冬季青藏高原大气热状况分析Ⅱ：年际变化

通过诊断3套再分析资料的非绝热加热场,研究冬季青藏高原上空大气的热力特征.结果表明,与夏季为强热源的特征不同,冬季高原上空不是欧亚大陆上最强的冷源中心.冬季高原上空整体是偏弱的冷源,在高原西侧及东南地区上空甚至出现非绝热加热正值区,这一分析对以往研究提出的高原是冷源的特性给出了修正.各种非绝热加热分量的诊断表明,冬季高原上空这种总的非绝热加热分布主要是由于高原主体的长波辐射冷却较周边地区弱,以及西侧至东南地区凝结潜热释放造成的.为了说明再分析的非绝热加热资料对冬季高原上空大气的这种热力特征描述的可信性,文中还利用了地表辐射能量、TRMM及PREC/L降水、垂直速度等资料进一步辅助分析,证实了由于高原位势较高造成大气整层温度偏低,向外长波辐射偏少,以及高原地势的隆起造成局地较强的上升运动,高原西侧至东南角降水大值区潜热偏大,最终造成高原上空总非绝热加热负值偏小.最后理想高原隆起的水球试验结果说明,冬季,高原的存在减弱了陆地上空的冷却效应,因而其上为弱冷源,再次证实了资料分析的结果.     

三种再分析资料计算青藏高原大气热源的比较

选取NCEP1、NCEP2和ERA-Interim中1981—2010年共30 a的风场、温度场和地面气压场再分析资料,利用"倒算法"计算青藏高原大气热源,对三套资料的计算结果进行了多方面比较分析,并运用Morlet小波法分析了区域平均的高原热源的时间变化特征。结果显示:(1)三套资料计算的季节平均的热源在空间分布上基本一致,夏季高原大部分地区为热源,冬季除高原西北部是热源外,其余地区为冷源。其中,ERA-Interim与NCEP1的分布更为接近;(2)三套资料均表明:就30 a平均而言,青藏高原大气为显著的热源,分布上ERA-Interim与NCEP1相似,量值上NCEP的两套资料更为接近;(3)区域平均热源的月际变化十分一致,相关系数均超过99%显著性检验。NCEP的两套资料对年际变化的描述更为一致,二者相关系数为0.88,ERA-Interim与NCEP两套资料的结果略有差距,相关系数分别为0.78和0.70;(4)整体而言,ERA-Interim资料在反映高原热源方面较优,但也要注意考察该资料给出的高原南坡强热源的真实合理性。     

全球大气季节平均热源的三维分布——非绝热加热与瞬变加热之对比

利用1958—2001年ERA40逐日大气再分析资料,使用热力学方程剩余项法计算和对比分析了全球大气季节平均非绝热加热和瞬变加热的四季气候平均三维分布。结果表明,全球大气非绝热加热主要为热带强大深厚对流性热源、中纬度浅薄热源以及副热带和高纬度的深厚性热汇,热带热源总是向夏半球偏移,但中纬度热源和高纬度热汇在冬半球偏强。全球大气瞬变加热的三维分布主要表现为:副热带热汇-中高纬度热源的南北偶极型和中纬度低层热汇-高层热源的高低层偶极型,该分布型导致瞬变热源具有从高纬度低层向中纬度高层的倾斜结构。瞬变加热与风暴路径密切相关,冬半球风暴路径的瞬变活动强,因而其瞬变热源和热汇也强,而夏半球则相对弱。瞬变加热在北半球具有位于大陆东部和大洋西部的区域性特征,而在南半球具有纬向带状分布,尤其在冷季时南太平洋瞬变热汇和热源带出现分离现象。瞬变加热在全球大部分区域对非绝热加热起减弱抵消作用,但在中纬度对流层中高层起支配性作用。因此,大气瞬变活动帮助高纬度和中纬度中高层大气获得更多的热量,从而对非绝热加热造成的大气热量进行空间上的重新分配。     

青藏高原地表热状况与华西秋雨

利用1961－1995年青藏高原及其邻近地区148个测站的月平均资料，分析研究了高原地面热源与华西秋雨的联系。结果表明，高原东部地面热源与华西秋雨存在着显著的负相关关系。高原东部地面热源异常强迫500hPa大气环流异常来制约华西秋雨的多寡。     

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。     

青藏高原冬季积雪时空变化特征EOF分析

通过对青藏高原冬季积雪的EOF分析,揭示了青藏高原冬季积雪的时间变化和空间分布特征,分析出高原冬季积雪的突变现象,对青藏高原冬季积雪时空变化规律提出了自己的观点.     

