羅小青，徐建軍，李 凱

青藏高原大氣熱源研究述評

羅小青1,2，徐建軍1,2，李 凱3

（廣東海洋大學(xué)：1. 南海海洋氣象研究院，2. 海洋與氣象學(xué)院；3. 海運(yùn)學(xué)院，廣東 湛江 524088）

綜述前人對青藏高原大氣熱源的研究成果，探究大氣熱源與南海夏季風(fēng)的關(guān)系。歸納高原大氣熱源研究進(jìn)展，采用診斷分析方法探究高原熱源的時(shí)空分布及與南海夏季風(fēng)的關(guān)系。1）青藏高原夏季（冬季）大氣是熱（冷）源，冷熱源的季節(jié)轉(zhuǎn)換發(fā)生在3月，熱源強(qiáng)度7月達(dá)到最大；2）熱源中潛熱貢獻(xiàn)最大；3）不同資料和方法在描述熱源時(shí)空分布時(shí)存在一定不確定性；4）高原夏季大氣熱源與南海夏季風(fēng)呈明顯負(fù)相關(guān)?；诖髿鉄嵩?，構(gòu)造南海-青藏高原夏季海陸熱力性質(zhì)差異指數(shù)，該指數(shù)顯示1980―2016年海陸熱力性質(zhì)差異有年代際減小的趨勢。

青藏高原；大氣熱源；時(shí)空分布；亞洲夏季風(fēng)；海陸熱力性質(zhì)差異

大氣熱源（Atmospheric Heat Source，AHS）主要取決于太陽、大氣和地球間的輻射，大氣中的湍流傳熱及凝結(jié)、蒸發(fā)三種非絕熱加熱過程[1]，它是驅(qū)動大尺度環(huán)流的熱機(jī)。位于對流層中層的青藏高原大氣熱源是東亞天氣、氣候系統(tǒng)獨(dú)有的現(xiàn)象，高原熱源的強(qiáng)度和分布不僅影響亞洲夏季風(fēng)的爆發(fā)和發(fā)展[2]，也影響南亞高壓的形成和準(zhǔn)兩周振蕩。葉篤正等[3]認(rèn)為，北半球夏季最大熱源位于青藏高原上空。高原熱源影響東亞的天氣氣候在學(xué)界已形成共識，但關(guān)于熱源的定量計(jì)算[4]、時(shí)空演變及其對亞洲夏季風(fēng)影響[5]等方面研究仍存在諸多問題，少有作者對這些問題進(jìn)行系統(tǒng)闡述。筆者在歸納總結(jié)前人對青藏高原大氣熱源所做研究的基礎(chǔ)上，探討計(jì)算熱源的兩種方法的利弊，并利用再分析資料探究熱源時(shí)空分布與南海夏季風(fēng)的關(guān)系，旨在為青藏高原熱源研究提供參考。

1 大氣熱源的計(jì)算方法及分布

文中選取75°―103°E，28°―38°N代表青藏高原，利用區(qū)域平均結(jié)果分析熱源各分量的季節(jié)變化及熱源的年代際變化特征。

1.1 計(jì)算方法

Yanai[6]首先提出大氣熱源的計(jì)算方法。從熱力學(xué)方程出發(fā)，可得到大氣熱源1。1> 0表示熱源，大氣柱有凈的熱量收入；1< 0表示熱匯或冷源，大氣柱有凈的熱量支出。計(jì)算1的具體方法包括正算法和倒算法。

正算法基于輻射平衡原理，采用觀測資料或再分析資料分別計(jì)算大氣凈輻射、感熱和凝結(jié)潛熱各分量，再求和得到1[5]。該方法可得到整個(gè)大氣層或?qū)α鲗拥?及各分量的水平空間分布。倒算法也稱為“殘差診斷法”。該方法不直接計(jì)算各分量，而是基于大氣能量守恒直接垂直積分熱力學(xué)方程。倒算法不僅可求取地表熱源匯的分布，也可算出熱源垂直結(jié)構(gòu)，還可得到平流作用和垂直運(yùn)動對1的貢獻(xiàn)。兩種方法現(xiàn)今均有使用，但各有利弊[7-8]。對于正算法，只能得到熱源和分量的水平分布。對于倒算法，可用等壓面上的溫度、水平風(fēng)速和垂直風(fēng)速得到熱源垂直結(jié)構(gòu)，但垂直速度的取值對結(jié)果影響較大。現(xiàn)今隨著資料同化技術(shù)的迅速發(fā)展，再分析資料的種類和精度顯著提升，因此，采用再分析資料分析復(fù)雜地形或觀測資料較少地區(qū)，如青藏高原的大氣熱源具有一定優(yōu)勢。

