青藏高原地形强迫影响亚洲夏季风运动和大西洋经向翻转环流的数值模式研究外文翻译资料

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青藏高原地形强迫影响亚洲夏季风运动和大西洋经向翻转环流的数值模式研究

摘要：采用ECHAM5/MPI-OM海气耦合模式模拟青藏高原存在与否，从而研究地形强迫对亚洲夏季风系统运动的大尺度影响。我们的分析强调高原强迫对海气相互作用的重大影响。有人主张，青藏高原对亚洲气候的作用除了地形强迫比如感热泵和绝热，还有其他重要的直接过程存在，这使得亚洲夏季风和北大西洋海平面温度联系起来。青藏高原的消失改变了北大西洋上的风生海洋环流，这导致了北大西洋表面的热平流减弱和大西洋经向翻转环流减弱。反过来，这也通过遥相关影响了季风降水和热带辐合区的位置。

关键字：青藏高原、地形强迫、亚洲夏季风、海气遥相关

1、简介

青藏高原是在亚洲中部的一片广阔的高原，平均海拔为4500米。亚洲夏季风和青藏高原直接感热之间的联系是长久以来就被确定的（Flohn.1968；Yanni和Wu.2006）。虽然近年来理论研究和数值实验对这个概念已有怀疑（Boos and Kuang.2010,2013；Park等.2011；Rajagopalan and Molnar.2013；Saito等.2006；Tang等.2011,2013a,b；Wu等.2012；Yasunari等.2006），但关于青藏高原对推动亚洲夏季风系统的作用仍有争议。

数个研究应用大气环流模式（Boos and Kuang.2010；Chakraborty等.2002；Wu等.2012；Yasunari等.2006）或者海气耦合模式（Boos and Kuang.2013；Park等.2011；Tang等.2013b）来探讨青藏高原地形强迫对亚洲夏季风运动的作用。比如说Boos和Kuang（2010,2013）显示了青藏高原的局部加热作用影响了喜马拉雅山脉上的降水，但未对大规模季风环流造成影响，这证明了在夏季，喜马拉雅山的地形将南亚季风的暖湿气团和温带干冷气团阻隔开。他们推断认为夏季对流层上的最高气温贯穿印度次大陆，而不是出现在青藏高原之上。与Boos和Kuang（2010,2013）形成对照的是Wu等（2012），他们认为东南亚季风是由于青藏高原不同部分的热力作用导致的，高原的动力作用并不是亚洲夏季风的主要驱动力。Boos和Kuang（2010）和Wu等（2012）研究中采用的模式是综合应用于气候学海平面气温和海冰。Boos和Kuang（2010）认为缺乏证明地形消失对大洋环流的直接影响的方法。Boos和Kuang（2013）的海气耦合模拟的集成期被限制在25年。因此其他的研究需要探究在采用更长期的海气耦合模式时海洋对地形强迫的反馈。

为了发现高分辨率的亚洲夏季风模式，Tang等（2013b）采用了一种被海气耦合模式驱动的局地气候模式。他们表示局地的地形抬升使得印度夏季风和东亚夏季风产生不同步演变，总结说东亚夏季风的加强对应于青藏高原北部、东部和中部的感热上升运动，而印度夏季风的加强是由于绝热上升运动。被挑选出用于敏感性试验的海气耦合模式,在青藏高原上有一个全球范围的地形降低。

除了基于候模式模拟的敏感性试验，一些研究根据观测资料和再分析资料来研究青藏高原对亚洲季风的影响（Gu等.2009；Rajagopalan和Molnar.2013）。基于再分析资料，Rajagopalan和Molnar（2013）表示在夏初和夏末，高原加热作用与季风降水直接相关，但在6月中旬到8月末只有少量降水。

