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孟加拉湾夏季风是亚洲夏季风中爆发最早的一支季风,平均爆发时间为四月底五月初。深入认识孟加拉湾夏季风爆发过程及其动力学机制,有助于提高夏季风预测水平,为防灾减灾提供科学依据。近期对于孟加拉湾夏季风爆发过程的研究揭示了青藏高原调节南亚区域海陆气相互作用导致季风爆发涡旋生成、与西太暖池上空对流激发的南亚高压西伸在孟加拉湾东部辐散抽吸、上下耦合导致季风爆发性涡旋发展和孟加拉湾夏季风爆发。年际尺度上,热带印太海温异常以ENSO和印度洋海温极值作为先导信号。但是,ENSO中性条件下,引发孟加拉湾夏季风爆发的前期环流和青藏高原的作用等仍需进一步研究。
本论文首先基于对流层中上层大气温度经向梯度表征季节转换的指数,利用日平均再分析资料,确定了孟加拉湾夏季风爆发日期,定量分析了季风区大气经向温度梯度反转的演变。其次,利用旋转EOF(REOF)方法分解了3月欧亚大陆上空的经向风异常。并对孟加拉湾夏季风爆发早晚异常产生显著影响的大气环流异常模态进行了诊断分析,通过数值试验进行了模拟验证。在此基础上,探讨了前期大气环流异常影响孟加拉湾夏季风爆发早晚的物理机制。最后,因为青藏高原地面热源在调节亚洲夏季风环流中的重要性,将观测数据与常用再分析资料进行对比分析,初步给出其适用性以及模拟偏差的原因。
论文的主要结论如下:
1.孟加拉湾夏季风爆发的环流演变过程
孟加拉湾夏季风爆发的主要特征是,南亚地区温度脊由热带海洋向大陆推进,季风区大气经向温度梯度由负转正。其中,经向暖平流、非绝热加热平衡上升冷却之后对大气的加热使得大气经向温度梯度的反转。此外,青藏高原南侧的槽前气流和中南半岛上空的南风合并为一支,造成经向暖平流以及随着南亚高压西伸北抬,高层辐散抽吸,对流系统推进,季风区释放凝结潜热。当季风区北侧温度超过南侧温度,夏季风爆发。
2.季节内尺度上影响孟加拉湾夏季风爆发年际变率的中高纬环流系统及其在青藏高原及周边区域维持的过程
3月欧亚大陆上空的经向风异常REOF1时间序列对应的大气环流异常表现为两支定常Rossby波列,该波列由西欧沿岸的异常冷低压由瞬变涡反馈强迫得以维持,并沿着中高纬西风带和亚非副热带急流两支波导向下游传播,在贝加尔湖及高原东南-孟加拉湾形成气旋-反气旋偶极型异常。该异常信号能在青藏高原从3月维持到4月,在季风区的北侧形成稳定而持续的暖(冷)异常中心,使得大气温度经向梯度出现异常。因此,3月经向风异常REOF1可以认为季风爆发的先导信号。
3.大气环流异常环流影响孟加拉湾季风爆发异常的物理过程
负位相下,经向风异常REOF1对应的环流异常可以通过以下两个途径,在青藏高原及其周边地区维持。其一,3月位于贝加尔湖和青藏高原东南侧的异常暖高压和冷低压,使得青藏高原上的大气斜压不稳定减弱,高空瞬变涡活动减弱,低频环流振荡的强迫为异常气旋式增长。其二,3月贝加尔湖和青藏高原南侧上空的反气旋和气旋环流异常,削弱了气候态的西风,青藏高原地表感热异常冷却,降低了青藏高原上的大气温度。因此,该异常冷低压在4月稳定地维持在孟加拉湾-青藏高原上空,抑制了大气温度经向梯度的反转,推迟了夏季风的爆发。基于3月Nino3.4指数、经向风异常REOF1、EUI型遥相关、青藏高原东部感热通量年际变化序列构建的孟加拉湾夏季风爆发日期多元回归方程,提高了对孟加拉湾夏季风爆发日期的解释方差。
