9個CMIP5模式模擬的大氣質(zhì)量海陸間遷移的季節(jié)循環(huán)

胡潮,盧楚翰,管兆勇,常春輝

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;3.天津市濱海新區(qū)氣象局,天津 300457)

9個CMIP5模式模擬的大氣質(zhì)量海陸間遷移的季節(jié)循環(huán)

胡潮1,2,3,盧楚翰1,2,管兆勇1,2,常春輝3

(1.氣象災(zāi)害教育部重點實驗室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

2.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;3.天津市濱海新區(qū)氣象局,天津 300457)

摘要：選用CMIP5的9個模式的輸出資料,分析了北半球海陸間大氣質(zhì)量的季節(jié)變化及其驅(qū)動因子。結(jié)果表明:模式模擬的北半球海陸間的大氣質(zhì)量存在顯著的季節(jié)性遷移。太平洋和大西洋上的大氣質(zhì)量1月達(dá)全年最小,太平洋上的大氣質(zhì)量7月堆積達(dá)最大,而大西洋上的大氣質(zhì)量6月堆積達(dá)最大(比再分析資料揭示的結(jié)果晚1個月)。歐亞大陸上的大氣質(zhì)量12月堆積達(dá)全年最大,7月達(dá)全年最小。整層積分的大氣質(zhì)量流具有明顯的季節(jié)變化特征,其中氣柱上下層變化呈相反傾向,從而影響緯向垂直環(huán)流的季節(jié)反轉(zhuǎn)和海陸間大氣運動和質(zhì)量輸送。整層水汽質(zhì)量的季節(jié)變化與大氣質(zhì)量的季節(jié)變化相反,它在北半球海陸間出現(xiàn)明顯的緯向偏差,從而改變大氣密度及緯向壓力梯度,有利于推動海陸間大氣質(zhì)量的遷移。1月平均地面溫度自西向東呈“負(fù)—正—負(fù)—正”交替分布,7月分布情形與之相反,表明季節(jié)變化過程中海陸間熱力因素差異推動了大氣質(zhì)量在海陸間遷移。

關(guān)鍵詞：大氣質(zhì)量;季節(jié)循環(huán);海陸間重新分布;海陸熱力差異;CMIP5

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0588-11P434

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150318002

Abstract:Based on the multi-model output data in CMIP5,the seasonal cycle of air mass(AM) migration between land and sea in the Northern Hemisphere(NH) and its driving factors are investigated.Results show that the land-sea exchange of AM in NH exhibits notable seasonal variation.The annual minimum AM deficit of the Pacific Ocean and the Atlantic Ocean happens in January.The annual maximum AM pile-up of the Pacific Ocean happens in July,while the annual maximum AM pile-up of the Atlantic does in June,one month later than the result explored by the reanalysis data.The annual maximum AM pile-up of the Eurasian continent happens in December,while the minimum appears in July.Consistent with the seasonal variation of AM,the vertically integrated air mass fluxes also emerge notable seasonal cycle.In particular,there is an anti-phase variation between the low and upper level columnar-integrated AM fluxes,which affects the seasonal inversion of zonal vertical circulation and the atmospheric motion and mass transport between land and sea.The columnar water vapor shows a contrast seasonal variation compared to the AM,and its spatial distribution shows a clear zonal deviation between land and sea in NH.This implies that the corresponding changes of air density and zonal pressure gradient may be favorable for the land-sea exchange of AM.In addition,the climatology of surface air temperature in January(July) exhibits a negative-positive-negative-positive (positive-negative-positive-negative) pattern from west to east in NH,suggesting that the heating contrast between land and sea drives the land-sea exchange of AM during the seasonal change.

收稿日期：2013-06-18;改回日期:2014-07-03

基金項目:公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201006004)

通信作者：苗峻峰,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為中尺度數(shù)值模擬,miaoj@nuist.edu.cn.