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。     

曲江冬季冷暖气候规律分析

利用曲江1955－2000年冬季（12月至次年2月）气温和冰冻天数的气候序列资料，制作冷指数序列，通过各种方法进行冷暖气候规律分析。     

春季中国西南降水与青藏高原及周边非绝热加热之间的关系

基于气象观测资料和再分析资料,从西南地区降水年际变化规律入手,运用统计学方法从时空角度分析了与其相伴随的环流型和非绝热加热的关联。结果表明,当西南地区降水偏多时,东西向异常气旋、反气旋分别位于我国长江以南地区上空以及青藏高原西南侧上空对流层中、高层,西南地区对流层高层被异常偏北风控制,低层被异常偏南风控制,中层伴有较强的异常垂直上升运动,且与异常非绝热加热源区基本重合,而青藏高原西南侧上空对流层中层为异常的垂直下沉运动,且与异常非绝热加热汇区基本重合;反之亦然。在此基础上进一步运用气候动力学方法揭示了导致西南降水异常的可能物理过程：高原西南侧爬升流的异常垂直运动通过影响南支气流向下游的水汽输送异常,进而导致西南地区非绝热加热异常,最终实现对西南地区降水的调制作用。     

青藏高原东部大气探空廓线的气候特征分析

通过对青藏高原东部地区近几年部分探空资料的分析,得出了一些有意义的结论。结果表明：冬季,青藏高原东侧地区在对流层下部存在明显的逆温现象,在逆温层之下,大气相对湿度大,水汽随高度减小的幅度小,大气处于中性层结状况;在此逆温层之上,大气相对湿度小。在逆温层底部有大量的水汽堆积,在空中形成明显的逆湿层,而在高原主体上并没有此逆温层的存在,高原东侧各站逆温层底的高度差别不大。夏季,青藏高原东侧地区20时可以存在明显的混合层,混合层的高度在成都站最小,重庆站最大,而高原主体混合层高度大于东侧地区。旱年混合层高度大于涝年。8时和20时,冬季大气温、湿垂直特性变化不明显,而夏季具有明显的变化。夏季,降水过程明显抑制混合层的发展,在暴雨过程及其前后,混合层有明显的成熟、消亡、重新建立的特征。     

夏季青藏高原加热和北半球环流年际变化的相关分析

利用 195 8～ 1997年NCEP/NCAR再分析数据集中加热率和环流资料 ,采用相关分析和对比分析相结合的方法 ,诊断和分析了夏季青藏高原的非绝热加热与北半球环流系统的年际变化的联系。分析结果表明 :夏季青藏高原的加热强 (弱 )的年份 ,高原及邻近地区的上升运动、下层辐合及上层辐散均增强 (减弱 ) ,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 )。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     

夏季青藏高原500hPa高压活动期间大气加热状况与大气环流特征

由于青藏高原500hPa层出现高压系统的活动,使高原大气产生“上高下高”的气压场结构,从而东亚大气环流也发生某些相应的变化。本文统计分析了高原500hPa高压的散度与垂直速度分布、高原大气热源的演变和100hPa层涡度、纬向风以及经圈环流的变化等。结果认为,由于夏季高原500hPa高压的活动,使高原上空垂直上升运动和对流加热受到抑制,100hPa南亚高压强度减弱、位置北抬、有向西部型过渡的特征。高原北侧西风急流减弱,东风急流南支与北支合并后位于原北文东风急流位置以南,侵入高原南麓的西南季风减弱。与此同时,孟加拉湾上空上升运动有所增强,其对流加热对维持东风急流乃至南亚季风将起重要作用。     

青藏高原东部大气探空廓线的气候特征分析

通过对青藏高原东部地区近几年部分探空资料的分析,得出了一些有意义的结论。结果表明:冬季,青藏高原东侧地区在对流层下部存在明显的逆温现象,在逆温层之下,大气相对湿度大,水汽随高度减小的幅度小,大气处于中性层结状况;在此逆温层之上,大气相对湿度小。在逆温层底部有大量的水汽堆积,在空中形成明显的逆湿层,而在高原主体上并没有此逆温层的存在,高原东侧各站逆温层底的高度差别不大。夏季,青藏高原东侧地区20时可以存在明显的混合层,混合层的高度在成都站最小,重庆站最大,而高原主体混合层高度大于东侧地区。旱年混合层高度大于涝年。8时和20时,冬季大气温、湿垂直特性变化不明显,而夏季具有明显的变化。夏季,降水过程明显抑制混合层的发展,在暴雨过程及其前后,混合层有明显的成熟、消亡、重新建立的特征。     

