硫酸盐和黑碳气溶胶影响南海夏季风爆发的数值模拟研究

硫酸盐气溶胶(SO₄^2-)和黑碳气溶胶(BC)可以通过散射或吸收太阳辐射改变地气系统能量收支,进而引起局地热力和云过程变化乃至大气环流的调整而影响气候系统。南海夏季风(SCSSM)作为东亚夏季风的子系统之一,与东亚大气环流和降水有着重要的相互影响。前人对SO₄^2-和BC对东亚副热带季风已有详细研究,但对SO₄^2-和BC影响南海夏季风的机制研究较少。本研究利用CESM(The Community Earth System Model)模式CAM5.1模块模拟研究了SO₄^2-和BC对南海—华南经向海陆热力差异、中南半岛对流、西太平洋副热带高压(西太副高)断裂以及南海夏季风爆发的影响,重点探讨了气溶胶影响SCSSM爆发的动力和热力机制。模拟试验结果表明,SO₄^2-和BC均有利于中南半岛对流层整层大气稳定性增强,引发了中南半岛上空的下沉气流异常,动力上抑制了中南半岛对流,分别使...     

南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响

利用NCAR的全球大气模式CAM3,模拟了南亚地区黑碳气溶胶对亚洲夏季风的影响.结果表明:晚春时期,南亚地区黑碳气溶胶强烈吸收太阳辐射,加热低层大气,造成孟加拉湾及沿岸地区雨季的提前,可能导致南亚夏季风提前爆发.夏季,被加热的大气沿青藏高原南坡爬升,在高空形成一个稳定的加热层.高空的持续加热,引起局地的深对流活动,使得印度洋和南亚大陆之间产生一个北升南降的经圈环流,导致印度洋洋面上的向北运动加强,从而使南亚夏季风的强度增大.但是,南亚地区黑碳气溶胶通过影响表面气压、垂直运动、降水和850 hPa风场等减弱了东亚夏季风,且导致西太平洋副热带高压北移西伸,使我国梅雨带位置向东北方向移动.     

南海夏季风对华南夏季降水年代际变化的影响

华南夏季降水和南海夏季风都具有准两年的变化特征。研究表明：20世纪70年代以后,华南夏季降水年代际变化主要表现在准两年尺度平均方差的变化上,当准两年方差大时,相应的华南夏季降水多,反之亦然。但是在1976年以前南海夏季风对华南夏季降水的影响并不大,这似乎与两者准两年变化关系的年代际变化有关。南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化在1953-1976年是弱的反位相变化关系,相反地,这一时段它们的非准两年变化成分有很强的正相关;在1977-2000年这一阶段,南海夏季风和华南夏季降水的准两年变化具有很强的正相关,但是它们的非准两年变化成分的相关性则很差。分析结果还表明,20世纪70年代大气环流的年代际变异使得华南夏季降水准两年变化在最近20多年成为其年际时间演变的主导成分。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响(Ⅱ)：黑碳气溶胶及其与硫酸盐气溶胶的综合影响

 利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式耦合一个气溶胶同化系统,研究了中国区域黑碳气溶胶的直接气候效应。结果显示,中国区域黑碳气溶胶引起全球平均辐射强迫为0.13 W/m2,导致除了青藏高原和广西以外的中国大部分地区降温,其中东北、四川和内蒙古中北部降温最显著。由此造成海陆温差缩小,气压差降低,从而总体上使东亚夏季风减弱。但与硫酸盐气溶胶的影响相比,黑碳气溶胶使季风减弱的程度较小,长江中下游地区的降水有所增加。黑碳气溶胶加强了中国东南部地区的对流活动,这与硫酸盐气溶胶的作用相反。同时,探讨了中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶的综合直接气候效应。结果表明,硫酸盐和黑碳气溶胶的综合作用与仅有硫酸盐气溶胶的情形十分相似,降水变化的区域也和硫酸盐的保持一致。     

中国区域气溶胶对东亚夏季风的可能影响(Ⅱ)：黑碳气溶胶及其与硫酸盐气溶胶的综合影响

利用NCAR的新一代GCM CAM3.0模式耦合一个气溶胶同化系统,研究了中国区域黑碳气溶胶的直接气候效应。结果显示,中国区域黑碳气溶胶引起全球平均辐射强迫为0.13 W/m2,导致除了青藏高原和广西以外的中国大部分地区降温,其中东北、四川和内蒙古中北部降温最显著。由此造成海陆温差缩小,气压差降低,从而总体上使东亚夏季风减弱。但与硫酸盐气溶胶的影响相比,黑碳气溶胶使季风减弱的程度较小,长江中下游地区的降水有所增加。黑碳气溶胶加强了中国东南部地区的对流活动,这与硫酸盐气溶胶的作用相反。同时,探讨了中国区域硫酸盐和黑碳气溶胶的综合直接气候效应。结果表明,硫酸盐和黑碳气溶胶的综合作用与仅有硫酸盐气溶胶的情形十分相似,降水变化的区域也和硫酸盐的保持一致。     

