青藏高原夏季季风的热抽作用及其与南亚高压和东亚夏季风变率的关联

《Atmospheric Research》：Thermal pumping of the Tibetan Plateau Summer Monsoon and its association with the South Asian High and East Asian summer monsoon variability

　　

- 泵送高原季风指数能够量化青藏高原的热力泵送作用，并与南亚高压的经向位移及下游罗斯贝波传播密切相关。
- 青藏高原夏季季风的变化对应着罗斯贝波传播路径上下游东亚环流的异常，进一步影响东亚夏季季风降水格局。
- 青藏高原夏季季风变化与东亚夏季季风降水在内季节内时间尺度上表现出协同的、分阶段演化的特征。

**引言**

青藏高原平均海拔超过4000米，面积约265万平方公里，素有"亚洲水塔"之称（Yao等，2022）。由于其巨大的地形尺度和高原面，青藏高原对大尺度大气环流产生了显著的热力和动力学影响。它是全球气候系统中的一个重要扰动源，在全球能量和水循环中发挥着关键作用（Xu等，2019）。在第一次青藏高原科学考察中，Chen等（1985）指出，夏季青藏高原表面是强烈的大气热源。青藏高原上持续的非绝热加热产生了强烈的热力强迫，诱发了持续的上升运动，并在青藏高原上形成了独特的区域环流系统。该环流系统对东亚夏季季风的形成、维持和变化产生了重大影响（Wang等，2008；Jia等，2025）。Wu等（2018）提出了"感热空气泵"机制来解释高原夏季季风的热力结构。约600 hPa高度附近的感热加热维持了青藏高原低层的辐合和高层的辐散。相关的垂直环流有效地将热力强迫转化为动力学强迫。除感热加热外，潜热加热在维持高原夏季季风系统中也起着必不可少的作用（Xu等，2014）。增强的潜热加热加强了低层辐合，并持续将水汽从周围海洋输送到青藏高原。由此产生的垂直环流将青藏高原的能量和水汽重新分配到周围地区，从而改变亚洲的大尺度大气环流（Wu等，2017；Yang等，2017；Xun等，2012）。

南亚高压是北半球夏季对流层上层最强且最持久的环流系统（Cai等，2017）。其中心通常位于青藏高原或印度半岛上空（Liu等，2020），其水平范围可从北非延伸至西太平洋（Xue等，2021）。以往研究表明，南亚高压通过其热力学和动力学影响与东亚夏季降水密切相关（Ren等，2015；Du等，2017）。近几十年来，许多研究强调了南亚高压经向位移与西太平洋副热带高压变化之间的密切关系（Wei等，2015；Wei等，2019）。这些研究主要关注南亚高压的东西振荡如何通过调制西太平洋副热带高压的位置及相关水汽输送异常来间接影响东亚夏季季风降水（Liu等，2013；Ge等，2018）。然而，尽管南亚高压与东亚夏季季风降水之间的稳健统计关系已被广泛报道，但南亚高压在调制东亚上空高层环流方面的独立动力学作用仍然缺乏充分理解。同时，东亚夏季季风降水具有很强的空间变异性和内季节变化。主要雨带在整个夏季并非静止不动，而是分几个阶段向北和东北方向推进。降雨首先在中国南方和南海地区活跃，随后发展为长江流域、朝鲜半岛和日本的梅雨-前汛期-长梅雨雨带，在仲夏季雨带进一步移向华北和东北亚地区（Wang，2002；Ding和Chan，2005）。雨带的季节演变与西太平洋副热带高压、东亚对流层上层西风急流、低层水汽输送和中纬度扰动密切相关。梅雨-前汛期雨带由上层动力学强迫与充足的下层对流层水汽输送之间的相互作用维持（Sampe和Xie，2010），并表现出从内季节到年际时间尺度的显著变率（Ding等，2020）。因此，从初夏到盛夏的背景环流发生了显著变化。相同的高原夏季季风异常在不同阶段可能与不同的下游降水响应相关联。然而，高原夏季季风热力泵送在东亚夏季季风降水季节演变中的作用仍然缺乏充分了解。相关南亚高压位移和罗斯贝波传播如何影响东亚雨带的强度和位置也尚不清楚。

