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东亚夏季风系统作为海-陆-气紧密耦合的气候系统,其西部为世界上最高的高原——青藏高原(以下简称高原),东部为世界上最大的海洋——太平洋。在东亚夏季风的建立和维持过程中,高原的抬升加热对东亚夏季风格局的形成起着重要的作用。以往关于高原热力作用对东亚夏季风年际变率的影响主要关注陆气相互作用过程,很大程度上忽略了海洋在其中扮演的角色。本论文利用多源再分析资料,线性斜压模式以及CESM气候系统模式的数值模拟,较为系统地研究了春季高原地表感热加热通过影响北太平洋海温对东亚夏季风降水在年际变率尺度上的调节作用。得到如下主要结论:
(1)在斜压发展过程的影响下,高原春季地表感热加热异常使得对流层上层出现鞍形场结构的反气旋式环流异常。高原春季地表感热加热可以在其上空对流层低层(500hPa)激发出异常的气旋式环流,而在对流层高层(200hPa)产生异常的反气旋式环流,环流响应在加热源区表现为斜压结构。波动向下游传播时,背景西风输送的负涡度平流和对流层高层的南风异常造成的负涡度平流共同使得负涡度倾向在对流层高层剧烈发展。这一典型的斜压发展过程使得200hPa的环流场逐渐向500hPa的环流场调整,使得原本在西北太平洋上空的正涡度分布被负涡度所取代,从而连接了高原上空和北太平洋上空的异常反气旋式环流。最终在北太平洋上空出现相当正压结构的反气旋式异常环流,且在对流层上层(从高原到北太平洋上空)形成鞍形场结构的环流异常。
(2)北太平洋海温对高原春季地表感热异常的响应显著,呈现出U型场结构分布。北太平洋上空自低层至高层相当正压的反气旋式环流异常使得北太平洋海表相应地出现反气旋式的风应力异常。通过海洋混合层温度方程诊断发现,海表风应力异常引起的净热通量和经向平流输送对海温异常做出了主要的贡献。其中,净热通量的改变主要是由海表蒸发异常所导致的潜热通量的变化引起的;经向平流输送则与反气旋式风应力异常引起的Ekman输送有关。最终,北太平洋海表温度异常呈现出U型场结构,即北太平洋中部海温异常增暖,在暖海温周围北美西海岸沿岸为冷海温异常。
(3)北太平洋海温异常能够从春季持续至夏季,可以看作是春季高原地表感热异常信号的储存器。北太平洋中部的海表暖异常在滞后高原春地表感热异常一个月时达到峰值,随后慢慢衰减;而位于海表下25m深度的混合层海温暖异常在滞后两个月时才慢慢衰减,海温冷异常衰减得更慢。由于冷海温异常对应混合层加深,而暖海温异常对应混合层变浅。浅薄的混合层对云、锋面等高频的天气过程十分敏感;而对于较深的混合层,高频的天气过程对其影响不大,所以冷海温异常持续时间更长。另一方面也体现出海洋具有较大的热容量以及热惯性,使得海温异常能维持数月,是一良好的信号储存器。
(4)春季高原地表感热偏强时,夏季西北太平洋副热带高压(西太副高)增强并伴随江淮流域至日本一带降水增多。高原春季地表感热加热主要影响夏季西太副高的强度,对其位置的变化影响较小;而ENSO事件与西太副高强度及位置的变异均紧密相关。剔除了ENSO影响之后,高原春季感热与夏季西太副高强度的关系仍然显著。当春季高原地表感热增强时,同期江淮流域至日本一带降水偏多,其南北两侧降水偏少。到了6-7月份,这种降水异常分布更加显著,降水带上空以西风异常为主,其北侧为异常的气旋式环流,南侧为异常的反气旋式环流。表明春季高原地表感热的作用不仅仅局限于春季同期,其影响还可以延续至夏季,并有着不可忽视的影响。
(5)北太平洋海温异常从夏季开始对大气产生显著反馈,其激发的异常环流场使得西太副高增强并锚定了降水带的位置。对比加入高原春季感热异常的CGCM和AGCM试验结果可以发现,CGCM可以再现观测结果,而AGCM仅在春季与观测结果相似,到了6-7月份其降水型及环流场与观测完全相反,表明海气相互作用在高原春季感热影响东亚夏季风降水的过程中有着不可忽视的作用。将CGCM试验中输出的北太平洋海温异常加入AGCM中作为外强迫,其试验结果同样可以再现出与观测夏季相似的降水与环流型。进一步通过计算海表湍流热通量和海温以及海温倾向的超前滞后相关发现,北太平洋异常海温从夏季开始对大气环流产生显著影响,北太平洋中部的暖海温激发出气旋式异常环流;而冷海温异常激发出反气旋式异常环流,叠加在夏季气候态的西太副高之上,使得副高加强。上述异常环流西部边缘的北风异常与南风异常在江淮流域汇合,使得来自南北两侧的水汽在江淮流域至日本一带辐合,导致降水正异常。
