青藏高原和亚洲夏季风动力学研究的新进展

亚洲夏季风环流受海陆和伊朗高原—青藏高原大地形的热力作用调控.亚洲季风所释放的巨大潜热又对大气环流形成反馈.这种相互反馈过程十分复杂,揭示其物理过程对理解气候变化格局的形成和变化以及提高天气预报及气候预测的准确率十分重要.夏季北半球副热带对流层上层环流的主要特征是存在庞大的南亚高压(SAH)以及强大的对流层上层温度暖中心(UTTM).本文介绍了温度—加热垂直梯度(T-Q_Z)理论的发展,并用以揭示SAH和UTTM的形成机制.指出沿副热带欧亚大陆东部的季风对流潜热加热及其中西部的表面感热加热和高层长波辐射冷却是导致SAH和UTTM在南亚上空发展的原因.文中还介绍了Gill模型用于上部对流层研究的局限性及解决的办法.     

青藏高原抬升加热气候效应研究的新进展

对近4年来关于青藏高原加热影响气候的研究进行回顾.首先介绍利用位涡方程和热力适应理论,揭示;夏季高原上空低层气旋式及高层反气旋式环流结构稳定维持的动力学机理.结果表明高原加热作用造成的低层正涡源是低层气旋式环流得以稳定维持的重要原因.而边界层摩擦产生的负位涡是平衡正位涡的主要因素.高原加热还在高原上空形成负位涡,它影响着盛夏的大气环流,是青藏高原上空强大而稳定的反气旋环流得以维持的重要因素.在春夏过渡季节青藏高原非绝热加热对大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的影响力方面,进一步确认了感热加热在过渡季节早期(5月中旬以前)环:流演变中的重要作用.青藏高原非绝热加热的时间演变引起了海陆热力差异对比的变化,使副热带高压带首先在孟加拉湾东部断裂,亚洲季风因而在孟加拉湾爆发.结果还表明,用纬向风垂直差异的时空分布能更准确地表示季节变化的区域差异.在青藏高原非绝热加热与北半球环流系统年际变化的联系方面,发现夏季青藏高原的加热强(弱)的年份,高原感热加热气泵(SHAP)高(低)效工作,使高原加热对周边地区低层暖湿空气的抽吸效应和对高层大气向周边地区的排放作用加强(减弱),高原及邻近地区的上升运动,下层辐合和上层辐散均增强(减弱),从而影响着高原和周边地区的环流以及亚洲季风区大尺度环流系统.而且高原的加热强迫还能够激发产生一支沿亚欧大陆东部海岸向东北方向传播的Rossby波列,其频散效应可影响到更远的东太平洋以至北美地区的大气环流.研究还表明,盛夏的南亚高压存在"青藏高压型"和"伊朗高压型"的双模态,它们与高原加热状态有关,且显著地与亚洲季风区的气候分布密切联系.     

夏季青藏高原对于南亚平均季风环流形成与维持的热力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的定常准地转34层球坐标模式来研究青藏高原对于南亚季风环流形成与维持的热力作用。计算结果表明:在北半球夏季,只考虑高原的地形强迫作用是不能形成南亚高压与南亚季风环流的,而青藏高原上空的非绝热加热对于南亚高压与南亚平均季风环流的形成与维持起了重要作用。计算结果还表明了青藏高原的非绝热加热对于形成一支横跨印度次大陆直到日本南部的强西南风带同样也起了重要的作用。      

平流层-对流层相互作用研究进展：等熵位涡理论的应用及青藏高原影响

系统介绍了近年来应用等熵位涡理论研究平流层-对流层动力相互作用所发现的一些新的事实和机理,包括平流层冬季极涡振荡过程中平流层、对流层环流异常的时空传播特征,以及等熵质量理论框架下的平流层-对流层动力耦合机理,还介绍了影响平流层环流年际尺度异常的因子及影响过程。回顾了夏季青藏高原的热力作用所激发的负位涡强迫源对东亚及全球大气环流的影响。并基于对夏季高原周边等熵位涡经向输送垂直分布的诊断进一步说明,夏季青藏高原的存在使高原东缘及东亚地区成为平流层和对流层物质交换的独特区域,探讨了夏季青藏高原影响平流层-对流层动力耦合的一种重要途径及其影响全球气候的重要意义。     

