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，从而造成了平稳的增温过程，这值得我们深入研究。实际上，在夏季，东亚北部非绝热加热可在对流层低层东亚北部地区维持一个低压环流（LinandBueh,2021）。受此启发，随着从春至夏的季节推进，北亚甚至是欧亚大陆上非绝热加热的季节性增强，它们将如何影响低层环流进而影响北亚地区的热量收支平衡，最终使得北亚地区形成一个平稳的增温过程？为此，本文将主要基于 Chyietal.（2021）的结果，通过热力学方程和线性斜压模式，进一步来探究春夏转换前的北亚地区平稳增温时的热力学特征。本文第 2 节为资料和方法，第 3 节为北亚气候平均温度变化，第 4 节为通过数值试验揭示的非绝热加热的影响，第 5 节给出结论和讨论。2 资料与方法 2.1 数据本文使用日本气象厅提供的逐日再分析资料（JRA-55）（Kobayashi et al.,2015），时 间 段 为19582019 年。要素包括位势高度场（Hgt）、风场（u，v）、气温（T）、垂直速度（）和非绝热加热率。其中，非绝热加热率由五项构成，即对流加热率（Convectiveheatingrate，简称 Cnvhr）、大 尺 度 凝 结 加 热 率（Large scale condensationheating rate，简 称 Lrghr）、长 波 辐 射 加 热 率（Longwave radiative heating rate，简 称 Lwhr）、太阳短波辐射加热率（Solarradiativeheatingrate，简称 Swhr）、垂直扩散加热率（Verticaldiffusionheatingrate，简称 Vdfhr）。Cnvhr 和 Lrghr 分别是由凝结造成的潜热释放所产生；Lwhr 和 Swhr 分别是由长、短波辐射通量的辐合造成的加热效果；Vdfhr 主要刻画了边界层中因湍流运动而引起的感热加热。这五项非绝热加热率分量均在等压面上。水平分辨率为 1.25（经度）1.25（纬度）,垂直方向上取 1000hPa 到 50hPa 共 20 层。与 Chyietal.（2021）利用剩余法计算非绝热加热项不同，本文利用的是 JRA-55 提供的五项加热率数据来计算非绝热加热项，这可以进一步分析出各种非绝热过程的相对重要性。实际上，本文也利用 NCEP/NCAR（NationalCenterforEnvironmentalPrediction/NationalCenterforAtmosphericResearch）（Kalnayetal.,1996）和ERA5（thefifthgenerationofEuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecastsReanalysis）的再分析资料，通过剩余法计算出非绝热加热项，其结果与本文所用的 JRA-55 五项加热率之和基本一致，尤其是 ERA5 的结果和本文的结果更为一致（图略）。2.2 诊断方程本文采用线性化后的热力学方程对 925hPa 北亚气候平均温度变化进行诊断（HeandBlack,2016）：Tt=uTx|z HADVc1vTy|z HADVc2|z HADVc+RTpcp|zVMc1Tp|z VMc2|z VMc+(VT)|z HEHFc+(pT+RpcpT)|z VEHFc+Q（1）RdTQ其中，是气体常数，取 0.287kgkg1g1；cp定压比热容，取 1.004kgkg1g1。方程中的“”表示气候候平均，“”表示相对气候平均的候异常。本文在计算中，先将日平均数据处理成候平均，然后再计算了方程（1）中的各项。方程（1）左边为气候平均候温度变化，某一候的温度变化为该候的温度与前一候温度的差值，记为。HADVc 表示气候平均风场对气候平均温度的水平平流项（简称水平平流项），它由气候纬向温度平流（HADVc1）和气候经向温度平流（HADVc2）构成。VMc 表示气候平均垂直运动引起的温度变化项（简称垂直运动项），它由气候平均垂直运动热通量项（VMc1）和气候平均温度垂直输送项（VMc2）构成。HEHFc 表示气候瞬变涡动水平热通量的辐合项（简称水平涡动项），VEHFc 表示气候涡动垂直热通量项（简称垂直涡动项），表示气候非绝热加热作用。与 Chyietal.（2021）所用方法一样，对气象要素数据进行 30 天低通滤波以去除高频扰动并突出环流的季节变化特征。