全球增暖背景下大气经向热量输送气候变化特征

基于1979—2019年ERA5月平均资料,采用信息流和线性回归分析大气经向热量输送(Atmospheric heat transpont, AHT)线性趋势,并讨论全球增暖和Hadley环流对AHT的影响程度。结果表明:AHT在南北半球各纬度带及不同季节表现出不同的变化特征:6—8月,15°N—65°N和35°S—60°S分别呈现向北输送减弱和向南输送增强的趋势,12—2月,5°N—15°S和15°N—40°S分别呈现向北输送增强和向南输送减弱的趋势,表明从夏半球向冬半球的AHT净通量有增加的趋势。信息流显示,经向不均匀增暖是北半球夏季向极AHT减弱的原因。南半球冬季,Hadley环流边界南移导致潜热在副热带的辐散中心南移,感热在副热带的辐散中心南移与环流边界南移相互反馈。北半球春(秋)季,感热向赤道辐合增强(减弱)与Hadley环流增强(减弱)相互反馈。南半球春季,Hadley环流增强导致位能向副热带辐合增强,南半球秋季,Hadley环流增强导致潜热向赤道辐合增强。

水球世界气候态与经向热量输送的数值模拟试验

利用完全耦合的气候模式(FOAM),通过两组理想的水球试验,研究水球气候系统中的平均气候态和经向热量输送。两组水球试验分别是Aqua和Ridge,前者整个星球完全被水覆盖,没有任何陆地,后者与前者的唯一区别是从南极到北极有一道连续的地脊。相比于现实世界,水球世界的气候更加温暖,极地几乎没有海冰。北半球的经向温度梯度较现实世界弱,导致北半球的大气经向热量输送较小。这些差别主要来源于海陆分布改变造成的行星反照率的改变,而云量的增加部分抵消了这种改变。尽管在两个水球试验中海洋环流和平均温度场差别很大,但大气平均气候态差别不大。不同于Ridge,在Aqua中赤道区域出现"反"哈德雷环流,使得低纬度大气向赤道方向输送热量。尽管水球世界的海洋环流与现实世界相比发生了巨大改变,但总的经向热量输送及其在大气和海洋之间的分配依然保持稳定。中小尺度的涡旋和扩散引起的经向热量输送部分抵消了大尺度环流引起的经向热量输送,尤其在中纬度起着重要作用。

大尺度瞬变涡旋经向热量和水沟通量在纬向平均气流形成中的效应

在一个纬向平均模式中加入大尺度瞬变涡旋经向热量和水汽通量参数化方案。模拟出涡动通量的空间分布和时间变化。实验表明，涡动通量在中高、纬地区大气能量输送过程中起重要作用。应用上述参数化方案提高了模式的模拟能力。

估计变动气候中大气和海洋经向热量输送

气候系统准平衡态的维持决定于大气-海洋的经向热量输送.由于全球海陆分布南北半球严重不对称,海洋向极热量输送关于赤道也是非对称的.然而,全球热量输送的一个最显著特征就是大气-海洋总经向热量输送关于赤道反对称.这暗示着大气经向热量输送会弥补海洋热量输送的非对称性,同时也说明大气与海洋热量输送之间存在着某种约束关系.对这一基本问题的深入研究有可能揭示一些气候系统的关键约束因素,减少复杂气候系统的自由度或不确定性,使得人们能以更简洁的方式理解气候系统及其变化.在变动气候背景下,大气-海洋经向热量输送的变化以及这二者之间可能存在的"Bjerknes补偿"关系的研究,是目前气候变化研究领域前沿课题之一."Bjerknes补偿"所暗示的大气-海洋经向热量输送的协同变化揭示了海气系统的一个耦合方式,将极大加深人们对复杂气候系统变化的理解.

中高纬瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水的影响

基于1981—2020年日本气象厅(Japanese Meteorological Agency,JMA)再分析资料JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)以及美国国家气候中心(Climate Prediction Center,CPC)卫星降水资料,分析了瞬变涡旋活动特征及其对我国东部夏季降水异常的影响,并对其可能机制展开讨论。研究表明,蒙古国至我国东北和华北地区既是瞬变涡旋活动的活跃区域,也是其输送的大值区域,其中瞬变涡旋对热量和水汽的经向输送占主导地位,是中高纬热量和水汽的重要来源。根据瞬变涡旋经向热量和水汽输送变率的强度确定了瞬变热量和水汽输送的关键区域,分别为(45°~60°N,100°~130°E)和(35°~50°N,100°~120°E),并定义了瞬变热量和水汽指数,其与我国东部夏季降水异常的回归结果表明,瞬变涡旋活动对我国东部夏季降水存在显著影响。中高纬天气尺度瞬变涡旋对热量、水汽和动量的输送异常,通过波流相互作用过程,对平均流形成了反馈,导致季节平均环流、水汽分布和水汽输送的异常,从而在热力、动力和水汽条件的共同作用下引起降水异常。

