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。     

基于LASG/IAP大气环流谱模式的气候系统模式

文章扼要介绍了基于LASG/IAP大气环流谱模式(SAMIL)的气候系统模式的新版本FGOALS-s的发展和结构。出于发展一个在东亚季风模拟方面有一定优势的气候系统模式之目的,FGOALS-s的大气模式分量SAMIL采用了较高的水平分辨率R42,这相当于2.8125°(经度)×1.66°(纬度),高于三角截断T42的分辨率。对FGOALS-s在模拟大气、陆面、海洋和海冰的气候平均态,以及主要的年际变率信号方面的能力进行了检验。分析表明,FGOALS-s成功地控制了气候漂移趋势,能够较为真实地模拟大气、海洋和陆面的气候平均态,特别是受益于大气模式的较高分辨率,由中国西南向东北延伸的夏季风雨带的分布,在模式中得到较为真实的再现,表明该模式在东亚夏季风的模拟上具有较强能力。耦合模式能够成功再现El Ni~no事件的非规则周期变化,但是其年际变化的振幅较之观测要弱。赤道中西太平洋年际变率的强度较之赤道中东太平洋要强。在中高纬度,模式模拟的北大西洋涛动模态,在空间分布上与观测接近。FGOALS-s模式存在的主要问题,是模拟的热带海温偏冷、而中纬度海温则偏暖,原因是模式模拟的云量分布存在偏差,它直接影响到海表的净热通量收支。模式模拟的北大西洋高纬度地区的海温明显偏冷,令该地区的年平均海冰分布的范围明显偏大;然而受南极周边海温偏高影响,南极洲周围的海冰范围则偏少。FGOALS-s的未来工作重点,宜放在大气模式的云过程、海洋模式的经向能量输送过程、以及海洋与大气的淡水通量耦合方案的改进方面。     

IAP/LASG全球海-陆-气耦合系统模式的纬向平均大气气候态分析

分海洋和陆地两种情况来讨论IAP／LASG全球海－陆－气耦合系统模式（GOALS）四个版本的结果，并与观测资料进行对比分析，一些重要的大气变量包括表面空气温度，海平面气压和降水率用来评估GOALS模式模拟当代气候和气候变率的能力，总的来说，GOALS模式的四个版本都能够合理地再现观测到的平均气候态和季节变化的主要特征，同时评估也揭示了模式的一些缺陷，可以清楚地看到模拟的全球平均海平面气压的主要误差是在陆地上，陆地上表面空气温度模拟偏高主要是由于陆南过程的影响，值得注意的是降水率模拟偏低主要是在海洋上，而中高纬的陆地降水在北半球冬天却比观测偏高。通过模式不同版本之间的相互比较研究，可以发现模式中太阳辐射日变化物理过程的引入明显地改善了表面空气温度的模拟，尤其是在中低纬度的陆地上，太阳辐射日变化的引入对热带陆地的降水和中高纬度的冬季降水也有较大改进。而且，由于使用了逐日通量距平交换方案（DFA），GOALS模式新版本模拟的海洋上的温度变率在中低纬度有了改善。比较观测和模拟的年平均表面空气温度的标准度，可以发现GOALS模式四个版本都低估了海洋和陆地上的温度变率，中还对影响观测和模拟温度变率差异的可能原因进行了探讨。     

降水对热带海表温度异常的邻域响应 II. 资料分析

对最近10年海表温（SST）的分析表明，东赤道太平洋（EEP）及中赤道印度洋（CEI）的SST存在显著正相关。西赤道太平洋（WEP）及西北太平洋（WNP）的SST也存在相关。流场和降水分析表明，当低空流场存在对EEP正的SST异常响应时，也存在对CEI正的SST异常的响应。前者位置偏东，对我国天气无直接影响；后者导致南方少雨，江淮多雨。在WNP和WEP海区SST异常的共同强迫下，我国南海及西太平洋出现低空反气旋式环流。由于其位置偏南，异常雨带位于华南，使我国华南多雨，江淮少雨。本文还用最近38年的海温和降水资料对上述结果进行检验。资料分析证实了数值模拟的结果，即降水对热带海表温度异常的响应是一种邻域响应。     

