9个CMIP5模式模拟的大气质量海陆间迁移的季节循环

胡潮,卢楚翰,管兆勇,常春辉

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;3.天津市滨海新区气象局,天津 300457)

9个CMIP5模式模拟的大气质量海陆间迁移的季节循环

胡潮1,2,3,卢楚翰1,2,管兆勇1,2,常春辉3

(1.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

2.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;3.天津市滨海新区气象局,天津 300457)

摘要：选用CMIP5的9个模式的输出资料,分析了北半球海陆间大气质量的季节变化及其驱动因子。结果表明:模式模拟的北半球海陆间的大气质量存在显著的季节性迁移。太平洋和大西洋上的大气质量1月达全年最小,太平洋上的大气质量7月堆积达最大,而大西洋上的大气质量6月堆积达最大(比再分析资料揭示的结果晚1个月)。欧亚大陆上的大气质量12月堆积达全年最大,7月达全年最小。整层积分的大气质量流具有明显的季节变化特征,其中气柱上下层变化呈相反倾向,从而影响纬向垂直环流的季节反转和海陆间大气运动和质量输送。整层水汽质量的季节变化与大气质量的季节变化相反,它在北半球海陆间出现明显的纬向偏差,从而改变大气密度及纬向压力梯度,有利于推动海陆间大气质量的迁移。1月平均地面温度自西向东呈“负—正—负—正”交替分布,7月分布情形与之相反,表明季节变化过程中海陆间热力因素差异推动了大气质量在海陆间迁移。

关键词：大气质量;季节循环;海陆间重新分布;海陆热力差异;CMIP5

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)05-0588-11P434

文献标志码：码：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150318002

Abstract:Based on the multi-model output data in CMIP5,the seasonal cycle of air mass(AM) migration between land and sea in the Northern Hemisphere(NH) and its driving factors are investigated.Results show that the land-sea exchange of AM in NH exhibits notable seasonal variation.The annual minimum AM deficit of the Pacific Ocean and the Atlantic Ocean happens in January.The annual maximum AM pile-up of the Pacific Ocean happens in July,while the annual maximum AM pile-up of the Atlantic does in June,one month later than the result explored by the reanalysis data.The annual maximum AM pile-up of the Eurasian continent happens in December,while the minimum appears in July.Consistent with the seasonal variation of AM,the vertically integrated air mass fluxes also emerge notable seasonal cycle.In particular,there is an anti-phase variation between the low and upper level columnar-integrated AM fluxes,which affects the seasonal inversion of zonal vertical circulation and the atmospheric motion and mass transport between land and sea.The columnar water vapor shows a contrast seasonal variation compared to the AM,and its spatial distribution shows a clear zonal deviation between land and sea in NH.This implies that the corresponding changes of air density and zonal pressure gradient may be favorable for the land-sea exchange of AM.In addition,the climatology of surface air temperature in January(July) exhibits a negative-positive-negative-positive (positive-negative-positive-negative) pattern from west to east in NH,suggesting that the heating contrast between land and sea drives the land-sea exchange of AM during the seasonal change.

收稿日期：2013-06-18;改回日期:2014-07-03

基金项目:公益性行业(气象)科研专项(GYHY201006004)

通信作者：苗峻峰,博士,教授,博士生导师,研究方向为中尺度数值模拟,miaoj@nuist.edu.cn.

Seasonal cycle of atmospheric mass migrations between

continents and oceans simulated by nine CMIP5 models

HU Chao1,2,3,LU Chu-han1,2,GUAN Zhao-yong1,2,CHANG Chun-hui3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau,Tianjin 300457,China)

Key words:atmospheric mass;seasonal cycle;redistribution between land and sea;land-sea heating difference;CMIP5

