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亚洲夏季风爆发是冬季至夏季季节转换的主要组成部分，它首先在孟加拉湾地区(BOB)爆发，然后是中国南海(SCS)，最后是也称为喀拉拉邦季风爆发的印度半岛南部地区。夏季风爆发对亚洲季风区有显著的影响，每年3-5月，伴随着印度次大陆和印度洋之间的强烈海-陆热力差异以及气压梯度力，低层和对流层高层的风向以及深对流会出现季节性反转，导致亚洲夏季风的爆发。由于季风变异对自然资源会产生很重要的影响（如水资源，再生能源以及农作物等），因此研究季风爆发有着非常重要的科学意义和应用价值。在控制和影响整个亚洲季风爆发过程中包含若干气象驱动因子，比如印度次大陆地区的海-陆热力差异、与青藏高压强度和位置相关的青藏高原非绝热加热、南亚高压的强度及其移动、青藏高原雪盖、北极海冰面积、印度洋暖池、厄尔尼诺-南方涛动(El Ni(n)o-Southern Oscillation，ENSO)、印度洋偶极子、热带大气季节内振荡(Madden-Julian Oscillation，MJO)、太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，PD0)以及大西洋多年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation，AMO)。本论文比较全面地研究了与亚洲夏季风爆发相关联气象驱动因子。需要说明的是，尽管本论文是从整个亚洲夏季风区的角度出发，研究重点主要侧重于印度夏季风或喀拉拉邦夏季风爆发。
本论文分为7个工作章节，分别是:(1)印度洋变暖在BOB地区季风爆发前降水增加趋势中的作用，(2)与夏季风期间里海地区非绝热加热减弱引起的从里海到南亚和东亚的波列相关的水汽输送，(3)MOK爆发早晚在日变化上的差异以及东亚和青藏高原南部地表增温对MOK变异的影响，(4)南海夏季风(SCSSM)爆发极端早晚的成因以及太平洋的调制作用，(5)ENSO期间副热带急流(STJ)移动对ISM爆发的调制作用，(6)北太平洋异常对ISM爆发过程的影响，以及(7)利用耦合地球系统模型(CESM)模拟的在1.5℃，2.0℃，RCP4.5和RCP8.5情景下ASM（降水和季风强度）的近期（2021-2050）预估。本论文主要研究内容和得到的结论概要如下。
(1)季风爆发前降水增加趋势与印度洋变暖:基于全球降水气候计划(GPCP)降水资料，分析了1979-2015年亚洲夏季风区域季风爆发前3-5月的降水变化。结果表明，孟加拉湾地区降水显著增加，并与孟加拉湾地区局地哈德来环流强度的增强有关。印度洋海表温度的增暖对孟加拉湾地区对流和云量变化有重要影响。此外，北印度洋西风增强，导致更多的水汽输送。变暖的海表温度和大尺度水汽辐合共同造成降水的增加，同时潜热释放导致在200hPa有强烈的辐散风，结果使得孟加拉湾局地哈德来环流增强。印度洋增暖导致的局地哈德来环流的增强，可能通过影响印度夏季风爆发进而影响印度次大陆上的印度夏季风强度。
(2)夏季风期间里海在水汽输送中的作用:研究发现，在夏季风期间存在从阿拉伯半岛北部和里海至印支恒河平原的一个波列，该波列进一步沿喜马拉雅山脚伸展到青藏高原东部。利用NCEP-NCAR再分析资料计算的大气非绝热加热通量（1000hPa至500hPa平均）在里海及其附近地区表现出从1979至2018年的显著的减少趋势。而海平面气压在里海地区则呈现出大约0.1hPa/年的增加趋势，并在该区域形成一个高压的辐散中心。这个辐散中心对应着里海上空850hPa的一个反气旋环流趋势。这个减少的非绝热加热通过辐散中心附近的表面气压变化调制局地大气环流，并进而激发向南亚和东亚传播的波列。在925hPa上，该波列将水汽从里海向东南输送到南亚季风和东亚季风区。
