青藏高原-热带印度洋地区大气热源的时空变化特征

蒋贤玲, 巩远发, 马柱国, 张 元

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.中国科学院东亚区域气候-环境重点实验室,中国科学院大气物理研究所,北京100029)

1 引言

大气热源是指大气中的非绝热加热,是大气环流的主要驱动力,因此,大气热源分布及其变化对大气环流的演变有着显著地影响。到目前为止,国内外已有相当多的工作尝试估算和确定全球各个地方大气热源的时空分布。Krishnamurti等[1]进行了数值试验,提出夏季青藏高原大气热源可以激发南亚高压的形成;黄荣辉等[2]研究了亚洲季风区内的热带西太平洋暖池的热状态及其上空的对流活动对东亚夏季气候异常的影响;Yanai等[3]用1980～1994年共15年的资料分析50°N～50°S大气热源的季节和年际变化;赵平和陈隆勋[4]用高原及其临近地区地面站资料对高原大气热量源汇的计算结果表明在年代际变化尺度,1977年高原大气热量源汇具有明显的突变特征 ,其后大气热源显著增加;巩远发[5]指出夏季亚洲大气热源汇变化特征对中国降水影响很大;陈玉英等[6]用1950～2005年共56年NCEP/NCAR再分析资料和倒算法计算了全球的大气热源、热汇,分析了亚洲季风区的大气热源、热汇的基本气候特征和年变化气候特征;王跃男等[7]利用1971～2000年NCEP/NCAR逐日再分析资料,通过倒算法计算出大气热源资料集,并采用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对大范围大气热源及相应大气环流的影响;高斯等[8]分析了大气热源30～60天振荡对华南6月旱涝的影响;罗璇[9]对亚洲季风区的夏季大气热源季节内振荡特征进行了分析,并研究了亚洲季风区热源与印度低压、南亚高压异常及高原热源与中国夏季气温、降水异常的关系;近两年对大气热源的研究也主要集中在对青藏高原的研究[10-14]。

然而,单独对青藏高原-热带印度洋地区的大气热源的研究却甚少。但是,亚洲大陆与印度洋之间的海陆热力差异是南亚季风形成的主要原因,大气热源海陆热力差异的主要表现。青藏高原-热带印度洋地区大气热源的变化不仅对亚洲季风系统的变化有重要影响,同时直接影响南亚季风强弱的变化。所以,研究青藏高原-热带印度洋地区大气热源的季节差异和年际变化特征,寻求大气热源空间变化的敏感区,可以为深入研究季风的形成和变异、预测提供一些参考。

2 资料和方法

利用NCEP/NCAR逐月再分析资料,包括12个等压面的温度 T、纬向风 u、经向风 v和垂直速度 ω,时间序列长度是 30年(1979～ 2008 年)共 360个月 ,空间范围是 40°E～110°E 和30°S ～ 40°N,水平分辨率为 2.5°×2.5°。

对于大气热源、热汇的计算,采用了最近较为常用的Yanai 1973年[15]提出的倒算法,由热力学方程可得：

Q1是单位质量大气中的热量源汇,p0=1000hPa,k=R/Cp,其它为常用符号。将(1)式用质量权重对整层大气积分 ,得：

其中,ps是地面气压,pt是大气顶气压,计算中取pt=100hPa,＜Q1＞表示从地面到100hPa的大气中单位面积气柱内Q1的垂直积分。＜Q1＞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)。＜Q1＞中包含了气柱中的净辐射加热(冷却)、潜热加热和地面扰动的感热输送。

利用EOF分析,使用大气热源的距平值,对30年夏、冬季(以阳历3、4、5月份为春季,6、7、8月份为夏季,9、10、11月份为秋季,12、1、2月份为冬季)的大气热源进行展开。