2.3 线性斜压模式本文使用的数值模式为线性斜压模式（Linear4期符诗怡等：春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征No.4FUShiyietal.ThermodynamicCharacteristicsoftheSteadyWarmingProcessoverNorthAsiaBefore.1185BaroclinicModel，简称LBM），此模式是日本东京大学气候系统研究中心（CCSR）和日本环境研究 所（Center for Climate System Research andNationalInstituteforEnvironmentalStudies）基于大气 环 流 模 式（Atmospheric General CirculationModel）共同发展的线性版本的干模式。该线性模式为覆盖全球的原始方程模式，采用了三角形截断的谱展开方法。本文中使用 NCEP/NCAR 资料春季 34 月气候平均场作为基本态，水平分辨率为T21，垂直方向为 坐标，共 20 层。水平扩散系数为 81016m4s1，对应最大波数的 e 折尺度 1 天。在 0.9 各层上 Rayleigh 摩擦和牛顿阻尼设为0.5d1，在 0.03 各层上设为 1d1，其他层则为20d1。有关该模式的详细动力框架及参数设置参见 WatanabeandKimoto（2000）。本文将非绝热加热场当做强迫场，考虑了地形的作用，对此模式进行 25 天的积分，并将第 16 天至第 20 天的平均积分结果当做大气的稳定响应。3 北亚气温变化 3.1 欧亚背景环流Chyietal.（2021）指出，相比其他地区，北亚地区的地表气温在 5 月和 6 月存在着明显的差异。为此，图 1 首先给出 P19 至 P32（春季中旬至夏初）925hPa 上欧亚中高纬度地区的环流演变情况。图 1第 1 列给出了用后差方法计算出的候平均气温的变化，即用当前候气温减去上一候气温。在 P19，欧亚大陆中高纬度地区存在明显的增暖，其增暖大值中心分别位于贝加尔湖东侧和咸海北侧（图 1a）。值得注意的是，欧亚大陆中高纬度地区在 P19 基本为非绝热冷却（图 1c）。这种增暖和非绝热冷却同时出现的现象表明局地的增暖应当与绝热过程有关。从低层环流场上看（图 1b），欧亚大陆中高纬地区位于一个低压系统和减弱的西伯利亚高压之间的偏西风气流的影响之下。其中，低压系统位于新地岛附近，而西伯利亚高压的中心此时与冬季类似仍位于巴尔喀什湖附近。当这种偏西气流叠加在西南向梯度的气候平均温度场（图 1a 中白色等值线）上后，易形成暖平流，从而造成欧亚大陆中高纬地区的增暖。在 P19 之后至夏初的过程中，北亚地区的气温相较于欧洲地区表现出更为明显的持续增暖（图 1d，g，j）。与此相对应，欧亚大陆中高纬度地区气温的西南向梯度逐渐转变为东南向梯度图119582019 年 925hPa 气候平均候平均（a，d，g，j）气温（白色等值线；单位：K）及其倾向（填色）、（b，e，h，k）位势高度场（等值线，间隔为 20gpm）及风场（箭头，单位：ms1）、（c，f，i，l）非绝热加热（单位：Kd1）。从上至下各行分别为第 19、24、28和 32 候。黑框表示本文选择的北亚地区的范围,灰色阴影表示高于 800m 地形Fig.1Climatological-meanpentad-mean(a,d,g,j)airtemperature(whitecontours;units:K)anditstendency(shading),(b,e,h,k)geopotentialheightfield(contours,interval:20gpm),windfield(arrow,interval:ms1),and(c,f,I,l)diabaticheating(units:Kd1)at925hPafrom1958to2019.ThefourrowsfromuptobottomareinP19,P24,P28,andP32(pentads19,24,28,and32),respectively.TheblackboxindicatesthegeographiclocationofNorthAsiafocusedonbythepresentstudyandthegrayshadingindicatestheterrainabove800m大气科学47卷1186ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47（图 1d，g，j）。不同于 P19 中以非绝热冷却为主，欧亚大陆中高纬度地区在此后的时段中基本为非绝热加热（图 1f，i，l）。值得注意的是，北亚地区的非绝热加热呈现出向北扩展的特征，这可能与局地的融雪过程有关（Chyietal.,2021）。与该非绝热加热持续增强相伴随的是，西伯利亚高压进一步减弱，而原中心位于新地岛附近的低压系统则逐步向东南方向移动至中西伯利亚地区或北亚地区（图 1e 和 h）。