夏季青藏高原大气热源与东亚大气热源及环流的关系外文翻译资料

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夏季青藏高原大气热源与东亚大气热源及环流的关系

王跃男^①, 张博^①②, 陈隆勋^②*, 何金海^①, 李薇^②, 陈桦^③

① 南京信息工程大学大气科学学院, 南京 210044;

② 中国气象科学研究院, 北京 100081;

③ 常州市气象局, 常州 213001

* 联系人, E-mail: lxchen@cams.cma.gov.cn

摘要：根据1971〜2000年NCEP/NCAR versionⅠ逐日再分析资料，通过倒算法、相关分析和综合对比分析相结合的方法，研究了夏季青藏高原大气热源（AHS）对大规模AHS和相应大气环流的影响。结果表明，夏季高原AHS可以在东亚大陆和西太平洋间激发出一支沿海岸向东北方向传播到达白令海峡-北极的热源波列，这支波列可能会影响到北美地区。另外，如果高原东部的AHS强劲，南亚高压向东南移动，西太平洋副热带高压向西南移动；恰恰相反，如果高原东部的AHS较弱，南亚高压向西南方向移动，西太平洋副热带高压向东北方向移动。因此，南亚高压和西太平洋副热带高压在年际变化方面存在东西方向上的“相向而行，背向而去”的关系，而高原东部的AHS似乎是其一种热力解释。

0引言：

大气热源（AHS）在青藏高原上的变化及其在大气环流中的影响，是青藏高原气象学研究中的一个重要课题，在世界各地一直都被突出强调。1957年，叶笃正等人^[1]首次提出高原的大气在对流层上层夏季作为热源而冬季作为冷源。Krishnamurti等人^[2]通过使用数值实验表明，夏季高原的AHS可能会触发南亚高压的形成。随后，叶笃正等人^[3]转盘模拟实验，证明了青藏高原的加热作用使得南亚高原形成和维持。他们指出，夏季青藏高原的加热作用不仅影响了北半球季风地区和副热带地区的天气变化，也影响着全球的大气环流。季国良等人^[4]和Luo等人^[5]都曾研究过青藏高原大气热源，并取得了很多显著的成果。基于辐射，感热和凝结潜热等物理量，Chen等人^[6]计算了1979年夏季逐日青藏高原大气热源和该年夏季青藏高原平均大气热源的强度。基于1979年第一次GARP全球实验（FGGE）数据和青藏高原气象科学实验（TPMSE）数据，Yanai等^[7] 计算的夏季青藏高原的大气热源值与Chen等人^[6]的结果良好吻合。

青藏高原的巨大地形对大气环流具有动力作用，高原表面可以直接加热对流层中部的大气，因此有很多研究是关于高原对大气环流的影响。正是夏季青藏高原上空强大的热源形成了其上空高层是反气旋式环流，低层是气旋式环流。近年来有不少学者研究了青藏高原对中国夏季环流和降水的加热效应。根据1983〜1992年的探空资料，罗会邦等人^[8]计算了夏半年高原东部的热条件，并讨论了高原热源和中国降水之间的关系。他们发现，如果高原热源增强，则长江上游和淮河上游降水量增加，华南地区降水量减少。Wu和Zhang^[9]将春季以来一直加强的高原地面加热与季风爆发联系起来，表明高原上持续的感热加热以平流方式导致高原东部的升温，低层气流向高原东部的辐合为亚洲夏季风最早在孟加拉湾东北部爆发提供了有利的背景条件。使用1958〜1997年的NCEP/NCAR加热率资料，刘新等人^[10]计算了7月份高原加热指数及其与同期环流场的相关系数，并指出高原加热激发了罗斯贝波的向外频散，不仅影响了局地环流，还影响了北半球甚至全球的大气环流。高原加热还导致西太平洋副热带高压向南移动，在江淮地区形成南北气流的交汇。此外，高原加热异常引起的“两脊一槽”环流型的异常有利于冷空气入侵中国，导致中国天气气候的异常。段安民和吴国雄^[11]发现，发现高原不同区域的大气加热异常所对应的东亚大气环流形势及降水也大不相同。Zhao和Chen^[12]对观测资料的分析结果表明，夏季高原热源强（或弱）的年份，在高原及周边地区对流层中低层对应气旋式环流（或反气旋式环流），在长江流域低层为异常的西南风（或东北风）。夏季高原热源的强度与南亚高压的强度和位置以及周边地区的对流活动的变化有关。例如，夏季高原热源与夏季长江流域降水呈明显正相关。Huang^[13]模拟了夏季青藏高原上空热源异常对北半球大气环流的影响，结果表明存在一个源于青藏高原的夏季遥相关波列。吴国雄等^[9]提出了青藏高原感热气泵（SHAP）的概念，并指出，高原的热力异常可能会通过SHAP影响高原及其周边地区环流的变化，他们的结果表明，夏季青藏高原不仅是一个重要的热源，也是一个显著的负涡度源，该青藏高原上空的涡源所激发的罗斯贝波波列，影响了亚洲甚至北半球的大气环流异常。

