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青藏高原准双周振荡及其与亚洲夏季风的联系

摘要

季节内变化(ISV)在亚洲夏季风区域尤为突出和独特。在本工作中，青藏高原(TP)夏季季风季节（7-8月）的主要ISV模态及其结构和演化是由观测站观测、全球降水气候学项目降水数据和1979-2011年再分析资料确定。结果表明准双周振荡(QBWO)是TP上ISV的主要模态，并且在环流、降水和非绝热加热场方面都很明显。特别地，QBWO与TP夏季风的爆发期和活跃/中断期密切相关。在大多数情况下，QBWO起源于赤道西太平洋，首先向西北传播到孟加拉湾和印度北部，然后向北到TP东南部，最后向东到东亚地区，显示出顺时针方向的传播路径。有两个主要机制能够解释QBWO信号的向北传播。第一个机制是当QBWO信号位于20°N以南时，是由东风垂直切变引起的正压涡度的产生，导致对流向北移动。第二个机制是一个水汽平流效应，它能解释向TP北部更远方向的传播，使得对流前的低层大气不稳定。进一步的分析表明，QBWO在连接亚洲夏季风，一个大尺度的季风系统的不同子系统的ISV中发挥作用。

1. 介绍

季节内变化(ISV)模态主要包括30-60天的振荡[也称为 Madden–Julia振荡（MJO）在北方冬季和北方夏季季节内振荡（BSISO）]和10-20天振荡[也称为准双周振荡（QBWO）]。Madden和Julia首先发现在热带太平洋30-60天的振荡，并证明它存在于全球热带地区。QBWO首先在印度洋和西太平洋中发现。随后的研究表明这两种主要的ISV模态在副热带地区也很明显，甚至全球。

众所周知，亚洲夏季风的活跃和中断位相受ISV的影响。Yasunari发现40天波动与整个亚洲季风区域上的主要活跃和中断周期密切相关。QBWO也调节着印度夏季风，中国南海夏季风和亚洲东部夏季风（EASM）的活跃和中断位相。

青藏高原（TP）的高温加热在夏季环流的形成和变化中，至少在亚洲，发挥着重要作用。之前的研究已经表明TP在亚洲夏季风区域中是一个相对独立的子系统，已经认识到在风，对流，降水，相对涡度和大气非绝热加热方面的相关多尺度ISV模式。Nitta表明在TP东部的整层大气热源存在10-15和30天的中期变化周期，这与南亚高压（或青藏高压）密切相关，可视为整个亚洲夏季风系统的一个ISV活动。他等人发现在夏季，TP东南部是黑体温度最活跃的ISV区域。特别是TP上的ISV模态在某种程度上可以影响当地，甚至大尺度天气系统，包括高原低涡，副热带高压和南亚高压，还有中国东部降水异常。在TP上的ISV信号也许来源于低纬，比如孟加拉湾和TP南部边缘，或者中高纬度地区。其他研究也认为TP本身也可作为ISV模态的源和汇。

相比大量文献关注亚洲东部和南亚季风区域的ISV，在青藏高原季风区域的ISV鲜受关注，主要是因为观测资料的缺乏。另外，大多数研究主要基于个例研究。因此，有必要通过分析长期观测数据集对TP上的ISV进行研究，包括它的特点和传播路径。而且，从亚洲季风系统的角度来讲，ISV模态在TP夏季风（TPSM）的爆发，活跃和中断位相中的作用以及它与ISV的其他两个子系统的亚洲夏季风的联系[即EASM和南亚夏季风（SASM）]需要进行全面的探索。

在本论文中，我们对1979-2011年期间进行了观测研究，以深入了解TP上的主要ISV模态的结构和传播特征以及它与毗邻地区季风活动间的联系。在第二部分，我们给出了对于数据和统计方法的简单描述。TP上的ISV的特点，包括主要周期和传播，都在第三部分作了研究。在第四部分，QBWO和TPSM的起始，活跃，中断位相间的联系得出了研究。第五部分则描述在整个亚洲季风区域的QBWO的特定传播路径和演变过程。最后，第六部分总结并讨论了此研究的主要结论。

1. 数据和方法

本研究采用以下数据集：

1. 在71个站点进行常规地表气象观测，中国气象局提供初步质量控制：1979年至2011年每天收集四次数据，包括地面温度，地表温度，地面10m风场，日累积降水量和站点气压等变量。
2. 欧洲中期天气预报中心（ECMWF）临时再分析资料（ERA-Interim）的水平分辨率为1.5°*1.5°，垂直37层：此处使用的分析包含1979-2011年，且日均场是由初始的6小时数据简单平均计算而出。我们选择ERA-Interim是因为它相比旧一带再分析数据显示出明显的改进，例如NCEP–NCAR和ERA-40再分析资料，尤其是在TP上的温度和水平风场上。而且，ERA-Interim在一些可用再分析数据中表现出最高的技能，代表了全球季风降水的气候态，长期趋势和年际变化。
3. Pentad全球降水气候项目(GPCP)是一项合并分析来自卫星和定量观测的降水估计值，它是全球2.5°*2.5°的格点，涵盖1979-2011年期间。每日的GPCP降水数据的水平分辨率是1°times;1°且1997-2011年的数据也被使用。Ma等人认为相比气候预测中心(CPC)降水合并分析（CMAP）而言，GPCP在中国大部分区域显示出更小的降水偏差。

