春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征.pdf

符诗怡,施宁,张东东,等.2023.春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征 J.大气科学,47(4):11831195.FUShiyi,SHINing,ZHANGDongdong,etal.2023.ThermodynamicCharacteristicsoftheSteadyWarmingProcessoverNorthAsiaBeforetheSummerOnsetJ.ChineseJournalofAtmosphericSciences(inChinese),47(4):11831195.doi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21238春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征符诗怡1,2施宁1,2张东东1谢作威31南京信息工程大学大气科学学院,南京2100442南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室,南京2100443中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心,北京100029摘要本文利用 19582019 年日本气象厅逐日再分析资料（JRA-55），基于热力学方程，详细研究了北亚地区春夏季节转换前（第 19 至 28 候）平稳增温过程的热力学特征。结果表明，气候温度平流和非绝热加热有相反的变化趋势，它们先后主导着北亚春夏季节转换前的温度变化。在第 22 候之前，绝热的气候温度平流主导着北亚地区的增暖过程。但随着欧亚大陆中高纬度上的非绝热加热逐步增强，气候温度平流逐渐变为冷平流，使得非绝热加热成为主导项。线性斜压模式结果表明，非绝热加热除直接加热局地大气外，它还会在北亚地区强迫出气旋式环流异常和上升运动，从而引导着原位于新地岛附近的低压系统向北亚地区移动，进而在水平和垂直方向上引起绝热的冷平流。该冷平流部分抵消了非绝热的加热作用，最终在北亚地区形成平稳的增温过程。关键词北亚非绝热加热温度平流春夏季节转换文章编号1006-9895(2023)04-1183-13中图分类号P466文献标识码Adoi:10.3878/j.issn.1006-9895.2202.21238Thermodynamic Characteristics of the Steady Warming Process overNorth Asia Before the Summer OnsetFUShiyi1,2,SHINing1,2,ZHANGDongdong1,andXIEZuowei31College of Atmospheric Science,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 2100442Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters(CIC-FEMD)/Key Laboratory of MeteorologicalDisaster,Ministry of Education(KLME)/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change(ILCEC),NanjingUniversity of Information Science&Technology,Nanjing 2100443International Center for Climate and Environment Sciences,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029AbstractThermodynamiccharacteristicsofthewarmingprocessbeforethesummeronset(frompentad19topentad28)over North Asia are studied based on the thermodynamic equation and the daily reanalysis data of the JapanMeteorologicalAgency(JRA55)from1958to2019.Resultsshowthatthetemperatureadvectionanddiabaticheatingsuccessively dominate the temperature tendency before the summer onset over North Asia.Interestingly,these twophenomenonshowanoppositetrendtoeachother.Beforepentad22,theadiabaticadvectionoftheclimatologicalmeantemperature dominates the warming process over North Asia.However,after that,the diabatic heating enhances收稿日期2021-12-10；网络预出版日期2022-04-14作者简介符诗怡，女，1999年出生，硕士研究生，主要从事中高纬大气环流研究。