“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     

1979年青藏高原东部热力作用对环流系统影响及其季节变化的谱分析

本文用多通道最大熵谱分析方法,对1979年青藏高原东部的一些热力特征量与环流特征量进行了分析,得到了一些初步结果。分析表明这些特征量各季都存在准两周和准一周的周期振荡。这两种周期域热力特征量与环流特征量的位相关系随季节变化。夏季高原东部感热与潜热释放对100mb青藏高压的建立和维持都有贡献。诸特征量中地面感热和低层大气不稳定扰动变化较早。     

青藏高原大地形对夏季东亚大气环流的影响

本文采用有限区域五层原始方程模式,以多年月平均的纬向场作为初始场,利用实际资料计算得到的1979年7月东亚地区的平均加热场作为理想加热场,进行了四类不同方案的数值试验。通过模拟得到的温压场及流场等结果,讨论了青藏高原大地形及其加热场的作用。分析结果表明:1.在大尺度地形的纯动力作用影响下,在对流层中、下层,西风气流过高原仍是以绕流为主,这种地形扰动在中纬度(40°N以北)表现得比低纬度明显,在对流层下层比对流层中层明显,300mb上动力扰动已很不明显。2.青藏高原产生的热源(例如,青藏高原感热源和潜热源以及孟加拉地区的潜热源),对于夏季100mb和300mb的强大的亚州反气旋的形成,对500mb以下印度低槽的加深及南亚副热带高压(以下简称南亚副高)带的断裂都有重大贡献。3.夏季,东亚地区的流场受加热场的影响比温压场更为明显,比如500mb以下与海洋地区相通的强大南风通道和加热场有密切关系。4.夏季,在东亚地区50°N以南存在着一个天气尺度的季风环流系统——“季风流管”,这一流管在考虑了加热场的影响后,被很好地模拟出来了。相反,在纯动力作用的试验中,它却始终没有出现,在高原以及南部被Hadley流管所占据。从分析结果来看,孟加拉地区热源对“季风流管”的中段与南段贡献较大。孟加拉地区热源     

夏季高原季风中断过程长短的一些热力学判据

夏季高原天气可分为两大型,一型是高原季风活跃,这时低层500mb以下的季风低压和切变线活动频繁,为高原的多雨期;另一型是高原季风中断型,这时500mb上常表现为伊朗高压东移或太平洋高压西伸控制高原,高原天气晴朗少雨。这两大天气型的维持时间长短差别很大,如季风中断型(500mb上为高压控制)最长可维持20天以上、短者仅1—2天。为了预报它,人们进行了很多研究工作,但到目前为止,多着眼于大型环流的调整等方面,从天气动力学的角度来提练预报指标。而现在比较一致的看法是:中期天气过程是动力和热力作用同等重要。因此从热力学的角度也是值得研究的。     

青藏高原热状况对夏季西南地区气候影响的分析及模拟

应用诊断和数值模拟方法,研究了青藏高原热状况的特征及其对西南地区环流和降水等的影响.结果表明青藏高原热源有不同的表征方法,它们相互联系、相互制约;冬季青藏高原测站温度与西南地区降水有着同期和滞后的相关关系,它的强弱对川渝等地降水有指示意义.高原测站温度呈上升趋势,这可能是造成四川盆地平均气温从20世纪中叶以来呈下降趋势的原因之一.同时,青藏高原热源强迫是大气环流系统形成和维持的重要原因,这种热源强迫有利于对流层低层气旋环流或低涡的生成、发展,也有利于季风环流增强,是造成青藏高原及周围地区以及高原东侧大范围降水变化的原因.     

青藏高原大气热源及其影响的研究进展

青藏高原及其热源效应对东亚以及全球的天气气候起着举足轻重的作用。青藏高原大气热源及其影响的相关研究有助于进一步加深对青藏高原大气热源及其影响的认识,提高高原地区天气系统发生发展的预报能力,提升高原地区降水的预报水平。本文较为系统地梳理了青藏高原大气热源的相关研究,涉及青藏高原大气热源的获取与特征,包括青藏高原大气热源的计算和青藏高原大气热源的时空分布及演变特征;青藏高原大气热源对季风、对降水的影响;青藏高原大气热源对天气系统的影响和作用,包括青藏高原大气热源对南亚高压、西太平洋副热带高压、高原低涡以及高原切变线的影响。在总结已有研究进展和成果的基础上,对今后青藏高原大气热源研究做出一定展望,提出值得进一步加强研究的方面。     

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.     

亚洲地区月平均大气加热场及其年变特征

本文利用1961—1970年的平均资料,详细地计算了东亚范围内1—12月大气的辐射收支和热量收支,进而分析其年变特征。主要结果: 1.青藏高原4—9月是热源,其它各月是冷源。高原中西部冷热源的形成及年变化主要决定于地面感热加热的变化。高原东部3—5月热源的形成决定于感热的迅增,6—9月的热源则同时取决于感热和潜热。高原地区热源出现早而强,有二次迅速增强过程,这对6月南支副热带急流的北跳和雨季的爆发有贡献。冬季,高原的冷源对其南边的副热带急流贡献甚小。高原的动力作用对其维持有贡献。 2.高原北边和西边全年的感热和潜热都很小,年变化也很小,所以全年都是冷源。7月伊朗高压是动力性的。 3.高原南侧及东侧的感热很小,潜热强度大且年变化也大。所以其热源及年变化主要决定于降水量的多少及其年变化。印度北部6—9月为热源,其它各月为冷源。孟加拉湾地区热源4月开始,但比高原热源弱,5月增强,6—7月最强,比高原要强7—8倍。但高原加热对南亚雨季开始的贡献大,而孟加拉湾地区的强热源可能是雨季爆发的结果而不是原因。     

