青藏高原气候动力学:近期的研究进展和前景外文翻译资料

 2022-12-05 16:49:25

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青藏高原气候动力学:近期的研究进展和前景

吴国雄、段安民、刘屹岷、毛江玉、任荣彩、包庆、何编、刘伯奇、胡文婷

摘要

本文回顾了过去十年中青藏高原气候动力学的研究进展,提出了青藏高原热力作用产生的大气环流异常的可能机制,包括热适应和青藏高原感热驱动气泵等。数值模拟表明,青藏高原和伊朗高原大地形的热效应,对于东亚和南亚夏季风的形成是至关重要的,原因是青藏高原和伊朗高原的地表感热是夏季风北方分支形成所需水汽输送的主要推动力。青藏高原大地形通过春夏的热力作用和冬季的动力作用来影响亚洲气候。青藏高原的强迫作用通过加强孟加拉湾暖池和调节对流层上层的南亚高压来影响亚洲夏季风在孟加拉湾的建立。在季节内时间尺度上,青藏高原的热力作用能够影响中国南方的春季降水量,并且使得南亚高压在夏季产生双周振荡。虽然全球气温变暖,但是青藏高原的大气热源,尤其是春季的感热,从从20世纪80年代到21世纪初呈现出明显的减弱趋势。春季热力作用的减弱导致了南涝北旱(异常型)的出现。此外,我们还进一步讨论了探索青藏高原热力作用影响亚洲季风多尺度变率机制所面应的挑战。

关键词:青藏高原、气候动力学、亚洲季风、海陆气相互作用、数值模拟

引言

大型山脉通过动力和热力作用来影响大气环流。亚洲季风的形成和变化受空间范围、海拔高度、陡峭地形,以及青藏高原东部副热带地理位置的影响。

从事开拓性观察研究的比如:Yin[1]、Yeh[2]、Flohn[3]、Yeh et al[4]、Murakami[5]、Koteswaram[6]、中央研究院的开创性观测工作人员[7]Yanai[8] 和 Tomita、Tanaka [9]and Ueda [10]等人,研究了青藏高原不同季节的环流和热力的总特性,并且讨论了它们与青藏高原动力和热力强迫的联系。许多早期的理论和数值模拟研究[11-14]都集中在动力强迫对冬季定常波形成的影响上,而另外一些人则发现行星尺度的循大气环流也可以仅通过热力作用来激发和维持[15-20]。随着冬夏的季节演变,春季在青藏高原上,强烈的地表感热在总的热力作用中占主导地位,并且调节了亚洲夏季风的建立时间[21-23]和东亚夏季风的年际变化[24-26]。作为一个巨大而强烈的高层(elevated)热源,青藏高原在夏季环流的形成过程[3,4,27-30],还有中国东部天气系统[31,32]和北半球气候型的发展[33,34]中发挥着独特的作用。青藏高原地表过程调节的水汽输送是东亚夏季风和长江流域西部梅雨降雨的重要水汽来源[35,36]。与厄尔尼诺现象一起发生,青藏高原的热力作用在与全球变暖的大尺度的大气环流相联系的中国东部降水长期变化中起到重要作用[28,37,39]。

青藏高原对气候变化的影响可以通过大气环流或气候系统模式的敏感性试验来进行评估。Kasahara、Washing ton[40]、Hahn和Manabe[34]等人使用大气环流模式来研究地形对气候的影响,发现,在没有青藏高原的情况下,南亚夏季风不能跨越整个印度次大陆。Abe[41]等认为,青藏高原能够影响北印度洋的海气相互作用,进而影响对亚洲夏季风爆发过程。Kitoh[42,43]等也指出,青藏高原对亚洲季风的影响是通过其热效应对海气作用的调节来实现的。Okajima和Xie[44]发现,隆起的山脉也可以通过影响海气作用,在西北太平洋季风的形成中扮演至关重要的作用。

青藏高原上的雪盖面积厚度对地表热通量和大气热源的影响,以及后续亚洲夏季风异常等问题迄今尚无定论。Barnett[45]等认为,在不考虑雪盖融化和蒸发作用的情况下,雪盖异常对反照率的影响和随后的季风发展之间没有明显的关系。而Chou[46]认为,雪盖的减小可引起青藏高原地表反照率减小,导致了更加强烈的亚洲季风和雨带向东北方向移动,但是对流层温度的变化不大。

最近的研究[47-49]表明,气溶胶对青藏高原地表反照率和水循环有显著的影响。在夏季,粉尘和黑炭被输送到青藏高原的北坡和南坡[50],因此,气溶胶对太阳辐射的吸收会使地表温度升高,从而显著的影响青藏高原对亚洲夏季风的热力作用。

