多源资料在青藏高原大气热源计算中的适用性分析

大气热源是高原气象学的理论要点,研究其计算方法及其适用性,对加深高原气象学的认识,开拓"高原气象学"课程学生的视野,都具有重要意义。然而,精确计算大气热源仍是个挑战。本文详细介绍了大气热源两种计算方法,即正算法和倒算法,并基于站点观测、卫星辐射资料(ISCCP和SRB)及4套再分析资料(NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-Interim和JRA55),比较了不同资料计算所得夏季高原热源多尺度变率的差异。结果显示利用正算法时,辐射资料的选择需慎重;而在利用倒算法时,再分析资料的选择则需根据热源的研究尺度而定,不同再分析资料差异颇大。就长期趋势变化而言,再分析结果Q_1-JRA55最接近观测;而在年际尺度上,Q_1-ERAI与Q_1-JRA55两套结果能近似重复观测计算所得热源变率;在季节内尺度上,多套再分析资料差异性缩小,均可细致刻画高原夏季热源变化周期,在高原地区均有较好的适用性。     

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。     

夏半年青藏高原东部大气热源时间变化特征

本文利用１９８３－１９９２年夏半年逐日控空资料，计算了青藏高原东部大气热源和水汽汇，讨论了高原东部热源平均值的日变化，季节内变化，季节变化和年际变化。结果表明，热源和水汽汇铅直廓线存在明显的日变化，夏半年平均热源日变化振幅为１－２℃／Ｄａｙ，水汽汇为１－１．５℃／Ｄａｙ，热源铅直积分显示准双周振动特征，各半夏半年热源滤波曲线表明，７，８月份准双周振动较弱，５，６和９月份较强。     

三种再分析地表温度资料在青藏高原区域的适用性分析

利用气象台站观测地表温度,比较和分析了ERA-Interim、NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析地表温度资料在青藏高原的适用性.结果表明:三种再分析资料都揭示了青藏高原地表温度的基本特征,并较好地描述了高原地表温度的季节变化和年际变化特征;但三种再分析资料都比观测地表温度明显偏低,且对地表温度的长期变化趋势估计不足.比较而言,ERA-1nterim再分析地表温度产品在青藏高原的适用性最好,与观测地表温度的相关最显著,且能较好地反映高原地表温度的异常变化强度,可作为研究高原地表温度年际变化的代用资料;而NCEP/NCAR和NCEP/DOE 再分析地表温度产品在青藏高原的适用性不佳,其适用时段和适用区域需要进一步考察.     

青藏高原5月大气热源与黑龙江省盛夏降水的关系

利用1961—2017年黑龙江省夏季降水资料和NCEP再分析资料,采用奇异值分解、相关分析、回归分析等方法,研究了青藏高原大气热源与黑龙江省盛夏降水的关系及可能的影响机制。结果表明:5月青藏高原热源与黑龙江省7月降水关系最密切,当5月高原东部热源偏强时,7月黑龙江省中部降水显著偏少。5月热源偏强年,在副热带西风急流的作用下,7月中纬度环流呈现类似“丝绸之路”型遥相关波列,同时东亚沿岸环流呈现类似“东亚—太平洋”型遥相关波列,在二者共同作用下黑龙江省受反气旋式环流影响,7月降水偏少。     

三种再分析气温降水资料在青藏高原的适用性评价

基于青藏高原61个区域级气象站的气温降水地面观测数据,对CMFD(中国区域高分辨率地区驱动数据集)、CRA(全球大气和陆面再分析资料)以及MERRA-2(大气再分析资料)数据集的日、月、季节以及年气温、降水数据进行精度对比分析,评估3套数据的准确性以及在青藏高原的适用性,结果表明：(1)3套年平均气温资料70%的R_MSE<4℃,其中CMFD拟合精度最高,2/3的站点R_MSE<2℃;CMFD和CRA对年降水的拟合精度较高,MERRA-2低估了高原中部的年降水量。(2)CMFD对季节平均气温整体拟合结果最好,尤其是气温较高的夏季和秋季;CRA在降水较为集中的夏季和秋季拟合结果最接近观测值,而在降水较少的春季和冬季CMFD拟合结果最好。(3)CMFD对月平均气温拟合结果整体上最接近观测值;月降水拟合结果与季节降水结果相似,CMFD对降水偏少月份拟合结果较好,CRA在降水偏多月份最接近观测值。(4)对61个区域站进行日尺度平均气温和降水数据精度评估,发现CMFD和CRA拟合效果最好,CMFD拟合趋势一致性好。     

