塔克拉玛干沙漠腹地近地边界层温湿廓线与热量平衡分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测实验站2006和2007年7~8月取得的微气象观测资料,采用组合法、对数回归等方法,分析了沙漠腹地夏季近地层大气温湿廓线、沙层温度、地表辐射及热量平衡等微气象特征的日变化规律.结果表明:夏季夜间近地层存在逆温现象,在一定高度范围内气温随高度的升高而增加,日间气温变化情况与此相反.塔克拉玛干沙漠地表辐射平衡以正值为主,除大气向下长波辐射以外,其他各辐射分量(总辐射、反射辐射、地表向上长波辐射、净辐射)均有明显的日变化特征,呈现出标准的日循环形态.沙漠腹地地表热量交换以湍流感热占主导地位,只有一少部分热量以潜热形式输送给近地层大气,地表感热和潜热随着太阳高度角的升高和降低而变化,潜热最大值出现在凌晨,感热峰值出现在正午,观测分析还表明夏季沙漠下垫面对大气的加热作用较为显著,白天地面为强热源,晚上为弱冷源.     

大气季节内振荡在印度夏季风建立和年际变化中的作用

利用动力和统计方法诊断了大气季节内振荡(ISO)在印度夏季风建立和季节演变中的作用. 结果表明, ISO对印度夏季风的建立有着重要的激发作用, 同时在季风的季节变化中ISO也起到一定的促进作用. ISO扰动对季风变化的贡献主要体现在非线性动力作用上, 通过季节内时间尺度的低频西风扰动动量水平输送的辐合或辐散来影响季风的季节变化. 相关分析表明, 在印度夏季风区季节平均的ISO强度与季风强度之间的年际变化关系为显著的负相关. ISO强时, 印度次大陆上空的对流层低层为反气旋性环流异常, 季风偏弱; ISO弱时为气旋性异常环流控制, 季风偏强.     

大西洋海温异常在ENSO影响印度-东亚夏季风中的作用

利用1979～2007年的海温和热通量以及风场资料分析了与ENSO相关的热带北大西洋海温变化的机制及其与印度-东亚夏季风环流的关系,结果表明热带北大西洋夏季海温和前冬Nio3区海温具有显著正相关,它与同期印度-东亚季风区大气环流的相关显示了类似于ENSO成熟次年夏季季风环流异常的分布特征.热带北大西洋海温和ENSO的同号相关主要归因于大西洋大气对ENSO的遥响应所导致的潜热通量和短波辐射的贡献.耦合模式的试验结果显示,在考虑大西洋海温变化的情况下,模式能够再现ENSO成熟次年印度-东亚季风区大气环流异常的主要特征,如位于西北太平洋的反气旋环流以及与此相联系出现在中国东南部的南风异常.若大西洋指定为气候海温,耦合模式中西北太平洋上空的环流异常与观测结果出现较大差异,如反气旋的位置东移、中国东南部出现北风异常.进一步分析显示大气对热带北大西洋暖海温的Kelvin波响应使异常东风从印度洋延伸到西太平洋.异常东风产生负涡度同时通过Ekman效应在南海和孟加拉湾地区产生辐散的东北风,导致对流减弱从而形成反气旋环流.本文的结果表明,与ENSO相关联的大西洋海温异常在ENSO-季风关系中具有重要的作用.     

夏季纳木错湖水蒸发对当地大气水汽贡献的方法探讨:基于水体稳定同位素的估算

青藏高原中部和南部在夏季风期间的降水主要来自印度季风输送的水汽和高原自身蒸发的水汽. 然而, 目前两种水汽对降水的贡献率还不清楚. 夏季风期间(6~9 月), 纳木错湖区大气降水、河水中过量氘明显比纳木错以南地区降水中过量氘高, 这反映了纳木错湖水蒸发水汽与当地大气水汽的混合. 本文根据地表水体蒸发水汽对当地大气水汽贡献率的估算理论, 基于相关水体(降水、河水、大气水汽和湖水)中稳定同位素数据, 初步估算出近年夏季纳木错湖水蒸发水汽对当地大气水汽的贡献率平均约为28.4%~31.1%.     