0引言

大气质量变化能够直接体现大气环流变化和气候系统的变化调整(Lorenz,1951;Christy et al.,1989)。研究表明,全球大气干空气质量存在低频变化但都基本守恒(Trenberth,1981;Trenberth and Guillemot,1994;Trenberth and Smith,2005)。由于各种再分析资料以及模式资料的地形高度以及同化模式的动力框架差异,所计算的全球地表气压值略有不同,但随月份变化的趋势是一致的。每年7、8月大气总质量达到全年的最高值,而1月为最低值(Holl et al.,1988;Chen et al.,1997;Hoinka,1998;Carrera and Gyakum,2003;Zhao and Li,2006)。由于全球干空气质量基本保持守恒,因此全球大气质量的季节变化主要由大气中水汽质量的显著的年循环引起(卢楚翰等,2008)。伴随着全球大气质量的季节变化,大气在海陆间、南北半球间不断重新分布,且亦随着大气环流系统的活动而发生时空不均匀的堆积和亏损。Guan and Yamagata(2001)研究了南北半球平均地表气压场时间序列,发现南北半球的大气质量存在此消彼长的现象,并称其为“南北涛动”(InterHemispheric Oscillation,IHO)。对半球际大气质量涛动季节变化特征以及与我国的气候变动和夏季风的关系进行分析,发现南北半球之间大气存在显著交换,并呈反位相变化,IHO与我国同期气候变动以及夏季风异常存在显著联系(卢楚翰等,2008;卢楚翰和管兆勇,2009;Guan et al.,2010;卢楚翰等,2010;丛菁等,2011)。

在模式以及再分析资料中,地表气压是一个敏感的积分值(Hoinka,1998),利用其研究大气总质量以及水汽分量的收支平衡是评估再分析资料同化质量(Trenberth and Smith,2005;Berrisford et al.,2011)以及气候模式性能的重要方面(Taylor and Fournier,2010)。学者们应用模式资料对全球以及局地的大气质量重新分布和地表气压进行了研究(van den Dool and Saha,1993;Saha et al.,1994;Chen et al.,1997)。干空气质量流和水汽质量流是引起地表气压变化的两个主要分量,但两者在气候模式模拟中的效果均有待改进。Qin et al.(2015)对比CMIP5模式输出资料以及ERA Interim再分析资料,指出南北半球际干空气质量流和半球内部干空气的局地变化存在明显的不一致性。

在气候系统的变化和季风的形成过程中,海洋与大陆的热力效应起着重要作用。由于海陆热力差异的存在,推动了季风的形成(陈隆勋等,1991;李崇银,1995;曾庆存和李建平,2002),亦推动了海陆间的大气质量交换,这在北半球中纬度尤为强烈。虽然有不少工作从各种不同的角度触及到大气质量的局部乃至全球的再分布,但专门研究北半球大陆—海洋间大气质量重新分布的工作却非常之少。最近,胡潮等(2014)分析发现随着季节更替,北半球大气质量存在显著的海陆间迁移,并指出北半球海陆热力差异的季节变化有利于推动季风形成,并推动了大气质量海陆间交换的季节循环。由于目前主流海气耦合模式内部具有自身的大气质量平衡功能,这与再分析资料通过同化观测资料而得到地表气压存在不同,即再分析资料的全球干空气质量不一定守恒,这涉及了模式与再分析资料间的大范围大气质量再分布的差异,并可能与模式所表现的大尺度大气环流特征(例如,季风活动等)存在密切关联。另外,由于再分析资料本身是数值预报产品和观测资料的融合品,不同要素、区域间的同化质量也存在一定的不确定性(高庆九等,2010)。因此,有必要针对目前主流海气耦合模式在大气质量海陆间迁移的季节变化特征展开分析。本文将利用CMIP5多模式输出资料,对北半球海陆间大气质量的季节分布以及驱动因子进行研究。