1.2 熱源分布

關(guān)于青藏高原熱源的定量研究始于20世紀(jì)50年代，早期再分析資料和探空資料匱乏，多采用臺站觀測資料和正算法計(jì)算。葉篤正等[9]肯定了青藏高原夏季是一個(gè)熱源，李維亮等[10]和Yanai等[5]采用倒算法、Wang等[11]采用正算法證實(shí)了此結(jié)論。筆者利用NCEP2（2.5° ~ 2.5°）、MERRA2（0.6° ~ 0.5°）、JRA-55（1.25° ~ 1.25°）和ERA-Interim（0.5° ~ 0.5°）資料，基于正算法得到亞洲夏季風(fēng)區(qū)AHS氣候平均態(tài)的空間分布（圖1）。由圖1可知，熱源空間變率較大，這與Luo等[12]、趙平等[13]的結(jié)論一致。高原大部分為熱源區(qū)，但不同資料估計(jì)的熱源空間分布差異較大。ERA-Interim資料顯示，青藏高原中東部、蒙古高原地區(qū)及我國大部分地區(qū)均為較強(qiáng)熱源區(qū)，可能是由該資料計(jì)算的大氣凈輻射偏小所致（圖2）。除NCEP2資料外，其余資料結(jié)果顯示雅魯藏布江為強(qiáng)熱源區(qū)。關(guān)于高原熱源計(jì)算的不確定性問題文獻(xiàn)[4]有較為系統(tǒng)的描述。基于正算法，MERRA2資料與臺站觀測資料計(jì)算的1980―2016年青藏高原區(qū)域平均大氣熱源的相關(guān)系數(shù)較ERA-Interim和NCEP2的高，因此下文分析熱源季節(jié)特征時(shí)采用該資料。

2 熱源季節(jié)變化

眾多學(xué)者關(guān)注高原熱源的季節(jié)變化[5,14-15]。圖3顯示，赤道附近熱源季節(jié)變化不明顯，而青藏高原熱源季節(jié)變化尤為顯著。夏季高原中東部AHS最強(qiáng)，冬季為熱匯，說明夏季高原的熱力作用最明顯，這與Yanai等[5]研究結(jié)果一致。從春季到夏季，熱源強(qiáng)度明顯增加，而10°―30°N的AHS增加最顯著，同時(shí)伴隨南亞高壓北上、西移和副高北上、東撤。圖2和圖3均顯示，高原大氣冬季為熱匯，夏季為熱源。圖2顯示，熱源最大值在7月，MERRA2資料計(jì)算的7月熱源強(qiáng)度約180 W/m2。除ERA-Interim資料外，其余資料均顯示冷熱源轉(zhuǎn)換發(fā)生在3月。高原夏季是明顯熱源區(qū)，李永華等[16]探討夏季熱源強(qiáng)弱與西太平洋副高和南亞高壓脊線的關(guān)系，關(guān)于高原熱源強(qiáng)度及其季節(jié)轉(zhuǎn)化與南亞高壓、副高位置和強(qiáng)度的關(guān)系需進(jìn)一步探討。圖2還顯示，輻射總是起冷卻作用，這與葉篤正等[3]和Duan等[17]結(jié)論一致。熱源各分量中，潛熱加熱較大且變率較大，而感熱加熱相對較小且變率也小。潛熱7月最大，除NCEP2資料外，感熱4月最大。劉新等[18]研究認(rèn)為，5月中旬前，感熱加熱和熱源的時(shí)間演變曲線一致，而圖2中并未顯示該特征。

圖1 基于4種再分析資料的AHS 1980―2016年平均氣候態(tài)

