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青藏高原大气热源与东亚大气热源和大气环流的关系

WANG YueNan¹，ZHANG Bo^1,2，CHEN LongXun²，HE JinHai¹，

LI Wei²amp;CHEN Hua³

¹College of Atmospheric Sciences, Nanjing University of Information Scienceamp;Technology, Nanjing 210044, China;

² Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081，China;

³ Changzhou Meteorological Bureau, Changzhou 213001，China

摘要：本文利用1971-2000年NCEP/NCAR逐日再分析资料，通过倒算法计算，得到大气热源资料集，并采用相关分析和对比分析相结合的方法研究了夏季青藏高原大气热源（AHS）对大范围大气热源和大气环流的影响。结果表明：夏季青藏高原处的大气热源可以激发出从东亚大陆沿着东海岸直达西太平洋到白令海峡甚至可能影响到北美的热源波列。此外，如果夏季高原东部的热源偏强时，南亚高压位置偏东南方向，西太平洋副热带高压则偏西南方向；相反，如果夏季高原东部的热源偏弱时，南亚高压的位置则偏西北方向，西太平洋副热带高压偏东北方向。因此，就年际变化而言南亚高压与西太平洋副热带高压在东西方向上存在“相向而行，背向而去”的关系，其中高原东部的大气热源似乎对此有热力的作用。

关键词：青藏高原；大气热源；大气环流

青藏高原的大气热源变化以及其对大气环流的影响是青藏高原气象学研究的一个重要课题，一直受到国内外气象工作者的重视。1957年叶笃正等人^[1]首次提出青藏高原上空对流层大气夏季是热源在冬季是冷源。克里希纳穆提等人^[2]利用数值模拟实验，提出夏季青藏高原的大气热源有可能引发南亚高压的形成。随后，叶笃正等人^[3]使用转盘模拟实验，证明南亚高压的形成和维持是由于青藏高原的加热作用造成的，他们证明了夏季青藏高原的加热作用不仅影响季风区和北半球副热带地区的天气变化，还会对全球的大气环流产生影响。季国良等人^[4]和Luo等人^[5]都曾研究过青藏高原大气热源变化，并取得许多重要的成果。Chen等人^[6]从辐射、感热、凝结潜热等物理量出发，计算了1979年夏季高原平均大气热源的强度。Yanai等人^[7]使用基于GARP全球试验（FGGE）数据和1979年青藏高原气象科学试验（tpmse）数据，分析了青藏高原的大气热源，得到该年夏季青藏高原的大气热源数值，和Chen等人^[6]的研究结果相符合。

关于青藏高原对大气环流的影响的研究较多，不仅是因为高原的巨大地形对大气环流的动力作用，还因为其高的下垫面可以直接加热对流层中层大气。正是夏季青藏高原上空强烈的大气热源形成了高原上空低层的气旋式环流和高空的反气旋性环流。近几年来有不少学者研究了高原的加热作用对中国大气环流和降水的影响。罗会邦等人^[8]根据1983～1992年间的探空资料计算了夏半年高原东部的热力状况，并且研究了高原热源与中国降水的关系。他们发现，如果高原上空的热源增强，长江上游和淮河流域的降水量会增加，而华南地区的降水量会减少。Wu和Zhang^[9]则研究发现从春季开始增强的地面加热对季风的爆发有影响，并提出高原持续的感热加热会导致高原东部的温度上升。研究还表明，高原东部低层气流向高原东部辐合为亚洲夏季风最早在孟加拉湾东北地区爆发提供了有利条件。刘新等人^[10]利用NCEP/NCAR从1958年到1997年的加热速率资料，计算了7月的高原加热指数以及和同期环流场的相关系数，研究结果认为高原加热会引发罗斯贝波列的向外扩散，使高原加热不仅会影响当地的大气环流还会影响北半球甚至全球的大气环流。高原加热还可能导致西太平洋副热带高压向南移动，致使南北气流在江淮地区交汇。此外，高原加热异常会导致中高纬度“两脊一槽”环流形势异常，有利于冷空气侵入中国，从而导致中国天气和气候异常。段安民和吴国熊^[11]发现高原不同地区的大气加热异常所造成的东亚大气环流形势和降水也是不相同的。Zhao和Chen^[12]通过对观测资料的分析，发现在夏季高原热源强（或弱）的年份，在高原及其周边地区的对流层的中下层有气旋性环流（或反气旋环流），在长江流域低层会出现异常的西南风（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有关。例如，夏季高原热源与夏季长江流域降水量呈显著正相关。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，结果表明了夏季高原会引发一个遥相关波列。吴国雄^[9]等人提出了青藏高原感热气泵（SHAP）的概念并指出在高原的热力异常可能会通过影响SHAP影响高原及其周边地区的环流变化。结果表明：青藏高原在夏季不仅是一个重要的热源，也是一个重要的负涡度源，它激发的罗斯贝波列对亚洲乃至北半球的大气环流会产生影响。

