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中国西北地区位于欧亚大陆内部，属于典型的干旱-半干旱地区，生态环境脆弱，气候异常对当地人民生活和经济社会发展具有重大的影响。此外，西北是“丝绸之路经济带”的核心区域之一，气候变异对其建设也起到至关重要的作用。鉴于西北冬季降水的重要科学意义和应用价值以及相关研究的缺乏，本文利用站点降水数据、NCEP/NCAR再分析数据、NOAA和HadISST海表温度资料以及OAFlux海表面热通量资料等，系统地分析了西北冬季降水的变异规律及其影响因子，主要包括降水年循环特征、冬季降水主模态的年际和年代际变化特征、影响降水变异的大气环流异常和海温异常及其物理过程。本论文得到的主要结论如下:
(1)中国西北地区降水的年循环特征。西北年降水量在400毫米以下，呈现中部少、东部和西部多的分布特征，20世纪以来，年降水量呈增长趋势，每十年大约增加3.5毫米。年平均的水汽输送以纬向输送为主，最大水汽输送通量可达500～550kg m-1s-1。在1961-2013年间，西北冬夏降水均呈增长趋势，春季降水基本不变，秋季降水有弱的减少，四季降水的空间分布特征和年降水一致。由于西北蒸发量很小，降水主要是由水汽输送辐合决定，北疆地区水汽辐合由水汽湿平流项决定，南疆和东部地区的水汽辐合由风场辐合项决定。在水汽净收支方面，春夏两季的水汽净收支为正，分别为3.36×1011t/a和1.41×1011t/a，此时西北是得到水汽的;而秋冬两季的水汽净收支为负，分别为-2.88×1011t/a和-1.71×1011t/a，此时西北是损失水汽的。通过计算各季不同边界的水汽净收支量发现，西边界和东边界分别是最主要的净收入和净输出边界。我们进一步重点分析冬季降水，对站点数据做经验正交函数分解发现，冬季降水第一模态(EOF1)表现为全区一致型，时间序列存在2～4年周期变化，并且在1980年代末期发生突变，第一模态降水显著增多。第二模态(EOF2)降水表现为东西反向型，时间序列以2～3年及4～6年周期为主，并且在1990年代末期发生年代际突变，西北东部降水减少，西部降水增多。分析还发现，不同格点化降水资料对西北冬季降水主模态的时空变化特征描述地较好。此外，中国西北冬季降水和中亚地区冬季降水在空间上存在较好的联系。
(2)中国西北地区冬季降水年际变化的影响因子。分析发现，欧亚遥相关型(EU)是影响EOF1降水年际变化的主要环流系统，在EU处于负位相时，西北地区受“东正西负”的大气环流场控制，新疆脊和东亚大槽偏弱，东亚冬季风(EAWM)减弱，异常偏南风带来的暖湿气流有利于西北冬季降水偏多;当EU处于正位相时，环流形势和降水异常则相反。此外，受EU遥相关的影响，欧亚大陆冬季降水也呈现出纬向波列的分布特征。北极涛动(AO)是影响EOF2降水年际变化的主要因子，在AO为正位相时，蒙古地区存在反气旋式环流，其南侧的东风异常为中国西北东部地区带来水汽输送，配合垂直运动，造成“东正西负”的降水异常;当AO为负位相时，环流形势和降水异常相反。我们进一步分析了海温异常对EOF1降水的影响。北大西洋中纬度(MNA)海温异常是影响EOF1降水的一个重要因子，它通过激发向下游传播的遥相关波列影响西北地区环流场，从而造成降水的异常。具体而言，当MNA存在负海温异常时，在其北侧会形成负的高度倾向，这种异常信号以Rossby波的形式向下游传播，在欧亚大陆上空形成“正负正”的遥相关波列，西北地区受“东正西负”的异常高度场控制，有利于EOF1降水偏多;而MNA存在正海温异常时，情形相反。此外，厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对EOF1降水也有重要影响，主要通过两条路径实现:一是通过激发日本上空异常反气旋环流和南风异常影响东南向水汽输送，直接影响西北冬季降水;二是通过“大气桥”影响下游北大西洋地区的海温异常，通过北大西洋海温异常激发的大气欧亚遥相关间接影响西北冬季降水。