4.再分析产品热通量在青藏高原的适用性。
JRA-55和ERA-Interim的感热通量适用性较好,而NCEP2的潜热通量适用性较好。就再分析资料在各季节的差异而言,感热通量的偏差在冬季最大,夏季最小。潜热通量的季节偏差却与感热通量的结果相反。NCEP2感热通量偏差主要由表面风速偏差引起。
本论文首先基于对流层中上层大气温度经向梯度表征季节转换的指数,利用日平均再分析资料,确定了孟加拉湾夏季风爆发日期,定量分析了季风区大气经向温度梯度反转的演变。其次,利用旋转EOF(REOF)方法分解了3月欧亚大陆上空的经向风异常。并对孟加拉湾夏季风爆发早晚异常产生显著影响的大气环流异常模态进行了诊断分析,通过数值试验进行了模拟验证。在此基础上,探讨了前期大气环流异常影响孟加拉湾夏季风爆发早晚的物理机制。最后,因为青藏高原地面热源在调节亚洲夏季风环流中的重要性,将观测数据与常用再分析资料进行对比分析,初步给出其适用性以及模拟偏差的原因。
论文的主要结论如下:
1.孟加拉湾夏季风爆发的环流演变过程
孟加拉湾夏季风爆发的主要特征是,南亚地区温度脊由热带海洋向大陆推进,季风区大气经向温度梯度由负转正。其中,经向暖平流、非绝热加热平衡上升冷却之后对大气的加热使得大气经向温度梯度的反转。此外,青藏高原南侧的槽前气流和中南半岛上空的南风合并为一支,造成经向暖平流以及随着南亚高压西伸北抬,高层辐散抽吸,对流系统推进,季风区释放凝结潜热。当季风区北侧温度超过南侧温度,夏季风爆发。
2.季节内尺度上影响孟加拉湾夏季风爆发年际变率的中高纬环流系统及其在青藏高原及周边区域维持的过程
3月欧亚大陆上空的经向风异常REOF1时间序列对应的大气环流异常表现为两支定常Rossby波列,该波列由西欧沿岸的异常冷低压由瞬变涡反馈强迫得以维持,并沿着中高纬西风带和亚非副热带急流两支波导向下游传播,在贝加尔湖及高原东南-孟加拉湾形成气旋-反气旋偶极型异常。该异常信号能在青藏高原从3月维持到4月,在季风区的北侧形成稳定而持续的暖(冷)异常中心,使得大气温度经向梯度出现异常。因此,3月经向风异常REOF1可以认为季风爆发的先导信号。
3.大气环流异常环流影响孟加拉湾季风爆发异常的物理过程
负位相下,经向风异常REOF1对应的环流异常可以通过以下两个途径,在青藏高原及其周边地区维持。其一,3月位于贝加尔湖和青藏高原东南侧的异常暖高压和冷低压,使得青藏高原上的大气斜压不稳定减弱,高空瞬变涡活动减弱,低频环流振荡的强迫为异常气旋式增长。其二,3月贝加尔湖和青藏高原南侧上空的反气旋和气旋环流异常,削弱了气候态的西风,青藏高原地表感热异常冷却,降低了青藏高原上的大气温度。因此,该异常冷低压在4月稳定地维持在孟加拉湾-青藏高原上空,抑制了大气温度经向梯度的反转,推迟了夏季风的爆发。基于3月Nino3.4指数、经向风异常REOF1、EUI型遥相关、青藏高原东部感热通量年际变化序列构建的孟加拉湾夏季风爆发日期多元回归方程,提高了对孟加拉湾夏季风爆发日期的解释方差。
4.再分析产品热通量在青藏高原的适用性。
JRA-55和ERA-Interim的感热通量适用性较好,而NCEP2的潜热通量适用性较好。就再分析资料在各季节的差异而言,感热通量的偏差在冬季最大,夏季最小。潜热通量的季节偏差却与感热通量的结果相反。NCEP2感热通量偏差主要由表面风速偏差引起。