夏季亚洲100毫巴大陆高压的研究取得较大进展

亚洲南部100毫巴高压(简称南亚高压)是北半球夏季对流层上部大尺度环流中一个最强大、最稳定的暖性高压。早在50年代国内就有人讨论西藏高原对大气环流的影响,指出西藏高原在夏季是个热源。1964年又有人指出大陆高压的变化与西太平洋高压进退关系密切。最近,中国科学院大气所通过模拟实验指出青藏高原加热的增强影响我国雨带的北移;四川省成都气象台研究了青藏高压活动与四川异常天气的关系。从1973年青藏高原气象科研协作经验交流会第2次例会以来,不少单位相继开     

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.     

夏季青藏高原上空热源异常对北半球大气环流异常的作用

本文应用缓变媒质中行星波的传播理论来研究夏季基本气流中定常行星波的三维传播解释夏季北半球大气环流三维遥相关的物理机制。 本文还应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的准地转34层球坐标模式来研究夏季青藏高原热源异常对北半球中、高纬度定常扰动系统的影响。计算结果表明夏季青藏高原上空的热源异常将产生北半球中、高纬度大气环流的异常;若青藏高原上空热源增强就会引起南亚高压增强,我国东北受槽控制而产生冷夏,并且将引起鄂霍茨克海上空高压加强,同时在阿拉斯加将产生槽,这与实际资料所得到的结果一致。     

“青藏高原加热引起的海陆热力差异对新疆夏季降水的影响机理研究”项目

正一、立项背景青藏高原是世界上最大最陡峭的大地形,其动力和热力作用是形成和维持北半球大气环流的重要原因之一,气流对热源的热力适应形成高原上空近地层低压和中高层的青藏高压,高原上空大尺度大气热源(汇)激发出的热力波及与之相联系的热量、动量传播对周边地区的天气气候有着重要影响。夏季青藏高原对流层低层环绕高原的气旋式环流加强,高原上空盛行上升气流,与之联系的高原北侧有补偿的下沉气流生成,在高原东南侧形成潮湿气候,西北侧形成干旱气候对新疆夏季降水有重要影响的副热带西风急流、南亚高压等大尺度环流系统,均和青藏高原下垫面热力异常     

夏季青藏高原大气热源低频振荡与南亚高压东西振荡的关系

利用1983～2012年NCEP/NCAR逐日再分析资料对夏季青藏高原大气热源和南亚高压东西振荡的低频特征以及两者的关系进行了讨论,发现夏季青藏高原东部大气热源与南亚高压纬向运动的主要低频周期都是10～20 d。在高原东部大气热源10～20 d振荡峰值位相,青藏高原上空被低频气旋控制,高原西部被低频反气旋控制,导致南亚高压主要高压中心向西移动呈伊朗高压模态;在大气热源10～20 d振荡谷值位相,低频环流形势完全相反,青藏高原上空被低频反气旋控制,高原西部被低频气旋控制,致使南亚高压主要高压中心向东移动呈青藏高压模态。高原热力场异常导致其上空暖中心变化从而引起的高层风场变化可以解释南亚高压的东西振荡。     

夏季青藏高原500hPa高压活动期间大气加热状况与大气环流特征

由于青藏高原５００ｈＰａ层出现高压系统的活动，使高原大气产生＂上高下高＂的气压场结构，从而东亚大气环流也发生某些相应的变化。本文统计分析了高原５００ｈＰａ高压的散度与垂直速度分布、高原大气热源的演变和１００ｈＰａ层涡度、纬向风以及经圈环流的变化等。结果认为，由于夏季高原５００ｈＰａ高压的活动，使高原上空垂直上升运动和对流加热受到抑制，１００ｈＰａ南亚高压强度减弱、位置北抬、有向西部型过渡的特征．高原北侧西风急流减弱，东风急流南支与北支合并后位于原北文东风急流位置以南，侵入高原南麓的西南季风减弱。与此同时，孟加拉湾上空上升运动有所增强，其对流加热对维持东风急流乃至南亚季风将起重要作用。     