在 P32，一个新的低压中心在喀拉海东侧重新生成。由此可见，在 P24 至 P32 期间，整个欧亚大陆中高纬地区基本在低压系统的影响之下。当该低压系统西侧的北风和西北气流叠加在东南向或南向梯度的气候气温场上后，将形成较强的冷平流，它会部分抵消欧亚大陆中高纬地区尤其是欧洲地区的持续增暖，这解释了欧洲地区增暖相对不明显的现象。但就北亚地区而言，在 P19 后，它局地的快速增暖过程应当与逐渐明显的非绝热加热作用有着更为密切的联系。正如上文讨论，非绝热加热场的变化伴随着环流场的变化，而后者又会导致绝热过程的变化。据此，还需进一步讨论环流系统的演变特征。图 2a给出了 P19 中心位于新地岛附近的低压系统中心位置的逐候移动情况。这里我们以 P19 低压中心的位置为起点进行追踪。需指出的是，P19 新地岛附近的低压系统存在两个中心，分别位于新地岛东、西两侧（图 1b）。因其西侧中心在随后的演变过程中迅速减弱，本文仅对其东侧的中心进行追踪。由图 2a 可见，在 P26 之前，该低压中心的位置基本图219582019 年（a）925hPa 源自 P19 新地岛的低压中心位置的轨迹和（b）925hPa 北亚区域平均相对涡度逐候演变（单位：105ms2）；（c）第 1932 候 925hPa 北亚（5075N，70160E）区域平均的摩擦力振幅（单位：104ms2）逐候演变Fig.2(a)Trajectoryofthecenterforthelowpressureat925hPathatoriginatedfromNovayaZemlyaatP19and(b)pentad-to-pentadevolutionoftherelativevorticityarea-averagedoverNorthAsiaat925hPa(units:105ms2)from1958to2019;(c)pentad-meanvariationoftheamplitudeoffriction(units:104ms2)area-averagedoverNorthAsia(5075N,70160E)at925hPaduringP19P32from1958to20194期符诗怡等：春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征No.4FUShiyietal.ThermodynamicCharacteristicsoftheSteadyWarmingProcessoverNorthAsiaBefore.1187在喀拉海及叶尼塞河附近。但在 P27 至 P29，其中心移至 120E 以东的中西伯利亚地区，并稳定少动。可见，相比 P19，该低压系统整体出现了明显的东移现象。这种东移现象，尤其是低压中心在 P26至 P27 出现明显东移特征，应当与北亚地区的非绝热加热逐步增强在局地引起新的低压系统有关（LinandBueh,2021）。春末（P30），该中心进一步向东南移动。之后，闭合的低压中心已消失。图 2b 给出了北亚地区平均的涡度场。从图中可见，涡度在 P27 之前逐步增强。我们推测，这种涡度的增强一方面对应着原位于新地岛附近的低压系统逐步移至北亚地区，另一方面也可能与局地形成新的低压有关，这两个方面可能均与非绝热加热有关（后文将进一步讨论）。但在 P27 之后，涡度又出现了逐步减弱的特征，考虑到该低压系统未出现明显的移动特征（图 2a），因此该减弱的涡度对应着低压系统的逐步减弱，这可能与该低压系统移至北亚后，受到下垫面复杂地形（图 1 中灰阴影）引起的摩擦力增大而逐步耗散减弱有关。为验证该推论，本文采用参数化方法（Pedlosky,1987;ZhugeandTan,2021）计算了北亚地区的摩擦力，即F=H2x2+2y2+vp2H22p2V。（2）在计算其振幅后，对北亚地区进行了面积平均以表示该地区摩擦力的整体情况，结果如图 2c 所示。可见，在 P19 至 P28 摩擦力有减小趋势，而后整体上呈现增大的演变趋势，基本对应着 P27 之前涡度逐步增大、之后逐步减弱的特征。后文将看到，这种低压系统的向东南方向移动以及局地的减弱造成了北亚地区水平平流项的显著变化。3.2 北亚热量收支本节进一步分析春夏季节转换最明显的北亚地区的热量收支特征。为方便分析，我们对诊断方程（公式 1）中 925hPa 上的各项做了区域平均（图 3）。从图 3a 中可得，北亚气温在 P28 前呈现出较为平稳的增温过程（正值 dT，黑线），其数值基本稳定在+1.3Kpentad1附近。但在第2932 候，有一个明显的快速升温和恢复平稳的过程，对应着北亚地区的气温经过短暂的快速调整后达到了一个新的平衡时期，即进入夏季。据此特征，Chyietal.（2021）将 P32 认定为北亚的气候平均春夏季节转换时间。