Seasonal cycle of atmospheric mass migrations between

continents and oceans simulated by nine CMIP5 models

HU Chao1,2,3,LU Chu-han1,2,GUAN Zhao-yong1,2,CHANG Chun-hui3

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau,Tianjin 300457,China)

Key words:atmospheric mass;seasonal cycle;redistribution between land and sea;land-sea heating difference;CMIP5

0引言

大氣質(zhì)量變化能夠直接體現(xiàn)大氣環(huán)流變化和氣候系統(tǒng)的變化調(diào)整(Lorenz,1951;Christy et al.,1989)。研究表明,全球大氣干空氣質(zhì)量存在低頻變化但都基本守恒(Trenberth,1981;Trenberth and Guillemot,1994;Trenberth and Smith,2005)。由于各種再分析資料以及模式資料的地形高度以及同化模式的動力框架差異,所計算的全球地表氣壓值略有不同,但隨月份變化的趨勢是一致的。每年7、8月大氣總質(zhì)量達(dá)到全年的最高值,而1月為最低值(Holl et al.,1988;Chen et al.,1997;Hoinka,1998;Carrera and Gyakum,2003;Zhao and Li,2006)。由于全球干空氣質(zhì)量基本保持守恒,因此全球大氣質(zhì)量的季節(jié)變化主要由大氣中水汽質(zhì)量的顯著的年循環(huán)引起(盧楚翰等,2008)。伴隨著全球大氣質(zhì)量的季節(jié)變化,大氣在海陸間、南北半球間不斷重新分布,且亦隨著大氣環(huán)流系統(tǒng)的活動而發(fā)生時空不均勻的堆積和虧損。Guan and Yamagata(2001)研究了南北半球平均地表氣壓場時間序列,發(fā)現(xiàn)南北半球的大氣質(zhì)量存在此消彼長的現(xiàn)象,并稱其為“南北濤動”(InterHemispheric Oscillation,IHO)。對半球際大氣質(zhì)量濤動季節(jié)變化特征以及與我國的氣候變動和夏季風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)南北半球之間大氣存在顯著交換,并呈反位相變化,IHO與我國同期氣候變動以及夏季風(fēng)異常存在顯著聯(lián)系(盧楚翰等,2008;盧楚翰和管兆勇,2009;Guan et al.,2010;盧楚翰等,2010;叢菁等,2011)。

在模式以及再分析資料中,地表氣壓是一個敏感的積分值(Hoinka,1998),利用其研究大氣總質(zhì)量以及水汽分量的收支平衡是評估再分析資料同化質(zhì)量(Trenberth and Smith,2005;Berrisford et al.,2011)以及氣候模式性能的重要方面(Taylor and Fournier,2010)。學(xué)者們應(yīng)用模式資料對全球以及局地的大氣質(zhì)量重新分布和地表氣壓進(jìn)行了研究(van den Dool and Saha,1993;Saha et al.,1994;Chen et al.,1997)。干空氣質(zhì)量流和水汽質(zhì)量流是引起地表氣壓變化的兩個主要分量,但兩者在氣候模式模擬中的效果均有待改進(jìn)。Qin et al.(2015)對比CMIP5模式輸出資料以及ERA Interim再分析資料,指出南北半球際干空氣質(zhì)量流和半球內(nèi)部干空氣的局地變化存在明顯的不一致性。

在氣候系統(tǒng)的變化和季風(fēng)的形成過程中,海洋與大陸的熱力效應(yīng)起著重要作用。由于海陸熱力差異的存在,推動了季風(fēng)的形成(陳隆勛等,1991;李崇銀,1995;曾慶存和李建平,2002),亦推動了海陸間的大氣質(zhì)量交換,這在北半球中緯度尤為強(qiáng)烈。雖然有不少工作從各種不同的角度觸及到大氣質(zhì)量的局部乃至全球的再分布,但專門研究北半球大陸—海洋間大氣質(zhì)量重新分布的工作卻非常之少。最近,胡潮等(2014)分析發(fā)現(xiàn)隨著季節(jié)更替,北半球大氣質(zhì)量存在顯著的海陸間遷移,并指出北半球海陸熱力差異的季節(jié)變化有利于推動季風(fēng)形成,并推動了大氣質(zhì)量海陸間交換的季節(jié)循環(huán)。由于目前主流海氣耦合模式內(nèi)部具有自身的大氣質(zhì)量平衡功能,這與再分析資料通過同化觀測資料而得到地表氣壓存在不同,即再分析資料的全球干空氣質(zhì)量不一定守恒,這涉及了模式與再分析資料間的大范圍大氣質(zhì)量再分布的差異,并可能與模式所表現(xiàn)的大尺度大氣環(huán)流特征(例如,季風(fēng)活動等)存在密切關(guān)聯(lián)。另外,由于再分析資料本身是數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品和觀測資料的融合品,不同要素、區(qū)域間的同化質(zhì)量也存在一定的不確定性(高慶九等,2010)。因此,有必要針對目前主流海氣耦合模式在大氣質(zhì)量海陸間遷移的季節(jié)變化特征展開分析。本文將利用CMIP5多模式輸出資料,對北半球海陸間大氣質(zhì)量的季節(jié)分布以及驅(qū)動因子進(jìn)行研究。

