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.     

青藏高原周边对流层顶的时空分布、热力成因及动力效应分析

利用多套、多种再分析资料的逐日气候平均场,通过对比分析,揭示了青藏高原周边区域对流层顶分布及其季节演变的独特特征,并分析了其热力成因以及气候学效应。结果表明,与同纬度的落矶山和太平洋地区相比,青藏高原及伊朗高原区域对流层顶高度的冬夏变化幅度更大。冬季副热带对流层顶断裂带（热带对流层顶与极地对流层顶之间高度剧烈变化的过渡带）位于青藏与伊朗两个高原上空,春季开始两个高原上空对流层顶抬升迅速,夏季最高可超过热带对流层顶的高度（超过100 hPa）,成为同纬度甚至全球对流层顶最高点。青藏与伊朗两个高原上空对流层顶的剧烈抬高,对应两个高原上空大气气柱比同纬度明显偏暖,同时伴随着青藏与伊朗两个高原上空位势涡度值的明显降低。因此,在青藏与伊朗两个高原区域,由春至夏等熵面强烈下凹,同时等位涡面剧烈抬升;夏季时等位涡面及对流层顶断裂带在青藏高原北部成近乎上下垂直分布,与南北倾斜分布的等位温面接近正交分布。这种特征与夏季同纬度其他地区相对平缓的对流层顶断裂带、等位涡面以及等熵面的经向分布形成强烈对比。进一步研究发现,青藏与伊朗两个高原上空由春至夏迅速发展的强大热源是引起上述对流层顶变化特征的主要原因。不同的是,青藏高原上空主要由发展强烈的对流凝结潜热所主导,而伊朗高原上空则主要由绝热下沉加热引起;此外,由春季至夏季,随着青藏高原地区对流层顶与等熵面剧烈相交分布的形成,南亚高压也逐步控制青藏高原上空,在南亚高压东缘盛行的偏北气流作用下,中高纬度平流层的高位涡空气得以在青藏高原东缘及东亚地区沿剧烈倾斜的等熵面被输送到较低纬度的对流层。与降水的季节演变对比可知,平流层高位涡输送的出现、加强和减弱与夏季降水的发展、加强与减弱成同步对应关系。从而证实了青藏高原影响夏季东亚地区形成独特气候格局的事实,说明在这种影响过程中,平流层-对流层动力相互作用过程不可忽视。      

IMPACT OF AIR-SEA INTERACTION ON THE GENESIS OF TROPICAL INCIPIENT VORTEX OVER SOUTH CHINA SEA: A CASE STUDY

Based on 6-hourly sensible heat flux and latent heat flux from the NCEP Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) and circulation data from the Japanese 25-year Reanalysis (JRA-25), the initial developing process of tropical cyclone Mindulle (1005) in 2010 has been diagnosed to reveal the impact of air-sea interaction over the South China Sea (SCS) on the genesis of its incipient vortex. The results show that the incipient vortex first occurred east of the Luzon Island on 0000 UTC 20 August, suggesting that the topographic forcing of the Luzon Island for easterly winds over the western Pacific might be one of the factors responsible for the formation of the incipient vortex. During the formation stage of the incipient vortex, strong southeasterlies over the SCS caused warm water of the middle and eastern SCS to flow toward the Luzon Island due to Ekman transport resulting from wind stress, leading to an increase of the sea surface temperature and sensible heat flux into the atmosphere. Although the anomalous sensible heating favored surface pressure to reduce, it was not conducive to the increase of local vorticity associated with the vortex above the heating area because, according to the atmospheric thermal adaptation theory, the anticyclonic vorticity would be created in the lower troposphere due to the decreased vertical gradient of the sensible heating. However, the ascending motions occurred over the eastern area of the anomalous sensible heating due to the augmentation of the vorticity advection with increasing height, causing water vapor to condense in the middle and upper troposphere. In turn, cyclonic vorticity was generated in the lower troposphere due to the increased vertical gradient of the condensation latent heating, resulting in the formation and further growth of the incipient vortex. Therefore, the vorticity creation due to the condensation heating played a dominant role during the subsequent enhancing stage of the incipient vortex.     