近年来,随着观测数据和数值模式的改进,我们对青藏高原气候动力学的认识也得到了显著提高。这使得我们能更好地了解青藏高原的动力(机械)和热力作用如何对区域性和全球的气候变化产生影响。本文主要是基于本研究小组的研究进行了简要的回顾。我们总结了青藏高原气候动力学的基础理论,并讨论了青藏高原在不同季节对亚洲气候和全球大气环流的影响,青藏高原对中国南方早春持续性降雨、亚洲夏季风、副热带沙漠和季风的影响,与青藏高原的强迫作用有关的亚洲夏季风的爆发和演变,与青藏高原的强迫有关的大气的低频振荡及其对周围地区的影响,以及在气候变暖背景下大气热源(汇)的变化和东亚夏季风的可能反馈作用。

青藏高原对亚洲气候型和全球大气环流的影响

背景和理论框架

在20世纪三四十年代,Rossby[51]和 Obukhov[52]提出了地转适应理论,解释了大气中风场和质量场之间的相互作用和适应性。为了研究大气环流对外部加热的影响,吴国雄和刘屹岷[53]提出了热适应理论,以此来解释大气环流对非绝热加热的响应,青藏高原的热力作用研究也引进了“过流”的概念。在非绝热加热层以上,“过流”气块从下层惯性上升时保持位温不变,形成了一个冷的反气旋。Yanai和Li[54]用这个概念来解释季风爆发前青藏高原上深厚的混合位温层是如何形成的,以及地表的感热作用能够影响对流层上层环流的原因。

在热适应理论的基础上,提出了一种由副热带非绝热加热引起的垂直运动的特征模式[53]。在夏季,副热带区域的纬向气流和涡度平流很弱。结合连续方程和准定常地转涡度方程,垂直速度可以简化为(1),w为垂直速度、v为经向风速、f为科里奥利参数、beta;为科里奥利参数的经向梯度。

大气对外部加热(冷却)的响应,是在低层大气中产生气旋(反气旋)环流和对流层上层中产生反气旋(气旋)环流。根据(1),上升运动应在加热(冷却)区的东部(西部)发展,而下沉运动应在加热(冷却)区的西部(东部)一侧发展(图1a)。

在夏季青藏高原、伊朗高原、落基山脉和安第斯山脉上空可以观察到这一理想化的垂直运动模式(图1a—d),因为这些山脉上空有抬升加热 [55]。由于青藏高原位于欧亚大陆东部,青藏高原的引起的上升运动与大陆尺度的热强迫所产生的上升运动同位相,因此,在非洲—欧亚大陆上形成了最强烈的季风和最大的沙漠(图1b)。相比之下,落基山脉和安第斯山脉各自位于大陆的西部,因此,地形引起的上升运动不同于大陆的热强迫引起的抬升,沙漠和季风气候并不像非洲—欧亚大陆那么强烈(图1 c和d)。

图1:(a)在旋转的地球上,大气环流对夏季副热带地区外部加热的的示意图:地表附近的气旋环流和对流层上层的反气旋环流是伴随着大气在东部上升,西部下沉。在ERA-interim再分析资料中,1979—2010年月平均垂直速度(单位:Pa/s)的经向-气压剖面图,1月份32.5°N(b)、40.0°N(c)和七月份30.0°S(d)[56]。

Yeh等人计算了热力学方程的每一项,并且指出了青藏高原在冬季是一个弱的热汇,但在夏季是一个大的热源。因此青藏高原上的气柱,在冬天降温冷却,产生了下沉运动,但是在夏季,青藏高原加热大气,导致了上升运动。青藏高原像个大气泵一样,在冬季,风场由青藏高原向四周辐散,在夏季,由四周

向青藏高原辐合。,吴国雄[56]等人基于一系列的数值试验(图2)证明,青藏高原斜坡表面的感热是气泵的主要驱动因素。

根据热力学方程(2),v、theta;、Q分别是水平风速、位温和非绝热加热。当表面感热在山的斜坡表面时(图2 a和b),气块沿着等熵面移动,当气块与感热面相遇,气块会被加热,并且会穿过等熵面做上升运动。在该地形周围的区域中,空气从低层抬升到高原地区,在青藏高原上会产生强烈的上升运动和强降水。

在仅有顶部加热的情况下(图2c),加热能够引起高原上空空气的辐合,但是不能引导低层的空气上升。这是因为在没有斜坡非绝热加热时,在低层运动并与高原相撞的气块必须保持在同一等熵面上。

图2 两个连续的七月试验中,风(矢量,m/s)和垂直速度(-w,阴影,10-2pas-1)在表面上的差异分布:(a)ALLSH-NOSH ,(b)TOPSH-NOSH ,(c)SLPSH-NOSH,虚线矩形表示矗立的山脉。 左图表明了试验设计,右图是对相关机制的解释,橙色表示山,红色表示施加的地表加热,详情参见[56].