AHS、LH、NR和SH分別表示大氣熱源、潛熱、大氣凈輻射和感熱

綠線、紅線和藍(lán)線分別表示200 hPa（≥12 460 gpm）、500 hPa（≥5 865 gpm）和700 hPa（≥3 050 gpm）位勢高度（gpm）

3 熱源的年際和年代際變化

在氣候變化的大背景下，青藏高原及周邊大氣熱源在年際和年代際尺度上如何變化也引起眾多學(xué)者的關(guān)注[19]。青藏高原熱源在最近幾十年發(fā)生了顯著變化。Duan等[20]發(fā)現(xiàn)，高原大氣熱源自20世紀(jì)80年代中期以后逐漸減弱，Duan等[21]、Wang等[11]得到類似結(jié)論，但不同資料計(jì)算的AHS年代際變化有顯著差異，這與圖4反映現(xiàn)象一致。圖4還顯示，ERA-Interim資料的AHS在2000年前后發(fā)生了由正到負(fù)的轉(zhuǎn)變，JRA-55資料的年代際波動明顯，MERRA2資料和NCEP2資料顯示，2012年后高原大氣是一個(gè)強(qiáng)熱源，且有顯著增加，而另外兩套資料則顯示高原為冷源。不同再分析資料在描述高原熱源時(shí)差異較大，可能是由熱源計(jì)算所需變量較多，而不同再分析資料選用的同化方法不同所致。

圖4 基于4種再分析資料的青藏高原區(qū)域平均熱源距平

4 熱源與大氣環(huán)流的關(guān)系

青藏高原對東亞甚至是全球大氣環(huán)流的影響異常顯著[22]，其熱力作用對維持夏季風(fēng)環(huán)流和行星尺度環(huán)流有重要作用。夏季近地層淺薄的氣旋性環(huán)流（約1.5 ~ 3 km）、高層深厚的反氣旋性環(huán)流（約3 ~ 6 km）均由高原加熱作用產(chǎn)生[9]。熱源匯通過動力作用過程對西風(fēng)帶平均槽脊生成和發(fā)展的影響，較其通過地形動力過程對西風(fēng)帶平均槽脊產(chǎn)生的影響更為重要，如熱源通過平流作用使低空槽往往生成于熱源的西邊[23]，這通過500 hPa環(huán)流形勢場可體現(xiàn)出來（圖3）。

眾多學(xué)者就高原熱源對亞洲大氣環(huán)流的影響進(jìn)行了分析[2,24-25]。吳國雄等[26]提出了熱力適應(yīng)理論，并用來解釋夏季高原的加熱作用所強(qiáng)迫的大氣環(huán)流變化特點(diǎn)。劉新等[18]研究認(rèn)為，5月中旬前高原非絕熱加熱的變化增大了海陸熱力性質(zhì)差異，給亞洲夏季風(fēng)建立了有利的環(huán)流背景場，Duan等[20]則認(rèn)為，春季高原感熱和輻射作用的顯著減小會削弱亞洲夏季風(fēng)環(huán)流，同時(shí)使夏季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間推遲。Duan等[27]認(rèn)為，高原熱力作用進(jìn)一步加強(qiáng)東亞夏季風(fēng)。圖5顯示，大多數(shù)年份中高原夏季大氣熱源強(qiáng)時(shí)，南海夏季風(fēng)偏弱。從表1也可看出兩者的負(fù)相關(guān)關(guān)系。假設(shè)用夏季南海和高原陸地上的熱源差值來衡量海陸熱力性質(zhì)差異，并分析其年代際演變規(guī)律（圖6），可知夏季南海-青藏高原熱力性質(zhì)差異呈波動狀態(tài)，4種再分析資料的變化特征基本一致，1998、2004、2008年和2015年夏季海陸熱力性質(zhì)差異偏弱，說明這4年南海夏季風(fēng)可能偏弱。從線性趨勢來看，南海-青藏高原海陸熱力性質(zhì)差異有年代際減小趨勢。