Seasonal evolution of subtropical anticyclones in the climate system model FGOALS-s2

The simulation characteristics of the seasonal evolution of subtropical anticyclones in the Northern Hemisphere are documented for the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land Systemmodel, Spectral Version 2 (FGOALS-s2), developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, the Institute of Atmospheric Physics. An understanding of the seasonal evolution of the subtropical anticyclones is also addressed. Compared with the global analysis established by the European Centre for Medium-Range Forecasts, the ERA-40 global reanalysis data, the general features of subtropical anticyclones and their evolution are simulated well in both winter and summer, while in spring a pronounced bias in the generation of the South Asia Anticyclone(SAA) exists. Its main deviation in geopotential height from the reanalysis is consistent with the bias of temperature in the troposphere. It is found that condensation heating (CO) plays a dominant role in the seasonal development of the SAA and the subtropical anticyclone over the western Pacific (SAWP) in the middle troposphere. The CO biases in the model account for the biases in the establishment of the SAA in spring and the weaker strength of the SAA and the SAWP from spring to summer. CO is persistently overestimated in the central-east tropical Pacific from winter to summer, while it is underestimated over the area from the South China Sea to the western Pacific from spring to summer. Such biases generate an illusive anticyclonic gyre in the upper troposphere above the middle Pacific and delay the generation of the SAA over South Asia in April. In midsummer, the simulated SAA is located farther north than in the ERA-40 data owing to excessively strong surface sensible heating (SE) to the north of the Tibetan Plateau. Whereas, the two surface subtropical anticyclones in the eastern oceans during spring to summer are controlled mainly by the surface SE over the two continents in the Northern Hemisphere, which are simulated reasonably well, albeit with their centers shifted westwards owing to the weaker longwave radiation cooling in the simulation associated with much weaker local stratiform cloud. Further improvements in the related parameterization of physical processes are therefore identified.     

Dynamical and Thermal Problems in Vortex Development and Movement. Part I: A PV–Q View

Based on the Lagrangian change equation of vertical vorticity deduced from the equation of threedimensional Ertel potential vorticity(PV e),the development and movement of vortex are investigated from the view of potential vorticity and diabatic heating(PV-Q).It is demonstrated that the asymmetric distribution in the vortex of the non-uniform diabatic heating in both vertical and horizontal can lead to the vortex’s development and movement.The theoretical results are used to analyze the development and movement of a Tibetan Plateau(TP) vortex(TPV),which appeared over the TP,then slid down and moved eastward in late July 2008,resulting in heavy rainfall in Sichuan Province and along the middle and lower reaches of the Yangtze River.The relative contributions to the vertical vorticity development of the TPV are decomposed into three parts:the diabatic heating,the change in horizontal component of PV e(defined as PV 2),and the change in static stability θ z.The results show that in most cases,diabatic heating plays a leading role,followed by the change in PV 2,while the change of θ z usually has a negative impact in a stable atmosphere when the atmosphere becomes more stable,and has a positive contribution when the atmosphere approaches neutral stratification.The intensification of the TPV from 0600 to 1200 UTC 22 July 2008 is mainly due to the diabatic heating associated with the precipitation on the eastern side of the TPV when it uplifted on the up-slope of the northeastern edge of the Sichuan basin.The vertical gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation below(above) the maximum of diabatic heating;the positive PV e generation not only intensifies the low-level vortex but also enhances the vertical extent of the vortex as it uplifts.The change in PV e due to the horizontal gradient of diabatic heating depends on the vertical shear of horizontal wind that passes through the center of diabatic heating.The horizontal gradient of diabatic heating makes positive(negative) PV e generation on the right(left) side of the vertical shear of horizontal wind.The positive PV e generation on the right side of the vertical shear of horizontal wind not only intensifies the local vertical vorticity but also affects direction of movement of the TPV.These diagnostic results are in good agreement with the theoretic results developed from the PV-Q view.     

