青藏高原大地形对南海冷涌事件影响的数值模拟

张玲　智协飞　伍清

摘要利用大气环流模式NCAR CAM3，通过比较敏感性试验与控制试验的结果，讨论青藏高原大地形高度对南海北部冷涌事件及环流的可能影响。结果表明，地形的绕流作用对阿留申低压和东亚大槽的产生有着重要作用，当大地形不存在时，两者消失。地形高度变化对大陆冷高压的强度有影响，随着地形高度的降低大陆冷高压强度减弱。即大地形对中高纬行星尺度平均槽脊具有重要作用，地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小，不利于冷空气南下，从而影响冷涌事件的强度和发生频率。当地形高度减半时，由于大陆东部地势相对平坦，南海北部北风强度增加，使得南海北部冷涌的出现频率略有增加。当无地形存在时，由于无青藏高原大地形的存在，使得东亚中高纬环流的经向度显著减小，冷空气南下活动明显减弱；同时没有大地形激发冷锋后的Kelvin波向南运动，导致南海北部北风强度减弱，南海北部冷涌的出现频率也显著减少。

关键词大地形；冷涌；数值试验

冷涌根据冷空气的传播路径不同，分为北风冷涌和东风冷涌（余斌等，1992；Chang，2004）。伴随着一次强冷空气爆发，地面图上冷空气到达长江流域中下游时，地面高压值仍可达1 038 hPa。但冷锋本身并不一定南移到低纬地区，因为随着冷空气的变性，常以冷涌的形式出现，表现为地面气压增加，温度稍下降，湿度骤减，东北风加强，尤其是北风分量加大。这种影响可一直到达南海南部等低纬度地区 （卢文通和丁一汇，1987；赵思雄和曾庆存，2005；周琳和孙照渤，2015）。通常把冷空气突然向南爆发，南海一带东北风迅速加强的现象称为“冷涌”（卢文通和丁一汇，1987）。

单独的冷涌，其时间尺度较小，空间尺度则较大。Chang and Webster（1983）对南海附近的站点数据分析发现，冷涌前缘向南的平均移速约为40 m/s，远大于平流的移动速度（平流约为10 m/s），具有重力波特征。当锋面进入南海北部后，一般会很快消失。所以，到达低纬地区时，一般只有冷涌的前缘。周学群（1989）分析南沙海区地面加密观测资料时发现，冷涌期间该海区的风速具有平均时间间隔为4 h的脉动过程。大风和阵雨（有时还可以出现雷暴、龙卷等强对流天气）往往相伴出现，冷涌表现为叠加在大尺度冬季风经圈环流之上的中β尺度重力波扰动。他具有一定时间长度的生命史和较大的波振幅，波形结构和移速都较稳定，具有行波的特征。张韧和张为付（1994）利用一个部分非线性的二维经向重力内波动力模式，通过求行波解，发现冷涌的传播表现为具有非线性效应的无频散或弱频散的重力行波，其向南传播速度远大于平流速度，更接近重力内波的波速。

Chang and Lau（1981）、Chang and Webster（1983）、Chang and Millard（1983）在讨论冷涌的动力学特征时指出，冷涌在南下過程中具有重力波特征，并指出大尺度山脉对冷涌具有重要的影响。Murakami and Nakamura（1983）指出冷涌可能是大尺度山脉边界激发的Kelvin波。随后Sumi（1985）用数值试验进一步验证了这一结论。朱乾根和杨松（1990）通过对一次大尺度冷涌过程的模拟发现，青藏高原大地形的热力作用对东亚冬季风无明显影响，而其动力作用则非常明显。青藏高原能强迫冷涌绕高原东侧南下，激发出冷锋后的开尔文波，从而产生东北大风区。陆维松和朱乾根（1991）利用包含大地形效应的线性浅水波方程，考虑青藏高原大地形的动力作用，导得两类重力波解：一类是两个高频重力惯性波解，另一类是由地形激发的低频地形重力波解，其与Kelvin波有类似之处。这两类波分别对应的是冷涌前锋和冷涌风速极大值中心的传播。冷涌的传播与大气中的波动密切相关，地形和海陆分布等下边界条件是强迫准定常行星波的主要来源，下边界条件通过强迫不同的准定常波动对冷涌产生影响。Murakami and Nakamura（1983）、Sumi（1985）指出冷涌是由大尺度山脉边界激发的Kelvin波。而朱乾根和杨松（1990）、陆维松和朱乾根（1991）认为大地形对冷涌具有一定的影响，冷涌的传播包括冷锋前由冷锋自身激发的重力惯性波和冷锋后由地形激发的低频Kelvin波。地形仅仅会影响低频波的产生，因此冷涌不会随着大地形的消失而消失。前人的研究中指出大地形对冷涌有影响，但地形对冷涌的作用程度并不清楚，并且所采用的数值模式大都比较简单，且大多仅对单个个例进行模拟研究，缺乏普遍性。本文使用全球大气环流模式CAM3，讨论地形对冷涌及其相关环流的影响。