1资料和方法

考虑到已有资料的完整性(需用到多要素、多时次的物理量),模式资料集合采用了CMIP5气候模式中的ACCESS1-0、CCSM4、CSIRO-Mk3-6-0、FGOALS-g2、GFDL-ESM2M、GISS-E2-H、HadCM3、MIROC5、NorESM1-M 9个模式,并取各自海气耦合模式的20世纪历史模拟run1试验输出。模式的基本信息如表1所示。由于各个模式资料的分辨率不同,采用双线性插值方法,对不同分辨率的资料进行了处理,使其分辨率统一到2.5°×2.5°网格,并取各模式的等权重算术平均作为模式集合量。在求取物理量的逐月多年平均时,9个模式资料的时间跨度均为1979年1月至2005年12月。

表1　CMIP5的9个气候系统模式的基本信息

为揭示季节变化中大气质量海陆间输送特征,参照相关文献(Chen et al.,1997;胡潮等,2014),通过对连续方程进行整层大气积分,近似地可得

(1)

地表至500 hPa的大气平均温度(Tlow),500 hPa至200 hPa的大气平均温度(Tup),可由下列公式求出:

(2)

(3)

(4)

2模式大气中的大气质量季节变化

1月模式集合的地表气压(ps)在两大陆(欧亚大陆、北美大陆)上ps出现正偏差值,表明冬季大气质量主要在大陆上堆积(图1a)。其中,欧亚大陆上ps的正值区数值、范围均大于北美大陆,而青藏高原和北美西部的落基山脉上的ps与其周围的ps变化相反。两大洋(太平洋、大西洋)上与两大陆上情形相反,基本以负偏差值分布为主,海洋是冬季大气质量的输出源区。大洋负的大值带出现在阿留申群岛以南和格林兰岛及冰岛附近,表明这些半永久的大气活动中心在海陆间大气质量交换中起着重要作用。

7月的ps与1月的分布情形基本相反(图1c)。两大陆地区的地表气压出现负偏差值,而两大洋上则主要以正偏差为主。由于欧亚大陆上受到的加热面积更广,使得其上的ps中心强度大于北美大陆。对比1月的ps分布还发现,夏季大陆上的异常幅度明显大于冬季情形,而大洋上的情况则刚好相反。

图1　模式多年平均的1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)月平均地表气压(单位:hPa;地表气压的年平均值已扣除,正偏差用阴影表示)Fig.1　Multi-year averaged monthly mean surface pressure(hPa) in (a)January,(b)April,(c)July and (d)October based on the model output data(The annual mean surface pressure has been removed before plotting and the positive departures are shaded)

4月和10月是ps的调整季节。其中,4月两大陆上由1月的正偏差向负偏差转变,两大洋上的ps则与之相反,由负偏差向正偏差转变(图1b)。而在10月,情况基本与4月相反,所不同的是中纬度北太平洋上仍保持较明显的正偏差(图1d),提示北太平洋与欧亚大陆地区热力对比在10月可能尚未能导致海洋上大气质量减少至足够多而改变符号。

从图2的集合平均结果看出,四个区域的ps主要呈一波型变化,其中大陆与海洋的季节演变位相相反。欧亚大陆、太平洋和大西洋上的ps年变程基本一致,约10.9 hPa,北美大陆上的ps年变程较小。这与胡潮等(2014)利用再分析资料分析得出的结果一致,只是除北美地区外,其他三个区域上的ps的年变程小了约0.8 hPa。两大洋上的大气质量在1月达到全年的最小值。太平洋上的大气质量在7月堆积达到最大值,而大西洋上的大气质量在6月提前堆积达到最大值。欧亚大陆上的大气质量在12月堆积达到全年的最大值,而在7月达到全年的最低值。北美大陆上大气质量的全年变化相对于其他三个区域较小。模式中海洋与大陆间大气质量变化在时间上出现不同步,这可能由于欧亚大陆和北美大陆的尺度差别、太平洋和大西洋海盆的尺度差别等因素造成。特别地,不同区域的地表热惯性存在差异,上述现象可能与热惯性不同而引起的热力强迫差异有关。值得指出的是,再分析资料中显示5月ps在大西洋上达到最大(胡潮等,2014),但9个模式集合平均的结果则显示6月达到最大,表明模式大气地表气压变化的模拟还存在较大偏差。这种偏差可能与中纬度陆气相互作用有关,也可能与海陆间热力对比的描写存在较大偏差有关。