夏季風(fēng)指數(shù)來源于李建平主頁，詳見http://ljp.gcess.cn/dct/page/1

表1 青藏高原夏季AHS和南海夏季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)性

說明：** 表示0.05顯著性水平，* 表示0.01顯著性水平。

圖6 夏季青藏高原與南海熱力性質(zhì)差異對比

5 存在問題及研究展望

本文歸納總結(jié)青藏高原大氣熱源的計(jì)算方法、時(shí)空演變特征，并探究高原夏季熱源與南海夏季風(fēng)的關(guān)系，得到一些結(jié)論。但不同資料和方法計(jì)算的高原熱源強(qiáng)度及年代際變化結(jié)果相差較大。究其原因，主要有三方面：第一，計(jì)算方法不同產(chǎn)生誤差，如用不同方法計(jì)算大氣輻射、熱交換系數(shù)和垂直速度的誤差。第二，缺乏觀測資料，而計(jì)算熱源時(shí)需要變量較多。已有學(xué)者利用衛(wèi)星資料研究陸氣熱量交換過程[28]，但夏季高原強(qiáng)烈對流活動又會影響衛(wèi)星資料精度[29]。再分析資料在定量估計(jì)熱源強(qiáng)度和變率方面仍有較大不確定性[17,30]，如Shi等[31]對比地表觀測的通量資料、CAMP/Tibet遙感資料和四種再分析資料（CFSR、MERRA、ERA-Interim和JRA-25）結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)月平均感熱和潛熱的均方根誤差均較大；有學(xué)者[32]又認(rèn)為采用再分析資料（JRA-55、ERA-Interim和NCEP2）計(jì)算夏季高原熱源，與采用衛(wèi)星和臺站資料的計(jì)算結(jié)果相關(guān)性較好，且JRA-55資料更接近觀測資料。第三，在倒算法中對于熱源匯積分的上、下限選取不一，也就是說大氣柱的厚度選取不一樣，也會導(dǎo)致結(jié)果差別較大。除熱源計(jì)算的不確定性外，以下幾個(gè)方面也應(yīng)是今后研究的重點(diǎn)：

1）AHS季節(jié)轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究。大氣熱量主要由輻射、湍流、降水和蒸發(fā)等過程產(chǎn)生。每個(gè)分量均有各自的季節(jié)變化特征，且不同區(qū)域、不同時(shí)段各分量在AHS中所占比例不同。青藏高原夏季是熱源，冬季是冷源，冬夏季冷熱源的轉(zhuǎn)換過程是如何進(jìn)行的？值得討論。北半球夏季風(fēng)爆發(fā)前，整個(gè)高原以感熱作用為主，且西部最為顯著，夏季風(fēng)爆發(fā)后至10月份，隨著我國東部降水雨帶的北推，降水產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱釋放逐漸成為高原大氣熱源主導(dǎo)分量。這種季節(jié)轉(zhuǎn)化具有突變性，需采用更高時(shí)間分辨率的資料研究該轉(zhuǎn)變。

2）AHS與亞洲夏季風(fēng)的關(guān)系。Zhang等[33]認(rèn)為，南亞-南印度洋的熱力性質(zhì)差異會顯著影響印度夏季風(fēng)的爆發(fā)時(shí)間?，F(xiàn)有事實(shí)觀測和研究證實(shí)，亞洲夏季風(fēng)存在年代際減弱的趨勢，青藏高原的熱力過程所起的作用有待進(jìn)一步研究。前文第4節(jié)基于大氣熱源構(gòu)建了衡量南海-青藏高原的夏季熱力性質(zhì)差異指數(shù)，并指出該指數(shù)有年代際減小趨勢，由此說明南海夏季風(fēng)極可能呈減弱趨勢。表1指出南海夏季風(fēng)和高原夏季熱源呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明高原夏季熱源有增加趨勢。由于以上結(jié)論是基于再分析資料的結(jié)果，因此還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）AHS異常的影響探究。20世紀(jì)70年代以來，青藏高原對流層下部升溫明顯（溫度升高約1.8 ℃）[11]，水循環(huán)加強(qiáng)及積雪呈先增后減的變化趨勢，高原的冷熱源作用必然發(fā)生顯著變化。羅會邦等[34]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高原熱源增強(qiáng)時(shí)，長江上游和淮河流域降水增多，而華南地區(qū)降水減少；Zhao等[35]對觀測資料的分析結(jié)果表明，在夏季高原熱源強(qiáng)（弱）的年份，高原及其鄰近地區(qū)的對流層中低層為偏差氣旋環(huán)流（或反氣旋環(huán)流），中國長江流域低層為異常的西南風(fēng)（或東風(fēng)），對應(yīng)著東亞強(qiáng)（弱）的夏季風(fēng)。孫穎等[36]探討青藏高原熱源異常對東亞夏季風(fēng)異?；顒拥挠绊憰r(shí)，發(fā)現(xiàn)高原春夏季AHS強(qiáng)度異常偏弱，最終導(dǎo)致夏季風(fēng)爆發(fā)偏晚，且在中國東部北進(jìn)偏弱；Li等[37]通過數(shù)值模擬手段研究青藏高原春季AHS異常對西風(fēng)急流的影響，發(fā)現(xiàn)青藏高原北部（南部）的西風(fēng)氣流與地表溫度有明顯正相關(guān)（負(fù)相關(guān)）。高原熱源強(qiáng)弱異常與中國東部雨帶時(shí)空變化特征、夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化趨勢相對應(yīng)[38]。前文第4節(jié)已利用再分析資料初步探索大氣熱源和季風(fēng)的關(guān)系，至于熱源異常對季風(fēng)的影響及其氣候效應(yīng)還需進(jìn)一步研究。