2013年5月华南强降水与中国南海夏季风爆发

利用2013年\"华南季风强降水外场试验与研究\"的外场试验数据、美国NCEP FNL资料和卫星云顶黑体辐射温度资料,对2013年5月7—17日华南地区出现的两次强降水过程(7—12日和14—17日)中的高低空环流以及相关气象要素场的变化进行了对比分析。中国南海夏季风于5月第3候建立,两次过程分处于夏季风爆发前后。通过对比影响两次强降水过程的主要环流系统如南亚高压、高空副热带西风急流、500 hPa环流型、水汽来源等,指出影响两次强降水过程大尺度环流场之间的显著区别,说明南海季风爆发前后大尺度环流场对暴雨影响的典型差异。7—12日过程主要受北方锋面影响和南方暖湿气流辐合作用,导致华南地区出现南北两条雨带。14—17日过程则由于季风爆发后强的暖湿空气活动致使华南地区对流活跃,从而形成一条位于广东北部的雨带,此次过程强降水比第1次过程集中且对流性更强。两次降水过程的内在物理机制是一个准平衡态的热力适应过程,由于第2次过程降水更强,导致热源作用明显增强,动力向热力的适应过程也更显著。利用探空资料揭示出两次过程暖区暴雨大气热力和动力条件存在显著区别,7—12日南海季风爆发前的暖区暴雨主要受低层强垂直风切变导致的大气斜压不稳定影响;14—17日南海季风爆发后的暖区暴雨主要受高低空急流的强耦合作用影响。     

南海夏季风强度年代际变化基本特征

利用美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心 (NCEP/NCAR) 的再分析资料, 通过合成分析、对比分析等方法, 对南海夏季风的年代际变化的划分、不同年代际阶段平均场的差异及其成因进行研究。分析表明:南海夏季风强度具有显著的年代际变化特征, 在20世纪70年代末出现了年代际时间尺度的转折, 可将其分成两个阶段, 1960—1976年 (简称第一阶段) 和1980—1998年 (简称第二阶段), 第二阶段与第一阶段相比, 南海地区夏季西南风强度显著减弱, 年际变化的方差显著变大, 变化周期变短, 但是南海中南部地区的上升运动却有所加强。夏季, 从低层到对流层高层, 中国大陆上空的气温显著降低, 海洋上空的气温有所升高, 在热力作用下, 导致大陆中低层位势高度增加比海洋上大, 形成大陆地区反气旋性环流加强, 从而减弱了南海中北部地区的西南风。从辐散风场来看, 赤道东太平洋地区海温显著增加可能对南海中南部地区上升运动的加强起着重要的作用。     

南海夏季风活动的年际和年代际特征

利用NCEP风场资料和候平均向外长波辐射（OLR）资料分析了南海区域低层风场与对流活动的关系,在此基础上,采用南海中南部的纬向风平均值来定义南海夏季风的爆发,确定了长序列（1949～1998）的南海夏季风爆发日期和强度指数,并研究南海夏季风活动的年际和年代际变化特征。结果表明：南海夏季风爆发日期和强度指数呈显著的反相关;50年来的气候趋势是,爆发日期逐渐偏晚,强度指数逐渐减弱。二者都存在着明显的年际和年代际变化,它们在不同阶段上的波动是各种时间尺度振荡叠加的结果,而年代际尺度具有非常重要的作用。东印度洋海温异常在南海夏季风爆发前后,均与南海夏季风强度指数呈显著的反相关。东太平洋海温异常在南海夏季风爆发之前,与强度指数反相关,而爆发之后,与强度指数正相关。这体现了南海夏季风活动与ENSO事件的密切关系。     

黑碳气溶胶气候效应的研究进展

 黑碳气溶胶能吸收从可见光到红外波段的太阳辐射,已经被部分研究认为是造成全球变暖的一个潜在因子。黑碳气溶胶既可以通过直接气候效应改变地-气系统的辐射平衡,又可以作为云凝结核或冰核改变云的微物理特性,间接影响区域或全球气候。对黑碳气溶胶的辐射强迫及其气候效应的研究现状进行总结和分析后,指出了目前黑碳气溶胶气候效应研究中存在的不确定性,并对未来的相关研究提出了一些建议。     

南海夏季风撤退的气候特征Ⅱ——年代际变化

南海地区夏季风撤退期有明显的年代际变化,与南海夏季风维持期相类似,在1970年代末期有明显的突变。所以分析工作以1978年为界,主要是将前20年情况与后20年进行对比。前20年夏季风撤退较早,撤退期降水较少,对流活动较弱;后20年则与此相反,夏季风撤退较晚,撤退期降水较多,对流活动较强。南海地区夏季风撤退期的年代际变化与PDO和太阳磁循环的气候变化比较一致。     

