青藏高原等大地形和下垫面的动力和热力强迫在东亚和全球气候变化中…

本文总结了本专题自１９９１年正式开展工作以来，围绕着专题的中心内容所做的研究工作结果。着重点放在有地形数值模式的改进和完善以及数值模拟试验这两个方面在模式的改进和完善方面，又着重介绍模式区域的拓宽，土壤下垫面的引入，海洋混合层模式和海洋表层流模式的建立和应用。在数值模拟试验方面，则主要介绍气压梯度力的新算法－“误差扣除法”及其模拟检验，包络地形试验，地形与大气湿过程对夏季风气候特征影响的试验，沙漠     

青藏高原植被下垫面对东亚大气环流影响的数值试验

采用Ｊ．Ｗ．Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ（１）地表植被参数化方案，利用Ｐ－ａ原始方程５层模式（２），分析了青藏高原有植被和无植被两种不同下垫面情况下的大气响应，结果表明有植被下垫面通过增加向大气输送潜热通量，加强了高原上空的热低压，增强了高原北部的热成风，加强了高原南侧的季风环流，使青藏高原及我国东南地区的降水增多。     

高原大地形及海洋热力强迫对东亚及北半球环流和气候变化影响的观测研究

本文总结了“青藏高原大地形及西太平洋暖池势力强迫对东亚及全球气候变化的影响”专题五年来的主要研究工作。其中包括青世故高原东部大气热源的时间演变特征,夏半年高原热源异常对我国降水和北半球环流的影响;西沙海温变化特征及其与我南方降水的关系,北太平洋海温主因子特征及其与华南前汛期降水的变化。     

青海湖热力状况对气候变化响应的数值研究北大核心CSCD

湖泊对气候变化非常敏感,是气候变化的指示器。青藏高原湖泊众多,但由于观测数据的缺乏,目前对全球变暖背景下高原湖泊热力状况的研究依然不足且多为短期研究。利用中国科学院青藏高原研究所(ITPCAS)开发的中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集、MODIS地表温度数据、青海湖浮标观测数据,分析了Freshwater Lake Model(简称Flake模式)在青海湖的适用性,揭示了青海湖热力状况对气候变化的响应。结果表明,Flake模式能够很好的模拟出青海湖的热力状况,但对夏季与秋季的湖表面水温(特别是夜间)模拟偏高,部分是驱动数据误差造成的,修正驱动数据后模拟效果得到改善。对1989 2012年Flake模拟的湖表面温度与ITPCAS数据不同驱动要素之间的年际变化趋势与相关性进行分析,发现青海湖表面温度呈现上升趋势,与气温、向下长波辐射有较好的正相关性,而与风速负相关。内部热力状况的模拟结果显示,青海湖混合层温度基本全年呈上升趋势,其中5、6月及12月增温最显著;湖泊底层温度在5月以及12月的两次季节性翻转时期呈上升趋势,在6 10月湖水分层期呈下降趋势,分层期湖泊上层温度升高会加强湖水层结稳定性,使湖水混合减弱,导致底层温度下降。     

青藏高原动力和热力作用对热带大气环流影响的数值研究

应用在CCM3气候模式基础上发展的一个CCM3(R15L9)长期预报模式 ,进一步研究了青藏高原热力和动力作用对夏季热带地区大气环流的影响。结果表明 :在 6月初夏季节 ,青藏高原动力和热力作用在 30°N和 30°S一带有明显的增温效果 ,有利于北半球副热带西风减弱北移、热带高层东风增强北进、南半球西风带北压和赤道中低层西风形成和加强。加速了季节转换过程 ,有利于增强越赤道气流和南北半球的大气交换作用 ,还有利于在南海、菲律宾以东海面上热带气旋的形成和发展 ,以及140°E以东热带太平洋地区的东风波动的形成和发展     

