亚洲夏季平流层-对流层水汽交换年际变化与亚洲夏季风的联系

亚洲地区是物质由对流层向平流层输送的主要通道,在平流层-对流层交换中扮演着积极的角色. 本文主要利用卫星资料和欧洲中心ERA40再分析资料,借助Wei诊断模式研究亚洲地区夏季上对流层-下平流层(UTLS)水汽分布和平流层-对流层水汽交换特征,重点着眼于水汽交换的年际变化,并探讨其与亚洲夏季风的联系. 结果表明,季风区UTLS水汽较赤道地区偏多,且通过磁带记录信号的传播,可穿越对流层顶影响下平流层水汽的多寡. 夏季平流层-对流层水汽交换表现出明显的年际特征,其年际变化与亚洲季风强弱变化有密切联系,尤其与南亚夏季风的关系更为显著. 在亚洲夏季风影响下,亚洲地区出现异常的大气环流和垂直运动,从而影响平流层-对流层之间水汽的交换. 这些结果对认识其它大气成分的输送过程也具有重要的指示意义.     

我国中东部两个高山气象站风的气候特征及对夏季风的响应

利用1955—2010年的气象观测资料,对比分析我国中东部地区地理位置及海拔高度存在差异的两个高山站(南岳山和庐山)风的气候变化特征及其对夏季风的响应。分析表明:(1) 南岳山风速大于庐山,春、夏盛行西南风,秋、冬盛行北风,年内各月最大风速风向均为旺盛的西南偏南风(SSW);而庐山春、夏盛行南风,秋、冬盛行东北偏北风(NNE),年内除6、7月外最大风速的风向均为偏东北风;(2) 年及四季平均风速均呈显著减弱趋势,庐山风速减弱的趋势明显大于南岳山;(3) 两个站夏季风场的变化随夏季风季节内演变,西南风在6月初突然增强、在8月底—9月初突然减弱;(4) 两个站夏季西南风的风速与夏季风的强弱变化呈反相关关系,强夏季风年西南风偏弱,其风场特征表现为北及偏东北风频率偏多,对应风速偏强,而南及偏西南风频率明显偏少,对应风速偏弱;弱夏季风年西南风偏强,其风场特征表现为西南气流异常。      

多重理化指标揭示的中国南方更新世网纹红土网纹化机制

网纹土地层包括网纹黄(色)土和网纹红(色)土,形成于低山、丘陵地理景观和热带、亚热带湿热气候环境中,是温暖湿润的气候环境下形成的第四纪重要地层单元。但其网纹化的机制及其第四纪古气候、古环境的意义一直比较模糊。对长江中游三地不同发育程度的网纹红土地层中网纹与基质分离测试研究表明:网纹中,细黏粒颗粒(<0.2μm)相对少、含水量高,土体中发生了以Fe、Mn、Co、Ni、Cr、V等铁族元素为主的过渡金属元素的强烈淋失和Zr、Hf等稳定元素及SiO_2的强烈富集;较低的pH、较低的氧化还原电位及较低的Fe~(3+)/Fe~(2+)比值,表明网纹具有较强的酸性和还原性。而基质中,游离铁(主要是赤铁矿)强烈富集,较高的Fe~(3+)/Fe~(2+)比值、较高的pH与氧化还原电位,指示土体处于偏氧化环境。网纹与基质中这种酸碱特点与氧化―还原环境的差异,有利于过渡金属元素呈低价态随水渗滤到基质中转化成高价态而沉淀积累。只要土体环境反复干湿交替,在网纹与基质之间就会形成以铁元素为主的过渡金属元素的淋溶―沉淀;元素物质的淋溶―沉淀,增加了网纹与基质之间孔隙度的对比,从而也增加了土体中网纹―基质之间的含水量差异,进一步促进了元素物质的淋溶―沉淀。这一过程,在网纹与基质之间,激发了一个正反馈作用,这是网纹形成与发育的环境动力机制。本文研究比较了中国南方网纹地层的地质年代与冬、夏季风在第四纪的代用指标记录,初步认为中国南方网纹红土是东亚冬、夏季风在早更新世晚期达到一定强度,形成显著的干湿交替的气候环境特点后,而在较为温暖湿润的热带―亚热带气候环境下形成的一种特有地层。     

季风指数及其年际变化Ⅱ.南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度.指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关.绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变.季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度.最后分析指出,南海850hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化.     

