青藏高原冬春积雪影响南海季风爆发的数值研究

采用NCAR CAM3.0大气环流模式,研究了冬春季青藏高原积雪异常对南海夏季风爆发的可能影响机制.通过比较多雪年与少雪年试验中的热力场、环流场季节演变的差异得出,多雪年青藏高原感热加热偏弱、高原纬度的中上层大气温度偏低,导致大尺度经向温度梯度反转时间偏晚；同时,青藏高原感热加热偏弱将不利于Hadley环流的季节转换,使得中南半岛上空的下沉异常气流维持时间较长、副高在孟加拉湾断裂的时间偏晚、中南半岛对流爆发偏晚、中南半岛地表温度下降时间偏晚,从而造成中南半岛与南海局地纬向温度梯度反转时间也偏晚.在上述大尺度经向温度梯度以及中南半岛与南海局地纬向温度梯度的共同作用下,多雪年南海季风爆发偏晚.     

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)。     

青藏高原与中国西北干旱区地面感热季节增强时间的差异及相互关系

利用1982-2015年中国西北干旱区88个、青藏高原中东部70个常规气象站逐日地表感热通量计算资料,分析了青藏高原和中国西北干旱区地表感热的气候差异特征及其相互关系。结果表明：（1）青藏高原在春季感热增强的时间普遍早于中国西北干旱区,干旱区春季感热异常增强时间偏早（晚）的地方,在秋季感热异常减弱的时间也更偏早（晚）。（2）青藏高原感热全年表现为正值,春季感热最强,夏季次之;西北干旱区感热冬季表现为弱的负值,夏季感热最强。春季青藏高原感热呈东部偏弱（强）、西部偏强（弱）的分布时,夏季塔里木盆地及其东北部、甘肃西南部以及宁夏平原等干旱区感热偏弱（强）。（3）当青藏高原感热增强时间呈西北部偏早（晚）、东南部偏晚（早）分布时,中国西北干旱区的塔里木盆地南部以及甘肃北部感热增强时间偏早（晚）,准噶尔盆地感热增强时间偏晚（早）。这一研究结果对进一步认识青藏高原和中国西北干旱区下垫面感热通量及陆气相互作用的时空变化特征,为青藏高原草地生态系统的保护及东亚气候的预测提供理论依据。     

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。     

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。     

春季青藏高原加热异常对亚洲热带环流和季风爆发的影响

使用NCEP/NCAR再分析等资料,从年际变化的角度,选取季风爆发前青藏高原感热加热异常强/弱年进行合成分析,结果表明：季风爆发前高原加热异常偏强,使得高层环流趋向于季节变化的方向;中、低层孟加拉湾等地区有气旋式环流、上升运动及降水增强,孟加拉湾季风爆发偏早。为进一步证实合成分析的相关结论,设计了对春季高原感热加热异常的敏感性数值试验,结果表明：高原感热加热异常对环流的影响结果与资料诊断分析基本一致,高原感热加热加强（减弱）导致孟加拉湾季风爆发偏早（偏晚）。     

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。     

春夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时空分布特征及相互联系

伊朗高原和青藏高原热力作用对东亚区域气候具有重要影响。基于1979—2014年欧洲中心ERA-interim月平均再分析地表热通量资料,分析了春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的时、空分布特征以及春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量的关系。结果表明,春、夏季青藏高原与伊朗高原地表热通量在季节、年际和年代际尺度上具有不同的时、空分布特征。对于青藏高原,春、夏季地表感热呈西部大东部小、地表潜热呈东部大西部小;地表感热在春季最大且大于地表潜热,地表潜热在夏季最大且大于地表感热。在年际时间尺度上,春、夏季青藏高原地表热通量异常的年际变化在东、西部不一致,青藏高原西部,地表感热与地表潜热有较强的负相关关系。青藏高原地表感热异常具有很强的持续性,当春季地表感热较强（弱）时,夏季高原地表感热同样较强（弱）。青藏高原东部与西部地表热通量的年代际变化有明显差异,春（夏）季青藏高原东部地表感热呈显著的年代际减弱趋势,1998（2001）年发生年代际转折,由正异常转为负异常;而青藏高原西部地表感热在春季则有显著的增大趋势,2003年发生年代际转折,由负异常转为正异常。青藏高原东部地表潜热仅在春季为显著减弱趋势,2003年出现年代际转折,由正异常转为负异常;青藏高原西部地表潜热在春、夏季都有显著减弱趋势,年代际转折出现在21世纪初,由正异常转为负异常。对于伊朗高原,春、夏季地表热通量的空间分布在整个区域较一致,地表感热在夏季最大,地表潜热在春季大、夏季小,但各季节地表感热都大于地表潜热。相对于青藏高原地表感热,伊朗高原地表感热在各月都更大。在年际时间尺度上,春、夏季伊朗高原各区域地表热通量异常的年际变化较一致;地表感热与潜热有很强的负相关关系;伊朗高原地表感热、潜热异常都具有持续性,当春季地表感热（潜热）通量较强（弱）时,夏季地表感热（潜热）通量同样较强（弱）。伊朗高原北部与南部地表热通量的年代际变化存在差异。其中,春、夏季伊朗高原北部地表感热（潜热）呈显著增强（减弱）趋势,在20世纪末发生了年代际转折,春、夏季北部地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。而伊朗高原南部春、夏季地表热通量无显著变化趋势,但春季地表感热、潜热与夏季地表感热同样在20世纪末存在年代际转折,地表感热（潜热）由负（正）异常转为正（负）异常。春、夏季两个高原地区地表热通量的关系主要表现为:就春季同期变化而言,伊朗高原地表感热与青藏高原西部地表感热具有同相变化关系,与青藏高原东部地表感热具有反相变化关系,伊朗高原地表潜热与青藏高原东部地表潜热具有同相变化关系;就非同期变化而言,春季伊朗高原地表感热与夏季青藏高原东部地表感热存在反相变化关系。      

