青藏高原动力和热力作用对季节转换期全球大气环流影响的数值研究

利用ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７）－ＬＮＷＰ模式,以１９９６年３月１７日的国家气象中心客观分析资料为初始场,分别采用有、无青藏高原两种方案,数值研究了青藏高原对５月份全球大气环流季节转换的影响。试验结果表明：北半球初夏,青藏高原区域用同纬度地区的一个中空热源,其作用可以在２００ｈＰａ层形成一个２２４Ｋ的暖中心,使大气增暖７Ｋ以上。高原地形的动力和非绝热作用使得南极大陆２００ｈＰａ层大部分地区降温６Ｋ左右,最大负中心可达－８．２８Ｋ,这对于南半球由夏至冬过程中,环极涡旋的强度加深和范围扩大是有利的。高原地形作用对北半球大气环流平均槽脊的形成和维持有十分重要的影响,它加强了高原所在纬度带北侧（减弱了南侧）由南向北的正温度梯度,同时也增强了３０°Ｓ附近由北向南的正温度梯度,从而有利于季节转换过程中全球中纬西风带的整体北移和初夏亚洲季风环流的形成。同时高原地形作用在赤道及低纬地区形成的位势增加区,有利于南半球热带高压脊的北退和北半球副高增强北移。此外,它还有利于南半球极地东风带的增强和５００ｈＰａ层环极低压带的强度减弱,同时增加了罗斯海附近的极涡强度,对赤道的索马里急流的形成也有重要影响     

热带印度洋持续暖海温对东亚初夏大气环流影响的数值研究

用改进的CCM1(R15L12)气候模式，模拟研究了1991年热带印度洋持续暖海温对东亚初夏季节大气环流的影响。结果表明，热带印度洋海温持续偏暖有利于初夏高原上空大气增温，从而有利于热带东风急流的发展北移和东亚南支西风急流的北跳，并引起5月份西太平洋副热带高压明显加强北抬。印度洋暖海温还引起初夏东亚大陆温度场回升。对南半球越赤道气流发展和南海夏季风的加强起到积极作用。上述特征加速了东亚初夏季节转换过程，有利于江淮梅雨较早发生。     

青藏高原中西部下垫面对东亚大气环流季节转换影响的数值模拟

在NCAR的CCM3全球模式与RegCM2区域气候模式的基础上,发展了一个CCM3—RegCM2嵌套模式系统,并应用于研究改变青藏高原中西部地区下垫面特征对东亚地区大气环流季节转换的影响。结果表明:当青藏高原中西部地区植被遭到破坏,退化为沙漠时,使得该地区地面反照率增加,感热输送加强,气温升高,并在西风气流的作用下,30°N以北的东亚大部分地区气温增高,东亚大陆沿海的高度增加。同时,中纬度地区纬向气流减弱,经向气流增强,东亚大槽亦被削弱,整个东亚地区的季节转换将提前。     

高原上空纬向环流的季节突变现象

利用1951—2012年NCEP/NCAR全球2.5 °×2.5 °日平均再分析风场及温度场资料,分析高原季风区纬向环流的季节突变现象,并探讨季节突变的主要成因。结果表明：(1) 由冬季环流型向夏季环流型转变时,纬向环流表现为零速度线突然北跳,东风带持续加强北进,西风急流突然消失;反之亦然。(2) 600 hPa零速度线指数可作为纬向环流冬夏转换的判据。20 °N为临界值,零线于20 °N以北,高原上空为夏季环流型,20 °N以南则为冬季环流型。冬夏转换的突变时间分别为31候和59候。(3) 纬向环流季节突变的主要原因是高原的热力作用,随着6月高原加热增强,高原及其南部上升气流增强,形成了高原至低纬地区的季风环流圈,使得高原南部东风气流加强,迫使西风急流北退,完成了冬季环流型向夏季环流型的转变。10月高原加热作用减弱,高原至低纬地区的Hadley环流重新出现,西风急流逐渐增强,纬向环流转变为冬季环流型。     