大洋环流与大气环流的高度非线性变化相关。这是已经被证实了的，例如说气候突变时的海气相互作用（Rahmstorf.2002；Gu等.2009；Liu等.2013）。基于NCEP/NCAR再分析资料，Ya等（2013）研究可能的欧亚大陆和北大西洋遥相关型。根据他们的结论，通过罗斯贝波，大西洋海平面气温变化对青藏高原南部的夏季降水的影响大于印度太平洋海域。最近的IPCC报告（Stocker等.2013）指出全球变暖可能通过削弱大西洋经向翻转环流，从而导致北大西洋更为寒冷。在亚洲夏季风中假设两种典型的阶段（比如说活跃阶段和开始阶段）（Palmer.1994；Turner and Hannachi.2010；Hannachi and Turner.2013)，印度季风的开始阶段对应冷的北大西洋和北极圈，活跃阶段对应暖的北大西洋和北极圈（Marzin等.2012）。因此，大西洋经向翻转环流有助于将热量从南半球和热带地区输送到北大西洋，同时它也可能造成了季风区水汽含量的极端变化。大西洋经向翻转环流的减弱和北大西洋的冷却密切相关。Woollings等（2012）估计温度每改变0.31K，则20°-60°W,45°-70°N区域的大西洋经向翻转环流减弱1Sv。他们认为在暖的北大西洋，北大西洋年代际振荡为正的阶段，萨赫尔风和印度夏季风降水增加。之前的研究（Vellinga和Wood.2002；Cheng等.2013；Chiang等.2008；Stouffer等.2006）表明大西洋经向翻转环流的变化会影响热带辐合带。Stouffer等（2006）表示大西洋经向翻转环流的减弱引起热带辐合带朝赤道方向移动。因此，由于大西洋经向翻转环流改变了热带辐合带，从而改变了亚洲季风区的位置（Zhang和Delworth.2006）。北大西洋沉积岩心的远古痕迹表明在海因里克现象中大西洋经向翻转环流会突然大幅减弱，几乎达到停止的状态（McManus等.2004）。通过中国的石笋记录，Liu等（2013）对8200年间北大西洋和季风系统之间的关联进行了评估。他们表明在这期间气候状况明显比现在干燥，并且与北大西洋的骤冷相关。根据他们的结论，这种关系也存在于与当前相似的暖气候状态下。Wang等（2001）发现中国葫芦洞的石笋的氧同位素的记录和格陵兰岛冰芯的记录有明显的相似之处。他们认为东亚季风越强烈对应格陵兰岛温度越高，东亚季风减弱对应格陵兰岛温度降低。全球变暖导致的大西洋经向翻转环流减弱，更可能是由于表面热通量的变化，而不是淡水（Gregory等.2005）。

在之前的研究中，仍旧无法解答青藏高原将会怎样影响海气关系以及大气变化会引发怎样程度的海洋变化。我们采用ECHAM5/MPI-OM和海气耦合模式进行数值模拟实验，来研究青藏高原对气候系统演变的影响，以亚洲夏季风为重点。这里我们选择了一个更长的调研时间来研究海气的反馈过程。与之前的研究相比，我们研究的是在青藏高原演变和海洋相互作用下的气候模式。第一部分描述这个模式设置建立的假设，即上述的青藏高原对亚洲夏季风存在影响；在第二部分，主要讲述夏季风、低层环流和订正过的海洋条件之间的相互关系，从而为更深入的研究打下基础；第三部分得出结果；第四部分进行讨论和总结。

1. 研究方法

2.1模式配置

我们设计了两个不同的模拟场景来研究海洋、大气和地形强迫的反馈过程：（a）用现实的地形模拟（CTRL），（b）降低青藏高原和亚洲中部的海拔高度（NOTP）。本次研究采用的是德国汉堡普朗克学会研制的CESM模式（COSMOS1.2.1版本），它包含了气候模式ECHAM5 5.4.01版本（Roeckner等.2006）和海洋模式MPI-OM 1.3.1版本（Marsland等.2013）。ECHAM5集成在19垂直度的T31分辨率（类似于3.75°times;3.75°的高斯网格），MPI-OM海洋模式是40垂直度的GR30分辨率。这两种模拟都用了公元1500年开始的全耦合MPI-ESM（Jungclaus等.2010）千年期模拟mil0014的气候状态。模式相比之下，mil0014最好（Polanski等.2014）。温室气体（例如CO₂，N₂O，CH₄）的浓度被设置为工业化前的状态。两种模拟都采用Lott和Miller（1997）的参数化方法考虑了次网格尺度的地形阻力。在NOTP设置中，青藏高原的海拔高度每10年降低200米，阈值在180年后500米。有关的次网格尺度地形参数（地表粗糙度、地形标准偏差、斜率、方向、各向异性、角度、峰谷海拔高度）已经根据Baines和Palmer的方案（1990）校正过了。这两个模式模拟了500年，最后的50年用于分析，除非另有说明。

大气ECHAM5模式的另两种模拟被用来描述CTRL和NOTP中的海平面温度和海冰状况。模式预报了6年，最后两年用来分析（开始的4年为模式调整适应时间）。从T31到TaT63分辨率的海平面温度和海冰的插值的数据进行了调校，是按照AMIP2程序进行的，网址是http://www-pcmdi.llnl.gov/projects/amip/AMIP2EXPDSN/BCS_OBS/amip2_bcs.htm#create_sic.

