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.     

青藏高原积雪对亚洲夏季风影响的诊断及数值研究

通过对青藏高原多、少雪年的合成分析及数值试验，研究了青藏高原积雪对亚洲 夏季风和我国东部气候异常的影响。结果表明:青藏高原积雪造成亚洲大气环流较大的年际变化。高原积雪改变了高原陆面春、夏季的热状况，使亚洲夏季风爆发推迟20天左右。高原积雪通过以下物理过程影响亚洲夏季风和我国东部气候:高原积雪多(少)→高原春、夏季的感热弱(强)→感热加热引起的上升运动弱(强)，高原强(弱)环境风场→不利(有利)于高原感热通量向上输送→高原上空对流层加热弱(强)→高原对流层温度低(高)→高原南侧温度对比弱(强)→造成亚洲夏季风弱(强)→我国长江流域易涝(旱)。     

地表反照率与高原夏季风爆发关系分析

利用2000～2016年MODIS地表反照率和ECMWF/ERA-Interim再分析资料,选取有代表性的高原季风指数DPMI,统计分析了青藏高原地表反照率与高原季风之间的联系,结果表明:1)11月高原地表反照率大小与次年高原夏季风爆发存在密切关系:11月高原地表反照率偏低(高),次年4月高原夏季风爆发偏早(晚),强度偏强(弱)。2)可能的影响机制为:当前期11月高原地表反照率偏低时,后期高原主体对大气的感热加热信号更强,从而引起4月高原上空近地面层上升运动明显加强,这有利于热量向高空传输,导致对流层加热作用加强,高原上空对流层温度偏高,使得高原季风环流系统加强,最终导致高原季风季节变化相应提前;反之亦然。     

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。     

青藏高原对亚洲夏季风爆发位置及强度的影响

通过数值模拟,研究了青藏高原位于不同经度位置时,亚洲夏季风的爆发和演变情况,从动力和热力学角度分析了青藏高原大地形对亚洲夏季风爆发位置的影响。结果表明,青藏高原的“热力滑轮”作用引起:高原东南面热带陆地上空的偏南气流加强,降水增加,凝结潜热加强;高原西南面热带陆地上空出现偏北气流,降水减弱,陆面的感热加热加强。青藏高原对于亚洲夏季风的爆发地点有锚定的作用,在热带海陆分布的背景下,使亚洲夏季风首先在高原东南面的海洋东岸—陆地西岸爆发,并使亚洲季风降水重新分布。     

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。     

青藏高原加热与亚洲环流季节变化和夏季风爆发

利用逐日NCEP/NCAR再分析资料分析了春夏过渡季节青减高原非绝热加热和大气环流季节变化以及亚洲季风爆发的关系.结果表明,过渡季节的早期(5月中旬以前)青藏高原总非绝热加热与感热加热的时间演变曲线趋势一致,感热加热在过渡季节早期的环流演变中有很重要的作用.青藏高原非绝热加热的时间演变与北半球环流的季节变化和亚洲夏季风爆发有很好的相关.在过渡季节里,青藏高原非绝热加热的变化引起了海-陆热力差异对比的变化,给亚洲夏季风的爆发建立了有利的背景环境,对亚洲夏季风爆发有明显的影响.结果还表明,用各区域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.     

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。     

1979年5月东南亚夏季风的建立和青藏高原的作用

东南亚夏季风开始于5月,它是大气环流向夏季环流过渡的一个重要阶段。本文用FGGE-IIIb全球网格点资料,分析1979年4月26日到5月25日,大范围（40°S～50°N,30～160°E）温度、湿度和风场变化特征,计算了垂直速度、辐散风场、热源和水汽汇收支,研究了东南亚夏季风的性质和来源,其中着重分析了青藏高原的热力和动力作用与东南亚夏季风建立的关系。东南亚夏季风建立的主要因素是中纬度的环流形势,来自热带海洋的西南气流和青藏高原的作用。东南亚夏季风开始时,高空大气环流发生调整,青藏高原上空为波脊,两侧为波槽。低空东南亚夏季风区的辐合气流有四个来源:1）同经度范围的偏南辐散风,2）高原南侧的偏西辐散风,3）高原东侧的偏北辐散风,4）西太平洋上的偏东辐散风。分析表明,东南亚夏季风降水受高原西南侧的中纬度西风带波动影响。低空西南气流来源于80～120°E的南半球热带地区,西南气流输送水汽并且加强低空辐合。主要的热源位于东南亚,主要是潜热释放形成的,它是驱动东南亚夏季风环流的主要机制。整个分析期,青藏高原是一热源,抬升的感热加热和动力作用形成和维持了高原上空的高压脊和两侧的波槽,从而有助于东南亚夏季风的建立。     

青藏高原调控区域能量过程和全球气候的机理

本文总结了中国国家自然科学基金委重点项目“青藏高原调控区域能量过程及其影响机理”的研究进展。着重阐明了春夏季伊朗高原和青藏高原(TIP)地表热通量特征及变化原因、TIP上空独特的水汽、云宏观和微观垂直结构,以及降水和云辐射效应;在夏季两个高原地区的感热加热存在相互影响和反馈,形成观测到的加热与大气垂直环流之间的准平衡耦合系统,由此提出了TIP系统(TIPS)的概念;项目还从天文和水文的角度佐证了TIPS对亚洲夏季风的影响,揭示TIPS导致上对流层暖、下平流层冷的南亚高压的形成机理及TIPS影响北半球环流和印度洋海气相互作用的物理过程;揭示TIPS系统对南亚高压年际变化的影响,提出高原位涡强迫激发中国东部激烈天气过程的一种新机制。此外还揭示了CMIP5模式对高原表面温度模拟存在冷偏差的原因和其中的物理过程,这是大气环流与冰雪反照率的动力耦合的结果。     

