局地经圈环流和沙漠外文翻译资料

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局地经圈环流和沙漠

刘平，吴国雄，孙菽芬

LASG，大气物理研究所，中国科学研究院，北京 100029

（投稿时间2000年9月1号）

摘要

文章从局地经圈环流出发，使用了Xie和Arkin的降水资料以及NCEP/NCAR再分析资料研究了撒哈拉沙漠和中国西北沙漠的气候态。研究表明这两个沙漠都有年降水量小于50mm的极端干旱中心，并且和雨季的时候非常不同。在撒哈拉沙漠南部和中国西北沙漠，超过70%的降水发生在六月、七月、八月（夏季），而撒哈拉沙漠的北部，降水集中在十二月、一月、二月（冬季）。Charney提出的局地生物圈-辐射机制并不能解释极端干旱中心的气候态存在。由Rodwell和Hoskins提出的季风-沙漠机制也不能解释，因为最强的下沉中心比撒哈拉沙漠在夏季最干的中心偏北得多。从局地经圈环流的角度出发，研究并比较了撒哈拉和中国西北沙漠的气候态。结果表明，在冬季局地经圈环流的下沉支控制了这两个沙漠撒哈拉北部；尽管由于地中海气候带来了弱的相对湿季，但这两个地区的干旱气候还是非常明显的。夏季，这两个沙漠由上升支控制，尤其在中国西北上方。上升支的存在揭示了撒哈拉沙漠南部和中国西北雨季的存在。正是由于局地经圈环流从高纬地区带来了强而干的北风，几乎没有带来水汽，且抑制了沙漠中心的深层、强烈辐合。因此，局地经圈环流造成了两地的干旱气候。

1、引言

在北半球副热带地区比如撒哈拉、中亚和中国西北，有许多非常干旱的地区。在许多气象文献里的描述纬向平均的经圈环流揭示了哈德莱环流和费雷尔环流的下沉支导致了这些地区非常干旱的气候。然而，在和这些沙漠同纬度的地区，如季风区和弗罗里达湿地则是非常湿润的地区，显然这不能用纬向平均的经圈环流来解释。Charney(1975)提出了一个生物圈-辐射机制来解释撒哈拉的沙漠化。该地的过度放牧导致了反射率的加强，进而导致更多的净热量损失和更强的下沉。下沉空气进一步加强了沙漠化。然而，沙漠中心并没有生物圈，用这样的机制来解释是不合适的。

Rodwell和Hoskins(1966)(在下文称RH)发现下沉中心位于地中海，尤其在夏季比撒哈拉沙漠的位置更加偏北。他们提出了季风-沙漠机制，即夏季风地区的强的非绝热加热激发了向西传播的罗斯贝波，进而产生了这些干旱区域的暖型结构。中纬度西风和暖型结构相互作用，诱发出强的绝热下沉。这样的下沉给像克孜勒库姆、撒哈拉沙漠地区的沙漠造成了极端干旱的气候。然而，他们并没有提到，北部向北移动的下沉是如何造成南部的撒哈拉沙漠的，尤其在夏季。

在中国西北有另外一个沙漠。Xue(1996)进行了一系列数值实验来研究它对局域气候的影响，尽管没有关注到它的形成机制。而且，在Charney或者RH的机制中，沙漠的干旱程度已经有了具体说明。尽管这些沙漠地区的年降水量确实很小，但还是存在相对的雨季和旱季。本文将分析撒哈拉和中国西北沙漠的降水分布及相应的局地经圈环流。所有大气环流数据包括垂直气压速度，都来源于1958-1997的NCEP/NCAR再分析资料。第二部分反映了这两个沙漠的降水特性。第三和第四部分显示了这两个区域的局地经圈环流。第五部分则包括了总结和讨论。

2、降水分布

基于Xie和Arkin(1997)的1979年1月到1997年12月的月降水资料，在北半球副热带部分地区的年降水量如图1所示。其中只显示小于200mm的等值线，并且粗体线代表50mm。

图1 干旱地区的气候态年降水量.（粗体线代表了50mm，只有小于或等于200mm的等值线才显示出来，且等值线间隔为50mm；资料来源：1979-1997年平均的Xie和Arkin降水资料）

显然，在撒哈拉和中国西北沙漠有年降水量小于50mm非常干旱的中心。然而，这两个沙漠的范围很不同。撒哈拉沙漠200mm的等值线范围是从15°N到35°N，而在中国西北的范围则是从33°N到55°N。而且撒哈拉沙漠比中国西北的大。

年平均的季节性降水百分率如图2a(冬季)和图2b(夏季)所示。如图2b所示，在撒哈拉的南部和大部分的中国西北沙漠，超过50%-80%的降水发生在夏季。而在撒哈拉的北部，40%-60%左右的降水集中在冬季，如图2a所示。

图2 年平均季节性降水百分率：(a)冬季；(b)冬季.（粗体黑曲线代表年降水量为200mm的等值线；大于或等于40%的等值线才显示出来，阴影地区表示的是大于或等于50%，等值线间隔为10%。资料来源同图1）

3、撒哈拉沙漠的局地经圈环流

由于撒哈拉和中国西北沙漠的雨季发生在夏季或者冬季，接下来关于局地经圈环流的讨论主要集中在这两个季节。

图3是20°E附近的气压垂直速度和局地经圈环流。图3a反映的是冬季。显然，从15°N到33°N、1000hPa到700hPa都由下沉控制（区域位于较低纬度的2条零线之间）。它几乎覆盖了整个撒哈拉沙漠。地表附近的下沉比高空的略强。在下沉区域的南北两侧，分别有一个上升区域。南部的上升区域比北部的偏强，同时它们分别对应的是哈德莱环流和费雷尔环流的上升支。

