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青藏高原感热变化对高原及其下游地区的降水、河流径流、湖泊水位乃至旱涝灾害等影响显著,高原感热对亚洲夏季风的爆发及其强度变化、全球大气环流的演变及气候的异常等都有重要作用。而作为现时气候的大背景——全球变暖,其存在快速增暖期及增暖停滞期,如1998年以后的增暖停滞备受关注。青藏高原感热变化及其对全球变暖不同阶段的响应是高原热力作用研究的一个新方向。本文利用中国国家级地面气象站观测数据、NCEP/DOE再分析资料、ERA-Interim再分析资料、HadISST海表温度资料、NOAA资料、GPCP降水资料及CMIP5模式资料等,针对前人对青藏高原感热研究欠缺的领域,对高原感热在全球变暖不同阶段的变化、在第三空间维——海拔高度上的变化、模式对这些变化的模拟评估及高原感热变化对全球变暖不同阶段的响应进行了较系统深入地研究,得出了以下主要结论: 一、全球变暖停滞期青藏高原感热的减弱趋势减缓。 在全球变暖停滞期,青藏高原感热由前期的持续减弱趋势转为增加趋势。夜间,高原感热由前期的弱的增加趋势转为变暖停滞期的显著增加趋势,夜间感热的变化主要受地气温差变化的影响;白天,感热由前期的持续减弱转为减弱停滞,风速的变化对白天感热变化的影响是主要的。在变暖停滞期,高原感热在四个季节均呈现减弱恢复的变化趋势,并且这种变化是该期间风速的减弱停滞及地气温差的显著增加共同导致的。 全球变暖停滞期,东亚地区增暖的区域差异导致了高原经向温度梯度及气压梯度的减弱恢复,进而导致东亚副热带西风乃至高原近地面风速的减弱恢复。 同时,增暖停滞期,一方面,印度洋海温增暖,北印度洋对流层低层的异常反气旋环流使青藏高原西部及南部地区为西南风异常,加强了从阿拉伯海及孟加拉湾向青藏高原地区的水汽输送,导致云量增加;另一方面,PDO(太平洋年代际振荡)负位相,西北太平洋暖海温激发位势高度正异常,并随波列向东传播至青藏高原地区,导致高原地区对流层位势高度增加,有利于加强下沉运动,使高原地区云量减少。印度洋增暖时对高原总云量的增加作用大于PDO负位相时对高原总云量的减少作用,从而导致增暖停滞时期高原地区总云量的增加趋势。而高原地区的总云量,尤其是夜间总云量的增加通过加强大气逆辐射使地面有效辐射减小,进而使地表向下净辐射通量增加,导致夜间地温乃至地气温差显著增加。因此,风速的减弱停滞及夜间地气温差的显著增加共同导致全球变暖停滞期高原感热的减弱恢复。 二、全球变暖背景下青藏高原感热的减弱趋势随海拔高度的增加而增强。 1980年代以来,青藏高原感热在海拔2000m以上的大部分地区多数季节均以减弱趋势为主,其中春季最显著,且在春季,海拔越高,减弱趋势越显著。而海拔高度在2000m以下地区的感热以增加趋势为主,其中以夏季增加趋势最显著。从而使高原地区感热趋势在春季和夏季与海拔高度呈现显著负相关。相对于春季和夏季,感热趋势的海拔相关性在秋季和冬季相对较弱。 秋冬季节,高原地表风速和地气温差对感热变化的作用相当,而在春季和夏季,高原感热的趋势变化主要受风速变化趋势的影响,同时地气温差趋势变化对感热趋势海拔相关性的影响在2500m以上增强,其中春季表现显著。风速趋势变化对感热趋势随海拔变化的影响尽管显著,但是该影响没有海拔相关性,而地气温差趋势的变化对感热变化的影响在春夏季节随着海拔高度的增加而逐渐增强。 2500m以上地区日照时数的减少和积雪深度的减少通过影响地气温差进而影响高原感热的变化,其中积雪深度变化的作用是主要的。而高原地表风速的减弱主要表现为高海拔地区纬向风速的减弱,它的变化主要与全球变暖背景下,增暖的区域不一致性有关,高原以南热带副热带地区的增暖明显小于东亚中高纬地区,导致高原南北温度梯度乃至气压梯度减小,高原上空西风减弱,从而使高原地表风速,尤其是高海拔地区的地表风速减弱,进而使高海拔地区感热减弱显著。 三、CMIP5模式对青藏高原感热时空变化的模拟评估。 