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.     

欧亚地形对夏季南亚大气环流日变化影响的数值模拟研究

利用大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）气候模式F-GOALS的大气谱分量SAMIL，设计了有、无欧亚地形的对比试验，并与NCEP/NCAR再分析资料进行比较，通过分析其流场、高度场、温度和涡度的差异，得到欧亚大陆地形对夏季大气环流场日变化的影响特征。结果表明，欧亚大陆地形对大气环流和气候日变化的影响主要集中在青藏高原地区。由于青藏高原上空大气对太阳辐射加热场的日变化最为敏感，随着日间加热场的增强，热力适应造成白天高原低层大气气旋性环流加深，相应地使周边地区向高原辐合增强，引起高原地区日间的上升运动更为强盛，而使大气高层反气旋环流增强，引起高原上空向外辐散气流增强。也就是地形效应在白天增强了高原“感热气泵”的效率，使其产生明显的日变化，随之带来高原及周边地区局地环流强烈的日变化。由于上升运动的日变化，引起高原南部地区降水的日变化，同时降水的增加正反馈于上升运动，使得上升运动在高原南部地区日变化尤为强烈。     

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     

近期青藏高原对亚洲气候影响的动力学研究进展

总结回顾了近年青藏高原影响的气候动力学研究。青藏高原在不同季节对气候的影响具有的不同特性:(1) 冬季高原为弱冷源的特征;(2) 春季高原与环流的相互作用使中国南方盛行西南气流进而形成江南春雨,在从冬到夏的季节推进过程中,青藏高原还调控南亚-印度洋海陆气相互作用,激发孟加拉湾季风爆发性涡旋,促使孟加拉湾季风在高原东部爆发;(3) 夏季斜坡上的感热加热形成高原感热气泵,与海陆热力对比共同作用,控制南亚季风和东亚季风;(4) 在年际和年代际时间尺度上,冬季热源异常是北半球大气环流变化的结果,同时对中国南方持续性异常雨雪事件产生影响;在春夏季节,高原热力强迫的变化强烈地影响环流和亚洲气候。其中青藏高原表面感热通量和其上空大气热源在春季和夏季呈减弱趋势在近30年逐渐减弱,影响到中国近几十年夏季季风和雨带分布。最后提出青藏高原影响研究的气候动力学面临的科学问题。      

青藏高原边界层高度特征对大气环流动力学效应的数值试验

利用NCAR的全球气候模式 (CCM3) 及第二次青藏高原边界层观测试验的研究结果, 对青藏高原上大气边界层高度的作用进行了研究, 分析了夏季青藏高原地区与长江流域上空的环流状况。研究表明:青藏高原的边界层高度特征对高原东南部地区以及长江流域出现强烈的垂直上升运动及其低层辐合、高层辐散存在着显著的动力效应, 深厚的高原边界层特征将使长江流域夏季区域性的云量及降水明显增加, 河套地区与黄河流域的夏季云量及降水有所减少。     

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。     

青藏高原热源异常对1999年东亚夏季风异常活动的影响

以1999年青藏高原的热源异常为出发点,讨论了其对东亚夏季风异常活动的影响,并从陆气相互作用的角度分析了该年热源异常的原因.结果表明,1999年青藏高原大气热源建立的时间明显偏晚,春夏季热源强度异常偏弱.这使得向高原的低层流入气流明显偏弱,垂直上升运动减弱,向高原的辐合减少,季风经圈环流变弱,高原南侧、东南侧的西南夏季风减弱,引起了夏季风的爆发偏晚及在中国东部北进的偏弱.而进一步对热源异常成因的分析表明,陆面因子的异常变化所引起的感热加热偏弱是热源偏弱的主要因子.高原积雪的减幅在春夏季变小,地表温度的增加变慢,地表温度偏低,引起了感热加热在春夏季的偏弱,进而导致了热源异常.     