北太平洋持续SSTA影响东亚初夏大气环流的数值试验

应用一个在NCARCCM3(T42L18)气候模式基础上发展的CCM3(R15L9)长期预报模式,模拟研究了北太平洋海区持续暖海温对东亚初夏大气环流的影响。结果表明,北太平洋海区海温持续偏暖引起亚洲—太平洋地区(20～40°N)对流层出现明显的增温带,有利于初夏东亚南支西风急流的减弱、北跳,东风急流加强北移和西太平洋副热带高压加强北抬,还有利于亚洲夏季风发展和东亚大陆近地面平均温度回升。上述环流特征,加速了东亚初夏季节转换过程。     

海陆纬向非均匀热力结构与跨赤道气流和温带西风急流分布的关系

用数值模拟方法,研究海陆热力结构季节变化对经圈环流、南北半球西风轴以及急流中心的影响。数值试验得到如下结果:(1)海陆纬向非均匀加热结构不仅有利于跨赤道气流的加强,而且形成跨赤道气流高、低层反向特征;(2)海陆纬向非均匀结构使模拟到的北半球西风急流更接近实况。说明南北半球海陆热力强迫不仅是全球跨赤道气流通道形成的重要原因,而且影响北半球西风急流的强度和分布。      

两类厄尔尼诺事件期间热带大气GILL响应分析

分析了1979—2018年两类厄尔尼诺事件期间月平均热带太平洋海面温度(sea surface temperature, SST)异常、对流降水异常、大气环流异常等特征,发现东部型、中部型厄尔尼诺期间海洋及大气加热场并不是赤道对称,赤道以南热源强度大于赤道以北。大气对热源的响应表现在:1)低层在大气热源西侧出现南、北半球热带相对应的气旋环流异常,但是赤道以南气旋的涡度大于赤道以北,且两类厄尔尼诺事件期间涡度中心的位置不同;到高层赤道中东太平洋呈现赤道对称的反气旋环流控制。2)低层热源的西侧出现西风异常,东侧为东风异常,西风异常的强度与范围明显大于东风异常,且东部型西风异常的强度大于中部型;而到高层,纬向风的风向和低层正好相反。3)低层东部型、中部型厄尔尼诺上升运动异常分别位于赤道中东太平洋和赤道中太平洋,下沉运动出现在热源东西两侧及赤道两侧5°N以北、5°S以南的热带地区;东部型到中层上升运动异常强度达到最大,而中部型到高层上升运动异常强度达到最大。4)低层东部型、中部型厄尔尼诺期间位势高度在中东太平洋为负异常,西太平洋为正异常;到高层,整个赤道中东太平洋地区均为位势高度正异常,并且在赤道两侧分别出现位势高度正异常中心,与反气旋环流涡度中心及下沉运动异常中心相对应。5)除西风异常范围大于东风异常,其他特征与赤道非对称热源GILL响应的理论计算模态基本一致。     

青藏高原的动力作用及其对中国天气气候的影响

回顾了20世纪50年代以来有关青藏高原的动力学作用及其对我国天气、气候影响方面的研究工作,对高原动力学研究方面取得的成果进行综述。主要结果归纳为:1高原热力和动力作用对大气的影响存在季节性差异,冬、春季动力作用强于热力作用;2高原动力作用主要体现在绕流方面,冬、春季北半球中纬度西风经过高原的绕流与爬坡现象明显,而夏季则主要以绕流作用为主;3高原对寒潮、西南涡、热带气旋等天气系统有阻挡和屏障作用,对其系统的发生发展和移动路径都有重要影响;4高原对气候系统的阻挡和对季风的牵引作用,形成我国西北干旱,江南、华南湿润的气候背景。     

热带大气季节内振荡与对西北太平洋台风生成数的影响研究

用典型年合成方法分析研究了1979—2006年西北太平洋多台风年和少台风年热带大气ISO的影响。结果表明,热带大气ISO对西北太平洋台风的生成具有明显的调节作用。多台风年,菲律宾以西地区大气季节内振荡较弱,东传不明显;菲律宾以东地区积云对流较强,热带大气30～60 d低频振荡也偏强,与台风生成相关的传播特征为源自赤道140～160°E附近季节内振荡的西北方向传播。这种异常的30～60 d低频振荡对周围大气环流有正反馈的作用,从而导致积云对流的进一步加强,这种强的积云对流会引起赤道西风异常,产生异常Walker环流,在菲律宾附近形成风场的低层辐合、高层辐散,增强那里的上升气流,有利于台风生成。少台风年,菲律宾以西地区低频活动较强,东传明显,菲律宾以东的低频活动较弱。这种西强东弱的低频活动形式,使得大气低层在菲律宾以西地区为低频东风异常,菲律宾以东地区为低频西风异常,导致在菲律宾以东的西北太平洋大气产生低层低频风辐散、高层辐合的形势,增强下沉运动,不利于台风的生成。     