湿静力能视角下东亚夏季风的爆发和推进

东亚夏季风雨季爆发和推进对我国农业生产和社会经济有重要的影响,与各区域大气不稳定能量的累积密切相关.湿静力能(moist static energy, MSE)包含了大气主要能量过程,便于从能量守恒和转化的角度理解降水的特征和时间演变.基于欧洲中期天气预报中心提供的ERA5再分析资料,将4月之后整层积分MSE时间倾向达到最大的候定义为南海、华南、梅雨雨季的爆发候, 7月上旬之后整层积分MSE时间倾向达到最大的候定义为华北雨季爆发候.结果表明,该定义可较好地给出雨季爆发时间,与前人研究的爆发时间重合或提前1～2候;通过MSE收支诊断表明,南海雨季爆发(第26候)由纬向湿平流主导;华南夏季风爆发时(第28候),湿焓平流的大值区由暖平流主导;梅雨爆发时(第34候), MSE时间倾向强度最强,由纬向暖平流主导;华北雨季爆发(第39候)与前3个雨季爆发不同,净能量通量的贡献超过湿焓平流,由潜热通量和晴空净短波辐射主导.通过整层积分MSE时间倾向定义东亚夏季风爆发能够为预测和预估季风演变提供清晰的物理图像和统一的理论框架.     

南海东北部海域海面高度的时空变化特征

对1993年1月至2001年12月TOPEX/POSEIDON卫星高度计海面高度距平的分析表明, 在吕宋海峡两侧各有一个海面高度波动高能区, 其中心分别在(19.5°N, 119.5°E)和(22.0°N, 124.0°E), 其间有一低能带将二者隔离. “远区”EOF分析亦显示二者的波动规律相对独立. 对“近区”的EOF分析揭示南海东北部海域海面高度波动以季节变化为主, 伴有明显的季节内变化和年际变化. 其中EOF 1和EOF 2占总波动能量的66.7%, 均主要表现为季节变化, 但相位相差约3个月. EOF 1的主要形态是以吕宋岛西北(18.0°N, 119.0°E)为中心的海面高度振荡, 其峰值出现于8~9月间, 谷值则出现于1~2月间, 主要反映了南海深水海盆比容高度的季节变化和相应的环流调整. EOF 2的形态则表现为东南至西北向的季节性交替起伏, 主要反映了南海北部近海季风导致的海面高度Ekmen调整. 分析还表明, 季节内变化是南海东北海域海面高度波动的重要分量, 它主要反映了吕宋海峡西侧海域中尺度过程的频繁活动. 此外, 所有主要EOF模态都呈现年际变化.     

热带太平洋海气系统的一种年代际局地正反馈

利用大气再分析资料和海温资料等, 分析了热带太平洋地区海气系统年代际变化的内在联系. 结果表明, 在年代际尺度上经过热带海气系统的内部调整, 减弱信风的作用下海气间热交换减少, 导致了热带太平洋温跃层的异常, 有利于热带中东太平洋海温异常增暖; 同时, 海温的增加又促使热带东太平洋对流发展, 激发热带东太平洋局地上升运动和热带中东太平洋的西风距平, 进而减弱Walker环流, 把信号反馈给大气. 反之亦然, 如此构成了一种正反馈过程的年代际模态. 这个热带海气系统自我反馈的年代际“加幅”过程有别于以往用于解释热带海气系统年代际变率时所倡导的中纬度地区对热带地区的远程驱动机制.     

江淮梅雨建立的年际变化及其前期强影响信号分析

江淮梅雨建立具有显著的年际变化特征. 利用NCEP/NCAR再分析数据集以及NOAA提供的全球射出长波辐射和扩展重建海温等资料研究了梅雨建立的年际变化及其前期强影响信号, 并探讨了该信号影响梅雨建立年际变化的可能机制. 结果表明, 前期中太平洋ENSO(CP-ENSO)事件是影响梅雨建立年际变化的强信号, 该信号具有较好的短期气候预测准确率和实用性. 当前期冬季2月和春季呈现CP-ENSO暖(冷)位相时, 梅雨建立最有可能偏晚(早). CP-ENSO主要是通过EAP(或JP)遥相关型影响梅雨建立, 其中位于热带西北太平洋的反气旋环流起着重要作用. CP-ENSO暖(冷)位相年, 热带暖湿气流向江淮流域输送偏晚(早), 赤道附近的中太平洋地区海温产生正(负)异常, 通过海气相互作用, 使得西太平洋副高北跳和印度西南季风建立偏晚(早), 东亚上空大气环流由春到夏的季节性转换因而偏晚(早). 大气环流季节性转换和热带暖湿气流向江淮流域输送偏早(晚)是江淮梅雨建立偏早(晚)的主要原因.     

