极简东亚夏季风环流解读史上最热夏(下)

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概要
1、五个关键词来理解大气环流这个很简单又异常复杂的事情:简单主线是热力与动力;复杂之处因为尺度、立体与下垫面。
2、习惯上,对于影响中国天气的系统大家谈论较多的是副高,这没有问题,但实际上副高背后还有真正掌控局面的大佬——青藏高压。北半球的夏季,放眼全球,最强的大气热源也是在青藏高原及周边的,理所当然是亚洲夏季风尤其是东亚夏季风环流最重要的影响因子。而超级庞大的青藏高压是这个环流中的最显著最庞大的系统,是这个大热源的代表,它甚至直接影响了西太平洋副高的强弱大小,进而决定了中国夏季的高温和暴雨。
3、今年夏天为什么北半球环球如此同热?从气候变化的角度解释,这是由温室气体的增加导致的全球变暖的表现。从天气成因的角度,我们一般解释为今年的副高的无比强大,但今年的副高为什么这么强呢?这肯定就需要追溯到副高的成因上,这是一个长时间尺度的过程,已经超出了我的专业——天气的时间尺度,只能开开脑洞来谈谈了。
正文
本文承接上篇《极简东亚夏季风环流解读史上最热夏(上)》对应概要2的内容,基于上文的核心理念,也就是下图(暂称原动力图吧),来谈谈我理解的东亚夏季风环流的几个主要天气系统。
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原动力图:大气热动力环流基本模型(涛淘风云)
一、东亚大气环流的物理和逻辑——一圈环流、三圈环流、东亚季风环流
脑中始终牢记上面的原动力图,然后我们循序渐进来看东亚夏季风环流是如何一步一步构建的。
1)、一圈环流
假如地球不转,没有海陆差异,没有地表摩擦力。则原动力图左暖升是赤道,图右冷降是极地。赤道的热空气升到高空向极地流,极地的冷空气向赤道补充,这就是一圈环流。
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单圈环流示意图(网图)
2)、三圈环流
一圈环流的假设全都不存在,所以一圈环流实际是不存在的。
一圈环流基础上引入地球自转,则三圈环流就出来了:
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引自《天气学原理和方法》涛淘风云注解
赤道受热上升的气流在对流层顶堆积向北(向高纬,下面都以北半球为例)运动,受地球自转影响,边跑边往右(西)偏,到北纬30°左右,就偏成了西风(注意这是在高层)下沉到低空形成副热带高压。低空副高气流向外(南北)辐射流出,其中向南的北风受自转影响右偏后称为东北信风带,回到赤道形成一个环流,这就是哈德来环流圈。
哈德来环流圈与原动力图是一样的,赤道仍是原动力图左侧暖升,右侧是副热带的位置(下沉),副热带位置的中低层因为下沉运动造成高压,此之谓副热带高压
副热带高压既然是由赤道加热空气搬运而来,自然随着太阳直射点的南北进退而进退。北半球夏季势力最强,冬季最弱。
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1月(左)和7月(右)多年平均500hPa高度
从上面左图中可以看出,在北半球冬季(1月),副高带退到了赤道附近,在平均场上仅有太平洋副高存在588闭合圈(此之谓太平洋副热带高压,影响中国的是其西部,又叫西北太平洋副高,简称副高)。在夏季(7月)副高大大增强,远超1月的南半球夏季副高,平均场上588闭合圈几乎围绕地球一圈且面积极大,只在太平洋东部和青藏高原断裂,最强区域592闭合圈在北非,太平洋副高相比1月明显强大很多并北抬西伸。
这种南北半球的差异也可以从中间季节环流看出来。当太阳直射点在赤道附近的春季时(考虑大气对太阳辐射响应的滞后性,我们以春分后20多天的4月15日为例;再考虑到过渡季节如果用多年平均图主要特征会被平滑,故采用2022年而非多年平均)大致如下图:
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2022年4月15日500hPa高度和距平
看看全球大气环流在三圈环流模型下副热带高压。可以看到南半球基本有了三圈环流的环球副高带的样子,而北半球则基本不成样,为什么?
