1979-2014年全球变暖背景下青藏高原气候变化特征

近几十年来全球变暖受到越来越广泛的关注,然而全球变暖从1998年开始趋缓,但青藏高原却呈现加速增暖的趋势。本文基于前人研究,系统回顾了青藏高原气温、积雪、降水和大气热源等四方面在全球变暖背景下的变化,指出高原的加速增温导致了积雪迅速融化,降水明显增多的同时,高原热源却呈现减弱趋势。

7月青藏高原大气热源空间型及其与东亚大气环流和降水的相关研究

对1958～1999年的7月份NCEP/NCAR再分析资料中青藏高原区域大气热源强度(整层气柱的总非绝热加热率)做旋转经验正交函数分析,结果表明该区域内大气热源强度的空间分布特征复杂,各地差异显著。前4个REOF型的加热中心位于高原东北部、高原西南部、克什米尔地区以及高原东南部地区上空。小波分析还表明各空间型都有2～4a的变化周期。文中计算了前4个RPC与东亚中、低空纬向风(U)、经向风(V)、纬向水汽通量(Q_u)、经向水汽通量(Q_v)的相关系数,并用这些相关系数构造矢量,进而分析其流场和水汽通量散度场,发现高原不同区域的大气加热异常所对应的东亚大气环流形势及降水也大不相同,由此表明,在研究高原加热对中国气候的影响时,应注意加热的空间分布特征。

青藏高原冬春积雪影响亚洲夏季风的研究进展

青藏高原积雪作为亚洲夏季降水异常的一个预测因子已有很长历史。统计分析表明,青藏高原冬春积雪与印度夏季降水反相关,与我国长江中下游夏季降水多为正相关,不同作者对此现象给出了一些可能的解释,如地表反照率效应和积雪-水文效应。但积雪的这种跨季节滞后影响的具体物理过程仍有争议。另一方面,青藏高原冬春积雪资料存在不确定性,这对相关物理机制的理解造成了很大困难。通过回顾和梳理前人在该领域的研究成果,提出了高原积雪影响亚洲季风的未来研究方向。

孟加拉湾季风爆发可预测性的分析和初步应用

基于季风区对流层中高层副高脊附近的经向温度梯度能表征季节转换和季风爆发的物理本质这一事实,使用1980—1999年过渡季节期间(3～5月)逐日和月平均的NCEP/NCAR高空温度场再分析资料,对该温度梯度潜在的预报季风爆发进行了分析。结果表明:在已知初始时刻孟加拉湾季风区对流层中高层经向温度梯度的前提下,依据初始时刻的经向温度梯度和气候平均的经向增温率梯度,可以对孟加拉湾季风爆发的迟早做出定性预测。另外,由于孟加拉湾地区季风爆发日期与3月份青藏高原上空对流层中高层气温有显著相关,故前期高原上空对流层中高层的气温高低也是判断孟加拉湾季风爆发迟早的重要因子。对2000年和2001年孟加拉湾季风爆发迟早定性预测的结果表明,这两种预报方法具有潜在的应用价值。

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。

定常条件下感热和地形影响的Rossby波

通过在非绝热准地转线性模式中引入波动形式解,并确定适当的定解条件,用正交模方法求得了感热波的波动解。结果表明由于感热加热集中于近地层附近,其波动解具有与山脉波类似的波动垂直结构,波动等位相线随高度向西倾斜,波动能量向上传播。对NCEP/NCAR资料的分析验证了理论推导结果的合理性。大尺度大气定常波随纬度和季节有明显变化。热带地区定常波主要受潜热加热影响,副热带地区大气波动常表现为地形、潜热和感热加热的综合效应,而中纬度地区大气定常波则主要由地形和感热加热决定。

青藏高原气温的年际变率与大气环状波动模

基于1961年3月至2002年2月间青藏高原地区64个台站的地面气温观测资料和ERA40再分析数据集,研究了青藏高原上空气温的年际变率及其与大尺度环流的关系。结果表明除夏季外,高原地面气温与整个北半球副热带、极地对流层的温度和位势高度有显著的同位相变化关系,而与中高纬度对流层有显著的反位相变化关系。其中北半球副热带还有5个分别位于青藏高原、西太平洋、北美西部、大西洋中部、北非到阿拉伯半岛的活动中心。这3条环状活动带和5个副热带活动中心共同组成了一种北半球大气环状波动模,其纬向特征为异常偏强的中纬度西风气流以及热带和高纬度东风气流,并伴有中纬度大气长波槽脊的减弱;经向基本特征为异常偏强的Hadley和Ferrel环流以及副热带下沉气流和中纬度上升气流,垂直方向呈相当正压结构。当这种环状波动模处于正位相时,异常增强的绝热下沉增温效应和减弱的冷空气活动共同使得高原上空对流层中、低层气温异常偏暖。