3 青藏高原-热带印度洋地区各季大气热源的气候特征

首先计算了1979～2008年各季大气热源的多年平均值,以期对比分析30年来春、夏、秋、冬四季的总体气候特征。

图1表示1979～2008年的青藏高原-热带印度洋地区各季大气热源的平均空间分布特征。从图1(a)可以看到,春季大气热源有明显的经向差异。大约在30°S～30°N,从北到南基本上是负-正-负的分布特征,30°N以北大多数是大气热源区。负值中心在阿拉伯海北部和孟加拉湾西北部,正值中心在中南半岛、苏门答腊岛与马来半岛交界处以及10°S印度洋中部地区,且正值中心强度大于负值中心强度。

图1 青藏高原-热带印度洋地区1979～2008年季节平均的热源分布(单位为W/m2)

由图1(b)可看到,负值区域明显减小,且负值绝对值减小,而正值区域有相反的变化,这说明夏季的热源明显比春季的热源强度强,范围广。在10°S以北,除了阿拉伯海西北部及其西北部大陆边缘、索马里海盆及一些零星的负值区外,基本上是正值区,15°S以南为负值区域,即大气热汇。可以发现,热源正值中心较春季向北移动,在孟加拉湾北部大陆边缘及其东部边缘,说明热源最强中心在此位置,即较春季明显北移。

由图1(c)可以看出,正值区域明显南缩,且正值强度较夏季明显减弱。正值区基本在25°N和15°S的区域,正值中心在马来半岛和苏门答腊岛、孟加拉湾的南部区域、中印度洋海盆地区(80°E,5°S附近)。可见,正值中心南移,说明热源位置逐渐南移。

观察图1(d),冬季大气热源正、负区域基本都呈西西南-东东北方向分布。热源正值区较秋季南移,基本是在5°N以南区域,正值中心在10°S印度洋中部和苏门答腊岛地区。10°N以北的地区大多数为负值。另外,可发现,正值区域和中心继续南移,表示大气热源也在继续南移。可见,冬天的大气热源区偏南,夏天的热源区偏北。

可以看出,热源区域在夏季位置最北、强度最强、范围最广,冬季位置最南、范围最小,而春季和秋季热源的主要位置在夏季和冬季热源的主要位置之间。印度洋夏季热源主要在赤道以北,有利于印度洋中低层水汽向北向西输送,冬季热源主要在赤道以南,有利于亚洲大陆中低层水汽向南输送。总的来说,青藏高原-热带印度洋地区大气热源的季节差异是相当明显的,这是形成季风的重要原因之一。

另外,为了研究青藏高原-热带印度洋地区大气热源年际变化特征,寻求大气热源空间变化的敏感区,从而为深入研究季风的形成和变异、预测提供一些参考,还对青藏高原-热带印度洋地区夏、冬季的大气热源距平进行了EOF分析。

4 夏、冬季大气热源的时空变化特征

4.1 夏季大气热源的时空变化特征

首先,对夏季大气热源距平场进行EOF分析,得到前3个特征向量的方差贡献分别为20.432%、12.604%、8.239%,累积方差贡献率达41.275%,研究前3个主成分及其特征向量就能很好地表述印度洋地区夏季大气热源的时间变化及其空间分布的主要特征。

由夏季热源场的第一模态空间场(图2a)可以看出,与春季热源场的第一模态空间分布明显不同,1979～2008年印度洋地区大气热源的变化具有显著的纬向差异,说明热源纬向分布具有显著的负相关关系。正值中心主要在孟加拉湾、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海的中东部以及恒河平原等地;负值中心主要在赤道印度洋的中西部地区、阿拉伯海北部边缘等。综合分析图2可知,孟加拉湾、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海的中东部以及恒河平原等地的大气热源在1993年之前基本是正异常,在1999～2008年都是负异常,且负异常越来越强,再结合图1(b),可以说明这些区域近30年,夏季热源逐渐减少。而在赤道印度洋的中西部地区、阿拉伯海北部边缘等区域却有相反的变化特征。第一模态反映30年夏季青藏高原-热带印度洋地区大气热源的纬向差异型。