1資料和方法

考慮到已有資料的完整性(需用到多要素、多時次的物理量),模式資料集合采用了CMIP5氣候模式中的ACCESS1-0、CCSM4、CSIRO-Mk3-6-0、FGOALS-g2、GFDL-ESM2M、GISS-E2-H、HadCM3、MIROC5、NorESM1-M 9個模式,并取各自海氣耦合模式的20世紀(jì)歷史模擬run1試驗輸出。模式的基本信息如表1所示。由于各個模式資料的分辨率不同,采用雙線性插值方法,對不同分辨率的資料進(jìn)行了處理,使其分辨率統(tǒng)一到2.5°×2.5°網(wǎng)格,并取各模式的等權(quán)重算術(shù)平均作為模式集合量。在求取物理量的逐月多年平均時,9個模式資料的時間跨度均為1979年1月至2005年12月。

表1　CMIP5的9個氣候系統(tǒng)模式的基本信息

為揭示季節(jié)變化中大氣質(zhì)量海陸間輸送特征,參照相關(guān)文獻(xiàn)(Chen et al.,1997;胡潮等,2014),通過對連續(xù)方程進(jìn)行整層大氣積分,近似地可得

(1)

地表至500 hPa的大氣平均溫度(Tlow),500 hPa至200 hPa的大氣平均溫度(Tup),可由下列公式求出:

(2)

(3)

(4)

2模式大氣中的大氣質(zhì)量季節(jié)變化

1月模式集合的地表氣壓(ps)在兩大陸(歐亞大陸、北美大陸)上ps出現(xiàn)正偏差值,表明冬季大氣質(zhì)量主要在大陸上堆積(圖1a)。其中,歐亞大陸上ps的正值區(qū)數(shù)值、范圍均大于北美大陸,而青藏高原和北美西部的落基山脈上的ps與其周圍的ps變化相反。兩大洋(太平洋、大西洋)上與兩大陸上情形相反,基本以負(fù)偏差值分布為主,海洋是冬季大氣質(zhì)量的輸出源區(qū)。大洋負(fù)的大值帶出現(xiàn)在阿留申群島以南和格林蘭島及冰島附近,表明這些半永久的大氣活動中心在海陸間大氣質(zhì)量交換中起著重要作用。

7月的ps與1月的分布情形基本相反(圖1c)。兩大陸地區(qū)的地表氣壓出現(xiàn)負(fù)偏差值,而兩大洋上則主要以正偏差為主。由于歐亞大陸上受到的加熱面積更廣,使得其上的ps中心強(qiáng)度大于北美大陸。對比1月的ps分布還發(fā)現(xiàn),夏季大陸上的異常幅度明顯大于冬季情形,而大洋上的情況則剛好相反。

圖1　模式多年平均的1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)月平均地表氣壓(單位:hPa;地表氣壓的年平均值已扣除,正偏差用陰影表示)Fig.1　Multi-year averaged monthly mean surface pressure(hPa) in (a)January,(b)April,(c)July and (d)October based on the model output data(The annual mean surface pressure has been removed before plotting and the positive departures are shaded)

4月和10月是ps的調(diào)整季節(jié)。其中,4月兩大陸上由1月的正偏差向負(fù)偏差轉(zhuǎn)變,兩大洋上的ps則與之相反,由負(fù)偏差向正偏差轉(zhuǎn)變(圖1b)。而在10月,情況基本與4月相反,所不同的是中緯度北太平洋上仍保持較明顯的正偏差(圖1d),提示北太平洋與歐亞大陸地區(qū)熱力對比在10月可能尚未能導(dǎo)致海洋上大氣質(zhì)量減少至足夠多而改變符號。