这种南北半球的环流的巨大差异正是南北半球海陆差异所决定的,而海陆差异导致热力环流圈,其实就是下面要讲的季风环流圈。
3)、东亚季风环流
因为三圈环流模型是一圈加上了地球自转因素后的模型。并没有考虑海陆热力差异和大地形,当然跟实际情况大相径庭了。南半球陆地比北半球少很多,所以上图中南半球更接近三圈环流假设的模型;北半球就要复杂得多。考虑了海陆差异和大地形的大气环流,距离理想的三圈环流模型会比较远。
考虑海陆差异
赤道低纬与高纬的热力差异是恒定的赤道热高纬冷。
但是海洋与大陆的热力差异不是恒定而是有季节变化的,冬季海洋暖陆地冷,夏季陆地暖海洋冷,这样在不同的季节海陆之间有相反的热力环流圈。但是这个圈的原理依然符合原动力图
夏季大陆上升海洋下沉,低层大气海洋向大陆流,上层大气自大陆流向海洋;冬季反过来,这就是季风。你看,季风热力圈一旦掺和进3圈环流就复杂了,这就是为什么夏季的副热带高压有来自大陆加热的贡献的原因。
也是为什么北半球夏季的副高强度和面积远超南半球夏季副高的原因。
尤其值得注意的是:在亚洲大陆和大洋夏季的热力关系中,北印度洋在纬度上主热在海陆差异上主冷;反之亚洲大陆在纬度上主冷但在海陆差异上主热,两者贡献相反,那么一个有趣的问题就是:谁更强大呢谁占主导呢?
这时候另一个大主角就站出来了。
考虑大地形
亚欧大陆最大,南边是印度洋,东边是太平洋,但是南亚季风和东亚季风在全世界季风中最强却不仅仅是最大陆地和最大海洋的原因。还有一个重要因素就是青藏高原。
青藏高原纬度不高(大部分在约北纬28到35度之间),这非常重要。这个纬度使得在夏季青藏高原离太阳直射点很近,可以接受极强的太阳加热;
青藏高原很高(平均海拔4000米以上),这也很重要。这个高度大气稀薄,接受的太阳辐射比低海拔平原更强;
青藏高原的地表多岩石沙土,这依然很重要。这样的下垫面物质热容量小,受太阳照射后升温剧烈,意味着对大气的加热效率高;
青藏高原南坡的降水极强,这同样很重要。喜马拉雅山脉太高太长了,它将印度洋来的水汽挤了个干干净净,作用就是极大的潜热加热。
就这样,最大的大陆和最高大的高原合起来构成的季风热力圈,是东亚和南亚大气环流的主导力量。这个青藏高原-太平洋热力圈与哈德来热力环流圈,以及西风带一起,“三国”共同演义出了东亚大气环流,在不同的季节三国势力消长不同,东亚大气环流带有明显的季节性。
在夏季,由于青藏高原及周边的加热作用全球最强,因此在三国之中季风热力圈是当之无愧的魏晋,超过了西风带和哈德来热力圈的影响,主导了东亚夏季大气环流。口说无凭,有图为证:
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多年平均7月海平面气压
上图所揭示的物理是:在亚洲,由于夏季大陆和高原的加热作用(感热+潜热)太过强烈,甚至于盖过了赤道地区的加热,在海平面气压场就表现为亚洲大陆是一个庞大的以青藏高原为中心的的大低压,四周空气向低压辐合在中心上升到高空然后向外四散下沉;与底层的庞大低压相对应,在对流层的上部就是庞大的青藏高压。
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多年平均7月100hPa(约海拔16公里高)高度场
值得一提的是:由于地球自转的影响,低空向大低压辐合流入的气流呈现气旋式(反时针旋转),这对理解低空的南亚夏季风和东亚夏季风各单元至关重要;而在顶层,大青藏高压向外辐散流出的气流呈反气旋式(顺时针),同样这对理解青藏高压贡献了副高内的下沉气流很重要(即我前文所说“上海高温来自青海”)。
到这里我相信大家对于青藏高原在夏季东亚大气环流中的作用如灭霸一般的存在已经有足够认识了,这也是为什么经典的哈德来环流圈导致的副热带高压会在青藏高原这里被戳破的原因。与之相比,北美的落基山脉相应作用就弱太多而且太北了,对于副高断裂的影响是有,但是不大。
至于另有些所谓的地中海中断了副高带的说法,我则是百思不得其解:首先是这不符合观测事实(参看前面的7月多年平均500hPa高度场);其次,假若真有中断,以它那小小的体量、热力性质和被包围态势,是什么机制呢?
