NAO对青藏高原南部夏季降水影响的数值模拟研究

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降水作为青藏高原水文循环的重要组成部分,其变化不仅对当地水资源安全和陆地生态系统有重要影响,而且还可通过能量及水循环调控周边气候。影响青藏高原降水的因素众多,其中北大西洋涛动(North Atlantic Oscillation,NAO)对高原降水的影响近年来被广泛关注,尽管取得很大进展,但大多是基于分辨率较低的全球再分析资料开展的大尺度环流响应特征诊断分析,对于一些关键环节和作用细节认识还存在不足,急需通过高质量的动力降尺度高分辨率数据对其作用过程开展中、小尺度的细致深入分析。青藏高原南部高山众多、地形复杂,该地区不仅降水极为复杂,而且对季风水汽的再分配有着重要作用,气象站点的稀缺使得中尺度气候模拟成为研究该地区降水和相关大气过程的可行但具有挑战性的选择。目前针对该地区开展的相关数值模拟研究普遍存在降水高估现象(特别是在高海拔地区),而且研究区主要集中在喜马拉雅山及其部分地区,因此,急需在更大的区域(例如,整个青藏高原南部)上进行气候模拟工作,以准确模拟该地区降水的时空分布和垂直变化特征,从而为探究NAO对青藏高原南部降水的影响机制提供高分辨率优质数据支撑。基于此,本文以青藏高原南部为研究区,首先基于中尺度天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF)应用双层嵌套技术,对该地区2011年7月夏季降水开展数值模拟实验,通过对1个参考和6个敏感性实验的系统评估,获取一套能再现青藏高原南部夏季降水空间分布、降水强度、日变化和垂直变化特征的物理参数化方案。然后,利用WRF通过该方案模拟典型NAO强、弱年青藏高原南部夏季降水以及环流场,以期用高分辨率(10 km×10 km)的优质动力降尺度数据通过对水汽输送通量以及环流场的诊断分析探究青藏高原南部夏季降水对NAO的大气响应过程和细节。主要结论如下:(1)根据44个气象站和TRMM降水资料,应用统计和多标准决策分析技术(Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution,TOPSIS)方法,确定了适合于青藏高原南部高大山地地区降水模拟的相对最优模型设置,即Kain–Fritsch cumulus potential scheme(CU),Thompson scheme(MP),Mellor–Yamada–Janjic scheme(PBL),Unified Noah land surface model(LSM),and Eta similarity scheme(surface layer),其在再现该地区夏季降水的空间分布、强度、日变化和垂直变化方面表现出更好的模拟性能。不同的驱动数据会对青藏高原南部夏季降水模拟结果产生影响。与FNL驱动的模拟结果相比,ECMWF/ERA5再分析数据驱动的相对最优模型方案的模拟性能有了明显改善,尤其是降水的垂直变化特征方面表现更优。青藏高原南部高大山地地区的夏季降水对积云对流方案更为敏感,建议在降水模拟中,特别是在山区地带,应充分考虑深对流的影响。(2)本文的高分辨率动力降尺度资料显示,夏季青藏高原及其周边地区对流层高层主要受南亚高压及其南、北两侧的热带东风急流和中纬度西风急流控制;对流层中层是中纬度西风与西南季风相互作用最为直接的高度层,主要表现为中纬度西风带在青藏高原西部的爬坡输送和南、北绕流特征。与此同时,在青藏高原腹地和印度东海岸存在两个对流层中层低压系统(青藏高原热低压和孟加拉湾季风低压),受其影响,西南季风由孟加拉湾北上进入青藏高原;对流层低层是西南季风主要影响区。在西南季风东传过程中,当其到达阿拉伯海时,部分气流将沿巴基斯坦以及印度西北部向北传输至青藏高原山麓地带,而当西南季风继续东行到达孟加拉湾时,将有更多气流北上进入青藏高原。(3)强NAO年份时,随着北大西洋地区扰动能量东传,青藏高原及其周边地区对流层中、高层会建立异常波列结构,表现为高原以西反气旋异常和高原东北部地区气旋异常结构。受上述反气旋南支异常东风气流影响,沿青藏高原南缘由西部边界输入青藏高原南部地区的水汽输送强度显著减弱。与此同时,由于西南季风南退,在对流层中、低层由孟加拉湾输送到青藏高原南部的季风水汽也显著减少。两者的共同影响最终导致青藏高原南部夏季降水减少。弱NAO年份时,上述环流形势及其影响下的水汽输送特征基本相反,此时青藏高原南部地区夏季降水增加。
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