從圖2的集合平均結(jié)果看出,四個區(qū)域的ps主要呈一波型變化,其中大陸與海洋的季節(jié)演變位相相反。歐亞大陸、太平洋和大西洋上的ps年變程基本一致,約10.9 hPa,北美大陸上的ps年變程較小。這與胡潮等(2014)利用再分析資料分析得出的結(jié)果一致,只是除北美地區(qū)外,其他三個區(qū)域上的ps的年變程小了約0.8 hPa。兩大洋上的大氣質(zhì)量在1月達(dá)到全年的最小值。太平洋上的大氣質(zhì)量在7月堆積達(dá)到最大值,而大西洋上的大氣質(zhì)量在6月提前堆積達(dá)到最大值。歐亞大陸上的大氣質(zhì)量在12月堆積達(dá)到全年的最大值,而在7月達(dá)到全年的最低值。北美大陸上大氣質(zhì)量的全年變化相對于其他三個區(qū)域較小。模式中海洋與大陸間大氣質(zhì)量變化在時間上出現(xiàn)不同步,這可能由于歐亞大陸和北美大陸的尺度差別、太平洋和大西洋海盆的尺度差別等因素造成。特別地,不同區(qū)域的地表熱慣性存在差異,上述現(xiàn)象可能與熱慣性不同而引起的熱力強(qiáng)迫差異有關(guān)。值得指出的是,再分析資料中顯示5月ps在大西洋上達(dá)到最大(胡潮等,2014),但9個模式集合平均的結(jié)果則顯示6月達(dá)到最大,表明模式大氣地表氣壓變化的模擬還存在較大偏差。這種偏差可能與中緯度陸氣相互作用有關(guān),也可能與海陸間熱力對比的描寫存在較大偏差有關(guān)。

圖2　區(qū)域平均地表氣壓的季節(jié)變化(單位:hPa;年平均值已被扣除)　　a.歐亞大陸;b.北太平洋區(qū)域;c.北美大陸;d.北大西洋區(qū)域Fig.2　Seasonal variation of regional mean surface pressure(units:hPa;The annual mean has been removed)　　a.Eurasia;b.North Pacific region;c.North America continent;d.North Atlantic region

表2　相對于集合平均的9個模式的區(qū)域平均地表氣壓的季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)差

3模擬的海陸間大氣質(zhì)量通量的季節(jié)循環(huán)

由于地表氣壓的局地變化正比于大氣質(zhì)量的輻合量,區(qū)域大氣質(zhì)量的變化與此區(qū)域?qū)嶋H風(fēng)場產(chǎn)生的大氣質(zhì)量通量散度有關(guān)。為顯示北半球海陸間大氣質(zhì)量的遷移特征,計算了9個模式各個區(qū)域面積平均的大氣質(zhì)量通量散度(圖3)以及各個模式對于其對應(yīng)集合平均的s值(表3)。與圖2結(jié)果類似,大部分模式能較好地模擬出區(qū)域大氣質(zhì)量通量的季節(jié)變化的位相轉(zhuǎn)換特征,同時除了FGOALS-g2、GFDL-ESM2M、GISS-E2-H以及HadCM3這四個模式在歐亞大陸的s值略有偏大外,其余均與集合平均值保持了較為一致的偏差。

從集合平均結(jié)果看,各個區(qū)域通量散度主要呈一波型變化,且海洋與大陸上的位相相反。冬季,模式大氣的大氣質(zhì)量通量散度在兩大陸上為負(fù)值,即以大氣質(zhì)量輻合堆積為主,兩大洋則為正值,是大氣質(zhì)量輸出的主要區(qū)域。在春季四個區(qū)域上的大氣質(zhì)量輸送情況出現(xiàn)調(diào)整,兩大陸上的散度由負(fù)值向正值轉(zhuǎn)變,兩大洋則與之相反,由正值向負(fù)值轉(zhuǎn)變。在夏季兩大陸上的大氣質(zhì)量通量散度為正值,而海洋上則為負(fù)值,此時海陸間大氣質(zhì)量不平衡性加大。在秋季四個區(qū)域的大氣質(zhì)量通量散度再次出現(xiàn)調(diào)整,兩大陸上的大氣質(zhì)量通量散度由正值向負(fù)值轉(zhuǎn)變,兩大洋則相反?？傮w上,區(qū)域大氣質(zhì)量通量散度的季節(jié)變化與前述地表氣壓的變化是基本一致的,即當(dāng)大氣質(zhì)量輻合時,對應(yīng)地表氣壓的增大,反之亦然。