上述这些研究为高原的加热和环流状态提供了一般的背景场，分析了随着青藏高原加热场的异常年际变化北半球大气环流的演变特征，为深入揭示了高原加热对环流场的影响机制做出的贡献。但是由于科学试验观测资料的短缺和 NCEP/NCAR 再分析数据中非绝热加热资料的定性可信性，他们没有提出高原大气热源对其他地区热源的影响及影响方式。根据Yanai等人^[14]提出的大气热源计算方案，计算了1971〜2000年的AHS数据集，为进一步研究高原对亚洲季风和大尺度环流的影响机理提供线索和依据。

1 资料和方法

1.1 资料选取

本文利用了1971〜2000年的NCEP/NCAR version I的逐日再分析资料，包括位势高度、风场、温度，水平分辨率为2.5°times;2.5°，垂直分布为1000〜100hPa的12标准等压层。

1.2 大气热源的计算

从热力学方程出发，AHS可以表示为

其中，Q₁表示单位质量大气的热源（汇），包括净辐射加热（冷却）Q_R、潜热加热和扰动产生垂直感热输送，c表示凝结率，S表示扰动感热通量，omega;表示扰动垂直速度，其他均为常用符号。对(1)式用质量权重对整层大气积分，有

其中p_s和p_t分别为地面气压和大气层顶气压（取100hPa）。式中lt;Q₁gt;是整层大气中单位面积气柱内Q₁的垂直积分。lt;Q₁gt;为正（负）时，表示气柱中总的是非绝热加热（冷却），也称之为大气热源（热汇）。

对于lt;Q1gt;的计算，可以分别用(2)和(3)式两种方法计算，通常将用(2)式直接计算者称为正算法，可得到大气中热源（汇）不同分量的贡献大小；而用(3)式间接计算者称为倒算法，只能得到大气中热源（汇）总量的大小。 Yanai 等人^[14]在 1992 年就用倒算法计算过青藏高原上大气热源（汇）的变化。

正算法需要大气凝结加热、感热及其垂直传输、辐射平衡等资料，而我们主要关注大气中总热源（汇）的变化；因此，采用倒算法，使用NCEP/NCAR version I再分析资料计算得到1971〜2000年逐日的对流层整层大气热源。

2 夏季高原东部与其他地区大气热源的关系

青藏高原大气热源与其他地区大气热源是否有关，目前尚未有明确定论，我们将在本文中对此进行讨论。我们用高原东部（90.0°-100.0°E，27.5°-37.5°N）大气热源作了与其他地区大气热源的夏季（6〜8月）相关，如图1所示，可以看出，高原东部热源与南海北部、台湾北部的大气热源分别存在显著负相关。另外发现似乎存在一支热源波列，从台湾海峡经由日本（正相关中心）到千岛群岛（负相关中心）， 再由北极白令海（正相关中心）传播到北美，这支波列上各个相关中心均通过 95%的显著性检验；高原东部不在这支波列上。因此，从上述分析可以看出，在年际变化上，存在一支沿东亚大陆东部海岸向东北方向传播直到北美的大气热源波列。

图 1 1971〜2000 年夏季高原东部与其他地区热源的相关图

阴影区通过 95%的显著性检验. 图中粗虚线表示波列

那么热源波列在日际变化时，是否也存在呢？我们选取高原东部热源较强的1974年和较弱的2000年夏季进行分析（图略），发现在1974年和2000年，高原东部与其他相关地区热源的相关都没有出现明显的热源波列。

3 夏季高原东部大气热源与100和500 hPa环流的关系

青藏高原的热力作用通过改变其上空大气的热力状况及环流，其从而影响了高原和周边地区的大气环流和天气气候。刘新等人^[10]表明高原加热能够激发罗斯贝波波列的向外频散，使高原加热的影响不仅局限于局地环流，而且能够影响北半球甚至全球的大气环流。但他们所用的热源资料与我们不同。考虑到NCEP/NCAR 再分析数据中非绝热加热资料的定性可信性，为进一步考察夏季青藏高原上空非绝热加热与东亚环流的关系，我们用 100 和 500 hPa 的涡度来表示高低层环流状态，研究高原大气热源与该两层涡度的关系。

