青藏高原不同海拔地表感热的年际和年代际变化特征及其成因分析

利用1961-2014年中国气象观测站逐日常规资料,分析了在不同季节和不同海拔上,青藏高原地表感热的气候态特征以及热量拖曳系数和密度对地表感热计算的影响,并研究了高原地表感热在年际、年代际以及趋势变化上的时空分布特征;最后定量研究了表面风速与地气温差在年际和年代际时间尺度上对地表感热变化的相对贡献。结果表明,使用实际密度和常热量拖曳系数的总体动力学公式计算的地表感热最为合理;总体来说高原地表感热随着高度上升而增加,春季最大,秋季与冬季最小;空间分布上,春季高原东南部大北部小,夏季南部小北部大。春季年际、年代际地表感热经验正交函数分解第一模态空间型分别具有高原南北反向分布和高原主体与其东北反向分布的特征,夏季与之相似。高原整体而言,20世纪60-70年代末(春季)或70年代初(夏季),地表感热增加,其后至21世纪00年代初地表感热下降,之后又上升。在显著下降的1979-2003年间,春夏两季地表感热变化趋势分布均呈一致性的减弱,其中南部减弱最为显著。平均而言,在年际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献与地气温差对地表感热的贡献大小相当;而在年代际时间尺度上,表面风速对地表感热的贡献大于地气温差对地表感热的贡献。     

青藏高原春季地表感热异常对西北地区东部降水变化的影响

利用青藏高原地区代表站点的实测地表热通量数据、JRA-55和NCEP再分析资料以及中国西北地区东部代表站点的降水资料等数据,通过波文比分析、奇异值分析(下称SVD)以及环流场的合成分析等方法,研究了青藏高原地区春季地表加热场异常与同期中国西北地区东部降水变率的关系,结果表明:(1)高原春季波文比值的变化反映出高原地表的非绝热加热中,春季感热加热的贡献较为显著,是高原春季地表加热的主要成分;(2)SVD分析表明,春季高原地表感热的异常与同期中国西北地区东部的降水存在负相关关系,春季高原地表感热增强的年份,中国西北地区东部的春季降水减少;(3)春季地表感热强-弱年的高原周边垂直环流偏差场表明,春季高原地表感热的年际异常增强(减弱)会引起高原周边地区的垂直环流场上升气流的减弱(增强);(4)相对涡度场、位势高度场、风场和水汽通量散度场的合成分析表明,春季高原地表感热偏强的年份,中国西北地区东部对流层高层以正涡度和气流的辐合运动异常为主,中低层以负涡度和辐散下沉运动异常为主,因此中国西北地区东部春季的水汽辐合由低层向高层逐渐减弱,不利于春季降水的发生。     

青藏高原中东部地区地表感热通量的时空变化特征

基于1970—2015年青藏高原地区78个站点的观测资料,应用物理方法计算了高原中东部地区的感热通量。利用小波分析、相关性分析等研究了高原中东部感热通量的时空特征和影响因子。结果表明,高原年平均和春夏季节,感热通量周期为3~4 a,而秋冬季节为2~3 a;感热通量的变化趋势为,1970—1980年和2001—2015年感热通量呈增加趋势,而1981—2000年呈减小趋势;高原年平均和各季节的最强感热加热中心均位于高原南坡E区（除冬季外),最弱加热区域位于高原西北部A区（夏季除外);高原春秋季节感热通量的空间分布均匀,冬夏季节有明显的梯度分布且梯度相反,夏季呈现自东到西的梯度;春季、夏季及秋季,高原感热通量和降水呈负相关;高原10 m风速的极值中心随季节北上南撤变化与地气温差的强弱变化共同决定了感热通量的季节变化。     

CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原（以下简称高原）气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率（逐小时）综合观测数据集（2005～2016）、国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979～2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。     