2002年夏季中高纬大气准双周振荡对华南降水的影响

利用JRA55大气再分析资料和TRMM卫星降水资料,分析了2002年夏季（5~8月）华南地区降水的低频振荡特征,重点揭示了对其影响显著的中高纬大气季节内振荡的环流结构及演变。小波和功率谱分析表明,2002年夏季华南降水表现为主周期为10~30 d的准双周低频振荡。典型低频降水事件及合成分析指出,准双周降水的强（弱）变化除了受低空西北太平洋副热带高压西伸进入（东移退出）南海的影响以外,还显著地依赖于中高纬地区高空大气环流的季节内振荡。在对流层高层,中高纬度地区存在一支自大西洋经欧亚大陆的气旋—反气旋相间排列的低频波列。该波列在欧亚大陆地区向东南传播,当异常反气旋和气旋分别位于青藏高原和华北上空时,这种偶极型环流之间的高空辐散场有利于华南地区上升运动的发展,因而华南降水偏强;反之,华南降水偏弱。研究还表明,低频波列南移造成了对流层异常温度平流和副热带高层异常绝对涡度的变化,使得华南地区上升与下沉运动交替出现以及相应的经向环流圈反转,从而导致华南准双周振荡干湿位相的转换。局地异常感热加热对干湿位相转换也起一定作用。时滞相关分析发现,当青藏高原地区500 hPa位势高度异常场超前于华南异常降水4 d（即位相差为1/4周期）时,二者出现显著正相关,表明青藏高原地区500 hPa位势高度异常对预测华南地区季节内降水变化有潜在的应用价值。     

影响我国短期气候异常的关键区：亚印太交汇区

围绕国家重点基础研究发展计划项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”,介绍了“亚印太交汇区”（AIPO）的概念,从气候系统多圈层相互作用的角度,阐述了研究AIPO区海气相互作用的科学意义;在分析国内外海气相互作用影响气候研究发展动态的基础上,指出AIPO区是影响我国短期气候的关键区;研究AIPO区海气相互作用对我国短期气候的影响也是国民经济发展需要亟待解决的重要课题。介绍了项目拟研究的关键科学问题,指出该项目的最终研究目标为：揭示AIPO季节到年际尺度的海气相互作用特征,从而提出该关键区海气相互作用影响我国短期气候异常的理论框架,为改进东亚季风的季度—年际变化预测提供理论和方法。     

江南春雨和南海副热带高压的时间演变及其与东亚夏季风环流和降水的关系

使用国家气象信息中心整理的逐日降水资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,创建了江南春雨建立时间指数和南海副热带高压(副高)减弱时间指数,研究了江南春雨各要素的相互关系及其与东亚夏季风环流和降水的关系.分析表明,当江南春雨建立较晚时,夏季江南地区的降水也较少,这是由于东亚夏季风加强,高原近侧气旋性环流加强,使江南地区出现异常反气旋性环流(气旋性辐合环流减弱)所致;当南海副高减弱较晚时,长江中下游至江南地区降水偏多,易发洪涝,这主要是由于东亚夏季风减弱,南海副高偏强,华南的异常西南风与围绕高原的异常反气旋环流的偏北风在长江中下游流域形成异常气旋性环流所致.江南春雨的建立时间和南海副高减弱时间之间又具有线性无关性,可以为东亚夏季风环流和降水异常的预报提供重要线索.两指数与3月ENSO综合指数MEI关系密切,表明东亚的气候异常与ENSO 全球气候异常紧密联系,因此在分析预测东亚气候异常时必须同时关注全球气候异常背景.     