图3b和图3a是一样的，不过它反映的是夏季。除了上升和下沉中心明显的季节转换之外，这些中心的强度和图3a的冬季状况也不一样。下沉中心比冬季的更加偏北偏强，其范围在22°N到45°N之间。南部的上升中心对应的是中非的ITCZ，比其在冬季所对应的上升中心强得多。尽管北部的上升区域比冬季的偏北偏弱。值得注意的是，23°N到35°E有浅的上升，这包括了撒哈拉沙漠的大部分地区，如图2所示。这样的上升，源于非常热的沙漠表面。

图3c和3d显示冬季和夏季的上升和下沉气流。包括了南风和垂直速度的流线。显然从图3c可以看出，20°N（0°E -40°E取平均）附近有两个局地经圈环流。一个在5°N-10°N上升，在25°N-30°N下沉。而另一个来源于较高纬度，同样在25°N-30°N下沉。这两个环流就是经典的哈德莱环流和费雷尔环流。在撒哈拉沙漠上空，下沉中心位于其北部且干旱气流控制其南部地区，这也造成了在冬季几乎没有降水。年平均的局地经圈环流和图3c非常相似（图略）。这样的分布决定了撒哈拉沙漠的干旱气候。

撒哈拉沙漠上空夏季的局地经圈环流如图3d所示。尽管沙漠上空仅有一个闭合环流，其结构仍然不利于降水。从25°N到40°N，无论气流起源于何处，下沉气流控制了从地表到300hPa。这样强烈和统一的下沉气流导致了其下方地区的干旱。图3b所示的强烈的上升支在图3d的20°N附近同样可以看到。上升支的南侧气流来自热带地区，而北侧气流则控制了高海拔和高纬度的空气。因而，ITCZ位于20°N的南侧，而沙漠在其北侧。

图3 20°E附近（0到40°E取平均）的季平均气压垂直速度(a,b)和局地纬圈环流(c,d)：(a)和(c)是冬季，(b)和(d)是夏季（阴影区域是沿20°E的地形；等值线负值为虚线，正值为实线；粗体深色等值线代表零线）

4、中国西北的局地经圈环流

中国西北沙漠也有很小的年降水量，雨季主要在夏季。然而，局地经圈环流尤其在雨季，和撒哈拉沙漠上空的非常不同。图4a和图4b是沿85°E（75°E 到95°E取平均，包括了整个沙漠中心）的垂直气压速度。沙漠覆盖了从30°N 到45°N，如图1所示。图4a是冬季的垂直速度。整个沙漠上空，下沉支控制。而夏季则完全相反如图4b所示。上升支控制了整个沙漠地区。这样的上升支可能导致降水。

对应图4a和图4b的局地经圈环流分别在图4c和图4d显示。通常在冬季有两个环流，如图4c所示。沙漠上空下沉气流控制。这是较低纬度的哈德莱环流和较高纬度的费雷尔环流的下沉支。这个环流和年平均的环流非常类似（图略）。尽管夏季上升气流控制整个沙漠，来自赤道的气流被青藏高原阻挡，所以上升气流主要来自高纬度地区。而干燥的气流不能带来多的降水，尽管沙漠上空有明显的上升气流。

图4 85°E附近（75°E到95°E取平均）的季平均气压垂直速度(a,b)和局地纬圈环流(c,d)：(a)和(c)是冬季，(b)和(d)是夏季（阴影区域是沿85°E的地形；等值线负值为虚线，正值为实线；粗体深色等值线代表零线）

5、总结和讨论

撒哈拉和中国西北沙漠有着非常类似的年降水特性，尽管它们的雨季很不一样。在撒哈拉的南部和中国西北沙漠，降水主要发生在夏季。冬季这两个沙漠几乎没有降水，尽管撒哈拉的北部有比其它季节相对要多的降水。

局地经圈环流导致了这两个沙漠的干旱气候。而环流在冬季和夏季是不同的。冬季，两地有非常明显的哈德莱环流和费雷尔环流，这造成了当地冬季的干旱。夏季，在撒哈拉北部强而统一的下沉气流则决定了它的干旱。尽管在其南部，有浅层的上升气流，但由于气流来自高海拔、高纬度地区的空气，因此干旱同样发生。

夏季的中国西北沙漠，尽管有一致的上升气流，但来自低纬度地区的气流被青藏高原阻挡，而来自高纬地区的上升气流仍然不能带来多的降水。尽管如此，这股上升气流确实带来了雨季。

如果青藏高原被被挪走，中国西北沙漠会不会变得湿润得多呢？这对数值实验是一个有意思的主题。

NCEP/NCAR再分析资料由国家大气研究中心的数据支持部门和科学计算部门提供，NCAR由美国的国家科学基金会支持。

参考文献：

Charney，J.G.1975：沙漠动力学和萨赫勒的干旱，英国皇家气象学会，101,193-202.

Rodwell，M.J和B.J.Hoskin，1996：季风和沙漠动力学，英国皇家气象学会，122,1385-1404.

Xie，P. and P.A.Arkin，1997：全球降水：基于量规观测、卫星估计和数值模式输出的17年的月分析，英国皇家气象学会，78,2539-2558.

Xue，Y.K，1996：蒙古和内蒙古草原的沙漠化对区域气候的影响，气候期刊，9,2173-2189.

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