图1 (a)CTRL和(b)NOTP模拟的海拔高度（米）

2.2低层环流、海洋状况和夏季风

大气基本环流是指消除了局地气候系统导致的随机变量的多年平均的大气流动（Holton和Hakim 2012）。洋面上的大气环流减弱会影响类似季风大尺度降水类型。相反地，季风降水造成的潜热释放又使洋面上的低层环流得到发展（Heckley和Gill 1984；Rodwell和Hoskins 2001）。根据Rodwell和Hoskins（2001）的研究，在冬季，亚热带环流主要受纬向平均环流及其和地形的相互作用影响。在北半球的夏季,副热带洋面上的低层环流以副热带高压为标志（见图2b的反气旋）。根据Anderson和Gill （1975）的研究可知，和副高相关的风压力旋度的存在促进了副热带涡旋的发展。从相对湿度上看，发现副高（反气旋）也会影响全球的遥相关型，比如北大西洋涛动。在季风、副高和全球海气相互作用之间有明显相互影响的关系。Rodwell和Hoskins认为，北太平洋上的夏季反气旋东风带受亚洲夏季风热力作用影响，并且北太平洋和北大西洋上副热带相对湿度的下降分别是由于北美和亚洲的季风。东部的副热带海洋长达一年的冷状态时的大气下沉。另一方面，朝赤道方向的风通过Ekman抽吸使得东部副热带海洋的冷海水上涌，从而导致大气下沉。副热带海洋的西部，Sverdrup体积输运促使了Ekman抽吸。Rodwell和Hoskins讨论了地球上的大地形要素是如何在副热带高压东部的局地下降中起重要作用的。

在不考虑摩擦的正压条件下，大气对地形强迫的反馈取决于山地的尺度（Wu 1984）。根据Wu（1984），大部分大气对大尺度地形要素（高于1千米的临界值）的反馈是非线性的，并且机械强迫造成的地表反气旋一般位于大地形的上游位置。中纬度的地形对罗斯贝波的形成有重要作用（Hoskins和Karoly 1981；Held和Ting 1990；Saulire等 2011），它能影响远距离的气流流动和改变整个半球的风场模式。以前的研究论证了北大西洋和欧亚大陆通过大气波列联系在一起（Bothe等 2011；Sun和Wang 2012；Ya等 2013）。根据Ding和Wang（2005）的观点，夏季，上游在欧洲和北大西洋的波列(例：球面总远程并置对比模式）加剧了印度低层空气的上升运动。Holton和Hakim认为，大气环流的定量研究需要复杂的球坐标系原始方程数值模式。

这里给出了夏季风、低层大气环流和海洋状况之间的联系，具有挑战性的问题是地形强迫如何影响这个相关关系。

图2 (a)CTRL夏季降水量减去蒸发量（mm/day）、(b)CTRL 500hPaomega;（Pas^-1）和850hPa风（ms^-1）、(c)降水量减去蒸发量（mm/day）的CTRL和NOTP的比较值（CTRL-NOTP）、(d)500hPaomega;（Pas^-1）和850hPa风（ms^-1）的CTRL和NOTP的比较值（CTRL-NOTP）的大尺度模式。其中（b）中最大矢量值是12ms^-1，（b）中最大矢量值是6ms^-1。

3、结论

3.1 现实条件模拟

最先进的IPCC AR5模式可以精确模拟目前的气候状况。其中ECHAM5/MPI-OM很好地再现了亚洲夏季风的年际变化和平均状况（Kripalani等2007a,b）。由此看出，实际存在的气候的可能情形（温度、风场、降水和其他变量的时间平均模式）在无青藏高原时是不存在的。在做敏感性试验之前，先对模式模拟亚洲夏季风降水和温度的能力进行实验（补充材料）。模式数据比较之下发现，这次模拟可以很好地反映亚洲夏季风降水和温度的气候态特征。图2a展示了CTRL夏季平均降水量减去蒸发量（P-E）,很好地模拟了夏季风的全球分布（第3.3部分也能看出）。图2b展示了500hPa的垂直速度，omega;lt;0表示上升运动，omega;gt;0表示下沉运动

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