1试验方案设计

11模式简介

NCAR CAM3（NCAR Community Atmosphere Model）是由美国国家大气科学研究中心（NCAR）研制的，先后经历了CCM0、CCM1、CCM2、CCM3、CAM2五代大气环流模式逐步发展而成的第六代全球大气环流模式（Collins et al.，2004，2006）。NCAR CAM3为全球谱模式，采用三角谱截断，水平分辨率为T42，纬向均匀分布128个格点，分辨率为2812 5°，经向为64个高斯格点。垂直方向上采用σp混合坐标，共26层，模式层顶为2917 hPa。在近地面层采用σ坐标，在83142 5 hPa以上的高层大气采用p坐标，两者之间采用σp混合坐标。模式提供了三种动力框架：欧拉动力框架、半拉格朗日动力框架及有限元动力框架。在运行方式上模式亦提供了三种：以多年月平均海温和海冰作为边界场来驱动大气环流模式，简称DOM（Data Ocean Model）方式；与包括热力海冰部分的简单海洋模式耦合运行，称混合层海洋耦合方式，简称SOM（Slab Ocean Model）方式；与海洋、陆面、冰雪模式耦合运行，称公共气候系统模式，简称CCSM（Climate System Model）。

12试验方案

本文设计五个试验，一个控制试验和四个地形敏感性试验。使用模式本身自带的真实海陆分布等边界条件，选用DOM运行模式，积分过程中选用常用的欧拉动力框架，时间步长为20 min，积分11 a，取后10 a模拟结果进行分析。控制试验（记为CON）所用的地形高度采用模式初始场中自身的地面位势高度（PHIS），四个地形敏感性试验，即半地形试验（记为HG）所用的地面位势高度是将模式中（60°E～180°，0°～80°N）区域的地面位势高度乘以二分之一；四分之一形试验（记为QG）所用的地面位势高度是将模式中（60°E～180°，0°～80°N）区域的地面位势高度乘以四分之一；十分之一地形试验（记为TG）所用的地面位势高度是将模式中（60°E～180°，0°～80°N）区域的地面位势高度乘以十分之一；无地形试验（记为NG）所用的地面位势高度是将模式中（60°E～180°，0°～80°N）区域的地面位势高度乘以万分之一。敏感性试验与控制试验的结果差异利用差值T检验及小样本检验（Preisendorfer and Barnett，1983）两种方法进行单点检验和场检验。

2控制试验结果分析

首先通过控制试验检验模式对东亚冬季风环流系统的模拟能力。选取前一年11月至当年3月记为冬半年，对积分的后10 a结果与同期NCEP/NCAR再分析资料的结果进行对比分析，10 a冬季平均环流场由图1給出。图1b给出了控制试验模拟的10 a平均的冬季对流层低层925 hPa位势高度场和水平风场。可以看到，中国大陆上空有一个高压中心，高压东侧盛行偏北风。沿高压东北侧的气流在朝鲜半岛附近分成两支，一支转为偏东气流沿阿留申低压外缘流向北太平洋；另一支东北气流继续向南经过黄海、东海流向南海。在对流层中层中高纬为西风气流控制，且在西风基本气流上叠加有行星尺度的平均槽脊，即贝加尔湖以西的高压脊和东亚大槽（图1d）。在低纬西太平洋上空存在反气旋环流，热带地区盛行东风气流。在对流层高层，有明显的东亚副热带西风急流活动（图1f）。与NCEP/NCAR再分析资料（图1a、c、e）同期的环流场进行对比分析发现，模式模拟的环流系统与NCEP/NCAR再分析资料所反映的冬季风环流系统基本一致，NCAR CAM3能较好地模拟出东亚大尺度环流的主要特征。由于模式本身的性能，对环流系统强度的模拟略有偏差，如对位势高度场的模拟偏高导致对高压系统强度的模拟偏强，对低压系统的强度模拟偏弱，但这种系统性的偏差并不影响讨论地形对东亚环流系统及冷涌的影响。

