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:Ⅰ季风爆发的阶段性特征

该工作将亚洲季风区作为一个复杂的海-陆-气耦合系统,来深入考察季风区海-气、陆-气相互作用的基本事实和物理过程,探讨它们在决定亚洲季风爆发及北半球行星尺度大气环流的季节突变的物理机理。本文是系列文章的第一篇,着重研究亚洲夏季风爆发的区域性和阶段性特征,以及过渡季节热带、副热带地区海-气、陆-气相互作用的基本事实,初步分析了它们之间的联系。研究表明,热带季风对流于4月底到5月初越过赤道进入北半球,首先出现在孟加拉湾东部-中南半岛西南部地区,然后于5月中旬和6月上旬末分别出现在南海和印度半岛地区,呈阶段性爆发的特征。季风对流在孟加拉湾东部-中南半岛西南部地区爆发阶段,在大气环流变化和对流活动中心位置出现区别于南海季风和印度季风爆发的特征。通过对地表感热通量和海表潜热通量的分析,表明热带海洋上海表感热通量甚小于海表潜热通量,南海季风爆发时期印度洋上海表潜热通量显著增大,印度季风爆发后海表潜热通量的高值中心在孟加拉湾和阿拉伯海上建立起来。印度洋上低层增强的过赤道气流引起的强烈的海-气相互作用导致海表水汽的大量蒸发,并通过其输送作用,为季风对流的爆发提供了充足的水汽来源。过渡季节在副热带地区(沿27.5～37.5°N纬带上), 青藏高原和西太平洋上地(海)表感热通量和潜热通量均有迅速的季节变化性, 但趋势相反。当青藏高原上地表感热通量和潜热通量呈阶段性的显著加大, 西太平洋上海表感热通量和潜热通量迅速减小。这种大陆和海洋对大气加热的显著的季节化的差异, 影响着大气环流的季节转变。     

青藏高原的热力和机械强迫作用以及亚洲季风的爆发I. 爆发地点

使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的客观分析资料、ECMWF/TOGA补充数据集,美国NMC气候分析中心的向外长波辐射（OLR）资料以及国家气候中心存档的中国336个测站的降水资料,研究了1989年春天青藏高原和邻近地区的热力特征和环流特征,及其对亚洲季风区季节转换的影响。文中集中分析了表面感热和潜热通量的时空分布特征。结果表明:1989年亚洲季风的爆发由三个接续的阶段组成。第一阶段是5月上旬在孟加拉湾东岸,称为孟加拉（BOB）季风爆发阶段。第二阶段是5月20日左右开始的中国南海（SCS）季风爆发阶段。第三阶段是6月10日左右开始的印度上空的南亚季风（或称印度季风）的爆发阶段。分析表明,正是由于青藏高原的热力和机械强迫作用才使亚洲季风首先在孟加拉湾地区出现。BOB季风环流提供了有利的背景条件,使SCS季风接着爆发。最后随着亚洲热带流型的西移,印度季风爆发才发生。     

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。     

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。     

基于多种资料的青藏高原地表感热的对比分析

青藏高原地表感热通量是高原热源的主要分量之一,对高原局地天气系统、我国天气气候以及亚洲季风等都有着重要影响。选取1980～2016年青藏高原的站点资料和ERA-Interim、NCEP1、NCEP2再分析资料,计算高原地表感热通量的分布状况和时间变化特征并对不同资料得到的结果进行比较分析,结果表明:4种资料在夏季的空间分布、年际变化,高原中部的年际变化,以及长期变化趋势上具有较好的一致性,其中ERA-Interim感热资料较优于其他两种再分析资料。青藏高原的地表感热通量分布呈西高东低的特征,年均最大值出现在柴达木盆地,最小值位于贡山;区域平均值春季最大,冬季最小。感热逐月变化呈单峰型分布,不同分区的年际变化均在2001年或2003年由减弱趋势转变为增强趋势。      

青藏高原中东部地表感热趋势转折特征的季节差异

本文利用气候变化趋势转折判别模型(PLFIM),分析了1982～2018年青藏高原中东部70个气象站点地表感热趋势演变特征的季节差异,并利用线性倾向估计和方差分析方法定量评估了影响不同季节地表感热变化的关键气象要素.结果 显示:(1)高原中东部四季平均地表感热通量均存在显著趋势转折特征,整体来看,秋、冬季转折时间较早(...     