青藏高原动力和热力作用对季节转换期全球大气环流影响的数值研究

利用ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７）－ＬＮＷＰ模式，以１９９６年３月１７日的国家气象中心客观分析资料为初始场，分别采用有、无青藏高原两种方案，数值研究了青藏高原对５月份全球大气环流季节转换的影响。试验结果表明：北半球初夏，青藏高原区域用同纬度地区的一个中空热源，其作用可以在２００ｈＰａ层形成一个２２４Ｋ的暖中心，使大气增暖７Ｋ以上。高原地形的动力和非绝热作用使得南极大陆２００ｈＰａ层大部分地区降温６Ｋ左右，最大负中心可达－８．２８Ｋ，这对于南半球由夏至冬过程中，环极涡旋的强度加深和范围扩大是有利的。高原地形作用对北半球大气环流平均槽脊的形成和维持有十分重要的影响，它加强了高原所在纬度带北侧（减弱了南侧）由南向北的正温度梯度，同时也增强了３０°Ｓ附近由北向南的正温度梯度，从而有利于季节转换过程中全球中纬西风带的整体北移和初夏亚洲季风环流的形成。同时高原地形作用在赤道及低纬地区形成的位势增加区，有利于南半球热带高压脊的北退和北半球副高增强北移。此外，它还有利于南半球极地东风带的增强和５００ｈＰａ层环极低压带的强度减弱，同时增加了罗斯海附近的极涡强度，对赤道的索马里急流的形成也有重要影响     

青藏高原地形对东亚夏季风北缘影响的数值试验

使用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)发展的大气环流谱模式SAMIL(R42L9),进行了有、无青藏高原对亚洲夏季风北边缘影响的数值模拟。结果表明,青藏高原大地形对夏季风北边缘活动有重要影响。有(无)高原时,其东侧的偏南风较强(弱)、较深(浅),向北扩展偏北(南),有(不)利于引导和加强夏季风北上,使北边缘偏北(南);同时,西太平洋副热带高压偏北偏西(偏南偏东),也有(不)利于夏季风向北深入我国大陆,从而使夏季风北边缘偏北(南)。与之相对应的夏季风降水区也偏北(南)。     

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。     

青藏高原热力强迫对中国东部降水和水汽输送的调制作用

从4个方面综述了有关青藏高原大地形热力“驱动”对中国东部雨带和水汽输送特征及其年代际变化的影响作用的研究进展:(1)中国三阶梯大地形热力过程变化与季风雨带季节演进;(2) 青藏高原地-气过程热力“驱动”及其季风水汽输送结构;(3) 青藏高原积雪冷源对中国东部水汽输送结构及其雨带分布的影响;(4) 青藏高原视热源变化与雨带年代际变化相关特征及其可能调制。其主要研究结论是:(1)中国西部高原特殊三阶梯大地形结构强化了海-陆热力差异,尤其是高原大地形使地-气热力差异季节变化有由青藏高原向东北方向大地形区域延伸变化趋势,且其与季风雨带由东南沿海移向西北朝青藏高原与黄土高原边缘同步演进,两者似乎存在类似季节内演进的一种“动态的吸引”。(2)中国东部雨带时空变化特征和季风强弱变化趋势均与青藏高原热源强弱异常变化相对应。青藏高原热源异常影响低纬度海洋向陆地的水汽传输路径和强度,进而调制中国东部降水时空演变。在青藏高原热源强和弱年,中国降水变率空间分布特征分别为“北涝南旱”和“南涝北旱”。青藏高原视热源强(弱)异常变化“强信号”将对东亚与南亚区域的季风水汽输送结构,以及夏季风降水时空分布的变异具有“前兆性”的指示意义。(3)长江中下游地区作为独特南北两支水汽流的汇合带,该地区夏季青藏高原热源与水汽通量相关矢特征呈类似于青藏高原多雪与少雪年水汽通量偏差场中水汽汇合区显著特征差异,揭示了冬季青藏高原积雪冷源影响中国东部夏季长江流域梅雨水汽输送结构特征。(4)中国降水的年代际变化基本型态为中国东部呈“南涝北旱趋势”,西北区域呈现出“西部转湿趋势”。但基于近10年青藏高原春季视热源出现“降后回升”趋势,中国东部“南涝北旱”的降水格局已出现转折趋势。     