亚洲夏季风爆发早晚的新前兆信号:冬季南极涛动

亚洲夏季风最早于5月上旬和中旬分别在中南半岛和南海爆发.统计分析的结果显示,其爆发早晚的前兆信号最早可追溯至冬季南半球中、高纬度的大气环流的异常,即南极涛动.冬季南极涛动偏强会造成初春南半球中纬度地区副热带高压带偏强,低纬地区赤道辐合带加深,从而使南半球中纬度和热带地区的气压梯度力加大,促使3～4月份索马里越赤道气流较早建立并偏强.受科氏力作用,索马里急流增强并越过赤道后,赤道印度洋西风也偏强,有利于孟加拉湾和南海地区低层辐合的加强和对流的活跃,并使西太平洋副高偏弱且较早东撤出南海,造成亚洲夏季风爆发偏早.反之,当冬季南极涛动偏弱时,南半球副热带和热带之间的气压梯度力偏小,索马里越赤道气流偏弱,赤道印度洋西风也偏弱,孟加拉湾和南海对流偏弱,南海上空副高偏强且东撤时间偏晚,亚洲夏季风爆发偏晚.这一结果在过去研究成果基础上进一步拓延了基于南半球大气环流信号预测亚洲夏季风的时效,并可作为一个新的前兆信号在业务中应用.     

岁差对亚洲夏季风气候变化影响研究进展

评述性回顾了地球轨道参数改变所引起的岁差周期日射强迫对亚洲夏季风演化影响的地质气候记录和数值模拟研究进展, 岁差分量季风变迁机制问题的提出以及目前存在的争议, 最后提出未来值得深入研究的一些问题. 20世纪80年代初以来的大量观测和模拟, 特别是最近几年洞穴石笋记录和长期瞬变模拟研究表明, 岁差强迫可以造成地质时期亚洲季风气候准2万年的周期性变化, 但目前对于岁差引起的日射变化影响亚洲季风气候演变的物理机制的认识尚存在明显分歧. “零相位”假说强调亚洲季风的演化完全受控于北半球夏季日射, 而“潜热说”认为亚洲季风除了受北半球夏季日射的直接驱动外, 还要受到南半球日射引起的南印度洋潜热输送的巨大影响. 这两种假设各得到一些观测和模拟研究的支持, 但同时也都受到质疑. 我们在肯定北半球日射变化对于亚洲季风变迁具有重要作用的同时, 强调来自南半球的远程影响也不容忽视. 鉴于目前季风响应及其强迫机制研究中存在的问题, 指出今后需要加强季风代用指标的物理意义、轨道尺度瞬变模拟试验中反馈机制以及地质资料与模拟试验对比等研究.     

2004年印度尼西亚9级大地震前的潜热通量异常

研究了2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊岛西海岸发生的9级大地震前后地球表面潜热通量的时空演化过程, 发现如下几个现象: (1) 在印尼9级大地震前, 在震中及其附近地区, 出现了显著的潜热通量异常; (2) 地震前最大的潜热通量异常出现于缅甸小板块中段俯冲带上, 这里正是地震破裂带的中部, 也是余震集中的区域; (3) 异常发展具有由弱到强、由零散到集中的过程, 异常开始出现在缅甸小板块张性东边界及其东侧海盆, 然后向压性西边界(即海沟俯冲带)和印度洋发展, 地震后潜热通量异常消失. 震源系统是一个耗散系统, 地震前应力增强使系统与外界的物质和能量交换加激, 提高了海面和大气之间水热交换的速率, 这可能是导致潜热通量异常的原因.     

一个东亚区域海气耦合模式初步结果

建立了一个应用于东亚的区域海气耦合模式并通过20年的连续积分来评估其对东亚气候的模拟能力. 模式由大气模式RegCM3和海洋模式HYCOM组成并利用OASIS3耦合器控制整个模式的运行, 其中RegCM3的水平分辨率为60 km, HYCOM为33 km. 与其他区域海气耦合模式相比, 该模式的显著特点是耦合模式中海洋侧边界采用了单向嵌套方法来处理侧边界强迫问题. 另外, 在耦合模式中对太阳短波辐射进行了通量订正, 较好地消除了在直接耦合时出现的海温偏冷2℃的问题. 对模拟结果的初步分析表明, 该耦合模式可以成功地模拟出东亚地区大气和海洋的气候平均态, 季节变化以及年际变化的主要特征. 尽管由于分量模式本身的缺陷导致耦合模式的模拟结果和观测还存在一定的差距, 但和未耦合时相比确有一定程度的改善, 尤其是在东亚季风中最为重要因素之一的降水的模拟上. 进一步的分析表明降水模拟得到改善得益于耦合模式对夏季西太平洋副高模拟能力的提高, 从而增强了中低纬大气中水汽输送的模拟能力以及降水和海表温度(SST)的关系. 这些结果表明, 在东亚地区区域海气耦合模式具有一定优势, 但需要对模拟结果进行更加细致的分析, 如从日变化到年际变化的更详细分析.     