青藏高原冬春积雪和地表热源影响亚洲夏季风的研究进展

青藏高原冬春积雪和地表热源的气候效应是青藏高原气候动力学的两个重要内容。大量资料分析和数值试验研究均表明这两个因子对亚洲季风有一定的预测意义,本文对此做了比较系统的回顾和总结,并进一步比较了青藏高原积雪和地表热源影响东亚和南亚夏季降水的异同。结果表明,东亚夏季降水在年际和年代际尺度上均存在"三极型"和"南北反相"型的空间分布特征,高原春季地表热源在年代际和年际尺度上主要影响东亚夏季降水"三极型"模态;在年代际尺度上它是中国东部出现"南涝北旱"格局的重要原因,而高原冬季积雪的作用相反。另一方面,高原冬季积雪在年际和年代际尺度上对印度夏季风降水的预测效果均要优于高原地表热源。无论是空间分布还是时间演变特征,高原冬季积雪与春季地表热源整体上均无统计意义上的显著联系。不断完善高原地面观测网和改进模式在高原地区的模拟性能,将是进一步深入理解高原积雪和地表热源影响亚洲季风物理过程和机制的关键所在。     

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.     

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。     

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。      

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。     

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)。     

青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风的机制

本文回顾了二十年来关于青藏高原感热驱动气泵(TP-SHAP)及其影响亚洲夏季风的研究进展,并从能量(θ)、位涡—加热(PV–Q)、和角动量守恒(AMC)的不同角度阐述其影响机制。指出高原斜坡上的表面感热加热改变了移向高原的大气质块的能量从而出现垂直抽吸的重要性。强调了高原加热产生的位涡强迫在近地层制造了强度大范围广的、环绕高原的气旋式环流,把丰沛的水汽从海洋输运到大陆,为季风对流降水提供充足的水汽条件。证明高原加热还通过改变其上空的温、压场的结构从而制造出高原上空近对流层顶的绝对涡度和位涡的最小值,在角动量平衡约束下,在亚洲季风区激发出与Hadley环流反向的季风经圈环流,从而为季风发生发展提供了大范围上升运动的背景。文中还对近年来有关青藏高原影响亚洲夏季风机制的讨论进行概述,并展望了未来的研究方向。     

亚洲夏季风爆发的基本气候特征分析

利用统一的亚洲热带夏季风爆发指标,重新制作了季风爆发日期的推进图,确证了亚洲热带夏季风最早在热带东印度洋与中印半岛中南部爆发的观点,这发生在26候(5月10日前后),28候(5月20日前后)在南海地区相继爆发,这两个地区的爆发是属同一季风系的不同爆发阶段.以后通过对海陆热力对比、季节内振荡等多方面的分析,对夏季风的爆发机制问题进行了深入的研究,提出了气候学意义下影响亚洲热带夏季风爆发的关键影响因子.在此基础上,给出了夏季风最早在热带东印度洋-中印半岛-南海地区爆发机理的一种概念模式图,即大气环流的季节进程是季风爆发的背景条件;而中印半岛及其邻近地区对流活动和感热与潜热加热的迅速增强与北推、印缅槽的强烈加深,以及高原东部地区的西风暖平流作用是夏季风爆发的主要驱动力,其结果是使经向温度梯度首先在这个地区反向并建立强的上升运动区,使热带季风和降水迅速发展和加强;来自不同源地的低频30-60 d和10-20 d季节内振荡的锁相则是夏季风爆发的一种触发因子,正是这些因子的共同作用导致了亚洲热带夏季风在这个地区的最早爆发.     

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.     

青藏高原地面感热及其异常的诊断分析

利用青藏高原主体60个地面气象观测站1961～2000年历年各月本站气压、地面气温、风速、地表温度等资料,计算了高原地面拖曳系数CD和地面感热通量.通过主成分分析、主值函数和功率谱分析等方法,对各季代表月CD系数和地面感热通量的基本气候特征,以及地面感热通量异常变化的空间结构和时间演变趋势作了较系统的诊断研究.结果表明:利用40年资料计算的拖曳系数与地面感热通量可以较好的反应青藏高原下垫面感热的基本气候特征,即高原CD系数东南部大,西北部小;冬季大,夏季小.多年平均高原地面感热通量仅在冬季小范围出现弱的负值,其余季节感热均为正值.感热通量大的地方其年际变化也大,其年际异常的主要空间型,第一是南北差异,第二东西差异,第三为高原主体及东部地区与外围的差异.其在年际变化中存在明显的10年际以上变化趋势,具体表现在1961～2000年期间,冬季高原北部和西部地区地面感热有减弱趋势,而高原中部和东南部呈明显的上升趋势.夏季高原主体及东部地区感热通量不断加强,而高原西部地区则相反.春、夏、秋三季均以13年以上的长周期振荡为主,冬季第一主分量表现为准3年的短周期变化.       