根据图 3a 可知，非绝热加热项 Q（红线）在此过程中由冷却作用转变为加热作用，即由 P19 的1.0Kpentad1逐渐增大到P32 的+5.5Kpentad1，且加热强度基本随时间呈线性增强的特征。就对北亚增暖的贡献而言，在P19 左右，绝热加热尤其是水平平流项 HADVc（蓝线）起着主要的贡献作用；而在 P24 后，非绝热加热 Q 起着绝对的主导作用。值得注意的是，水平平流项 HADVc 呈现出由暖平流（P19 至 P24）转至冷平流（P25 至 P32）的特征，其冷平流的强度在 P28 达到最强后又有所减弱，这基本对应着气候平均温度变化 dT 在 P30 至 P31 的突然增大。这种变化与低压系统移至北亚地区并开始减弱有关，这似乎可以表征为季节转变的一个前兆信号。此外，与水平平流项 HADVc 类似，垂直运动项 VMc 在P24 之前为增温作用，之后则起着逐步增强的降温作用，其数值在 P30 后与水平平流项相当。水平涡动项（浅紫线）在 P29 后才有着较为明显的贡献，本文暂不讨论。综上所述，在整个演变过程中，非绝热加热项、水平平流项和垂直运动项为北亚地区热量收支平衡中的主要项。就整体趋势变化而言，非绝热加热项 Q 与温度水平平流项 HADVc 以及垂直运动项 VMc 呈现出几乎相反的趋势变化，再次暗示着非绝热加热与这两项绝热过程之间存在着一定的联系。进一步分析春季北亚地区非绝热加热的构成成分可发现（图 3b），垂直扩散加热项 Vdfhr（粉色虚线）和短波辐射项 Swhr（紫色虚线）为其主要项。其中，垂直扩散项为最主要的加热项，它由 P19的+7.5Kpentad1增强至 P32 的+17.5Kpentad1，它与总的非绝热加热项 Q（红色实线）演变特征一致，均呈现出明显的上升趋势。这表明随着季节推进，北亚地表受到更多的太阳辐射加上融雪过程的反馈（Chyietal.,2021），而引起了地表的增温，进而通过大气边界层湍流运动加热大气，最终引起北亚地区地表气温的持续增温。短波辐射虽在整个春季中起着加热大气的作用，但其强度（约+5.0Kpentad1）要弱于垂直扩散加热项，且并未呈现出明显的季节内变化。长波辐射加热项 Lwhr（青色虚线）在10Kpentad1附近波动，在五项非绝热加热项中起着主要的冷却作用。至于大尺度凝结加热项 Lrghr 和对流加热项 Cnvhr，其数值均基本在0 附近变化，对应着该地区的少雨状况。类似的，对气候温度水平平流项 HADVc 进一步分解（图 3c）可发现，在 P19 至 P23 期间，北大气科学47卷1188ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47亚地区的暖平流 HADVc（蓝色实线）主要是由其纬向分量 HADVc1（红色虚线）主导，而其经向分量 HADVc2（棕色色虚线）的数值在此阶段接近为 0。但 P24 后，尤其是 P24 至 P30 中，水平平流项 HADVc 已由暖平流转为冷平流，该转变过程基本是由其经向分量 HADVc2 所（红色虚线）主导。将有类似演变特征的气候垂直变化项 VMc 作进一步分解（图 3d），可发现其变化主要由其垂直温度通量项 VMc1（青色虚线）所主导，而垂直温度平流项 VMc2 则与 VMc1 起着反向变化的抵消作用。由此可见，当地表增暖后，它不仅可通过湍流的垂直热量输送 Vdfhr（非绝热过程），也能通过大尺度的水平平流 HADVc 和向上热通量输送 VMc2（绝热过程）加热大气。图319582019 年（a）第 1932 候 925hPa 北亚（5075N，70160E）区域平均的气候平均温度变化项及各热力学项的逐候演变（单位：Kpentad1）；（b）同（a），但为非绝热加热及其五个分量；（c）同（a），但为温度平流 HADVc 和其纬向分量 HADVc1 及经向分量 HADVc2；（d）同（a），但为垂直运动项 VMc 及其两项分量 VMc1 和 VMc2Fig.3(a)Pentad-meanvariationoftheclimatological-meanairtemperaturearea-averagedoverNorthernAsia(5075N,70160E)andeachthermodynamic item at 925 hPa during P19P32(units:K pentad1)from 1958 to 2019;(b)as in(a)but for the diabatic heating and its fivecomponents;(c)asin(a)butfortheairtemperatureadvectionHADVcanditszonaltemperatureadvectionHADVc1andmeridionaltemperatureadvectionHADVc2;(d)asin(a)butforthetermassociatedwiththeverticalmotionVMcanditstwocomponentsVMc1andVMc24期符诗怡等：春夏季节转换前北亚平稳增温过程的热力学特征No.4FUShiyietal.ThermodynamicCharacteristicsoftheSteadyWarmingProcessoverNorthAsiaBefore.1189 3.3 温度平流的水平分布为进一步分析温度平流的空间分布，图 4 首先给出了气候温度水平平流 HADVc 在北亚地区的分布。