由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其可能机制

本文基于多套卫星观测数据和ERA-Interim再分析资料,分析了由冬至夏北半球副热带地区大气热源的季节转换特征及其原因。结果表明,北半球副热带大陆东部以对流凝结潜热为主的夏季型大气热源首先于4月初在我国南方地区建立,该过程与江南雨季的形成发展联系紧密。2~3月,江南地区的大气热源以感热加热为主,这时降水以大尺度层云降水为主;而在4月初之后,江南地区降水以对流性降水为主,相应地对流凝结潜热成为大气热源的主要成分。动力和热力诊断分析说明,青藏高原南部热力状况的季节变化是导致4月初江南地区降水性质和大气热源首先发生季节转换的重要原因。2~3月,随着太阳辐射逐渐增强,青藏高原地面感热随之加强,此时对流层中部的纬向西风令江南地区的对流层中部暖平流加强,引起上升运动并加强局地大尺度层云降水,令土壤湿度加大,为随后局地对流性降水的快速发展提供了有利条件。之后,青藏高原地面感热在4~5月期间继续加强,这时高原南坡的"感热气泵"令其四周的低空水汽向北辐合,从而加强了江南地区的低空南风,使大量水汽自南海-西太平洋向北输送,令江南地区的对流性降水快速发展,地面感热迅速减小,对流凝结潜热进而成为江南地区大气热源的主要成分。     

NUMERICAL STUDY OF THE EFFECTS OF PERSISTENT WARMER SEASURFACE TEMPERATURE IN TROPICAL INDIAN OCEAN ONATMOSPHERIC CIRCULATION IN THE EARLY SUMMERIN EAST ASIA IN 1991

By employing the CCM1（R15L12）long-range spectral model, study is undertaken of the effects of sea surface temperature anomaly(SSTA) for tropical Indian ocean on circulation transformation in the early summer in East Asia in 1991. The results indicate that warmer SSTA contributes to the increasing of the temperature over the Plateau in early summer, resulting in the intensification of tropical easterly jet on 100 hPa and northward shift of Northern Hemisphere subtropical westerly jet in May. It is obviously favorable for the subtropical high enhancement over western Pacific Ocean in May and subtropical westerly jet maintaining at 35～40 °N in June, making the Mei-Yu come earlier and stay over the Changjiang basin in 1991. Furthermore, warmer SSTA is also advantageous to averaged temperature rise in East Asia land region and Nanhai monsoon development. These roles are helpful in accelerating the seasonal transition for East Asia in early summer.     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。     

2020年7月西北太平洋和南海“空台”环流特征分析

2020年7月西北太平洋和南海出现了史无前例的“空台”事件。利用NCEP再分析数据集、中国气象局(CMA)台风最佳路径等资料研究了此次“空台”现象的大尺度环流背景及动力和热力学特征。使用台风潜在生成指数(DGPI)分析发现2020年7月大尺度环流背景不利于台风生成,环流系统的异常通过影响对流层垂直风切变和垂直运动限制了台风的活动。2020年7月马斯克林高压较常年明显偏西偏弱,导致索马里急流强度减弱,越赤道气流不活跃,菲律宾以东洋面和南海海域盛行一致的偏东气流,历史同期活跃在该区域的季风槽无法建立,从而不利于热带扰动的生成。北半球极涡主体偏向西半球一侧,影响东半球冷空气势力较弱,副热带高压位置偏西;南亚高压较历史同期偏强且偏东,其东侧强盛的偏东气流将洋中槽截断,在西北太平洋区域出现反气旋性环流,该区域下沉气流增强,导致副热带高压强度增强,对流层中层强烈的下沉气流抑制了台风的生成和发展。此外,受中高层环流系统异常的影响,7月菲律宾吕宋岛以东洋面和南海地区环境垂直风切变较常年偏高2~4 m/s,南海部分海域偏高达4~8 m/s,同时该区域内异常偏强的下沉气流导致对流层低层相对湿度偏低,大气层结处于较为稳定的状态,动力和热力条件均不利于热带扰动的进一步发展。      

