季风和气溶胶的时空分布都有较好的模拟效果,自然和人为气溶胶造成东亚夏季风指数减小约5%,且除我国东南部地区外,气溶胶使整个季风区的季风爆发时间推迟了1候左右。在我国东南部及近海地区,气溶胶通过吸收太阳辐射对中层大气起到加热作用,气柱受热会出现膨胀,从而造成了低层大气的位势高度下降并激发出气旋式环流距平,气旋式环流距平西侧偏北风能削弱东亚夏季风区低层的偏南气流。气溶胶的加入引起的地表负的辐射强迫造成了空气出现下沉运动并配合低层偏北风和高层偏南风距平,在25 °N以北地区形成了间接经向环流距平,从而也削弱了东亚夏季风的垂直环流。气溶胶增加了我国季风区的水汽通量散度值,从而造成了夏季降水的明显减少,其中我国华北和西南地区为2个主要的降水减少区域。      

冬季黑潮延伸体异常增暖对东亚夏季风影响的数值试验

利用NCAR CAM3全球大气环流模式数值试验，研究了冬季黑潮延伸体的海温异常增暖对东亚夏季风的影响。结果表明，冬季黑潮延伸体海温异常增暖将导致东亚夏季风增强北推。表征夏季风强度的EASMI（the East Asian Summer Monsoon Index）和LSTDI（the Land-Sea Thernal Difference Index）在夏季风爆发后都呈现了明显的增强趋势，且LSTDI对海温异常增暖的响应更为敏感。华北、南海和菲律宾以东的低空西南季风显著增强，副热带西风急流轴以北（南）西风加强（减弱）。日本群岛及周边海域和中国东部长江以南至秦岭一线的降水明显减少；华北、南海、东海、黄海和菲律宾以东的西太平洋上的降水增多。华北是东亚夏季风对黑潮延伸体的海温异常响应最敏感的区域。东亚地区近地面温度表现为一致的增温特征，而30～50 °N之间对流层的整体升温导致了海陆热力差异的加大，这是促使东亚夏季风增强的重要原因。中国及周边地区环流和降水异常分布和西北太平洋副热带高压增强北抬有关。     

东亚夏季风活动与东亚高空西风急流位置北跳关系的研究

利用美国NCEP/NCAR再分析资料(1980～1999年)探讨了东亚夏季风活动的两个重要事件,即南海夏季风爆发和江淮流域梅雨起始,与东亚高空西风急流位置北跳的关系.系统的分析研究表明,东亚高空西风急流在由冬向夏的转变过程中一般存在着两次向北突跳现象,并与东亚夏季风活动有密切关系.第一次东亚高空急流的北跳(由25～28°N跳到30°N以北)平均发生在5月8日左右,比南海夏季风爆发日期(平均为5月15日)早7天左右;高空急流位置的北跳是中高纬度大气环流系统减弱北退的表现,它为热带环流和系统的向北推进提供了条件,从而有利于南海夏季风的爆发.第二次东亚高空急流的北跳(由32°N左右北跳到35°N以北)平均发生在6月7日左右,先于江淮流域梅雨起始时间(平均在6月18日左右)10天左右,它是梅雨起始的前期征兆.高空西风急流的两次北跳分别与亚洲大陆南部地区对流层中上层(500～200 hPa)经向温度梯度的两次逆转(反向)有关,在由冬到夏的季节转换中,由于大陆加热较快,导致对流层中上层大气在5～25°N间的经向温度梯度发生反向(逆转),通过地转适应使流场向气压场(温度场)调整,从而高空急流位置北跳.数据分析还发现,东亚高空急流位置的第一次北跳有时也受到南半球副热带高空急流位置北移和加强的影响.     

我国东南海岸线分布对9216号台风暴雨增幅影响的数值研究

利用一个三重水平结构，双向嵌套的台风数值模式，以１９９２年８月２９日１２冒为初始场，根据模式中地形插值时遇到的问题，设计了实际海岩线与扩展海岸线两种方案，对９２１６号登陆台风及其暴雨进行了对比模拟试验。结果表明：地形动力抬升形成的对流陈水是台风暴雨增幅的一个重要原因。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

局地积云降水过程对云结构的影响

本文考虑了降水过程中水滴对空气的拖带作用和降温作用,并考虑到含水量变化时,由于水滴对空气拖带力的变化,而对垂直运动产生的反馈影响,导出了局地积云的运动方程、热力方程和含水量方程,并由此研究在降水过程中云中空气垂直运动、云内外温差和含水量结构的变化。计算结果指出,局地积云在降水过程的影响下,云中空气的垂直运动、云内外温差和含水量都要明显变小,并且很快地由下向上逐渐出现下沉运动,云也由下向上逐渐消散。计算结果与实际观测现象是基本相似的。本文共做了五个不同条件的个例数值计算,并由此分析比较了不同降水强度、不同稳定度、不同云中初始条件和不同云外环境所起的不同作用。     