1961—2001年青藏高原大气热源的气候特征

文中利用ECMWF逐日再分析资料,用"倒算法"计算了1961-2001年青藏高原上空热量源汇,并分析了高原上空大气热量分布的气候状况.结果表明:(1)3-9月,高原上空为热源,热源最强在6月;10-2月是热汇,热汇最强在12月.整个高原上空,全年大气热鼋状况主要表现为热源持续时间长,且热源强度较热汇要大得多.对整层热源贡献最大的因子是垂直输送项.(2)从大气加热的垂直廓线来看,热源最大值层出现的高度随季节基本没有变化,集中在600-500 hPa,但加热的强度和厚度却随季节是变化的;而热汇最大值层和强度随季节是变化的.(3)高原整层(Q1)的水平分布复杂,表现出强的区域性特征:高原热源西部变化比东部迅速,4-8月西部热源强度明显强于东部.春季,高原西部热源增强迅速,在5月出现200 W/m2中心,比东部提前1个月.7月整个高原热源开始向南减弱,西部热源至10月转为热汇,比东部又提前了1个月.(4)自1979年后,各季节高原热源变化均表现出1990年前后的气候转变信号.夏季,高原热源变率表现为南北反位相型,其他季节为高原的中部-东北部与高原东南部反位相型.     

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。      

青藏高原夏季边界层再分析资料的偏差分析及订正

青藏高原对流边界层的热力、动力过程对下游地区甚至整个东亚地区的天气气候有重要影响。以2017年夏季为例分析ERA-Interim、JRA-55和MERRA-2再分析数据在青藏高原边界层研究中的适用性,并进一步利用数值模式物理框架的约束作用来订正其分析误差。2017年夏季青藏高原东南部边界层内,3套再分析资料对于气象要素的描述能力为气温>露点温度>水平风场,研究时段内适用性较好的再分析资料为ERA-Interim。比较12种模式参数化方案组合,模拟结果对于再分析资料在晴空和中雨情景下水平风场的误差离散程度均有明显改善。对于模拟改进的关键物理量水平风场而言,研究时段内本地适用性最高的参数化方案组合是ACM2+WSM6+BMJ。再分析资料中的风场经模拟结果调整后可以更好地描述青藏高原夏季边界层发展,证实模式参数化方案可以减小其在高原地区季节分布偏差。     

青藏高原冬季平均温度、湿度气候特征的REOF分析

通过对青藏高原123个测站, 1961~1998年冬季 (12月至翌年2月) 平均温度、相对湿度资料做气候特征分析, 得到32°~33°N附近地区可能是高原南北温湿变化的分水岭, 以北主要受干冷空气影响, 以南主要受暖湿空气影响。用方差极大正交旋转EOF (即REOF) 方法对以上资料进行分析, 可以将青藏高原温度、相对湿度进行分型、分区, 并对各区的温度、相对湿度特征进行分析。结果表明, 近40年来, 各区的温度总趋势是在波动中逐步升高的。增温时段主要出现在1978~1981年及1983年至今。1983年开始的增温, 是近40年来最强的一次, 增温幅度大且持续时间长, 但从90年代开始增温幅度及范围出现波动。从温度线性倾向来看, 东部高原增温幅度从南到北存在“大—小—大”的现象。高原大部分地区湿度变化总趋势是在波动中逐步增湿的, 但高原北界以变干为主。从80年代后期至今高原进入显著增湿阶段, 但从90年代中后期开始增湿幅度及范围出现波动。从湿度线性倾向来看东部高原增湿幅度从南到北存在逐步减小现象, 甚至祁连山地区出现变干现象。     

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.     

青藏高原加热对东亚地区夏季降水的影响

东亚地区降水主要集中在夏季,是亚洲夏季风系统的重要特征.本文利用NCEP再分析资料和CRU的降水资料,分析了青藏高原非绝热加热对东亚夏季降水的影响.结果表明,东亚地区夏季降水的分布形势与青藏高原非绝热加热变化有很好的相关关系.由于高原非绝热加热可在亚洲东部沿海地区强迫出类似Rossby波列的大气环流低频振荡结构,而此低频波可以影响到西太平洋副热带高压的形态和位置变化,从而使得东亚夏季降水的形势发生变化.而青藏高原非绝热加热的形态从春季到夏季有很好的持续性,春季高原加热与夏季东亚的降水形势分布也有很好的相关.本研究中采用的青藏高原非绝热加热指数可作为东亚夏季降水预测的一个指标,亚洲季风降水不仅受赤道太平洋海温的影响,青藏高原地区的非绝热加热对其也有显著的影响作用.