(3)喀拉拉邦季风爆发早晚的物理机制研究:根据气候平均的夏季风爆发日期（印度气象局确定季风平均爆发时期为每年六月一日）的前、后5天，分别挑出14个早爆发和9个晚爆发年，对早爆发和晚爆发年的5月的月平均变化和日变化的演变进行合成分析，诊断分析了克拉拉邦季风爆发前的环流特征差异。研究发现，中国北部向中国南部和青藏高原东部的地表温度平流对调制喀拉拉邦季风爆发的早晚起着重要作用。在季风爆发晚年，季风爆发前孟加拉湾的低空急流往往更加转向东亚，这是由于东亚地区（青藏高原东部，中国中东部）低海平面气压的扩展和表面温度较高造成的;从而加强了青藏高原东部和中国南部的低层辐合和高层辐散。这样将大量水汽从孟加拉湾输送至青藏高原东部和中国南部。因此，相对较弱的孟加拉湾东部低空急流和低层水汽供应不足，在调制喀拉拉邦季风爆发过程中起着关键作用。
(4)南海夏季风爆发早晚的关键特征研究:研究选取了5个极端早爆发年和9个极端晚爆发年（在正常爆发日期前/后14天以上），对南海夏季风爆发早晚的关键特征进行了分析。由于南海夏季风爆发主要发生在5月，因此对5月平均环流场和气象要素的变化进行了合成分析，并进一步比较了多个关键物理量的日变化演变的差异（从季风爆发前10天至2天）。结果表明，在南海夏季风爆发早年，北太平洋、南海和华北地区的地面气温升高，并逐渐向东亚延伸，这主要是由于来自北太平洋的异常暖平流造成的。其结果是在海平面气压场上形成了一个偶极子型异常，表现为东亚、中国北方、南海和北太平洋的海平面气压较低，而印度洋的海平面气压较高。这个异常的海平面气压型导致含有充分水汽的风从印度洋吹向南海和东亚大陆，从而引起南海夏季风爆发偏早。
(5)El Ni(n)o对印度夏季风爆发的调制作用:揭示出El Ni(n)o引起印度夏季风爆发偏晚的新机制。在El-Ni(n)o年，北印度洋有很强的偏暖，同时由于从太平洋向西传播的赤道Rossby波导致西南印度洋也出现强烈的增暖;这就使得El-Ni(n)o年的对流活动多集中在在西南印度洋附近的南赤道印度洋（0-10°S）。西南印度洋和印度洋北部增暖通过风-蒸发-海温的反馈机制加强了从印度洋到亚热带的辐散风，使得30。N以内的对流层高层辐合增强。此外，印度洋变暖增强了阿拉伯半岛南部和印度东部大陆上层的非绝热加热。这些因子加强了印度洋上的局地哈德莱环流，并导致其向南移，其上升支中心位于西南印度洋上。因此，哈德莱环流的偏移导致副热带急流向南偏，急流中心位于印度次大陆，这就导致了在El-Ni(n)o年阻碍了季风盛行期热带东风急流的传播，从而推迟了印度夏季风的爆发。
(6)北太平洋海温异常对印度夏季风爆发的影响:利用ERA-Interim的再分析数据对1979年至2018年的趋势分析表明，5月至6月的海平面气压分别在东亚沿海和北太平洋有显着下降和上升趋势的中心，与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，PDO)的负（正）位相类似。海温合成分析表明，印度夏季风的早（晚）爆发对应着PDO的负（正）位相;在印度西北部、阿拉伯海至东南亚（远北太平洋，东亚）上空的强的海平面低压异常导致季风爆发较早（晚）。在季风爆发早年，俄罗斯东南部的表面温度正异常向中亚传播至中东和印度西北部次大陆，从而加强了陆-海热力差异，进而有助于在印度季风区建立强的季风环流形势。在进一步分析了NPO、PDO和白令海冰与地表气温异常之间的关系后发现，PDO负位相、NPO正位相以及高白令海冰覆盖对应夏季风爆发偏早的现象。波活动通量显示，北太平洋上的海温异常会激发一个波列传播至北大西洋及欧洲地区，并进一步到达印度次大陆的西-北部。暖异常可能使得波活动通量向西传播至印度，从而加强季风低压。在基于CAM5的PDO敏感性试验中也存在类似的波列异常，较暖的表面温度会激发一个波列，从北太平洋经北大西洋传播至中亚及西-北印度次大陆，加强了那里的低压。因此，本论文强调了北太平洋通过大气桥在印度季风爆发过程中的调制作用。同时，结果还表明，由于内部变率和温室气体排放的增加，北太平洋异常将继续通过改变亚洲夏季风区域的陆-海热力差异来影响印度夏季风的爆发。