二、高温原因:太平洋副高内盛行的下沉气流来自哪里?
相信在这史上最热的夏天里,大家已经被这样的高温成因把耳朵磨出老茧来了:副高控制盛行的下沉气流。。。
这没问题,但我就多问一句:副高内下沉气流来自哪里?它怎么会源源不断?
1)高温成因,回答可以有很多层次
最简单的回答:副高控制——这是过去的标准回答(潜台词:多说无益?名词唬住得了)
进一步的回答:副高控制,盛行下沉气流,下沉造成增温和晴晒双重加热效果——这是近些年的解释,我也有文章专门甩出过公式来阐述(潜台词:知其然还要知其所以然,那就把物理解释也扔出来,加强科普嘛)
如果再进一步,那就要解释:副高内为啥会下沉,副高为啥是这个样子的等等了?应该没多少人愿意听,其实确实多说无益。
为了好玩,也有点标题党,但是基于事实和正确的物理逻辑,我另辟蹊径,从热空气的生产和转移的角度,写了《上海高温来自青海——再谈高温成因和暖空气乾坤大挪移》。这下麻烦了。
首先的麻烦是跟上面两种经典官方解释出现了表面的不一致甚至是“矛盾”之嫌。以至于专家们也不都能认可了。
其次的麻烦就是要解释清楚这事,就不得不干“多说无益”的事情了。自己挖的大坑自己要填啊,多说无益也只好说了,也就是本篇文章不得不出来了(说之前想先喊一下:其实本质上没有不一致啊!)。
2)西太平洋副高下沉气流从何处来?
要说经典解释跟我乾坤大挪移的解释不矛盾这理儿,讲起来其实超级简单,只需要点睛一问:副高内的下沉气流不可能凭空而来,总有来源吧。下面就谈谈这个问题(先说明,下面的这些解释都是宏观大尺度平均场意义的)。
结论:太平洋副高下沉气流主要来自南西北三支,太平洋副高的强弱变化与西伸东撤北抬南退跟这三支来源都有关系。
首先是南支:如前所述,副热带高压的基本成因来自于高低纬度带热力差异的哈德来热力圈下沉支。哈德来环流的上升支在赤道辐合带,在副高南面,因此这是南支
另外需要提一下,由于东亚特殊的季风环流,赤道辐合带在夏季的北抬与季风槽可以看做一体,这一点在讲台风“暹芭”的文章中说过了。这里再放一下该文相关图片:
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亚太大气环流概率图(涛淘风云制)
(蓝色线条:500hPa环流-约5000米高空风;红色线条:低空风及辐合区域)
然后说西支:既然赤道(热带)辐合带可以热力出一个哈德来环流圈制造副高,那么夏季比热带加热更猛的青藏高原当然也可以靠季风热力圈造出它的副高。而青藏高压向东辐散出的下沉支就扮演了哈德来环流圈下沉支的角色。这就是西支
实际上,青藏高压东侧的下沉支贡献,应该就是夏季西太平洋副热带高压加强西伸登陆我国,甚至与伊朗高压“打通”的最主要原因。
最后谈北支:如果说南支是不会有人质疑且在很多人眼中已经成为几乎是排他的主角,那么西支就是鲜有人想得到想得通的配角了,至于北支,更是一直都沉睡在教科书之中的幕后角色,可能从来都没有人想到它。
其实看这个三圈环流模型局部就一目了然了:
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副高下沉支示意图
副高以北,冷暖空气交战的主战场,就是极锋锋区,锋区内的上升运动和成云致雨,也是加热其上高空大气的机制,这个上升支其实就是费雷尔被动环流圈的上升支,这些大气在顶层向南返回的一支,到达副高上空并入了哈德来圈下沉支。这就是北支
找到这一支的实例其实是很简单的,我就不举了,毕竟教科书摆在那里。虽然教科书也可能错,甚至上面图片也有不对劲的地方,但这是另一个问题了,今天不扯。
三家归晋
你看,副高看起来似乎很简单,就是那500hPa等压面上的一圈588线。但是掰开揉碎了你就知道,副高并不简单。仅仅探讨其宏观上的下沉支来源,就已经如此复杂了。
并不简单的副高如果总是简单地用那一一个圈去思考它和它的天气影响,固然在多数时候不会失了本质,但却未必真正理解。而固定的思维,有可能就会在某个不适用的时候让你掉进大坑里。
回到《上海高温来自青海——再谈高温成因和暖空气乾坤大挪移》一文中的说法,我是仔细分析了当时环流之后做出的结论,在影响副高的三国演义中(在贡献副高三支下沉气流的魏蜀吴之中),至少在那个阶段,北支和南支都要让位于西支,甚至就是三家归晋,西支一支独大的存在。再复习一下该文图片:
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我想,至此我自己挖的大坑应该可以算填平了吧?