E-mail:通讯作者施宁，E-mail:资助项目国家自然科学基金项目 41630424、41975063，江苏省青蓝工程Funded byNationalNaturalScienceFoundationofChina(Grants41630424,41975063),JiangsuQingLanProject第47卷第4期大气科学Vol.47No.42023年7月ChineseJournalofAtmosphericSciencesJul.2023gradually,whiletheadiabaticadvectionprocessweakensgradually,makingthediabaticheatingdominant.Basedonthelinearbaroclinicmodel,thenumericalresultsrevealthatthediabaticheatingovermid-andhigh-latitudeEurasiacanheatthelocalairmassesaloftaswellasforceacycloniccirculationandupwardmotion.Circulationresponsesarefavorableforthesoutheastwardmovementofthelow-pressuresystem,whichisoriginallylocatedaroundNovayaZemlyatowardNorthAsia,leadingtotheformationofcoldadvectioninbothhorizontalandverticaldirections.Thecoldadvectionpartiallycounteractsthelocaldiabaticheating,formingthesteadywarmingprocessoverNorthAsia.KeywordsNorthAsia,Diabaticheating,Temperatureadvection,Summeronset 1 引言葉篤正等（1958）发现亚洲地区的大气环流会在六月初和十月中旬发生明显的突变。在“六月突变”中，副热带急流会发生减弱北移，高度场由三槽三脊转变为四槽四脊；“十月突变”则呈现相反的变化特征。两次突变分别对应着环流向夏季型和冬季型的转换（葉篤正等,1958;张邦林和曾庆存,1998）。相较十月突变，六月突变在亚洲和北美地区均存在且十分确切，只是后者稍滞后两周左右（葉篤正等,1958）。为此，六月初通常被认为是亚洲春夏季节转换的时期。很多研究指出了春夏季节转换的其他主要环流特征。其中，黄士松和余志豪（1962）发现，在春夏季节转换时，北半球副热带高压在亚洲季风区发生断裂。这种断裂最先发生在孟加拉湾到中南半岛一带，它可能与孟加拉湾和中南半岛的经圈环流因受感热和潜热的影响导致的下沉气流减弱有关（祝从文等,2004）。毛江玉等（2002a）研究了副热带高压的垂直结构特征，发现副热带高压会在 6 月初的印度中部形成一种脊面随高度增加向北倾斜的夏季型结构。这种副热带高压形态的转变与中国江南地区春季降水所形成的非绝热加热有关（毛江玉等,2002b）。晏红明等（2020）发现大尺度环流的季节转换对孟加拉湾夏季风爆发早晚有影响。章基嘉等（1983）通过统计方法发现，东半球的低纬地区各层候平均风场的第二特征向量系数均在 6 月第 2 候至第 4 候发生着明显的符号转变，这与青藏高原加热场引起的垂直环流圈关系密切。此外，青藏高原南坡的非绝热加热垂直变化对春末夏初南亚高压北上高原也有积极作用（葛静等,2015）。实际上，数值试验也验证了青藏高原的加热作用对东亚地区春夏季节转换时的环流变化的重要作用（李慈等,1985;郑庆林和梁丰,1999;王同美等,2009）。值得注意的是，除上述中低纬环流发生明显变化外，中高纬度的地表增温也是表征春夏季节转换的重要信号。Pea-Ortizetal.（2015）在研究欧洲春夏季节转换时，发现欧洲局地增温现象显著。在亚洲，Chyietal.（2021）指出在春末夏初，亚洲北部（5075N，70160E）的地表气温呈现出先迅速增暖后趋于稳定的明显特征。据此，他们利用北亚温度的一阶和二阶变化界定出春夏季节转换的气候平均时间为第 32 候（下文将用 Pn 代表第 n 候），该时间与葉篤正等（1958）通过环流变化界定出的结果基本一致。伴随着春夏季节转换，一个高度脊在东北亚对流层中上层形成（Chyietal.,2021；布和朝鲁等，2022），这与青藏高原加热所强迫出的行星波变化有关（Xieetal.,2021）。在年际时间尺度上，北亚地区春夏转换时间的早晚与我国降水异常显著相关。具体而言，当北亚春夏季节转换提前时，夏季的内蒙古降水偏多或内蒙古东部降水偏多、西部降水偏少，否则反之（李妍等,2016）；在季节转换偏早年，从东北亚中高纬、中国东北和日本以南地区出现了正、负、正的经向波列结构，其中东北亚脊建立的时间较早、强度较强，并能持续到梅雨期（陈沛宇等,2022），导致长江流域 6 月下旬至 7 月初降水偏少（Chyietal.,2021;陈沛宇等,2022）。由此可见，由北亚地区气温所表征的季节转换不仅具有天气学意义，也具有短期气候预测的重要应用价值。加强北亚地区气温变化的机理研究，将为我们深入理解东亚地区春夏季节转换提供基础。关于北亚地区地表气温在春夏转换中快速增温的成因，Chyietal.（2021）通过热力学方程诊断发现，局地的非绝热加热增强是其主要原因。从其图 6a 中可以发现，在春夏季节转换前约两个月的时间内，即 P19 至 P32（五月至六月上旬），北亚地区实际上存在一个平稳的增温过程，尤其在 P19至 P28 的时间段内，其增温速率基本维持在+1.3Kpentad1左右，本文即将该时段中的温增过程称为大气科学47卷1184ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47“平稳增温”过程。显然，该“平稳增温”过程并不对应着逐步增强的局地非绝热加热（其图 6a），这表明绝热过程在北亚地区的热量收支平衡中也起着重要作用。值得注意的是，在该时间段内，绝热的气候温度平流与非绝热加热之间存在着明显相反的趋势变化，这暗示两者之间可能并不相互独立。可能是非绝热加热改变了低层环流，通过绝热的平流过程造成了气候温度变化，从而造成了平稳