青藏高原大地形对冬季东亚大气环流的影响

本文用有限区域的p—σ5层原始方程模式作数值模式,以美国国家气象中心的气候资料及姚兰昌等人计算的1979年1月东亚平均大气加热场作为初始场进行了数值模拟和试验,探讨了青藏高原大地形对冬季东亚大气环流的影响。试验结果表明:(1)冬季东亚加热场的热力作用比青藏高原大地形的动力作用要次一级。(2)冬季青藏高原大地形的动力作用,主要表现在纬向西风过高原的绕流效应和爬坡效应,它们对东亚冬季大气环流平均场的形成具有决定性的贡献。(3)冬季,在东亚地区垂直环流的分布及其强弱基本上取决于青藏高原的动力作用,最强的哈德菜环流出现在西太平洋地区,而不在高原地区。(4)冬季东亚加热场的热力作用主要表现在通过动力作用加强东亚大槽、加强高原南北两侧和日本上空的急流以及东亚地面反气旋。 在冬季,东亚地区的大形势分布主要取决于大地形的动力作用,而冷热源的热力作用则影响着系统的强度。     

青藏高原冬季风强弱年中国气候对比分析

本文选取1984~2013年NCEP/NCARII月平均再分析资料和,及全国160个台站月平均气温和降水量资料,使用由散度定义的青藏高原季风指数,以1月为冬季代表月,确定高原冬季风强弱代表年。通过相关分析和合成分析,详细分析了青藏高原冬季风强弱年份,东亚大气环流和我国气候的差异。结果表明:(1)高原冬季风强弱伴随东亚大气环流的异常,当高原冬季风偏强时,高原上空的冷低压加强,辐散下沉运动加大,中高纬地区的槽脊加深,而低纬地区有一气旋性环流生成;(2)高原冬季风强弱年我国同期气候差异明显,高原冬季风偏强年的冬季,新疆北部、华北中部等地降水偏多,四川盆地、长江中下游等地降水偏少,冬季气温大部份地区偏高,云南、黑龙江等地略偏低。(3)高原冬季风的影响具有滞后效应,高原冬季风强弱年的夏季,大气环流和我国气候明显不同,强年高原热低压和高纬地区的槽脊减弱,西太平洋副高偏北偏强,长江中下游、华南等地降水明显偏多,长江中上游、内蒙等地降水明显偏少。     

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     

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。     

热力适应、过流、频散和副高II.水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气 动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压在中低空出现在热源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡度强迫源还通过能量频散，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

热力适应、过流、频散和副高Ⅱ．水平非均匀加热与能量频散

利用位涡方程和热力适应原理，讨论了因非绝热加热的空间不均匀性导致的大气动力特征的变化，进一步阐明了副热带地区的深对流凝结潜热加热的垂直非均匀性使副热带高压中低空出现在低源区以东，在高空出现在热源区以西。在此基础上，深入研究了水平非均匀加热对大气环流的影响。结果表明加热区以北，虽然非绝热加热消失，但存在加热的水平梯度在西风环流的背景下在高低层造成深厚的负涡度强迫。因而高层热源北部边界附近的西风向南偏转进入加热区，造成加热区北部边界及其以北发生次级辐散；低层热源区的南风发生反气旋偏转，汇入加热区外的西风气流中，造成低层加热区北部边界及其以北发生次级辐合。结果该区域产生了垂直上升运动及负的涡度强迫源，对应着异常强烈的反气旋环流。该负涡强度迫源还通过能量散射，在西风带中以Rossby波的形式向中高纬传播，影响中高纬地区的异常环流型。     