105°E和125°E越赤道气流与南、北半球环流变化的关系

采用1980～2004年5～8月NCEP/NCAR逐日再分析资料, 将105°E和125°E越赤道气流增强过程按一定标准进行取样, 并对增强过程中越赤道气流的变化特点及其相应的南、 北半球环流特征进行分析, 结果表明: 越赤道气流的增强往往对应着通道南侧或北侧从热带到副热带地区的环流调整, 而这种环流调整在南半球主要指澳洲冷空气活动, 在北半球主要为辐合带的变化, 二者是影响越赤道气流的主要环流因子; 北半球辐合带的变化与西太平洋副高的东西振荡有密切关系, 前者的分布形态在一定程度上决定了南半球环流及越赤道气流变化对北半球热带外环流的影响情况; 125°E越赤道气流比105°E越赤道气流的增强过程通常更为显著, 这与它们对应的南、 北半球环流调整的差异有关。     

NUMERICAL STUDY ON INFLUENCE OF QINGHAI-XIZANG (TIBETAN) PLATEAU ON SEASONAL TRANSITION OF GLOBAL ATMOSPHERIC CIRCULATION

It is a worthwhile attempt to address the role of the Qinghai-Xizang Plateau in the seasonal transition of general circulation from a global prospective. In this paper, the CCM1 (R15L7)-LNWP spectral model is used to study the influences of the Qinghai-Xizang Plateau on the seasonal transfer of the general circulation, with the objective analysis form the State Meteorological Center for March 17, 1996 as the initial field. A mid-level heating source in regions on the same latitudes is shown to cause a warming center of 224 K to form on the level of 200 hPa that warms up the atmosphere by more than 7 K and a drop of temperature by about 6 K on most of the 200-hPa layer over the Antarctic continent, with the largest negative center being-8.28 K. It is favorable to the deepening and widening of the polar vortexes in the course of transition from summer to winter. The topographic effect of the plateau plays a vital role in forming and maintaining the mean troughs and ridges of the atmospheric circulation in Northern Hemisphere such that it strengthens (weakens) the south-north positive gradient of temperature on the northern (southern) side of the latitude zone in which the plateau sits and increases the north-south gradient of temperature near 30°N. The seasonal transition is thus favored so that the bulk travel of global westerly at the middle latitudes and the formation of Asian monsoon in early summer are made possible. In the equatorial and low-latitude areas where the geopotential is increased, the effect of the plateau terrain is also evident in that it is favorable for the northern withdrawal of the tropical high ridge in Southern Hemisphere and the northern shift of the subtropical high in Northern Hemisphere. In addition, the effect also helps increase the polar easterly over the Southern Hemisphere and weaken the low zone at 500 hPa. It acts as an increasing factor for the polar vortex around the Ross Sea and contributes to the genesis of the Somali Jet on the equator.     

青藏高原和落基山对气旋的动力影响

本文利用北京气象中心的业务预报模式(B模式),采用全风速调整方案,进行了绕流、爬坡等各种数值试验,研究青藏高原和落基山对气旋的动力影响。结果表明,气流绕青藏高原而行,产生的散度场与东亚的气旋生成区和路径匹配;在青藏高原主体下游,高层辐合,抑制了我国大陆东部的气旋发展。在北美,落基山对大气的动力影响以爬坡为主,由于气流在迎风坡上升,空气绝热冷却,在背风面大规模下沉增温,对流层低层形成暖脊,这对背风锋生和背风气旋的发生发展有着直接的影响;另外爬坡作用也是美国中西部干线形成的主要原因。     