为解决这些问题，本研究将关注点从传统的以西太平洋副热带高压为中心的框架转向高原夏季季风的热力泵送效应。我们使用了1979–2025年的JRA-3Q大气再分析数据。在本研究中，借鉴常用的东亚夏季季风降水区域和Ding和Chan（2005）总结的东亚夏季季风系统的理论框架，我们将东亚夏季季风降水分析区域定义为22.5°–45°N和100°–140°E。西边界延伸至100°E以包含青藏高原东部与东亚之间的下游过渡区域（Wang，2002；Ding和Chan，2005）。我们建立了一个基于物理的泵送高原季风指数。采用合成分析、回归分析、位涡分析、波活动通量分析和经验正交函数分析等方法，考察与高原夏季季风变化相关的环流和降水异常。本研究解决三个问题。第一，泵送高原季风指数能否提供高原夏季季风热力强迫和垂直泵送结构的综合度量？第二，高原夏季季风变化与南亚高压的经向位移、经向位涡梯度的反转以及对流层上层罗斯贝波传播之间存在怎样的关联？第三，高原夏季季风变化与东亚夏季季风降水之间的关系如何从初夏到盛夏演变？这些分析旨在阐明青藏高原热力强迫、对流层上层环流与东亚次季节降水变率之间的联系。

**研究数据**

本研究使用JRA-3Q再分析数据集1979–2025年的日尺度和月尺度数据（https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/jra-3q-atmospheric-reanalysis）。月数据选取北半球夏季的6、7、8月，日数据覆盖从5月15日至9月15日的扩展夏季时段。所选取的变量包括位势高度、水平风速、垂直速度、相对湿度、气温、感热、

**高原夏季季风的气候态环流**

夏季，青藏高原相对于周围自由大气充当一个强热源。在600 hPa高度上，青藏高原主要区域存在一个显著的低位势高度中心（图2a）。该区域600 hPa气温明显高于周围地区（图2b）。这种对比建立了强烈的水平热梯度，对应于由青藏高原加热维持的热力诱导的热力和低压系统。这种热力配置……

**泵送高原季风指数的定义**

在图2a中，夏季青藏高原上空观察到显著的气候态低位势高度中心。根据公式（11.2），该低值中心可归因于垂直方向上的散度对比，其特征为青藏高原中部低层辐合和高层辐散。此外，公式（12）表明，高层辐合和辐散可诱导球面坐标中经向风的改变，从而调制……

**垂直环流和热力结构的差异**

为进一步阐明高原夏季季风对下游天气过程的影响，本研究对比了强高原夏季季风年和弱高原夏季季风年的垂直结构和热力结构差异。图4显示了波活动传播和环流异常的经度-压力垂直剖面。在强高原夏季季风年（图4ac），波活动通量显示出从对流层上层向青藏高原上空中层和低层对流层的显著向下传播。这一结构……

**高原夏季季风影响亚洲环流的机制**

通过降水预算方程，计算了水平水汽输送、垂直水汽输送、蒸发和水汽倾向项对东亚夏季季风降水的贡献，分别为21.05%、51.56%、27.37%和0.02%。这表明东亚夏季季风降水主要由垂直运动驱动，水平水汽输送和蒸发的贡献相当。为进一步揭示高原夏季季风对高层环流的具体调制过程并量化其……

**高原夏季季风与东亚夏季季风降水的次季节协同变化**

为考察高原夏季季风变化与东亚夏季季风区域降水之间的滞后关联，在对去除西太平洋副热带高压影响后的日降水异常进行经验正交函数分析。考虑到与高原夏季季风相关的高层对流层环流异常从青藏高原向下游传播需要有限的时间，本研究使用滞后一天的高原夏季季风指数，即第t-1天的泵送高原季风指数，来考察其与东亚夏季季风……

**结论与讨论**

本研究系统调查了高原夏季季风影响东亚夏季季风气候的物理机制，重点聚焦于热力泵送效应。主要结论如下：

高原夏季季风以青藏高原低层辐合和高层辐散的环流结构为特征，这一环流结构主要由高原及其周围地区之间的显著近地面热对比所驱动。为定量表征这一独特的环流……

**作者贡献声明（CRediT）**

Lizi Wang：写作—原始草稿，可视化，验证，指导，软件，方法论，调查研究，形式分析，数据管理。
Zeyong Hu：写作—审阅与编辑，指导，资金获取。
Haipeng Yu：写作—审阅与编辑，资源。
Ya Hou：软件，方法论。
Jinyu Zhang：资源，方法论。
Xiangyuan Lou：验证，软件。
Guantian Wang：可视化，验证，软件。

**资助声明**

本研究由国家自然科学基金（资助号42330609和U2442207）和中国科学院青年创新促进会（资助号2021427）资助。计算资源由西安计算中心提供。

**利益冲突声明**

我们声明不存在可能影响本文报告工作的竞争性财务或个人利益。

**致谢**

本研究由以下项目共同支持：国家自然科学基金（42330609）、中国西藏自治区科技项目（XZ202501JD0022）、中国科学院西光基金（xbzg-zdsys-202409）、甘肃省重点人才项目和甘肃省中央引导地方科技发展项目（编号24ZYQA031）。我们感谢西安计算中心提供计算资源。

Lizi Wang | Zeyong Hu | Haipeng Yu | Ya Hou | Jinyu Zhang | Xiangyuan Lou | Guantian Wang