青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风的机制

本文回顾了二十年来关于青藏高原感热驱动气泵(TP-SHAP)及其影响亚洲夏季风的研究进展,并从能量(θ)、位涡—加热(PV–Q)、和角动量守恒(AMC)的不同角度阐述其影响机制。指出高原斜坡上的表面感热加热改变了移向高原的大气质块的能量从而出现垂直抽吸的重要性。强调了高原加热产生的位涡强迫在近地层制造了强度大范围广的、环绕高原的气旋式环流,把丰沛的水汽从海洋输运到大陆,为季风对流降水提供充足的水汽条件。证明高原加热还通过改变其上空的温、压场的结构从而制造出高原上空近对流层顶的绝对涡度和位涡的最小值,在角动量平衡约束下,在亚洲季风区激发出与Hadley环流反向的季风经圈环流,从而为季风发生发展提供了大范围上升运动的背景。文中还对近年来有关青藏高原影响亚洲夏季风机制的讨论进行概述,并展望了未来的研究方向。     

青藏高原影响亚洲夏季气候研究的最新进展

文中回顾了近 10a来吴国雄等在青藏高原影响亚洲夏季气候研究方面的最新进展。通过分析东西风交界面的演变证明 ,由于青藏高原的春季加热 ,亚洲季风区对流层低层冬季盛行偏东风转变为夏季偏西南风最早发生在孟加拉湾东部 ,与其相伴随的激烈对流降水出现在其东面。因此孟加拉湾东部至中印半岛西部是亚洲季风最早爆发的地区。同时也指出盛夏伊朗高原和青藏高原加热所激发的同相环流嵌套在欧亚大陆尺度的热力环流中 ,从而加强了东亚的夏季风 ,加剧了中西亚的干旱 ;并通过其所激发的波动对夏季东亚的气候格局产生重要影响。文中还比较了夏季南亚高压的伊朗模态和青藏模态性质的异同及其对亚洲夏季降水异常分布的不同影响。     

西风与季风在青藏高原的耦合模态及其季节性变化特征

青藏高原是我国的水塔,西风与季风及其相互作用是导致亚洲天气和气候变化最重要的环流系统。本文基于1981～2020年大气再分析资料,采用经验正交函数分解方法（Empirical Orthogonal Function,EOF）提取了西风与季风季节循环分量在青藏高原的耦合模态,并对其季节变化特征进行分析。研究发现,第一主模态方差贡献率高达78.39%,主要反映的是东亚季风、南亚季风和对流层高层中纬度西风的季节循环特征及各个季节的年际变化特征。夏季在对流层高层高原及其南侧主要为东风气流,范围从北纬5°至35°,对流层低层则表现为典型的绕高原气旋式季风环流系统,热带和副热带地区为西南季风控制,冬季的环流结构刚好相反。耦合模态的冬、夏季节转换节点与东亚季风和南亚季风的季节转换时间基本一致。从年际变化的角度来看,各个季节耦合模态的强度偏强时,东亚季风和南亚季风均偏强,西风带位置偏北;反之,季风偏弱,西风带位置偏南。厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation,ENSO）是影响西风与季风耦合模态年际变化的关键外强迫,拉尼娜（La Ni?a）事件发生的前夏、前秋和次年夏季耦合模态的强度均增强,冬季至次年春季耦合模态的强度均减弱。西风与季风耦合的第二主模态主要表现为对流层高层高原上的东风及其南侧西风,以及低层南亚季风区的西南季风和西北太平洋反气旋的协同变化特征。该模态的方差贡献率为4.68%,表现出明显年际差异的同时还呈现显著减弱的长期趋势,尤其是在冬季。     

Recent Progress in the Impact of the Tibetan Plateau on Climate in China

Studies of the impacts of the Tibetan Plateau （TP） on climate in China in the last four years are reviewed. It is reported that temperature and precipitation over the TP have increased during recent decades. From satellite data analysis, it is demonstrated that most of the precipitation over the TP is from deep convection clouds. Moreover, the huge TP mechanical forcing and extraordinary elevated thermal forcing impose remarkable impacts upon local circulation and global climate. In winter and spring, stream flow is deflected by a large obstacle and appears as an asymmetric dipole, making East Asia much colder than mid Asia in winter and forming persistent rainfall in late winter and early spring over South China. In late spring, TP heating contributes to the establishment and intensification of the South Asian high and the abrupt seasonal transition of the surrounding circulations. In summer, TP heating in conjunction with the TP air pump cause the deviating stream field to resemble a cyclonic spiral, converging towards and rising over the TP. Therefore, the prominent Asian monsoon climate over East Asia and the dry climate over mid Asia in summer are forced by both TP local forcing and Eurasian continental forcing.
Due to the longer memory of snow and soil moisture, the TP thermal status both in summer and in late winter and spring can influence the variation of Eastern Asian summer rainfall. A combined index using both snow cover over the TP and the ENSO index in winter shows a better seasonal forecast.
On the other hand, strong sensible heating over the Tibetan Plateau in spring contributes significantly to anchor the earliest Asian monsoon being over the eastern Bay of Bengal （BOB） and the western Indochina peninsula. Qualitative prediction of the BOB monsoon onset was attempted by using the sign of meridional temperature gradient in March in the upper troposphere, or at 400 hPa over the TP. It is also demonstrated by a numerical experiment and theoretical study that the heating over the TP lea     