青藏高原地面热力异常对夏季江淮流域持续暴雨形成作用的数值试验

本文采用OSU-AGCM大气环流模式，对青藏高原下垫面热力异常与夏季江淮流域暴雨形成的关系进行了数值试验。模拟结果表明，青藏高原下垫面热力状况的异常对东亚环流形势及云量分布异常的影响是形成1991年夏季江淮流域持续性降水的重要原因之一。青藏高原异常热力强迫还可以引起大范围云量的异常分布和云量异常区类似于二维Rossby波列没大圆路径传播的特征。     

青藏高原冬春季雪盖对东亚夏季大气环流影响的数值试验

利用IAP 2-L AGCM进行了青藏高原冬春季雪盖异常对东亚夏季大气环流、加热场和降水影响的数值试验。结果表明,该影响十分显著,持续性很强。当高原冬春雪盖异常增厚、范围扩大时,夏季（JJA）高原地区及我国北方500 hPa位势高度降低,南方变高,西太平洋副高减弱。大气对雪盖异常的响应呈明显的波列特征。我国北方大部地区土壤温度降低,南方土壤温度升高。夏季各月降水异常分布形势并不完全一致,但与同期500 hPa高度场异常分布形势有关。     

青藏高原大地形的动力、热力作用与低频振荡

在对青藏高原大地形的动力和热力作用作物理分析的基础上, 着重分析了青藏高原大地形的高度、地形坡度和非绝热加热对中高纬低频振荡的影响, 指出:青藏高原大地形的高度、合适的地形坡度和地形加热都可以促进低频振荡的形成, 而且, 这些因子都会影响低频Rossby波的稳定性.     

影响夏季青藏高原横切变线演变的动力和热力作用分析

青藏高原横切变线（简称切变线）是引发青藏高原夏季暴雨的主要天气系统之一。本文基于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,简称ECMWF）提供的ERA-5再分析资料,选取14个生成于6~8月、生命史为38小时且引发高原暴雨的切变线个例进行合成分析,探究动力和热力作用对夏季切变线生成和强度演变的影响。结果表明:（1）500 hPa切变线生成于伊朗高压和西太平洋副热带高压两高之间的鞍形场中,处于580 dagpm闭合低值中心和272 K高温中心内,比湿大值区的北侧;200 hPa南亚高压北部边缘、西风急流入口区南侧。（2）切变线强度表现出明显的日变化特征,在当地时间（LT=UTC+6h）23时最强,13时最弱。（3）涡度收支诊断表明,青藏高原上空高低层散度变化对切变线强度变化具有指示意义,500 hPa涡度最大值（最小值）出现时间滞后于辐合作用最大值（最小值）3小时。（4）切变线演变过程中,切变线发展时位涡随之增大。位涡收支诊断表明,青藏高原上空的水汽和非绝热加热对切变线的生成和发展演变起到重要作用。当边界层感热加热增强时,低层辐合增强,上升运动增强,在充足的水汽配合下,凝结潜热释放使非绝热加热中心抬高至大气中层,从而有利于切变线生成及发展。     

气候变化对东亚沙尘气溶胶影响的数值模拟

使用RegCM3-dust区域气候模式,单向嵌套MIROC3．2-hires全球模式输出结果,在IPCCA1B温室气体排放情景下,对中国及东亚地区进行了当代（1991年-2000年）和未来（2091年-2100年）水平分辨率为50km的气候以及沙尘气溶胶数值模拟试验。结果表明,模式对中国地区地面气温、降水和东亚沙尘气溶胶空间分布模拟较好。未来东亚沙尘气溶胶年平均起沙通量增加2％,其中12月-3月由于地表积雪量的减少而增加,4月-11月由于10m风速的减小而减少,不同强度的强起沙事件同样12月-3月增加,4月-11月减少。年平均沙尘气溶胶柱含量增加14％,其中3月-5月和8月略减少,其它月份增加。沙尘气溶胶引起地面（SRF）负辐射强迫和沙尘源区大气顶（TOA）正辐射强迫、下游地区TOA负辐射强迫,受沙尘气溶胶辐射强迫的影响,地面起沙通量和柱含量减少。     

