关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析 青藏

关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析 青藏 第57卷第1期1999年2月 气象学报ACTAMETEOROLOGICAVol.57No.1 Feb.1999关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析:青藏高原及邻近地区地感热加热的作用Ξ张永生 吴国雄大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室LASG中国科学院大气物理研究所北京100080摘 要本文是系列文章的第二篇首先分析了1989年亚洲夏季风爆发时期青藏高原及邻近地区地表感热通量和大气温度场季节变化的基本特征着重讨论了春季高原地表感热加热和亚洲季风爆发的联系然后分析了1980,1989年10a南海季风爆发的气候学特征。上述工作表明在春末初夏过渡季节高原上空大气温度变化出现阶段性的跃升并同亚洲夏季风阶段性的爆发有很好的对应关系。高原地表感热通量的持续增大导致了对流层高层局地反气旋式扰动环流的出现使南亚反气旋北进的过程明显受到高原局地热力环流的调制而热带东风急流入口区所产生的强烈的高层辐散提供了有利于热带季风对流在南海地区首先爆发的动力学条件。此外从5月份至6月中下旬青藏高原、伊朗—阿富汗上空强大暖中心相继建立的结果直接导致了热带地区上空大气南北温度梯度的反向依次 印度次大陆由东向西相继建立从而决定了亚洲在南海—孟加拉湾东部和阿拉伯海— 季风建立的过程在不同地区爆发的时间不同。关键词:青藏高原地表感热通量亚洲夏季风爆发。1 引 言几十年来亚洲季风建立和维持的海陆热力因子的研究一直是国内外有关季风研究的一个前沿性的问。早在20世纪50年代叶笃正等11957就发现青藏高原在夏季是大气的热源对亚洲季风的建立有着重要的影响。Flohn2319571968指出青藏高原抬升的地表对大气的季节性加热导致了30?N以南经向温度梯度的反向激发了亚洲季风的爆发。这一结论随后被大量的分析工作所补充和证实如:罗会邦等41984贺海晏等51987N.Endo等61994斯公旺71994Li和Yanai81996。其中罗会邦等41984和贺海晏等51987利用FGGE资料采用热力学方程倒算热源Q1和水汽汇Q2的研究了1979年亚洲季风爆发时期青藏高原及外围地区增暖的机制。前者提出了高原上干对流将感热输送到对流层上部导致了高原上层大气增暖的机制后者发现高Ξ初稿时间:1997年4月22日修改稿时间:1997年9月9日。 资助课题:国家“八五”攀登B项目“TIPEX”和国家自然基金项目49635170、49705061联合资助。原外围地区升温的主要原因是下沉运动引起的绝热增温。N.Endo等61994和斯公旺71994利用20世纪90年代高原上空几个气象观测站的实测资料发现高原上空大气的迅速升温对应于东亚大气环流的季节突变。Li和Yanai81996计算了多年平均的Q1Q2的季节变化指出青藏高原感热加热是春季高原地区热源独立于赤道印度洋雨带热源产生的主要原因并导致了春季高原南麓经向温度梯度的反向。此外青藏高原对亚洲夏季风的重要性也被许多的数值试验工作所证实如:Hahn和Manabe91975钱永甫等101988朱抱真111990。其中Hahn和Manabe91975采用GFDL的十一层全球大气环流模式通过对比有无地形的控制实验室的结果发现只有在地形的作用下才出现大气环流的季节突变。朱抱真111990用一个简单的模式也得出了类似的结论。钱永甫等101988用一个五层有限区域模式模拟了青藏高原在南亚和东亚季风发展过程中的作用表明青藏高原的存在对亚洲季风降水的区域分布有着重要的作用。上述工作表明亚洲夏季风的建立直接或间接受到青藏高原的热力和动力强迫。但是至今为止与之相联系的有关季风爆发的动力学的细节仍不清楚这种影响的复杂性并未得到深入研究。亚洲季风的建立其显著的特征之一就是具有阶段性的由南海到印度半岛自东向西依次建立的特征而这种特征产生的热力学背景与青藏高原及邻近地区的热力变化究竟有何联系呢其 机理如何本文将对以上的问题进行初步的讨论。