為進(jìn)一步顯示大氣質(zhì)量通量的季節(jié)變化特征,將垂直方向的空氣柱劃分為兩層,即對流層中低層(從地表至500 hPa)、對流層中層以上(500～10 hPa),并分別求取這兩層質(zhì)量流的輻散分量和旋轉(zhuǎn)分量(風(fēng)場已扣除年平均值)(圖4)。

圖3　區(qū)域平均大氣質(zhì)量通量散度的季節(jié)變化(單位:10-4 kg·m-2·s-1;年平均值已被扣除)　　a.歐亞大陸;b.北太平洋區(qū)域;c.北美大陸;d.北大西洋區(qū)域Fig.3　Seasonal variation of regional mean air mass flux divergence(units:10-4 kg·m-2·s-1;The annual mean has been removed)　　a.Eurasia;b.North Pacific region;c.North America continent;d.North Atlantic region

表3　相對于集合平均的9個模式的區(qū)域平均大氣質(zhì)量通量散度的季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)差

1月的對流層中低層大氣質(zhì)量流(圖4a)顯示,歐亞大陸東部出現(xiàn)輻散,輻散中心位于我國東部和日本附近;北美大陸上主要為輻散,但其強(qiáng)度較歐亞大陸弱。另一方面,太平洋的中東部出現(xiàn)強(qiáng)烈的輻合中心;大西洋上出現(xiàn)弱的輻合中心?？傮w上,海洋與大陸上的大氣質(zhì)量流的散度分布基本相反。歐亞大陸上的輻散中心西北側(cè)產(chǎn)生一個氣旋式環(huán)流,太平洋上的輻合中心的西北側(cè)出現(xiàn)氣旋式環(huán)流。由于無輻散分量反映大氣質(zhì)量的輸送,歐亞大陸上的大氣質(zhì)量向東輸送與太平洋上的大氣質(zhì)量的流入相聯(lián)系。北美洲上的大氣質(zhì)量向東輸送則與大西洋上的大氣質(zhì)量的流入相聯(lián)系。對流層中層以上的大氣質(zhì)量流的空間分布型與對流層中低層相反(圖4c)。歐亞大陸東部和北美大陸西側(cè)上空分別出現(xiàn)輻合中心,歐亞大陸上的輻合較北美強(qiáng)烈,兩大洋上空出現(xiàn)輻散中心,太平洋上空的輻散較強(qiáng)。兩大洋上空的大氣質(zhì)量遷移到兩大陸上空。

圖4　扣除年平均后的質(zhì)量流無輻散場(流線)和輻散場(箭矢;單位:kg·m-1·s-1)(陰影區(qū)表示質(zhì)量通量散度,單位:10-4 kg·m-2·s-1)　　a.1月地表至500 hPa的垂直積分;b.7月地表至500 hPa的垂直積分;c.1月500～10 hPa的垂直積分;d.7月500～10 hPa的垂直積分Fig.4　Non-divergent component(streamlines) and divergent component(arrows;units:kg·m-1·s-1) of air mass flow after the annual mean has been removed(Shadings show the air mass flux divergence with the unit of 10-4 kg·m-2·s-1)a.1 000—500 hPa integrals in January;b.1 000—500 hPa integrals in July;c.500—10 hPa integrals in January;d.500—10 hPa integrals in July

7月的對流層中低層大氣質(zhì)量流(圖4b)表明,兩大陸上空出現(xiàn)輻合中心,而兩大洋上出現(xiàn)輻散中心。其中歐亞大陸上的輻合較北美的強(qiáng),太平洋上的輻散較大西洋上的強(qiáng),散度場在海洋和陸地上呈反位相分布。歐亞大陸上輻合中心的西北側(cè)產(chǎn)生一個氣旋式環(huán)流,而太平洋上輻散中心的西北側(cè)出現(xiàn)反氣旋式環(huán)流。大氣質(zhì)量主要從兩大洋上空遷移到兩大陸上空。對流層中層以上大氣質(zhì)量流(圖4d)的空間分布,與中低層相反。兩大陸上空出現(xiàn)輻散中心,其中,歐亞大陸東南側(cè)大氣上層的輻散中心與南亞高壓的形成有關(guān)(盧楚翰等,2012;王黎娟和郭帥宏,2012)。而兩大洋上空出現(xiàn)輻合中心,即兩大陸上空的大氣質(zhì)量遷移到兩大洋上空。由于高層大氣質(zhì)量在大陸(海洋)上冬季匯入(輸出)和夏季輸出(輸入)為主與圖2、3的區(qū)域地表氣壓和大氣質(zhì)量通量散度變化一致,而在低層情況則相反,這意味著高層的大氣質(zhì)量輸送在整層大氣輸送中占主導(dǎo),這與盧楚翰等(2008)揭示的高層大氣主導(dǎo)南北半球際大氣質(zhì)量交換情況類似。以上結(jié)果與NCEP/NCAR再分析資料結(jié)果基本一致,表明模式對于大氣質(zhì)量遷移的季節(jié)變化特征有一定的模擬能力。

