春夏转换期青藏高原南侧对流层大气经向温度梯度逆转与亚洲夏季风建立及降水变化的联系

李燕赟，刘晓东

（1.中国科学院地球环境研究所，西安 710061；2.中国科学院大学，北京 100049）

春夏转换期青藏高原南侧对流层大气经向温度梯度逆转与亚洲夏季风建立及降水变化的联系

李燕赟1，2，刘晓东1

（1.中国科学院地球环境研究所，西安 710061；2.中国科学院大学，北京 100049）

利用欧洲中期数值预报中心（ECMWF）提供的1979—2014年逐日对流层大气再分析资料和美国气候预测中心（CPC）整理的同期逐日格点降水资料，分析了春夏季节转换期间青藏高原南侧对流层大气经向温度梯度逆转时间与亚洲季风建立及降水变化的关系。结果表明，从春到夏高原南侧对流层中上层（600～200 hPa）不同层次经向温度梯度逆转的时间不同，逆转时间最晚的400 hPa温度梯度逆转可作为青藏高原上空整层气柱变暖和亚洲夏季风全面建立的标志。36年的合成分析发现，随着400 hPa温度梯度的逆转，850 hPa上大于6 m·s-1的强西南季风从10°N以南扩大到20°N以北并进入印度中部，东亚地区偏南气流也明显增强北进且在长江中下游形成稳定的辐合区，从而导致南亚和东亚季风区的核心地区降水急剧增加，温度梯度逆转后25天较前25天在印度中部和长江中下游地区的降水量分别增加220 mm和140 mm以上，对应印度季风突然爆发和江淮流域迅速进入梅雨期。

青藏高原；经向温度梯度；亚洲夏季风建立；季风降水

作为全球气候系统的重要组成部分，亚洲季风长期以来倍受关注（Wang，2006； Chang et al.，2011）。海陆热力性质的差异导致冬夏季节之间气压中心的变化是形成季风的主要原因之一（Webster et al，1998）。冬季欧亚大陆冷而南侧的印度洋和东侧的太平洋暖，导致陆地上气压高而海洋上气压低，于是形成从中高纬度陆地吹向低纬度热带海洋的亚洲冬季风。夏季正好相反，陆地上暖、气压低，而海洋上冷、气压高，结果形成从热带海洋吹向亚洲大陆的亚洲夏季风。素有世界屋脊之称的青藏高原（以下简称高原）夏季作为一个被抬高的热源（叶笃正和高由禧，1979；Yanai et al，1992）进一步强化了海陆之间的热力对比，使亚洲季风成为全球最强盛的季风。因此，在从冬到夏的季节转换过程中，亚洲中高纬度陆地，特别是青藏高原与低纬度海洋之间的热力差异及其随时间的变化与亚洲夏季风的建立及季风降水的出现存在着密切的联系。

亚洲夏季风环流的建立与发展不仅取决于大尺度的海陆分布格局，而且与青藏高原的加热作用密切相关。例如，He等（1987）利用全球大气研究计划第一次全球试验的观测资料的分析发现，1979年晚春到初夏亚洲的大气环流经历了两次显著的变化，环流的季节变化与对流层高层大气温度梯度的逆转有关，即温度梯度逆转前高原所在的中纬地区高层温度比低纬地区低，而温度梯度逆转后中纬比低纬地区温度高，随后东南亚和印度的雨季开始出现。Wu和Zhang（1998）分析了1989年亚洲夏季风发展过程，指出亚洲季风爆发存在三个阶段，每个阶段都伴有高原上空气柱的急速升温，高原持续的感热加热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。后来的一系列研究利用多年的再分析资料进一步肯定了在季节转换过程中青藏高原的加热作用对对流层温度梯度逆转和亚洲夏季风建立的重要性（Li and Yanai，1996； Ueda and Yasunari，1998； He et al，2003）。特别是（Li and Yanai，1996）通过对1979—1992年14年平均环流演化的气候学分析，发现亚洲季风建立与高原以南高空温度梯度逆转同时出现。这一温梯度逆转是以青藏高原为中心的欧亚大陆温度增加的结果，因为印度洋上温度并无明显变化。此外，何金海等（2010）的分析还提出，随着纬向海陆热力差异的季节变化，东亚大气环流由冬向夏的转变早在3月底至4月初就已经开始了，从而孕育了东亚副热带夏季风。

