温室气体对亚洲夏季风影响的数值研究

利用NCEP/NCAR再分析资料检验全球气候模式CAM5.1模拟亚洲夏季风的能力,CAM5.1模式能够较好再现亚洲夏季风的基本特征。通过工业革命前（1850年）、工业革命后（2000年）温室气体排放情景的敏感性试验探讨近现代温室气体增加对亚洲夏季风的影响机制。结果显示:温室气体增加导致亚洲大部分区域地面气温增加,印度半岛中部、中南半岛和中国东部地区夏季风增强,印度半岛中部及北部、中南半岛中北部和中国东部地区夏季降水增加。分析大气能量收支和转换发现,温室气体增加通过增强大气对流凝结潜热释放的方式加强大气热源;夏季陆地为暖区,不均匀加热引起全位能增加,从而增强全位能向辐散风动能的转换和辐散风动能向无辐散风动能的转换,最终导致这些区域夏季风增强。其中,对流凝结潜热增加是温室气体增加造成大气稳定度降低、对流活动加强、对流云厚度加大、对流降水增加的结果;同时,对流降水增加是总降水增加的主要原因。     

气溶胶对东亚冬季风影响的数值模拟

利用NCAR/UCAR CAM5.1模式研究气溶胶对东亚冬季风的影响。模式从1991—2010年运行20年,取2001—2010年冬季的结果。模式结果可以较好地再现东亚冬季风的主要特征。试验结果表明:气溶胶增加使我国东南部地区和东北亚地区（35°~55°N,115°~150°E）冬季风减弱,同时,造成我国东南部地区降水减少。其中,热源热汇的变化和无辐散风减弱为主要原因。气溶胶增加改变了大气热源的分布,造成在我国东南部地区热源减弱,热汇加强;我国东北地区热汇减弱,日本列岛热源加强;气溶胶增加使这些区域全位能的产生减弱,消耗加强。同时,凝结潜热的变化主要影响热源和热汇,其中大尺度过程产生的凝结潜热变化起主要作用。在我国东南部和东北亚地区辐散风动能向全位能的转换增加,造成辐散风减弱。故该区域辐散风向无辐散风的转换减弱,导致无辐散风减弱,最终造成东亚冬季风减弱。     

1979年5月东南亚夏季风的建立和青藏高原的作用

东南亚夏季风开始于5月,它是大气环流向夏季环流过渡的一个重要阶段。本文用FGGE-IIIb全球网格点资料,分析1979年4月26日到5月25日,大范围（40°S～50°N,30～160°E）温度、湿度和风场变化特征,计算了垂直速度、辐散风场、热源和水汽汇收支,研究了东南亚夏季风的性质和来源,其中着重分析了青藏高原的热力和动力作用与东南亚夏季风建立的关系。东南亚夏季风建立的主要因素是中纬度的环流形势,来自热带海洋的西南气流和青藏高原的作用。东南亚夏季风开始时,高空大气环流发生调整,青藏高原上空为波脊,两侧为波槽。低空东南亚夏季风区的辐合气流有四个来源:1）同经度范围的偏南辐散风,2）高原南侧的偏西辐散风,3）高原东侧的偏北辐散风,4）西太平洋上的偏东辐散风。分析表明,东南亚夏季风降水受高原西南侧的中纬度西风带波动影响。低空西南气流来源于80～120°E的南半球热带地区,西南气流输送水汽并且加强低空辐合。主要的热源位于东南亚,主要是潜热释放形成的,它是驱动东南亚夏季风环流的主要机制。整个分析期,青藏高原是一热源,抬升的感热加热和动力作用形成和维持了高原上空的高压脊和两侧的波槽,从而有助于东南亚夏季风的建立。     

辐散风作用下低频Rossby波的能量传播

文中研究了热力强迫所激发的辐散风对低频Rossby波能量传播的影响 ,推导出辐散风作用下的Rossby波的频散关系和群速度表达式。理论分析表明 :如果扰动流函数与速度势的位相差α∈ (0 ,π) ,那么辐散风将减小Ross by波的圆频率 ,增大群速度的纬向分量 ,加速Rossby波在纬向方向上的传播 ;辐散风对经向群速度的影响是比较复杂的。波射线的分析表明 ,在纬向基本气流为常数的情况下 ,辐散风作用下的低频Rossby波从初始位置到反射纬度的传播路径表现为一段光滑的大弧 ;对于周期为 30d、纬向波数k =3,4的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,波能量经向传播距离和纬向传播距离都增大。对于k =3的Rossby波 ,当辐散风减弱时 ,Rossby波的经向传播范围增大 ,但振幅强度减小。     