全球热带海表温度异常的主振荡型分析

用主振荡型分析方法对全球热带海表温度异常进行了研究，得到了传播型和驻波型的几种典型模态，指出ＥｌＮｉｎｏ／ＬａＮｉｎａ现象与这几种典型模态的组合有关，最显著的两个典型模态周期分别为准４ａ和准２ａ，周期相近的振荡还具有不同的空间型态，热带印度洋与太平洋４个Ｎｉｎｏ海区ＳＳＴＡ呈同位相的关系，主要表现于大洋中部，且峰值时间稍滞后于太平洋，大西洋情况类似，但ＳＳＴＡ强度较弱，峰值时间滞后于太平洋和印度洋。同时指出不应仅以某单一模态解释、模拟或预测ＥｌＮｉｎｏ／ＬａＮｉｎａ现象的时空演变，而应强调多模态相互作用，叠加、‘锁相’是造成事件循环的重要原因。ＥｌＮｉｎｏ／ＬａＮｉｎａ现象除以振荡传播为主要特征外，局地振荡也不应忽视。

全球热带海表温度异常的POP预报模型

在对全球热带海表温度异常（ＳＳＴＡ）进行主振荡型（ＰＯＰ）分析的基础之上综合考虑大尺度海洋运动状况和长期预报的特征引入了相位划分预报方案，将典型ＰＯＰ模态进行相位划分并综合考虑它们的相位承替规律预报ＳＳＴＡ未来发展趋势，独立样本事后预报结果证实相位划分预报方案能提供较好的预报信息。

青藏高原大气热源年际变率及其驱动因子

青藏高原(以下简称高原)大气热源对亚洲夏季风爆发、演变、推进,乃至全球气候系统都有重要影响,因此近年来高原大气热源变异机理也日益受到关注。本文在回顾已有关于不同季节高原热源变异原因的研究基础上,利用1980~2018年日本气象厅再分析数据JRA55(Japanese 55-year Reanalysis),对逐月高原大气总热源的年际变率进行分类,并进一步探究了影响不同类别高原大气总热源的异常大尺度环流系统及海温驱动因子。除了传统上受关注的“冬季型”和“夏季型”以外,本文还提出了“早春型”和“过渡型”两种高原大气热源变率模态。总体而言,高原大气总热源年际变率以降水引起的凝结潜热异常为主,其中“冬季型”及“早春型”高原大气热源异常中心位于高原西部,主要受到中高纬遥相关波列的影响。此外,“冬季型”还受到厄尔尼诺—南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)及印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole, IOD)的影响。“夏季型”高原大气热源呈东西偶极型反相变化,最大异常中心位于高原东南部,主要受北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation, NAO)的影响;“过渡型”高原大气热源呈南北偶极型反相变化,受热带太平洋—印度洋海表温度异常的共同影响。因此,不同背景环流下高原热源年际变率的驱动因子存在明显差异。

青藏高原影响亚洲夏季气候研究的最新进展

文中回顾了近 10a来吴国雄等在青藏高原影响亚洲夏季气候研究方面的最新进展。通过分析东西风交界面的演变证明 ,由于青藏高原的春季加热 ,亚洲季风区对流层低层冬季盛行偏东风转变为夏季偏西南风最早发生在孟加拉湾东部 ,与其相伴随的激烈对流降水出现在其东面。因此孟加拉湾东部至中印半岛西部是亚洲季风最早爆发的地区。同时也指出盛夏伊朗高原和青藏高原加热所激发的同相环流嵌套在欧亚大陆尺度的热力环流中 ,从而加强了东亚的夏季风 ,加剧了中西亚的干旱 ;并通过其所激发的波动对夏季东亚的气候格局产生重要影响。文中还比较了夏季南亚高压的伊朗模态和青藏模态性质的异同及其对亚洲夏季降水异常分布的不同影响。

青藏高原加热如何影响亚洲夏季的气候格局

从大气中的热力适应、局地尺度加热和大陆尺度加热的综合效应、高原地表的摩擦作用以及波动能源等不同角度 ,根据理论分析、资料诊断和数值模拟的结果 ,并通过与落基山和安第斯山的比较 ,回顾了青藏高原抬升加热影响亚洲气候格局的机理研究的近期进展。