青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水的年代际变化关系

利用NCEP 1950—2004年逐日再分析资料,采用倒算法,对青藏高原大气热源的长期变化进行了计算,结果发现,青藏高原及附近地区上空大气春夏季热源在过去50年里,尤其是最近20年,表现为持续减弱的趋势。而1960—2004年青藏高原50站的冬春雪深却出现了增加,尤其是春季雪深在1977年出现了由少到多的突变。用SVD方法对高原积雪和高原大气热源关系的分析表明,二者存在非常显著的反相关关系,即高原冬春积雪偏多,高原大气春夏季热源偏弱。高原大气春夏季热源和中国160站降水的SVD分析表明,高原大气春夏季热源和夏季长江中下游降水呈反相关,与华南和华北降水呈正相关;而高原冬春积雪和中国160站降水的SVD分析显示,高原冬春积雪和夏季长江流域降水呈显著正相关,与华南和华北降水呈反相关。在年代际尺度上,青藏高原大气热源和冬春积雪与中国东部降水型的年代际变化(南涝北旱)有很好的相关。最后讨论了青藏高原大气热源影响中国东部降水的机制。青藏高原春夏季热源减弱,使得海陆热力差异减小,致使东亚夏季风强度减弱,输送到华北的水汽减少,而到达长江流域的水汽却增加;同时,高原热源减弱,使得副热带高压偏西,夏季雨带在长江流域维持更长时间。导致近20年来长江流域降水偏多,华北偏少,形成"南涝北旱"雨型。高原冬春积雪的增加,降低了地表温度,减弱了地面热源,并进而使得青藏高原及附近地区大气热源减弱。     

青藏高原春季地表非绝热加热异常对东亚夏季风强度的影响

为了探究与融雪、融冻过程相联系的青藏高原春季地表非绝热加热异常对东亚夏季风强度变化的影响,利用NCEP/NCAR Reanalysis I(NCEP-I)和欧洲中心(ERA-interim)全球月平均感、潜热通量等再分析资料,以及1961—2014年全国723个气象站逐月历史观测资料,首先定义一个与青藏高原地表非绝热加热相联系的新东亚夏季风指数,并分析新夏季风指数与中国夏季降水的关系,进而探讨青藏高原春季地表非绝热加热异常对东亚夏季风强度变化的影响。结果表明:(1)受青藏高原春季大气射出长波辐射减弱、地气温差发生突变影响,近36 a青藏高原春季地表感热、潜热通量先后在1997年、2003年左右经历了一次由增大转为减小的明显突变;(2)采用200 h Pa水平风速新定义的东亚夏季风指数具有良好、广泛的代表性和适用性,近50 a来新东亚夏季风指数强度呈减弱趋势,减弱速率为-0.73/10 a;(3)新东亚夏季风指数与长江流域夏季6—8月降水之间存在极为显著的负相关关系,即东亚夏季风出现增强(减弱)异常时,长江流域夏季6—8月降水会异常减少(增多);(4)融雪、融冻过程引起的青藏高原春季前期地表潜热通量正(负)异常,会引起随后建立的东亚夏季风强度的减弱(增强)。与融雪、融冻过程联系紧密的青藏高原春季地表感、潜热通量存在显著的准3 a左右周期,其年代际变化对随后爆发的东亚夏季风和我国东部地区夏季降水准3 a左右周期的变化具有重要影响。     