Formation and Variation of the Atmospheric Heat Source over the Tibetan Plateau and Its Climate Effects

To cherish the memory of the late Professor Duzheng YE on what would have been his 100 th birthday, and to celebrate his great accomplishment in opening a new era of Tibetan Plateau(TP) meteorology, this review paper provides an assessment of the atmospheric heat source(AHS) over the TP from different data resources, including observations from local meteorological stations, satellite remote sensing data, and various reanalysis datasets. The uncertainty and applicability of these heat source data are evaluated. Analysis regarding the formation of the AHS over the TP demonstrates that it is not only the cause of the atmospheric circulation, but is also a result of that circulation. Based on numerical experiments, the review further demonstrates that land–sea thermal contrast is only one part of the monsoon story. The thermal forcing of the Tibetan–Iranian Plateau plays a significant role in generating the Asian summer monsoon(ASM), i.e., in addition to pumping water vapor from sea to land and from the lower to the upper troposphere, it also generates a subtropical monsoon–type meridional circulation subject to the angular momentum conservation, providing an ascending-air large-scale background for the development of the ASM.     

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     

近几十年青藏高原夏季风变化趋势及其对中国东部降水的影响

根据NCEP/NCAR、NCEP/DOE和ERA40再分析资料以及中国596个台站逐月降水观测资料,利用相关分析、小波分析和交叉谱分析等统计方法,分析了近几十年青藏高原夏季风变化趋势及其对中国东部降水的影响,探讨了影响高原夏季风长期变化的可能原因.结果表明:高原夏季风具有年际和年代际的多时间尺度变化特征,在1958～2...     

Influence of the Tibetan Plateau on the Summer Climate Patterns over Asia in the IAP/LASG SAMIL Model

A series of numerical experiments are carried out by using the Spectral Atmospheric Model of State Key Laboratory of Numerical Modeling Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics/Institute of Atmospheric Physics （SAMIL） to investigate how the Tibetan Plateau （TP） mechanical and thermal forcing affect the circulation and climate patterns over subtropical Asia. It is shown that, compared to mechanical forcing, the thermal forcing of TP plays a dominant role in determining the large-scale circulation in summer. Both the sensible heating and the latent heating over TP tend to generate a surface cyclonic circulation and a gigantic anticyclonic circulation in the mid- and upper layers, whereas the direct effect of the latter is much more significant. Following a requirement of the time-mean quasi-geostrophic vorticity equation for large-scale air motion in the subtropics, convergent flow and vigorous ascending motion must appear to the east of TP. Hence the summer monsoon in East China is reinforced efficiently by TP. In contrast, the atmosphere to the west of TP is characterized by divergent flow and downward motion, which induces the arid climate in Mid-Asia.     

青藏高原隆升对春、夏季亚洲大气环流的影响

利用全球大气环流谱模式R42L9,进行了有、无青藏高原大地形两种情况的10年积分,通过两个试验结果的比较,研究了青藏高原大地形对春、夏亚洲大气环流的影响。模拟结果表明：春季,青藏高原大地形对低层西风的阻挡引起了绕流,其北支气流加强了北方冷空气在高原东侧的南下;同时,作为一个弱热源,它的热力作用加强了高原南侧的南支西风气流,为华南地区输送了大量的暖湿空气。冷暖空气的交汇,加强了华南地区春季的降水。夏季,青藏高原强热源的存在,引起的低层气旋性环流,加强了青藏高原东侧的东亚夏季风,使其向北发展。盛夏,青藏高原“感热气泵（SHAP）”在南亚地区上空低层造成了负涡度和辐散异常,使南亚地区的夏季降水减少,南亚夏季风减弱;在对流层上层高原上宅形成负涡源,并通过遥相关加强了伊朗高压。     

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.     

春季青藏高原表面感热加热的年际变化特征及其对印度夏季风爆发时间的影响

本文基于日本气象厅(JMA)的JRA-25再分析资料,分析了春季青藏高原表面感热加热年际变化的时空特征,及其对印度夏季风爆发过程的影响。EOF分析结果表明,春季高原感热加热的年际变化在高原中西部最为明显,这主要与局地地-气温差的年际变率有关。统计分析表明,当春季高原中西部表面感热偏强(弱)时,印度夏季风爆发偏早(晚),且高原中西部表面感热与ENSO事件无显著相关。春季高原中西部感热能够通过改变印度季风区对流层高层和低层的经向热力结构来影响印度夏季风的爆发时间。当春季高原中西部感热偏强时,造成的上升气流在高原以西的印度季风区北部下沉,通过绝热增暖引起局地对流层中上部的异常暖中心,令印度季风区对流层中上部平均温度经向梯度由冬至夏的季节性反转提早。同时,印度季风区北部的下沉运动能够抑制当地降水,令陆面温度升高,并通过非绝热过程造成对流层低层的异常暖中心,进一步增强了印度季风区的海陆热力对比。在印度季风区以北地区对流层高、低层异常增暖的共同作用下,印度夏季风提前爆发。