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大气所在华夏南部地区低空急流研商中获取新进展

中国南方地区是低空急流事件频发的地区之一。低空急流与强降水事件、空气污染、航空安全、风能利用及其它诸多天气、气候现象之间存在着密切的联系,因此对低空急流的研究具有重要的理论及现实意义。然而,我国现有的研究工作中仍然存在着诸如低空急流选取标准宽松、观测数据匮乏、低空急流自身特征与形成演变机制探究不足、影响因子讨论不足等局限性,尤其是东亚地区复杂的三阶地形对长江以南地区低空急流的具体影响效果和机制尚未开展过专门的研究。

青藏高原影响亚洲夏季风的活动一直是科学家们关注的话题,这一研究不仅具有重要的科学价值,同时也对全球可持续发展具有显著的意义。

长期以来,我国学者对南亚高压不同尺度(天气尺度、准双周、年际、年代际及气候变化)的变率及其与东亚夏季降水的关系进行了持续的研究,这些工作揭示出对流层高层南亚高压的异常为我国夏季雨带异常的必要因子之一。如果基于位涡理论,环流与降水之间的关系并不仅仅为降水异常是环流异常的结果,季风降水释放的非绝热加热对环流也有显著的反馈作用。

中国科学院大气物理研究所副研究员刘鸿波与硕士研究生何明洋(现为北京大学经济学博士研究生)等研究人员,选取了云贵高原东侧一次对流层低层典型的低空急流事件为研究对象,利用高分辨率数值模拟结果揭示了低空急流的日变化特征、地转和非地转分量特征以及低空急流的非平衡特征,最后通过数值敏感性试验考察地表辐射加热、地形及非绝热加热对低空急流发展演变过程的影响。

最近,中国科学院大气物理研究所研究员、中国科学院院士吴国雄和他的团队从天文和水文的角度对青藏高原影响南亚夏季风湿对流触发过程以及对流层上层暖中心的形成做出了物理上的本质解释。

最近,中国科学院大气物理研究所张鹏飞(现为Purdue
University博士后)、刘屹岷、何编在前人工作的基础上探讨了年际尺度上青藏高原-东亚夏季季风凝结潜热加热异常对南亚高压强度异常的影响。年际尺度上,南亚高压的强度异常表现为东亚和中东地区位势高度偏强、高原西部位势高度偏低的异常环流分布,这种Rossby波形的环流异常与青藏高原-东亚夏季带状降水异常密切相关,其释放的非绝热加热激发了对流层上层西传的Rossby波,相关的非绝热、绝热过程使得高层南亚高压整体加强、扩张。结合前人的研究,作者指出南亚高压与东亚夏季季风降水的凝结加热是一个相互影响的耦合系统。

研究发现,对流层低层的风场具有显著的日变化特征,急流核区水平风速午夜后在垂直方向上呈现出尾流状结构,且在850hPa高度上风速达到24ms-1以上的极大值。在低空急流坐标系中,沿着和垂直于急流轴方向的水平风分量均在24
h内达到了11ms-1的日变化幅度,同时存在气旋性旋转。此外,沿着低空急流轴的地转风Vsg主导着低空急流强度的分布,Vsg强度的日变化与副高西北向延伸所导致的大尺度气压梯度的增加密切相关。相比之下,非地转风导致了水平风的顺时针旋转,促成了低空急流在夜间的形成及在白天的减弱消失。经计算,沿着急流轴方向的地转风和非地转风在02时对低空急流的极值强度分别做出了65%和35%的贡献。一系列数值敏感性试验证实了地表辐射加热是决定夜间低空急流形成发展的关键因子。云贵高原地形高度的削减、下游地区沿着梅雨锋的潜热释放在低空急流的形成中作用次之,而青藏高原和东南山区地形高度降低后对此次低空急流事件的影响最弱。上述研究成果发表于He
et al. 。

有关青藏高原影响南亚夏季风形成的机制一直存在争议。他们曾在2012年发表文章提出并证实了整个亚洲夏季风受海陆分布和大地形的热力作用共同调控。南亚夏季风的南支主要受海陆分布影响,北支受亚洲大地形的热力作用影响;而东亚季风则受到海陆分布和亚洲大地形热力作用的共同影响。大尺度地形对冷空气的动力阻挡作用并不是根本原因。近期他们基于对辐射的诊断分析和一系列数值试验,进一步阐明了青藏高原在冬季无法阻挡高纬度的冷空气南侵;另一方面在夏季,无论是大气层顶部还是地表的太阳辐射,以及地表位温在高原北部地区都要强于高原的南侧地区,这就导致了高原北部地区没有冷空气可移动到青藏高原以南的较低纬度。通过无高原地形的试验进一步发现,即使不存在高原大地形,高纬度夏季的近地层冷空气也无法南下到南亚季风区。另一方面,从水分收支的分析上发现近地面相当位温在印度北部地区增强是由于高水汽含量的增强而导致的。他们还应用位涡-位温(PV-q)理论证明这部分水汽的来源是由于青藏高原地表的感热加热在近地面层形成的一个气旋式环流异常,从而将印度洋上的水汽向南亚内陆地区抽吸,导致高的相当位温、对流不稳定,进一步形成了季风降水。他们还通过“湿大气”和“干大气”数值试验的对比证明了上述观点:是青藏高原表面的加热作用,而不是其隔断作用,导致了水汽从海洋向陆地输送,进而形成了亚洲夏季风。该研究于2015年在Nature
Publishing Group的《科学报告》(Scientific Reports)上发表。

该工作发表在2016年第一期的Journal of Climate(Pengfei Zhang, Yimin
Liu, and Bian He, 2016: Impact of East Asian Summer Monsoon Heating on
the Interannual Variation of the South Asian High.J. Climate
,29,
159–173)。

此外,刘鸿波与合作者一起还对国内外低空急流的研究进展进行了综述(Liu et
al. 2014),分析了中国西南地区低空急流的统计特征(Liu et al.
2012),并对弱斜压背景下复杂下垫面边界层风场日循环过程进行了数值模拟分析(叶成志等,2016)。

此外,他们还对南亚大陆上空的对流层上层暖中心形成的机制做出了新的解释。南亚大陆对流层上层暖中心的纬度与副高脊线的纬度重合,而它的经度是由大气非绝热加热/冷却的垂直梯度的纬向分布来决定,由此还修正了经典的Gill模型。由于在对流层上层对流加热和辐射冷却都随着高度递减,加热/冷却激发出垂直北风/南风切变,导致了加热场西/东侧和冷却场东/西侧出现了一个暖/冷中心。他们进一步对再分析资料的诊断表明在副热带地区,大气的温度场和加热场在年际尺度上满足内在的T-Qz关系。在20世纪后半期,中国南部地区降水出现增加趋势,伴随着高空北风切变的增强和其西侧南亚高压和对流层上层暖中心的增强。结果表明,大气环流对降水异常的反馈是区域气候空间分布型变化的一个重要贡献因素。该研究于2015年在Climate
Dynamics
上发表。

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