与受青藏高原热源调制的亚洲季风区大气环流变化相适应，从冬到夏也会带来季风区降水的显著增加。为此，不少学者研究了高原热源对亚洲季风降水的可能影响。例如，赵平和陈隆勋（2001）指出，高原春季的热源对于随后的夏季中国江淮地区降水有一定的指示意义，并且夏季高原热源与长江流域降水存在着明显的正相关。段安民等（2003）通过分析东亚夏季风爆发前4—6月高原热状况与东亚地区7月降水和环流关系，得出高原热状况是中国江淮等地盛夏降水和环流异常的一个显著前期强信号。刘新等（2007）和Hsu and Liu（2003）的分析表明，东亚地区夏季降水的分布形势与青藏高原非绝热加热变化有很好的相关关系。高原非绝热加热可在亚洲东部沿海地区强迫出类似Rossby波列的大气环流低频振荡结构，由此可以影响到西太平洋副热带高压，从而使得东亚夏季降水的形势发生变化。Liu和Wang（2011）通过统计分析研究了青藏高原热源异常对我国东南地区春夏转换时期降水的影响。结果表明春季高原暖年我国东南地区晚春降水量偏多，初夏降水量偏少，反之亦然。同时，Rajagopalan和Molnar （2013）的分析也显示，高原热源对春夏之交（5月下旬至6月中）印度降水的影响最为显著，对盛夏降水的影响反而有限。

综上所述，之前的研究虽然指出了春季青藏高原加热作用对高原南侧对流层大气经向温度梯度逆转、亚洲夏季风建立及东亚或南亚某些地区降水变化的可能影响和指示作用，但过去的多数工作分析的年限比较短，而且基本上都是把对流层中上层温度作为一个整体来讨论，并没有详细分析经向温度梯度逆转的垂直分布特征。同时，对温度梯度逆转前后亚洲区域降水和环流的气候学特征也缺乏全面的了解。因此，将针对这些问题，本文将通过最近36年（1979—2014）观测资料的统计分析，深入探讨春夏季节转换期间对流层大气经向温度梯度逆转与亚洲夏季风建立及降水变化的联系。

1 资料与方法

本文所用资料为1979—2014年欧洲中期数值预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的逐日再分析资料（ERA-interim）和美国气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）整理的逐日格点降水资料。ERA-interim资料垂直方向有27个等压面层，水平分辨率为0.5°（经度）×0.5°（纬度），时间间隔为12小时。关于ERA-interim数据集的技术处理和完整描述见（Dee et al，2011）。在我们的分析中采用了各层等压面气温、水平纬向风速、经向风速、整层水汽含量等气象要素。各气象要素逐日的日平均值由其每日2次的值平均获得。CPC的逐日降水量资料是基于气象台站观测并经过客观分析处理获得的全球格点逐日降水数据，水平分辨率也为0.5°（经度）×0.5°（纬度），其详细情况可参见（Chen et al，2008）。

其中，T32.5为32.5°N纬度上85°～95°E 经度带内的平均气温，T2.5为2.5°N纬度上85°～95°E 经度带内的平均气温。可见，TGI反映了高原主体经度范围内高原中心地区与近赤道地区的气温差。通常TGI冬季为负值，而夏季为正值，因此从冬到夏TGI由负到正的转变可以直观地显示经向气温梯度的变化。本文以每年春夏转换过程中用日平均气温计算的TGI最接近0的一天确定为温度梯度逆转的日期。

在通过计算确定了36年间每年对流层各层的经向温度梯度逆转日期后，本文主要以每年的对流层温度梯度逆转时间为基准，将各年气温梯度逆转前后对应时间的降水、风场等气象要素进行合成分析，以检查它们在气温梯度逆转前后的变化特征和规律，从气候学角度分析青藏高原热力作用影响下的温度梯度逆转对亚洲夏季风爆发和降水变化的影响。

2 亚洲对流层温度场春夏季节转换特征

2.1 亚洲对流层温度场由春到夏的季节变化

为了直观地认识亚洲对流层温度场由春到夏的季节变化，我们首先观察春季和夏季对流层中层500 hPa温度场的气候平均分布（图1）。在夏季风尚未建立的春季（图1a）4月，亚洲大陆500 hPa等温线基本上呈纬向分布，温度场的总趋势表现为南暖北冷。但到夏季风完全建立后的盛夏（图1b）7月，亚洲地区500 hPa温度场上最显著的特征为青藏高原西南部出现暖中心。这时高原温度梯度的方向则转变为北暖南冷，即高原中心所在地区的气温高于赤道上空。7月与4月的对比发现，从春到夏对流层中层增温最大的地区位于青藏高原，而赤道和热带地区气温的季节变化不大。由于青藏高原上空的显著增温导致了高原南侧温度场由春季的南暖北冷变为夏季的北暖南冷。已有研究表明，青藏高原的感热加热是春季高原上空变暖、最终导致高原南侧温度梯度逆转的重要原因（Yanai et al，1992； Li and Yanai，1996）。

