青藏高原陆面过程与亚洲夏季风系统联系的研究

【摘要】： 青藏高原作为亚洲夏季风系统的主要成员之一,其热力强迫在亚洲夏季风系统中具有重要作用。由于其特殊的地理位置和海拔高度,青藏高原成为中、低纬度地带多年冻土面积最广、厚度最深、温度最低的地区,其中积雪和冻土是青藏高原地表过程中最重要的因子。以积雪和冻土为主要内容的高原陆面过程必然影响青藏高原的热状况和热性质,进而对青藏高原与其上大气之间的相互作用产生影响。对青藏高原陆面过程与亚洲夏季风之间相互联系的研究,不仅对加深理解青藏高原地区的非绝热加热在亚洲夏季风系统中的作用,深入认识春季青藏高原陆面过程特征及其与其上大气之间的相互作用具有重要意义,也有助于我们深入认识青藏高原热力强迫在亚洲夏季风系统中的贡献,有利于提高我国夏季季风降水的预测。 在用感、潜热通量,积雪,冻土等对青藏高原热力作用对亚洲季风影响研究的基础上,本文主要关注的问题是,在季风建立前期的春季,青藏高原陆面过程与亚洲夏季风之间存在着什么样的联系。因此,本文主要点集中在青藏高原春季的主要过程——融雪和融冻引起的陆面特征的变化与亚洲夏季风之间的联系展开研究。首先,利用高原东北部地区玛曲观测站的资料,分析了青藏高原陆面过程的水热变化特征,重点分析了夏季风建立前的春季,高原融冻过程中土壤水热状况和热性质随季节的变化特征。在此基础上,利用GAME/Tibet试验中,高原西部地区改则和狮泉河两站近地面边界层观测资料和NCEP、ERA40等再分析资料,进一步深入研究了季风建立前期的春季,青藏高原融雪和融冻过程对高原地表与其上大气水热交换过程及高原地表非绝热加热计算的影响。在上述工作的基础上,利用台站观测的地温、气温资料,采用EOF和REOF方法,分析了季风建立前期的春季,青藏高原地表非绝热加热的时空变化及其与高原积雪融雪和冻土融冻过程之间的联系。其次,基于再分析资料和观测资料,研究了青藏高原非绝热加热与东亚夏季风强度之间的联系；通过检测春季青藏高原非绝热加热异常变化中的低频信号,分析研究了典型强弱季风年东亚夏季风建立期间青藏高原非绝热加热与纬向风相互作用及其传播特征；揭示了春季高原非绝热加热变化与东亚夏季风之间的联系机制。最后,通过RegCM3.0区域气候模式的数值模拟试验,研究探讨了春季青藏高原陆面过程中土壤湿度变化对季风建立过程中高原地表热状况,大气环流,及中国夏季降水的影响。主要的研究内容和结论如下： (1)季风建立前期青藏高原地区水热变化特征的分析。结果表明：在亚洲夏季风建立前期的春季,青藏高原土壤融冻过程发生期间,随着土壤温度上升,土壤湿度有一段快速升高的阶段。不同土壤状态下(完全冻结,冻融过渡、完全融化),土壤温度和湿度之间存在不同的关系。春季土壤冻融过程对高原浅层土壤热通量的分布具有重要影响。 (2)青藏高原陆面过程对非绝热加热计算影响的分析。春季,高原土壤冻融的日周期循环会引起土壤水分的变化,而土壤水分的变化会进一步引起感、潜热的变化。因此,春季冻融日周期循环引起的土壤水分的剧烈变化会在计算高原地区的地表感、潜热通量中产生显著影响。但高原融雪和土壤冻融过程引起的土壤湿度与三种再分析资料的土壤湿度之间存在的差异,也是造成再分析感、潜热资料计算误差的主要原因。因此,NCEP-Ⅰ、AR-Ⅱ和ERA40感、潜热再分析资料在青藏高原地区存在着差异,在诊断高原春季非绝热加热异常状况中需审慎对待,也必须对其进行修正。 (3)季风建立前期青藏高原地表非绝热加热变化特征的分析研究。夏季风建立前期,受高原积雪融雪和冻土融冻过程的影响,青藏高原地表非绝热加热的年际异常变化敏感区从3月高原中部的河谷地带移到4月的东南部地区,5月异常敏感区在面积扩大之后稳定在高原东南部地区。季风建立前期的春季4月份,由于积雪的反照率引起的辐射冷却作用,高原地表非绝热加热在20世纪60年代到70年代中期呈显著减小趋势,之后呈增大的趋势。在5月份,从20世纪60年代到90年代,受地表融雪和融冻过程的影响,高原地表非绝热加热呈现出减小趋势。 (4)高原非绝热加热与东亚夏季风强度联系的研究。EP通量的分析结果显示,在强、弱季风年春季3-5月,青藏高原地表非绝热加热强迫激发的大气热力波均向对流层中上层传播。强季风年春季,高原北侧40-500N的区域对流层上层的大气定常波同时向中高纬度地区和对流层低层传播并增强；而在弱季风年,其仅向中高纬度地区传播。青藏高原及其北侧40～60°N区域是强、弱季风年EP通量散度差异最大的区域。春季青藏高原地表非绝热加热异常对亚洲夏季风建立前期中高纬度西风气流的变化具有重要影响。春季青藏高原非绝热加热异常和东亚夏季风强度之间存在显著的反相关关系。 (5)青藏高原非绝热加热与东亚夏季风建立关系的研究。春季,东亚夏季风建立期间,青藏高原地区的高度场和纬向风场存在30～60天大气低频振荡、准双周和5-7天的大气振荡。在典型强季风年份,高原在北部形成低频振荡并向北传播；而在弱季风年份,高原地区的低频振荡具有原地振荡的显著特征。在强季风年,高原的非绝热加热削弱高原地区低频波,非绝热加热在高原东西两侧以外的地区再现出来。在弱季风年份,高原地区的非绝热加热起着加强高原地区低频波的作用；形成了以高原为中心的准南北方向上的振荡特征。在强季风年,高原非绝热加热与大气低频振荡之间的相互作用不仅显著且会持续到南海季风稳定建立。相反在弱季风年,两者之间的相互作用在南海季风建立之后迅速消失。高原地区的非绝热加热和季风强度之间在时空上都存在着密切联系。 (6)青藏高原非绝热加热异常在亚洲季风中作用的研究。为了验证与高原春季陆面过程相联系的非绝热加热异常在亚洲夏季风中的作用,设计了一组土壤湿度变化的数值试验。模拟结果表明：高原春季土壤湿度的增加(减少),会引起4月份对流层中上层东亚急流区附近西风气流的减弱(增强),高原南侧的南支急流增强(减弱)；夏季风建立前期的4、5月份东亚中高纬度地区的槽脊系统出现异常变化；6月份我国东部季风区低层的南风加强(减弱)；我国长江和黄河中下游地区、华南东南部地区初夏降水的增加(减少),华南其他地区和淮河流域初夏降水的减少(增加)。表明春季青藏高原冻融过程中土壤湿度的变化,通过对亚洲夏季风建立前期4、5月份的高原南支气流、中高纬度的西风气流和槽脊系统演变的影响,对我国东部的夏季降水产生影响。