中南半岛春季土壤湿度异常对亚洲热带夏季风建立和发展的影响

利用WRF区域模式模拟分析了中南半岛地区春季土壤湿度异常对亚洲热带夏季风建立和发展的影响,结果表明:亚洲热带夏季风对中南半岛春季土壤湿度的响应是不对称的,当中南半岛春季土壤湿度偏高时,中南半岛及孟加拉湾周边地区呈现异常东风,伴随降水减少,季风减弱;而中南半岛春季土壤湿度偏低时,孟加拉湾及周边地区西风减弱,降水减少,季风也对应减弱。通过进一步分析物理机制得到,中南半岛春季土壤湿度异常偏高使季风建立初期感热减小,陆表温度明显降低,从而导致海陆温差逐渐降低,使季风减弱;而中南半岛春季土壤湿度异常偏低使整个中南半岛区域蒸发减少,导致地表向上输送的水汽减少,减弱季风环流和降水。此外,通过分析850 h Pa纬向风及对流层中上层经向温度梯度两项季风暴发指数,探讨了中南半岛春季土壤湿度异常对孟加拉湾东部季风暴发时间的影响,结果表明:中南半岛春季土壤湿度偏高时,孟加拉湾东部季风暴发时间大约推迟10天左右,而土壤湿度较低对亚洲热带夏季风暴发时间影响甚微。     

硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风进程的影响

本文利用全球气候—大气化学模式CAM5 并结合NCEP/NCAR（National Centers for EnvironmentalPrediction/National Center for Atmospheric Research）1950～2009 年再分析资料,讨论硫酸盐气溶胶直接辐射效应对东亚副热带季风爆发、发展和结束进程的影响。模拟结果表明:硫酸盐气溶胶通过直接辐射效应引起东亚大陆大部分地区近地面降温,进而降低了中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力对比,延迟春初、提早夏末海陆纬向热力差异逆转时间,由此引发东亚副热带季风爆发时间延后了4 候左右,结束时间提前了3 候左右;减小的海陆热力差异导致东亚大陆偏南风减弱、东亚季风减弱以及季风降水的区域调整。我们通过NCEP/NCAR 再分析资料分析亦发现,1980 年以后中纬度东亚大陆与西太平洋之间的纬向热力差异逆转时间比1980 年以前在春初延迟、夏末提前,导致了副热带季风爆发时间比1980 年之前延后,结束时间提前,东亚大陆偏南风减弱,副热带夏季风系统性减弱,硫酸盐直接辐射效应可能是造成这一结果的原因之一。以往的观测和模拟都表明,由于人为活动的增加,导致1980 年后东亚大陆硫酸盐气溶胶负荷较之前大幅增加,而东亚夏季风减弱,本文的研究进一步确认了两者间关系。     

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...     

亚洲夏季风指数的重新评估与季风的长期变化

使用NCEP/NCAR再分析资料对Webster与Yang的季风指数(WYI)进行计算和修改。WYI定义为850与200 hPa的纬向风差,但通过分析150—100 hPa和200 hPa的环流场、散度场与垂直运动场,发现200 hPa层并不能真正反映亚洲季风系统上层环流的变化,尤其是其最主要的环流特征即热带东风急流的变化,其核心位于150—100 hPa。纬向风切变U850-U(150 100)的值比U850-U200的值远大得多,更能真实反映季风的强度,并且与低层辐合耦合在一起的高层辐散最大位于150 hPa,在对流层高层取150 hPa比200 hPa更能反映季风系统的耦合关系。因此,在对流层上层选择150—100 hPa重新定义季风指数(DHI)为IDH=U8*50-U(*150 100),不但可以更好地表征亚洲纬向风切变中心的强度变化,也可以代表对流层上下层季风系统的变率。分别用季风指数DHI和WYI对亚洲夏季风的长期变化进行研究,发现DHI比WYI更合适。DHI的变化表明亚洲夏季风存在明显的年代际变化及突变,20世纪70年代末之后显著减弱,这主要是由于150—100 hPa层东风的减弱,但这种东风的减弱现象在200 hPa不明显。突变后总的来说:亚洲地区高层东风减弱,表明夏季风减弱;海陆气压差和海陆温差的减小导致季风减弱;相应高空辐散和水汽输送在印度半岛、中南半岛中部、中国华北与东北地区都是减弱的,也表明夏季风减弱。最后比较NCEP/NCAR和ERA-40两种再分析资料研究亚洲夏季风的强度及其长期变化的差异,以作参考。     