人为气溶胶对中国东部冬季风影响的模拟研究

采用美国国家大气研究中心(NCAR)的公共大气模式CAM5.1研究了人为气溶胶排放增加对中国东部冬季风的影响,同时通过对比中国东部地区不同人为气溶胶排放源的敏感性试验结果,探讨了人为硫酸盐、黑碳及总人为气溶胶(硫酸盐+黑碳)增加对东亚冬季风的影响。结果表明:冬季硫酸盐气溶胶排放增加的直接和第一间接效应减少了到达地表的短波辐射通量,引起了陆地地表和对流层低层降温,海平面气压升高,增加了海陆间气压梯度,使得东亚冬季风增强。其第二间接效应导致中国南部大尺度降水率减少;黑碳气溶胶排放增加导致到达地表的短波辐射通量减少和大气中短波辐射通量增加,其半直接效应部分抵消了直接效应,故地表温度变化微小且不显著。加热的对流层低层导致中国南部对流活动和对流降水率增加;总人为气溶胶排放增加导致的大气温度变化表现为弱的降温作用,引起中国北部对流和大尺度降水率减少,而南部对流降水率增加。总人为气溶胶和黑碳气溶胶排放增加是导致中国北(南)部的东亚冬季风增强(减弱)的重要因素。     

南海夏季风建立日期的确定和东亚夏季风强度指数的选取

对近几年来南海夏季风建立日期的确定和东亚夏季风强度指数的选取方面的研究成果进行比较全面的概述，并提出了有待进一步解决的问题。     

1998年南海西南季风活动的初步分析

利用NCEP再分析资料和OLR、SST观测数据,分析了1998年南海西南季风的建立日期、强度的多时间尺度变化特征、与海面温度的相互作用以及对广东降水的影响.得出南海西南季风建立的日期为5月17日(5月4候).1998年为弱季风年,OLR具有1个月左右的振荡周期,西南风具有半个月左右的振荡周期.孟加拉湾地区季风和105°E越赤道气流是南海季风低频变化的重要策源地.1998年南海季风弱,主要是由于初春赤道东太平洋海温正距平,并导致南海-阿拉伯海海温正距平的结果.     

影响1991年和1994年南海夏季风爆发迟早的物理因子探讨

通过使用美国NCEP/NCAR再分析资料,利用纬向平均的局地经向环流模式成功地模拟了1991年(爆发晚年)和1994年(爆发早年)南海夏季风的建立过程,经过分析发现,虽然南海夏季风爆发时近地面南风均含有由气压梯度力驱动的地转成分和由除了气压梯度力外的所有动力和热力驱动的非地转成分,且与三维温度梯度有关的温度平流和对流均有正贡献作用,但各因子在(这两年对南海夏季风环流建立时起正贡献的)排序上有明显的差异,主要的差异为:对1991年6月7日00UTC而言,引起地转风的气压梯度力和引起非地转风的热力及动力的合力作用相当.在引起地转偏差的因子中,起正贡献作用的主要因子是潜热加热.而对1994年5月2日00UTC而言,气压梯度力作用相对较小,在引起地转偏差的因子中,起正贡献作用的最大因子是平均纬向温度平流.另外,边界效应独自对模拟的南海近地面最大南风的贡献占42%.引起南海近地层非地转南风的热力和动力因子(稳定度)在1994年5月2日00UTC(早年)均比1991年6月7日00UTC(晚年)大(小).     

夏季南海季风槽与印度季风槽的气候特征之比较

亚洲夏季风槽包括两大重要组成部分,即南海夏季风槽和印度夏季风槽.两个季风槽同属于热带夏季风系统,具有热带辐合带的性质.但由于所处地理位置、海陆分布、受到的影响系统不同等原因,两个季风槽有明显的异同点.利用气候平均资料分析,揭示南海夏季风槽和印度季风槽的结构特征和演变特征的异同点,有利于提高对亚洲夏季风系统的认识.作者首先讨论了结构特征方面的差异,从季风槽的对流特征、环流场配置特征、热力结构特征等方面探讨了两个季风槽的区别,分析结果表明南海夏季风槽和印度夏季风槽在结构特征方面区别不算很大,都具有热带季风辐合带的典型结构,低层辐合,高层辐散,有明显的季风经圈环流,热力结构特征均是低层偏冷,中高层偏暖.相对来说,印度夏季风槽比南海夏季风槽强且深厚.其次对南海夏季风槽和印度夏季风槽的演变的气候特征所进行的分析表明,季风槽建立时间与季风爆发时间是一致的.南海夏季风槽爆发早且突然,撤退缓慢,维持时间长;印度夏季风槽则是渐进式的爆发,撤退迅速,维持时间较短.两个季风槽的温湿演变特征也有所不同.