值得關(guān)注的是,夏(冬)季亞歐大陸上的低層輻合(散)區(qū)主要出現(xiàn)在大陸的東部,以亞澳季風(fēng)區(qū)最為顯著,同時對應(yīng)著這些地區(qū)高層的輻散(合),促進(jìn)了這些區(qū)域的抬升(下沉)運動。這一特征對應(yīng)了亞澳季風(fēng)區(qū)的“大陸橋”作用所導(dǎo)致的低層風(fēng)場輻合,海陸熱力差異顯著地影響著這些區(qū)域季風(fēng)的進(jìn)程與活動強(qiáng)度(He et al.,2006;祁莉等，2007)。其中,海陸熱力差異推動了亞澳季風(fēng),促進(jìn)了太平洋、印度洋與亞歐大陸之間的大氣質(zhì)量交換。換言之,亞澳季風(fēng)活動在北半球海陸間大氣質(zhì)量再分布過程中扮演著重要的作用。

3.1　模擬的的緯向垂直環(huán)流

隨著季節(jié)變化,模式大氣中的緯向垂直環(huán)流圈發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變,引起海陸間大氣質(zhì)量的調(diào)整。由于各個模式資料在500 hPa以下的風(fēng)場和垂直速度在部分地區(qū)存在空缺,而前述分析表明了中上層大氣質(zhì)量輸送起主要作用,因此圖5顯示了500～50 hPa高度范圍內(nèi)的緯向垂直環(huán)流。1月(圖5a),緯向上自西向東分別存在兩處下沉和兩處上升氣流,即亞洲東部和北美上空存在下沉氣流,而東太平洋和大西洋上則出現(xiàn)上升氣流。海陸間的上升、下沉氣流與輻散風(fēng)構(gòu)成了緯向上的四個垂直環(huán)流圈。兩個順時針垂直環(huán)流圈——歐亞大陸西部和東大西洋之間、東太平洋和北美之間,兩個逆時針垂直環(huán)流圈——歐亞大陸東部和東太平洋之間、北美和西大西洋之間。

7月(圖5b),緯向上的垂直運動的分布情形與1月相反。亞洲東部和太平洋西部以及北美地區(qū)出現(xiàn)上升氣流,東太平洋和大西洋上則出現(xiàn)下沉氣流。其中,亞洲東部的上升區(qū)最為明顯,這主要是由于強(qiáng)盛的東亞夏季風(fēng)引起的低(高)層輻合(散)以及伴隨的垂直抬升作用所致。緯向上分布的垂直速度與輻散風(fēng)場構(gòu)成的垂直環(huán)流圈,與1月的相反。各大陸和海洋區(qū)域的大氣質(zhì)量隨季節(jié)變化出現(xiàn)顯著的變化。某個海洋或大陸的大氣質(zhì)量的堆積和與其相鄰區(qū)域的垂直運動密切相關(guān)。例如歐亞大陸上的大氣質(zhì)量的季節(jié)變化與東太平洋和東大西洋上空的垂直運動有關(guān),太平洋上的大氣質(zhì)量的季節(jié)變化與北美大陸和歐亞大陸上空的垂直運動有關(guān)。

圖5　1月(a)和7月(b)的緯向垂直環(huán)流(變量在15～60°N區(qū)間進(jìn)行經(jīng)向平均;垂直速度已放大50倍)Fig.5　Zonal vertical circulation in (a)January and (b)July(The variables are averaged over 15—60°N in meridional.The vertical speed has been amplified to 50 times)

