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青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风机制的研究进展
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2018-12-26 | 【 【关闭】

  青藏高原地形强迫对我国气候的形成和变化具有重要的调节作用。值大气所90周年所庆之际,大气所吴国雄院士研究团队回顾了近二十年来关于青藏高原感热驱动气泵(TP-SHAP)及其影响亚洲夏季风的研究进展。并从能量(θ)、位涡-加热(PV-Q)、和角动量守恒(AMC)的不同角度阐述其影响机制。

  1.青藏高原抬升加热机理:青藏高原地表加热和平原地区地表加热对大气环流作用的最重要区别在于青藏高原的表面加热是抬升加热。这种抬升加热有两个重大作用。其一是对水汽抬升的影响。其二是对局部加热抬升的作用不同。由于大地形高耸在大气中,它与大气低层的等熵面相交切,这时高原侧边界的表面感热加热就像气泵一样能够产生显著的局部加热抬升。图1给出了青藏高原抬升加热影响南亚夏季风环流的数值试验结果:Wu et al.(2012b)在AGCM背景试验(CON)较合理的模拟了亚洲夏季风(ASM)的基础上(图1a),设计了青藏高原顶部没有感热加热的试验(TOP-NS),所模拟的季风与CON相似(图1b)。他们进而把青藏高原的主体(指喜马拉雅山以北)去掉,只保留了喜马拉雅山(HIM),模拟的南亚季风仍然与CON相似(图1c)。如果在HIM试验的基础上把喜马拉雅山斜坡上的感热加热去除,再进行同样的积分(HIM_NS),尽管喜马拉雅山脉仍然存在,但结果表明南亚北部的季风降水消失(图1d),这与水球试验中斜坡没有加热导致局部的抽吸抬升作用消失的结果(Wu et al., 2007)是一致的。

  图1 GCM试验中6-8月平均降水(填色,间隔2 mm d-1)和850hPa风(箭矢)的分布:(a)试验CON;(b)试验TOP-NS;(c)喜马拉雅试验HIM;和(d)试验HIM-NS,其中喜马拉雅山的表面加热作用去除。左列图中粗实线表示1.5和3.0 Km的地形等高线,图(d)中红粗实线表示试验HIM-NS中去除喜马拉雅山的表面加热作用的区域。右列为相关机制示意图。(改自Wu et al. 2012)

  2. 青藏高原位涡强迫和季风区水汽的水平输送: 从水分收支的角度,He et al.,(2015)发现南亚局地的地表蒸发量只有降水量的1/4-1/3。也就是说,陆地季风降水的水汽来源绝大多数依靠外来的水汽输送。于是,输送水汽的风是如何形成的就成为季风动力学的一个根本问题。利用AGCM模拟和试验,He et al.(2015)发现,有、无TIP地表感热的试验差异可以在地表产生8K的位温差异及环绕TIP的庞大的近地表气旋式环流(图2a)。他们利用干模式(即在AGCM中设水汽q恒为零)重复试验,结果如图2b所示,TIP加热仍能产生地表8K位温差异及绕TIP的气旋式环流,但环流强度略有减弱。这意味着,TIP的表面升温及绕TIP的气旋式环流基本上是由TIP的表面感热加热气泵(TIP-SHAP)所驱动的,降水的潜热释放起着正反馈的作用。正是这个气旋式环流像巨型气泵一样把海洋上充沛的水汽从阿拉伯海和孟加拉湾输送到亚洲大陆,亚洲的季风降水才得以维持。

  图2 在GCM试验中夏季平均的近地表(σ=0.991)的位温(填色,K)和环流(箭矢,m s-1)差异分布:(a)(CON-TIP_NS);(b)同(a),但为干大气模式试验(CON_dry-TIP_NS_dry)。方框示南亚季风区北部(24-28oN,75-100oE)区域(引自He et al. 2015)。

  3. 角动量守恒经圈环流的激发和季风区大范围上升运动:大气的经圈环流对于轴对称加热的响应一般存在两种流型, 即热力平衡(TE)型和角动量守恒(AMC)型(Schneider和Lindzen, 1977; Schneider, 1977, 1987; Held和Hou, 1980)。中高纬度大气惯性稳定度强, 一般取TE型环流;热带和副热带绝对涡度很小, 一般取AMC型, 季风经圈环流就容易发展。吴国雄等(2016)和刘屹岷等(2017)发现TIP主体加热在对流层顶附近能够产生上冷下暖的强大的反气旋。他们研究其形成原因,发现是由于大地形感热加热导致其上空大气热力层结发生变化所致(图3)。大地形的加热使对流层变暖和对流层顶抬升的同时,也使平流层变冷,形成副热带高层的绝对涡度极小值。根据Plumb和Hou(1992)给出的动力判据表明,当副热带高层的绝对涡度出现小值甚至为负时,大气对纬向对称加热将呈现角动量守恒(AMC)式的经圈环流型。因此,正是由于夏季青藏-伊朗高原感热气泵(TIP-SHAP)的影响,改变了其上空的温度和环流结构,有利于副热带季风型经圈环流的发展,从而给亚洲副热带季风提供了大范围上升运动的背景条件。