图2　区域平均地表气压的季节变化(单位:hPa;年平均值已被扣除)　　a.欧亚大陆;b.北太平洋区域;c.北美大陆;d.北大西洋区域Fig.2　Seasonal variation of regional mean surface pressure(units:hPa;The annual mean has been removed)　　a.Eurasia;b.North Pacific region;c.North America continent;d.North Atlantic region

表2　相对于集合平均的9个模式的区域平均地表气压的季节标准差

3模拟的海陆间大气质量通量的季节循环

由于地表气压的局地变化正比于大气质量的辐合量,区域大气质量的变化与此区域实际风场产生的大气质量通量散度有关。为显示北半球海陆间大气质量的迁移特征,计算了9个模式各个区域面积平均的大气质量通量散度(图3)以及各个模式对于其对应集合平均的s值(表3)。与图2结果类似,大部分模式能较好地模拟出区域大气质量通量的季节变化的位相转换特征,同时除了FGOALS-g2、GFDL-ESM2M、GISS-E2-H以及HadCM3这四个模式在欧亚大陆的s值略有偏大外,其余均与集合平均值保持了较为一致的偏差。

从集合平均结果看,各个区域通量散度主要呈一波型变化,且海洋与大陆上的位相相反。冬季,模式大气的大气质量通量散度在两大陆上为负值,即以大气质量辐合堆积为主,两大洋则为正值,是大气质量输出的主要区域。在春季四个区域上的大气质量输送情况出现调整,两大陆上的散度由负值向正值转变,两大洋则与之相反,由正值向负值转变。在夏季两大陆上的大气质量通量散度为正值,而海洋上则为负值,此时海陆间大气质量不平衡性加大。在秋季四个区域的大气质量通量散度再次出现调整,两大陆上的大气质量通量散度由正值向负值转变,两大洋则相反。总体上,区域大气质量通量散度的季节变化与前述地表气压的变化是基本一致的,即当大气质量辐合时,对应地表气压的增大,反之亦然。

为进一步显示大气质量通量的季节变化特征,将垂直方向的空气柱划分为两层,即对流层中低层(从地表至500 hPa)、对流层中层以上(500～10 hPa),并分别求取这两层质量流的辐散分量和旋转分量(风场已扣除年平均值)(图4)。

图3　区域平均大气质量通量散度的季节变化(单位:10-4 kg·m-2·s-1;年平均值已被扣除)　　a.欧亚大陆;b.北太平洋区域;c.北美大陆;d.北大西洋区域Fig.3　Seasonal variation of regional mean air mass flux divergence(units:10-4 kg·m-2·s-1;The annual mean has been removed)　　a.Eurasia;b.North Pacific region;c.North America continent;d.North Atlantic region

表3　相对于集合平均的9个模式的区域平均大气质量通量散度的季节标准差

1月的对流层中低层大气质量流(图4a)显示,欧亚大陆东部出现辐散,辐散中心位于我国东部和日本附近;北美大陆上主要为辐散,但其强度较欧亚大陆弱。另一方面,太平洋的中东部出现强烈的辐合中心;大西洋上出现弱的辐合中心。总体上,海洋与大陆上的大气质量流的散度分布基本相反。欧亚大陆上的辐散中心西北侧产生一个气旋式环流,太平洋上的辐合中心的西北侧出现气旋式环流。由于无辐散分量反映大气质量的输送,欧亚大陆上的大气质量向东输送与太平洋上的大气质量的流入相联系。北美洲上的大气质量向东输送则与大西洋上的大气质量的流入相联系。对流层中层以上的大气质量流的空间分布型与对流层中低层相反(图4c)。欧亚大陆东部和北美大陆西侧上空分别出现辐合中心,欧亚大陆上的辐合较北美强烈,两大洋上空出现辐散中心,太平洋上空的辐散较强。两大洋上空的大气质量迁移到两大陆上空。