中国东部地区人为气溶胶影响东亚夏季风爆发和推进过程的数值模拟

使用一个高分辨率的公用大气环流模式(CAM5.1)研究我国东部地区人为气溶胶对东亚夏季风爆发和推进过程的影响。结果表明,CAM5.1模式能很好地模拟出南海夏季风爆发前后大尺度环流的季节性转变。南海夏季风在中国东部地区人为气溶胶的影响下提前2候爆发,并且可能是影响1993年后南海夏季风提前爆发的重要原因。人为气溶胶使得低纬度地区的东西风分界线在5月中旬明显向东扩展,南海地区出现显著的西/西南风差值气流,同时赤道纬向西风提前向北增强。人为气溶胶中硫酸盐和黑碳气溶胶含量的季节变化通过改变大气的热力结构,影响我国东部地区大气低层环流场,减弱夏季风前期北上的西南风暖湿气流,而相反地增强了其盛期在华北地区的偏南风分量,造成东亚夏季风北边缘从5月上旬—6月初缓慢北移至长江中下游地区,而后在7月中旬加速向北推进,且到达的最北位置要偏北1个纬度。     

青藏高原季风活动与大气热源/汇的关系

利用1948-2013年NCEP/NCAR逐日和逐月再分析资料分析了青藏高原(下称高原)大气冷热源转换日期与高原季风爆发日期及二者强度的关系。结果表明:近66年来高原Q1呈现明显的季节变化,热汇最强在1月,热源最强在7月;高原由热汇转变为热源的日期大致在15候,而热源转变为热汇则大致在58候;高原热力作用与高原夏季风强度呈正相关关系,即当大气热源强(弱)时,高原夏季风强(弱);热源强(弱)年高原主体气流辐合较强(弱),而高原四周辐散较强(弱);高原主体与四周大气热力差异也呈明显的季节转变,7月高原主体与其四周大气的热力差和高原季风呈正相关,即当高原主体热源较四周大气强(弱)时,高原夏季风就越强(弱)。     

CHARACTERISTICS OF 10-DAY MEAN SURFACE SENSIBLE HEAT FLUX VARIATIONS IN THE SCS MONSOON REGION AND POSSIBLE CONNECTIONS WITH THE SCS SUMMER MONSOON ONSET*

The time and space variations of the ten-day mean surface sensible heat flux have been analyzed in this paper based on the data of NCEP/NCAR from January of 1979 to December of 1995 in the South China Sea (SCS) monsoon region.It is found that large variations of the surface sensible heat flux standard deviations exist in the northwestern Indochina Peninsula and the Indian Peninsula regions,and their locations and strength change significantly during the onset period of SCS monsoon.The negative deviations appear evidently earlier in the Indocbina Peninsula than in the Indian Peninsula but the deviation strength in the Indian Peninsula is stronger than that in the Indochina Peninsula.The appearance of the zonal negative mean deviations in the southern part of the Indochina Peninsula corresponds to the date of the SCS summer monsoon onset,while the occurrence of the deviation decrease corresponds to the date of the South Asian monsoon onset.The sensible heat flux increases dekad by dekad before the onset of the summer monsoon in the Indian Peninsula and the Indochina Peninsula and decreases after the monsoon onset.Therefore,the surface sensible heat flux changes in the Indochina and the Indian Peninsula regions maybe have some connections with the SCS monsoon onset and the Indian monsoon onset,and the Indochina Peninsula maybe becomes the sensitive or key region to the SCS monsoon onset and the land maybe plays an important role in triggering summer monsoon onset.     

人为气溶胶对中国东部冬季风影响的模拟研究

采用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1研究了人为气溶胶排放增加对中国东部冬季风的影响,同时通过对比中国东部地区不同人为气溶胶排放源的敏感性试验结果,探讨了人为硫酸盐、黑碳及总人为气溶胶(硫酸盐+黑碳)增加对东亚冬季风的影响。结果表明:冬季硫酸盐气溶胶排放增加的直接和第一间接效应减少了到达地表的短波辐射通量,引起了陆地地表和对流层低层降温,海平面气压升高,增加了海陆间气压梯度,使得东亚冬季风增强。其第二间接效应导致中国南部大尺度降水率减少;黑碳气溶胶排放增加导致到达地表的短波辐射通量减少和大气中短波辐射通量增加,其半直接效应部分抵消了直接效应,故地表温度变化微小且不显著。加热的对流层低层导致中国南部对流活动和对流降水率增加;总人为气溶胶排放增加导致的大气温度变化表现为弱的降温作用,引起中国北部对流和大尺度降水率减少,而南部对流降水率增加。总人为气溶胶和黑碳气溶胶排放增加是导致中国北(南)部的东亚冬季风增强(减弱)的重要因素。     

