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本文以揭示青藏高原东侧区域气候变化异常机理和物理成因为目标,在已有研究的基础上,通过观测研究、统计诊断、动力分析和数值模拟等方法,系统分析了东亚季风成员南亚高压的活动特征、异常变化及其对环流、温度的影响,研究了对流层高层暖中心的基本特征、异常结构及其对环流、温度的影响,以及与青藏高原非绝热加热的关系,全面分析了青藏高原东侧区域气温的时空结构、变化规律,尤其是垂直结构和水平分布,重点分析了青藏高原东侧区域气温与降雨、雨日和云量的相互关系,系统探讨了青藏高原东侧区域气温、对流层高层高度和温度、青藏高原非绝热加热的异常结构和耦合关系,最后应用区域气候模式(RegCM3)对青臧高原感热加热异常影响大气环流和区域气候进行了数值模拟试验,揭示了青藏高原东侧区域气温变化的主要成因。本文取得了以下主要研究结果:
南亚高压活动特征及其异常影响:东亚季风系统成员南亚高压是夏季100hPa上一个强大而稳定的大气活动中心,与之对应30011Pa是一个嗳中心,两者在分布范围、整体形态、中心位置上具有密切的关系。南亚高压东西部大气运动具有不同的动力性质,其东部为辐散、上升运动区,西部为辐合、下沉运动区。南亚高压活动具有明显的年际和年代际变化,其异常主要表现出强度、南北位置和中心东西振荡的变化。夏季100hPa高度场主要存在两种异常模态,第一模态对应南亚高压中心强度的强弱变化,第二模态对应南亚高压位置的南北变化。当南亚高压偏强(弱)或偏北(南)时,通过制约对流层中低层西太平洋副热带高压等环流系统变化,改变青藏高原东侧区域水汽辐合辐散、上升下沉运动性质,引起青藏高原东侧区域,乃至长江流域的气温偏暖(冷)。在年代际尺度上,青藏高原东侧区域气温20世纪80年代的显著降温,对应同期南亚高压强度明显偏弱、位置偏南、东伸脊点偏西,西太平洋副热带高压偏南、偏强、偏西,青藏高原东侧区域为异常的辐合、上升运动区。
300hPa暧中心变化特征及其异常影响:夏季青藏高原上空300hPa存在一个暧中心,与南亚高压具有非常一致的耦合变化。暖中心具有明显的年际、年代际变化特征,主要表现出强度、南北位置和中心东西振荡的异常变化。夏季300hPa温度异常的第一模态对应暖中心强度的强弱变化,第二模态对应暖中心位置的南北变化。当暧中心强弱变化时,100hPa高度、300hPa温度、对流层中低层环流、水汽输送,垂直运动都会发生明显的异常变化,并且,青藏高原和我国东北地区是300hPa温度和100hPa高度异常响应的关键区。20世纪80年代暖中心出现明显降温,与同期青藏高原东侧区域气温显著变冷一致。暖中心强度变化,对应青藏高原感热、潜热加热表现出准南北向的相反异常分布特征。暧中心主要影响高层大气环流系统南亚高压,由此制约对流层中低层大气环流变化,引起青藏高原东侧区域天气气候异常,最终影响该区域气温的冷暖变化。暧中心的温度变化与青藏高原东侧区域气温存在很好的一致性。
青藏高原东侧区域夏季气候变化:青藏高原东侧区域夏季气温主要表现为全区域一致性的异常变化,20世纪80年代,主要在1980年-1993年处于显著偏冷时期,区域气温与整个长江流域的气温变化存在很好的一致性。并且,其高相关区在青藏高原西北部和我国整个北部地区,表现出从对流层低层到中上层,随高度向北倾斜的结构特征。20世纪80年代青藏高原东侧区域的显著降温不是局地性的,是一种大尺度气候异常现象。青藏高原东侧区域西部气温与降雨变化的相关关系不明显,东部气温与降雨存在显著的负相关关系,多(少)降雨年份气温偏冷(暖)。虽然,区域东、西部降雨表现出不同的变化,但东、西部降雨都在20世纪80年代表现出异常偏多的特征,这正是青藏高原东侧区域气温显著偏冷的时期。青藏高原东侧区域气温变化与雨日存在显著的负相关关系,多(少)雨日年份气温偏冷(暖)。20世纪80年代青藏高原东侧区域的显著降温,也正是区域雨日相对偏多的时期。青藏高原东侧区域气温与东、西部低云量、总云量存在显著的负相关关系,云量增多(减少)的年份气温偏冷(暖)。20世纪80年代青藏高原东侧区域气温显著偏低,正是区域总云量偏多的时期。在年际和年代际变化上。青藏高原东侧区域气温与降雨、雨日和云量的具有密切关系,降雨多(少)、雨日多(少)、云量多(少),则气温冷(暖)。正是大气环流的异常,通过影响青藏高原东侧区域的天气气候,造成了该区域气温的冷暖变化。