图2 夏季EOF的第一模态空间场

图3 夏季EOF的第二模态空间场

图4 夏季EOF的第三模态空间场

从图3(a)看,正区域呈明显的纬向带状分布。大约在30°S～30°N,热源空间分布呈负-正-负的变化趋势。综合分析图3可知,孟加拉湾的北部、阿拉伯海的东北部的夏季热源在1979～2008年总体上先是正异常,再是负异常,最后又是正异常,正异常区和负异常区中又会有波动。而在15°N和10°S之间的区域,却有相反的变化形式。第二模态反映30年来夏季青藏高原-热带印度洋地区大气热源的经向差异型。

由图4(a)可看到,正值区域成西北-东南走向。综合分析图4,其主要反映了印度次大陆南部临近海域与索马里海盆的负相关关系随时间的变化。这种负相关关系在1988～1998年11年变化较大,在1998年、1994年差异最明显。第三模态反映30年夏季青藏高原-热带印度洋地区大气热源的西北-东南分布型。

4.2 冬季大气热源的时空变化特征

对冬季大气热源距平场进行 EOF分析,得到前3个特征向量的方差贡献分别为14.684%、12.978%、10.122%,累积方差贡献率达37.784%。

由第一模态空间场(图5a)的分布可见,正、负区域交错分布,热源经向、纬向差异都存在,但经向差异更明显。综合分析图5可知,马达加斯加岛北部海域、苏门答腊岛西部海域、阿拉伯海西北部以及澳大利亚西部海域等区域在1979～1992年热源基本上是负异常,在2000～2008年热源基本是正异常。而在印度次大陆、孟加拉湾、中南半岛南部、爪哇岛西部的广大海洋区域等区域却有相反的变化趋势。第一模态反映30年冬季青藏高原-热带印度洋地区大气热源的经向差异主导型。

较之夏季的第一模态,冬季热源正异常区域面积小,强度小,且明显南移。

由图6(a)的分布可见,正负区域具有明显的经向差异。综合分析图6可知,索马里海盆(52°E,3°N附近)、斯里兰卡岛南部海域等区域的冬季大气热源在1996年之前基本上是正异常,在1999～2008年都是负异常。冬季热源的第二模态反映了冬季热源近30年来的经向差异的变化。

由图7(a),冬季第三模态空间场分布存在明显的纬向差异。综合分析图7(a)和图7(b),印度洋与其两侧大陆和岛屿的热源变化成明显的负相关关系。此模态反映了冬季热源近30年的纬向差异的变化。

图5 冬季EOF的第一模态空间场

图6 冬季EOF的第二模态空间场

图7 冬季EOF的第三模态空间场

5 结论

分析了青藏高原-热带印度洋地区30年四季大气热源分布的气候特征,并且利用EOF研究了该区大气热源在夏季和冬季的时空变化特征。结论如下：

(1)分析气候特征可知,春季大气热源有明显的经向差异;夏季的热源明显比春季的热源强度强、范围广,热源最强中心在孟加拉湾北部大陆边缘;秋季热源区域明显南缩,热源强度较夏季明显减弱;冬季大气热源呈西西南—东东北方向分布,大气热源位置也在继续南移。可见,青藏高原-热带印度洋地区大气热源的季节差异是相当明显的,这是形成季风的重要原因之一。

(2)对于夏季,前3个模态分别反映了青藏高原-热带印度洋地区大气热源的纬向差异型、经向差异型、西北—东南分布型。第一模态主要反映了阿拉伯海东北部与孟加拉湾中部、赤道印度洋中西部与苏门答腊岛西南部洋面热源变化都具有显著负相关关系。

(3)对于冬季,前3个模态分别反映了青藏高原-热带印度洋地区大气热源的经向差异主导型、经向差异型、纬向差异型。第一模态主要反映了马达加斯加岛东北部洋面与10°S附近印度洋中东部热源变化明显且反向变化。

以上仅对EOF各模态做了分析,可以为深入研究季风的形成和变异、预测提供一些参考。但是气候系统内部及与外部因素作用非常复杂,想借助一种方法很难解决气候问题。要想给出满意的回答,还需要借助数值试验和数值模拟进一步揭示其内在的规律。另外,形成各模态的动力机制则尚有待于今后继续深入地研究。

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