CHARACTERISTICS OF 10-DAY MEAN SURFACE SENSIBLE HEAT FLUX VARIATIONS IN THE SCS MONSOON REGION AND POSSIBLE CONNECTIONS WITH THE SCS SUMMER MONSOON ONSET

The time and space variations of the ten-day mean surface sensible heat flux have beenanalyzed in this paper based on the data of NCEP/NCAR from January of 1979 to December of1995 in the South China Sea(SCS)monsoon region.It is found that large variations of the surfacesensible heat flux standard deviations exist in the northwestern Indochina Peninsula and the IndianPeninsula regions,and their locations and strength change significantly during the onset period ofSCS monsoon.The negative deviations appear evidently earlier in the Indocbina Peninsula than inthe Indian Peninsula but the deviation strength in the Indian Peninsula is stronger than that in theIndochina Peninsula.The appearance of the zonal negative mean deviations in the southern part ofthe Indochina Peninsula corresponds to the date of the SCS summer monsoon onset,while theoccurrence of the deviation decrease corresponds to the date of the South Asian monsoon onset.The sensible heat flux increases dekad by dekad before the onset of the summer monsoon in theIndian Peninsula and the Indochina Peninsula and decreases after the monsoon onset.Therefore,the surface sensible heat flux changes in the Indochina and the Indian Peninsula regions maybe havesome connections with the SCS monsoon onset and the Indian monsoon onset,and the IndochinaPeninsula maybe becomes the sensitive or key region to the SCS monsoon onset and the land maybeplays an important role in triggering summer monsoon onset.     

2004年南海夏季风的爆发及中南半岛陆面-过程的可能影响Ⅱ： 数值试验

在对南海夏季风的爆发及中南半岛陆面过程的可能影响进行了诊断分析的基础上,应用MM5/NOAHLSM模式,研究了中南半岛陆气相互作用对2004年南海夏季风爆发过程的可能影响。结果发现:在南海夏季风爆发前,中南半岛南海地区低层气温差确实出现低值,甚至负值;尽管短期内中南半岛土壤湿度和降水的变化没有引起季风爆发日期的改变,但对季风爆发的强度有影响。土壤湿度和降水变化引起的干异常可导致地表感热通量的增大和地表温度的升高,致使中南半岛与南海之间低层的温差异常(负温差)减小,季风爆发强度减弱;不同的是,湿异常可引起季风爆发强度增强。这一结果说明,在南海夏季风爆发前期,中南半岛上空对流活动和降水异常及其引起的土壤湿度的异常变化在一定程度上会影响到季风爆发的过程。文章还比较了不同温湿地表条件下低层大气状态的差异和地表能量、水分平衡过程的不同,分析了陆气相互作用对季风活动产生影响的物理机制。     

A review of recent advances in research on Asian monsoon in China

This paper reviews briefly advances in recent research on monsoon by Chinese scholars, including primarily： （1） the establishment of various monsoon indices. In particular, the standardized dynamic seasonal variability index of the monsoon can delimit the geographical distribution of global monsoon systems and determine quantitatively the date of abrupt change in circulation. （2） The provision of three driving forces for the generation of monsoon. （3） The revelation of the heating-pump action of the Tibetan Plateau, which strengthens southerlies in the southern and southeastern periphery of the Plateau and results in a strong rainfall center from the northern Bay of Bengal （BOB） to the Plateau itself. （4） Clarification of the initial onset of the Asian Summer Monsoon （ASM） in the BOB east of 90°E, Indochina Peninsula （ICP） and the South China Sea, of which the rapid northward progression of tropical convection in the Sumatra and the rapid westward movement of the South Asia High to the Indochina Peninsula are the earliest signs. （5） The provision of an integrated mechanism for the onset of the East Asian Summer Monsoon （EASM）, which emphasizes the integrated impact of sensible heat over Indian Peninsula, the warm advection of the Tibetan Plateau and the sensible heat and latent heat over the Indochina Peninsula on the one hand, and the seasonal phase-lock effect of the northward propagation of low frequency oscillation on the other. （6） The revelation of the ＂planetary-scale moisture transport large-value band＂ from the Southern Hemisphere through to the Asian monsoon region and into the North Pacific, which is converged by several large-scale moisture transport belts in the Asian-Australian monsoon regions and whose variation influences directly the temporal and spatial distribution of summer rainfall in China. （7） Presenting the features of the seasonal advance of the EASM, the propagation of intraseasonal oscillation, and their relationship with rainfall in Ch     