近1.8 Ma以来东亚季风演化与青藏高原隆升关系的南海沉积物常量元素记录

东亚季风演化和青藏高原隆升的关系在全球变化研究中备受关注.南海ODP184航次取得的沉积岩芯为研究长时间尺度的东亚季风演化提供了理想样品.ODP1146站上部185mcd(1.81Ma)细粒(4μm)无碳酸盐沉积物的常量元素R型因子结果分析表明,常量元素Ti,TFe2O3,MgO,K2O,P,CaO,Al2O3代表了陆源因子,其得分变化受陆源区的化学侵蚀强度的制约,进而能够指示东亚夏季风演化.陆源因子得分分别在~1.3,~0.9和~0.6Ma时呈现阶段式减小,反映了1.8Ma以来东亚夏季风阶段式减弱受第四纪青藏高原整体、阶段式、快速隆升的制约;而~0.6Ma以来陆源因子得分周期性的振荡变化则反映了东亚季风演化自此进入受冰期-间冰期旋回制约的主旋律.与黄土高原记录的东亚季风演化一样,中国南海沉积物记录的长时序东亚季风演化也体现了青藏高原隆升和冰期-间冰期旋回的复合制约.     

青藏高原念青唐古拉峰冰川区夏季风期间大气气溶胶元素特征

为了研究夏季风期间青藏高原冰川区的大气气溶胶元素特征及其来源, 于2006年6~10月, 在青藏高原南部念青唐古拉峰扎当冰川垭口(30°28′N, 90°39′E, 5800 m a.s.l.)采集了7个大气总悬浮颗粒物样品, 利用ICP-MS测定了样品中27种元素的含量. 结果表明, 垭口冰川区大气气溶胶的元素浓度, 特别是典型地壳元素的浓度不仅低于同时期该地区较低海拔的气溶胶元素值, 而且远低于青藏高原其他较低海拔地区(如五道梁、瓦里关站等)的值. 因而冰川区的气溶胶代表了青藏高原对流层中上部大气的本底状况. 元素富集因子的研究表明, 与人类活动密切相关的元素(如B, Zn, As, Cd, Pb, Bi)有较高的富集, 由于夏季青藏高原南部大气环境主要受西南夏季风影响, 气团轨迹也显示该时期的气团来自南亚大陆, 因而推断南亚的污染物在夏季风期间影响了青藏高原冰川区的大气环境.     

青藏高原ERA40和NCEP大气非绝热加热的不确定性

深入理解青藏高原上空大气非绝热加热三维结构,有助于揭示高原热动力效应和机械强迫效应在亚洲夏季风系统中的作用机理.然而现有的高原非绝热加热率资料存在较大不确定性.本文详细比较了NCEP和ERA40再分析资料"残差诊断法"计算的大气非绝热加热数据,分析两种资料所反映的高原上大气非绝热加热的时空分布特点,重点比较了二者在高原南麓的差异,并结合TRMM PR降水和潜热资料分析了差异的可能原因.研究发现两种资料之间的差异在夏季最大:ERA40在高原南麓高海拔地区所诊断的非绝热加热显著大于NCEP.ERA40大气强加热区域从高原南部山脚向北延伸、越过海拔4000位势米直至高原主体的南部;而相应NCEP大气强加热区主要位于高原南麓低海拔地区,不超过海拔4000位势米界限.上述差异不仅限于贴地层(地表感热的直接影响区域),而在400~500 h Pa大气层也很显著.同时发现,ERA40所估计的夏季高原南麓降水显著大于NCEP和TRMM PR的观测,这种差异在时间、空间上都与非绝热加热的差异相吻合.这说明降水所释放的潜热是造成上述差异的主要原因.分析大气加热场和大气环流的经向垂直剖面发现,ERA40在南麓高海拔地区所诊断的大气非绝热加热可向上延伸至对流层高层~300 h Pa,而相应NCEP大气非绝热加热主要集中在较低大气层,相应ERA40诊断的大气垂直上升速度明显强于NCEP,200 h Pa的水平辐散也较强.高原南麓深对流降水及其潜热的不确定性是充分理解高原-大气相互作用的主要难点.     

