ENSO的衰退演变对西北太平洋夏季风的影响及其对全球变暖的响应

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西北太平洋夏季风(Northwest Pacific summer monsoon,NWPSM)是东亚地区最重要的环流系统之一,其年际变化非常显著,直接影响着东亚地区超过十六亿人的日常生活和生产劳动。厄尔尼诺-南方涛动(El Ni(n)o-Southern Oscillation,ENSO)是热带太平洋年际变率最强的信号,长期以来都被认为是东亚夏季气候年际变率的最重要的影响因子。本论文主要围绕着ENSO的衰退演变不同对NWPSM的影响这个科学问题展开。  首先,通过观测资料和数值模拟对El Ni(n)o衰退快慢不同造成的西北太平洋异常反气旋(Northwest Pacific anticyclone,NWPAC)的维持机理差异进行了分类讨论,并且分析了两种情况下对东亚夏季气候的影响差异。随后,对第五代耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase5,CMIP5)中的耦合模式模拟的ENSO与NWPSM二者关系的模拟能力进行评估,发现模式能否抓住二者关系主要取决于模式能否合理地模拟出ENSO的衰退演变。在此基础上,又进一步分析了CMIP5耦合模式模拟的ENSO的衰退演变中存在的误差。最后,利用选出的高技巧模式,进一步探讨了NWPSM对ENSO的响应在全球变暖背景下的变化。本论文主要内容和结论如下:  一、ENSO的衰退快慢不同对NWPSM的影响差异及其机理。  ENSO事件由于周期的不同造成的衰退快慢的不同,对NWPSM影响有明显差异。通过对观测数据分析和数值模式试验发现:El Ni(n)o衰退快年的夏季,热带印度洋至太平洋异常海温呈冷-暖-冷的三极子型,对NWPAC的维持主要受海洋性大陆暖海温强迫局地Hadley环流异常、激发大气暖Kelvin波以及中太平洋冷海温异常引起的大气Rossby波响应。NWPAC的强度偏强,西南侧的西南风异常能够一直延伸至中高纬度,受NWPAC的强度和位置影响,中国北方夏季降水偏多,长江流域中游正降水异常明显但下游出现负降水异常。El Ni(n)o衰退慢年的夏季,热带印太地区海温异常型为暖-冷-暖的三极子型,对NWPAC的维持起关键作用的是印度洋暖海温异常激发的大气Kelvin波,通过Ekman辐散抑制对流来维持异常的NWPAC。而中东太平洋暖海温异常通过激发大气的Rossby波响应对异常反气旋的维持主要起负贡献。NWPAC强度偏弱,西南侧的西南风异常也偏弱不能向中高纬度地区伸展,导致正降水异常区主要集中在长江流域,中国其他大部分地区为负降水异常。这启示我们通过ENSO来预测东亚夏季气候应该关注ENSO事件的衰退演变情况。  二、CMIP5耦合模式模拟ENSO与NWPSM二者关系的模拟性能评估。  调查了37个CMIP5耦合模式历史试验(historical run)对ENSO与NWPSM遥相关的模拟情况,发现大部分的耦合模式模拟的二者关系存在明显误差——El Ni(n)o衰退年夏季NWPAC的强度偏弱或者位置发生偏移,赤道西太平洋正降水异常明显偏强且过度西伸,甚至在个别模式中中国南海地区出现异常气旋。通过选出的8个模拟性能好和8个模拟性能差的模式与观测的对比,发现模式模拟ENSO与NWPSM二者关系很大程度上依赖于模式能否模拟出真实的ENSO的衰退演变情况。模拟性能差的模式中El Ni(n)o衰退年夏季赤道西太平洋暖海温异常消退不掉,能够通过激发大气产生Rossby波响应,在中国南海地区产生异常气旋,对原本西北太平洋上空的异常反气旋的强度和位置造成干扰。进一步分析发现,耦合模式模拟的热带印度洋和西太平洋海温差与NWPAC之间存在着很好的正相关关系。当模式中西太平洋异常海温接近观测中的情况、印度洋异常海温稍有偏暖时,模式能够更好的模拟出真实的ENSO-NWPSM遥相关。  三、CMIP5耦合模式模拟ENSO的衰退演变的误差分析。  利用37个CMIP5耦合模式进一步的探讨了模式中历史试验模拟的ENSO的衰退演变中的误差来源。ENSO的衰退演变主要误差有成熟位相的冬季太平洋异常海温过度西伸和整个衰退年赤道西太平洋异常海温持续消退不掉。通过模拟性能好和差的模式与观测进行对比,发现模式中ENSO的衰退演变误差产生的主要原因最终能够归结到模式模拟的气候态冷舌误差上。过度西伸的气候态冷舌造成了西太平洋平均纬向温度梯度偏大,在异常西向流作用下产生纬向异常暖平流,使得暖水在西太平洋堆积,赤道西太平洋暖海温异常维持。西太平洋暖海温异常一方面能够造成非真实的异常纬向温度梯度,在西太平洋平均西向海流作用下产生纬向平均暖平流。两项纬向平流作用使得El Ni(n)o成熟位相的冬季东太平洋异常暖海温过度西伸。过度西伸的异常暖海温会引起西太平洋非真实的赤道西风异常,西风异常一方面能够通过强迫赤道下沉流进一步维持暖海温异常,一方面能够强迫产生异常的东向海流,加上气候态冷舌过度西伸造成的平均纬向温度梯度偏大,共同作用产生纬向异常暖平流,暖水在西太平洋堆积,有利于暖海温异常的维持。反过来,非真实的西太平洋暖海温异常能够继续维持表面的西风异常,这里形成了一个风-下沉流-海温的正反馈过程和纬向平流正反馈过程。这两种正反馈机制共同造成了CMIP5耦合模式中模拟ENSO的衰退演变中的误差。  四、NWPSM对ENSO的响应在全球变暖下的变化。  利用选出的模拟ENSO与NWPSM遥相关性能好的18个CMIP5耦合模式,通过比较全球变暖情景试验和历史情景试验,发现全球变暖背景下异常的NWPAC对El Ni(n)o的响应会减弱,究其原因主要与全球变暖后ENSO相关的异常海温的衰退演变发生了变化有关--印度洋-西北太平洋纬向异常温度梯度有明显减弱的趋势。在全球变暖背景下,由于大气环流对ENSO的响应减弱,造成NWPAC在El Ni(n)o成熟位相的冬季就有所减弱,这导致了局地海气相互作用的减弱和随后季节局地冷海温异常的显著减弱。减弱的表面净热通量和东南印度洋异常反气旋的减弱,再加上北印度洋异常东风的松弛,都有利于印度洋异常暖海温的减弱,但是对流层异常温度对El Ni(n)o的响应加强有利于增强热带印度洋异常暖海温。多种因素共同作用相互抵消使得热带印度洋海温变化不均一不显著,但El Ni(n)o衰退年夏季印度洋-西北太平洋异常海温梯度的减弱仍旧是可靠的。印太异常海温梯度与NWPAC之间的正反馈过程会使得NWPAC的减弱随着全球变暖的加剧而更加显著。  ENSO事件本身具有复杂的时空变化,不同的ENSO衰退演变对NWPSM的影响有所差异,进而会造成对东亚地区夏季气候的影响的不同,考虑ENSO衰退演变的不同对NWPAC和东亚夏季气候的影响,对提高我国东亚夏季气候的年际变率的预测有着十分重要的意义。
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