基于多种资料的青藏高原地表感热的对比分析

青藏高原地表感热通量是高原热源的主要分量之一,对高原局地天气系统、我国天气气候以及亚洲季风等都有着重要影响。选取1980～2016年青藏高原的站点资料和ERA-Interim、NCEP1、NCEP2再分析资料,计算高原地表感热通量的分布状况和时间变化特征并对不同资料得到的结果进行比较分析,结果表明:4种资料在夏季的空间分布、年际变化,高原中部的年际变化,以及长期变化趋势上具有较好的一致性,其中ERA-Interim感热资料较优于其他两种再分析资料。青藏高原的地表感热通量分布呈西高东低的特征,年均最大值出现在柴达木盆地,最小值位于贡山;区域平均值春季最大,冬季最小。感热逐月变化呈单峰型分布,不同分区的年际变化均在2001年或2003年由减弱趋势转变为增强趋势。      

青藏高原地面加热场年际变化特征及其与西风急流关系研究

利用ERA-Interim地表热通量再分析资料(包含感热通量及潜热通量数据)分析了1979年3月至2009年2月青藏高原地区(下称高原)地面加热场的时空分布特征及其年际变化趋势。突出青藏高原地面加热场与西风急流的联系,分别探讨了青藏高原春季感热及潜热变化的可能影响机制。结果表明:(1)高原感热空间分布大体呈现为自西北向东南递减的特征,潜热与感热呈反相的空间格局,自西北向东南逐渐增强。(2)相比于夏、秋、冬三季,春季高原地表热通量年际变化特征较为突出,其中感热通量显著减少,潜热通量显著增加[分别为-1.83和0.79 W·m~(-2)·(10a)~(-1)],该趋势和全年平均热通量年际变化情况一致。(3)就年际变化而言,春季感热通量与潜热通量之间存在明显的负相关(相关系数为-0.69),表明可能存在某一气候因子使得春季感热减弱而使潜热增强。进一步分析发现,高原地面加热场与西风急流存在密切的联系,春季西风急流的减弱在影响高原感热强度的同时,对高原潜热也具有较大影响。其可能影响机制如下:受高原上空西风急流减弱的影响,高原地表风速减弱从而导致感热通量显著减少;春季西风急流的减弱导致印缅槽的增强,在孟加拉湾上空形成一异常气旋环流,使该地区对流增强、水汽上升异常,同时气旋中北向暖湿气流将水汽携带至高原南侧,并通过影响高原降水量改变其潜热通量。     

春夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时空分布特征及相互联系

伊朗高原和青藏高原热力作用对东亚区域气候具有重要影响。基于1979—2014年欧洲中心ERA-interim月平均再分析地表热通量资料,分析了春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时、空分布特征以及春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的关系。结果表明,春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量在季节、年际和年代际尺度上具有不同的时、空分布特征。对于青藏高原,春、夏季地表感热呈西部大东部小、地表潜热呈东部大西部小;地表感热在春季最大且大于地表潜热,地表潜热在夏季最大且大于地表感热。在年际时间尺度上,春、夏季青藏高原地表热通量异常的年际变化在东、西部不一致,青藏高原西部,地表感热与地表潜热有较强的负相关关系。青藏高原地表感热异常具有很强的持续性,当春季地表感热较强（弱）时,夏季高原地表感热同样较强（弱）。青藏高原东部与西部地表热通量的年代际变化有明显差异,春（夏）季青藏高原东部地表感热呈显著的年代际减弱趋势,1998（2001）年发生年代际转折,由正异常转为负异常;而青藏高原西部地表感热在春季则有显著的增大趋势,2003年发生年代际转折,由负异常转为正异常。青藏高原东部地表潜热仅在春季为显著减弱趋势,2003年出现年代际转折,由正异常转为负异常;青藏高原西部地表潜热在春、夏季都有显著减弱趋势,年代际转折出现在21世纪初,由正异常转为负异常。对于伊朗高原,春、夏季地表热通量的空间分布在整个区域较一致,地表感热在夏季最大,地表潜热在春季大、夏季小,但各季节地表感热都大于地表潜热。相对于青藏高原地表感热,伊朗高原地表感热在各月都更大。在年际时间尺度上,春、夏季伊朗高原各区域地表热通量异常的年际变化较一致;地表感热与潜热有很强的负相关关系;伊朗高原地表感热、潜热异常都具有持续性,当春季地表感热（潜热）通量较强（弱）时,夏季地表感热（潜热）通量同样较强（弱）。伊朗高原北部与南部地表热通量的年代际变化存在差异。其中,春、夏季伊朗高原北部地表感热（潜热）呈显著增强（减弱）趋势,在20世纪末发生了年代际转折,春、夏季北部地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。而伊朗高原南部春、夏季地表热通量无显著变化趋势,但春季地表感热、潜热与夏季地表感热同样在20世纪末存在年代际转折,地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。春、夏季两个高原地区地表热通量的关系主要表现为:就春季同期变化而言,伊朗高原地表感热与青藏高原西部地表感热具有同相变化关系,与青藏高原东部地表感热具有反相变化关系,伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热具有同相变化关系;就非同期变化而言,春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。      