3.2　模擬的的水汽收支

模式中海陸間的大氣質(zhì)量隨著季節(jié)的遷移,期間伴隨著氣柱內(nèi)水汽質(zhì)量的顯著變化。由于大氣中的水汽是地表長波輻射的主要吸收體,其在海陸間的分布影響著大氣的熱力梯度,從而影響海陸間的大氣質(zhì)量遷移。1月(圖6a),整層水汽的輻散分量顯示,水汽主要輸送到南半球。在熱帶外地區(qū),水汽通量在東亞、東南亞、西太平洋出現(xiàn)水汽輻散中心區(qū),這與圖4a的低層大氣質(zhì)量相匹配,說明這些地區(qū)水汽質(zhì)量變化主要存在于低層大氣中,而北美中東部為負(fù)偏差,比低層大氣通量輻散中心位置有所東移。

圖6　扣除年平均后的整層積分的水汽通量的無輻散分量(流線)和輻散分量(箭矢;單位:106 kg·s-1)以及水汽壓(陰影區(qū);單位:hPa)　　a.1月;b.7月Fig.6　Vapor pressure(shadings;units:hPa),and non-divergent component(streamlines) and divergent component(arrows;units:106 kg·s-1) of vapor flux integrated from surface up to 300 hPa after the annual mean has been removeda.January;b.July

7月整層水汽的無輻散分量在印度洋、太平洋以及大西洋上存在大值中心(圖6b)。整層水汽通量的輻散中心出現(xiàn)在東太平洋和大西洋上空,歐亞大陸東岸以及北美南部出現(xiàn)輻合中心,水汽主要來自副熱帶海洋以及越赤道氣流。水汽壓pw與整層水汽通量的輻合中心相對應(yīng),在亞洲東部以及北美出現(xiàn)pw較大的正偏差,其中最為顯著的亞洲東部的水汽輻合區(qū)與其上對應(yīng)的冬季水汽輻散區(qū)形成鮮明的對比,這與亞澳季風(fēng)系統(tǒng)的活動是密切聯(lián)系的。陳際龍和黃榮輝(2007)也指出該區(qū)域的水汽輻合是亞澳夏季風(fēng)子系統(tǒng)相伴的強(qiáng)降水主要來源,但各系統(tǒng)水汽輸送輻合的動力機(jī)理存在明顯差異。兩大陸上空的水汽含量偏差值高于兩大洋上空,這使得陸地上的大氣吸收來自太陽和地表的輻射較海洋多,緯向上的熱力梯度加大,有利于促使海陸間的大氣質(zhì)量遷移。pw的季節(jié)變化與ps相反。7月歐亞大陸上的大氣質(zhì)量達(dá)到全年的最小值,而水汽則達(dá)到全年的較大值,北美地區(qū)亦如此。兩大陸上的水汽含量偏差高,其上空的大氣暖濕,使大氣密度降低,加大了緯向壓力梯度,從而有利于推動海陸間大氣質(zhì)量的遷移。

4模擬的大氣溫度緯向差異及驅(qū)動作用

模式中北半球緯向上的熱力差異是海陸間大氣質(zhì)量季節(jié)循環(huán)的主要驅(qū)動力。太陽輻射作用下的非絕熱加熱隨季節(jié)變化,將引起海陸間溫度梯度隨季節(jié)轉(zhuǎn)變。由于熱成風(fēng)關(guān)系,大氣環(huán)流將最終發(fā)生調(diào)整,并推動海陸間大氣質(zhì)量的遷移。大氣環(huán)流的調(diào)整受到熱力和動力兩方面因素的影響,這里主要討論熱力因素的作用。

通過計算Tlow和Tup得到對流層中低層和中上層大氣的平均溫度(圖7)。不論是對流層中低層和中上層,溫度分布的空間型是相似的。1月,對流層中低層的平均溫度(圖7a)顯示,兩大陸上空為負(fù)偏差,歐亞大陸上的負(fù)偏差較北美地區(qū)的強(qiáng)度大、范圍廣,而兩大洋上則為溫度的正偏差,緯向上自西向東為“-+-+”分布。對流層中高層平均溫度的空間分布與低層一致,緯向上自西向東亦為“-+-+”分布(圖7c)。7月,對流層中低層平均溫度(圖7b)的緯向分布與1月相反。兩大陸上的溫度為正偏差,而兩大洋上則為負(fù)偏差,緯向上自西向東為“+-+-”分布。對流層中高層的平均溫度與低層相似,緯向上自西向東亦為“+-+-”分布。