青藏高原东侧区域夏季气温耦合关系:夏季100hPa高度、300hPa温度与青藏高原东侧区域地面气温具有密切的耦合关系。当青藏高原向东到日本海100hPa高度偏高(低),或青藏高原到我国华北地区300hPa温度偏暖(冷)时,分别对应南亚高压和300hPa暖中心强度偏强(弱)、东伸脊点偏东(西)、脊线位置偏北(南),青藏高原东侧区域气温偏暖(冷),20世纪80年代青藏高原东侧区域气温的显著变冷,正是同期100hPa高度异常偏低、300hPa温度异常偏冷的时期。夏季100hPa高度与300hPa温度具有密切的耦合关系。当300hPa温度一致偏暖(冷)时,100hPa高度一致偏高(低),增(降)温区对应高度偏高(低)区。夏季100hPa高度与青藏高原非绝热加热具有密切的耦合关系,非绝热加热对100hPa高度的耦合影响,主要体现于南亚高压的强弱和南北变化。当青藏高原感热南弱(强)、北强(弱),潜热南强(弱)、北弱(强)时,100hPa高度一致偏高(低),南亚高压中心强度偏强(弱)、东伸脊点偏东(西)、脊线位置偏北(南)。20世纪80年代青藏高原感热异常南强北弱、潜热异常南弱北强时,对应同期100hPa高度明显偏低,南亚高压中心强度偏弱、东伸脊点偏西、脊线位置偏南。夏季300hPa温度与青藏高原非绝热加热具有密切的耦合关系,当青藏高原感热西南弱(强)、东北强(弱)、潜热西南强(弱)、东北弱(强)时,300hPa温度一致偏暖(冷)。20世纪80年代青藏高原感热西南强东北弱和潜热西南弱东北强时,对应同期300hPa温度场显著偏冷。青藏高原非绝热加热的变化,通过影响300hPa温度及其100hPa高度,引起青藏高原东侧区域气温的冷暖异常。当青藏高原感热西南弱、东北强,潜热西南强、东北弱时,300hPa温度偏暖,暖中心偏暖,东伸脊点偏东,脊线位置偏北,100hPa高度场增高,南亚高压中心强度偏强,东伸脊点偏东,脊线位置偏北,500hPa西太平洋副热带高压偏强、偏北、西伸,青藏高原东侧区域水汽辐散,降雨减少、雨日减少、云量减少,最终引起青藏高原东侧区域气温的暖异常,反之相反。20世纪80年代青藏高原东侧区域气温的显著变冷,正是同期青藏高原感热西南强、东北弱,潜热西南弱、东北强的异常时期。青藏高原感热、潜热变化主要呈现出准南北向的相反异常分布。因此,青藏高原非绝热加热的不同异常形式对青藏高原东侧区域气温变化具有非常重要的影响。
青藏高原东侧区域气温变化成因数值模拟:RegCM3能够较好模拟亚洲地区夏季主要大气环流系统(100hPa南亚高压、西太平洋副热带高压)的基本特征和季节内变化,能够模拟出中国地区夏季主要气候(降雨和气温)的基本分布特征,包括气温的数量大小、以及青藏高原大地形和东侧陡峭地形对气温的影响、季风降雨等特点,该区域气候模式可用于青藏高原周边地区气候的数值模拟试验。模拟表明,当青藏高原感热加热南减北增时,100hPa上大部分地区位势高度偏高,青藏高原北部及其我国东北地区位势高度明显的升高,300hPa青藏高原整个北部温度显著增暖;而感热南增北减时,30°N以北大部区域,特别是青藏高原北部及其东北面100hPa上位势高度明显降低,300hPa青藏高原整个北部温度显著变冷。当青藏高原感热南减北增时,500hPa青藏高原东侧区域盛行北风气流,青藏高原盛行上升气流,以东地区盛行下沉气流;而感热南增北减时,青藏高原东侧区域是西南气流和西北气流的交汇区,盛行上升气流。当青藏高原感热加热南部减弱(增强)、北部增强(减弱)时,100hPa大部分地区位势高度升高(降低),南亚高压增强(减弱),东伸脊点偏东(西),脊线位置偏北(南),500hPa西太平洋副热带高压偏强(弱)、偏北(南)、西伸(东退),尤其是副高脊线偏北(南),青藏高原东侧区域盛行下沉(上升)气流、水汽明显辐散(辐合),云量减少(增多),降雨偏少(增多),导致气温偏暖(冷)。总之,模式模拟的青藏高原感热加热异常影响大气环流和区域气候的结果与观测事实基本一致。青藏高原非绝热加热异常,通过热力适应过程,影响对流层高层暖中心和南亚高压的活动,由此带来对流层中低层西太平洋副高等环流结构的变化,引起区域天气气候异常,最终造成青藏高原东侧区域气温冷暖变化。这就是青藏高原东侧区域气温变化的主要成因。