夏季青藏高原及周边上对流层水汽质量及其向平流层传输年际异常. I：水汽质量异常主导型

本文利用逐年7~8月平均的ERA-Interim再分析资料并结合SWOOSH(Stratospheric water and ozone satellite homogenized)水汽数据,分析了青藏高原及周边地区330~360 K层次水汽质量分布的年际异常特征及其成因。结果表明,水汽质量分布异常表现为整体异常型、东西偶极异常型和南北偶极异常型三个主导分布型。整体异常型在水汽质量整体偏多时,青藏高原地区对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输偏强,上对流层为异常偏强的水汽质量非绝热辐合;此时对应南亚高压偏强,青藏高原地区上对流层的水汽质量绝热辐散和高原以西地区的水汽质量绝热辐合都异常偏强,水汽质量整体偏少时则相反。东西偶极异常型水汽质量呈西多/东少分布时,青藏高原西部(中东部)对流和垂直向上的水汽质量非绝热传输异常偏强(弱),上对流层的水汽质量非绝热辐合和水汽质量绝热辐散也异常偏强(偏弱);同时对应南亚高压偏西,青藏高原以西到伊朗高原的上对流层有异常的自东向西的水汽质量绝热输送和水汽质量绝热辐合。水汽质量呈西少/东多分布时则有相反的结果。南北偶极异常型水汽质量呈北多/南少分布时,对应南亚高压偏北,青藏高原北部的上对流层有异常自南向北的水汽质量绝热输送所造成的水汽质量辐合,同时该地区低层异常偏强的自下向上的水汽质量非绝热输送也加强水汽质量辐合,而青藏高原南侧上对流层则为异常偏弱的水汽质量绝热辐散和水汽质量非绝热辐合,水汽质量呈北少/南多分布时相反。     

孟加拉湾深对流加热对东亚季风环流系统的影响

利用40年逐日NCEP/NCAR再分析资料、ReynoldsSST资料和R42L9GOALS模式,研究孟加拉湾深对流加热对东亚副热带季风环流系统的影响及其与ENSO的关系。结果表明:孟加拉湾东岸季风于26候开始爆发,其深对流加热的旋转经验正交函数(REOF)分析表明,其激发的东传Rossby波在中高纬度地区具有相当正压结构。数值试验证实孟加拉湾降水增多,其东侧南海到长江以南区域降水明显减少。分析发现季风环流强度指数极小值和Walker环流强度指数极大值的出现对SSTA转折均具超前性,因此,季风环流的变化对预报ElNino减弱或LaNina结束及SSTA变化趋势具有一定的指示意义。     

印度洋和南海海温与长江中下游旱涝

作者统计分析了1958～1999年42年长江中下游地区夏季5～8月旱涝事件的分布特征.结果表明,42年中旱涝月出现频次相等,但洪涝强度远大于干旱强度.对比分析旱涝月的环流异常和海温异常(SSTA)发现,南海地区SSTA和对流层低层经向风异常均与长江中下游旱涝显著相关,尤其正SSTA和涝月的关系更为密切,因此南海SSTA为我国长江中下游地区旱涝的一个强讯号.进一步分析发现,夏季南海SSTA与前春赤道南印度洋SSTA存在显著相关,可将其作为预报因子.最后得到的预报思路为:当前春赤道南印度洋海温异常偏暖,则夏季南海海温异常偏暖,南海低空出现异常偏南风,异常多的水汽向我国南方输送,长江中下游地区易涝;反之当前春南印度洋海温异常偏冷,夏季南海海温亦异常偏冷,南海低空出现异常偏北风,向北输送水汽偏少,长江中下游易旱.