夏季青藏高原热力场和环流场的诊断分析 II:环流场的主要特征及其大型垂直环流场

本文使用经过青藏高原气象科学实验测站观测资料订正过的欧洲中心FGGE-Ⅲb资料,对1979年7月月平均进行分析,计算了垂直速度、散度、垂直剖面函数和速度势函数等物理量以及上升气流轨迹,给出了夏季高原主体地区环流场的主要特征和详细的高原地区不同经纬度剖面垂直环流场的特征和分布. 配合夏季高原高层强大稳定的反气旋高压带,高原主体地区为整层上升气流区,但ω场有东西两个上升中心,它们是两个对流活动上升中心,两部的中心位于狮泉河和改则之间偏北的地区,东部的位于那曲一带. 本文给出了高原地区三个主要的经向环流圈(南北两侧下沉的小环流圈、跨赤道的季风环流圈)的经度位置和高原地区与西太平洋之间发生遥相关的主要纬度位置,发现在跨赤道的季风环流圈中,在赤道以南的下沉气流主要来自高原与15°N之间,从高原上升的气流仅在对流层上部(200hPa左右)跨过赤道.从高原西部上升的气流往往从非洲至印度尼西亚一带跨过赤道,而从高原东部及其东侧我国大陆上升的气流往往下沉在太平洋和北大西洋地区.     

中高纬度垂直环流的低频振荡与华北地区夏季干旱初探

用国家气象中心１９９２年６月１０日至７月２３日Ｔ４２中期数值预报模式格点资料，分析了中高纬度夏季垂直环流的低频振荡。发现中高纬度纬向垂直环流与热带纬向环流不同存在着２０－４０天的局地低频振荡，在热带季风中断时，３５－４５°Ｎ范围内中高纬度纬向垂直环流主要表现为１２０°Ｅ附近区域内下沉气流加强。初步探讨了中高纬度地区经圈环流的低频振荡，所选范围为１００－１２０°Ｅ平均低频经向环流，热带季风中断时，下沉气流在３０－４０°Ｎ区域内加强。通过对中高纬度地区垂直环而的低频振荡的分析，探讨了中高纬度地区垂直环流的低频振荡与华北地区夏季干旱的可能联系。由于热带季风中断时，主要降雨带位于我国江淮一带，此时垂直环流表现为在对流层低层２８°Ｎ左右范围内为上升运动区，在３５－４５°Ｎ区域附近内下沉气流加强，即我国华北地区上空盛行下沉气流，对应于该地区干旱、少雨。     

青藏高原夏季热力状态和南半球大气环流的可能联系

本文通过对观测和再分析数据采用最大协方差分析以及回归、合成等分析方法,研究了青藏高原夏季地表气温与南半球大气环流之间的遥相关关系。结果表明,前期(4月)南半球极地—中高纬度大气环流呈现负位势高度异常、较低纬度印度洋—西太平洋区域呈现正位势高度异常时,高原中部和东部大部分区域夏季出现暖异常。在上述遥相关中,印度洋—西太平洋海温异常可能起到了重要的中间桥梁作用。在高原夏季温度偏高的年份,前期跨赤道的印度洋—西太平洋海温也持续偏暖,带来的海陆热力对比减小、经向跨赤道气流减弱有利于削弱夏季的季风环流,使得高原夏季降水偏少,有利于形成高原夏季的暖异常。在这一高原气温—南半球大气环流的遥相关关系中,4月南半球的大气位势高度场异常和与印度洋—西太平洋海温异常相关的异常高度场分布也十分相似。这一前期的跨赤道区域海温异常与南半球中高纬度位势高度场异常的因果关系仍有待进一步揭示。     