关于亚洲夏季风爆发的动力学研究的若干近期进展

资料分析显示,与850hPa风场相比,地面风的变化能更好地表征亚洲各季风系统的特征。基于地面风的季节性反转和降水的显著变化所构建的亚洲夏季风(ASM)爆发指数和等时线图表明:亚洲热带夏季风(TASM)在5月初首先在孟加拉湾(BOB)东南部爆发后不是向西传播,而是向东经中印半岛向东推进,于5月中到达中国南海(SCS),6月初到达热带西北太平洋。印度夏季风的表面低压系统源于近赤道阿拉伯海地区,于6月初到达印度西南部喀拉拉邦,印度夏季风随之爆发。亚洲副热带夏季风(STASM)5月初在西北太平洋日本本州东南的海区发生后向西南伸展,于6月初与南海季风降水区连接,形成东北—西南向雨带,夏季风在中国东南沿海登陆,日本的"梅雨"(Baiu)开始。6月中该雨带向北到达长江流域和韩国,江淮梅雨和韩国的"梅雨"(Changma)开始。本文还回顾了亚洲热带夏季风爆发的动力学研究的若干近期进展。春季青藏高原和南亚海陆分布的联合强迫作用使海表温度(SST)在BOB中东部形成短暂但强盛的暖池,在高层南亚高压的抽吸作用下,常伴有季风爆发涡旋(MOV)发展,使冬季连续带状的副高脊线在孟加拉湾东部断裂,导致亚洲热带季风首先在BOB爆发。BOB东/西部有东/西风型垂直切变,利于激发/抑制对流活动,并增加/减少海洋向大气的表面感热加热,从而使得亚洲夏季风爆发的向西传播在BOB西海岸遇到屏障。季风爆发逐渐向东伸展引发南海和热带西太平洋夏季风相继爆发。季风降水释放的强大潜热使南亚高压发展西伸,纬向非对称位涡强迫显著增强;在阿拉伯半岛强烈的表面感热加热所诱发的中层阿拉伯反气旋的共同作用下,位于阿拉伯海近赤道的低压系统北移发展成为季风爆发涡旋,导致印度季风爆发。由此可见,历时约一个月的亚洲热带夏季风爆发的三个阶段(孟加拉湾、南海和印度季风爆发)是发生在特定的地理环境下受特定的动力—热力学规律驱动的接续过程。

影响我国短期气候异常的关键区:亚印太交汇区

围绕国家重点基础研究发展计划项目“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”,介绍了“亚印太交汇区”(AIPO)的概念,从气候系统多圈层相互作用的角度,阐述了研究AIPO区海气相互作用的科学意义;在分析国内外海气相互作用影响气候研究发展动态的基础上,指出AIPO区是影响我国短期气候的关键区;研究AIPO区海气相互作用对我国短期气候的影响也是国民经济发展需要亟待解决的重要课题。介绍了项目拟研究的关键科学问题,指出该项目的最终研究目标为:揭示AIPO季节到年际尺度的海气相互作用特征,从而提出该关键区海气相互作用影响我国短期气候异常的理论框架,为改进东亚季风的季度—年际变化预测提供理论和方法。

青藏高原极端天气气候变化及其环境效应

青藏高原气候变化敏感性强、幅度大,而极端天气气候变化是高原生态、环境变化的重要驱动因素。过去几十年高原气温增暖幅度明显大于全国平均值,高原绝大部分地区极端高温事件频次显著上升、极端低温事件频次显著下降,并伴随有风速和地表感热加热等气候要素的显著变化。高原极端天气气候事件以及相应的地表和大气热源变化会对高原周边区域天气气候产生重要影响。高原冬春季积雪、春季感热强度以及夏季高原低涡东移发展是东亚夏季风异常和旱涝灾害预报的重要指标,可影响到其下游地区的大气环流和中国东部的天气气候异常。为构建稳固的青藏高原生态屏障,深化对高原极端天气气候环境事件及其对周边区域气候变化影响的研究,建议国家加强高原上对流层—下平流层水汽和微量成分输送过程与机制的研究,加强高原湿地及其对周边区域气候环境变化的影响研究,以及加大投入灾害卫星监测和灾害预警系统的能力建设。

孟湾风暴影响高原暴雪的个例分析:基于倾斜涡度发展的研究

基于湿位涡(MPV)诊断分析和倾斜涡度发展(SVD)理论,研究了2007年11月一次孟加拉湾热带风暴北上造成青藏高原暴雪的天气事件。结果表明:热带风暴螺旋云系移动至高原东南部受陡峭地形抬升与高层北侧下滑的干冷空气(MPV1正值带)相交汇是导致这次天气过程的重要原因。由于等熵面密集且明显倾斜,在降雪区上空附近大气弱稳定区,负的MPV2对总湿位涡MPV的贡献超过了MPV1,SVD得到较大增长,同时使得MPV<0,导致条件性对称不稳定的产生,有利于倾斜涡度的发展。条件性对称不稳定机制是这次暴雪发生、发展的一种可能的重要机制。