南亚夏季风爆发前后青藏高原地表热通量的长期变化特征分析

青藏高原作为世界第三极,其热力强迫作用不仅对亚洲季风系统的发展和维持十分重要,也会对大气环流场产生深远影响。利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim中1979-2016年3-10月青藏高原及其周边地区的地表热通量月平均再分析资料,通过分析得出以下结论:3-5月青藏高原主体由感热占据,感热强度快速上升且呈西高东低的分布态势,潜热强度较小但随时间而增强。季风爆发后的6-8月,青藏高原感热强度减弱,潜热强度迅速增强且呈东高西低的分布特征。季风消退后的9-10月,感热与潜热强度相当,但感热呈现出西高东低的分布特征。过去38年,青藏高原地表感热总体呈现微弱下降趋势,潜热呈较弱上升趋势。青藏高原西部地区感热呈微弱下降趋势,潜热呈上升趋势。东部感热呈较为明显的下降趋势且近年来变化趋势增强,东部潜热通量则呈现较为明显的上升趋势,分析结论与近期全球变暖条件下青藏高原气候变暖变湿这一变化状况一致,通过对青藏高原地表热通量的变化分析为下一步运用第三次青藏高原大气科学试验所获资料分析青藏高原上空大气热源的变化以及地表加热场如何影响大气环流奠定基础。      

A Modeling Study of the Effects of Anomalous Snow Cover over the Tibetan Plateau upon the South Asian Summer Monsoon

The effect of anomalous snow cover over the Tibetan Plateau upon the South Asian summer monsoon is investigated by numerical simulations using the NCAR regional climate model (RegCM2) into which gravity wave drag has been introduced. The simulations adopt relatively realistic snow mass forcings based on Scanning Multi-channel Microwave Radiometer (SMMR) pentad snow depth data. The physical mechanism and spatial structure of the sensitivity of the South Asian early summer monsoon to snow cover anomaly over the Tibetan Plateau are revealed. The main results are summarized as follows. The heavier than normal snow cover over the Plateau can obviously reduce the shortwave radiation absorbed by surface through the albedo effect, which is compensated by weaker upward sensible heat flux associated with colder surface temperature, whereas the effects of snow melting and evaporation are relatively smaller.The anomalies of surface heat fluxes can last until June and become unobvions in July. The decrease of the Plateau surface temperature caused by heavier snow cover reaches its maximum value from late April to early May. The atmospheric cooling in the mid-upper troposphere over the Plateau and its surrounding areas is most obvious in May and can keep a fairly strong intensity in June. In contrast, there is warming to the south of the Plateau in the mid-lower troposphere from April to June with a maximum value in May.The heavier snow cover over the Plateau can reduce the intensity of the South Asian summer monsoon and rainfall to some extent, but this influence is only obvious in early summer and almost disappears in later stages.     

Difference in the Interdecadal Variability of Spring and Summer Sensible Heat Flux over Northwest China

The present study investigates the difference in interdecadal variability of the spring and summer sensible heat fluxes over Northwest China by using station observations from 1960 to 2000. It was found that the spring sensible heat flux over Northwest China was greater during the period from the late 1970s to the 1990s than during the period from the 1960s to the mid-1970s. The summer sensible heat flux was smaller in the late 1980s through the 1990s than it was in the 1970s through the early 1980s. Both the spring and summer land-air temperature differences over Northwest China displayed an obvious interdecadal increase in the late 1970s. Both the spring and summer surface wind speeds experienced an obvious interdecadal weakening in the late 1970s. The change in the surface wind speed played a more important role in the interdecadal variations in sensible heat flux during the summer, whereas the change in the land-air temperature difference was more important for the interdecadal variations in sensible heat flux in the spring. This difference was related to seasonal changes in the mean land-air temperature difference and the surface wind speed. Further analysis indicated that the increase in the spring land surface temperature in Northwest China was related to an increase in surface net radiation.     

A Modeling Study of the Effects of Anomalous Snow Cover over the Tibetan Plateau upon the South Asian Summer Monsoon