平流层剩余环流及其时间演变特征

平流层剩余环流是由剩余速度经向分量和垂直分量构成的平流层经向－垂直环流，它对于对流层－平流层相互作用和物质交换起着十分重要的作用。作者利用1979～2003年NCEP II再分析资料计算了剩余速度经向分量和垂直分量， 并与数值模拟结果进行了比较，再用计算的剩余环流讨论了它的季节变化、年际变化和长期变化趋势。计算结果表明，剩余环流的上升气流从低纬度赤道地区对流层顶上升到平流层下部，然后向极向下运动，在中纬度地区下沉， 进入对流层，这也就是Brewer－Dobson环流。计算结果同数值模拟结果比较一致。由此可见，可以利用NCEP资料得到比较清晰的剩余环流和Brewer－Dobson环流。剩余环流有明显的季节变化，上升气流的中心随着季节的变化在赤道地区南北移动，春秋季节其中心基本上位于赤道附近，南北半球大致呈对称分布，只是北半球副热带地区的下沉气流要比南半球强。在冬夏季节，上升气流的中心分别位于南北纬10°附近。北半球夏季的上升气流要比南半球夏季的上升气流强，同时冬半球的下沉气流比夏半球的下沉气流强。剩余环流还有年际变化和准两年周期振荡特征，在纬向风为西风位相时，赤道地区的上升气流比较弱；而在东风位相时，上升气流和水平方向的输送相对比较强。剩余环流的十年际变化表现为，1979～1983年、1990～1995年、2000～2003年较强，其他年份则较弱。在过去25年，就总的变化趋势而言，剩余环流的上升气流有所增强，平流层下部向中纬度地区的输送也有所增强，环流整体形势是增强的。     

副热带季风环流圈的特征及其与东亚夏季环流的关系

本文利用ECMWF的2.5°×2.5°网格资料对1980—1983年夏季节12次西太平洋副高的中期进退过程进行合成分析。通过对合成场的诊断，论证了夏季东亚季风区存在着在大陆雨带中上升，副热带地区下沉的副热带季风环流圈。它是大陆季风雨带凝结加热驱动的上升辐散气流在向南运行过程中与南海ITCZ上空向北运行的上升辐散气流在副热带地区汇合下沉而构成的热力环流圈。这一环流圈的存在在东亚夏季环流中起着重要作用。     

大气热源和大地形对夏季印度季风和东亚季风环流形成作用的数值模拟

本文利用一个σ坐标的三层初始方程热带球圈数值模式,以全球夏季平均纬向风场为初始场,研究地形的纯动力作用和不同地区的大气热源、冷汇对亚洲夏季两支独立的季风环流系统形成的影响,针对它们对季风环流的主要成员如越赤道气流、季风槽、青藏高压等的相对重要性设计并进行了—系列试验,东亚季风环流和印度季风环流系统的成员被很好地模拟出来。     

夏季青藏高原热力场和环流场的诊断分析III:环流场稳定维持的物理机制

本文使用经过青藏高原气象科学实验测站观测资料订正过的欧洲中心FGGE-Ⅲb资料,对1979年夏季青藏高原地区进行了涡度方程诊断分析,研究了它们的月际变化、逐日变化和日变化,与高原上积云对流活动的强弱变化进行了比较,讨论了夏季高原稳定的环流场维持的物理机制;同时还对同时期热带赤道地区强对流活动区域进行了涡度方程诊断分析,将其涡旋环流场的维持机制与夏季高原地区进行了比较. 通过分析,发现夏季青藏高原月平均涡度方程平衡关系主要是次网格尺度项和散度项的平衡,水平平流项的耗散作用在高空较强,但不如次网格尺度项强,涡度方程其余各项均很小.从月际变化、逐日变化和日变化的比较,发现当积云对流活动发生强弱变化时,ω、D和涡度方程中的散度项、次网格尺度项均伴随很强的相应变化,对应关系很好,说明涡度方程中的次网格尺度项R(余差项)的主要部分来源于积云对流系统的活动,反映了夏季高原上存在的强盛频繁的积云对流活动对高原平均环流场的形成和维持具有重要的作用. 使夏季青藏高原高低层环流场加强的物理机制足高低层气流强大的辐散辐合,耗散机制是积云对流系统对高低层涡度的上下搅拌垂直输送作用和网格尺度水平平流项的非线性耗散作用,其中前者起主要的作用. 从涡旋能量维持的角度看,夏季青藏高原高低层环流场的维持大致是高原尺度环流系统的涡旋能量通过非线性过程,分别向高原区域以外更大尺度的系统和次网格尺度的对流系统输送,输送的损失由强大的高低层辐散辐合气流产生的涡旋能量补充,从而维持了高原地区环流场的稳定.赤道附近热带强对流活动区域环流场的维持机制与夏季高原地区的不同点,主要表现在其高层和低层的区域尺度环流场通过非线性作用都从更大尺度环流场得到涡旋能量,并把涡旋能量转送给次网格尺度积云对流系统,使自身维持稳定.     