为了进一步说明青藏高原从春到夏增温的垂直分布特征，我们制作了6月与3月气温差通过高原中心的经向（图2a）和纬向（图2b）垂直剖面（图2）。结果显示，6月与3月相比，经向剖面或纬向剖面上高原上空均存在一个明显的增温中心，增温在400～200 hPa最强，中心区域增温达14°C以上。由此直观地展现了从春到夏青藏高原对流层中高层的强烈增温，并最终导致高原南侧经向温度梯度方向的逆转。

图2 1979—2014年6月与3月平均气温差的垂直剖面图（单位：℃）（a）沿90oE的经向剖面；（b） 沿32.5°N的纬向剖面. 图中阴影是地形Fig.2 Vertical sections of the air temperature difference between June and March averaged for1979—2014 （Unit：℃） （a） along 90°E；（b） along 32.5°N. The terrains are shown in shaded areas

2.2 青藏高原南侧对流层大气经向温度梯度逆转分析

基于上一节定义的高原主体范围内经向温度梯度指数TGI，我们计算了1979—2014年3月1日至7月31日对流层中高层600 hPa至200 hPa内9个标准等压面上的TGI值，从而可以获得各层逐年温度梯度逆转时间。在此基础上我们再作36年的平均，进而获得各层温度梯度逆转时间的气候平均值（图3）。结果发现，气候平均的温度梯度逆转时间随高度有明显变化。600—550 hPa 温度梯度逆转出现在5月中旬，向上直到400—350 hPa温度梯度逆转时间逐渐推迟。另一方面，对流层顶附近的200 hPa 温度梯度逆转平均出现在5月10日，200 hPa等压面层以上不存在温度梯度逆转现象，从200 hPa向下到400—350 hPa温度梯度逆转时间也逐渐推迟，400—350 hPa等压面层附近温度梯度逆转的时间最晚，出现在6月10日前后。可见，不同层次上温度梯度逆转时间相差最大可达

图3 1979—2014年平均3月1日至7月31日期间85°～95°E范围内600～200 hPa各等压面层温度梯度逆转时间分布. 图中灰色和橙色段分别表示TGI值为负和为正的时期，两种颜色的交汇处即为温度梯度逆转时间，温度梯度逆转前后的线段指示了95％的置信区间Fig.3 1979—2014averaged reversal time of the temperature gradient at various standard isobaric levels from 600 hPa to 200 hPa during March 1—July 31in the longitudinal extent of 85°～95°E. The grey （orange） bars show the periods with negative （positive） values of TGI. The junctions of greyand orange bars indicate the reversaldates. The 95％ conf dence intervals are shown near the reversal dates

3 温度梯度逆转与亚洲季风降水和环流变化的联系

我们通过合成分析首先检查了高原南侧上空一个月。不同层次上温度梯度逆转时间差异的原因值得今后深入研究。当400—350 hPa层温度梯度出现逆转之后，则意味着青藏高原上空整个气柱都已变暖，从而带来大气环流的显著变化。因此，在本文以下有关降水和大气环流的合成分析研究中，均以400 hPa温度梯度逆转时间作为参考。

图4 1979—2014年85°～95°E范围内3个等压面层温度梯度逆转时间的逐年变化图中温度梯度逆转时间指从每年3月1日算起的天数Fig.4 Year-to-year variations of the reversal time of the temperature gradient at 200 hPa，400 hPa and 600 hPa for 85°～95°E from 1979 to 2014. The reversal time indicates the number of days from March 1 of each year