選用高精度資料，對青藏高原大氣熱源進(jìn)行計(jì)算，并比較正算法和倒算法的效果，同時(shí)分析高原大氣熱源的時(shí)空變化特征，尤其是其垂直結(jié)構(gòu)，是研究高原熱力作用必不可少的任務(wù)。鑒于大氣的輻射加熱、潛熱和湍流輸送熱量的季節(jié)變化、年際變化以及年代際變化特征在不同地區(qū)存在顯著差異，可研究各個(gè)非絕熱加熱分量在高原不同下墊面的變化特征。探討高原熱力作用的超前-滯后效應(yīng)也將是今后工作的一個(gè)重點(diǎn)。高原熱力作用通過遙相關(guān)與東部地區(qū)、北美有何聯(lián)系？與南海海溫和印度洋海溫有何聯(lián)系？這也是極有意義的工作。近20年，全球增溫停滯背景下[39]，青藏高原卻出現(xiàn)明顯增溫的情況[40-41]，在這種氣候背景下，研究未來20年高原大氣熱源如何變化也是極有意義的工作。

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A Review of Atmospheric Heat Sources over the Tibetan Plateau

LUO Xiao-qing1,2, XU Jian-jun1,2, LI Kai3

（1.2.3.,,524088,）

To summarize the previous research results on the atmospheric heat sources (AHS) of the Tibetan Plateau (TP), and explore the relationship between AHS and the South China Sea summer monsoon.The research progress of AHS on the TP was summarized, and diagnostic analysis methods were used to explore the temporal and spatial distribution of the TP AHS and its relationship with the South China Sea summer monsoon.1）The TP is a heat source in summer, and sink in winter, and the transition from heat sinks to heat sources occurred in March.The intensity of AHS reached its maximum in July. 2）The contributions of latent heat for the AHS is the largest. 3）Different data and methods have great uncertainty in describing the temporal and spatial distribution of the AHS. 4）The AHS of TP in the summer has significant negative correlation with the South China Sea summer monsoon. The summer sea-land thermal contrast index between the South China Sea and the TP, which based on the AHS, shows that there is an interdecadal decrease during 1980-2016.

Tibetan Plateau; Atmospheric Heat Source; Spatial and Temporal Characteristics; Asia monsoon; Land-sea Thermal Contrast

P43；P714+.2

A

1673-9159（2019）06-0130-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2019.06.017

2019-07-04

南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江）資助項(xiàng)目（ZJW-2019-08）；廣東海洋大學(xué)“創(chuàng)新強(qiáng)?！辟Y助項(xiàng)目（230419053）；廣東海洋大學(xué)“沖一流”學(xué)科建設(shè)科研項(xiàng)目（平臺）（231419022）；海洋與氣候變化人才培養(yǎng)和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（002026002002）

羅小青（1988―），女，博士研究生，講師，主要從事海-陸-氣相互作用的研究。Email：luo_201709@126.com

羅小青，徐建軍，李凱. 青藏高原大氣熱源研究述評[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，39（6）：130-136.

（責(zé)任編輯：劉慶穎）