三、高温因何而来因何一去不复返
原计划开脑洞碰一碰2022的夏季为何如此热的问题——如何考虑今年副高强大的原因?
但是这几周仔细思量下来,还是决定放弃。因为这些个脑洞没有一个哪怕能说服自己的,稍一深入思量就发现远超出了自己浅陋的认知,有太多不懂,也缺乏想要的观测资料支撑。气候问题以后如果有合适的闭合脑洞再来分享,我还是老老实实说天气的事儿吧。
1)东亚夏季风环流
下面给出本文最终的目的,个人目前所理解的东亚夏季风环流,一图以蔽之:
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东亚夏季风环流示意图(片面,涛淘风云)
(黑色线条代表对流层底层气流;蓝色代表对流层中层副高和西风带,紫色代表对流层顶层气流)
在上图中,每一根线条我都是有深意的,本文无法一一道尽,供您细品,小预报员的片面理解,错误恐在所难免。
重点注解了的与青藏高压和太平洋副高相关的部分,特别是贡献了太平洋副高的三支下沉气流的,前文尽有就不再赘述,下面再稍点到为止谈两个:
索马里急流:这是亚洲夏季风的大腕主角之一,不论是南亚季风还是东亚季风,索马里越赤道气流都是极重要的贡献者。那么我就提一个思考题:索马里急流为什么千里迢迢拐个弯漂洋过海来看我们,而不是就近去非洲大陆?
答:还不是因为青藏高原大导演太强呗,跟着它有肉吃啊。
伊朗高压:为什么伊朗高压看着也是副高,却比太平洋副高远为深厚,直达对流层上层,很多时候甚至跟青藏高压完全搅合在一起?
答:哦。。。答不出来,我跟它不太熟,伊朗高压作为副高的机制肯定与太平洋副高不一样。最起码,因为其下垫面热力与西北太平洋是冷暖的两极。对伊朗高压的思考不多,跟它相关的疑问有不少我还未能想清楚,本文主要聚焦东亚夏季风,就先不惹它了。
2)从青藏高压和副高看高温终于结束
8月29日下午中央气象台终于解除了史上最长和最强的高温预警,标志着高温天气的结束。8月31日,高温天气已经被冷空气削到了华南,35℃以上都已经是稀罕的了,如下图所示
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2022年8月31日20时探空实况+31日最高气温
上图中,如果从副高来看,整个江南都在其“控制”之下,但其实在地面和低空,早就是冷空气实际把持了。这是秋季的特点:高空冷得慢,低空冷得快。表面上看到秋季的副高跟春夏的副高可能有时候一样,但地面的天气却已是天壤之别。
最后用一张对比图结束本文吧,看一下8月上旬和这几天的青藏高压和副高,
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上:500hPa高度及距平;下:200hPa高度及距平;左:2022年8月1-10日平均;右:8月29日-31日平均
相比8月上旬,对流层上部的高压(青藏高压)已经南落,等太阳直射点再南归些,青藏高原的加热作用再衰退些,并且大气响应滞后效应的差不多的时候,它就掉下青藏高原回印度洋去了。届时,此消彼长,赤道辐合带加热上升主导的哈德来环流圈将再度力压海陆和地形主导的季风热力圈成为最大的腕,青藏高压就很难再叫做青藏高压了,它将回顾赤道地区,回归哈德来上升支的顶部,东亚季风环流就将完全改变。
---全文完---