以下段和吴，在中央和东部TP（CETP）的71个站点的表面感热通量是由大量空气动力学方程计算而来。垂直积分的大气视热源（lt;Q1gt;）和水汽汇（lt;Q2gt;）是通过基于热力学和水汽方程的剩余预算分析得来的，并且使用了 ERA-Interim。

ISV的组成部分是从“原始”每日和每五天的时间序列中提取的，首先去除了气候态，然后通过取五天滑动平均去除天气波动。气候态是通过气候学5天的滑动平均时间序列计算的，与杨等人采用了一样的方法。因此，本研究中要检查的ISV成分是ISV的逐年变化部分，定义为短暂的季节内振荡（TISO；杨等）。

1. TP上ISV的特征
2. TP上ISV的主要周期

为了获得TP上大气变率的主导周期，我们分析了TP地区1979到2011年8个气象要素的ISV成分的33个夏季（6月至8月）的平均功率谱。很明显，8个气象要素均表现出明显的10-20天的周期，包括气温（图1a）,降水量（图1b），位势高度（图1c），和地表感热通量（图1d），平均在CETP的71个气象站。在lt;Q1gt;（图1e）和lt;Q2gt;（图1f）中可以检测到相似的结果, 还有500hPa（图1g）和200hPa（图1h）经向风, 由 ERA-Interim在整个TP区域（25°～40°N,75°～105°E）估算而得。另外，除了地表感热通量外，几乎在所有这些变量中都存在一个明显的7-9天的周期。然而，对于超过30天的周期，仅在一些变量如位势高度和在500hPa和200hPa经向风中是显著的。

为了检验在TP上ISV的年际变化，我们选择了降水量作为一个典型变量，从1979到2011年的每年都对降水场作光谱分析（图2a）。很明显，QBWO在每个独立的年份里都很重要，尽管在某些年份里超过20天的周期信号（如：20-30和30-60天）也是明显的。

在图2b，绘制了在CETP的71个站点观测到的每日降水时间序列的每个ISV模态的各个功率谱中的逐年变化贡献百分率。很明显，QBWO的方差贡献在大多数年份超过20％，甚至在某些情况下超过了50％。例如，QBWO在1989年解释了近70％的方差。在1979-2011年，33年平均的QBWO占TP上日降水ISV变化的35％，表明QBWO在TP上降水量ISV中占主导地位。相比之下，30-60天的振荡显示出更大的年际变率，在33年间的平均方差贡献大约是24％。与此同时，20-30天的振荡通常小于20％，除了三年（1981, 1982, 和

2005），平均方差贡献是9％。因此，20-60天的振荡占总方差的约33％，表明它在某些年份也很重要。

1. QBWO在TP上传播的特征

QBWO在TP上经向传播的特征可以通过 Hovmouml;ller图表来说明，该图表是在1979-2011年期间沿着 70°–100°E每年10-20天过滤的每日 lt;Q 1gt;。通过lt;Q 1gt;的QBWO传播方向，我们可以将它们分为三种类型：1）从低纬传播到TP（Ⅰ型）；2）从高纬传播到TP（Ⅱ型）；3）从TP传播到高/低纬（Ⅲ型）。统计分析表明，从1979年到2011年的26年中，Ⅰ型传播占主导地位，表明从低纬向北传播到TP是最显著的，几乎存在于所有年份。与此同时，另外两种分别在13年(II型)和19年(Ⅲ型)中检出(表1)。在 GPCP降水中，这三种传播方式分别发生在1997-2011年中的11年、5年和7年。大多数年份都与lt;Q1gt;的年份保持一致，特别是在对流占优势的地区。一般来说，每年都会出现一种以上的传播方向。这里，在图3，我们只显示了近六年来(表1中的粗体值)的lt;Q1gt;的经向传播特点，其中可以检测到所有三种传播方向。从低纬向北的传播总是比其他传播方式强得多，而且跨越更多的纬度；在某些情况下，向北传播甚至产生于南半球，穿越赤道，然后传播到TP区域。此外，在某些年份，北传信号到达TP之后似乎得到了加强，例如1983年、1988年、2002年和2003年。相比之下，从高纬向南传播则相对较弱，尽管它也出现在很多年份里。值得注意的是，从低纬和高纬的传播同时可以扩散到TP区域，表示存在锁相现象。另一个有趣的特点是远离TP本身的传播；有时，它可以同时地向南和向北传播。在这里，我们只关注第一类传播(类型I)，另外两种将在另一篇论文中讨论。