亚非感热异常时空特征及其与我国降水异常的关系

运用多年全球感热通量数据进行经验正交函数(EOF)分析,得到感热异常关键区。运用小波分析等方法发现,全球地表感热异常存在振荡现象,东半球在年际、年代际尺度上,地表感热异常主要以青藏高原东、西部的反相以及高原西部和北非的反相为热力异常振荡的主要分布形态。再运用中国月平均降水资料进行EOF分析,得到各个感热异常关键区与中国华北、江淮和华南地区汛期降水异常的相关关系,其中北非、青藏高原西北部和马来半岛这3个区域的感热距平之间有较大的相关关系,且感热异常季节变化较小,对我国东部地区降水的影响比较稳定,持续性较好。     

卫星遥感结合气象资料计算的青藏高原地面感热特征分析

本文选取1981年7月至2012年12月美国国家航空和航天局（NASA）制作的归一化的动态植被指数（NDVI）资料、根据NDVI值计算地表热力输送系数（C_H）的参数化关系式（C_H-I_NDV）和青藏高原70个常规气象观测资料,计算了青藏高原全区的逐月地表热力输送系数（C_H）,讨论了其时空分布特征,并在此基础上计算了高原70个常规台站的感热通量（SSHF）序列,并与已有感热资料进行了对比。随后,探讨了地面感热通量的气候特征及其年际变化与气候因子的关系。结果表明:高原地区的C_H值具有明显的空间差异和季节差异,表现为东高西低、夏季大、冬季小的特点。感热的年际变化在冬季主要响应于地气温差的变化,夏季则受地面风速影响较大;由于风速减小趋缓,地气温差增大,变化趋势在2003年前后由减弱趋势转变为增强趋势,这种趋势的转变最早发生在2001年秋季,且在高原全区具有较好的一致性。     

中美半干旱区地表能量通量变化特征比较

为了更为全面的认识中美半干旱区域陆气交换过程中地表能量水分循环机制,选取分别位于亚欧大陆和北美大陆上2个不同的典型半干旱区(中国北方半干旱带和北美半干旱区)作为研究区域,从地表通量交换的分析入手,以期全面深入认识半干旱区气候变化的物理机制和特点,进一步分析认识其干旱化趋势。结果表明,感热通量冬季最小,夏季次之;高净辐射、低土壤含水量的季节感热通量一般较高。在40°N以北的测站,降水较多的季节潜热通量较大。1979-2008年30年间,中国东部、东北部的半干旱地区气候变干,且在年代际尺度上可能具有持续干旱化趋势;北美各站点感热通量的长期变化趋势与温度变化的趋势相符,潜热通量和降水有较好的一致性,但站点并没有一致的变干或变湿趋势。中美半干旱区感热的年际变化和趋势明显受温度和平均土壤含水量的影响。潜热通量的年际变化和降水呈正相关,同时也受到温度变化的影响。     