在本文23节将给出1989年春末初夏青藏高原上空大气温度场和表面感热加热季节变化的特征然后在4节里深入讨论青藏高原及邻近地区地表加热对亚洲季风爆发的影响并在第5节进一步讨论1980,1989年10a南海季风爆发的气候学的特征进一步证实个例分析的结果。最后在第6节中给出结论和讨论。由于在系列文章的第一篇中已介绍了所用资料的情况这里将不再赘述。2 春末初夏青藏高原上空大气温度场的变化图1给出了1989年4,6月青藏高原主体2715,3715?N80,100?E各层温度的逐日变化。对1989年而言从4月初至6月底青藏高原上空500,200hPa温度场有3次明显的陡升尤以300hPa最明显分别发生在5月1日、5月20日和6月10日前后在近2,3d的时间里温度上升了5,8?。在本工作的上一篇里确定了1989年南海季风爆发和印度季风爆发的大致日期分别是5月第4候和6月第2候同图1相比较在此期间对应于青藏高原上空大气温度出现突变性的增温。对1988年详见张永生131995的讨论也有类似的结果。因此看到高原上空大气温度阶段性的增暖与亚洲夏季风阶段性的爆发有很好的对应关系。在图1中100hPa上温度场的变化并没有出现陡升甚至出现相反的阶段性的下降仔细分析其原因则主要是由于早春100hPa处于平流层上随着对流层顶的抬升使得100hPa高度逐渐向对流层回落由于平流层的逆温使得高原上空100hPa温度随对流层的抬升而降低。由此也说明伴随着对流层大气温度的陡增对流层顶也发生明显的抬升。751期 张永生等:关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析图1 1989年4,6月青 N80,100?E上空各层温度的逐日变化各层分别减去了4,6藏高原主体27.5,37.5? 月的平均值3 春末初夏青藏高原感热加热的特征及作用图2给出了1989年4,6月青藏高原及邻近地区地表感热通量的月平均分布。图2表明在45月份青藏高原感热加热的中心主要位于高原东北部地区中心强度达到150Wm2以上印度次大陆北部及阿富汗地区也有地表感热加热的极值中心。到6月份高原东北部的加热中心北移高原中、西部地表感热通量显著增大整个高原地区感热通量在100Wm2以上西部地区在150,200Wm2之间。同时我们看到4,6月高原感热加热的低值中心主要位于西部克什米尔地区和高原东南麓进一步分析表明前者与积雪覆盖有关而后者与热带降水相联系。Li和Yanai19968利用1979,1992年共14a的气候资料讨论了青藏高原热源各分量对大气的加热作用指出:5,6月地表感热加热是青藏高原增暖的主要原因。为进一步估计感热加热的相对重要性估算了1989年4,6月高原地区逐日地表感热加热对500,200hPa之间大气的平均加热率:85气 象 学 报 57卷图2 1989年4,6月青藏高原及邻近地区地表感热通量的月平均分布a14月b15月c16月。等值线间距为25Wm2阴影区表示通量值大于100Wm2TsgQscp?200500dp其中Qsgcp分别为地表感热通量、重力加速度和大气的定压比热温度平流的平均加热率:Tv?200500-VTdp?200500dp951期 张永生等:关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析此外还估算了空气柱温度的局地变化:T0?2005005T5tdp?200500dp于是给出它们之间的关系:T0TsTvTother这里Tother代表其它物理过程对温度局地变化的贡献。图3给出了1989年4,6月TsTv和T0逐日演变的曲线单位为?d。从图4可以看到在整个过渡季节青藏高原地表感热加热维持了对整个对流层大气3,4?d的持续的加热率在5月10日前后加热有一次跃升从3?d跃升至4?d。在5月20日以前温度平流对大气的加热一直维持冷平流平流项的作用抵消了地表对大气的感热加热但在5月20,30日、6月10日后高原上空出现了暖平流。对 比温度的局地变化T0发现在5月15,25日及6月8,12日有两次明显的增暖同图1给出的温度陡升是一致的。此外还看到T0的峰值出现早于暖平流的出现由此说明只有在高原出现增暖之后才出现了暖平流。