3.1 热源与环流年际变化的关系

图2是高原东部大气热源与500hPa和100hPa涡度之间的相关分布。 可以看出，在大气热源强（弱）年中，高原东部上空500 hPa的气旋式环流和100 hPa的反气旋式环流强（弱），也就是说如果高原东部的大气热源强时，则高原上低空为气旋式环流，高空为强烈的反气旋式环流，但低空环流中心在高原上空而高空反气旋中心可能在高原以南地区，这是夏季青藏高原上季风活跃期的环流特征。与此相反，夏季青藏高原热源弱时，是高原季风中断或弱季风期。

图 2 中还可见到, 无论是100还是500hPa，高原热源还和25°N西太平洋西部及南海北部和华南地区涡度有达到 95%信度检验的负相关中心，通过这个相关中心，高低空出现位相一致的涡度波列。高空和低空在南海南部有正相关中心， 25°N西太平洋西部和南海北部及华南地区为负相关中心，华北渤海到日本有正相关中心，鄂霍次克海西部有负相关中心，堪察加半岛北部有正相关，白令海峡西北为负相关中心，北美有正相关中心。这与刘新等人^[10]用 NCEP/NCAR 加热率资料所得到的波列相一致，但本文更为清楚，同时间接验证了本文计算出来的大气热源资料的可信性。我们看到这支波列在高原以外地区上下相关符号是一致的， 亦即上下层同为气旋或反气旋系统，是接近相当正压系统，然而在高原上相关系统是上下相反的，是斜压系统。

图 2 高原东部热源与涡度的夏季相关图

阴影区通过 95%的显著性检验. (a) 100 hPa; (b) 500 hPa. 图中粗虚线表示波列

图3是青藏高原东部热源强弱年合成流畅的差值图。以距平绝对值达到一倍均方差为标准，1974、1977、1980、1987和1998年被选为强热源年，1978、1994、1996、1997和2000年为弱热源年。从图3可以看出，当热源较强时，在100 hPa上里海、巴尔喀什湖和渤海湾为差值气旋式环流，高原及其东南部为差值反气旋式环流；在500 hPa上，高原和渤海湾为差值气旋式环流，而在中国台湾和南海上为差值反气旋式环流，与图2一致。

图 3 高原东部热源强弱年夏季流场平均合成差值图(热源强年minus;弱年)

(a) 100 hPa; (b) 500 hPa

3.2 热源与南亚高压、西太平洋副热带高压的关系

早在20世纪60年代，陶诗言等人^[15]分析了夏季亚洲南部100 hPa流型的变化及其与西太平洋副热带高压的变动，得到了南亚高压围绕青藏高原东西震荡及其与长波调整的关系，并提出南亚高压与西太平洋副热带高压在日际变化上呈东西方向上的“相向而行，相背而去”的规律。那么它们的年际变化是否存在类似的关系？如果是，那么机制是什么？我们认为这可能与青藏高原大气热源的变化有关。

南亚高压是夏季出现在青藏高原及其邻近地区上空的对流层上部的大型高压系统，是北半球夏季对流层上层最强大、最稳定的环流系统。从100hPa热源与涡度的相关图2中可以看出，热源与高原东南角、日本南部的西太平洋地区存在负相关，而与渤海湾处存在正相关，表明若高原东部热源强度较强（较弱）时，南亚高压将向东南（西北）方向移动。

副热带高压的形成是地球自传和非绝热加热的综合作用的结果，它的南北移动和东西进退在很大程度上取决于非绝热加热的空间分布^[16]。热源与中国台湾500hPa的涡度呈负相关，与渤海湾处500hPa的涡度呈正相关（图2）。Yang等人^[17]选择在（115.0°-140.0°E，22.5°-30.0°N）范围内取500hPa上的涡度，来测量西太平洋副热带高压的东西移动。由此可知，当高原东部热源强（弱）时，西太平洋副热带高压将向西南（东北）方向移动。

图4为高原东部热源强弱年份的夏季位势高度合成图。可以看到，当高原东部热源较强时，100 hPa等压面16800线的东端位于105°E左右，500 hPa等压面 5880线的西端位于130°E左右；当高原东部热源较弱

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