(3)中国西北地区冬季EOF1降水年际变化与海温关系的稳定性。分析发现，在年际尺度上EOF1降水和海温的关系存在年代际变化。在90年代中期前，EOF1降水和MNA海温及ENSO海温的关系都很弱;而在此之后，EOF1降水和两处海温的相关性显著增强，此时大气环流表现为半球尺度的遥相关波列，在欧洲西部、日本上空以及北美上空存在正的高度异常，在乌拉尔山地区、北太平洋以及北大西洋上空存在负的高度异常。分析表明，造成冬季EOF1降水与MNA海温及ENSO海温关系年代际增强的原因主要有两个:一个是ENSO和MNA海温的关系在90年代中期显著增强，二者对EOF1降水的协同作用使得冬季降水和海温的联系变好;另一个是受太平洋年代际涛动(PDO)的调制作用，PDO的强度在90年代中期以前偏强，而此后PDO明显减弱，这使得ENSO引起的西北太平洋异常反气旋加强北进，相应的南风异常为中国沿岸及西北东部地区带来丰沛的水汽，从而使EOF1降水和ENSO的联系显著增强。
(4)中国西北地区冬季EOF1降水年代际变化的影响因子。分析发现，EOF1降水在1980年代末期发生年代际突变，西北降水显著增多。此时，北半球中高纬度地区冬季降水也出现明显年代际变化，这说明中国西北冬季降水在1980年代末的突变是北半球中高纬度气候异常的一部分。相应的，北半球冬季大尺度环流在1980年代末发生了显著的年代际变化，主要表现为平流层极涡显著增强，EU由正位相转变为负位相，AO由负位相转变为正位相，阿留申低压和西伯利亚高压减弱，EAWM由强变弱。其中，EU位相的转变可能与北半球中高纬度纬向环流的转变以及北大西洋海温的增暖有关。另一方面，随着大气环流场的变化，西北冬季的水汽输送和水汽收支在80年代末也发生了年代际突变。具体表现为，西风带水汽输送在80年代末以后显著增强，水汽在西北地区以辐合为主。水汽净收支增加8.79×106kg/s，其中，西边界是最主要的水汽净输入边界，增量为10.45×106kg/s，其次是东边界，增量为1.71×106kg/s，北边界水汽净支出增多，量值为-3.38×106kg/s，而南边界水汽收支变化很小，只有0.01×106kg/s。
(1)中国西北地区降水的年循环特征。西北年降水量在400毫米以下，呈现中部少、东部和西部多的分布特征，20世纪以来，年降水量呈增长趋势，每十年大约增加3.5毫米。年平均的水汽输送以纬向输送为主，最大水汽输送通量可达500～550kg m-1s-1。在1961-2013年间，西北冬夏降水均呈增长趋势，春季降水基本不变，秋季降水有弱的减少，四季降水的空间分布特征和年降水一致。由于西北蒸发量很小，降水主要是由水汽输送辐合决定，北疆地区水汽辐合由水汽湿平流项决定，南疆和东部地区的水汽辐合由风场辐合项决定。在水汽净收支方面，春夏两季的水汽净收支为正，分别为3.36×1011t/a和1.41×1011t/a，此时西北是得到水汽的;而秋冬两季的水汽净收支为负，分别为-2.88×1011t/a和-1.71×1011t/a，此时西北是损失水汽的。通过计算各季不同边界的水汽净收支量发现，西边界和东边界分别是最主要的净收入和净输出边界。我们进一步重点分析冬季降水，对站点数据做经验正交函数分解发现，冬季降水第一模态(EOF1)表现为全区一致型，时间序列存在2～4年周期变化，并且在1980年代末期发生突变，第一模态降水显著增多。第二模态(EOF2)降水表现为东西反向型，时间序列以2～3年及4～6年周期为主，并且在1990年代末期发生年代际突变，西北东部降水减少，西部降水增多。分析还发现，不同格点化降水资料对西北冬季降水主模态的时空变化特征描述地较好。此外，中国西北冬季降水和中亚地区冬季降水在空间上存在较好的联系。