高云与高层垂直速度关系的个例研究Ⅱ.动力学分析

观测表明,高云的夏季块状分布和冬季带状分布,与低层赤道辐合带的夏季与冬季的形状十分相似;并且卷云和卷层云可以独立于深对流单独存在.作者对这两个观测分析结果进行动力学分析,结论如下:1)由于印度洋北面是青藏高原与亚洲大陆,夏季不能在北面副热带地区形成反气旋,从而印度洋赤道北面为西南气流,导致了赤道辐合带在该地区断裂并且相应的深对流在亚洲季风区的块状分布.2)利用斜压超长波理论,将Rodwell等的亚洲季风单向模型(即非绝热加热导致季风形成)作了修改,扩展为双向闭合模型.印度洋跨赤道偏南风产生大范围水汽辐合,其与地形的共同作用,产生了降水云系的高层加热,由于Sverdrup涡度平衡关系,导致了低层的偏南风而形成了一个相互作用的闭合过程,从而表明了亚洲夏季风是准定常的.3)通过详细分析涡度方程,证明除了恰好在赤道上之外,赤道辐合带上的水平辐合均会产生涡,并且这些涡由点涡(涡度的奇异部分)与各种尺度的涡(涡度的正则部分)组成.正涡度对应于云区,负涡度对应于晴空区,与赤道辐合带(ITCZ)的观测结果一致.4)由于辐合和切变产生涡,得到赤道辐合带和深对流的带状准定常维持的动力机制,即:由于赤道辐合带的辐合,其南北风辐合与东西风切变将产生涡,其与水汽的共同作用产生了深对流的上升降水云系,而降水云系的潜热诱导上升,进一步加强了水平辐合,从而表明了赤道辐合带的带状准定常维持的中介是不同尺度的涡.5)卷云和卷层云可以独立于深对流的原因是热带卷云和卷层云与流场是可以互相激发的,深对流不是其唯一的源.     

热带西太平洋海温距平与Rossby波传播对1993和1994年东亚夏季风异常影响的差异

利用NCEP/NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料与降水资料,分析了1993和1994年东亚夏季风异常的天气气候特征以及大气环流的差异.分析结果表明: 1993年东亚夏季风弱,副热带西风急流和副热带高压位置偏南,来自于孟加拉湾和南海的水汽仅输送到35°N以南地区.东亚地区出现低温凉夏天气.1994年东亚夏季风强,副热带西风急流和副热带高压位置偏北,7～8月副高持续偏强并控制日本,水汽可以输送到45°N以北的较高纬度,东亚发生破纪录的热浪干旱.对1993和1994年东亚夏季风异常物理过程差异的研究发现,副热带西风急流中静止Rossby波的传播和热带西太平洋暖池海温距平激发出来的PJ型遥相关波列作用的叠加引起1994和1993年东亚夏季风异常差异.     

华北河套地区气候干燥度的影响因素研究

利用中国1961-2013年661个气象台站观测资料以及亚洲夏季风指数,通过旋转正交分析（REOF）等方法,选择华北河套干旱气候区的代表站,分析了该区域气候干燥度的变化特征,发现该地区整体呈现干旱化趋势。在此基础上讨论了夏季风与气象因子对气候干燥度的影响,结果表明,南亚西区夏季风的年际及整体减弱趋势对华北河套地区气候干燥度的年际趋势变化影响最为显著,主要影响期在20世纪90年代之前,随着区域气候变暖,这种影响程度减弱。各气象要素对气候干燥度的影响存在年际与年代际差异,热力因子的年际变化对干燥度影响较小,而热力因子的年代际变化在20世纪90年代之后对干燥度的影响十分显著。这说明区域气候长期变暖导致当地水汽压差增大,相对湿度减小,空气需要更多的水分才能达到饱和,同时增大了潜在蒸发能力,加剧了华北河套气候区的干旱化。     

