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亚热带夏季四叶型加热模式及相关大气环流

Guoxiong Wu Yimin Liu

大气科学和地球流体力学国家重点实验室（LASG），大气物理研究所（IAP），中国科学院，北京，中国

2002年9月2日收稿; 2003年1月17日修订; 2003年1月27日通过; 2003年3月4日出版。

在亚热带大陆及其邻近的海洋的夏季有基于数据诊断的四叶型加热模式，西部的海洋区域是由强长波辐射冷却控制(LO)，相应的欧洲大陆的西部和东部是由感热和冷凝加热主导。海洋到东部是由双叶主要加热为主导，伴随着长波辐射冷却到盛行冷凝加热。这些构成了一个LOSECOD四叶型加热。它的一般特征是在整个大陆上加热，在海洋上空降温。其独特的循环模式伴随着这样的加热模式：在对流层上部，大陆上空的反气旋环流伴随着海洋东边和西边的气旋性环流。在地表附近，气旋环流大陆上伴随着反气旋环流两边的海洋。这个循环特征是解释为大气对四叶型加热的大气热力适应过程。对应的，这进一步证明了全球夏季副热带加热和环流可以看作一个四叶加热和环流 “嵌套” 模式。

1 介绍

许多研究（Queney，1948; Charney和Eliassen，1949; Bolin，1950; 1950，Yeh，Rodwell and Hoskins，2001）已经表明了大型山区在冬季大气环流形成中的重要性。然而夏季亚热带的环流似乎与热力强迫有关，其形成机制与其他纬度相比更为复杂（Hoskins，1987）。近年来，季风冷凝加热对亚热带反气旋形成的影响已有报道（Hoskins，1996; Wu等人，1999;Wu和Liu，1999; Liu等人，1999,2001; Rodwell和Hoskins，2001; Chen等人，2001）。所有这些研究都表明，与观测相比仅靠季风加热强迫的地表反气旋太弱。Liu等人 （2001，图8）进一步表明，在季风凝结加热作为唯一外部强迫的数值试验中，对流层高层诱发的南亚高压也太弱，而西太平洋对流层中层副热带反气旋过强。然后他们证明，通过模拟引入陆地表面感热使其接近观察强度。另一方面，正如罗德威尔和霍斯金斯（2001，图8）所示，东部海洋的局地降温确实显着增强了海洋原地沉降和亚热带反气旋。所有这些结果都表明，应该综合考虑不同的非绝热加热对副热带反气旋的形成具有不同的作用（Liu and Wu，2000）。在这方面，本研究采用1980年至1997年的国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP / NCAR）（Kalnay等，1996）的再分析资料，以证明个体的分布以及全夏季亚热带地区的非绝热加热对环流的影响。

2 四叶型加热和相关循环模式

在北太平洋东部、北美和西部北大西洋的七月平均的整体柱式加热(PNAA，150-40°W)如图 1A所示。它的主要特征是海洋冷却和亚热带大陆上空加热。图1b演示了强长波辐射冷却(LO)的分布以及该地区主要的局部加热。因为在海洋上空，长波辐射冷却(LO)通常会超过其他加热，只有那些强于220Wm的强长波辐射冷却LO使得二次加热可以被观测到。为确认在不同地点不同的加热方式的主导性，图1b所示典型站点L(30°N，122°W)，S(30°N，108°W)，C(30°N，30°N， 80°W)和D(30°N，60°W) 在不同的加热叶内长波辐射冷却LO，扩散感热(SE)，深对流加热(CO)和总加热(TH) 的垂直剖面分别如图1c所示。

通过比较图1a和图1b，根据它们的加热特征，PNAA区域可以被分成四个子区域。在东太平洋上空，由于强度超过-220 Wm^-2的长波辐射冷却(B)造成强负总加热TH(A)。图1c(左)表明在这个长波辐射冷却（LO）叶上扩散感热（SE）较弱，没有观察到明显的对流加热(CO)。在theta;=0.85-0.95之间的低层中出现-6.5Kd的强长波辐射冷却。在图1a中，北美西部和东部的两个加热极大值与图1b所示的扩散感热SE和深对流加热CO中心相吻合，最大加热量分别超过150 Wm^-2和200 Wm^-2。在扩散感热SE叶上，深对流加热CO是次要的(图1c，左中)， 扩散感热SE在对流层低层占主导地位，最大为在地表附近的6kd^-1 。