图3 1989年4,6月青藏高原主体2715,3715?N80,100?E逐日地表感热加热对500,200hPa之间大气的平均加热率、温度平流的平均加热率和温度的局地变化虚线为Ts点线为Tv实线为T0。单位:?d青藏高原地表对大气显著的感热加热必然引起高原地区上空气柱热力场的变化。在图4中给出了高原上空空气柱厚度200hPa与500hPa的位势高度差温度以30006气 象 学 报 57卷图4 1989年4,6月青藏高原主体300hPa温度、200hPa与500hPa之间的位势高度差和地表感热通量的逐日演变细实线为温度单位:?点虚线为525单位:gpm.粗实线为地表感热通量单位:Wm2hPa温度为代表和地表感热通量逐日演变的情况。从图4看到高原上空空气柱厚度和温度的变化是同步的具有明显的阶段性跃升第1次发生在4月28日—5月2日第2次发生在5月18,22日第3次发生在6月8,12日。对比感热通量的变化发现在南海季风爆发前10d地表感热通 m2跃升至150Wm2并保持到南海季风爆发。4 1989年青量有1次明显的跃升从100W 藏高原及邻近地区感热加热对亚洲季风爆发的影响在本工作上一篇文章里利用OLR资料、中国366站降水资料仔细分析了1989年亚洲夏季风建立的基本过程其中5月1,10日5月16,25日和6月5,15日3个阶段定义为t1t2和t3分别对应于亚洲夏季风在孟加拉湾东部—中南半岛南部、南海—西太平洋和印度次大陆—阿拉伯海爆发的3个阶 月段后两个阶段即对应于南海季风爆发和印度季风爆发并把它们同季风爆发前期421,30日定义tt0相比较。分析了4个时期亚洲季风区地表感热通量Qst和对流层各层温度Tt风场Vt散度场divt等要素场的变化情况尤其分析了与季风爆发前的差:??AtiAti-At0A代表QsTV和div等任一物理量i123。图5给出了季风爆发时期各阶段高原地表感热通量与季风爆发前的差即:??QsiQsti-Qst0 i123 从4月21,30日青藏高原及邻近地区地表感热通量的分布看图略同4月份平均161期 张永生等:关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析图5 1989年亚洲夏季风爆发各阶段青藏高原及邻近地区地表感热通量与季风爆发前的差??Qsa15月1,10日平均减去4月21,30日平均b15月16,25日平均减去4月21,30日平均c16月6,15日平均减去4月21,30日平均。等值线间距为15Wm2阴影表示地形高度大于3000m的区域的结果图2a有很大的相似整个高原地区地表感热通量基本上大于100Wm2东北部地区达到150Wm2。图5表明同季风对流爆发前相比当南海季风爆发时在克什米尔26气 象 学 报 57卷图6 1989年亚洲夏季风爆发各阶段200hPa流场、温度场与季风爆发前的差??V和??Ta15月1,10日平均减去4月21,30日平均b15月16,25日平均减去4月21,30日平均c16月6,15日平均减去4月21,30日平均。虚线等值线表示温度场间距为1?粗虚线代表地形高度为3000m的等值线。浅阴影表示温度变 化:a14???T?5b18???T?11c110???T?12重阴影表示温度变 化:a1??T?5b1??T?11c1??T?12361期 张永生等:关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析地区地表感热通量增大值达到了60Wm2图5b当亚洲夏季风出现在印度半岛时高原西部地表感热通量的增大?涞酶 酉灾 谂撩锥 涂耸裁锥 礁龅厍 锏搅?20Wm2以上同时在高原东部也有两个弱的极值中心地表感热通量的增量在30Wm2左右。再看相应时期200hPa温度场的变化??T图6等值线 虚线给出。在亚洲季风爆发的初期??Tt1图6a高原东部有一个大于5?的增暖中心孟加拉湾北部温度降低南海季风爆发时??Tt2图6b青藏高原上空显著增暖中心值达到10?以上印度季风爆发时??Tt3图6c在高原西部有一个强大的增暖中心高原东部也有一个弱的增暖中心这一结果与Murakami和Ding16的结果是一致的。比较同期??Qs??T和V图略表明增暖中心紧靠感热通量增大中心的下风方。同Li和Yanai19968的工作相比图5和图6不仅表明持续性的感热加热是青藏高原上空大气增暖的原因同时还进一步揭露了增暖极值中心出现的位置同地表感热通量的变化有着紧密的联系。