P19 时，大致以 115E 为界，其西侧为大范围暖平流，大值中心位于贝加尔湖西北侧；东侧则在鄂霍次克海附近以冷平流为主。整体呈现出明显的东西差异。实际上，HADVc 在 115E 以西的暖平流与其纬向分量和经向分量均是正贡献有关（图 4b，c），这与气温的西南向梯度（图 1a）以及中心位于新地岛附近的低压系统东南侧所盛行的西南风有关（图 1b）；而在 115E 以东的冷平流则主要与其经向分量有关（图 4c），这与该地受阿留申低压西北部所盛行的北风（图 1b）。随着新地岛附近低压系统的向东南移动，上述冷、暖平流的强度在 P24 均有所减弱（图 4d）。在 P28，北亚西部地区已受低压西侧的偏北风影响（图 1h），从而形成较强的经向冷平流（图 4i），最终导致整个北亚地区的冷平流 HADVc 在 P28 达到最强（图 3a）。此后随着该低压系统的减弱，水平平流 HADVc 的强度有所减弱（图 4j）。TT至于北亚地区的垂直运动项 VMc，它在 P24之前和之后分别为暖平流和冷平流（图 3d）。前文已揭示 VMc 主要由其通量项 VMc1（）决定。因 大于零，所以 VMc1 的正负号将取决于垂直运动 的正负号。当 大于（小于）零时，即北亚以下沉（上升）运动为主时，通量项 VMc1 大于（小于）零。这里给出在 P28 的水平分布特征（图 5a）。此时，低压系统主体已移至北亚地区。虽然该地区存在多个尺度较小的正、负中心（图 5a），但其整体以上升运动为主，即冷却作用为主。从图 5b 可以清楚的看到，北亚地区区域平均 的数值呈现下降趋势，其大致以 P23 为界，在之前和之后分别为下沉和上升运动，这种转变应当与低压系统的移入导致大气辐合上升有关。此外，北亚地区的气温整体呈逐步上升的趋势，最终使得北亚地区的 VMc 和 VMc1 的数值逐步减小（P23后为加强的冷平流）。4 非绝热加热分布及影响上节已揭示出非绝热加热与温度平流之间呈现出明显反向变化趋势。而无论水平温度平流还是垂直温度平流的变化均与低压中心从新地岛附近向北亚地区移动有关。一个自然的问题是，非绝热加热除直接引起气温的变化外，它是否还与该低压系统的变化存在一定的联系？本节即通过 LBM 对该问题做进一步分析。依照图 1 中非绝热加热的主要水平分布特征，我们在 LBM 中的欧洲附近地区（4570N，12.565E）和 北 亚 地 区（5075N，70160E）分别放置了一个热源（图 6a）。两个热源图419582019 年 925hPa 北亚第 19 候气候温度平流 HADVc、纬向温度平流 HADVc1 和经向温度平流 HADVc2 分布（第 1 行），第 2行为第 24 候，第 3 行为第 28 候，第 4 行为第 32 候（单位：Kpentad1）Fig.4Climatological-meanairtemperatureadvectionHADVc,itszonalcomponentHADVc1,anditsmeridionalcomponentHADVc2inP19at925hPaoverNorthAsiafrom1958to2019.UptobottomrowsareinP19,P24,P28,andP32(units:Kpentad1),respectively大气科学47卷1190ChineseJournalofAtmosphericSciencesVol.47的垂直廓线如图 6b 和 c 中的粗实线所示，主要放置在 1000hPa 上。值得一提的是，再分析资料表明，欧洲及亚洲西部地区的非绝热加热的分量构成（图略）和北亚地区的构成（图 2b）基本一致，它也表现为垂直扩散加热 Vdfhr 为主要的加热项，其次为短波辐射 Swhr，而长波辐射 Lwhr 则起着主要的冷却作用。因此，从垂直结构上看，从 P19至 P32 两个地区的非绝热加热的整体特征基本一致（图 6b 和 c 中的细线），对流层底层均呈现出逐步增强的加热作用。对流层上层约 300hPa 左右虽始终维持一个冷却作用，但其强度相对较弱。考虑到上层冷却作用与低层的加热作用基本相反（图略），本文仅给出底层加热强迫的影