非绝热过程对热带副热带环流和天气影响的数值预报试验

本文用p—σ混合坐标系原始方程模式,对1982年5月8日至10日的一次天气过程进行了数值预报试验。试验方案有两类,一类是湿绝热预报方案,另一类是非绝热预极方案,即模式中除考虑水汽凝结所产生的潜热外,还包含了海陆分布、地形以及不同的土壤下垫面物理特征所引起的各种非绝热物理过程。文中着重比较和讨论了非绝热加热过程对于北半球热带副热带地区环流和天气现象的影响。结果指出,非绝热物理过程对于高空温压场形势的短期影响不明显,对于低层气压形势以及风场的影响较大,对孟加拉湾及高原东部影响甚大,两种方案的风矢差变率可达到100%。忽略非绝热过程,会使青藏高原热低压大为减弱,风场的气旋性环流和辐合均大为减小,西南气流也被削弱。对于降水分布和降水量来说,忽略非绝热物理过程可使孟加拉湾地区不出现降水区,我国东南部沿海地区以及西太平洋中的降水也被减少甚至消失。      

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. I：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7~8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330~360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

7月青藏高原大气热源空间型及其与东亚大气环流和降水的相关研究

对1958～1999年的7月份NCEP/NCAR再分析资料中青藏高原区域大气热源强度(整层气柱的总非绝热加热率)做旋转经验正交函数分析,结果表明该区域内大气热源强度的空间分布特征复杂,各地差异显著。前4个REOF型的加热中心位于高原东北部、高原西南部、克什米尔地区以及高原东南部地区上空。小波分析还表明各空间型都有2～4a的变化周期。文中计算了前4个RPC与东亚中、低空纬向风(U)、经向风(V)、纬向水汽通量(Q_u)、经向水汽通量(Q_v)的相关系数,并用这些相关系数构造矢量,进而分析其流场和水汽通量散度场,发现高原不同区域的大气加热异常所对应的东亚大气环流形势及降水也大不相同,由此表明,在研究高原加热对中国气候的影响时,应注意加热的空间分布特征。     

积云对流参数化方案对东亚夏季环流和降水模拟的影响

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对东亚夏季区域气候模拟中最常选用的两种积云对流参数化方案进行对比分析,研究积云对流参数化方案选用对大尺度环流模拟的影响。结果表明:Kain-Fritsch（KF）方案对西太平洋副热带高压（简称副高）及环流的模拟效果较好,虽然KF方案模拟降水偏多,但是时空分布与TRMM降水分布接近;Grell-Freitas（GF）方案对流加热率过大,从而模拟的南海—菲律宾区域对流异常增强,在南海—菲律宾洋面上的垂直输送异常增大,非绝热加热的范围偏大,导致副高南侧下沉区辐散减弱,抑制了副高北抬西伸,进而影响到水汽输送和季风环流,最终对东亚夏季降水的模拟产生不利影响。修改GF方案对流加热率和干燥率的敏感性试验表明,减小对流加热率和干燥率参数能有效抑制南海—菲律宾区域过强的对流,东亚大尺度环流的模拟得到明显改进。     

MAIN HEATING MODES OVER THE TIBETAN PLATEAU IN JULY AND THE CORRELATION PATTERNS OF CIRCULATION AND PRECIPITATION OVER EAST ASIA*

Based on the 1958-1999 monthly averaged NCEP/NCAR reanalysis data,the REOF analysis is applied to obtain the main spatial modes of normalized atmospheric heating source over the Tibetan Plateau(TP) in July.Results show that the four leading modes are located over the northeast TP,southwest TP.Kashmir and southeast TP respectively,and the cumulative variances are no more than one third of the total.It indicates that the heating source distribution is very complicated over the TP in July.In other words.it is difficult to depict the heating spatial distribution with a few modes.By using wavelet analysis,a 2-4-year variation period is identified in these modes.Moreover,correlation coefficients between each RPC and zonal wind U, meridional wind V.zonal moisture flux Q_v,meridional moisture flux Q_v,and precipitation rate over East Asia are calculated to construct correlation fields,Results show that different heating modes over the TP correspond to different circulation,moisture flux as well as precipitation patterns,Precipitation over North China(or Kashmir) is negatively(or positively) correlated with REOF1.Similarly.notable negative(or positive) correlation can be found between the rainfall over south part of Southwest China.South China,and the Philippines(or Japan) and the REOF3. Due to high localization of diabatic heating over the TP.it is not enough to study the influence of TP thermal forcing on the climate with an area averaged heating index.