亚洲夏季风动力学研究综述

亚洲夏季风按照气候带可以分为东亚副热带夏季风和亚洲热带夏季风。就气候平均而言,东亚副热带夏季风于4月初在我国江南(泛称“华南”)地区建立,而亚洲热带夏季风首先于5月初在孟加拉湾东北部建立,之后向东推进,于5月第4候到达南海,然而夏季风无法直接西传至印度地区,因此印度夏季风的爆发表现为热带对流在阿拉伯海上空自赤道向北逐步推进的特征。东亚副热带夏季风与亚洲热带夏季风的爆发机制和时空变率都存在明显差异。亚洲夏季风的建立与青藏高原的动力和热力强迫作用联系紧密,其中东亚副热带夏季风的建立又与东亚大陆-西北太平洋的纬向海陆热力差异的季节转换紧密联系,而亚洲热带夏季风的爆发则与亚洲南部地区对流层中上部经向温度梯度的季节变化有关。同时,亚洲热带夏季风的建立过程还与亚洲南部高、低空环流的垂直耦合密切相关。就季节内变化而言,东亚副热带夏季风在4月份表现出10～20天季节内振荡,这与青藏高原表面感热的季节内变化有关,而盛夏的东亚副热带夏季风则存在准双周和21～30天两种振荡信号。亚洲热带夏季风的季节内振荡包含30～60天的北传信号和10～20天的西传信号,其中北传信号与环境气流的垂直切变、边界层辐合以及暖SST下垫面有关。亚洲夏季风年际变率的主要外强迫是ENSO事件,同时印度洋和大西洋海温异常、南极海冰以及青藏高原的冬、春季积雪和感热异常也影响着亚洲夏季风的年际变率。而亚洲夏季风的年代际变化既与气候系统的自然变率有关,又受热带海温强迫、人为排放气溶胶浓度和青藏高原表面热状况长期变化影响。      

南海地区定常行星波特征及其与南海夏季风的关系

利用美国NCAR/NCEP的1951—2001年全球大气日平均再分析资料,对南海区域的高低层大气长波的变化特征及其与南海夏季风爆发时间的关系进行分析。结果表明,（1） 纬向1～3波合成风场基本反映原始纬向风场的变化,南海地区处于东西风带的南北过渡区。（2） 对流层高低层（200 hPa和850 hPa）纬向1波在南海区域累加值（S1）正负转换时间与南海夏季风建立日期较吻合。高层S1由正值稳定变为负值（西风转为东风）的时间比南海夏季风爆发提前1～2候,低层S1由负值稳定转为正值（东风转为西风）的时间则几乎与南海夏季风爆发时间同期。（3） 以低层纬向1波（S1）值随时间的变化为主要指标,定义了一个南海夏季风爆发指数,该指数对南海夏季风的建立具有较好的反映能力。      

强迫和惯性不稳定对流发展在印度夏季风爆发过程中的作用

利用NCEP/NCAR R1再分析资料,分析了阿拉伯海上空对流层低层惯性不稳定现象对印度夏季风爆发过程的影响,揭示了纬向地转动量的纬向平流在惯性不稳定中的重要作用.研究表明,在印度夏季风爆发过程中,由于强烈的跨赤道气压梯度,对流层低层的绝对涡度零线(η=0)在阿拉伯海南部上空自赤道向北推进,从而在北半球近赤道区域形成负绝对涡度区,该区域表现出明显的自由惯性不稳定.在摩擦作用下,当气流自南向北通过这一区域时,在绝对涡度零线北侧出现低层辐合中心,有利于低纬度对流发展.然而这种经典的惯性不稳定对流只出现在近赤道地区,对印度季风爆发的直接影响不明显.另一方面在η=0线北侧海平面低压中心南部,尽管该区域大气处于惯性稳定状态,低空西风气流的发展造成明显的纬向地转动量的纬向平流.理论和诊断分析表明,该纬向地转动量平流与南北方向海陆热力差异沿着纬圈非均匀分布密切相关,它引起低空辐合中心出现在印度大陆西南海岸低空急流附近及其北侧,为印度夏季风爆发提供有利的低空环流条件.说明春末夏初阿拉伯海地区低层对流的发展除了受摩擦惯性不稳定影响外,更受到海陆热力差异纬向分布不均匀的强烈影响.此外,在印度夏季风爆发前,对流层高层的南亚高压东伸发展,将中纬度高位涡输送到阿拉伯海上空,形成局地"喇叭口"状流场,产生明显的高空抽吸作用,为夏季风的爆发推进提供了有利的高空背景条件.当其与南北海陆热力对比的纬向差异所强迫的低空辐合中心在印度大陆西南海岸附近垂直耦合引起大气斜压不稳定发展时,激发了印度夏季风爆发.