Comparison of NCAR community climate model (CCM) climates

The simulated mean January and July climates of four versions of the National Center for Atmospheric Research (NCAR) Community Climate Model (CCM) are compared. The models include standard configurations of CCM1 and CCM2, as well as two widely-cited research versions, the Global Environmental and Ecological Simulation of Interactive Systems (GENESIS) model and the Climate Sensitivity and Carbon Dioxide (CSC02) model. Each CCM version was integrated for 10 years with a horizontal spectral resolution of rhomboidal 15 (R15). Additionally, the standard T42 version of CCM2 was integrated for 20 years. Monthly mean, annually repeating climatological sea surface temperatures provided a lower boundary condition for each of the model simulations. The CCM troposphere is generally too cold, especially in the polar upper troposphere in the summer hemisphere. This is least severe in CCM2 and most pronounced in CCM1. CSC02 is an exception with a substantial warm bias, especially in the tropical upper troposphere. Corresponding biases are evident in atmospheric moisture. The overall superior CCM2 thermodynamic behavior is principally compromised by a large warm and moist bias over the Northern Hemisphere middle and high latitudes during summer. Differences between the simulated and observed stationary wave patterns reveal sizeable amplitude errors and phase shifts in all CCM versions. A common problem evident in the upper troposphere is an erroneous cyclone pair that straddles the equatorial central Pacific in January. The overall January stationary wave error pattern in CCM2 and CSCO2 is suggestive of a reverse Pacific-North American teleconnection pattern originating from the tropical central Pacific. During July, common regional biases include simulated North Pacific troughs that are stronger and shifted to the west of observations, and each model overestimates the strength of the anticyclone pair associated with the summer monsoon circulation over India. The simulated major convergence and divergence centers tend to be very localized in all CCM versions, with a tendency in each model for the maximum divergent centers to be unrelistically concentrated in monsoon regions and tied to regions of steep orography. Maxima in CCM-simulated precipitation correspond to the simulated outflow maxima and are generally larger than observational estimates, and the associated atmospheric latent heating appears to contribute to the stationary wave errors. Comparisons of simulated radiative quantities to satellite measurements reveal that the overall CCM2 radiative balance is better than in the other CCM versions. An error common to all models is that too much solar radiation is absorbed in the middle latitudes during summer.The National Center for Atmospheric Research is sponsored by the National Science Foundation     

西北太平洋冷海温对东亚初夏大气环流影响的数值研究

利用改进的NCAR CCM3气候模式, 研究了1992年西北太平洋持续冷海温对东亚初夏季节大气环流的影响。西北太平洋冷海温不利于初夏东亚南支西风急流季节性北移, 引起亚洲东部沿海低槽明显加深, 东亚大槽平均高度场降低了4.66 dagpm, 从而也不利于西太平洋副热带高压的西伸加强。西北太平洋冷海温还不利于我国大陆初夏温度场回升, 特别是引起我国东北地区近地面温度下降2~5 ℃, 是影响东北冷夏现象的重要原因之一。模拟结果表明, 1992年初夏江淮入梅期较常年偏晚, 降水异常偏少, 与紧邻东亚大陆的西北太平洋持续冷海温有关。     

北半球东半部对流层夏季平均环流形成物理机制的流体模拟实验

在旋转流体盘中做物理实验 ,模拟研究北半球东半部对流层夏季平均大气环流的形成物理机制。用镍铬电阻丝通电加热实验盘底作为热源 ,用冷水循环的铜管对实验盘底制冷作为冷源。将热源及冷源分布在绘有北半球极赤射面投影地图的底面上。人工地制造出中高纬西风带及越赤道气流模型。用流体物理模拟实验方法研究北半球东半部对流层夏季平均大气环流物理机制。逐个地试验了海陆温差、青藏高原地形及其高空热源、中高纬西风带 ,及来自南半球的越赤道气流的作用     

冷空气对高原低涡移出青藏高原的影响

在对1998—2004年冷空气影响高原低涡移出青藏高原 (以下简称高原) 观测事实分析的基础上, 利用NCEP再分析资料对2002年8月12—14日托勒低涡移出高原的位涡进行诊断分析, 并通过数值试验揭示了托勒低涡移出高原的冷空气侵入特征和影响机理。结果表明:这次托勒低涡是受我国东北冷空气影响, 有高位涡空气伸入低涡区, 使冷空气迫近暖湿空气, 低涡处在斜压不稳定增强情况下移出高原的。在低涡区域没有冷空气或我国东北不存在冷温度槽情况下, 将会使伸向高原东北部的冷空气主力偏东、减弱, 使低涡受到我国东北冷空气影响减弱, 斜压不稳定减弱, 从而使高原低涡移出高原的速度减慢, 低涡强度减弱, 尤其是我国东北冷温度槽的影响更为明显, 在我国东北没有冷温度槽存在的情况下, 低涡24 h内西退, 在高原边缘徘徊。