5月青藏高原5套地表感热通量资料的对比分析

基于1979-2017年5月青藏高原地区149个站点观测资料计算的地表感热通量（OBCH）和4套再分析资料提供的地表感热通量,对比分析了青藏高原地表感热通量的时空变化特征。结果表明：5月各地表感热再分析资料在高原主体部分（3 000 m以上部分）的气候平均值均为正值,说明高原主体5月为同一热源,且均呈高原西部（90°E为界）感热通量偏大,东部偏小的特征。5月高原主体各套平均地表感热通量均呈减弱趋势,除ERA感热表现为增强外,其余3套再分析资料在高原西部均表现为减弱,减弱趋势显著;5套资料在高原东部均表现为减弱趋势,除OBCH资料外,均表现为显著减弱。EOF分析发现,除了ERA-Interim资料,其余4套资料在高原主体第一模态主要表现为一致性变化,第二模态空间分布呈明显差异。从各套资料与OBCH资料的时间相关来看,ERA-Interim资料与OBCH资料相关系数可达0.70,说明二者在5月具有较好的年际变化一致性特征,而NCEP2资料与OBCH资料相关系数仅为0.33,说明二者具有较大的年际变化差异。     

青藏高原地面感热对北半球大气环流和中国气候异常的影响

在青藏高原地面感热通量的基本气候特征以及异常变化的空间结构和时间演变趋势研究的基础上,进一步就高原地面感热异常对北半球大气环流和中国气候异常的影响进行诊断研究,并利用IAP2-LAGCM对青藏高原地面感热异常的影响进行了数值试验.结果表明:冬季地面感热在青藏高原西部、藏南谷地、横断山地区异常偏强,中、东部异常偏弱时,可使北半球500 hPa高度场表现出较明显的EU型和PNA型;高原西部、青海中北部异常偏弱,高原中部及东南部异常偏强时,使北半球100 hPa高度场的年际差异加强;西部、南部为正,柴达木及青海东部地区为负时,则新疆南部、西北东部及江南地区少雨,全国大部地区气温偏高.夏季高原地面感热通量距平特征为西南、藏南谷地、横断山区偏强,高原大部(中心在青海南部)异常偏弱时,则500"a高度场上青藏高原南部(孟加拉湾)高度偏高,高原北部高度偏低,负值区在帕米尔;当感热通量距平特征为高原西南、藏南谷地、横断山区偏弱,高原大部异常偏强时,有利于南亚高压的建立与维持;当地面感热通量呈南正北负距平差异时,长江上游、黄河源头及西北地区东部和东北部分地区降水量比常年偏多,气温偏低,中国东部、南部降水偏少,气温偏高.通过数值模式进行的敏感性试验证实了大气环流及区域气候变化对青藏高原地面感热总体异常的响应.       

北亚洲大陆冬季地表感热通量对我国江淮梅雨的影响

利用1979—2008年NCEPⅡ月平均地表感热通量再分析资料、江苏省气象台整编的江淮出入梅日期和全国753个测站逐日降水资料,分析了亚洲北部(60°～135°E,32°～75°N,简称北亚洲)大陆冬季地表感热通量对我国江淮梅雨的影响及其可能机制。结果表明,北亚洲大陆地表在冬季总体为感热冷源,对大气起到强冷却作用。通过定义WSH指数来表征北亚洲大陆冬季地表感热冷源的强度,该指数值越小,冷源越强;反之,冷源越弱。当冬季北亚洲大陆地表感热冷源偏强时,夏季梅雨锋北侧的冷空气强度大范围加强,东北冷涡增强,且冷空气向南输送增强;7月高空副热带西风急流位置偏南,南亚高压呈青藏高压型;江淮流域上升运动增强,且该流域上空高层变干、低层变湿,大气层结的不稳定度增加,对流活动增强,有利于梅雨降水,出梅偏晚。冬季地表感热冷源偏弱时,情况则相反。因此,冬季北亚洲大陆地表感热通量的异常对汛期江淮梅雨的预测具有一定的指示意义。