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。     

中国地表热源的气候学特征

利用研制的地表热量平衡各分量的气候计算方法，结合全国６个热平衡站资料，计算并讨论了地表热源在全国的分布特征，分析了地面对大气加热的特点以及地表热源的参数化问题。指出季风气候背景、纬度、地形和地表湿润状况是决定地表热源特征的重要因素。就全年来说，在我国湿润、半湿润地区，潜热是地面加热大气的主要形式，西北干燥区则以感热加热为主。     

1983年夏季青藏高原地区的地面和大气加热场

本文利用1982年8月—1983年7月在青藏高原所取得的太阳辐射观测资料,计算和分析了高原主体78个站夏季地面和大气的加热场。结果表明:1983年夏季,高原地区地面加热场为较强的热源,高原主体的最大加热中心在东南部,林芝和甘孜各有一个地面热源中心;地面加热场强度最大值在6月和7月出现。4—9月高原主体为大气热源,最大热源中心位于高原东部和中部,最大热源强度在7月出现。在大气总加热中,高原东部以降水潜热为主,高原中部、西部和南部则以地面有效辐射为主。     

青藏高原夏季大气边界层高度与地表能量输送变化特征分析

利用NCEP-FNL大气边界层高度资料和NCEP/DOE(NECP2)的地面感热、潜热通量再分析格点资料,分析了2000-2016年夏季青藏高原(下称高原)地区的大气边界层高度及感热、潜热的基本气候特征、年际变化及空间分布,地表能量输送对大气边界层高度的影响机理,并分析了影响大气边界层高度与地表能量输送的主要影响因子。结果表明:夏季高原整体呈大气边界层高度显著下降,潜热通量显著上升,感热通量先增后降的变化趋势。2009年是高原大气边界层高度的气候突变时间点,其他物理量的变化趋势也在2009年发生了转折变化。大气边界层高度和地表能量输送的线性变化趋势分布具有明显的区域差异,以91°E为界将高原分为东、西两部分,东部与西部地区的变化特征明显不同;东部、西部地区的变化特征2009年前后也有很大差异。影响西部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子是0～10 cm土壤含水率和10 m风速;影响东部地区大气边界层高度和地表热通量的主要因子则是云量。在2009年气候突变时间前、后,各影响因子的影响程度有很大变化。夏季高原低层热低压辐合、高层南亚高压辐散的环流形式,为地表能量输送影响高原大气边界层发展提供了动力条件,有利于上升运动。上升运动的气流能将水汽相变中释放的凝结潜热输送至对流层上层,有利于形成潜热通量和南亚高压的正反馈。     

青藏高原东南缘大理地区近地层微气象特征及能量交换分析

利用2008年1月-2010年2月青藏高原东南缘大理站的长期观测资料,初步分析了该地区近地层基本气象要素、辐射通量和湍流通量的日变化和季节变化.结果表明,各参数均表现出显著的日循环结构和干、湿季变化特征.近地层的风速、气温和动量通量等均在早晨最小、午后最大;相对湿度、地表温度等均是湿季高于干季.近地层2 m高度处的盛行风向,白天以东东南风和东风为主,夜间以静风和偏西风为主,并且盛行风向转变与日出、日落时间有较好的对应关系.地表辐射四分量最高值出现在正午,最低值出现在日出前.除向上短波辐射通量干季大于湿季外,其他辐射分量都是湿季大于干季.地表反照率表现出非对称的“U”形分布,早晨最大、傍晚次之及中午最小.早晚地表反照率差异可能是由于露水、东西两面山体不同程度遮挡以及云的影响造成的.感热、潜热通量全年有相似的日变化过程,变化幅度随季节变化,但潜热通量明显大于感热通量,表明地气热量交换中,感热作用小,潜热输送占主导地位.感热通量一天之中约在20:00出现最小值,这主要是由于风速减弱和地气温差回升影响热量交换系数造成的.地面对大气的加热作用明显,主要是以潜热方式加热大气;地面全年均为大气热源,白天表现为强热源,夜间则表现为较弱的冷源.     

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.     