3敏感性试验结果分析和讨论

31环流场特征

图2给出了四组敏感性试验中冬季平均925 hPa环流场的分布特征，四组敏感性试验与控制试验模拟的对流层低层位势高度场的差异通过了99%置信度的显著性场检验。可以看到，在敏感性试验中在对流层低层大陆冷高压的强度较CON试验中高压强度有所减弱，且随着地形高度的降低，大陆冷高压的强度逐步减弱，

大陆冷高压东侧盛行偏北风，在HG和QG试验中其强度较控制试验无显著差异，高压东侧的风场差异在TG和NG试验中表现显著。高压南侧的东北风在HG试验中变化显著，但随着地位高度的继续降低，南海北部的风速并没有出现显著的差异。此外，北太平洋上空的阿留伸低压随着地形高度的降低强度逐渐减弱，在NG试验中，阿留伸低压已经消失。

图3给出了四组敏感性试验中冬季平均500 hPa风场和位势高度场的分布特征，四组敏感性试验与控制试验模拟的对流层低层位势高度场的差异通过了99%置信度的显著性场检验。对流层中部中高纬地区为西风气流控制，地形绕流作用对纬向风场的作用比较明显，正如图3中所示，地形高度对东亚北部纬向风场的影响显著，从贝加尔湖至北太平洋上空随着地形高度的降低西风逐渐减弱。在位势高度场上，贝加尔湖以西的高压脊和东亚大陆东部的大槽强度减弱，随着地形高度的降低，中高纬环流的经向度逐步减小，这样的环流背景不利于冷空气的南下。

对比敏感性试验和控制试验的结果可以发现，阿留伸低压和东亚大槽的产生与地形的绕流作用关系密切。地形高度变化并不影响大陆冷高压的存在，但对其强度有显著影响，随着地形高度的降低，大陆冷高压的强度也逐渐减弱。大地形对中高纬行星尺度平均槽脊具有重要作用，地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小，不利于冷空气的南下。

32冷涌频率分析

从环流场的分析发现，地形高度的变化与中高纬环流经向度的关系较为显著，影响冷空气的活动路径，南海北部冷涌事件的发生与北方冷空气的关系密切（Chang et al.，2006），冷空气的活动路径直接会影响南海北部冷涌事件的发生频率。并且，前人的研究表明，冷涌与大地形具有一定的联系。因此，本文利用数值试验结果对冷涌频率异常与地形高度的变化进行进一步的讨论。①设北风到达（109688～118125°E，23720 2°N）范围内为起始时刻，随后两天这一区域的日平均气温下降不小于2 ℃；②随后24 h沿（109688～118125°E，15348 4°N）范围内925 hPa经向风的平均值大于等于8 m/s（张玲和智协飞，2014）。根据这一标准，将CON、HG、QG、TG、NG试验中满足冷涌的频率进行统计分析。

如图4所示，TG与NG的试验中，冷涌的出现频率明显较其他三组试验中的少，差值通过了99%置信度的显著性检验。HG试验中冷涌的出现频率要略多于控制试验的结果，通过了90%置信度的显著性检验，QG试验结果与控制试验结果差异不大，未能通过显著性检验。冷涌出现日数的统计结果与频率的统计结果基本一致（图5）。对冷涌出现频率和持续天数的统计发现，地形有无对冷涌频率的影响较为明显。那么是什么原因导致冷涌频次的变化呢？下面分别对冷涌的两项标准进行分析。