东亚季风气候对青藏高原隆升的敏感性研究

青藏高原隆起是东亚季风形成演化的决定因子之一.利用GCM(大气环流模式)完成的一系列改变青藏高原地形高度的数值试验说明,东亚季风气候变化非常敏感地响应于高原隆升.在高原隆升达到现代高度的一半之前,东亚大约30°N以北地区近地面冬夏反向意义下的季风现象是不存在的.高原隆升对东亚冬季风的影响远大于对夏季风的影响.即使没有青藏高原,仅受海陆热力对比的作用,中国东部地区夏季已能出现偏南风;然而只有在青藏高原存在,且达到一定高度的情况下,东亚北方地区冬季才能盛行偏北风.从温湿状况看,大约长江以北的东亚北方季风强度随高原高度上升几乎呈线性增加,冬夏温度对比不断加大,降水也越来越向夏季集中.但长江以南的东亚南方季风和印度季风与此明显不同,前者对高原隆升具有非线性响应,而后者在高原隆升过程中变化不大.     

青藏高原地区气溶胶直接辐射强迫的数值模拟研究

通过比较EMAC模式模拟结果和卫星观测结果证实了模式的可信性,进而利用模拟结果分析研究了2010～2012年青藏高原上空气溶胶光学厚度及其直接辐射强迫的时空分布规律.结果 表明:所有气溶胶组分中,沙尘、水溶性气溶胶和气溶胶中液态水是高原的主要消光物质,三者年平均消光占比分别为0.27、0.20和0.49.2011年夏季...     

青藏高原热力状况异常与长江中下游地区梅雨关系的相关分析及数值试验

利用观测资料对青藏高原热力状况与长江中下游地区梅雨进行统计分析, 发现两者存在一定的联系:旱、涝年青藏高原下垫面热力状况存在南北反相特征, 即当青藏高原下垫面前冬南侧偏暖 (冷)、北侧偏冷 (暖) 时, 对应长江中下游地区梅雨量易偏少 (多)。而且这种高原下垫面异常热力状况具有持续性, 可以持续维持到夏季。在此基础上, 设计了两组敏感性试验, 分别改变高原下垫面热力状况, 应用NCAR RegCM2区域气候模式进行数值模拟, 模拟结果可以较好的验证上述统计事实。     

青藏高原大地形对南海冷涌事件影响的数值模拟

利用大气环流模式NCAR CAM3,通过比较敏感性试验与控制试验的结果,讨论青藏高原大地形高度对南海北部冷涌事件及环流的可能影响。结果表明,地形的绕流作用对阿留申低压和东亚大槽的产生有着重要作用,当大地形不存在时,两者消失。地形高度变化对大陆冷高压的强度有影响,随着地形高度的降低大陆冷高压强度减弱。即大地形对中高纬行星尺度平均槽脊具有重要作用,地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小,不利于冷空气南下,从而影响冷涌事件的强度和发生频率。当地形高度减半时,由于大陆东部地势相对平坦,南海北部北风强度增加,使得南海北部冷涌的出现频率略有增加。当无地形存在时,由于无青藏高原大地形的存在,使得东亚中高纬环流的经向度显著减小,冷空气南下活动明显减弱;同时没有大地形激发冷锋后的Kelvin波向南运动,导致南海北部北风强度减弱,南海北部冷涌的出现频率也显著减少。     

气候变化中下垫面作用的数值模拟

本文利用一个三维数值模式,对下垫面在气候变化中的作用进行了数值模拟.共做了两个均一土壤下垫面试验和一个非均一土壤下垫面试验.结果表明,东半球夏季季风气候区的基本气候特征,主要是由海陆分布和大地形的影响所产生.但是,细致的气候特征却受下垫面土壤物理性质和初始湿度的很大影响.而且,通过环流系统的相互作用,除对本地区天气气候产生影响外,还会影响周围地区.非洲撒哈拉大沙漠的形成很可能是长期受到海陆分布及高原地形所造成的基本气候场作用的结果.