移出与未移出青藏高原的高原低涡涡源区域的地面加热特征分析

利用1998—2016年NCEP/DOE逐日的日平均地面感热通量和地面潜热通量、MICAPS历史天气图资料、青藏高原低涡切变线年鉴,对高原低涡涡源区与高原地面加热特征进行统计分析,对比研究了移出青藏高原的高原涡(移出涡)、未移出青藏高原的高原涡(未移出涡)的涡源与高原地面加热的季节变化特征,及移出涡、未移出涡涡源区的地面加热特征及高原地面加热与低涡生成的相关性。结果表明,高原涡、未移出涡、移出涡的涡源分布季节变化特征相似,由冬到春到夏,初生区域逐渐扩大,由夏到秋到冬正好相反,不同的是移出涡涡源区明显比高原涡、未移出涡小,初生中心位置的季节变化也不同;高原地面感热、地面潜热、地面热源分布的季节变化特征相似,由冬到春到夏经历了明显增强的过程,由夏到秋到冬经历了减弱的过程,不同的是热源的快速增强、减弱程度及其发生季节差异大,地面潜热由春到夏增强特别明显,这与移出涡生成个数的明显增加相一致;未移出涡、移出涡春、夏、秋季主要涡源区所处的地面热源值域不同,移出涡夏季的值比未移出涡高,移出涡生成对高原区域地面热源依赖要比未移出涡强一些;夏季移出涡、未移出涡的涡源区都处在与高原地面热源正相关区内,它们与地面潜热的显著正相关区比高原地面感热的大,尤其是移出涡,高原地面潜热在高原涡生成中有重要作用,对移出涡生成影响更大。     

南方涛动(SO)与北大西洋涛动(NAO)百年变化特征的正交小波分析

利用“南海季风科学试验”（SCSMEX）所获得的可靠资料，对1998年区域海陆热力状况进行了分析与对比，并着重讨论了西太平洋和青藏高原地区热力作用对1998年季风爆发及发展的可能影响。结果发现：大气热源分布与海陆分布有密切联系，由于地形的阻挡使得在包含有南北海陆分布差异的地区，热源主要大值带较全海洋区域明显偏南。表面加热存在明显的季节变化和海陆差异。西太平洋地区与夏季风爆发之间的联系主要表现在海温和潜热加热的变化上。高原在亚洲夏季风爆发过程中的作用机制不同：在南海季风爆发期间以感热加热为主，印度季风爆发期间以水汽凝结释放潜热为主。     

由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其可能机制

本文基于多套卫星观测数据和ERA-Interim再分析资料,分析了由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其原因。结果表明,北半球副热带大陆东部以对流凝结潜热为主的夏季型大气热源首先于4月初在我国南方地区建立,该过程与江南雨季的形成发展联系紧密。2~3月,江南地区的大气热源以感热加热为主,这时降水以大尺度层云降水为主;而在4月初之后,江南地区降水以对流性降水为主,相应地对流凝结潜热成为大气热源的主要成分。动力和热力诊断分析说明,青藏高原南部热力状况的季节变化是导致4月初江南地区降水性质和大气热源首先发生季节转换的重要原因。2~3月,随着太阳辐射逐渐增强,青藏高原地面感热随之加强,此时对流层中部的纬向西风令江南地区的对流层中部暖平流加强,引起上升运动并加强局地大尺度层云降水,令土壤湿度加大,为随后局地对流性降水的快速发展提供了有利条件。之后,青藏高原地面感热在4~5月期间继续加强,这时高原南坡的"感热气泵"令其四周的低空水汽向北辐合,从而加强了江南地区的低空南风,使大量水汽自南海-西太平洋向北输送,令江南地区的对流性降水快速发展,地面感热迅速减小,对流凝结潜热进而成为江南地区大气热源的主要成分。     

1979年夏季青藏高原地区大气加热场特征

本文用1979年夏季6—8月青藏高原地区17个站资料（包括青藏高原科学实验资料），通过直接法求得长波辐射、短波辐射、凝结潜热和感热输送等四项加热分量，在此基础上求出高原地区的平均大气热量输送，并和国内外其它作者所估计的高原大气热源情况进行比较。计算结果表明，对高原大气热源的主要贡献是长波辐射，文中还探讨了青藏高原地区大气加热场与高原季风爆发前后以及高原季风活跃和中断时期环流的关系。     