图6给出了五组试验中，满足冷涌标准①的日数统计。从统计结果中可以看到，地形高度减半，对冷空气活动天数的影响并不十分明显。表1给出的是五组试验中10 a冬季模拟资料中满足不同条件的冷涌日数统计的年平均值。表1显示，在控制试验中，满足条件①的平均日数为333 d，在HG试验中，满足条件①的平均日数为328 d，二者相差甚微。而在QG、TG、NG试验中，冷空气的活动天数明显减少，平均出现日数分别为277、225、211 d。这表明，随着地形高度的降低，冷涌活动的日数越来越少。这与地形对中高纬环流经向度的影响有关。上一节的分析发现，QG、TG、NG试验中，东亚中高纬环流的经向度大大削弱，环流经向度减弱不利于冷空气向南爆发，因此满足条件①的日数大大减少。图7给出了五组试验中，满足冷涌标准②的日数统计，可以看到，HG 、QG试验中满足条件②的平均日数分别为703 d和605 d，明显高于控制试验中的533 d，这说明地形高度减半和降至四分之一高度后，南海北部北风风速显著增强。而TG、NG试验中满足条件②的平均日数逐渐减少，为487 d和381 d。地面位势高度降低，使得大陆东部的地势更加平坦，地形对风场的阻挡作用大大减小，从而使得南海北部的北风有所增强。朱乾根和杨松（1990）、陆维松和朱乾根（1991）的研究结果表明，冷锋后部的Kelvin波由大地形激发而形成，携带冷空气以相对较慢的速度南下，进一步加强冷涌。TG、NG试验中，大地形基本已不复存在，冷锋后部由大地形激发的Kelvin波也不存在，南海北部的风速会大大减弱，因此满足条件②的日数相对较少。

下面以1979年一次冷涌过程为例，给出进一步说明。

图8给出的是控制试验中一次冷涌事件的经向风场的演变过程，选取的南海北部冷涌活跃期为1979年11月19—20日。从图中可以看到，在冷涌活跃期的前一天（图8a），925 hPa等壓面上，北风的大值中心呈东北西南走向，北风中心位于河南、湖北境内，大于8 m/s的北风最南端到达26°N。冷涌活跃期第1天（图8b），北风大值中心南移至中国大陆南端与南海上空，且大于8 m/s的北风最南端已到达10°N。第2天（图8c），北风大值中心持续南移至南海西南部，大值中心有所减弱。第3天（图8d），北风大值中心移出南海北部至南海中南部，且北风强度逐渐减弱。冷涌活跃期前1天至冷涌活跃期第1天，24 h内的8 m/s北风南边界向南移动了16个纬距，移动速度约20 m/s，与Kelvin波的移速较为接近，与陆维松和朱乾根（1991）的结论一致。冷涌活跃期及衰亡期，北风大值中心的移速较慢。

图9给出的是无地形（NG）试验中与图8同一时间段的经向风场的演变过程。对比图8和图9可以发现，当大地形不存在时，北风的风速小于大地形存在时的风速，且无显著的大值中心出现，亦无明显的移动过程。因此，可以认为北风冷涌以Kelvin波的形式向南传播，且与大地形密切相关，与朱乾根和杨松（1990）、陆维松和朱乾根（1991）的研究结果基本一致。

高原地面位势高度对冷涌的出现频率具有显著的影响。当地面位势高度降低时，由于大陆东部地面相对平坦，南海北部北风强度增加，使得南海北部冷涌的出现频率略有增加。当大地形几乎不存在时，东亚中高纬环流经向度显著减弱，冷空气南下活动明显减弱，同时没有大地形激发冷锋后的Kelvin波向南运动，南海北部北风强度减弱，这样南海北部冷涌出现的频率显著减少。

4结论

利用大气环流模式NCAR CAM3，通过比较地形高度敏感性试验与控制试验的结果，讨论青藏高原大地形位势高度对冷涌频率及其环流的可能影响，得到以下结论：

1）阿留申低压和东亚大槽的产生与地形的绕流作用密切相关。随着地形高度的降低，东亚大槽和阿留申低压逐渐减弱。当大地形不存在时，二者消失。地形高度变化对大陆冷高压的形成并不影响，但对其强度有所影响，随着地形高度的降低大陆冷高压强度减弱。大地形对中高纬行星尺度平均槽脊具有重要作用，地形高度降低会导致中高纬环流经向度减小，不利于冷空气的南下。

2）大地形高度对冷涌年际频率的变化影响显著。当地面位势高度减半时，由于大陆东部地势相对平坦，南海北部北风强度增加，使得南海北部冷涌的出现频率略有增加。当无青藏高原大地形存在时东亚中高纬环流经向度显著减弱，冷空气南下活动明显减弱，同时由于没有大地形激发冷锋后的Kelvin波向南运动，南海北部北风强度减弱，南海北部冷涌出现的频率也显著减少。

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