感热引起大气温度变化的结果必然引起大气流场的变化。在图6上还给出了200hPa上相应水平风场的差??V。根据大尺度运动的位势倾向方程参见文献12p88可定性推断:高原上空的增暖所造成的对流层水平温度平流暖平流的增大加大了对流层中高层至平流层低层之间暖平流的的垂直变化其结果将有利于对流层上层位势高度增加导致反气旋式扰动环流的出现。在图6上清楚地看到在增暖中心南部等温线密集的地区出现了反气旋式扰动环流在季风爆发的前两个阶段图6ab反气旋式扰动环流位于高原上印度季风爆发时图6c有两个反气旋式扰动环流分别位于高原东部和中国华北平原。如果考虑200hPa上水平流场从季风建立前Vt0到季风爆发各阶段的变化:??VtiVti-Vt0 这里将??V分解为包含青藏高原及邻近地区热力作用产生的局地环流的变化用??VTBti表示和其它因子引起的行星大尺度大气环流的季节变化用??VSCti表示两部分则:??Vti??VTBti??VSCti 图6表明在青藏高原及邻近地区水平环流的变化??V显示出显著的局地环流的特征??VTB在??V中是主要的而在低纬热带地区??V呈纬带东风带分布表现出明显的行星尺度大气环流的季节性位移以??VSC为主。因此看到行星尺度大气环流季节性位移??VSC的结果使得整个热带东风带增强北进西风带减弱北退而高原加热激发的局地热力环流??VTB将导致高原南部地区东风增强、西风减弱北部西风增强、东风减弱最终有利于东风急流在高原南部的建立及高原北部地区西风急流的北跳。图7给出了t0至t34个时期200hPa上水平流场及东、西风急流的合成分析。在4月21,30日亚洲季风爆发前图7att0印度半岛南端和南海地区维持了两个反气旋式环流在加里曼丹岛北部有一支弱的东风急流至5月1,10日图8btt1强大的南亚反气旋在孟加拉湾上生成中心位于15?N8715?E附近沿90?E高空水平风场从槽46气 象 学 报 57卷图7 1989年亚洲季风建立各阶段200hPa流场和纬向风的演变a14月21,30日b15月1,10日c15月16,25日d16月6,15日。细虚线表示纬向风部分特征等值线阴影区表示西风急流区风速大于30ms以上。粗长虚线表示热带东风急流轴线。粗短虚线为3000m地形等高线转为脊西风急流中心在高原北部产生至5月16,25日图7ctt2南亚反气旋从孟加拉湾北跳到达卡附近南海反气旋东移出南海地区在中国南海至苏门答腊岛北部和阿拉伯海东南部地区有两支东风急流至6月6,15日图7dtt3南亚反气旋中心位于中国云贵高原并东伸到中国长江以南的沿海地区同时在阿拉伯海—印度半岛北部形成一个高压带。一支热带东风急流位于中南半岛北部另一支位于阿拉伯海南部且异常强大。对比图6和7看到南亚高压的演变及东、西风急流的变化同高原上空局地热力环流的发展是互相配合的。从以上分析可以看到对1989年在行星尺度大气环流季节变化背景之下南亚反气旋的北进明显受到青藏高原局地热力环流??VSC及??TSC的调制而热带东风急流往往在强大反气旋的南部地区建立。因此可以说这种机制对热带东风急流的季节性变化起着重要的作用。而最终导致这种环 流变化的热力学成因可以从图8上进一步阐明。图8给出了t0至t34个时期200hPa温度场和OLR场的合成分析。图8表明在4月21,30日亚洲季风爆发前图8att0200hPa暖中心位于孟加拉湾北部沿岸至5月1,10日图8btt1暖中心跳到中国云贵高原上至5月16,25日图8ctt2200hPa暖中心从中国云贵高原北跳到青藏高原西部35?N80?E附近。从图8上可以看到的一个重要的现象就是东风急流在南海地区?慕 ?澳虾,痉绲谋 ? 玫厍?00hPa上南北561期 张永生等:关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析温度梯度的反向是紧密联系的而这种温度梯度的反向是由于暖中心在青藏高原上空建立的结果。南海季风爆发后随着暖中心在青藏高原西部—阿富汗—伊朗高原上空的建立图8d南北温度梯度的反向在印度次大陆上进一步加剧印度季风爆发。图8 1989年亚洲季风建立各阶段200hPa温度场和热带25?N以南OLR场的演变a14月21,30日b15月1,10日c15月16,25日d16月6,15日。