高原低涡东移出高原的平均环流场分析

利用美国国家环境预测中心(NCEP)再分析资料,挑选出1998—2004年夏季高原涡移出高原多、少的年、月对它们的环流场进行对比分析。对比分析指出,6~8月是高原涡最易移出的月;当500hPa孟湾季风槽偏北,或西太副高明显西伸,高原东部有切变线活动;当200hPa南亚高压东伸明显,高原东部为南亚高压脊前西北气流控制时,有利于高原涡东移出高原。为高原低涡暴雨预报的气候背景提供了科学依据。     

一九八一年初夏东南亚地区大气热源结构及其对经向环流的影响

本文用热力学方程和水汽连续方程计算了东南亚地区1981年初夏的大气热源和水汽汇的分布情况。文章讨论了大气热源的演变与该地区经向垂直环流的相互关系,并讨论了大气热源和经向环流在南海和中南半岛的差异。分析结果表明,经向环流圈与大气冷热源的分布密切相关。东亚季风建立后的大气热源中心在南海北部,热汇区在赤道附近,相应的最大上升气流也出现在南海下沉区主要在赤道南侧,而且南海的经向环流比中南半岛的要强盛的多。大气热源对于经向环流圈的形成和维持有很大的作用。      

青藏高原及周围地区的平均垂直环流特征

为得到青藏高原及周围地区平均垂直环流的图像,更好地理解该地区的降水气候,利用美国NCEP/NCAR1961～1990年30年平均的ω、u、v、z等再分析格点资料,计算分析了该地区的平均垂直运动场和经、纬圈环流图,分析了它们的年变化特征和可能的原因.结果表明,该地区冬、夏半年的平均垂直运动场和经、纬圈环流有很大的年变化;揭示了夏季在西北干旱区和华北半干旱区分别存在干旱和半干旱经圈环流,夏季在高原325°N以南还存在巨大的向西纬圈环流等事实;也指出高原大气热源强度的年变化与随后高原及周边地区平均垂直环流的年变化联系密切.高原及周围地区的平均垂直环流特征也能较好地解释各地的降水气候.     

南方涛动年际变化与夏季亚澳季风环流及海洋性大陆区域气候异常的联系

利用美国NOAA卫星观测的SOI(Southern Oscillation Index,南方涛动指数)资料以及NCEP/NCAR、CMAP月平均资料,采用相关分析等方法,研究了南方涛动年际变化与夏季亚澳季风环流及海洋性大陆区域气候异常的联系。结果表明:南方涛动具有显著的年际变化特征,这种年际变化对夏季亚澳季风区及海洋性大陆区域的环流、降水及温度异常有重要影响。当SOI正位相时,赤道以南的澳大利亚东部地区以及西北太平洋海域高层为气旋,低层为反气旋,赤道地区的东部太平洋低层为辐散中心,高层为辐合中心,有利于下沉运动维持;加里曼丹岛附近低层辐合,高层辐散,有利于上升运动维持;海洋性大陆地区降水为显著的正异常,东亚地区降水存在较弱的正异常;海洋性大陆地区以及我国青藏高原到东海一带温度为正异常,孟加拉湾及印度半岛区域温度为负异常。     

高原季节转换时期大气环流变化特征

利用1961～ 2007年NCEP/NCAR的再分析逐日资料,分析高原主体上空大气环流的季节变化和受到高原影响的东亚大型环流系统的季节变化,以此证明本文得到的“高原普适性划分方法”的合理性.得到的初步结论概括如下：高原主体上空的位势高度、风场、高空温度、降水的季节变化和高原普适性季节划分方法划分的高原四季变化一致,高原南亚高压、副热带高压、副热带西风急流的三个特征指数季节变化和高原普适性季节划分方法划分的高原四季变化一致,这些结论都说明高原普适性季节划分方法划分的高原四季是合理的;风场季节率（500hPa、100hPa）显著区随高度升高向赤道靠近,风场季节率的变化主要和东亚季风的变化有关,大气环流系统季节率的显著说明了大气环流的季节变化,同时也证明了高原普适性季节划分方法的合理性.     