(7)利用CESM模拟在全球升温1.5℃，2.0℃以及RCP4.5和RCP8.5情境下亚洲夏季风的近期变化:对亚洲夏季风近期（2021-2050年）预估结果表明，随着变暖和辐射强迫的增加，可能导致东亚季风降水增加。在升温1.5℃的情况下，印度夏季风环流变弱;然而在2℃升温情况下，在北印度洋附近的季风环流可能强加，同时来自赤道太平洋的东风气流增强。在RCP4.5情景下，印度洋至中国南海的西南季风整体增强，同时北太平洋至东亚地区有东风气流增强。在RCP8.5情景下，北印度洋季风环流可能减弱。在所有的情景下，作为一个主要的内部变率因子的北太平洋海平面气压场的变率可能会显著影响亚洲夏季风环流。研究发现，随着变暖的加剧，北太平洋海平面气压的内部变率的标准偏差会增加。因此，北太平洋海平面气压场内部变率在影响亚洲夏季风的重要性随着气候变暖在预估亚洲夏季风中是明显可见的。尽管模式的系统偏差仍然不能忽略，但是气候预估本身就具有很大的不确定性，因为没有任何一个模式可以完全描述气候系统。尽管如此，上述基于CESM的预估分析可以为夏季风控制区域的利益相关者在有关未来规划方面提供参考信息。
本论文分为7个工作章节，分别是:(1)印度洋变暖在BOB地区季风爆发前降水增加趋势中的作用，(2)与夏季风期间里海地区非绝热加热减弱引起的从里海到南亚和东亚的波列相关的水汽输送，(3)MOK爆发早晚在日变化上的差异以及东亚和青藏高原南部地表增温对MOK变异的影响，(4)南海夏季风(SCSSM)爆发极端早晚的成因以及太平洋的调制作用，(5)ENSO期间副热带急流(STJ)移动对ISM爆发的调制作用，(6)北太平洋异常对ISM爆发过程的影响，以及(7)利用耦合地球系统模型(CESM)模拟的在1.5℃，2.0℃，RCP4.5和RCP8.5情景下ASM（降水和季风强度）的近期（2021-2050）预估。本论文主要研究内容和得到的结论概要如下。
(1)季风爆发前降水增加趋势与印度洋变暖:基于全球降水气候计划(GPCP)降水资料，分析了1979-2015年亚洲夏季风区域季风爆发前3-5月的降水变化。结果表明，孟加拉湾地区降水显著增加，并与孟加拉湾地区局地哈德来环流强度的增强有关。印度洋海表温度的增暖对孟加拉湾地区对流和云量变化有重要影响。此外，北印度洋西风增强，导致更多的水汽输送。变暖的海表温度和大尺度水汽辐合共同造成降水的增加，同时潜热释放导致在200hPa有强烈的辐散风，结果使得孟加拉湾局地哈德来环流增强。印度洋增暖导致的局地哈德来环流的增强，可能通过影响印度夏季风爆发进而影响印度次大陆上的印度夏季风强度。
(2)夏季风期间里海在水汽输送中的作用:研究发现，在夏季风期间存在从阿拉伯半岛北部和里海至印支恒河平原的一个波列，该波列进一步沿喜马拉雅山脚伸展到青藏高原东部。利用NCEP-NCAR再分析资料计算的大气非绝热加热通量（1000hPa至500hPa平均）在里海及其附近地区表现出从1979至2018年的显著的减少趋势。而海平面气压在里海地区则呈现出大约0.1hPa/年的增加趋势，并在该区域形成一个高压的辐散中心。这个辐散中心对应着里海上空850hPa的一个反气旋环流趋势。这个减少的非绝热加热通过辐散中心附近的表面气压变化调制局地大气环流，并进而激发向南亚和东亚传播的波列。在925hPa上，该波列将水汽从里海向东南输送到南亚季风和东亚季风区。
(3)喀拉拉邦季风爆发早晚的物理机制研究:根据气候平均的夏季风爆发日期（印度气象局确定季风平均爆发时期为每年六月一日）的前、后5天，分别挑出14个早爆发和9个晚爆发年，对早爆发和晚爆发年的5月的月平均变化和日变化的演变进行合成分析，诊断分析了克拉拉邦季风爆发前的环流特征差异。研究发现，中国北部向中国南部和青藏高原东部的地表温度平流对调制喀拉拉邦季风爆发的早晚起着重要作用。在季风爆发晚年，季风爆发前孟加拉湾的低空急流往往更加转向东亚，这是由于东亚地区（青藏高原东部，中国中东部）低海平面气压的扩展和表面温度较高造成的;从而加强了青藏高原东部和中国南部的低层辐合和高层辐散。这样将大量水汽从孟加拉湾输送至青藏高原东部和中国南部。因此，相对较弱的孟加拉湾东部低空急流和低层水汽供应不足，在调制喀拉拉邦季风爆发过程中起着关键作用。