亚——非季风区非绝热加热与夏季环流关系的诊断研究

基于热力适应理论,本文利用 ＮＣＥＰ／ ＮＣＡＲ再分析资料对撒哈拉沙漠、青藏高原和孟加拉湾地区的非绝热加热与夏季环流进行了诊断研究。在非洲撒哈拉沙漠地区,以感热输送为主的加热仅局限于近地面层,边界层以上的大气则以辐射冷却占优势。因而除了边界层内存在着浅薄的正涡度和微弱的上升运动以外,整个对流层几乎都维持负涡度并盛行下沉运动。对于青藏高原地区,强大的表面感热通量引起的垂直扩散是近地面大气加热的主要分量,与大尺度上升运动相关的凝结潜热对低层大气的加热也有一定的贡献。长波辐射造成的对流层中、上层大气的冷却则主要由深对流潜热释放来补偿。夏季高原地区总非绝热加热是正值,且最大加热率出现在边界层内。低空大气辐合产生正涡度,而中、高层大气辐散伴有较强的负涡度。因而高原盛行上升运动,最大上升运动位于近地面层。夏季孟加拉湾地区的深对流凝结潜热释放远大于长波辐的冷却作用,因而整个对流层几乎都保持较强的非绝热加热。４００ｈＰａ层附近的最大加热率引起３００－４００ｈＰａ最强的上升运动。对流层上层是负涡度区,而中、低层为正涡度区。结果还表明,垂直和水平辐散环流与大气的热源和热汇区密切相联：在高层,辐散气流从热源区流向热汇区;在低层则相     

青藏高原西部地表热通量输送的低频特征

以1997年9月-1998年10月青藏高原西部改则地区自动气象站(AWS)近地层连续观测的梯度资料为基础,计算了高原西部地面感热通量、蒸发潜热通量及地面热源强度,应用Marr小波变换重点分析了地表热通量输送以及与此相关的降水量、土壤湿度和土壤热通量的周期振荡特征.结果表明:地面感热具有明显的30～60天低频振荡,并且在夏季存在准8天的中期振荡;蒸发潜热和降水量以准双周振荡为主.土壤热通量以30～50天低频振荡为主,夏季还存在准8天的中期振荡;土壤湿度在冬季呈现明显的30～50天低频振荡,夏季则为20～30天的低频振荡.     

基于Noah-MP陆面模式的青藏高原地表感热和潜热通量分布及变化特征

利用中国区域高分辨率数据集作为大气强迫场,驱动修改了热力学粗糙度参数化方案后的NoahMP陆面模式进行了2000-2018年青藏高原地区陆面过程模拟。用野外观测资料校验模拟结果后,分析了地表感热通量（SH）、潜热通量（LH）的分布及变化特征。结果表明,模式能较合理模拟高原地表感热和潜热通量。高原的中、西部为地表感热和潜热通量的年际变率较大区域。模拟的高原中、西部地区感热通量强于东部地区,且绝大部分区域的感热通量是有增强趋势的。对于整个高原,感热通量从2002年前后呈较明显的增强趋势。总体上,四个季节的平均感热都有较明显的增强,特别是在2010年以后。潜热通量在高原东部地区强于中、西部地区。潜热通量的年际变率相对于感热通量的变率要小。中部地区潜热呈减弱趋势,西部和东部都有弱的增强。对于整个高原,潜热通量在2000-2018年呈弱的增强趋势。其中,2000-2003年潜热通量是增强的,2003-2015年呈减弱趋势,主要因素为在夏季潜热通量的减弱。     

青藏高原夏季地面感热通量与高原低涡生成的可能联系

利用NCEP/NCAR地面感热通量再分析格点资料以及MICAPS天气图资料识别的高原低涡资料集,分析了1981—2010年青藏高原夏季地面感热通量线性倾向分布的空间分布特征,重点讨论了夏季高原地面感热通量与同期高原低涡生成频数的可能联系尤其是空间相关性。结果表明,近30 a夏季感热通量的线性倾向分布具有区域性差异,感热减少趋势在高原分布较广且负值中心明显,感热增加主要分布在高原西北部和东部。夏季地面感热通量与同期高原低涡生成频数呈高度正相关;感热通量强年,高原主体东部地区低层呈气旋式环流,高层为辐散气流,高原上空上升气流偏强,感热通量弱年的情形与之相反。地面感热加热强度与高原低涡的生成频数在空间上有明显联系。     