  图3青藏高原主体加热通过改变对流层上层的温度场和流场结构在近对流层顶形成最小位涡强迫的示意图。Pc表示临界气压层;箭矢表示反气旋环流; “C”和蓝色表示冷性, “W”和粉红色表示暖性。详细请见正文(引自吴国雄等,2016)

  4. 本文还回顾了青藏高原对南亚季风形成影响的近期讨论:Boos and Kuang (2010)在自然杂志发表文章,认为对南亚季风的形成而言,青藏高原的热力作用并不重要,重要的是高耸的喜马拉雅山对来自北方干冷空气的隔离作用,使得印度低空高能量(用高 表示)地区得以与高空的南亚暖中心通过对流发展耦合起来,从而维持印度季风。然而 Wu et al. (2012), He et al. (2015) 的研究发现由于青藏高原位于非洲-亚欧大陆的东部,又由于夏季大陆的加热产生近地层的大陆尺度气旋式环流,使得夏季欧亚大陆70oE以东的热带、副热带地区基本受偏南风气流控制。因此夏季并不存在北风对南亚地区入侵的威胁。此外,夏季对流层暖中心(UTTM)是与高层的南亚高压中心重合,而与地表高熵区以及500 hPa上升运动并不存在一一对应关系,尤其是在UTTM中心及其西部的下方,地表高熵区上空反而受下沉运动控制。利用热成风关系和Sverdrup平衡关系,Wu et al.(2015b)发现(图4),副热带对流加热所强迫的温度场落后加热场1/4位相,由于热成风的约束,暖中心出现在东亚季风加热区西部,而冷中心出现在东亚季风加热区的东部。与此同时,在惯性力作用下(黄箭头),经向风垂直切变还造成的UTTM上空的纬向风辐合及低空的辐散,因此暖中心(南亚高压中心)处对应着下沉运动,而不是上升运动。这就是说,南亚暖中心的形成是一个大尺度动力知识题,而非由局地对流加热所致。至于印度低空的高能区,它主要是由于高水汽含量所致。正是由于TIP-SHAP所驱动的近地表气旋环流把水汽从阿拉伯海输送到印度次大陆才形成了夏季印度低空的高能区。

  图4 上对流层温度最大中心的经度位置与加热垂直梯度分布的T- 关系示意图。向上蓝箭头示对流加热上升,向下红箭头示辐射冷却下沉,黑箭头为加热驱动的纬向风V,黄色箭头示与气压梯度力平衡的惯性力fv,蓝色线示200 hPa南亚高压分布,粉红线示300 hPa等温线,粉红虚线为300 hPa上u=0的等值线。详见正文(引自Wu et al. 2015b)。

  最后值得强调的是,本文的回顾是假定TIP上存在地表感热加热。这里大家面临的挑战是这种感热是如何形成和变化的。既然地表感热是地表风速和地-气温差的函数,而它们都与大气环流及温度密切相关,因此TIP-SHAP不仅是大气环流的驱动因子,它也是大气环流变化所形成的,两者互为因果,这就使得研究的难度变大了。大家面临的又一挑战是TIP-SHAP和气候系统的其它成员(如陆地、海洋、冰雪圈和生物圈等)是如何共同影响亚洲季风的各种尺度变化的。近年来,关于海-气相互作用各种时间尺度变化的讯号对季风的影响已有大量研究。但如何把多圈层相互作用作为一个整体去影响亚洲季风的变化仍然是一个重大的挑战。随着观测资料的不断丰富及数值模拟水平的不断提高,可以期盼在不久的将来有关青藏高原和海洋共同影响亚洲季风的研究能取得新的突破。

  参考文献:

  吴国雄,刘屹岷,何编,包庆,王子谦. 2018. 青藏高原感热气泵影响亚洲夏季风的机制 [J]. 大气科学, 42 (3): 488–504. Wu Guoxiong, Liu Yimin, He Bian, Bao Qing, Wang Ziqian. 2018. Review of the impact of the Tibetan Plateau sensible heat driven air-pump on the Asian summer monsoon [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 42 (3): 488–504, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1801.17279.

 

  

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