大气科学学院杨修群教授课题组在西北太平洋夏

北半球夏季季节内振荡是热带大气重要的次季节变化信号,其活跃于亚洲夏季风区,并具有显著的北传特征。西北太平洋BSISO在影响我国的东亚夏季风的建立,梅雨等季风雨带的季节性推进,夏季风的活跃、中断及其伴随的持续性强降水过程中都扮演重要的角色,同时也是东亚夏季风短期预测的关键信号。近年来海气相互作用在热带大气季节内振荡中的作用被越来越重视。我校大气科学学院杨修群教授课题组对西北太平洋30–60天尺度BSISO中海气相互作用所扮演的角色进行了深入研究,全面分析了其中大气与海洋相互作用反馈的几种主要途径,指出海气相互作用可为BSISO在大气内部动力机制之外提供额外的北传机制及低频振荡源。研究成果近日发表在《Journal of Climate》2018年第4期(https://doi.org/10.1175/JCLI-D-17-0109.1)。

北半球夏季季节内振荡对大气环流和天气气候的演变具有重要作用。被誉为“世界第三极”的青藏高原位于东亚副热带地区,其动力和热力强迫对亚洲夏季风的调控作用已被广泛研究,但是,在季节内尺度上,深入理解和认识高原地区夏季ISO的特征、起源及影响,将有助于提高我国夏季延伸期预报能力。

优信彩票购彩大厅,西北太平洋30–60天BSISO伴随的对流异常起源于赤道西太平洋,经向传播至15°N附近加强,并消散于东亚副热带,主周期40天左右。利用超前/滞后合成分析,研究发现BSISO对流异常的传播伴随显著的、有组织的海温异常演变,并与对流异常在时间及经向空间分布上呈准正交关系,即活跃对流超前冷海温异常,而冷海温异常超前抑制对流,间隔均为1/4周期左右。这种时空上准正交的关系表明大气与海洋两者之间可能存在相互作用。

中国科学院大气物理研究所王美蓉和段安民针对青藏高原夏季ISO的研究发现其主导周期是准双周振荡,且在环流、降水和非绝热加热场中均显著存在。高原地区的QBWO信号多数起源于赤道西太平洋,并首先向西北方向传播至孟加拉湾和印度北部地区,之后转而北传至高原地区,高原地区的QBWO还可向东传播至东亚地区,构成了顺时针旋转的传播路径。其中QBWO的北传分为两个阶段,且主要传播机制有所不同:当对流位于20°N以南时,在东风垂直切变背景下对流中心北侧产生的正压涡度使得边界层辐合向北移动,从而导致对流的向北传播,这一阶段以东风垂直切变机制为主。而当对流位于20°N以北并向高原传播的过程中,低层水汽平流会扰动对流前方的低层大气稳定度,使得比湿中心向北移动至对流前方,进而令对流中心向北移动,QBWO向高原传播,这一阶段低层水汽平流机制起主要作用。此外,文章还指出BQWO是亚洲夏季风三个季风子系统(东亚夏季风、南亚夏季风和高原夏季风)的共同显著周期,是季节内尺度上三者相互联系的重要“桥梁”。

在西北太平洋BSISO中,大气主要通过两种机制作用于海洋。一个活跃对流通过增加积云覆盖减少到达海表的短波辐射,同时其伴随的低层气旋性环流异常与背景西南季风叠加,在其中心北了表层全风速,从而减少了海表向上感热、潜热通量。通过上述两个主要过程,一个活跃对流在其中心北侧形成一暖海温异常、并在约1/4周期后达到最强;一个抑制的对流则产生相反的效果。

相关成果于2015年在Journal of Climate上发表。

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论文信息:Meirong Wang, and Anmin Duan, 2015: Quasi-Biweekly Oscillation over the Tibetan Plateau and Its Link with the Asian Summer Monsoon. J. Climate, 28, 4921–4940.

图1 西北太平洋BSISO中对流异常与海温异常的周期性北传及准正交关系。

论文链接

海温异常反馈大气的主要途径有三种。首先,活跃对流中心北侧的暖海温异常加大了海气温、湿度差,增加了向上感热、潜热通量并使之形成正异常,继而通过垂直扩散过程加热、加湿低层大气。其次,暖海温异常对表层大气的直接加热提升了低层大气层结不稳定性。活跃对流中心南侧的冷海温异常在上述两个过程中起相反作用。最后,经向海温梯度异常的作用可减弱活跃对流中心及其南侧的低层辐合,而在超前活跃对流1/4位相的暖海温异常区加强低层辐合。以上三种海温异常的主要反馈过程可使活跃对流在其中心及南部区域减弱,同时抑制其北侧的异常下沉,并在暖海温异常区触发可视为深对流发展前兆和孕育阶段的浅对流。

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本工作还在结合前人研究的基础上发展了一套定量化的、可区分物理过程的低层大气水汽收支异常诊断方案。诊断结果表明,在活跃对流中心以北、超前其1/4位相的暖海温异常区,大气的净作用是消耗低层水汽;而暖海温异常的反馈加强了蒸发和低层辐合,其净作用为加湿低层大气,并导致了对流中心前方正的低层水汽含量时间倾向异常。从水汽收支异常的角度来看,海洋的反馈对30–60天BSISO对流异常在其中心北侧发展、加强起决定性的作用,而大气内部机制则不利于这一过程。

图: 1979-2011年QBWO的位相空间,QBWO的状态分为8个位相,主要负对流区的大致位置也在位相中有所标示, QBWO的合成生命史,10-20天滤波的整层积分大气视热源和500 hPa水平风场,矢量箭头和打点区域表示通过90%置信度水平。

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