南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

夏季青藏高原地面热源和高原低涡生成频数的日变化

通过1981—2010年NCEP/NCAR再分析资料,分析出夏季青藏高原地面热源具有强烈的日变化,白天高原是强热源,夜间高原地面转变为弱热汇,日较差可达420 W·m~(-2),呈由西向东递减分布。其中地面感热和潜热加热的日变化均十分明显,日较差分别可达300 W·m~(-2)和200 W·m~(-2);感热加热的日变幅由西北向东南递减,而潜热加热由南向北递减。同时,利用人工识别的高原低涡数据集初步分析了夏季高原低涡生成频数的日变化,发现夜间生成的高原低涡频数略高于白天,其中00 UTC的低涡源地主要在西藏那曲和林芝(工布江达),12 UTC低涡源地主要在西藏那曲和青海玉树。     

Diurnal and inter-monthly variation of land surface heat fluxes over the central Tibetan Plateau area

Summary The energy and water cycle over the Tibetan Plateau play an important role in the Asian monsoon system, which in turn is a major component of both the energy and water cycles of the global climate system. Using field observational data observed from the GAME/Tibet (GEWEX (Global Energy and Water cycle Experiment) Asian Monsoon Experiment on the Tibetan Plateau) and the CAMP/Tibet (CEOP (Coordinated Enhanced Observing Period) Asia-Australia Monsoon Project (CAMP) on the Tibetan Plateau), some results on the local surface energy partitioning (diurnal variation, inter-monthly variation and vertical variation etc.) are presented in this study.The study on the regional surface energy partitioning is of paramount importance over heterogeneous landscape of the Tibetan Plateau and it is also one of the main scientific objectives of the GAME/Tibet and the CAMP/Tibet. Therefore, the regional distributions and their inter-monthly variations of surface heat fluxes (net radiation flux, soil heat flux, sensible heat flux and latent heat flux) are also derived by combining NOAA-14/AVHRR data with field observations. The derived results were validated by using the ground truth, and it shows that the derived regional distributions and their inter-monthly variations of land surface heat fluxes are reasonable by using the method proposed in this study. Further improvement of the method and its applying field were also discussed.     

The Regional Surface Heating Field over the Heterogeneous Landscape of the Tibetan Plateau Using MODIS and In-Situ Data

In this study,a parameterization scheme based on Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data and in-situ data was tested for deriving the regional surface heating field over a heterogeneous landscape.As a case study,the methodology was applied to the whole Tibetan Plateau (TP) area.Four images of MODIS data (i.e.,30 January 2007,15 April 2007,1 August 2007,and 25 October 2007) were used in this study for comparison among winter,spring,summer,and autumn.The results were validated using the observations measured at the stations of the Tibetan Observation and Research Platform (TORP).The results show the following:(1) The derived surface heating field for the TP area was in good accord with the land-surface status,showing a wide range of values due to the strong contrast of surface features in the area.(2) The derived surface heating field for the TP was very close to the field measurements (observations).The APD (absolute percent difference) between the derived results and the field observations was <10%.(3) The mean surface heating field over the TP increased from January to April to August,and decreased in October.Therefore,the reasonable regional distribution of the surface heating field over a heterogeneous landscape can be obtained using this methodology.The limitations and further improvement of this method are also discussed.     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)”中那曲地区BJ站2002年8月1日\_2003年8月31日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

Estimation of Land Surface Temperature over the Tibetan Plateau Using AVHRR and MODIS Data

Estimation of large-scale land surface temperature from satellite images is of great importance for the study of climate change. This is especially true for the most challenging areas, such as the Tibetan Plateau (TP). In this paper, two split window algorithms (SWAs), one for the NOAA’s Advanced Very High Resolu-tion Radiometer (AVHRR), and the other for the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), were applied to retrieve land surface temperature (LST) over the TP simultaneously. AVHRR and M...     