中国东部春季极端降水与同期欧亚大陆地表感热的可能联系

利用1960~2010年ERA-20C再分析资料和中国东部站点降水观测资料,探讨了我国东部春季极端降水与欧亚大陆地表感热通量的联系和可能影响途径。结果发现,当春季欧亚大陆中纬度巴尔喀什湖以西及贝加尔湖以南区域地表感热通量偏弱（强）,我国东部沿海地区地表感热通量偏强（弱）时,我国东部春季极端降水呈现南少（多）北多（少）的反相分布特征。当春季欧亚大陆中纬度关键区地表感热偏弱,低纬度关键区地表感热通量偏强时,春季副热带西风急流偏弱、位置偏北,我国东部北方地区大气斜压不稳定和对流不稳定偏强,北方地区极端降水偏强,而南方地区大气斜压不稳定和对流不稳定偏弱,南方地区极端降水偏弱。当春季欧亚大陆中纬度关键区地表感热偏强,低纬度关键区地表感热通量偏弱,我国东部极端降水的情况大致相反。     

冬季中国东部海区热通量变化与中国气温降水的关系

利用OAFlux月平均热通量、NCEP/NCAR（1958—2006年）再分析和全国160个站的月降水、气温等资料,采用相关分析、合成分析等方法,分析了中国东部海区海气界面热通量变化特征及其与中国冬、春季降水、气温的关系。研究表明,中国东部海区为潜热通量和感热通量年际变化的关键区,冬季变化最为显著,具有明显的年际和年代际变化特征,热通量的增强趋势明显。热通量的年代际变化与同期冬季中国华南降水存在明显正相关,与华北降水存在负相关、与气温存在显著正相关。1983年气候突变前热通量年际变化与同期中国长江下游地区降水有很好的负相关。突变后热通量年际变化与同期淮河流域降水存在显著负相关;与后期春季中国两河流域降水存在显著负相关,与两河流域气温存在显著正相关。     

青藏高原中部闪电活动与相关气象要素季节变化的相关分析

利用 1995年 4月至 2 0 0 2年 12月间卫星观测的闪电资料与NCEP再分析资料中的地表降水率、云功函数和热通量 ,分析了青藏高原中部闪电活动与相关气象要素季节变化之间的关系。研究发现 :青藏高原中部闪电活动的峰值出现在 7月份 ,并在春季表现出明显的闪电活动 ;相关气象要素中 ,最能够准确描述闪电活动的季节变化及其春季异常特征的仅有地表总热通量 ;降水 (或云功函数 )与鲍恩比 (感热通量和潜热通量之比 )的乘积能够较好地反映闪电活动的季节分布特征与春季的“异常”。结果表明 ,感热通量或鲍恩比可能在对流有效位能向对流上升动能的转化过程中起着重要的作用 ,鲍恩比可作为修正闪电产生效率的一个重要参量。     

青藏高原4月陆面状况和地表加热异常与中国夏季降水的联系

利用1981—2002年GIMMS-NDVI资料、中国西部数据中心提供的雪深长时间序列数据集、中国753个测站降水资料及ECMWF再分析地表通量资料,通过相关和合成分析等统计方法,探讨了青藏高原(下称高原)4月植被覆盖、积雪异常与地表加热异常和与后期中国夏季降水之间的联系。结果表明,高原4月的陆面状况与同期的地表加热存在密切的联系,植被覆盖和积雪深度的变化具有较好的一致性;高原植被覆盖(积雪)主要影响地表感热(潜热)通量,从而改变高原地区的地表加热;高原地表加热和中国夏季降水存在较为密切的关系。就年际异常而言,前期高原地表加热异常与长江以南地区6月降水存在明显的负相关,与7月降水的显著负相关区域主要位于华北、东北地区,与8月降水的显著负相关区主要位于长江中上游及淮河一带。相比之下,前期高原地表加热与夏季降水的年际增幅异常之间存在更为密切的联系,即前期高原地表加热年际增幅异常与长江以南及西南部分地区6月降水年际增幅异常为负相关,而与7、8月降水年际增幅异常主要呈南正北负的分布特征。     