细实线表示温度等值线间距为0.5?。细虚线及阴影由浅到深表示OLR值小于240220200180Wm2。粗短虚线为3000m地形等高线图8还表明当南海季风爆发时tt2 南海地区建立的同时在沿中南半岛南部—苏门答腊在强烈的对流活动于孟加拉湾— 岛北部有一支沿东北—西南走向的东风急流图7c。散度计算表明图略在这支东风急流的入口区有一个强度大于8×10-6s-1的辐散中心。当印度季风爆发时南海地区的东风急流北移到中南半岛北部地区而在阿拉伯海南部有一支异常强大的东风急流。与这支东风急流相联系在阿拉伯海东部—孟加拉湾西部有显著的高空辐散。因此印度 孟加拉湾西部地区。综上所述季风爆发时图8dOLR低值中心出现在阿拉伯海东部— 对1989年的个例分析表明在南海季风爆发时孟加拉湾东部—南海地区温度梯度的反向主要与强大的暖中心在青藏高原的建立相联系印度季风爆发时阿拉伯海—印度次大陆上温度梯度的反向还与伊朗—阿富汗上空暖中心的建立有关。同时我们还看到这种热力变化的结果将有利于南亚反气旋向高原逼近及热带东风急流在反气旋东南部得到加强提供了有利于季风对流爆发的条件。此外在整个过渡季节由于对流层温66气 象 学 报 57卷度梯度的反向是由孟加拉湾东部—南海地区到阿拉伯海—印度次大陆由东向西依次建立则决定了亚洲季风建立的过程在总体上具有西传的特征。上述结论还得到了1988年个例分析结果详见张永生131995的支持。5 1980,1989年南海季风爆发时期亚洲季风区热力场演变的气候学分析根据对19881989年南海季风爆发时期对流层850hPa500hPa和200hPa大气环流演变的详尽分析张永生131995确定了南海季风爆发时期对流层各层典型的流型然后利用逐日实况天气图及根据《气象》逐年刊出的中国56月降水情况确定了1980,1989年各年南海季风爆发的大致日期表略结果与叶谦等1995私人交流用OLR资料和ChenL2X等141996用TBB资料分析得出的爆发日期较为一致。然后把逐年南海季风爆发所在的候定义为“0”候季风爆发前或后的候序数用“-”或“”表示如“-1”、“1”分别代季风爆发前、后第一候以此类推。最后将ECMWF提供的客观分析资料1980,1989对某一要素按相同序号进行平均合成。本节主要讨论与本文有关的部分事实。图9 1980,1989年南海季风爆发时期青藏高原主体27.5,37.5?N80,100?E上空各层温度的逐候变化“0”候表示南海季风爆发图9给出了南海季风爆发前第6候至爆发后第8候青藏高原主体2715,3715?N80,100?E上空对流层各层温度的变化。图9表明在南海季风爆发时期对流层中、761期 张永生等:关于亚洲夏季风爆发及北半球季节突变的物理机理的诊断分析上层大气温度明显陡升200hPa上尤其明 显“0”候的温度的局地变化率达到了2?候即从-1候的-53?上升到1候的-49?。同样在300hPa上在“0”候处曲线的变化率也是最大的。由此看来青藏高原对流层上层大气的突然增暖与南海季风爆发在时间上有很好的对应关系。这种联系在200hPa暖中心和南亚反气旋中心的北移过程中图10也表现得非常清楚。图10表明南海季风爆发时t0候暖中心从25?N附近跳上高原的南端。从暖中心向青藏高原逼进的整个过程来讲南海季风爆发时期暖中心北跳的纬距也是最大的。同暖中心的北跳相对应南亚高压从-1候到1候北跳的纬距也很显著。图10 1980,1989年南海季风爆发时期200hPa暖中心位置细虚线连接和反气旋中心位置粗实线连接的演变粗短虚线为3000m地形等高线为进一步说明温度场变化的情况在图11上给出了几个典型候的500hPa温度的分布。从图11看南海季风爆发前图11a有3个独立的暖中心分别位于孟加拉湾、阿拉伯海南部和青藏高原南海季风爆发时图11b在南海北部另外出现了一个暖中心至季风爆发后第三侯图11c孟加拉湾及南海北部的暖中心消失只有两个暖舌从高原延伸到这些地区附近到南海季风爆发后第6侯图11d阿拉伯海上的暖中心亦减弱消失变成 图2利用一个暖舌而青藏高原则始终维持着一个稳定的暖中心。参照刘霞等151998OLR多年资料1926,1993分析的结果发现图11上阿拉伯海、孟加拉湾和南海86气 象 学 报 57卷图11 1980,1989年南海季风爆发时期5.