图4显示了高原主体范围内1979—2014年400 hPa经向温度梯度逆转时间的逐年变化序列。作为对比，图中也同时给出了200 hPa和600 hPa温度梯度逆转时间序列。由图可见，400 hPa经向温度梯度逆转时间存在明显的年际变化。在36年间，最早出现在5月29日（2006年），最晚出现在6月22日（1983年），前后相差达25天。此外，我们还注意到，200 hPa和600 hPa温度梯度逆转时间也有明显的年际变化，400 hPa与600 hPa序列的年际变化更为相近，而与200 hPa序列差异较大。由此我们推测400 hPa气压面层温度梯度可能主要是受高原热力作用控制的。气温梯度逆转以后亚洲地区的降水是否随之有明显变化。以每年春季400 hPa上TGI最接近0的一天作为温度梯度逆转日，在此前和此后各选25天作为温度梯度逆转前和逆转后的代表时段，然后将1979—2014年每年对应的400 hPa温度梯度逆转后代表时段与逆转前代表时段的降水量相减并作36年的平均，由此获得图5。可见，400 hPa温度梯度逆转后在印度中部（18～25°N，75～85° E）和长江中下游（28～32°N，114～122° E）两个地区的降水量有显著增加，温度梯度逆转后25天较前25天印度中部中心区降水增加在220 mm以上，长江中下游最大降水增加在140 mm以上。这两个区域恰恰是南亚季风和东亚季风的核心地区。为了进一步检查温度梯度逆转前后这两个地区降水的变化趋势，同样以每年400 hPa温度梯度逆转日为基准，前后各选取40天分别计算上述两个地区的区域平均日降水量，通过36年合成分析获得两个地区以温度梯度逆转日为中心的81天降水变化序列（图6）。从日降水变化曲线可以清楚地看出，400 hPa温度梯度逆转日确实是这两个地区降水变化的一个转折点。其中，印度中部地区在温度梯度逆转前日降水量多在2 mm左右，温度梯度逆转后日降水量猛增到7 mm以上，对应印度季风迅速爆发；长江中下游地区在温度梯度逆转前日降水量多维持在5 mm左右，而温度梯度逆转后的约25天内日降水量突然增加到8～10 mm，即江淮流域进入梅雨期。综上所述，400 hPa温度梯度逆转与印度中部雨季爆发和长江中下游梅雨的开始在时间上有良好的对应关系。

图5 1979—2014年合成的400 hPa温度梯度逆转后25天与前25天降水量之差（单位：mm）图中蓝色和红色框分别指印度中部和长江中下游地区，阴影区表示显著性水平超过0.05的地区Fig.5 1979—2014composite difference between precipitationaveraged for 25 daysafter the reversal day of the 400 hPa temperaturegradientand that for 25 days before the reversal day （Unit：mm）.The blue （red） box indicates central India （the middle and lower reaches of the Yangtze River）.The shaded areas represent those wherethe signif cance level exceeds 0.05

合成分析的风场可以反映大气环流的变化。图7给出了1979—2014年合成的400 hPa气温梯度逆转前、后25天对流层低层850 hPa平均风场。由图可见，在400 hPa温度梯度逆转前（图7a），大于6 m·s-1的西南季风主要限于10°N以南的地区，这时印度中部仍受偏北气流控制，长江中下游地区风速很低；在400 hPa温度梯度逆转后（图7b），南亚大于6 m·s-1的西南季风扩大到20°N以北并进入印度中部地区，所以印度半岛上的夏季风全面爆发。较强的偏南风在东亚地区也明显北进，风速明显增大，且使长江中下游成为稳定的辐合区，导致了梅雨的出现。可见，随着温度梯度逆转，南亚和东亚降水的急剧增加是与大气环流的迅速转变密不可分的。

图6 1979—2014年合成的400 hPa温度梯度逆转前后80天印度中部（75～85°E，18～25°N）及长江中下游（114～122°E，28～32°N）逐日降水量序列. X轴的负值和正值分别表示温度梯度逆转前和逆转后的天数Fig.6 1979—2014 composite daily precipitation series from the fortieth daybefore the reversal day of the 400 hPa temperature gradient to the fortiethday after the reversal day in central India （75～85°E，18～25°N） and middle-lower reaches of the Yangtze River （114～122°E，28～32°N）. The negative （positive） values at the X axis indicate the numbers of days before （after） the reversal day

图7 1979—2014年合成的400 hPa温度梯度逆转前（a）和逆转后（b）25天平均的850 hPa风场图中阴影区表示风速值大于6 m·s-1的地区，蓝色和红色框含义同图5Fig.7 1979—2014 composite 850 hPa wind f elds averaged for 25 days before（a）and after （b） the reversal day of the 400 hPa temperature gradient. The shade areas indicate those with wind speeds greater than 6m/s. The meaning of blue and red boxes is same as in Fig.5