青藏高原大气热源与江淮梅雨异常的关系

利用江淮流域1954_2001年梅雨量资料和同期内美国NCEP/NCAR 逐日高度场、 风场、 比湿场和地面气压场再分析资料, 网格距为2.5°×2.5°。采用模糊聚类、 EOF分解、 合成分析、 SVD分解等方法, 详细讨论了青藏高原大气热源与江淮梅雨的关系。结果表明： 梅雨量区域指数能很好地揭示江淮流域梅雨量的丰枯, 高原大气热源大致以90°E为界, 可分为高原东部型和西部型; 高原大气热源与梅雨量存在显著相关关系, 高原大气热源东部型与江淮梅雨量呈显著正相关关系, 西部型与梅雨量呈显著负相关关系、说明高原大气热源东部型增强, 西部型减弱, 江淮梅雨量异常偏多。高原大气热源东部型减弱, 西部型增强, 江淮梅雨量异常偏少; 反之亦然、SVD分解结果与合成分析的结果完全一致。     

近30年青藏高原大气热源气候特征研究

利用NCEP CFSR再分析资料,用＂倒算法＂计算了1981~2010年青藏高原大气热源汇,并分析了其气候特征。结果表明：（1）青藏高原大气热源汇具有明显的季节差异。高原大部分地区在春季和夏季为热源,冬季和秋季为冷源。2~4月热源从高原西北部、东北部及西南边坡开始逐渐向中部扩展,强度不断增强。5~7月高原东南端热源显著增强并向西向北扩展,使7月高原热源达到最强,并在高原南部喜马拉雅山脉沿线及其以南邻近地区形成一个强大的热源带。8月开始,高原热源迅速减弱,高原中部至四周边坡大部分地区大气先后变为冷源。到11月和12月整个高原大气几乎为冷源。（2）高原各区逐年平均大气热源强度有明显不同的变化特征。高原全区有显著的2~3年和6~8年周期,而高原东部仅存在6~8年周期,高原西部仅有2~3年周期。（3）近30年高原全区和东部大气热源具有明显增强趋势,而高原西部却为减弱趋势。     

夏季青藏高原东部大气热源变化及其对相邻区域气候的影响

基于NCEP/NCAR 1968～2009年逐月再分析资料,采用倒算法,对夏季青藏高原东部大气热源的长期变化进行了计算,结果发现:(1)夏季青藏高原东部大气热源存在10a左右的时间尺度变化周期;(2)夏季青藏高原东部大气热源偏强时,四川盆地东部及重庆地区多雨,气温偏低;当夏季青藏高原东部大气热源偏弱时,四川盆地东部及重庆地区容易发生高温干旱;(3)夏季青藏高原东部大气热源通过直接影响垂直上升运动场的异常,同时影响周围地区的大气环流形势,异常强迫500hPa副热带高压,进而影响到四川盆地东部及重庆地区的夏季气候。     

青藏高原大气热源及其估算的不确定性因素

基于1980—2016年的4套再分析资料(NCEP/DOE资料、MERRA2资料、ERA-Interim资料和JRA-55资料),采用计算大气热源的正算法和倒算法,研究青藏高原大气热源及其计算的不确定性因素,得到以下结论：(1)计算方法和资料均会导致结果的不确定性,正算法只能得到整层热源,而倒算法可得到热源垂直结构,但其结果准确性依赖于再分析资料精度;(2)对比4套再分析资料计算结果发现,正算法结果较倒算法结果普遍偏高,采用ERA-Interim资料,基于两种方法计算的大气热源年代际变化趋势一致。基于4套资料,采用倒算法计算的热源在1980—2016年呈现明显的年代际变化特征;(3)夏半年(3—8月)强热源区主要分布在青藏高原中东部,热源自下而上呈源-汇-源分布;(4)基于正算法和ERA-Interim资料估算的夏半年的降水潜热在喜马拉雅山南坡显著偏小,高原西部地区和南部冈底斯山一带则明显偏大。     

Uncertainties in Quantitatively Estimating the Atmospheric Heat Source over the Tibetan Plateau

