南亚高压的东、西振荡及其引起的热、动力强迫

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在北半球夏季,南亚高压是位于中纬度地区对流层高层和平流层低层的大尺度反气旋性涡旋,并在季内做准双周期的东西振荡,副热带西风急流位于南亚高压北侧200hPa上,热带东风急流位于南亚高压南侧100hPa上,并和其东侧对流层中层的西太平洋副热带高压共同构成了东亚地区夏季降水的气候系统。本文通过分析南亚高压在东西振荡的过程中其周围热量、动量交换的变化,研究南亚高压在季内东西振荡时和高空急流的相互作用;以及研究Rossby波的传播与南亚高压东西振荡的相互作用。在此基础上,用动力学诊断方法,分析了南亚高压、副热带西风急流、热带东风急流和西太平洋副热带高压之间的关系,以及它们在季内尺度上的相互作用。得到以下主要结论:南亚高压在夏季气候平均态下是位于东西风急流之间的大尺度涡旋,起着南北方向热量、动量交换的作用。热量通量在南亚高压的东西两侧由于经向风的方向不同呈反向对称结构,在平流层(100hPa)和对流层(200hPa)中由于热力结构的不同方向也相反。动量通量在南亚高压四个曲率最大的角:西北、东北、西南、东南上的方向各不相同,呈中心对称结构,但在平流层和对流层上却具有相同的方向。在气候平均态下,净的热量、动量总是由东风向西风输送(向极的)。随着春夏季节青藏高原上非绝热加热的作用增强,季风环流增强并取代了Hadley环流,青藏高原上逐渐被上升气流所控制,进入夏季后南亚高压先出现在青藏高原上空(东部型建立)。由于青藏高原上强的非绝热加热作用,青藏高原上空对流层中为暖高压,平流层中为冷高压。此时南亚高压周围净的热量、动量的交换都是向极的。当东西风急流强度增加,且西风急流上游出现了一个扰动时,南亚高压西侧100hPa(200hPa)上向赤道(向极)的热量通量增强,高压西北侧向极的西风角动量也增强,引起了南亚高压的向西运动。当高压中心到达被Hadley环流控制的伊朗高原上空(西部型建立)时,高压的热力结构并没有发生变化(即对流层中为暖高压,平流层中为冷高压),但是产生这种热力结构的原因却发生了变化,主要是由于伊朗高原上强的绝热下沉运动。此时南亚高压周围净的热量、动量通量方向变为向赤道。4天以后,东西风急流的强度变弱,南亚高压在青藏高原不断增强的非绝热加热作用下又回到了青藏高原上空(东部型),从而完成了一次东西振荡过程。简单来说,纬向东、西风气流的增强和西风气流上游的扰动引起了南亚高压东西两侧在东西风之间热量、动量交换的不平衡,从而导致了南亚高压的向西位移。南亚高压在东西振荡的过程中又造成了局地经向位势梯度的变化,从而造成了局地高空急流强度的变化。即:西部型时中西亚的局地高空急流风速增加,东亚地区西风急流位置偏南,且西风急流整体强度偏强,并向东延伸到太平洋上;而东部型时东亚地区的局地高空急流风速增加,东亚地区的西风急流位置偏北,并在太平洋沿岸发生断裂。此外,西风急流在夏季以斜压性为主,且最大强度中心随着南亚高压中心位置的移动而移动,在印度洋上空的东风急流也以斜压性为主,是因为非绝热加热是西风急流和印度洋上空的东西风急流形成的主要原因,在太平洋上空和北非地区的东风急流以正压性为主,是因为动力性大尺度环流是这两处东风急流形成的主要原因。南亚高压南北两侧的经向温度梯度通过热成风的作用在200hpa上增强实际大气的风速,在100hpa上减弱实际大气的风速,造成了副热带西风急流轴线位于200hpa附近,而热带东风急流轴线位于100hpa附近。高空急流强度、位置的变化和和南亚高压的纬向移动影响着我国东部地区夏季降水。在南亚高压东西部型事件中,欧亚大陆上200hpa高纬度极区存在一条rossby波(北支),中纬度地区沿着西风急流带有一条rossby波在从伊朗高原和青藏高原上向西太平洋上传播(南支)。北支rossby波在南亚高压东西部型时具有不同的位相,且形成时间要早于南支rossby波;南支rossby波最强时是在南亚高压东、西部型建立的时候,主要是由西风急流入口处的扰动和南亚高压自身东西振荡共同作用下激发的。西风急流带在西部型时向伊朗高压输送rossby波波能,使得在南亚高压西部型建立前伊朗高压的位势高度高度升高,且伊朗高原北侧的高空局地西风急流强度增加,可促进西部型的建立;而在东部型时西风急流向青藏高压输送rossby波波能,使得在南亚高压东部型建立前青藏高压位势高度升高,且青藏高原北侧的高空局地西风急流强度增加,可促进东部型的建立。因此沿着西风急流带传播的rossby波对南亚高压的东西振荡起到一定的作用。南亚高压在东西振荡的过程中进一步激发出了在中纬度地区从伊朗高原和青藏高原上空向西北太平洋上传播的一列rossby波。西部型时南支rossby波在朝鲜半岛和日本南部为正位相,形成了一个深厚的正压性反气旋,即小笠原高压(boninhigh),而在东部型时小笠原高压(boninhigh)的强度变弱,在该地形成了rossby波的一个负的位相;200hpa上rossby波波能在该地辐合,且西部型时要强于东部型时。辐合的rossby波波能随后产生了一个向下传播的rossby波分量,使rossby波从200hpa上传递到500hpa上,并在500hpa上在西太副高的共同作用下形成了rossby波波能的辐散,从而在500hpa上中纬度地区激发了一列向西传播的Rossby波波列,其基本形态和200hPa上中纬度地区的Rossby波相似。此外,500hPa上小笠原高压(Bonin high)的Rossby波波能为辐散,且在南亚高压西部型时强于在东部型时,由于小笠原高压(Bonin high)刚好位于西太副高的外围,且西部型时放出较多的Rossby波,从而导致了西太副高在南亚高压西部型时的东退;而在东部型时由于放出较少的Rossby波波能,从而使的西太副高可以继续维持在长江中下游地区。
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