青藏高原的动力和热力作用对高原低涡形成的数值试验

本文通过适用于高原地区中尺度系统的6层σ坐标原始方程模式,采用理想初始场,进行高原低涡形成的数值试验。同时还研究了地形作用,感热和潜热等多种物理过程对中尺度高原低涡的贡献。通过敏感性模拟试验,揭示了高原低涡形成的物理机制,以及青藏高原动力和热力作用对高原低涡形成的影响。     

夏季青藏高原对于南亚平均季风环流形成与维持的热力作用

本文应用一个包括Rayleigh摩擦、Newton冷却及水平涡旋热力扩散的定常准地转34层球坐标模式来研究青藏高原对于南亚季风环流形成与维持的热力作用。计算结果表明:在北半球夏季,只考虑高原的地形强迫作用是不能形成南亚高压与南亚季风环流的,而青藏高原上空的非绝热加热对于南亚高压与南亚平均季风环流的形成与维持起了重要作用。计算结果还表明了青藏高原的非绝热加热对于形成一支横跨印度次大陆直到日本南部的强西南风带同样也起了重要的作用。      

青藏高原热状况对夏季西南地区气候影响的分析及模拟

应用诊断和数值模拟方法，研究了青藏高原热状况的特征及其对西南地区环流和降水等的影响。结果表明：青藏高原热源有不同的表征方法，它们相互联系、相互制约；冬季青藏高原测站温度与西南地区降水有着同期和滞后的相关关系，它的强弱对川渝等地降水有指示意义。高原测站温度呈上升趋势，这可能是造成四川盆地平均气温从20世纪中叶以来呈下降趋势的原因之一。同时，青藏高原热源强迫是大气环流系统形成和维持的重要原因，这种热源强迫有利于对流层低层气旋环流或低涡的生成、发展，也有利于季风环流增强，是造成青藏高原及周围地区以及高原东侧大范围降水变化的原因。     

夏季青藏高原大气热源低频振荡与南亚高压东西振荡的关系

利用1983～2012年NCEP/NCAR逐日再分析资料对夏季青藏高原大气热源和南亚高压东西振荡的低频特征以及两者的关系进行了讨论,发现夏季青藏高原东部大气热源与南亚高压纬向运动的主要低频周期都是10～20 d。在高原东部大气热源10～20 d振荡峰值位相,青藏高原上空被低频气旋控制,高原西部被低频反气旋控制,导致南亚高压主要高压中心向西移动呈伊朗高压模态;在大气热源10～20 d振荡谷值位相,低频环流形势完全相反,青藏高原上空被低频反气旋控制,高原西部被低频气旋控制,致使南亚高压主要高压中心向东移动呈青藏高压模态。高原热力场异常导致其上空暖中心变化从而引起的高层风场变化可以解释南亚高压的东西振荡。     

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。      

西太平洋副热带高压中期变化的数值试验 Ⅰ.青藏高原热源的作用

用一个全球谱模式作数值试验研究了１９７９年６月中旬一次西太平洋副热带高压西伸北进的中期天气过程中青藏高原热源的作用。结果表明：高原的热力作用主要表现在对副高北侧锋区的形成、锋区瓣强度以及与锋区对应的对流层中上层西风急流的强度有较大的影响,有高原热力作用时,锋眍和西风流的强度都强,反之则很弱;另外还发现青藏高原感热和潜热作用是相互依赖的,在一定的天气过程中,弧立起来讨论其各自的相对重要性不太合符实际     

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。     

2006年高原夏季风强弱变化及其与西南地区东部夏季气温和降水的关系

利用2006年西南地区东部37个测站逐日降水量、气温资料和NCEP/NCAR R2再分析日平均资料,通过相关分析和合成分析,研究分析了高原夏季风季节内变化特征,讨论了高原夏季风强弱变化特征及其与西南地区东部夏季气候的关系。结果表明:高原夏季风的变化和西南地区东部夏季气候变化关系密切。当高原夏季风偏强(弱)时,南亚高压、中高纬度环流、西太副高、西风带环流、低层流场以及垂直运动等均有显著变化,进而影响到西南地区东部夏季气候。高原夏季风的季节内变化与青藏高原大气热源呈显著正相关关系,青藏高原热力作用对高原夏季风的异常变化有重要作用。     

正压大气中青藏高原地形影响的数值试验

本文用不计摩擦和绝热的正压原始方程和Lagrange平流格式试验了青藏高原地形的动力作用,网格距取为1×1经纬度,用双三次样条函数值的高原真实地形作为地形场,分别试验了几种不同的初始场的自然爬绕、绕流和爬坡过程。结果表明:高原地形能使越过高原的气流在其主体及其东侧产生低值系统,而强迫抬升的爬坡运动尤其有直接的作用;在爬坡过程中,低涡的生成受初始场的影响较小,不同的初始场在地形强迫的爬坡过程的动力影响下,最后趋于形成大体上相似的高度场,东亚大槽和印度孟加拉湾低压的生成和维持与高原地形的动力作用有一定关系,低纬东风的存在有利于印度低压的生成和维持。     

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。     

1990年夏季青藏高原加热场与100hPa青藏高压

对青藏高原加热场与青藏高压发展和维持的影响程度进行了一些阐述，着重分析青藏高原的热量变化以及热量传递的主要方式，并对青藏高原加热场与青藏高压位置对应等方面进行了一些探讨