气块围绕青藏高原在一个近乎水平的等熵面上移动,没有上升运动,对季风降水没有显著的影响。空气的抽吸是青藏高原坡面上的感热驱动的,因此被称为青藏高原的感热释放[57].数值试验结果[58]表明,这种热泵也存在于伊朗高原;青藏高原和伊朗高原的抽吸作用形成了青藏-伊朗高原的感热释放,能够驱动海洋上的水汽向陆地输送,并促进了亚洲夏季风的形成。

近期,Boos和Kuang[59],[60]依据美国国家大气研究中心(NCAR)气候系统模式的研究结果认为,在南亚夏季风的形成过程中,青藏高原的热力作用没有喜马拉雅山脉的阻隔作用大。BK提出,喜马拉雅山脉阻挡了北方干冷的空气,使暖湿的北印度高表面熵得以维持,通过湿对流与上层温度最大值相耦合,从而驱动南亚夏季风的形成。他们的结论不同于Kasahara、 Washington、Hahn和Manabe,他们运用大气环流模式来研究地形对气候的影响,并且证明了在夏季,即使不考虑山脉(除去山脉),从副热带到印度北部也没有任何寒冷干燥的平流产生,所以BK的结论值得怀疑。首先,在夏季,北侧的副热带地区受到太阳照射的时间比印度北部地区多,而在印度,并没有来自北方的寒冷干燥的对流。其次,尽管印度北部地区的地表温度较高,对局部对流的发展有利,但是云下高熵不仅需要高温,而且还需要大量的水分。在阿拉伯半岛等许多热带陆地地区存在着强大的热低压,但是由于缺乏水分,那里没有季风形成。实际上,在BK的试验中,喜马拉雅的热泵效应仍然存在。接下来我们会看到,正是这种热泵效应导致了印度北部地区季风的爆发。一旦消除热力效应,印度北部的季风就会消失,即使山地的阻隔作用依然存在。

图3. 在1979—2010年期间,ERA-interim再分析 850hPa位温(K)和流场的分布。(a)冬季平均(12月至2月)。(b)夏季平均(6月至8月)。阴影表示海拔高度超过1800米[56].

青藏高原的定常波

在冬季,高层给中纬度西风施加一个负的力矩,中纬度西风受到青藏高原地形的偏转影响,流场的纬向偏差产生了一个非对称的偶极子,即在青藏高原北部形成了一个反气旋,而在青藏高原南部形成了气旋(图3a)。高纬度地区的反气旋环流将西侧暖空气向北输送,东侧冷空气向南输送。因此,亚洲高纬度地区的等温线从西北向东南方向倾斜,在40°N接近130°E的温度比50°E低10K。低纬度地区的气旋环流将干燥的空气输送到南亚次大陆,湿润的空气向北输送到中南半岛和华南地区,引起南亚的旱季和东南亚与华南地区的持续性降水,这超前于亚洲季风的爆发。

在夏季,青藏高原感热释放的强抽吸作用使周围的气流向青藏高原辐合。因此,夏季850hPa流型类似于一个气旋式螺线,青藏高原感热释放像一个螺旋形的泵(图3b),在它的东部(西部)有空气的上升(下沉)运动(图1a)。因此,青藏高原是产生涡旋的重要区域,在夏季,涡旋可以沿着长江发展,并在长江流域产生暴雨。虽然青藏高原的热力作用在夏季占主导地位,但是青藏高原作为副热带地区的一个障碍物,它会影响周围的大气环流。根据数值试验结果[62,63]表明,青藏高原使其西侧西风和较低纬度的东侧东风产生绕流,在两侧形成反气旋环流。因为在副热带地区的等熵面向南急剧下降,动力强迫的反气旋环流在青藏高原东部上升,并在西部下降。因此,动力强迫的垂直运动与图1a所示的热力强迫的垂直运动同位相。

青藏高原的强迫及其对全球大气环流的影响

在夏季,青藏高原不仅是一个热源,而且还是大气的负涡度源。数值试验结果表明,在某个区域内施加一个100W/m2地表感热,如果涡度和底层的表面没有发生交换,可以在2—3个小时内产生一个10-5/s的表面气旋涡度。随后,几天内在加热区域上空的深厚气柱内形成了一个显著的暖性表面气旋和一个冷性的高层反气旋。这是因为在加热区空气在低层辐合,并穿越等熵面,而在没有加热的上层空气辐散。由于连续性空气在加热区域上空上升——这一过程被称为过流,此外,在这个区域内的上升运动必须发生在几乎恒定的等熵面中。

换句话说,一个上升的气块将低位温带到上层,并形成了一个冷中心。根据垂直涡度方程的另一种形式

V˙,zeta;,theta;z,和Fz分别表示水平风,相对涡度,静力稳定度,地表摩擦,在底层表面形成气旋环流。由于表面摩擦,大气受到了负涡度强迫。此外,由于地表感热随着高度的升高迅速减小,也会在大气中产生负涡度。产生的负涡度是由加热引起的上升运动输送到对流层上层,形成了一个深厚的反气旋环流,在上层负涡度向周围区域辐散。因此,地表感热是大气运动中的负涡源。

为了解释青藏高原表面感热对大气环流的影响,利用LASG/IAP(大气科学和地球物理流体动力学/大气物理

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