The effect of anomalous snow cover over the Tibetan Plateau upon the South Asian summer monsoon is investigated by numerical simulations using the NCAR regional climate model (RegCM2) into which gravity wave drag has been introduced. The simulations adopt relatively realistic snow mass forcings based on Scanning Multi-channel Microwave Radiometer (SNINIR) pentad snow depth data. The physical mechanism and spatial structure of the sensitivity of the South Asian early summer monsoon to snow cover anomaly over the Tibetan Plateau are revealed. The main results are summarized as follows. The heavier than normal snow cover over the Plateau can obviously reduce the shortwave radiation absorbed by surface through the albedo effect, which is compensated by weaker upward sensible heat flux associated with colder surface temperature, whereas the effects of snow melting and evaporation are relatively smaller.The anomalies of surface heat fluxes can last until June and become unobvious in July. The decrease of the Plateau surface temperature caused by heavier snow cover reaches its maximum value from late April to early May. The atmospheric cooling in the mid-upper troposphere over the Plateau and its surrounding areas is most obvious in May and can keep a fairly strong intensity in June. In contrast, there is warming to the south of the Plateau in the mid-lower troposphere from April to June with a maximum value in May.The heavier snow cover over the Plateau can reduce the intensity of the South Asian summer monsoon and rainfall to some extent, but this influence is only obvious in early summer and almost disappears in later stages.     

2005年初夏亚洲季风异常及对华南强降雨影响

利用国家气象中心1957-2006年基本观测站点逐日降水量资料,NCEP/NCAR所提供的2005年5—7月逐日OLR资料、日平均再分析资料及其相应的多年平均资料,采用诊断分析方法讨论了2005年初夏华南持续强降雨雨情、亚洲季风异常特征及其对华南持续强降雨的影响。结果表明:2005年南海季风在5月第6候爆发,较正常偏晚2候左右,导致华南前汛期比常年同期明显推迟;之后,南亚西南季风倾向于向东传播,西北太平洋副热带高压偏东偏弱,越赤道气流偏弱,使西南季风偏北风分量偏小,而东亚槽偏深,诸多因素使得西南季风在华南一带长时间维持,造成华南持续强降雨。同时还分析了澳大利亚冷高压、青藏高原南部到孟加拉湾一带热源的异常特征及其对亚洲季风和华南降雨的影响。     

青藏高原感热通量的变化及与江淮流域降水异常的关系

利用1979—2010年NCEP-R2再分析资料和全国586站降水资料, 对青藏高原感热通量进行小波变换和EOF分析, 并研究了它与江淮流域降水的关系。结果发现:高原感热通量具有2 a和8 a的变化周期。空间分布上主要有东、西反相变化和南、北反相变化以及全区一致性变化3种形态。高原感热通量与江淮流域降水异常的同期相关中, 1998年以来, 春季高原东部的感热通量偏小, 其他地区偏大, 与此同期江淮流域降水偏少;夏季西藏西部的感热通量偏小, 其他地区偏大, 与此同期江淮流域降水偏多。两者超前相关中, 江淮流域降水对春季的感热通量变化最敏感。1998年以来, 当春季高原东南部的感热通量偏小, 其他地区偏大时, 江淮流域的夏季降水偏多, 秋季降水偏少;当春季高原感热通量东部偏小, 西部偏大时, 江淮流域的冬季降水以长江为界南多北少, 次年春季降水偏少。     

6种地表热通量资料在伊朗—青藏高原地区的对比分析

基于JRA25、ERA40、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2和20CR,对比了不同资料中气候平均(1979—2008年)伊朗—青藏高原感热通量和波文比的季节演变,以及夏季高原感热的年际变率和线性趋势。6套资料均表明,由春到夏亚洲大地形区域地表热状况的季节演变存在明显差异,青藏高原东南部低空气旋生成,一方面增多了局地降水,减弱了地表西风,造成潜热加强,感热减弱,波文比减小;另一方面加强了伊朗高原的东北风,抑制了当地降水,令感热加强,波文比增加,构成了青藏—伊朗高原感热通量季节演变的纬向非对称分布。虽然近30 a来伊朗高原(青藏高原)夏季感热线性增加(减小)的趋势一致,但不同资料所反映的伊朗—青藏高原夏季感热通量的年际变化差别明显。     

青藏高原前期冬春季地面热源与我国夏季降水关系的初步分析

首先对青藏高原地表热通量再分析资料与自动气象站(AWS)实测资料进行对比, 结果表明: 相对于美国国家环境预报中心和国家大气中心20世纪90年代研制的NCEP/NCAR(Kalnay 等1996)和NCEP/DOE (Kanamitsu 等2002) 再分析资料, ECMWF(Uppala 等2004)资料在高原地区的地表热通量具有较好的代表性。进一步利用奇异值分解(SVD)方法分析了ECMWF资料反映的高原地面热源与我国夏季降水的关系, 发现前期青藏高原主体的冬季地面热源与长江中下游地区夏季降水量呈负相关, 与华北和东南沿海地区的夏季降水量呈正相关。而长江中下游地区夏季降水量还与春季高原南部的地面热源存在负相关、与高原北部的地面热源存在正相关。高原冬、春季地面热源场的变化是影响我国夏季降水的重要因子。