青藏高原地面感热及其异常的诊断分析

利用青藏高原主体60个地面气象观测站1961～2000年历年各月本站气压、地面气温、风速、地表温度等资料,计算了高原地面拖曳系数CD和地面感热通量.通过主成分分析、主值函数和功率谱分析等方法,对各季代表月CD系数和地面感热通量的基本气候特征,以及地面感热通量异常变化的空间结构和时间演变趋势作了较系统的诊断研究.结果表明:利用40年资料计算的拖曳系数与地面感热通量可以较好的反应青藏高原下垫面感热的基本气候特征,即高原CD系数东南部大,西北部小;冬季大,夏季小.多年平均高原地面感热通量仅在冬季小范围出现弱的负值,其余季节感热均为正值.感热通量大的地方其年际变化也大,其年际异常的主要空间型,第一是南北差异,第二东西差异,第三为高原主体及东部地区与外围的差异.其在年际变化中存在明显的10年际以上变化趋势,具体表现在1961～2000年期间,冬季高原北部和西部地区地面感热有减弱趋势,而高原中部和东南部呈明显的上升趋势.夏季高原主体及东部地区感热通量不断加强,而高原西部地区则相反.春、夏、秋三季均以13年以上的长周期振荡为主,冬季第一主分量表现为准3年的短周期变化.       

青藏高原感热通量的变化及与江淮流域降水异常的关系

利用1979—2010年NCEP-R2再分析资料和全国586站降水资料, 对青藏高原感热通量进行小波变换和EOF分析, 并研究了它与江淮流域降水的关系。结果发现:高原感热通量具有2 a和8 a的变化周期。空间分布上主要有东、西反相变化和南、北反相变化以及全区一致性变化3种形态。高原感热通量与江淮流域降水异常的同期相关中, 1998年以来, 春季高原东部的感热通量偏小, 其他地区偏大, 与此同期江淮流域降水偏少;夏季西藏西部的感热通量偏小, 其他地区偏大, 与此同期江淮流域降水偏多。两者超前相关中, 江淮流域降水对春季的感热通量变化最敏感。1998年以来, 当春季高原东南部的感热通量偏小, 其他地区偏大时, 江淮流域的夏季降水偏多, 秋季降水偏少;当春季高原感热通量东部偏小, 西部偏大时, 江淮流域的冬季降水以长江为界南多北少, 次年春季降水偏少。     

江淮梅雨异常与东亚地区地表感热通量的关系

利用1951—2013年江淮地区30个代表站点逐日降水观测资料和NCEP/NCAR全球地表感热通量和环流场逐月再分析资料,探讨江淮梅雨异常与梅雨期及其前后东亚地区地表感热通量的相关关系及其物理机制。结果表明:梅雨前期,青藏高原、内蒙古高原和印度半岛的地表感热通量与江淮梅雨量存在正相关,当春季青藏高原、内蒙古高原、印度半岛地表感热通量异常偏高时,江淮梅雨偏多;梅雨期,梅雨量与地表感热通量显著负相关区在东海海面,同时青藏高原和河套平原地表感热通量在丰梅年显著偏大,说明海陆热力差异对江淮梅雨有共同调制作用;梅雨后期,河套平原、华北地区地表感热通量在丰梅年显著偏大,表明地表热力特征随大气环流的调整而发生演变。     

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。     

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

河西地区地表感热特征分析

利用河西地区13个测站的资料和金塔试验资料,通过聚类分析和小波分析等研究方法,分析了河西地区地表感热的变化特征,结果表明:河西地区13个站感热输送的最大值一般出现在5月或6月,最小值出现在12月。3~4月份普遍急剧增大,在10~11月急剧减少。近50年间,河西地区大部分台站春季感热输送呈上升趋势,夏季呈明显的下降趋势。春季感热通量的主要显著性周期为3年。河西地区中部春季感热变化与风速、地气温差变化的相关关系都比较好,在河西西部春季感热变化与风速的相关关系较好,而在河西东部春季感热变化与地气温差的相关关系较好。