青藏高原的热力和动力作用对亚洲季风区环流的影响

利用NCEP/NCAR再分析资料,研究了青藏高原热状况的季节变化、动力和热力作用对周围环流,特别是对亚洲热带季风环流的影响。高原对西风带的机械作用在冬季最强,春季次之。冬季的机械作用形成以高原为主,南侧气旋性、北侧反气旋性的"偶极子"偏差环流,它比传统认识的爬坡、绕流的影响范围大得多,遍及东亚的高、低纬度。随着西风带的北移和高原总加热在4月由负变正,南侧气旋性偏差环流增强并逐渐北移,6月形成气旋盘踞整个高原的夏季型。在高原南侧,高原冬季偶极型、夏季加热的作用导致孟加拉湾地区常年存在印缅槽,使得印度半岛的感热加热始终强于中南半岛,而中南半岛上空的潜热加热大于印度半岛。印缅槽的演变存在明显的半年周期,证明2月初和8月初的较强低压槽分别对应冬季高原最强的动力强迫和夏季高原最强的热力强迫。对低纬经向风场的分析还表明,季风爆发前高原的热力作用尤为重要,是导致江南春雨的形成,亚洲季风最早在孟加拉湾东部爆发,最后在印度半岛爆发的原因。     

广西西江流域致洪暴雨过程中尺度特征及机制分析

利用广西逐站逐小时降水量、1°×1°逐小时FY-2C的TBB资料和1°×1°逐6 h NCEP/NCAR再分析资料,应用空间25点平滑滤波方法,分析了2005年6月18~22日西江流域致洪暴雨过程的中尺度特征及其发生、发展的机制。结果表明:这次致洪暴雨过程的降水时空分布不均,具有明显的中尺度特征。雨团集中出现在TBB值的低值中心、低值中心北侧等值线密集的地方以及等值线曲率大的地方。镶嵌于大尺度西南气流中的中尺度涡旋系统在西江流域反复生成,导致对流云团不断生成和加强,是此次暴雨产生的直接原因。暴雨区上空中尺度经向垂直环流圈的存在对中尺度涡旋和对流云团的发生和发展具有促进作用。中低层弱的对流不稳定与强的水平风垂直切变和湿斜压性共存是此次暴雨产生和持续发展的重要机制。     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应 Ⅱ.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子,剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因,并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用.结果表明,在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下,高、低压中心位于热源北侧.结果还表明,当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时,低层气旋和反气旋中心位于地面上,当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时,低层气旋和反气旋中心抬升离开地面;进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后,反气旋中心继续抬升至中层,证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献.指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制,从而得到"潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上"的不切实际的解.     

线性准地转模型中副热带环流对潜热加热的定常响应II.边界约束及风场与层结稳定度的自适应

本文着重研究了线性模型中副热带环流对潜热加热的响应过程中影响高、低压系统中心位置的因子, 剖析出边界层中基本流的垂直切变影响低层环流的根本原因, 并且探讨了线性模式中基本流和静力稳定度自调整过程的重要作用。结果表明, 在β效应和f效应、基本流在经向和垂直方向的二阶切变、以及东、西风基本流作用的非对称性等因素的共同作用下, 高、低压中心位于热源北侧。结果还表明, 当近地面基本流的垂直切变为零或者当风速随高度减小时, 低层气旋和反气旋中心位于地面上, 当风速随高度增大具有类似亚洲季风区的结构时, 低层气旋和反气旋中心抬升离开地面; 进一步考虑热源区附近静力稳定度和基本流自调整过程的作用后, 反气旋中心继续抬升至中层, 证明对流降水对其东侧对流层中低层副高的形成有重要贡献。指出基于传统线性准地转模式来研究副热带高压形成的缺陷在于应用不适当的下边界条件以及缺乏静力稳定度的自调整机制和基本流对热源的反馈机制, 从而得到“潜热加热激发的低层反气旋中心位于洋面上”的不切实际的解。