圖7　地表至500 hPa 1月(a)、7月(b),以及500 hPa至200 hPa 1月(c)、7月(d)的大氣平均溫度的緯向差異(單位:℃;緯圈平均溫度示于插圖右側(cè))Fig.7　Zonal departures of the average atmospheric temperature(℃) in layer from surface up to 500 hPa in (a)January and (b)July,and those in layer from 500 up to 200 hPa in (c)January and (d)July(The zonal mean temperatures are presented in the right side of panels)

在冬季,由于陸地上的大氣柱冷卻收縮,促使對流層中低層易于形成高壓或高的位勢高度,并伴隨大氣質(zhì)量輻散,而對流層上層則出現(xiàn)低壓或低的位勢高度,并伴隨輻合,同時陸地上空的溫度偏冷,導(dǎo)致圖5a中的下沉運動。海洋上的大氣柱膨脹,使得對流層中低層易于形成低壓或低的位勢高度,并伴隨輻合,而對流層上層則出現(xiàn)高壓或高的位勢高度,并伴隨輻散,同時海洋上空的加熱,導(dǎo)致上升運動(圖5a)。這種高低層的配置與圖4a、b中的大氣質(zhì)量通量分布對應(yīng),從而推動對流層中低層的大氣質(zhì)量由兩大陸流向兩大洋,而高層則與之相反。而在夏季,陸地上的大氣柱受熱膨脹,海洋上的大氣柱冷卻收縮,其高低空的位勢高度的分布與冬季相反,從而利于對流層中低層的大氣質(zhì)量由兩大洋向兩大陸輸送,而高層則與之相反。

5結(jié)論與討論

利用CMIP5中的多個模式的輸出資料,對北半球海陸間大氣質(zhì)量的季節(jié)分布以及驅(qū)動因子進(jìn)行研究,所得結(jié)果總體上與再分析資料結(jié)果除了大西洋區(qū)域之外大體一致。主要結(jié)論如下:

多模式集合的北半球海陸間的大氣質(zhì)量隨著季節(jié)的轉(zhuǎn)變存在明顯的遷移。兩大洋上的大氣質(zhì)量在1月達(dá)到全年的最小值。太平洋上的大氣質(zhì)量在7月堆積達(dá)到最大值,而大西洋上的大氣質(zhì)量在6月提前堆積達(dá)到最大值。歐亞大陸上的大氣質(zhì)量在12月堆積達(dá)到全年的最大值,7月達(dá)到全年的最小值。

模式大氣中大西洋上的大氣質(zhì)量堆積在6月達(dá)到最大,這一結(jié)果與再分析資料顯示的5月大西洋大氣質(zhì)量達(dá)到最大有一定差異(胡潮等,2014)。

大氣質(zhì)量通量的季節(jié)變化顯示出有趣的時空變化。1月的對流層中低層大氣質(zhì)量通量在兩大陸上表現(xiàn)為輻散,兩大洋上為輻合;對流層中層以上,兩大陸上為輻合,兩大洋上為輻散。7月氣柱上下層的大氣質(zhì)量流分布情形與1月相反。緯向垂直環(huán)流隨季節(jié)發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變,從而與海陸間大氣運動相聯(lián)系。

水汽壓pw的季節(jié)變化與ps相反。1月的水汽在東亞、東南亞、西太平洋以及北美中東部為負(fù)偏差,水汽主要輸出至南半球,而7月的水汽在亞洲東部以及北美出現(xiàn)較大的正偏差。

1月平均溫度在緯向上自西向東呈“負(fù)—正—負(fù)—正”的交替分布,7月的分布情形與冬季的相反。由于海陸間熱力因素的驅(qū)動,高低層的大氣環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)整,從而利于推動大氣質(zhì)量海陸間的季節(jié)遷移。

致謝:CMIP5資料取自美國Lorenz國家實驗室(LLNL/PCMDI,Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison);文中插圖繪制使用NCL、GrADS軟件。謹(jǐn)致謝忱!

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(責(zé)任編輯：劉菲)

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