As a huge,intense,and elevated atmospheric heat source(AHS) approaching the mid-troposphere in spring and summer,the Tibetan Plateau(TP) thermal forcing is perceived as an important factor contributing to the formation and variation of the Asian summer monsoon.Despite numerous studies devoted to determine the strength and change of the thermal forcing of the TP on the basis of various data sources and methods,uncertainties remain in quantitative estimation of the AHS and will persist for the following reasons:(1) Routine meteorological stations cover only limited regions and show remarkable spatial inhomogeneity with most distributed in the central and eastern plateau.Moreover,all of these stations are situated at an altitude below 5000 m.Thus,the large area above that elevation is not included in the data.(2) Direct observations on heat fluxes do not exist at most stations,and the sensible heat flux(SHF) is calculated by the bulk formula,in which the drag coefficient for heat is often treated as an empirical constant without considering atmospheric stability and thermal roughness length.(3) Radiation flux derived by satellite remote sensing shows a large discrepancy in the algorithm in data inversion and complex terrain.(4) In reanalysis data,besides the rare observational records employed for data assimilation,model bias in physical processes induces visible errors in producing the diabatic heating fields.     

青藏高原夏季大气视热源与中国东部降水的关系的年代际变化

基于1979～2017年欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的ERA-Interim逐日再分析资料和热力学方程,本研究估算了大气视热源,分析研究了青藏高原夏季大气视热源的异常与中国东部降水关系的年代际变化,以及青藏高原大气视热源影响我国东部夏季降水的物理机制。结果表明:（1）高原热源东、西部反相变化模态的重要性发生了年代际转变,表现为由1994年之前方差贡献相对小的第二变异模态变为1994之后方差贡献明显增大而成为第一主导变异模态。（2）青藏高原夏季大气视热源的东、西反相变化模态与中国东部降水的关系存在年代际变化。1993年之前和2008年之后,高原大气视热源的异常分别仅与长江下游降水和长江中游降水异常存在密切的联系;而在1994～2007年,其对长江流域及附近区域和华南地区的夏季降水的影响显著,具体表现为,当高原夏季大气视热源异常表现为东强西弱（东弱西强）时,长江中上游、江淮地区的降水偏多（少）,华南地区降水偏少（多）。（3）高原大气视热源显著影响我国东部夏季降水主要是通过经高原上空发展加强的天气系统东移过程影响长江流域及附近地区的降水,以及通过垂直环流影响华南地区的降水。     

Comparisons of the Thermal Effects of the Tibetan Plateau with NCEP-I and ERA-40 Reanalysis Data

Because of a lack of sufficient observations over the Tibetan Plateau (TP), the measurement of the strength of the thermal effects of the TP is a challenging issue, yet of crucial importance for climate research. In this study, two sets of daily reanalysis data (1979–2001) from the National Centers for Environmental Prediction reanalysis version 1 (NCEP-I) and the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts 40-year Reanalysis data (ERA-40) are used to calculate the atmospheric diabatic heating effects of the TP and the adjacent regions with an inverse algorithm. The observational data obtained from the recent atmospheric experiments over the TP are applied to verify and evaluate the results from NCEP-I and ERA-40 reanalysis data, respectively. It is found that the ERA-40 results are closer to the observations in terms of the structure and seasonal variation of the vertical profile of the diabatic heating over the TP. The horizontal distributions of the apparent heat source are quite reasonable over Asia for both the NCEP-I and ERA-40 results.

RÉSUMÉ?[Traduit par la rédaction] À cause d'un manque d'observations sur le plateau tibétain, la mesure de la force des effets thermiques du plateau tibétain est un problème difficile tout en étant d'importance cruciale pour la recherche climatique. Dans cette étude, nous utilisons deux ensembles de données quotidiennes de réanalyse (1979–2001) issues de la version 1 de la réanalyse des National Centers for Environmental Prediction (NCEP-I) ainsi que les données de réanalyse de 40 ans du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ERA-40) pour calculer les effets du réchauffement atmosphérique diabatique sur le plateau tibétain et les régions adjacentes au moyen d'un algorithme inverse. Nous appliquons les données d'observation recueillies lors des récentes expériences atmosphériques sur le plateau tibétain pour vérifier et évaluer ces résultats des données de réanalyse de NCEP-I et ERA-40, respectivement. Nous trouvons que les résultats de ERA-40 sont plus proches des observations en ce qui concerne la structure et la variation saisonnière du profil vertical du réchauffement diabatique sur le plateau tibétain. Les distributions horizontales de la source de chaleur apparente sont très raisonnables au-dessus de l'Asie, tant pour les résultats de NCEP-I que de ERA-40.     

