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近些年来，全球变暖停滞现象的出现和北半球中高纬许多地区极端冷事件的频发开始引发人们对全球变暖的进一步思考，特别是气候系统内部变率的作用开始受到关注。在同样的辐射强迫情景下，多个气候模式间的响应差异既可能来源于气候系统的内部变率，又可能来源于不同模式之间模式本身的动力框架、物理过程等差异，因此基于多模式集合的方法无法对气候系统内部变率的作用进行讨论。与此相对，基于单一气候模式的大样本试验则可以避免不同模式间模式构架的差异，从而讨论气候系统内部变率的作用。本文利用美国公共气候系统模式(CESM)大样本(LE)计划试验输出的38个成员模拟结果并结合观测和再分析数据，在评估CESM模式对北半球冬季气候模拟能力的基础上，进一步分析了在历史及代表性浓度路径(RCP)8.5辐射强迫下北半球中高纬冬季气候、大气准定常波活动以及气候系统内部变率的变化特征。论文的主要研究结论如下:
(1)CESM-LE模式中北半球冬季气候的基本态和内部变率。CESM模式能较准确地模拟出北半球冬季对流层高、中、低层环流和表面气温(SAT)等的气候态和年际变率特征，但依然存在一些偏差。例如，模式对整个对流层准定常波动的模拟偏弱，对东亚急流的模拟强度偏弱且位置偏北，对北美急流的模拟同样强度偏弱且向东的延伸较观测偏东。模式对平流层高度的模拟偏低，对平流层极涡的模拟偏强，二者年际变率的极大值向欧亚地区上空偏移。模式中海平面气压场(SLP)与SAT场趋势的多成员集合平均(MME)结果与观测结果比较吻合，表明CESM模式对观测趋势中受外强迫影响的部分具有良好的模拟能力。与此同时，38个模式成员对SLP和SAT趋势的模拟结果呈现出较大的成员间差异，间接表明观测趋势中的低频变率同样对观测中的趋势有重要作用。模式中不同成员相对于MME的差异来衡量气候系统的内部变率，分析该内部变率的基本特征表明，无论用气候态、年际变率还是用趋势的成员间差异作为参照，都可以一致地反映出欧亚地区冬季SLP内部变率的空间分布特征。成员间差异的变化也与观测中年际变率基本遵循着相同的物理规律，表明在研究成员间差异（即气候系统内部变率）的特征与变化时，可以在一定程度上用观测中的年际变率进行替代性分析。
(2)CESM-LE模式对北半球冬季气候和行星波的预估。在历史及RCP8.5辐射强迫下，中高纬冬季对流层低层的欧亚东海岸和北美的深冷槽区从1951-1980时段开始变暖，其增暖范围随后扩展至整个中高纬地区，同时西伯利亚高压、阿留申低压等环流中心出现不同程度的减弱。此外，对流层中高层的高度场总体呈现抬升，但槽脊系统和极涡强度却先后出现减弱，其中槽区的减弱最明显且对流层中层的减弱幅度大于对流层高层。平流层高度场从1951-2005时段的极区下降、低纬升高逐渐转变为整层升高，北极极涡强度先增强后减弱，极涡中心则逐渐向欧亚东北部上空偏移，与行星波1波负异常中心的移动方向重合。相同时期，极夜急流先增强后减弱并向南移动，副热带西风急流持续增强，准定常行星波活动沿着极地波导的上传先减弱后增强、沿着低纬波导的南传则持续减弱，这使得中高纬行星波活动在对流层减弱、平流层加强，低纬对流层顶附近行星波活动也持续增强。具体来看，中纬度波源区的1波本身强度减弱，其沿着极地波导的上传增强、沿低纬波导南传减弱;2波本身强度微增，其沿着极地波导的上传和沿低纬波导的南传均增强;3波本身强度减弱，其沿着低纬波导的南传减弱。从中纬度波源区行星波上传的变化情况可以看到，波动沿极地波导传播的增强主要是波源区存在更多的行星波沿着东亚-西太平洋波列上传至平流层引起的。
(3)CESM-LE模式对北半球冬季气候系统内部变率的预估。在历史及RCP8.5辐射强迫下，中高纬冬季SLP和SAT内部变率整体上出现减弱趋势，二者的气候变化信噪比持续升高，但同期SAT信噪比远大于SLP信噪比，表明在气候预估中外强迫信号的显著性依次取决于信号本身强度、相关气象因子内部变率的强度以及内部变率的变化趋势。SLP内部变率在半球尺度上呈现出类北极涛动(AO)型的特征，并对相关地区的SAT内部变率产生影响。同期类AO型振荡的稳定性不如典型的AO，其对SLP内部变率的贡献度也极不稳定，这表明在利用年际变率来评估内部变率的不确定性影响时，还需注意气候变化背景下内部变率本身强度和主模态变化造成的评估偏差。分地区看，SLP内部变率的欧亚型很可能只是类AO型振荡在欧亚地区的分支，其对欧亚SAT内部变率的影响也与后者接近。北美型对北美中高纬SAT内部变率的影响较大，这很可能与经过北太平洋东北部并向下游传播的波列有关。类AO型振荡与北美型之间的相关性在2041-2070时段迅速增强，这很可能与前者位于北太平洋的气压正异常持续增强有关。欧亚型和北美型对行星波活动内部变率的影响与其自身第一模态都比较接近，但二者的影响存在年代际波动且相互间基本反相，这反映了不同时段里中纬度地区行星波在欧亚和北美间上传路径的倾向性差异。除此之外，欧亚型对行星波内部变率的影响从1981-2005时段开始逐渐增强，其背后机制仍有待未来的进一步研究。
