青藏高原夏季大气热源年代际变化及其对北半球环流的影响

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lizhiguo518
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青藏高原热状况对全球环流和降水形势产生显著影响,高原上空大气的非绝热加热及其变率是影响亚洲夏季风强度与全球大气环流异常的主要驱动力之一。本论文围绕高原夏季大气热源的年代际变化,深入分析了其时空分布特征以及对北半球不同区域环流、降水的可能影响机制。此外,针对1979年至今全球变暖增速背景下,高原作为全球变化的“敏感区”,其上空大气热源变化趋势及其与北半球中纬度环流趋势型的潜在联系也进行了初步讨论。主要结论如下:(1)青藏高原夏季大气热源年代际变化的时空分布特征:1948-2018年夏季,青藏高原区域整层大气热源呈现出明显的“正-负-正”年代际变化。其中,1948-1972年高原上空热源表现为持续加热异常;1973-2005年强度异常偏弱;2006-2018年夏季高原热源又呈现出增强的趋势,并且第三阶段的加热强度较第一阶段更强。高原不同区域大气加热状况的年代际变化存在一定空间差异:主要表现为高原西北部及高原南缘的大气加热年代际演变。其中,高原西北部大气热源主要取决于对流层中低层(近地面至300hpa)来自地表感热通量的贡献;而高原南缘主要取决于对流层中高层(300hpa以上)深厚潜热输送的贡献。(2)青藏高原大气热源不同年代际下辐合辐散环流及动能转换特征:青藏高原上空大气热源年代际变化能够导致一全球尺度的、由热力驱动的异常环流圈。当青藏高原热源增强时,由其上空辐散中心流出的一支主要气流向东流,在赤道东太平洋和北美西岸上空下沉,再以低层东风回流到亚洲热源区,从而形成一支由热力驱动的垂直环流圈。作为对高原热源异常的响应,上述全球尺度的热力环流系统强度也具有相应的年代际变化。从能量转换角度来看,当高原整层大气加热异常时,其上空对流层高层出现大量有效位能向辐散风动能转换,该过程伴随着高原上空100hPa的异常高压与辐散运动加强。其上空辐散风向旋转风动能的转换函数C(Kχ,Kψ)在对流层高层100 hPa显著增加,大量Kχ转换为Kψ;当高原整层热源强度偏弱时,其上空从200 hPa到平流层低层,辐散风和无辐散风动能的转换C(Kχ,Kψ)均表现为负值。(3)青藏高原大气热源年代际变化对北半球环流的影响:当高原热源年代际增强时,北半球200hPa呈现出类似环全球遥相关(CGT)负位相的纬向5波型波列。但高原热源对中纬度环流的影响与传统CGT分布具有空间差异:高原热源与CGT对沿北大西洋西风急流出口,经欧洲至高原西部的对流层中高层环流具有同区域同位相的叠加影响;而在高原下游的东亚、北大西洋至北美区域上空,两者对环流的影响差异较大。此外,高原通过其上空大气热源年代际变化导致的热力异常环流圈,在欧洲大陆中部及鄂霍次克海上空发生大尺度下沉增温运动,该下沉运动区伴随着对流抑制和总云量显著偏少,进而有助于加剧上述两地区干旱高温天气的发生。高原热源异常将对我国东部夏季降水形势产生明显影响,其强度加强时我国东部呈现出华北降水显著增多、江淮等地偏少、华南沿海降水增强的经向“正-负-正”三极子特征;高原热源年代际异常相较于传统CGT,对应着我国夏季东部异常雨带由江淮地区北移至华北地区。当高原大气加热异常偏强时,高原西部帕米尔高原上空300hPa表现为一强大Rossby波源(RWS),该地区强RWS波源与其对流层中低层强感热年代际变化有关;在100hPa上,异常RWS源区则出现在高原东部及西南缘。其中,高原东部RWS是由于该区域深厚对流加热引发的对流层高层散度异常导致;而高原西南缘强RWS则来源于阿拉伯海东北部强对流引起的绝对涡度向北输送。(4)气候变暖背景下青藏高原大气热源变化趋势及其与北半球中纬度环流趋势的联系:1979-2018年夏季,高原上空大气加热率表现出持续增强的特征。其西部及东部的异常低压及高压中心在近40年间显著增强,这有利于在高原对流层中上层出现异常辐合上升运动,并将有助于吸收来自阿拉伯海的水汽。在高原所在的北半球中纬度地区,近40年夏季200hPa环流呈现出一条沿西风急流带(~45°N)连续的纬向波列增强分布。基于CESM1 Large ensemble、CMIP5和CMIP6多个气候模式的集合平均值,均不能刻画出与观测一致的北半球中纬度环流(及青藏高原上空)和海温降水趋势分布。通过对CESM PI控制模拟数据进行指纹法诊断,以及使用CESM-LE历史模拟数据进行对比分析,我们发现,无论有、无人为强迫导致的北极异常增暖情景,北半球中纬度波列放大结构与热带中东太平洋海温降低及其引发的对流异常均显著相关。热带对流异常(沿ITCZ的对流抑制带以及热带海洋性大陆的对流增强区),能够通过削弱赤道至极区的经向温度梯度以及有利于CGT波列的形成,对近40年间夏季北半球中纬度波列增强趋势起着关键作用。
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