(1)在斜压发展过程的影响下,高原春季地表感热加热异常使得对流层上层出现鞍形场结构的反气旋式环流异常。高原春季地表感热加热可以在其上空对流层低层(500hPa)激发出异常的气旋式环流,而在对流层高层(200hPa)产生异常的反气旋式环流,环流响应在加热源区表现为斜压结构。波动向下游传播时,背景西风输送的负涡度平流和对流层高层的南风异常造成的负涡度平流共同使得负涡度倾向在对流层高层剧烈发展。这一典型的斜压发展过程使得200hPa的环流场逐渐向500hPa的环流场调整,使得原本在西北太平洋上空的正涡度分布被负涡度所取代,从而连接了高原上空和北太平洋上空的异常反气旋式环流。最终在北太平洋上空出现相当正压结构的反气旋式异常环流,且在对流层上层(从高原到北太平洋上空)形成鞍形场结构的环流异常。
(2)北太平洋海温对高原春季地表感热异常的响应显著,呈现出U型场结构分布。北太平洋上空自低层至高层相当正压的反气旋式环流异常使得北太平洋海表相应地出现反气旋式的风应力异常。通过海洋混合层温度方程诊断发现,海表风应力异常引起的净热通量和经向平流输送对海温异常做出了主要的贡献。其中,净热通量的改变主要是由海表蒸发异常所导致的潜热通量的变化引起的;经向平流输送则与反气旋式风应力异常引起的Ekman输送有关。最终,北太平洋海表温度异常呈现出U型场结构,即北太平洋中部海温异常增暖,在暖海温周围北美西海岸沿岸为冷海温异常。
(3)北太平洋海温异常能够从春季持续至夏季,可以看作是春季高原地表感热异常信号的储存器。北太平洋中部的海表暖异常在滞后高原春地表感热异常一个月时达到峰值,随后慢慢衰减;而位于海表下25m深度的混合层海温暖异常在滞后两个月时才慢慢衰减,海温冷异常衰减得更慢。由于冷海温异常对应混合层加深,而暖海温异常对应混合层变浅。浅薄的混合层对云、锋面等高频的天气过程十分敏感;而对于较深的混合层,高频的天气过程对其影响不大,所以冷海温异常持续时间更长。另一方面也体现出海洋具有较大的热容量以及热惯性,使得海温异常能维持数月,是一良好的信号储存器。
(4)春季高原地表感热偏强时,夏季西北太平洋副热带高压(西太副高)增强并伴随江淮流域至日本一带降水增多。高原春季地表感热加热主要影响夏季西太副高的强度,对其位置的变化影响较小;而ENSO事件与西太副高强度及位置的变异均紧密相关。剔除了ENSO影响之后,高原春季感热与夏季西太副高强度的关系仍然显著。当春季高原地表感热增强时,同期江淮流域至日本一带降水偏多,其南北两侧降水偏少。到了6-7月份,这种降水异常分布更加显著,降水带上空以西风异常为主,其北侧为异常的气旋式环流,南侧为异常的反气旋式环流。表明春季高原地表感热的作用不仅仅局限于春季同期,其影响还可以延续至夏季,并有着不可忽视的影响。
(5)北太平洋海温异常从夏季开始对大气产生显著反馈,其激发的异常环流场使得西太副高增强并锚定了降水带的位置。对比加入高原春季感热异常的CGCM和AGCM试验结果可以发现,CGCM可以再现观测结果,而AGCM仅在春季与观测结果相似,到了6-7月份其降水型及环流场与观测完全相反,表明海气相互作用在高原春季感热影响东亚夏季风降水的过程中有着不可忽视的作用。将CGCM试验中输出的北太平洋海温异常加入AGCM中作为外强迫,其试验结果同样可以再现出与观测夏季相似的降水与环流型。进一步通过计算海表湍流热通量和海温以及海温倾向的超前滞后相关发现,北太平洋异常海温从夏季开始对大气环流产生显著影响,北太平洋中部的暖海温激发出气旋式异常环流;而冷海温异常激发出反气旋式异常环流,叠加在夏季气候态的西太副高之上,使得副高加强。上述异常环流西部边缘的北风异常与南风异常在江淮流域汇合,使得来自南北两侧的水汽在江淮流域至日本一带辐合,导致降水正异常。