青藏高原热力动力扰动如何影响东亚初夏降水预测？
青藏高原热力动力扰动如何影响东亚初夏降水预测？
青藏高原作为“亚洲水塔”，其热力和动力强迫对亚洲夏季风的形成和变化具有重要影响。中国科学院大气物理研究所何编研究员团队基于FGOALS-f2次季节-季节预测系统，通过开展30天延伸期回报试验，从预测的角度探讨了青藏高原地形动力热力扰动对下游东亚降水的影响。研究发现，青藏高原的热力强迫在6月东亚降水的预测中起到更关键的作用，这一发现为提升延伸期东亚夏季风降水预报技巧提供了新思路。
青藏高原热力强迫对亚洲夏季风的形成和变化具有重要影响。早期研究指出，青藏高原在北半球夏季作为一个巨大热源，其强烈的地表感热加热可导致对流层低层产生气旋性环流异常，并激发高原南坡的强烈垂直运动，伴随对流层中上层显著的潜热释放，这一现象被称为感热气泵驱动机制。然而，近年来也有研究指出青藏高原平台地区加热对季风环流影响有限，而是其动力隔断作用更加重要。
为了深入理解青藏高原的动力和热力强迫，研究团队提出了青藏高原地表位涡（TP-SPV）这一物理量，以更综合地表征高原地形与热力效应共同作用对大气环流的影响。研究发现，青藏高原3km以上区域SPV的气候态异常呈现出1979-2022年间的轻微上升趋势，其中6月的年际变率振幅明显大于7月和8月。特别地，当仅考虑TP-SPV变化幅度大于标准差5的情形，可以发现TP-SPV在某些极端年份表现出极强或极弱的异常。例如，在1995年和2022年，6月TP-SPV表现出两个强正异常，均超过6 PVU；相比之下，在1983年，6月TP-SPV异常低于-6 PVU，这一值几乎比过去40年其他月份的最低值低两倍。
图1. 1979-2022年青藏高原地表位涡(TP-SPV)异常的年际变率。该时间序列图展示了1979-2022年间青藏高原地区（地形高度超过3千米）6月、7月和8月的月平均SPV异常值（相对于1979-2022年期间平均值的偏差，单位：PVU）。紫色线表示6月青藏高原SPV年际变率标准差超过5 PVU的区域平均值。红色圆圈标注了1983年、1995年和2022年典型年份（这些年份6月青藏高原SPV强度出现显著偏弱或偏强异常）。
研究团队开展了一系列回算试验，研究了2022年6月青藏高原（TP）强迫与全球海表温度（SST）对东亚夏季风（EASM）预测的相对贡献。结果显示，准确模拟TP的热力状态对2022年下游降水强度的预测至关重要。进一步地，通过分别在模式中nudging高原区域的热力（T）和动力（U、V）扰动，并对比模式响应，研究发现热力扰动在决定模拟降水带的整体分布方面起主导作用，该降水带覆盖华南及西太平洋区域，而动力扰动主要影响华南地区降水的发生。
图2. 2022年6月1日起报的30天回算试验和观测对比。（a）为观测的6月平均降水场(mm day-1)和850hPa风场(m s-1)；(b) 2022_SST 为nudging海温试验；(c) 2022_TP_TA 为nudging高原温度廓线试验；(d) 2022_NO 为无nudging试验；(e) 2022_TP_TUV 为nudging高原温度和风场试验；(f) 2022_TP_UV 为nudging高原风场试验。
为了更深入理解不同强迫的相对贡献及其对东亚降水预测技巧的影响，研究团队进一步分析了各试验预测的环流和降水的日变化过程。结果显示，在14~30天预测，2022_TP_TUV和2022_TP_TA试验在整个积分过程中（除第21–23天外）表现出比其他试验更高的预测技巧。这一结果强调了TP热力强迫对东亚环流延伸期（尤其是第2–4周）预测的重要作用，至少在2022年尤为重要。
图3. 3个典型年份区域平均(20°N–50°N, 105°E–140°E)的500hPa位势高度异常预测的ACC评分技巧。 (a) 2022年；(b) 1995年；(c) 1983年。其中ALL为全球nudging T, U, V和SST试验；NO 为无nudging试验；SST 为nudging全球海温试验；TP_TA 为nudging高原温度廓线试验；TP_TUV 为nudging高原温度和风场试验；TP_UV 为nudging高原风场试验。
研究团队进一步评估了各试验对逐日降水演变的预测能力，结果显示，TP的热力强迫对于2022年6月东亚降水演变的预测至关重要。
图4. 3个典型年份区域平均(20°N–50°N, 105°E–140°E)的逐日降水量(mm day-1)预测时间序列。 (a) 2022年；(b) 1995年；(c) 1983年。其中ALL为全球nudging T, U, V和SST试验；NO 为无nudging试验；SST 为nudging全球海温试验；TP_TA 为nudging高原温度廓线试验；TP_TUV 为nudging高原温度和风场试验；TP_UV 为nudging高原风场试验。图注中试验后面的数字为预测和观测时间序列的线性相关系数。
研究团队在图5中给出了2022年6月TP SPV影响东亚夏季降水预测的示意图，揭示了相关物理过程。准确模拟TP SPV及其相关高空加热过程能够提升对青藏高原高层天气尺度波动的模拟精度，有利于准确预测天气尺度波动往下游传播的速度和位相。此外，由于青藏高原下垫面的热力强迫效应造成低层气旋式环流异常，高原的“抽吸作用”的准确模拟促进了东亚陆地低层水汽输送的准确模拟。这两个过程共同有助于准确预报东亚地区强垂直上升运动及其相关的降水过程。
图5.准确模拟青藏高原（TP）地表位涡（SPV）及上空热力结构如何改善东亚延伸期降水预测示意图。TP SPV 及其上空非绝热加热的准确模拟提升了模式对高原南侧低层水汽输送和中纬度高原至东亚上空天气尺度波动的预测能力，这两者的准确预测有效的改善了与东亚强降水相关的强上升运动的预测，因此提高了东亚夏季降水的预测水平。
总的来说，本研究从次季节预测的角度，进一步深化了我们对青藏高原热力动力强迫作用对大气环流影响相对重要性的认识，同时也有助于进一步改进模式，为进一步模式物理过程参数化研发提供参考。上述研究于2025年2月在线发表在《npj Climate and Atmospheric Science》上。论文第一和通讯作者为中国科学院大气物理研究所何编研究员、其他作者为何欣雨博士生、刘屹岷研究员、吴国雄研究员、包庆研究员、胡文婷研究员、生宸研究员、冯适健博士生。研究主要由国家自然科学基金（42122035、42288101和42475020）共同资助。
参考文献：
He, B., He, X., Liu, Y., Wu, G., Bao, Q., Hu, W., ... & Feng, S. (2025). Role of thermal and dynamical subdaily perturbations over the Tibetan Plateau in 30-day extended-range forecast of East Asian precipitation in early summer. npj Climate and Atmospheric Science, 8(1), 40.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41612-025-00931-2