(1)CESM-LE模式中北半球冬季气候的基本态和内部变率。CESM模式能较准确地模拟出北半球冬季对流层高、中、低层环流和表面气温(SAT)等的气候态和年际变率特征，但依然存在一些偏差。例如，模式对整个对流层准定常波动的模拟偏弱，对东亚急流的模拟强度偏弱且位置偏北，对北美急流的模拟同样强度偏弱且向东的延伸较观测偏东。模式对平流层高度的模拟偏低，对平流层极涡的模拟偏强，二者年际变率的极大值向欧亚地区上空偏移。模式中海平面气压场(SLP)与SAT场趋势的多成员集合平均(MME)结果与观测结果比较吻合，表明CESM模式对观测趋势中受外强迫影响的部分具有良好的模拟能力。与此同时，38个模式成员对SLP和SAT趋势的模拟结果呈现出较大的成员间差异，间接表明观测趋势中的低频变率同样对观测中的趋势有重要作用。模式中不同成员相对于MME的差异来衡量气候系统的内部变率，分析该内部变率的基本特征表明，无论用气候态、年际变率还是用趋势的成员间差异作为参照，都可以一致地反映出欧亚地区冬季SLP内部变率的空间分布特征。成员间差异的变化也与观测中年际变率基本遵循着相同的物理规律，表明在研究成员间差异（即气候系统内部变率）的特征与变化时，可以在一定程度上用观测中的年际变率进行替代性分析。
(2)CESM-LE模式对北半球冬季气候和行星波的预估。在历史及RCP8.5辐射强迫下，中高纬冬季对流层低层的欧亚东海岸和北美的深冷槽区从1951-1980时段开始变暖，其增暖范围随后扩展至整个中高纬地区，同时西伯利亚高压、阿留申低压等环流中心出现不同程度的减弱。此外，对流层中高层的高度场总体呈现抬升，但槽脊系统和极涡强度却先后出现减弱，其中槽区的减弱最明显且对流层中层的减弱幅度大于对流层高层。平流层高度场从1951-2005时段的极区下降、低纬升高逐渐转变为整层升高，北极极涡强度先增强后减弱，极涡中心则逐渐向欧亚东北部上空偏移，与行星波1波负异常中心的移动方向重合。相同时期，极夜急流先增强后减弱并向南移动，副热带西风急流持续增强，准定常行星波活动沿着极地波导的上传先减弱后增强、沿着低纬波导的南传则持续减弱，这使得中高纬行星波活动在对流层减弱、平流层加强，低纬对流层顶附近行星波活动也持续增强。具体来看，中纬度波源区的1波本身强度减弱，其沿着极地波导的上传增强、沿低纬波导南传减弱;2波本身强度微增，其沿着极地波导的上传和沿低纬波导的南传均增强;3波本身强度减弱，其沿着低纬波导的南传减弱。从中纬度波源区行星波上传的变化情况可以看到，波动沿极地波导传播的增强主要是波源区存在更多的行星波沿着东亚-西太平洋波列上传至平流层引起的。
(3)CESM-LE模式对北半球冬季气候系统内部变率的预估。在历史及RCP8.5辐射强迫下，中高纬冬季SLP和SAT内部变率整体上出现减弱趋势，二者的气候变化信噪比持续升高，但同期SAT信噪比远大于SLP信噪比，表明在气候预估中外强迫信号的显著性依次取决于信号本身强度、相关气象因子内部变率的强度以及内部变率的变化趋势。SLP内部变率在半球尺度上呈现出类北极涛动(AO)型的特征，并对相关地区的SAT内部变率产生影响。同期类AO型振荡的稳定性不如典型的AO，其对SLP内部变率的贡献度也极不稳定，这表明在利用年际变率来评估内部变率的不确定性影响时，还需注意气候变化背景下内部变率本身强度和主模态变化造成的评估偏差。分地区看，SLP内部变率的欧亚型很可能只是类AO型振荡在欧亚地区的分支，其对欧亚SAT内部变率的影响也与后者接近。北美型对北美中高纬SAT内部变率的影响较大，这很可能与经过北太平洋东北部并向下游传播的波列有关。类AO型振荡与北美型之间的相关性在2041-2070时段迅速增强，这很可能与前者位于北太平洋的气压正异常持续增强有关。欧亚型和北美型对行星波活动内部变率的影响与其自身第一模态都比较接近，但二者的影响存在年代际波动且相互间基本反相，这反映了不同时段里中纬度地区行星波在欧亚和北美间上传路径的倾向性差异。除此之外，欧亚型对行星波内部变率的影响从1981-2005时段开始逐渐增强，其背后机制仍有待未来的进一步研究。