Current Progresses in Study of Impacts of the Tibetan Plateau on Asian Summer Climate

The current progresses in the study of impacts of the Tibetan Plateau on Asian summer climate in the last decade are reviewed. By analyzing evolution of the transitional zone between westerly to the north and easterly to the south (WEB), it is shown that due to the strong heating over the Tibetan Plateau in spring, the overturning in the prevailing wind direction from easterly in winter to westerly in summer occurs firstly over the eastern Bay of Bengal (BOB), accompanied with vigorous convective precipitation to its east. The area between eastern BOB and western Indo-China Peninsula thus becomes the area with the earliest onset of Asian monsoon, which may be referred as BOB monsoon in short. It is shown that the summertime circulations triggered by the thermal forcing of the Iranian Plateau and the Tibetan Plateau are embedded in phase with the continental-scale circulation forced by the diabatic heating over the Eurasian Continent. As a result, the East Asian summer monsoon is intensified and the drought climate over the western and central Asian areas is enhanced. Together with perturbations triggered by the Tibetan Plateau, the above scenarios and the associated heating have important influences on the climate patterns over Asia. Furthermore, the characteristics of the Tibetan mode of the summertime South Asian high are compared with those of Iranian mode. Results demonstrate that corresponding to each of the bimodality of the South Asian high, the rainfall anomaly distributions over Asia exhibit different patterns.     

青藏高原积雪与亚洲季风环流年代际变化的关系

利用高原测站的月平均雪深资料和NCEP／NCAR再分析资料，分析了20世纪70年代末以来，青藏高原积雪的显著增多与亚洲季风环流转变的联系。研究表明，高原南侧冬春季西风的增强及西风扰动的活跃是造成青藏高原冬春积雪显著增多的主要原因，高原积雪的增多与亚洲夏季风的减弱均是亚洲季风环流转变的结果；20世纪70年代末以来，夏季华东降水的增多、华南降水的减少及华北的干旱化与青藏高原冬春积雪增多及东亚夏季风的减弱是基本同步的，高原冬春积雪与华东夏季降水的正相关、与华北及华南夏季降水的负相关主要是建立在年代际时间尺度上，因此，高原积雪与我国夏季降水关系的研究应以亚洲季风环流的年代际变化为背景。     

Diversity of the Coupling Wheels in the East Asian Summer Monsoon on the Interannual Time Scale: Challenge of Summer Rainfall Forecasting in China

Two types of three-dimensional circulation of the East Asian summer monsoon(EASM) act as the coupling wheels determining the seasonal rainfall anomalies in China during 1979–2015. The first coupling mode features the interaction between the Mongolian cyclone over North Asia and the South Asian high(SAH) anomalies over the Tibetan Plateau at 200 hPa. The second mode presents the coupling between the anomalous low-level western Pacific anticyclone and upperlevel SAH via the meridional flow over Southeast Asia. These two modes are responsible for the summer rainfall anomalies over China in 24 and 7 out of 37 years, respectively. However, the dominant SST anomalies in the tropical Pacific, the Indian Ocean, and the North Atlantic Ocean fail to account for the first coupling wheel's interannual variability, illustrating the challenges in forecasting summer rainfall over China.     