1958年7月亚洲东南部西南季风区和太平洋信风区平均流场和平均经圈环流

亚洲东南部西南季风区和太平洋信风区环流特点有显著的不同。在季风区有南部下沉、北部高原地区上升的垂直季风环流,高层有东风急流,下层有达400毫巴高度的深厚的西南气流。在信风区、低纬度则存在着典型的Hadley环流,高层有夏季太平洋中部副热带西风急流,下部有东北信风,东风随高度减弱。 季风垂直环流的存在,进一步说明了季风形成的因子。     

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。     

The Dynamic Plateau Monsoon Index and Its Association with General Circulation Anomalies

Based on monthly ECMWF reanalysis-Interim(ERA-Interim) reanalysis data,along with monthly precipitation and temperature data,the Dynamic Plateau Monsoon Index(DPMI) is defined.The results of a contrast analysis of the DPMI versus the Traditional Plateau Monsoon Index(TPMI) are described.The response of general circulation to northern Qinghai-Xizang Plateau summer monsoon anomalies and the correlation of the DPMI with general circulation anomalies are investigated.The results show that,the DPMI reflected meteorological elements better and depicted climate variation more accurately than the TPMI.In years when the plateau summer monsoon is strong,the low over the plateau and the trough near the eastern coast of Asia are deeper and higher than normal over South China.This correlation corresponds to two anomalous cyclones over the plateau and the eastern coast of Asia and an anomalous anticyclone in South China.The plateau and its adjacent regions are affected by anomalous southwesterly winds that transport more moisture to South China and cause more precipitation.The lower reaches of the Yangtze River appear to receive more precipitation by means of the strong westerly water vapor flow transported from the "large triangle affecting the region".In years when the plateau summer monsoon is weak,these are opposite.The plateau monsoon is closely related to the intensity and position of the South Asian high,and the existence of a teleconnection pattern in the mid-upper levels suggests a possible linkage of the East Asian monsoon and the Indian monsoon to the plateau summer monsoon.     

青藏高原热力异常与华北汛期降水关系的研究

利用1980～1994年NCEP/NCAR再分析资料,以及我国336个测站1956～1994年月降水量资料,通过诊断分析和数值实验,研究了夏季高原上热力异常与华北汛期降水的关系.结果表明:华北汛期干旱年,青藏高压及西太平洋副热带高压偏南、偏东,华北汛期降水偏多年则相反;华北汛期旱年时,高原上升、高原东侧邻近地区下沉的垂直环流明显加强,而降水偏多年时,垂直环流减弱,华北地区为上升气流控制;夏季高原为热源和水汽汇区,它们的异常对华北地区降水有很大影响,当热源和水汽汇增强(减弱)时,华北地区降水偏少(偏多).数值试验表明,高原上潜热加热异常引起青藏高压、西太平洋副热带高压、亚洲季风以及欧亚中高纬地区环流的变化,进而影响到华北地区的降水.     

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.     

全球变暖背景下青藏高原夏季气温在对流层上下反相变化及其与降水和环流的关系

本文利用NCEP/NCAR月平均再分析资料及中国596个测站月降水资料,采用线性倾向估计、经验正交函数分解(EOF)、相关分析、合成分析等方法,对青藏高原夏季对流层气温垂直变化及其与降水和环流的关系进行了分析。气温垂直变化特征分析表明:自1971年以来,青藏高原夏季对流层低层至对流层中上部气温呈现显著增暖趋势,对流层上部气温呈现显著变冷趋势,高原对流层低层至中上部气温及对流层上部气温在年际、年代际尺度上均呈较显著负相关,且均存在2~4 a及8~13 a的周期;夏季青藏高原地区沿27.5°N~40°N平均的气温距平垂直分布的EOF分解第一模态特征向量在对流层表现为"下降温上增温"的反相变化,其时间系数呈显著负趋势,且存在1978年及1994年的突变点。高原夏季气温在对流层的上下反相变化与我国夏季降水的关系在年际、年代际尺度上均显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时,我国夏季降水表现为南方型,其中以江南至华南地区降水显著偏多而我国东北地区降水显著偏少为主要分布特征;另外,长江流域的局部地区及我国西北的部分地区降水也明显偏少,而华北东部的局部地区、青藏高原中部及东部地区以及新疆西北部地区降水明显偏多;降水异常分布在年代际尺度上比年际尺度更显著。环流分析显示:当高原对流层低层至对流层中上部升温而对流层上部降温时东亚中高纬度地区为异常高压控制,中低纬度地区受异常低压影响。环流场与降水分布有较好的配置关系。     

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.