为了进一步观察温度梯度逆转前后大气水汽含量的变化，我们绘制了400 hPa温度梯度逆转前后25天从地面至大气层顶整层大气水汽量的差值图（图8）。可以看出在印度中部和北部，以及从长江中下游至日本南部地区，当温度梯度逆转后大气柱中的水汽含量大大增加。结合风场的变化（图7），可以看出温度梯度逆转后形成了一条起于南半球，在索马里附近越过赤道并向东转向，经由印度一孟加拉湾一中南半岛输送至东亚的水汽输送带，带来充沛的暖湿气流，从而有利于印度和东亚上空的水汽聚集，为降水提供了良好条件，促进了亚洲夏季风的发展和增强。

图8 同图5，但为整层水汽量（单位：kg·m-2），阴影区为3000 m以上的地形Fig.8 Same as in Fig.5，but for total column water vapor （Unit：kg·m-2）. The shaded indicates the topographic areas above 3000 m

4 结论

本文利用1979—2014年逐日大气再分析资料和逐日降水资料，分析了春夏季节转换期间青藏高原南侧对流层大气经向温度梯度变化的气候学特征，并通过合成分析揭示了温度梯度逆转前后亚洲季风降水和环流的变化，主要结论归纳如下：

（1）从春到夏青藏高原南侧对流层中上层（600～200 hPa）不同层次经向温度梯度逆转的时间不同。通常高层200 hPa和低层600 hPa温度梯度逆转较早，多年平均出现在5月10—15日前后，而中层400 hPa温度梯度逆转出现得晚，在6月10日左右。400 hPa以下温度梯度的逆转主要受到高原热力作用的影响。据此我们提出400 hPa经向温度梯度逆转作为青藏高原上空整层气柱变暖的标志，分析证实它也是衡量亚洲夏季风建立的一个重要指标。

（2）在从春到夏的季节演变过程中，随着高原南侧400 hPa经向温度梯度的逆转，南亚和东亚季风区的核心地区降水急剧增加。36年的合成分析表明，印度中部和长江中下游地区温度梯度逆转后25天较前25天的降水量增加分别高达220 mm和140 mm以上，分别对应着印度季风突然爆发和江淮流域迅速进入梅雨期。

（3）春夏转换期间高原南侧400 hPa经向温度梯度逆转促进了亚洲夏季风环流的全面建立。随着温度梯度逆转，大于6 m·s-1的强西南季风从10°N以南扩大到20°N以北并进入印度中部，东亚地区偏南气流也明显增强北进且在长江中下游形成稳定的辐合区。夏季风环流的建立促进了水汽向北和向东输送并在印度和东亚上空聚集，最终导致季风降水的爆发性增长。

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Reversal of tropospheric meridional temperature gradient south of the Tibetan Plateau during spring-summer transition and its relation to Asian summer monsoon onsetand precipitation change

LI Yan-yun1，2，LIU Xiao-dong1
（1. Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China； 2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Using 1979—2014 dailytropospheric reanalysis data provided by the European Centre for Medium-Range Forecasting （ECMWF） and gridded daily precipitation datapreparedby the US Climate Prediction Center （CPC），we analyzed the reversal of tropospheric meridional temperature gradient south of the Tibetan Plateau during spring-summer transition and its relation to Asian summer monsoon onset and precipitation change. The results show that there are different reversal times of meridional temperature gradient at different levels in the middle-upper troposphere （600～200 hPa） south of the plateau from spring to summer. As the latest one in all levels，the reversal of 400 hPa temperature gradient marks the warming of the whole column over the Tibetan Plateau and establishment of Asian Summer monsoon. Composite analyses of 36 years have found that the Asian atmospheric circulation and precipitation undergo abrupt changes with the reversal of 400 hPa temperature gradient. The strong southwesterlyf ows greater than 6 m·s-1expand at 850 hPa from the south of 10°N to the north of 20°N and enter central India. The southerly f ows also increase signif cantly and move northward over EastAsia，forming a stable convergence region in the middle and lower reaches of the Yangtze River. This circulation pattern results in dramaticincrease in rainfall in the core areas of South and East Asia monsoons. The rainfall for 25 days after the reversal of 400 hPa temperature gradient is more than 220 mm in central India and 140 mm in the middle and lower reaches of the Yangtze River compared with that for 25 days before the reversal，corresponding to a sudden outbreak of the Indian monsoon and rapidoccurrence of the plum rain season over Jianghuai Basin.

Tibetan Plateau； meridionaltemperature gradient； Asian summer monsoon onset； monsoonalprecipitation

P426.6

A

1674-9901（2015）01-0027-09

10.7515/JEE201501004

2015-01-05

中国科学院战略性先导科技专项B（XDB03020601）；国家自然科学基金项目（41290255）

刘晓东，E-mail：liuxd@loess.llqg.ac.cn