Temporal Variations of the Spring Persistent Rains and South China Sea Sub-high and Their Correlations to the Circulation and Precipitation of the East Asian Summer Monsoon

National Meteorological Information Center （NMIC） rainfall data and NCEP/NCAR daily circulation reanalysis data are employed to establish the onset-pentad time index of the spring persistent rains （SPR） and the decay-pentad time index of the South China Sea （SCS） sub-high. These indexes are used to study the relationship between the factors in SPR period and their relations to the circulation and precipitation of the East Asian summer monsoon （EASM）. Results show that, the summer rainfall over southeastern China decreases when SPR onset is late. For then EASM strengthens and the cyclonic circulation around the Tibetan Plateau （TP） strengthens, which makes abnormal anti-cyclonic circulation （cyclonic convergent circulation weakens） appear over southeastern China. When the decay of SCS sub-high delays, abnormal flood prevails over the middle and lower reaches of the Yangtze River （MLYR） and to the south. That is mainly caused by EASM weakening while SCS sub-high strengthening, then the abnormal southwesterly over South China and the abnormal northerlies of anti-cyclonic circulation around the TP converge over the Yangtze Valley. The two indexes have high correlations with multivariate ENSO index （MEI） in March, indicating that the climate abnormity in East Asia is related to global climate abnormity tightly. The two time indexes are independent of each other, which is favorable for the prediction of the anomalies of the circulation and precipitation of EASM. From this point of view, we must take the global climate background into account when we analyze and predict the East Asian summer circulation and precipitation.     

关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析:Ⅱ青藏高原及邻近地区地表感热加热的作用

本文是系列文章的第二篇,首先分析了１９８９年亚洲夏季风爆发时期青藏高原及邻近地区地表感热通量和大气温度场季节变化的基本特征,着重讨论了春季高原地表感热加热和亚洲季风爆发的联系,然后分析了１９８０～１９８９年１０ａ南海季风爆发的气候学特征。上述工作表明,在春末初夏过渡季节,高原上空大气温度变化出现阶段性的跃升,并同亚洲夏季风阶段性的爆发有很好的对应关系。高原地表感热通量的持续增大导致了对流层高层局地反气旋式扰动环流的出现,使南亚反气旋北进的过程明显受到高原局地热力环流的调制,而热带东风急流入口区所产生的强烈的高层辐散,提供了有利于热带季风对流在南海地区首先爆发的动力学条件。此外,从５月份至６月中下旬,青藏高原、伊朗—阿富汗上空强大暖中心相继建立的结果,直接导致了热带地区上空大气南北温度梯度的反向依次在南海—孟加拉湾东部和阿拉伯海—印度次大陆由东向西相继建立,从而决定了亚洲季风建立的过程在不同地区爆发的时间不同。     

夏季亚洲—太平洋涛动与大气环流和季风降水

利用ERA-40再分析资料和数值模拟,分析了在亚洲-太平洋区域的大气遥相关以及与亚洲季风降水和西北太平洋热带气旋活动气候特征的关系,探讨了青藏高原加热和太平洋海表温度(SST)对遥相关的影响,结果表明:亚洲-太平洋涛动(Asian-Pacific Oscillation,APO)是夏季对流层扰动温度在亚洲与太平洋中纬度之间的一种"跷跷板"现象,当亚洲大陆中纬度对流层偏冷时,中、东太平洋中纬度对流层偏暖,反之亦然;这种遥相关也出现在平流层中,只是其位相与对流层的相反.APO为研究亚洲与太平洋大气环流相互作用提供了一个途径.APO指数也是亚洲-太平洋对流层热力差异指数,它具有年际和年代际的多时间尺度变化特征,在1958-2001年亚洲与太平洋之间的对流层热力差异呈现出减弱趋势,同时也有显著的5.5 a周期.APO形成可能与太阳辐射在亚洲陆地和太平洋的加热差异所造成的纬向垂直环流有关,数值模拟进一步表明:夏季青藏高原加热可以造成高原附近对流层温度升高、上升运动加强,太平洋下沉运动加强、温度下降,从而形成APO现象;而太平洋年代际涛动和赤道东太平洋的厄尔尼若现象对APO的影响可能较小.当夏季APO异常时,南亚高压、欧亚中纬度西风急流、南亚热带东风急流以及太平洋上空的副热带高压都出现显著变化,并伴随着亚洲季风降水及西北太平洋热带气旋活动异常.过去40多年来的长江中上游地区夏季变冷与APO有关,可能是全球大气环流年代际变化在该区域的一种反映.APO异常信号可以传播到南、北两极.此外,亚洲-太平洋之间的这种遥相关型也出现在其他季节.