(2)中国西北地区冬季降水年际变化的影响因子。分析发现，欧亚遥相关型(EU)是影响EOF1降水年际变化的主要环流系统，在EU处于负位相时，西北地区受“东正西负”的大气环流场控制，新疆脊和东亚大槽偏弱，东亚冬季风(EAWM)减弱，异常偏南风带来的暖湿气流有利于西北冬季降水偏多;当EU处于正位相时，环流形势和降水异常则相反。此外，受EU遥相关的影响，欧亚大陆冬季降水也呈现出纬向波列的分布特征。北极涛动(AO)是影响EOF2降水年际变化的主要因子，在AO为正位相时，蒙古地区存在反气旋式环流，其南侧的东风异常为中国西北东部地区带来水汽输送，配合垂直运动，造成“东正西负”的降水异常;当AO为负位相时，环流形势和降水异常相反。我们进一步分析了海温异常对EOF1降水的影响。北大西洋中纬度(MNA)海温异常是影响EOF1降水的一个重要因子，它通过激发向下游传播的遥相关波列影响西北地区环流场，从而造成降水的异常。具体而言，当MNA存在负海温异常时，在其北侧会形成负的高度倾向，这种异常信号以Rossby波的形式向下游传播，在欧亚大陆上空形成“正负正”的遥相关波列，西北地区受“东正西负”的异常高度场控制，有利于EOF1降水偏多;而MNA存在正海温异常时，情形相反。此外，厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对EOF1降水也有重要影响，主要通过两条路径实现:一是通过激发日本上空异常反气旋环流和南风异常影响东南向水汽输送，直接影响西北冬季降水;二是通过“大气桥”影响下游北大西洋地区的海温异常，通过北大西洋海温异常激发的大气欧亚遥相关间接影响西北冬季降水。
(3)中国西北地区冬季EOF1降水年际变化与海温关系的稳定性。分析发现，在年际尺度上EOF1降水和海温的关系存在年代际变化。在90年代中期前，EOF1降水和MNA海温及ENSO海温的关系都很弱;而在此之后，EOF1降水和两处海温的相关性显著增强，此时大气环流表现为半球尺度的遥相关波列，在欧洲西部、日本上空以及北美上空存在正的高度异常，在乌拉尔山地区、北太平洋以及北大西洋上空存在负的高度异常。分析表明，造成冬季EOF1降水与MNA海温及ENSO海温关系年代际增强的原因主要有两个:一个是ENSO和MNA海温的关系在90年代中期显著增强，二者对EOF1降水的协同作用使得冬季降水和海温的联系变好;另一个是受太平洋年代际涛动(PDO)的调制作用，PDO的强度在90年代中期以前偏强，而此后PDO明显减弱，这使得ENSO引起的西北太平洋异常反气旋加强北进，相应的南风异常为中国沿岸及西北东部地区带来丰沛的水汽，从而使EOF1降水和ENSO的联系显著增强。
(4)中国西北地区冬季EOF1降水年代际变化的影响因子。分析发现，EOF1降水在1980年代末期发生年代际突变，西北降水显著增多。此时，北半球中高纬度地区冬季降水也出现明显年代际变化，这说明中国西北冬季降水在1980年代末的突变是北半球中高纬度气候异常的一部分。相应的，北半球冬季大尺度环流在1980年代末发生了显著的年代际变化，主要表现为平流层极涡显著增强，EU由正位相转变为负位相，AO由负位相转变为正位相，阿留申低压和西伯利亚高压减弱，EAWM由强变弱。其中，EU位相的转变可能与北半球中高纬度纬向环流的转变以及北大西洋海温的增暖有关。另一方面，随着大气环流场的变化，西北冬季的水汽输送和水汽收支在80年代末也发生了年代际突变。具体表现为，西风带水汽输送在80年代末以后显著增强，水汽在西北地区以辐合为主。水汽净收支增加8.79×106kg/s，其中，西边界是最主要的水汽净输入边界，增量为10.45×106kg/s，其次是东边界，增量为1.71×106kg/s，北边界水汽净支出增多，量值为-3.38×106kg/s，而南边界水汽收支变化很小，只有0.01×106kg/s。