气候系统性态行为复杂性的探索

用滑动t-检验方法(Moving t-tcst technique)对中国东部部分地区年降水量序列进行阶段分析,从各阶段气候性态频率分布特征得到启示．对气候系统性态行为的复杂性进行探索。提出气候系统性态行为的确定性与随机性份额比接近Fibonacci数(黄金分割比)的假设。用信息论的方法对气候变量的不确定性做了定量计算和分析，讨论了气候预测的局限性．提出气候预测(以年降水量为例)准确率的理论上限在中国北方可能为75％左右：在中国南方可能为80％左右。     

非绝热加热及地形动力作用下的大气环流长期演变过程

本文建立了一个理想的大气环流数值试验模式,其中简单地考虑了辐射、湍流、凝结加热及地形的动力作用。模式中放了两个陆地和两个海洋,海陆的影响由给定的下垫面温度表现出来。把方程组化成常微分方程组后,用Runge-Kutta方法在电子计算机上求数值解。 首先,在非绝热加热的作用下,由静止大气开始经过40天就建立起基本气流。其次,在具有年周期的太阳辐射、下垫面温度及凝结加热的作用下,基本气流以年周期变化。扰动也有明显的年周期,夏季扰动振幅变小,冬季扰动振幅变大,而且海陆温度的季节变化能控制波数为2的超长波的进退。夏季温度槽位于海洋东部,冬季位于大陆东部。 最后,在数值试验中看到初始场的影响只有100天左右。     

地球旋转向量水平分量对赤道β平面上波动的影响

文中利用合理的赤道 β平面近似方程组研究 β效应和地球旋转向量水平分量 (即Coriolis力分量 f*=2 Ω cosφ)共同作用下低纬度大气波动的特征。定性结果分析表明 ,若扰动与纬度有关 (混合 Rossby-重力波和 Rossby波 ) ,f*虽然不影响波动传播的频率特征 ,但修改其决定波动经向结构的振幅。如果扰动与纬度无关 (Kelvin波 ) ,则 f*的影响消失 ,这与 f*- f平面上波动的情况显然不同。     

气象资料三维化技术中的插值问题

通过对不同源气象资料及数字地理信息资料的插值，实现了不同气象资料与地理信息资料分辨率的协调；从而将多种信息叠加到一起，实现了多源资料的二维、三维仿真显示。这对于模拟真实的大气空间结构、理解地形及植被对大气运动的影响、辨识各种天气系统及多种信息的融合等有积极意义。     

THE ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUBSYSTEMS OF THE ASIAN SUMMER MONSOON

In this study, the relationship between the subsystems of Asian summer monsoon is analyzed using U.S. National Centers for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research reanalysis and Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation monthly mean precipitation data. The results showed that there is significant correlation between the subsystems of Asian summer monsoon. The changes of intensity over the same period show that weak large-scale Asian monsoon, Southeast Asia monsoon and South Asian monsoon are associated with strong East Asian monsoon and decreasing rainfall in related areas. And when the large-scale Asian monsoon is strong, Southeast Asia and South Asia monsoons will be strong and precipitation will increase. While the Southeast Asia monsoon is strong, the South Asia monsoon is weak and the rainfall of South Asia is decreasing, and vice versa. The various subsystems are significantly correlated for all periods of intensity changes.     

日本东部附近海域海温异常对鄂霍次克海高压的影响

通过诊断分析和数值模拟,研究了初夏日本东部附近海域负的海温异常对6月鄂霍次克海地区阻塞高压的影响。首先,利用1951—2000年6月份的500hPa月平均位势高度资料计算了历年6月鄂霍次克海阻塞高压指数,并分析了它的变化规律。其次,对阻塞高压年和非阻塞高压年的500hPa位势高度及其异常进行合成和相关分析表明,阻塞高压年,鄂霍次克海地区存在明显的正高度异常,贝加尔湖附近为负高度异常,乌拉尔山附近为正异常,欧亚中高纬度地区纬向呈“ - ”型;日本东部为负高度异常,东亚呈偶极型。这种高度异常形势为鄂霍次克海阻塞形势的形成和维持提供了大尺度环流背景。对鄂霍次克海阻塞高压指数与同期北太平洋海温的分析结果表明,当鄂霍次克海阻塞高压活跃时,日本东部附近海域为明显的负海温异常。此外,对1998年6月的典型个例的分析也发现,当年强盛的阻塞形势维持时,日本东部附近存在强大的负海温异常。最后,设计假想的负海温异常试验,利用NCAR CAM3模式模拟了日本东部附近海域负的海温异常对初夏欧亚大气环流的影响。结果表明,在该地区5和6月加入较大负的海温异常后6月份鄂霍次克海地区500hPa会产生最大超过4dagpm的正位势高度异常并经检验显著,这种正的高度异常显然对鄂霍次克海阻塞高压的形成十分有利。     

凝结反馈对云层垂直发展影响的一个线性理论

根据小尺度垂直运动的线性分析,作者证明凝结反馈对云层的垂直发展有着很强的制约作用。这种制约作用在温度和湿度较大的情况下更为明显。作者引出了在凝结反馈作用下非定常运动中的频率公式和定常运动下的波速公式。这样,南方雨季中每次雨停时常常见到的云层迅速分层的现象得到了可能的理论解释。