定量研究地球轨道参数和温室气体浓度变化对中全新世气候的影响

依据最新的古气候耦合模式比较计划(PMIP4)协议,利用完全耦合的气候模式CESM1.0,研究中全新世与工业革命前气候的差异,量化地球轨道参数(ORB)和温室气体(GHG)对中全新世气候变化的影响。3个模拟试验结果表明,与工业革命前相比,中全新世北半球高纬度地区气候偏温,全球其他地区气候偏冷,北半球大部分地区更湿润,南半球则较为干燥;ORB导致全球中高纬度地区升温,GHG在降低全球气温和减少中高纬度地区降水方面发挥作用;这种差异引起大气和海洋环流的变化,导致地球经向热量输送的差异;就总经向热量输送的变化范围而言,ORB对气候的影响大约是GHG的5倍。研究结果对深入了解中全新世气候及其对不同外部强迫的响应有积极意义。

干、湿大气环流模式中地表增温的经向分布及其机制

使用耦合了平板海洋的三维大气环流模式,探究理想条件下极地增温放大现象的产生机制。实验中关闭海冰和云的辐射效应,固定地表反照率,并将海洋经向热量输送设置为零。通过控制地表蒸发的有无,模拟湿大气和干大气两种情形。模拟结果显示,CO2浓度加倍后,湿大气环流模式中存在极地增温放大的现象,而干大气环流模式中不存在这种现象。在干大气环流模式中,地表增温幅度基本上不随纬度变化,即均匀增温。湿大气环流模式中,CO2浓度加倍导致的直接辐射强迫和水汽反馈导致的辐射效应都是热带比极地更强,唯一能够解释湿大气中极地增温放大原因的是从赤道向极地的大气能量传输增强。在干大气环流模式中,从赤道向极地的热量输送及其变化比湿大气弱很多,因此无法支持极地增温放大现象。干大气中的均匀增温是CO2的直接辐射强迫和普朗克效应相互竞争的结果。研究结果表明,与水汽相关的经向热量输送是地球极地增温放大的关键因素,而在基本上没有水汽的火星上,可能不会出现极地增温放大现象。

青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响

利用耦合的气候模式CESM,定量研究青藏高原对全球大气温度和水汽分布的影响。通过对比采用真实地形的参考实验(Real)和去掉青藏高原的敏感性实验(NoTibet)发现,去掉青藏高原会使北半球大气变冷、变干,对南半球的影响不明显。北半球中高纬度从地表至平流层均有强烈降温,地表的降温中心在北大西洋,年平均降温幅度达5oC,高空的降温中心在100 hPa的平流层,年平均降温幅度达2oC。北大西洋和南亚地区湿度减少,南大西洋和东非地区湿度增加。北半球变冷主要是海洋向北经向热量输送减少的结果,一方面增强了北半球的经向温度梯度,导致Hadley环流增强,加强了中低纬地区向北的大气热量输送,部分补偿了海洋向北减少的热量输送,维持了北半球中低纬度的能量平衡;另一方面,使得北半球中高纬度蒸发作用减弱,大气中水汽含量减少,北半球变得寒冷干燥。初步的研究表明,青藏高原对北半球气候有重大影响,影响范围可达北半球高纬度地区。

全球地形影响大气和海洋经圈环流的耦合模式研究

利用气候系统模式(CESM1.0)研究陆地地形改变对大气海洋经圈环流的影响。模式首先给出真实海陆分布及陆地地形情况下的大气海洋气候态,然后给出平板陆地情况下(陆地海拔均匀10 m)的气候态。与真实世界相比,平板陆地情形下大气海洋经圈环流发生重大改变:首先,年平均大气对流中心南移到赤道附近,使得大气哈德雷环流相对于赤道对称;其次,海洋的经向翻转流变强,大西洋经向翻转流完全消失,取而代之的是在太平洋出现强大的经向翻转流及热盐环流。在平板陆地情形下,北半球中高纬度大气抬升减弱,向北的大气热量输送减少,北半球温度降低,大气对流中心因而向赤道迁移;同时,海洋向极地的热量输送也减弱,中高纬度海洋变冷,北太平洋海水密度增加很多,北大西洋海水密度降低,导致海洋经向翻转流从大西洋转移到太平洋。