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。     

青藏高原不同地区湍流输送特征及其与气象因子的关系

利用第三次青藏高原大气科学观测试验数据,对高原不同地区感热、潜热交换等湍流输送特征进行了分析,并进一步对比研究了其与气象环境因子的相关关系。结果表明:（1）高原各站之间感热和潜热的差异性较大,但大多在雨季潜热会大于感热。干燥的狮泉河站属于高寒荒漠地区,降水极少,全年感热都远大于潜热,波文比年平均值可达到20.0;湿润的比如站和嘉黎站潜热在4～10月均显著大于感热,波文比在4～10月的数值范围在0.27～0.88。（2）高原感热和潜热通量的季节变化与高原季风所处的地理位置有密切关系,高原中部的感热通量在3～5月达到最大值,而高原西部则在4～6月最大,可能与高原季风的活动有关。（3）通过与气象要素的相关分析表明,高原西部狮泉河站感热与地气温差的正相关关系最为显著,全年的相关系数可以达到0.905,在4个季节相关系数也均大于0.79,这可能与下垫面是裸地有关;高原中部安多站和那曲站感热与风速的正相关在夏季最为显著,比如站感热与风速的正相关在冬季最为明显,而狮泉河站感热与风速在春、夏季均有着十分显著的正相关。     

青藏高原地面-对流层系统的能量收支

利用CCM3中的辐射模式CRM，计算了1月和7月地－气系统、地面－对流层系统和地面辐射能收支，研究了青藏高原地面－对流层系统辐射能收支的冬、夏季节特征及其与地面和地－气系统辐射能收支的关系，并与东部平原地区和高原北侧干旱地区比较。文中还讨论了云和高原冬季地面积雪对辐射能收支的影响，比较了大气辐射加热和地面感热通量对夏季高原对流层大气加热的贡献。     

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。     

青藏高原地面感热变化对西南地区旱涝影响

利用欧洲中心1979-2010年ERA-interim青藏高原地面感热资料与西南地区干湿指数,应用SVD方法与EOF分解对青藏高原地面感热在近32a的时空分布特征和高原地面感热与西南旱涝之间的相关关系进行分析,结果得出:青藏高原西部地面感热通量在近年来是显著增加的,而高原东部感热通量在减少,有明显的年际变化;西南地区夏季、秋季全区基本偏干,特别是秋季。前期高原东、西感热异常对春季、夏季和秋季西南全区特别是西南南部地区旱涝异常有很好的相关关系:当青藏高原中部地区和高原北部的春季地面感热增加(减少)而西部、高原主体北部地面感热减少(增加)时,春季西南地区东北部是偏湿(偏干)的趋势,西南部是偏干(偏湿)的趋势;当高原东部春季感热增强(减弱)时,夏季西南地区的四川北部、重庆市与云南南部异常偏湿(偏干);高原东部春季感热增加(减少),高原西部感热减少(增加)时,秋季西南地区主要偏湿(偏干)。青藏高原西部(78°E-81°E,30°N-36°N)、高原中部偏南的位置(88°E-95°E,28°N-35°N),为感热影响西南旱涝的关键区。这些研究对西南地区旱涝趋势有很好的预测作用。     

感热变化对东亚地区大气边界层高度的影响

利用1979-2009年NCEP/CFSR全球大气边界层高度(PBLH)、感热通量月平均资料,运用多种统计方法,探讨了东亚地区大气边界层高度和感热通量的变化特征,并研究了两个要素场之间的相互关系。结果表明:夏季大气边界层高度东部增高、西部降低,而冬季则与夏季相反。夏季青藏高原地区感热有减少的趋势,其余地区以增加为主;冬季东部地区及新疆西部感热减少,其余地区感热增加。夏季奇异值分析第一模态表明青藏高原地区的感热通量减少时,相应地区的PBLH降低;内蒙古东部和东北地区的感热增加时,相应地区的PBLH增加。该空间型在一定程度上反映了青藏高原、内蒙古东部及东北地区,PBLH变化主要受地表加热影响,且年代际变化显著。夏季奇异值分析第二模态表明当青藏高原南侧、华北的感热增加(减少)时,相应地区的PBLH升高(降低),该空间型年际变化较显著,一定程度上反映了大气边界层高度及感热在高原主体及其南侧分布的差异。冬季奇异值分析第一模态主要表现为在我国东西部反相变化的分布;冬季奇异值分析第二模态表现为华北和华东地区与其余地区反相相关的分布。冬季两个空间型均具有一定的年代际变化特征。在青藏高原及其南侧和西北干旱半干旱区部分地区,PBLH变化主要受地表加热的影响,而在东部季风区,感热变化仅是影响PBLH变化的因素之一。