青藏高原夏季地面热源的气候特征及其对高原低涡生成的影响

根据NCEP/DOE再分析资料的地面感热通量和潜热通量以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,研究了近30年来青藏高原夏季地面热源和高原低涡生成频数的气候学特征,分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因.得到如下认知:夏季高原地面感热通量的气候均值为58 W m-2,近30年地面感热总体呈微弱的减小趋势.其中在1980年代初期和21世纪前10年的大部分时段,地面感热呈增大趋势,而中间时段呈波动式下降.地面感热具有准3年为主的周期振荡,1996年前后是其开始减弱的突变点.高原夏季地面潜热通量的气候均值为62 W m-2,近30年呈波动状变化并伴有增大趋势.地面潜热的周期振荡以准4年为主,地面潜热增大的突变始于2004年前后.夏季高原地面热源的气候均值为120 W m-2,其中地面感热与地面潜热对地面热源的贡献在夏季大致相当.地面热源总体呈幅度不大的减弱趋势,其中1980年代到1990年代末偏强,21世纪前6年明显偏弱,随后又转为偏强.地面热源亦呈准3年为主的周期振荡并在1997年前后发生由强转弱的突变.根据MICAPS天气图资料的识别和统计,近30来夏季高原低涡的生成频数整体呈现一定程度的线性减少趋势,低涡高发期主要集中在1980年代到1990年代中后期.低涡生成频数有准7年为主的周期振荡现象,自1990年代中期开始的低涡生成频数的减少态势在1998年前后发生了突变.夏季高原低涡生成频数与同期高原地面感热呈高度正相关,与地面潜热呈一定程度的负相关,但与同期地面热源仍呈较显著的正相关.因此,在气候尺度上,高原地面热源偏强特别是地面感热偏强的时期,对应高原低涡的多发期.本研究从气候统计的时间相关性角度揭示了高原地面加热作用对催生高原低涡乃至高原对流活动的重要性.     

基于OLR资料的青藏高原地区对流活动研究

本文利用1980～2019年美国NOAA系列卫星观测的向外长波辐射（OLR）月平均资料和欧洲中心ERA5月平均地表热通量资料,研究青藏高原（以下简称高原）地区OLR与对流活动的时空分布及其演变特征,以及地表热通量与高原夏季对流活动之间的关系。结果表明:高原地区平均OLR强度由高原周边地区向中部递减,高原东部OLR低于西部,高原东部对流活动显著强于西部;近40年高原OLR总体呈较平稳的增强趋势,存在显著的6年与2～3年的周期特征,对流活动总体呈缓慢减弱趋势,但不同区域不同季节对流活动的变化趋势存在差异,其中夏季高原对流活动呈增强趋势,其他季节则以减弱趋势为主。各季节在高原三江源地区附近对流活动均呈减弱趋势,在高原南部喜马拉雅山脉北侧地区,对流活动则呈一致的增强趋势。夏季高原地表潜热通量普遍强于地表感热通量,且二者分布型近似相反。高原对流活动演变与地表感热、潜热通量均有关,且与地表感热通量的关系更为密切,二者之间普遍存在负相关关系,且在高原西部最为显著;地表潜热通量与高原东西部对流活动间相关呈东西向偶极型分布,在高原西部二者之间存在正相关关系,在高原东部则表现为负相关。     

Interannual Variability of Late-spring Circulation and Diabatic Heating over the Tibetan Plateau Associated with Indian Ocean Forcing

The thermal forcing of the Tibetan Plateau(TP) during boreal spring,which involves surface sensible heating,latent heating released by convection and radiation flux heat,is critical for the seasonal and subseasonal variation of the East Asian summer monsoon.Distinct from the situation in March and April when the TP thermal forcing is modulated by the sea surface temperature anomaly(SSTA) in the North Atlantic,the present study shows that it is altered mainly by the SSTA in the Indian Ocean Basin Mode(IOBM) in May,according to in-situ observations over the TP and MERRA reanalysis data.In the positive phase of the IOBM,a local Hadley circulation is enhanced,with its ascending branch over the southwestern Indian Ocean and a descending one over the southeastern TP,leading to suppressed precipitation and weaker latent heat over the eastern TP.Meanwhile,stronger westerly flow and surface sensible heating emerges over much of the TP,along with slight variations in local net radiation flux due to cancellation between its components.The opposite trends occur in the negative phase of the IOBM.Moreover,the main associated physical processes can be validated by a series of sensitivity experiments based on an atmospheric general circulation model,FAMIL.Therefore,rather than influenced by the remote SSTAs of the northern Atlantic in the early spring,the thermal forcing of the TP is altered by the Indian Ocean SSTA in the late spring on an interannual timescale.     