南半球对流层上层纬向风与东亚夏季风环流

研究了南半球对流层上层纬向风和东亚夏季风在年际变化尺度上的关系, 用150百帕60°S和30°S之间的纬向平均的纬向风差值(ISH)可以很好地代表南半球纬向风的年际变化. 结果发现: ISH和东亚夏季风环流在年际变化尺度上有非常显著的负相关关系. 研究揭示: 从南半球到热带区域的纬向风的径向遥相关型(主体在东半球)可能是这种关系的主要内在原因. 通过这种遥相关型使得风场和气压场发生改变从而影响东亚夏季风环流; 另外, 与ISH相关连的欧亚大陆区的异常遥相关波列也是一个重要的机制. 而且ISH和东亚夏季风环流的关系有同时性, 也有非同时性. 因此这种关系的存在一定意义上也具有预测价值.     

长江流域梅雨带水汽输送源-汇结构

采用NCEP资料分析了长江流域旱、涝年整层水汽输送结构, 揭示了“大三角形”关键区整层水汽输送流入与流出边界总体收支呈同位相年际变化, 提出了高原周边降水异常区水汽输送结构以及夏季南海-青藏高原-长江流域水汽远距离输送模型; 采用整层水汽输送相关矢量场计算方案, 发现了长江流域旱、涝年整层水汽输送流型反位相特征; 提出季风梅雨带整层水汽输送遥相关源-汇结构综合模型及其物理图像, 即长江流域涝年水汽输送“大三角形”关键区来自海洋(印度洋、南海、西太平洋等)水汽流在高原周边“转向”效应构成了遥相关源-汇结构.     

亚洲-太平洋涛动变化与北太平洋海温异常的联系

通过对观测资料的分析, 初步探讨了夏季(6~8月平均)亚洲-太平洋涛动(APO)变化和北太平洋海表温度(SST)异常的关系, 发现APO强弱的年际变化与北太平洋SST之间存在显著的正相关关系(1954~2003年间年际变化的相关系数为0.58). 夏季APO偏强(弱)时, 北太平洋SST往往偏高(低). 与APO异常相关联的动力和热力条件佐证了APO和北太平洋SST的同位相变化关系. 当APO处于正位相时, 高空东亚西风急流减弱, 北太平洋对流层低层为异常反气旋型环流控制. 此外, 北太平洋区域感热潜热通量出现负异常, 海洋得到热量, 同时, 暖水向北的异常平流输送增强. 这些变化均有利于北太平洋SST增暖, 反之亦然.     

理想海底地形的南海海洋经向翻转数值模拟

利用一个z坐标刚盖近似海洋环流模式, 分别在吕宋-台湾以东的闭边界和开边界两种情况下, 模拟了理想海底地形(1000 m平底)南海冬季和夏季上层环流的经向翻转(meridional overturning), 目的是为了分析黑潮入侵南海的可能影响范围及其对南海上层环流经向翻转的改变, 并比较这种影响的季节性差异. 模式采用气候平均的海面风场驱动, 热盐强迫采用基于向Levitus气候海面温度和盐度张弛的边界条件. 从模拟结果来看, 黑潮影响南海上层经向翻转的范围可达到10°N左右, 从而驱动南海上层海洋形成一个不闭合的经向翻转. 在冬季(1月份), 海水从大约400 ~ 500 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部; 在夏季(6月份), 也有类似的情形, 海水从大约150 ~ 200 m深处自北向南输送, 并且逐步上升, 在表层返回北部. 该经向翻转描述了南海中、上层水的运动路径, 为研究南海风生-热盐环流动力学提供了理想化的参考依据.     

季风与大气环流系统

人类有气象仪器记录的历史太短, 不足以捕捉气候系统全部的变率, 更难以用来预测未来数十年到数百年的气候变化. 重建过去气候变化的历史、理解其机制和过程可以在很大程度上弥补上述不足. 在气候系统中, 由于季风的演化与变率对人类经济、文化和生活节奏的许多方面均有重要影响, 其研究工作对社会的重要性也日益增加. 亚洲季风受欧亚大陆和印度洋-太平洋之间海陆热力差异及青藏高原的强烈影响, 是气候系统非常重要的一个组成部分. 从气候学上讲, 季风区是大气对流活动最强烈的地区, 与热带辐合带密切相关, 对全球大气的热量和水汽传递起着非常重要的作用[1]. 通过地质记录来揭示季风在地质历史时期的变化过程和机制, 对更好地理解季风的变化规律、预测其未来趋势至关重要.