图4　扣除年平均后的质量流无辐散场(流线)和辐散场(箭矢;单位:kg·m-1·s-1)(阴影区表示质量通量散度,单位:10-4 kg·m-2·s-1)　　a.1月地表至500 hPa的垂直积分;b.7月地表至500 hPa的垂直积分;c.1月500～10 hPa的垂直积分;d.7月500～10 hPa的垂直积分Fig.4　Non-divergent component(streamlines) and divergent component(arrows;units:kg·m-1·s-1) of air mass flow after the annual mean has been removed(Shadings show the air mass flux divergence with the unit of 10-4 kg·m-2·s-1)a.1 000—500 hPa integrals in January;b.1 000—500 hPa integrals in July;c.500—10 hPa integrals in January;d.500—10 hPa integrals in July

7月的对流层中低层大气质量流(图4b)表明,两大陆上空出现辐合中心,而两大洋上出现辐散中心。其中欧亚大陆上的辐合较北美的强,太平洋上的辐散较大西洋上的强,散度场在海洋和陆地上呈反位相分布。欧亚大陆上辐合中心的西北侧产生一个气旋式环流,而太平洋上辐散中心的西北侧出现反气旋式环流。大气质量主要从两大洋上空迁移到两大陆上空。对流层中层以上大气质量流(图4d)的空间分布,与中低层相反。两大陆上空出现辐散中心,其中,欧亚大陆东南侧大气上层的辐散中心与南亚高压的形成有关(卢楚翰等,2012;王黎娟和郭帅宏,2012)。而两大洋上空出现辐合中心,即两大陆上空的大气质量迁移到两大洋上空。由于高层大气质量在大陆(海洋)上冬季汇入(输出)和夏季输出(输入)为主与图2、3的区域地表气压和大气质量通量散度变化一致,而在低层情况则相反,这意味着高层的大气质量输送在整层大气输送中占主导,这与卢楚翰等(2008)揭示的高层大气主导南北半球际大气质量交换情况类似。以上结果与NCEP/NCAR再分析资料结果基本一致,表明模式对于大气质量迁移的季节变化特征有一定的模拟能力。

值得关注的是,夏(冬)季亚欧大陆上的低层辐合(散)区主要出现在大陆的东部,以亚澳季风区最为显著,同时对应着这些地区高层的辐散(合),促进了这些区域的抬升(下沉)运动。这一特征对应了亚澳季风区的“大陆桥”作用所导致的低层风场辐合,海陆热力差异显著地影响着这些区域季风的进程与活动强度(He et al.,2006;祁莉等，2007)。其中,海陆热力差异推动了亚澳季风,促进了太平洋、印度洋与亚欧大陆之间的大气质量交换。换言之,亚澳季风活动在北半球海陆间大气质量再分布过程中扮演着重要的作用。

3.1　模拟的的纬向垂直环流

随着季节变化,模式大气中的纬向垂直环流圈发生明显的转变,引起海陆间大气质量的调整。由于各个模式资料在500 hPa以下的风场和垂直速度在部分地区存在空缺,而前述分析表明了中上层大气质量输送起主要作用,因此图5显示了500～50 hPa高度范围内的纬向垂直环流。1月(图5a),纬向上自西向东分别存在两处下沉和两处上升气流,即亚洲东部和北美上空存在下沉气流,而东太平洋和大西洋上则出现上升气流。海陆间的上升、下沉气流与辐散风构成了纬向上的四个垂直环流圈。两个顺时针垂直环流圈——欧亚大陆西部和东大西洋之间、东太平洋和北美之间,两个逆时针垂直环流圈——欧亚大陆东部和东太平洋之间、北美和西大西洋之间。