(4)南海夏季风爆发早晚的关键特征研究:研究选取了5个极端早爆发年和9个极端晚爆发年（在正常爆发日期前/后14天以上），对南海夏季风爆发早晚的关键特征进行了分析。由于南海夏季风爆发主要发生在5月，因此对5月平均环流场和气象要素的变化进行了合成分析，并进一步比较了多个关键物理量的日变化演变的差异（从季风爆发前10天至2天）。结果表明，在南海夏季风爆发早年，北太平洋、南海和华北地区的地面气温升高，并逐渐向东亚延伸，这主要是由于来自北太平洋的异常暖平流造成的。其结果是在海平面气压场上形成了一个偶极子型异常，表现为东亚、中国北方、南海和北太平洋的海平面气压较低，而印度洋的海平面气压较高。这个异常的海平面气压型导致含有充分水汽的风从印度洋吹向南海和东亚大陆，从而引起南海夏季风爆发偏早。
(5)El Ni(n)o对印度夏季风爆发的调制作用:揭示出El Ni(n)o引起印度夏季风爆发偏晚的新机制。在El-Ni(n)o年，北印度洋有很强的偏暖，同时由于从太平洋向西传播的赤道Rossby波导致西南印度洋也出现强烈的增暖;这就使得El-Ni(n)o年的对流活动多集中在在西南印度洋附近的南赤道印度洋（0-10°S）。西南印度洋和印度洋北部增暖通过风-蒸发-海温的反馈机制加强了从印度洋到亚热带的辐散风，使得30。N以内的对流层高层辐合增强。此外，印度洋变暖增强了阿拉伯半岛南部和印度东部大陆上层的非绝热加热。这些因子加强了印度洋上的局地哈德莱环流，并导致其向南移，其上升支中心位于西南印度洋上。因此，哈德莱环流的偏移导致副热带急流向南偏，急流中心位于印度次大陆，这就导致了在El-Ni(n)o年阻碍了季风盛行期热带东风急流的传播，从而推迟了印度夏季风的爆发。
(6)北太平洋海温异常对印度夏季风爆发的影响:利用ERA-Interim的再分析数据对1979年至2018年的趋势分析表明，5月至6月的海平面气压分别在东亚沿海和北太平洋有显着下降和上升趋势的中心，与太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation，PDO)的负（正）位相类似。海温合成分析表明，印度夏季风的早（晚）爆发对应着PDO的负（正）位相;在印度西北部、阿拉伯海至东南亚（远北太平洋，东亚）上空的强的海平面低压异常导致季风爆发较早（晚）。在季风爆发早年，俄罗斯东南部的表面温度正异常向中亚传播至中东和印度西北部次大陆，从而加强了陆-海热力差异，进而有助于在印度季风区建立强的季风环流形势。在进一步分析了NPO、PDO和白令海冰与地表气温异常之间的关系后发现，PDO负位相、NPO正位相以及高白令海冰覆盖对应夏季风爆发偏早的现象。波活动通量显示，北太平洋上的海温异常会激发一个波列传播至北大西洋及欧洲地区，并进一步到达印度次大陆的西-北部。暖异常可能使得波活动通量向西传播至印度，从而加强季风低压。在基于CAM5的PDO敏感性试验中也存在类似的波列异常，较暖的表面温度会激发一个波列，从北太平洋经北大西洋传播至中亚及西-北印度次大陆，加强了那里的低压。因此，本论文强调了北太平洋通过大气桥在印度季风爆发过程中的调制作用。同时，结果还表明，由于内部变率和温室气体排放的增加，北太平洋异常将继续通过改变亚洲夏季风区域的陆-海热力差异来影响印度夏季风的爆发。
(7)利用CESM模拟在全球升温1.5℃，2.0℃以及RCP4.5和RCP8.5情境下亚洲夏季风的近期变化:对亚洲夏季风近期（2021-2050年）预估结果表明，随着变暖和辐射强迫的增加，可能导致东亚季风降水增加。在升温1.5℃的情况下，印度夏季风环流变弱;然而在2℃升温情况下，在北印度洋附近的季风环流可能强加，同时来自赤道太平洋的东风气流增强。在RCP4.5情景下，印度洋至中国南海的西南季风整体增强，同时北太平洋至东亚地区有东风气流增强。在RCP8.5情景下，北印度洋季风环流可能减弱。在所有的情景下，作为一个主要的内部变率因子的北太平洋海平面气压场的变率可能会显著影响亚洲夏季风环流。研究发现，随着变暖的加剧，北太平洋海平面气压的内部变率的标准偏差会增加。因此，北太平洋海平面气压场内部变率在影响亚洲夏季风的重要性随着气候变暖在预估亚洲夏季风中是明显可见的。尽管模式的系统偏差仍然不能忽略，但是气候预估本身就具有很大的不确定性，因为没有任何一个模式可以完全描述气候系统。尽管如此，上述基于CESM的预估分析可以为夏季风控制区域的利益相关者在有关未来规划方面提供参考信息。