通过观测资料与模式输出资料的对比分析,评估了CMIP5模式对青藏高原感热均值及趋势在海拔高度、水平空间及时间上变化的模拟能力。结果指出CMIP5中部分模式对高原地区感热均值随海拔高度的变化及水平分布特征模拟的较好,对感热均值随海拔高度变化模拟相对较好的模式占所选模式的比例约为28%,对感热均值水平分布特征模拟相对较好的模式占所选模式的比例为21%(春季)和41%(夏季),相对于春季,模式对夏季感热均值的模拟更好。而关于CMIP5模式对高原感热趋势变化的模拟,大多数模式的模拟能力较差,且均低估了高原感热的减弱趋势,趋势模拟相对较好的模式占所选模式的比例不足15%,且这些模式的模拟能力存在季节差异,其中能够基本模拟出高原感热减弱趋势随海拔高度的增加而增强的模式有:HadGEM2-CC、HadGEM2-ES及CMCC-CM、GFDL-ESM2G,而对于高原感热趋势的水平空间分布模拟较好的模式有:对春季感热趋势分布模拟的较好的CMCC-CM、GFDL-ESM2G、HadGEM2-CC、HadGEM2-ES,及对夏季感热趋势分布模拟较好的模式HadGEM2-ES、HadGEM2-CC。对高原平均感热的显著减弱趋势模拟较好的模式有:对春季感热模拟较好的模式GFDL-ESM2G、HadGEM2-CC和HadGEM2-ES,及对夏季感热模拟较好的CSIRO-Mk3.6.0、GFDL-ESM2G、HadGEM2-CC、HadGEM2-ES、MRI-CGCM3等10个模式。综合而言,模式HadGEM2-CC和HadGEM2-ES对高原感热趋势随海拔高度、水平空间及时间变化均相对模拟的较好。 四、HadGEM2-ES模式中青藏高原感热趋势变化对全球变暖不同阶段的响应。 在HadGEM2-ES模式中,全球变暖停滞期青藏高原大部分地区感热显著增强,同时在快速增暖期,高原感热显著减弱,与观测资料的分析结果基本一致。 HadGEM2-ES模式中,快速增暖期,高原地区地表风速显著减弱,同时在增暖停滞期,高原东部地表风速的减弱趋势较快速增暖期有所缓和,高原西部地表风速甚至出现增加趋势,与观测资料中指出的快速增暖期地表风速的持续减弱及增暖停滞期风速的减弱停滞的分析结果一致。快速增暖期,相比高原以南的热带副热带地区,增暖在高原以北的中高纬度地区更显著,使得高原地区经向温度梯度显著减小,导致高原地表风速减弱;在增暖停滞期,高原以北的中高纬度地区气温的减弱趋势较高原以南的热带副热带地区显著,导致高原经向温度梯度显著增加,有利于高原地表风速增强。 HadGEM2-ES模式中,变暖停滞期,高原北部总云量显著减少,高原南部总云量呈弱的增加趋势,高原北部云量的减少主要增加了到达地表的短波太阳辐射,其对短波辐射的增强作用大于对长波辐射的削弱作用,而高原南部云量的增加相对于对短波辐射的削弱作用而言,其更主要增强了大气逆辐射,从而使地表向下净辐射通量增加并导致地气温差的增加,有利于高原感热的增加趋势;快速增暖期,高原大部分地区总云量增加,总云量的增加对短波辐射的削弱作用大于对长波辐射的增强作用,使高原地区地气温差显著减少,进而使高原地表感热加热减少。 青藏高原地区总云量的变化与太平洋及印度洋海温异常有关。太平洋海温异常的作用表现为:增暖停滞期,西北太平洋地区为异常暖海温,位势高度增加并有波列由西向东经加拿大、西北大西洋、东北大西洋、地中海、土耳其,到达青藏高原地区,使该地区位势高度增加,该波动具有正压结构,有利于高原地区的下沉运动及总云量的减少;而快速增暖期则相反。印度洋海温异常的作用表现为:在增暖停滞期,印度洋地区海温增暖趋势不显著,甚至在东南印度洋出现海温显著变冷趋势,北印度洋地区为气旋式环流,虽然孟加拉湾地区有偏南风将水汽向北输送,但由于高原南侧较强的东风使水汽很难到达青藏高原地区,不利于该地区云和降水的形成,有利于地气温差乃至地表感热的增强。而在快速增暖期,印度洋大部分海域的海温显著增暖,北印度洋地区的反气旋式环流增强,使得从阿拉伯海向青藏高原的水汽输送增加,有利于高原地区云量及降水的增加,从而使感热减弱。