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.     

青藏高原大气热量的简单计算方法及其应用

利用1961-1995年青藏高原及其邻近地区198个地面站月平均常规观测资料与青藏高原大气热量(〈Q1〉)资料,建立了一种计算青藏高原大气热量的简便方法.利用计算出的大气热量分析了各个季节青藏高原各地区〈Q1〉的气候特征,以及冬季高原〈Q1〉与春季大气环流场的关系.结果发现,各个季节高原东北部地区大气热量值都小于南部地区;高原各区大气热量在20世纪70年代到80年代初都表现出了显著的上升趋势.高原冬季热源与春季高原周围地区的位势高度场存在着明显的负相关,气候模拟证实了冬季高原地区热源变化对春季东亚大气环流的这种影响.     

Validation and Application of Reanalysis Temperature Data over the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau has substantial impacts on the weather and climate of the Northern Hemisphere,due in large part to the thermal effects of the plateau surface.Surface temperature over the Tibetan Plateau is the most important parameter in determining these thermal effects.We present a method for verifying widely used reanalysis temperature products from NCEP-R2,ERA-Interim,and JRA-25 over the Tibetan Plateau,with the aim of obtaining a reliable picture of surface temperature and its changes over the plateau.Reanalysis data are validated against the topography elevation,satellite observations,and radiosonde data.ERA-Interim provides the most reliable estimates of Tibetan Plateau surface temperature among these three reanalyses.We therefore use this dataset to study the climatology and trends of surface temperature over the Tibetan Plateau.ERA-Interim data indicate a dramatic warming over the Tibetan Plateau from 1979 to2010,with warming rates of 0.33℃ per decade in annual mean temperature,0.22℃ per decade in summer and0.47℃ per decade in winter mean temperatures.Comparison with the results of previous studies suggests that surface warming over the Tibetan Plateau has accelerated during the past 30 years.This warming is distributed heterogeneously across the Tibetan Plateau,possibly due to topographic effects.     

Characteristics of Atmospheric Heat Sources in the Tibetan Plateau-Tropical Indian Ocean Region

Investigating the temporal and spatial distributions of the atmospheric heat sources(AHS) over the Tibetan Plateau-Tropical Indian Ocean(TP-TIO) region is of great importance for the understanding of the evolution and development of the South Asian summer monsoon(SASM). This study used the Japanese 55-year Reanalysis(JRA-55) data from 1979 to 2016 and adopted statistical methods to study the characteristics of the AHS between the TP and TIO, and theirs link to the SASM on an interannual scale. The results indicated that the monthly variations of the AHS in the two regions were basically anti-phase, and that the summer AHS in the TP was obviously stronger than that in the TIO. There were strong AHS and atmospheric moisture sink(AMS) centers in both the eastern and western TP in summer. The AHS center in the east was stronger than that in the west, and the AMS centers showed the opposite pattern. In the TIO, a strong AHS center in the northwest-southeast direction was located near 10°S, 90°E.Trend analysis showed that summer AHS in the TIO was increasing significantly, especially before 1998, whereas there was a weakening trend in the TP. The difference of the summer AHS between the TP and TIO(hereafter IQ)was used to measure the thermal contrast between the TP and the TIO. The IQ showed an obvious decreasing trend.After 1998, there was a weak thermal contrast between the TP and the TIO, which mainly resulted from the enhanced AHS in the TIO. The land-sea thermal contrast, the TIO Hadley circulation in the southern hemisphere and the SASM circulation all weakened, resulting in abnormal circulation and abnormal precipitation in the Bay of Bengal(BOB).     

青藏高原地区上空NCEP/NCAR再分析温度和位势高度资料与观测资料的比较分析

利用青藏高原12个探空站资料及NCEP/NCAR再分析资料,对各标准等压面上的月平均温度和位势高度资料进行了比较,结果表明:NCEP/NCAR再分析资料能够客观地反映青藏高原上空温度和位势高度多年平均的气候特征;与实际探空资料相比,在年际变化中再分析资料的温度和位势高度也具有较高的可信度;但在长期趋势变化上,再分析资料在青藏高原对流层低层存在着明显虚假的变化趋势.总之,再分析温度和位势高度资料在青藏高原气候研究中有较高的参考价值,尤其是1979年后再分析资料的质量在平流层低层得到明显的改善.     

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。