在对流加热CO叶上方(中部右方),主要特征是在对流层上部有超过3kd^-1的巨大长波辐射冷却。在大西洋往西，在西经45°有50-150 Wm^-2的冷凝加热(图1b)。图1c显示在D站点，在s=0.2至0.6之间的层中对流加热CO 加短波辐射加热(图未显示) 超过长波辐射加热LO，而在这层之上和下面，它们比长波辐射加热LO弱。

然后，在这个叶中的柱状集成加热是负的(图1a)。这个特征对流加热叶中区分了D叶，尽管两叶中都存在着显著的潜热加热和潮湿气候。作为一个整体，总加热剖面的形状在 LO，SE，CO和D叶(图1c)被确定。分别采用LO、SE、CO和双主导加热。因此，PNAA上的大气非绝热加热表明四叶型加热由海洋到西部上空的长波辐射冷却LO，西大陆上空的扩散感热SE，东大陆上空的对流加热(CO)，海洋到东部上空的D 形成“LOSECOD”四重态，加热,总的说来在大陆上空加热，在海洋上空冷却。

图1.七月在PNAA地区非绝热加热按列整合的平均分布总加热

（b）主要区域加热，蓝色：长波辐射冷却（LO），黄色和红色：显热（SE）绿色：冷凝加热（CO）

（c）垂直在标记位置L，S，C，和D分别代表LO，SE，CO，和D叶。

单位：（a）和（b）中Wm^-2，（c）中Kd^-1。

图2.（a）100 h Pa和（b）7月1000 hPaPNAA地区平均环流

彩色阴影表示位势高度偏离赤道纬向平均值以位势单位为单位（GPM）。箭头代表水平风。在与LOSECOD四叶型加热的循环的联系中，该地区的循环有独特的模式：低层对流层大陆上空为气旋而在其西部和东部的海洋为反气旋，而在对流层上层，反气旋在大陆上空并伴随着在两边的海洋上进行气旋式环流。

图3.北半球的7月平均分布

1. 总加热（b）以Wm^-2为单位的当地主要加热及风向量与赤道位势高度的偏差

（c）100 h Pa和（d）1000 h Pa的单位纬向平均值

加热分布（a和b）表明了一个四叶型LOSECOD加热模式的嵌套，以及环流（c和d）也显示了在图2中展示的嵌套循环模式。

3 四叶型加热和环流模式的嵌套

在亚热带北部有两大大洲。除PNAA区域外，其余部分被定义为大西洋-非洲-欧亚-太平洋区域或AAEP。其他地方表明了四叶型加热主要是受陆地分配的影响。因此横向边界是在SH可以忽略不计且表面的经纬风要素消失的海洋的经度决定的。在整个亚热带北部的七月平均整体柱式加热与主局部供热分别如图3a和3b所示。他们同意表观热源Q1，表观水汽汇Q2 （柳井等，1973年）由1980年至1994年的同一数据源计算（柳井和富田，1998年）的长波辐射 。每个叶的加热的垂直剖面类似于由Yanai（1992年）和柳井 和Tomita 和 Tomita（1998）等人制作的图1c，因此未在这里展示。尽管大部分区域由一种定义为与PNAA相似的四叶型加热的AAEP所占据。强 LO叶位于北大西洋东部。SE叶占据了AAEP广袤的西部和中部地区。在东亚季风区上空发现强CO叶。虽然超过 50 WM^-2的深凝结潜热从东海延伸到日本(图3b)，辐射冷却超过了西太平洋上的加热(图3a)。如图3c和3d 分别是所示的在100和1000 hPa的北半球7月份的平均环流，如图沿着亚热带的AAEP,如图2所示的也可以检测到循环模式，并与LOSECOD四叶型加热很好地协调。在1000 hPa时，气旋性少数盛行于扩散感热（SE）和长波辐射冷却（CO）叶。在100 hPa，与巨大的经向的和CO叶的扩散感热（SE）和长波辐射冷却（CO）叶相关，反气旋覆盖整个AAEP域，其偏差高度是PNAA的3倍。这是因为在没有平流的情况下，强迫气旋/反气旋的位势高度是与强迫的强度和方形的纬向半长成比例的。另外，当AAEP和PNAA的环流模式并排放置时，100 hPa的两个波谷和1000 hPa的两个强副热带高压仅出现在交界处。结果表明，每个强海洋表面的副热带反气旋，其东部受辐射冷却和大陆感热的影响较大，而西部则在很大程度上受到与夏季风有关的辐射冷却和凝结加热的影响。