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。     

甘肃马衔山区陆面过程与降水的研究

采用定西的麦田微气象观测,定西、兰州的辐射观测和马衔山区34个气象、水文和雨量站的气候资料,结合NOAA-16卫星的AVHRR资料以及反演的地表植被盖度和反射率,并用SEBAL算法推导出夏季地表净辐射、感热、潜热、土壤热通量密度的区域分布特征,并分析陆面过程对降水的影响。结果表明:本区降水的空间分布与夏季植被盖度对应最好,相关系数高达0.722,其次是土壤热通量和潜热通量,相关系数分别为-0.65和0.615。这表明森林通过降低地表反射率和表面温度,不仅增加地表净辐射,而且减少其用于感热和土壤热通量的消耗。由于林区地表水分多,从而将接收较多的太阳辐射能主要用于蒸散,增加边界层中的水汽。故林区降水远大于植被稀疏的半干旱黄土梁。     

6种地表热通量资料在伊朗—青藏高原地区的对比分析

基于JRA25、ERA40、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2和20CR,对比了不同资料中气候平均(1979—2008年)伊朗—青藏高原感热通量和波文比的季节演变,以及夏季高原感热的年际变率和线性趋势。6套资料均表明,由春到夏亚洲大地形区域地表热状况的季节演变存在明显差异,青藏高原东南部低空气旋生成,一方面增多了局地降水,减弱了地表西风,造成潜热加强,感热减弱,波文比减小;另一方面加强了伊朗高原的东北风,抑制了当地降水,令感热加强,波文比增加,构成了青藏—伊朗高原感热通量季节演变的纬向非对称分布。虽然近30 a来伊朗高原(青藏高原)夏季感热线性增加(减小)的趋势一致,但不同资料所反映的伊朗—青藏高原夏季感热通量的年际变化差别明显。     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征

利用GAME/Tibet 1998年IOP观测资料,分析研究藏北高原草甸下垫面近地层的地面加热场、地表能量平衡、地面阻曳系数CD及感热通量整体输送系数CH等特征,得到了一些有关藏北高原草甸下垫面近地层能量输送及微气象特征结构的新认识.     

2014年夏季青藏高原狮泉河与林芝降水低频振荡及陆—气过程日变化特征

根据“第三次青藏高原大气科学试验” 2014年7、8月青藏高原西南部狮泉河站、东南部林芝站的3 m涡动相关系统原始数据和10 Hz湍流资料以及中国气象局台站观测资料、JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）逐日再分析资料、GPCP（Global Precipitation Climatology Project）全球降水逐日观测资料,分别讨论了这两个站在10~20天低频振荡的天气背景下其干、湿位相近地层气象要素的日变化特征以及湍流变化特征。结果表明:两站高低空环流场、水汽通量场、热源的10~20天低频分量在其干、湿位相期间的配置相反。低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。狮泉河站的低频振荡在纬向上自西向东传播,而林芝站的低频振荡在纬向上自东向西传播,结果表明这两个站分别存在两种不同起源的低频振荡。两站干、湿位相的近地面气象要素以及湍流通量具有明显的日变化特征,通常温度极大值出现在午后14时（北京时,下同）,但狮泉河站干、湿位相的温度极大值均出现在夜间20时;由波文比可知,狮泉河站湿位相全天以潜热为主导,干位相期间,06时之前以潜热为主,06时之后以感热为主;林芝站干、湿位相均为08时之前以感热为主,08时之后以潜热为主。两站湍流平均动能与平均风速正相关,垂直动量表现为向下传输,热量和水汽表现为向上传输。     