全球季风动力学与气候变化

本文结合现代季风和古季风研究成果对全球季风进行了一个全面回顾,并引入了一个全球季风的新定义,该定义考虑了三维分布、终极成因,强调了季节性气压梯度变化对季风环流的影响,并同时使用了环流与降水来描述季风强度。我们在从构造到季节内的宽广时间尺度上来考察全球季风气候变化。全球季风的性质包括全球不均一性、区域差异性、季节性、准周期性、不规则性、不稳定性和穿时性。对全球季风动力学来说,太阳辐射、地球轨道参数、下垫面性质和海-陆-气相互作用十分重要。本文还讨论了季风变率在不同时间尺度上的主要驱动因子以及多时间尺度之间的动力学关系。自然过程与人类活动影响对我们理解未来全球季风行为都非常重要。

2014年夏季青藏高原狮泉河与林芝降水低频振荡及陆—气过程日变化特征

根据"第三次青藏高原大气科学试验"2014年7、8月青藏高原西南部狮泉河站、东南部林芝站的3 m涡动相关系统原始数据和10 Hz湍流资料以及中国气象局台站观测资料、JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)逐日再分析资料、GPCP(Global Precipitation Climatology Project)全球降水逐日观测资料,分别讨论了这两个站在10~20天低频振荡的天气背景下其干、湿位相近地层气象要素的日变化特征以及湍流变化特征。结果表明:两站高低空环流场、水汽通量场、热源的10~20天低频分量在其干、湿位相期间的配置相反。低频地表感热和潜热的不同变化对降水的影响分别在高原西部和东部有不同表现。狮泉河站的低频振荡在纬向上自西向东传播,而林芝站的低频振荡在纬向上自东向西传播,结果表明这两个站分别存在两种不同起源的低频振荡。两站干、湿位相的近地面气象要素以及湍流通量具有明显的日变化特征,通常温度极大值出现在午后14时(北京时,下同),但狮泉河站干、湿位相的温度极大值均出现在夜间20时;由波文比可知,狮泉河站湿位相全天以潜热为主导,干位相期间,06时之前以潜热为主,06时之后以感热为主;林芝站干、湿位相均为08时之前以感热为主,08时之后以潜热为主。两站湍流平均动能与平均风速正相关,垂直动量表现为向下传输,热量和水汽表现为向上传输。

El Ni?o对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响

基于1979-2012年候平均再分析资料,合成分析了El Nino对东亚夏季风和夏季降水季节内变化的影响。结果表明,在El Nino衰减年夏季,西太平洋副热带高压（副高）明显偏强,位置偏向西南。副高的这种异常特征随夏季的季节进程有明显变化,初夏异常较弱,盛夏期间异常达到最强。此外,根据东亚夏季风降水呈现阶段式北进的特征,将夏季分为华南前汛期、江淮梅雨期、华北和东北雨期以及华南后汛期来分析东亚夏季风和降水的季节内变化。在上述各个时期,大气对流层低层表现为一致的环流异常型,副高及其以南区域为异常反气旋,其北部为异常气旋。这种异常环流型加强了副高南部偏东风及其北部偏北风,增强了热带水汽输送和高纬度地区冷空气的入侵,二者结合造成主汛期地区降水增加。需要强调的是,上述环流异常型随东亚夏季风逐步向北推移,导致东亚各地区的主汛期降水增加,非主汛期降水减少,降水分布更为集中。

基于WRF模式的青藏高原斜坡和平台加热影响亚洲夏季风的模拟研究

青藏高原大地形的热力强迫作用对亚洲夏季风的形成和发展具有重要的影响.本文利用较高分辨率的WRF区域模式,探讨了高原不同区域(斜坡和平台)的地形加热分别对南亚夏季风和东亚夏季风的影响.结果表明:高原南部喜马拉雅山脉的斜坡地形加热对其周围局地的环流形势和降水影响十分明显,是南亚夏季风北支分量形成和维持的主导因子,也是斜坡上气流爬坡和降水发生的必要条件.斜坡加热对东亚夏季风也有明显的增强作用,它不仅加强了中国东部低空西南季风环流,还会造成北部南下的异常干冷空气的响应.斜坡上的地形加热作用也是对流层高层暖中心位置维持在斜坡上空的一个重要原因.而高原平台加热对季风环流和降水的影响虽然没有喜马拉雅山脉斜坡加热那么显著,但是对南亚夏季风的影响范围更广,对经向哈得来环流影响更明显,能够调控高原以外更远处热带洋面上的西南季风环流.通过比较高原不同区域地形加热条件下的多种季风指数,进一步表明了高原地形加热对南亚和东亚夏季风均有增强作用,但是高原不同区域的地形加热对两类夏季风子系统又会产生不一样的影响.