7月(图5b),纬向上的垂直运动的分布情形与1月相反。亚洲东部和太平洋西部以及北美地区出现上升气流,东太平洋和大西洋上则出现下沉气流。其中,亚洲东部的上升区最为明显,这主要是由于强盛的东亚夏季风引起的低(高)层辐合(散)以及伴随的垂直抬升作用所致。纬向上分布的垂直速度与辐散风场构成的垂直环流圈,与1月的相反。各大陆和海洋区域的大气质量随季节变化出现显著的变化。某个海洋或大陆的大气质量的堆积和与其相邻区域的垂直运动密切相关。例如欧亚大陆上的大气质量的季节变化与东太平洋和东大西洋上空的垂直运动有关,太平洋上的大气质量的季节变化与北美大陆和欧亚大陆上空的垂直运动有关。

图5　1月(a)和7月(b)的纬向垂直环流(变量在15～60°N区间进行经向平均;垂直速度已放大50倍)Fig.5　Zonal vertical circulation in (a)January and (b)July(The variables are averaged over 15—60°N in meridional.The vertical speed has been amplified to 50 times)

3.2　模拟的的水汽收支

模式中海陆间的大气质量随着季节的迁移,期间伴随着气柱内水汽质量的显著变化。由于大气中的水汽是地表长波辐射的主要吸收体,其在海陆间的分布影响着大气的热力梯度,从而影响海陆间的大气质量迁移。1月(图6a),整层水汽的辐散分量显示,水汽主要输送到南半球。在热带外地区,水汽通量在东亚、东南亚、西太平洋出现水汽辐散中心区,这与图4a的低层大气质量相匹配,说明这些地区水汽质量变化主要存在于低层大气中,而北美中东部为负偏差,比低层大气通量辐散中心位置有所东移。

图6　扣除年平均后的整层积分的水汽通量的无辐散分量(流线)和辐散分量(箭矢;单位:106 kg·s-1)以及水汽压(阴影区;单位:hPa)　　a.1月;b.7月Fig.6　Vapor pressure(shadings;units:hPa),and non-divergent component(streamlines) and divergent component(arrows;units:106 kg·s-1) of vapor flux integrated from surface up to 300 hPa after the annual mean has been removeda.January;b.July

7月整层水汽的无辐散分量在印度洋、太平洋以及大西洋上存在大值中心(图6b)。整层水汽通量的辐散中心出现在东太平洋和大西洋上空,欧亚大陆东岸以及北美南部出现辐合中心,水汽主要来自副热带海洋以及越赤道气流。水汽压pw与整层水汽通量的辐合中心相对应,在亚洲东部以及北美出现pw较大的正偏差,其中最为显著的亚洲东部的水汽辐合区与其上对应的冬季水汽辐散区形成鲜明的对比,这与亚澳季风系统的活动是密切联系的。陈际龙和黄荣辉(2007)也指出该区域的水汽辐合是亚澳夏季风子系统相伴的强降水主要来源,但各系统水汽输送辐合的动力机理存在明显差异。两大陆上空的水汽含量偏差值高于两大洋上空,这使得陆地上的大气吸收来自太阳和地表的辐射较海洋多,纬向上的热力梯度加大,有利于促使海陆间的大气质量迁移。pw的季节变化与ps相反。7月欧亚大陆上的大气质量达到全年的最小值,而水汽则达到全年的较大值,北美地区亦如此。两大陆上的水汽含量偏差高,其上空的大气暖湿,使大气密度降低,加大了纬向压力梯度,从而有利于推动海陆间大气质量的迁移。

4模拟的大气温度纬向差异及驱动作用

模式中北半球纬向上的热力差异是海陆间大气质量季节循环的主要驱动力。太阳辐射作用下的非绝热加热随季节变化,将引起海陆间温度梯度随季节转变。由于热成风关系,大气环流将最终发生调整,并推动海陆间大气质量的迁移。大气环流的调整受到热力和动力两方面因素的影响,这里主要讨论热力因素的作用。