青藏高原地面热源对亚洲季风爆发的热力影响

利用多年NCEP/NCAR再分析全球逐候平均气象场资料和逐旬感热、潜热资料，对亚洲夏季风爆发期间青藏高原及其邻近地区地面加热场的特征进行分析。着重讨论了高原和邻近地区感热加热对亚洲夏季风爆发的影响，具体分析了高原感热加热对亚洲夏季风推进的影响机制，以及对热带低层西风气流的作用。结果发现，中纬度主原的感热加热所造成的经、纬向热力差异是导致亚洲夏季风爆发的原因。亚洲夏季风建立区域和时间的差异与高原感热加热的区域性有关。高原感热加热在南海夏季风爆发前后对南海地区低层西风所流所起的作用不同，在季风爆发前是加速低层西风，在季风爆发后起削弱西风气流的作用。对亚洲夏季风爆发早年和晚年的感热加热进行了对比分析，发现亚洲夏季风爆发时间的年际变化与热源的年际变化有关。     

青藏高原感热指数的建立及与华南降水的联系

利用1982-2012年青藏高原中东部70个气象站的月平均地面感热资料、华南地区92个气象站的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料和SEOF（season reliant EOF）方法选取了4个高原代表站,建立了青藏高原地面感热强度距平指数（I_SH）,并讨论了春季I_SH与华南盛夏（7月和8月）降水的关系。结果表明:I_SH可以较好地表征青藏高原中东部地面感热的年际变化特征,且具有更好的持续性。春季I_SH与华南盛夏降水具有显著的负相关关系,当春季I_SH偏大时,后期对流层中上层高度场异常偏高,且高度场异常偏高的响应随时间从低层向高层传递,使夏季副热带高压偏强、偏西,南亚高压异常偏强,华南地区盛夏降水偏少;反之亦然。此外,去除Ni?o3.4区海温对华南盛夏降水影响后,两者的负相关关系变得更为显著。     

Influence of Late Springtime Surface Sensible Heat Flux Anomalies over the Tibetan and Iranian Plateaus on the Location of the South Asian High in Early Summer

Variation in the location of the South Asian High(SAH) in early boreal summer is strongly influenced by elevated surface heating from the Tibetan Plateau(TP) and the Iranian Plateau(IP). Based on observational and ERA-Interim data,diagnostic analyses reveal that the interannual northwestward–southeastward(NW–SE) shift of the SAH in June is more closely correlated with the synergistic effect of concurrent surface thermal anomalies over the TP and IP than with each single surface thermal anomaly over either plateau from the preceding May. Concurrent surface thermal anomalies over these two plateaus in May are characterized by a negative correlation between sensible heat flux over most parts of the TP(TPSH)and IP(IPSH). This anomaly pattern can persist till June and influences the NW–SE shift of the SAH in June through the release of latent heat(LH) over northeastern India. When the IPSH is stronger(weaker) and the TPSH is weaker(stronger)than normal in May, an anomalous cyclone(anticyclone) appears over northern India at 850 hPa, which is accompanied by the ascent(descent) of air and anomalous convergence(divergence) of moisture flux in May and June. Therefore, the LH release over northeastern India is strengthened(weakened) and the vertical gradient of apparent heat source is decreased(increased)in the upper troposphere, which is responsible for the northwestward(southeastward) shift of the SAH in June.     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

青藏高原春季土壤湿度异常对我国夏季降水影响的模拟研究

利用耦合的全球海气模式（NCAR CCSM3）, 对青藏高原春季土壤湿度异常影响我国夏季7月降水的机制进行了数值模拟。结果表明, 高原6~62 cm深度的中层土壤湿度异常与表层土壤湿度异常有很好的一致性, 相对而言, 中层土壤湿度异常的持续性较好。若5月高原中层土壤偏湿, 则春末至夏初高原地面蒸发、 潜热通量增加, 而感热通量、 地面温度降低, 高原表面的加热作用减弱, 使得印度高压西撤偏晚, 环流系统的季节性转换偏晚, 东亚地区形成有利于我国夏季出现第I类雨型的环流分布形势, 使我国东部雨带偏北, 华北地区多雨, 江淮地区降水偏少, 华南地区降水偏多; 反之亦然。