为了揭示QBWO的经向和垂直结构，我们采取了合成的方法，选择了1979-2011年中的48个Ⅰ型传播案例。合成物被设置成在第0天，QBWO的对流位置正好是沿着70°–100°E位于27°N，已经在TP上。组成成分lt;Q1gt;和水汽条件从-18天到0天(间隔2天)的时间演变如图4和图5所示。南海在-12天赤道附近出现异常正QBWO对流和相应的水汽辐合。然后，异常正对流向西北移动并逐渐加强，与一个气旋性环流和明显的水汽辐合中心相对应。在-4天，最大的lt;Q1gt;中心主要到达印度次大陆，部分在孟加拉，伴有略微减弱的信号。它然后北转，在第-2天到达TP的南坡；此时异常对流再次增强。在lt;Q1gt;的QBWO可能与很强的水分输送有关。这是因为，从第-4天开始，气旋性环流逐渐消失并演变为强健的西南气流，它可以将大量的水分输送到TP，与在TP南坡的强烈的水汽辐合相一致(图5)。为了证实来源于lt;Q1gt;的结果，我们还绘制了从-18天到0天的GPCP日均降水(20例Ⅰ型)的综合QBWO演变图。显然，所得结果(图4中的等值线)与lt;Q1gt;高度一致。

特别重要的是，在第-12天，中国南海上空产生了一个lt;Q1gt;的异常正中心。在此之后，这个异常的正对流向北移动到印度次大陆，然后再向北移动。这意味着QBWO的其中一种可能起源于热带海洋。引起10-90天北方夏季季节内振荡的基本大气动力过程已在先前的研究中得到检验(例如，江等人，2004年；Abhik等人，2013年)。在这里，我们对10-20天过滤的涡度(图6a)、散度(图6b)、垂直速度(图6c)和比湿场(图6d)的经向-垂直结构进行了类似的合成分析，关于当MCC位于15°N时，最大对流中心（MCC）在第-6天。MCC是由观测到最大降水量或lt;Q1gt;所在的纬度来定义的。显然，一种垂直速度的正压结构伴随着MCC并且符合较低层次的辐合和对流层高层的辐散。类似于在15-90天的北传模式，如江等人(2004)所揭示的，与向北传播的QBWO相联系的MCC最显著的不对称结构也在涡度场中也被标注出来。它的正中心位于MCC北部约200公里处，伴有相当正压结构。边界层中的正压涡度和低层辐合似乎有利于低层水汽向MCC北部辐合，对应于观测到的最大比湿大约在对流层底部MCC北部200公里左右。此外，在第-8和-6天，位于MCC北部的印度北部存在一个显著的正地表热通量(图未显示)。因此，表面感热也可能有利于向北传播，通过使低层对流层更加不稳定(韦伯斯特1983年; Hsu等2004年)。

在第-4天，MCC位于约20°N处，并且在接下来的2天结束之前，对流已经位于TP上。以前的工作（Jiang等人，2004年；Abhik等人，2013年）关注于从赤道到约20°N的10-90天振荡的传播，而不注意QBWO，以及QBWO是否和如何能够继续向北移动到TP。第-4天（图7），涡度、辐合和垂直速度的相对较弱的垂直结构与第-6天的垂直结构相似（图6）。主要的区别在于比湿场，比以前要强得多。事实上，一些研究已经注意到，边界层水汽的向北移动与北方夏季季节内振荡有关(蒋等人2004年；Fu等人2006年)以及负的水平水汽平流在印度夏季风最初的延长间断期间的重要性((Prasanna和Anamalai2012年)。在这里，10-20天过滤的正的水平水汽平流最大中心在第-4天(图7e)较低层次时使对流降低了3°，而在第-6天则是负的。强健的水平水汽平流将通过提高等效位温并将比湿中心移动到MCC北部，从而使低层大气不稳定。在图6f和7f,我们可以看到对流前相当位温的强度有一定的空隙。因此，在第-4天，在对流向TP移动的过程中，非常强的水平水汽平流，而不是正压涡度，通过帮助低层水汽辐合移动到MCC北部而发挥了重要作用。

简言之，在第-6天，最显著的非对称结构出现在涡度场和同源垂直运动以及散度场中，这表明东风垂直切变机制，正如蒋等人提出的(2004)，解释了15-90天在印度洋上ISV模态的向北传播，也可能对本研究中确定的QBWO向北传播起一定的作用。这一机制的关键过程是正压涡度的产生，由于在平均气流中垂直切变的出现，自由大气的斜压和正压模式发生耦合。在边界层的北侧，MCC北部引发的正压涡度向会导致边界层水汽辐合的向北移动，从而导致对流的向北传播。然而，在从20°N到TP的南部边缘的区域中，平均气流的东风切变非常弱（参见补充材料的图S1）。因此，在第-4天以后，对流

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