以上的研究提供了高原加热及其环流状态的一般背景，分析随着青藏高原加热的异常年际变化北半球大气环流的演变，并揭示了高原加热对环流场的影响机理。然而，由于缺乏科学实验观测资料和NCEP/NCAR再分析资料中非绝热加热资料的可信度无法确定，他们无法说明高原大气热源对其他地区热源的影响及影响方式。本文利用Yanai等人^[14]提出的大气热源计算方法计算了从1971年到2000年大气热源数据集，研究青藏高原上空大气热源的变化和夏季东亚大气环流的关系，并为进一步研究青藏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 资料的选择

本文使用1971年至2000年的NCEP/NCAR逐日再分析资料，包括位势高度场、风场及温度场，水平分辨率为2.5°x2.5°，垂直分层为从1000hPa到100hPa共12个标准等压层。

1.2 大气热源的计算

根据热力学方程，大气热源可以表示为:

其中，Q₁为单位质量大气的热源（汇），包含净辐射加热（冷却）Q_R、潜热加热和扰动产生的垂直感热输送，c为凝结率，S为扰动感热通量，omega;为扰动垂直速度，其它均为常用符号。对（1）式用质量权重对整层大气积分，得到：

其中P_s和P_t分别为地面气压和大气层顶部（100hpa）气压，式中＜Q1＞是整层大气中单位面积气柱内Q1的垂直积分。＜Q1＞为正（负）时，表示空气柱中为非绝热加热（冷却），即大气热源（汇）。

＜Q1＞可按式（2）或式（3）两种方法进行计算。通常将用前者进行的直接计算称为正算法，可得到大气中热源（汇）不同分量的贡献大小；利用式（3）进行的间接计算称为倒算法，只能得到大气中热源（汇）总量的大小。1992年Yanai等人^[14]就采用倒算法计算过青藏高原上大气热源（汇）的变化。

由于正算法需要大气凝结加热，感热及垂直交换传输和辐射平衡等数据，而我们主要关注的是大气中总的热源的变化，因此，本文使用NCEP/NCAR再分析资料采用倒算法得到1971年至2000年逐日的整个对流层的大气热源。

2 夏季高原东部与其他地区的大气热源之间的关系

青藏高原的大气热源是否与其他地区的大气热源有关系现在还尚未确定，因此我们将在本文中对此进行讨论。我们使用高原东部（90°-100°E，27.5°-37.5°N）的大气热源作了与其他地区大气热源的夏季相关，如图1所示。可以看出，高原东部热源与南海北部和台湾北部的大气热源呈显著负相关。此外发现似乎有一支热源波列（HSW）从台湾海峡途径日本（正相关中心）到千岛群岛（负相关中心），再由北极白令海峡（正相关中心）向北美传播，波列上的每个相关中心都通过了95%的显著性检验；但高原东部不在这支波列上。因此，在年际变化上，有一支沿东亚大陆东部沿海地区向东北方向传播直到北美的大气热源波列。

那么热源波列在日变化时是否存在呢？我们选取了高原东部热源较强的1974年和较弱的2000年夏季进行对比分析（图略），发现没有任何明显的热源波列出现在高原东部与其他地区热源的相关。