在亚热带南部有三大洲。通过选择西经110度、西经20度和东经90度作为边界，如图4，南部亚热带可分为三个区域：太平洋-南美洲-大西洋(PSAA)大西洋-南非-印度洋(Asai)和印度洋-澳大利亚-太平洋(IAUP)区域。如图4a所示是一月平均TH的分布，图4b是主要的局部加热 。LOSECOD四叶型显示在南纬15度至35度之间的每个区域，每个区域伴随有位于大陆上空SE（感热加热）和CO的中心加热叶，及海洋上空的辐射冷却。南半球100和1000 hPa1月平均环流分别如图4c和图4d。同时，如图2的循环模式在每个大陆上空都很突出。南亚热带独立加热模式的经向跨度之间的差别很小。因此，三个对流层上部反气旋的强度 (大于30 gpm)相似(图4c)。当三种环流模式并排平铺时，对流层上部的波谷和地表附近的反气旋是出现在在三个连接边边缘，就像在北半球部的情况一样。

图3.南半球的1月平均分布

1. 总加热（b）以Wm^-2为单位的当地主要加热及风向量与赤道位势高度的偏差

（c）100 h Pa和（d）1000 h Pa的单位纬向平均值

加热分布（a和b）表明了一个四叶型LOSECOD加热模式的嵌套，以及环流（c和d）也显示了在图2中展示的嵌套循环模式。

4 结论和讨论

我们已经发现夏季亚热带在每个大陆及其临近海洋，存在一种四叶型加热LOSECOD及在大陆上空地表气旋和高层层反气旋，在海洋上洋面反气旋环流高空气旋环流的相关环流型。夏季亚热带环流可视为这种循环模式的嵌套。在这种嵌套中，亚热带对流层上部的反气旋出现在环流模式的中心，而在地表附近它们出现在两个相邻环流型的边缘。 因为四叶型的纬向大小与在除AAEP以外的所有地区是相当的，嵌套的强度除了在AAEP上非常强外都其他地区相似。 因此，在AAEP区域可观察到的最显著的对流层上部反气旋(南亚高压) ，最广阔和最险峻的沙漠(撒哈拉沙漠， (塔克拉玛干和戈壁沙漠等)，最强烈的夏季风(亚洲夏季风)。

观测到的全球气候总体分布情况非常复杂。这不仅取决于海陆分布也与地球的地形， 不同气候子系统之间的相互作用，以及不同纬度的不同环流模式等有关。 虽然作为第一次近似，如图2所示的循环模式 ，可以认为 大气对LOSECOD四叶型的热力响应，其通过PV-Q视图和Sverdrup 平衡， 而副热带环流形成过程的许多动力方尚不清楚。例如，本地包括Hadley环流在内的经向环流如何与副热带环流相互作用？在多大程度上加热模式取决于大气环流模式？纬向平流与山地 强迫如何影响他们的配置？一个更重要的问题是为什么加热呈现四叶型模式。在任何情况下，独特的 LOSECOD四叶型加热及在夏季亚热带相关环流的理解将帮助我们研究气候多变性和可预测性。

致谢 这一工作由中国中国科学院在编ZKCX2-SW-21并授予优秀博士学位论文奖，由中国自然科学基金会在编401350C、40221503和49905002的资助下进行，感谢 Rongcai Ren女士绘制图1C。

参考文献：

Bolin, B., On the influence of the Earthrsquo;s orography on the general character of the westerlies,Tellus,2, 184–195,1950.

Charney,J.G., and A Eliassen, A numerical method for predicting the perturbations of the middle latitude westerlies, Tellus, 1, 38–54, 1949.

Chen,P.,M.P.Hoerling,and R.M.Dole, The origin of the subtropical anticyclones, J.Atmos.Sci.,58,182–1835,2001.

Hoskins,B.J.,Diagnosis of forced and free variability in the atmosphere, in Atmospheric and Oceanic Variability,edited by H. Cattle, pp. 55–73,

James Glaisher House,Bracknell,UK,1987.Hoskins,B.J.,Towards a PV-q view of the general circulation,Tellus.Ser.AB,43,27–35,1991.

Hoskins, B.J.,On the existence and strength of the summer subtropica anticyclones,Bull.Am Meteorol.Soc,77,1287-1292,1996

Kalnay, E.,et al.,The NCEP/NCAR 40-year reanalysis proj

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