Causes of mid-Pliocene strengthened summer and weakened winter monsoons over East Asia

The mid-Pliocene warm period was the most recent geological period in Earth's history that featured long-term warming.Both geological evidence and model results indicate that East Asian summer winds(EASWs) strengthened in monsoonal China, and that East Asian winter winds(EAWWs) weakened in northern monsoonal China during this period, as compared to the pre-industrial period. However, the corresponding mechanisms are still unclear. In this paper, the results of a set of numerical simulations are reported to analyze the effects of changed boundary conditions on the mid-Pliocene East Asian monsoon climate, based on PRISM3(Pliocene Research Interpretation and Synoptic Mapping) palaeoenvironmental reconstruction. The model results showed that the combined changes of sea surface temperatures, atmospheric CO2 concentration,and ice sheet extent were necessary to generate an overall warm climate on a large scale, and that these factors exerted the greatest effects on the strengthening of EASWs in monsoonal China. The orographic change produced significant local warming and had the greatest effect on the weakening of EAWWs in northern monsoonal China in the mid-Pliocene. Thus,these two factors both had important but different effects on the monsoon change. In comparison, the effects of vegetational change on the strengthened EASWs and weakened EAWWs were relatively weak. The changed monsoon winds can be explained by a reorganization of the meridional temperature gradient and zonal thermal contrast. Moreover, the effect of orbital parameters cannot be ignored. Results showed that changes in orbital parameters could have markedly affected the EASWs and EAWWs, and caused significant short-term oscillations in the mid-Pliocene monsoon climate in East Asia.     

IMPACT OF DESERT DUST ON THE EAST ASIAN SUMMER MONSOON

The radiative forcing (RF) of Asian desert dust and its regional feedbacks to the East Asian summer monsoon (EASM) system are investigated with a coupled regional climate-desert dust model. The statistical significance of desert dust effects are analyzed through 20 summer seasons (1990-2009). In order to estimate the dust effects reasonably, some improvement has been achieved for the coupled model, including the updates of optical properties and desert source area distribution. We find that the desert dust can result in a roughly weakened monsoon in eastern China, Korean Peninsula, Japan and Indian Peninsula and a strengthened monsoon in Indochina Peninsula in the lower troposphere. Moreover, the precipitation comparisons between observational data and simulated patterns are also suggestive of the desert dust effect on the EASM. In the upper troposphere, the southward shift of the westerly jet (WJ) by the dust effect can be seen as an indicator of the weakened monsoon in great part of the monsoon areas. The change of the moist static energy (MSE) contrast between land and ocean is the main reason for the EASM variations.     

中国南海夏季风强、弱年多尺度相互作用能量学特征

中国南海夏季风为东亚季风的主要系统之一,其具有多重尺度特征,除季节平均环流场外,低频（季节内振荡）和高频（天气尺度）扰动也十分活跃,各尺度系统存在明显的年际变化。该研究使用ERA-Interim和NCEP/NCAR两套再分析资料,从季风平均动能（MKE）诊断的角度出发,探讨了1979-2010年中国南海夏季风环流年际变化的能量来源及其和扰动场的相互作用过程。结果表明:中国南海夏季风对流活跃年份,中国南海南部（12°N以南）及中南半岛一带为季风平均动能显著增强区,此与南亚季风区西风急流的增强并向东延伸有关;中国南海北部（12°N以北）及西太平洋为气旋性环流盘踞,季风槽加深。中国南海南部季风平均动能增强的能量源自于扰动动量通量与平均环流的相互作用,强季风年,平均环流失去较少的动能给扰动场（亦即平均环流保留较多的动能）。通过进一步探讨高频（<10 d）及低频（10-90 d）扰动场与平均环流不同分量的（散度、涡度、风垂直切变）相互作用过程,发现季风平均动能的增长主要来自于<10 d扰动与季风平均散度和涡度的相互作用。中国南海北部季风槽区季风平均动能的维持来自于大气热源和平均上升运动的相互作用,但同时有较多的季风平均动能向扰动动能转换,有利于扰动的成长。因此,强季风年,中国南海北部热带气旋生成数目增多,夏季北传的季节内振荡也增强,导致中国南部沿海及华南地区出现较多的灾害天气。