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）

3 夏季高原东部的大气热源与100hPa和500hPa上大气环流的关系

青藏高原的热力作用是通过改变其上空大气的热力状况和环流，从而影响其周围及邻近地区的大气环流和天气气候。刘新^[10]等人研究认为高原的加热作用会激发罗斯贝波列的向外频散传播，使高原加热不仅影响当地的大气环流也对北半球甚至全球的大气环流产生影响。但他们所应用的热源数据与我们的不同，考虑到NCEP/NCAR再分析资料中非绝热加热资料的可信度，为了研究夏季青藏高原上空的非绝热加热对东亚大气环流的影响，我们用100 hPa和500 hPa上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 热源与大气环流年际变化的关系

　　图2是高原东部大气热源与100hPa和500hPa上涡度的相关关系分布图。可以看出，在高原大气热源强（弱）的那年，高原东部500 hPa上的气旋式环流和100 hPa上的反气旋环流强（弱），即如果高原东部大气热源强时，高原上低空为气旋性环流而高空为强反气旋环流，但低空环流中心在高原上空而高空的反气旋中心可能偏向高原的南部，这是夏季青藏高原上在季风活跃期环流的特点。相反，如果高原东部热源较弱时，则这是高原弱季风期。

还可以从图2中看出，无论是100hPa还是500hPa，高原热源和25 °N西太平洋西部、南海北部和华南地区的涡度有明显的负相关关系，其中心都通过了95%显著性检验。通过这个相关中心，高低空出现位相一致的涡度波列。高空和低空正相关中心位于南海南部，25°N的西太平洋西部地区和南海北部及华南地区为负相关中心，华北渤海地区到日本为正相关中心，鄂霍次克海西部，白令海峡西北部为负相关中心，勘察加半岛北部、北美有正相关中心，这个结论与刘新等人^[10]用NCEP/NCAR加热率数据得出的波列相一致。在本文中这会被更详细地说明，这同时也间接地证明了本文计算出来的大气热源数据的可信度。可以看到这支波列在高原以外地区的上层和下层的相关系数的符号是相同，即上下层同为气旋或反气旋系统，所以几乎是一种相当的正压系统；然而在高原上上层和下层的相关系数符号是相反的，则是一个斜压系统。

图3是高原东部大气热源强年和弱年合成环流场的差值图。以距平绝对值达到一倍均方差为标准，强热源年选为1974，1977，1980，1987和1998年，而弱热源年选为1978，1994，1996，1997和2000年。从图3可看出，当热源较强时，在里海-巴尔喀什湖和渤海湾等地区100 hPa高度上有气旋式环流，而在青藏高原及其东南部地区100 hPa高度上有反气旋式环流；在青藏高原和渤海湾地区500 hPa高度上有气旋性环流，而在台湾和南海地区500 hPa高度上有反气旋式环流，这与图2的结论相符。

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）

3.2　热源与南亚高压、西太平洋副热带高压的关系

　　早在上个世纪60年代，通过分析夏季南亚100 hPa高度上环流的变化与西太平洋副热带高压的运动后，陶诗言等人^[15]得到南亚高压围绕青藏高原的东西振荡及其与长波调整的关系，并提出在日际变化上南亚高压和西太平洋副热带高压在东西方向上的“相向而行相背而去”的规律。那么在年际变化上这两者是否还存在类似的关系？如果有，其作用机理是什么？我们认为这可能与青藏高原上空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周围地区上空位于对流层上层的一个大型高压系统，是北半球夏季对流层上层最强大、最稳定的环流系统。在100 hPa上涡度和热源相关图中可看出，热源与高原东南部、日本南部的西太平洋地区是呈负相关的，而与渤海湾地区是呈正相关的，这表明，如果在高原东部的热源强（弱），南亚高压将偏东南（西北）方向（图2）。

副热带高压是由于地球自转和非绝热加热共同作用而产生的，其南北移动及东西进退很大程度取决于非绝热加

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