通过计算Tlow和Tup得到对流层中低层和中上层大气的平均温度(图7)。不论是对流层中低层和中上层,温度分布的空间型是相似的。1月,对流层中低层的平均温度(图7a)显示,两大陆上空为负偏差,欧亚大陆上的负偏差较北美地区的强度大、范围广,而两大洋上则为温度的正偏差,纬向上自西向东为“-+-+”分布。对流层中高层平均温度的空间分布与低层一致,纬向上自西向东亦为“-+-+”分布(图7c)。7月,对流层中低层平均温度(图7b)的纬向分布与1月相反。两大陆上的温度为正偏差,而两大洋上则为负偏差,纬向上自西向东为“+-+-”分布。对流层中高层的平均温度与低层相似,纬向上自西向东亦为“+-+-”分布。

图7　地表至500 hPa 1月(a)、7月(b),以及500 hPa至200 hPa 1月(c)、7月(d)的大气平均温度的纬向差异(单位:℃;纬圈平均温度示于插图右侧)Fig.7　Zonal departures of the average atmospheric temperature(℃) in layer from surface up to 500 hPa in (a)January and (b)July,and those in layer from 500 up to 200 hPa in (c)January and (d)July(The zonal mean temperatures are presented in the right side of panels)

在冬季,由于陆地上的大气柱冷却收缩,促使对流层中低层易于形成高压或高的位势高度,并伴随大气质量辐散,而对流层上层则出现低压或低的位势高度,并伴随辐合,同时陆地上空的温度偏冷,导致图5a中的下沉运动。海洋上的大气柱膨胀,使得对流层中低层易于形成低压或低的位势高度,并伴随辐合,而对流层上层则出现高压或高的位势高度,并伴随辐散,同时海洋上空的加热,导致上升运动(图5a)。这种高低层的配置与图4a、b中的大气质量通量分布对应,从而推动对流层中低层的大气质量由两大陆流向两大洋,而高层则与之相反。而在夏季,陆地上的大气柱受热膨胀,海洋上的大气柱冷却收缩,其高低空的位势高度的分布与冬季相反,从而利于对流层中低层的大气质量由两大洋向两大陆输送,而高层则与之相反。

5结论与讨论

利用CMIP5中的多个模式的输出资料,对北半球海陆间大气质量的季节分布以及驱动因子进行研究,所得结果总体上与再分析资料结果除了大西洋区域之外大体一致。主要结论如下:

多模式集合的北半球海陆间的大气质量随着季节的转变存在明显的迁移。两大洋上的大气质量在1月达到全年的最小值。太平洋上的大气质量在7月堆积达到最大值,而大西洋上的大气质量在6月提前堆积达到最大值。欧亚大陆上的大气质量在12月堆积达到全年的最大值,7月达到全年的最小值。

模式大气中大西洋上的大气质量堆积在6月达到最大,这一结果与再分析资料显示的5月大西洋大气质量达到最大有一定差异(胡潮等,2014)。

大气质量通量的季节变化显示出有趣的时空变化。1月的对流层中低层大气质量通量在两大陆上表现为辐散,两大洋上为辐合;对流层中层以上,两大陆上为辐合,两大洋上为辐散。7月气柱上下层的大气质量流分布情形与1月相反。纬向垂直环流随季节发生明显的转变,从而与海陆间大气运动相联系。

水汽压pw的季节变化与ps相反。1月的水汽在东亚、东南亚、西太平洋以及北美中东部为负偏差,水汽主要输出至南半球,而7月的水汽在亚洲东部以及北美出现较大的正偏差。

1月平均温度在纬向上自西向东呈“负—正—负—正”的交替分布,7月的分布情形与冬季的相反。由于海陆间热力因素的驱动,高低层的大气环流系统产生调整,从而利于推动大气质量海陆间的季节迁移。

致谢:CMIP5资料取自美国Lorenz国家实验室(LLNL/PCMDI,Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison);文中插图绘制使用NCL、GrADS软件。谨致谢忱!

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(责任编辑：刘菲)

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