外强迫异常对中国东部降水格局的影响——基于气候系统内部变率不同位相初始条件的模拟研究

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在气候变化的背景下,区域降水格局的变化特征和影响机制问题始终受到学界的关注,具有重要的科学价值和现实意义。太阳活动和强火山事件作为气候系统主要的自然外强迫因子,对中国降水的时空格局有着强烈的影响。然而由于气候系统的复杂性,太阳活动和强火山事件导致中国降水时空格局异常的特征和途径仍不甚明朗,有关这一对应关系对气候系统内部变率初始模态的依赖性的研究也尚显不足。为此本研究采用新一代通用地球系统模式CESM(The Community Earth System Model),试图通过气候模拟的手段,揭示不同类型的太阳活动和强火山事件可能导致的中国降水时空格局变化特征,并诊断太阳活动和强火山事件与中国降水时空格局异常的可能联系机制,及其对气候系统内部变率初始模态的依赖性,从而加深对区域降水时空格局成因的理解,并为“地球工程”提供一定借鉴意义。  本文在CESM长周期控制试验结果的基础上,采用重建的过去千年太阳常数变化曲线和强火山年表构建了一系列太阳活动和强火山事件的强迫场,并分别搭配PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际震荡)、ENSO(El Ni(n)o-Southern Oscillation,厄尔尼诺与南方涛动)等气候系统内部变率的典型模态作为初始场来设计敏感性试验。通过与控制试验对应时段结果的对比,对两种外强迫异常影响中国东部降水空间格局的特征和可能途径进行了探讨。主要结果和结论如下:  (1)CESM能够较好的模拟出中国东部降水的空间格局和区域降水序列的时间变化特征。模式能够捕捉到中国东部降水“南北反相”和“长江流域与南北反相”的两种最为典型的空间模态,以及华北地区降水的22-24年周期、江淮流域降水36年左右的周期。另外CESM千年控制试验对于典型的气候系统内部变率PDO和ENSO的周期振荡特征模拟得也很好。  (2)太阳活动异常改变中国降水格局的过程主要是由改变陆表温度和海表面温度来实现的。通过下垫面的辐射平衡过程,改变区域上空的气压场和风场格局,进而影响水汽输送和成云降水过程。初始的PDO位相会对这一过程起到重要的影响,具体表现为:无论太阳常数向着增加还是减小的方向发生变化,如果初始PDO呈冷位相,则往往会导致之后中国东部降水呈现东北地区和南部沿海降水多、华北地区和长江流域降水少的空间格局;而如果初始PDO呈中间位相或暖位相时,则容易导致东北地区降水少、华北和长江流域降水多的空间格局。另外,当太阳活动异常增强时,初始时PDO所处的位相也会随之逐渐增强或延长持续时间;而太阳活动异常减弱时PDO模态的演化方向则不具备这样的规律。  (3)在强火山事件改变中国东部降水格局的过程中,强火山所处的纬度带位置、火山强度、喷发时的ENSO位相等要素都会对其产生显著影响,相比之下强火山喷发的季节差异带来的区别则不甚明显。对于位置要素而言:如果强火山位于赤道地区,则次年中国东部易出现大面积的干旱;如果强火山位于中高纬地区,次年中国降水异常的空间格局则呈现南多北少的特征;这些信号会随着火山强度的增加而愈发明显。对于火山强度要素而言:火山的强度越大,中国东部降水空间型变化的幅度就越大,降水显著减少的区域也越来越多。对于喷发时ENSO的初始位相而言:如果火山喷发时ENSO位相处于El Ni(n)o模态,往往导致次年中国东部绝大多数地区降水的增加;而如果ENSO处于La Ni(n)a模态,则次年中国东部除东北地区外降水会普遍减少;这一信号在强火山等级较低时体现得较为明显,但是会随着强火山等级的增加而变得越来越不显著。  (4)强火山喷发改变中国降水空间格局的动力学过程主要是火山灰在大气中的传播会改变不同地区地表接收的太阳辐射,进而影响大气环流和降水。以不同纬度带喷发的强火山事件为例:对于赤道地区的强火山,火山灰会向两极扩散并使得全球地表温度普遍降低,进而通过大气环流的响应来影响中国降水;而对于喷发在中高纬地区的强火山,火山灰会在西风环流和副热带高压的影响下局限在中高纬地区,从而导致中高纬地区地表气温剧烈降低,而赤道地区的大气环流则基本不受影响,通过南北的热力差异和环流场差异造成了中国东部地区南方降水增加、北方降水减少的异常空间型。  (5)强火山事件还可能对ENSO等内部变率的演化过程产生影响,从而间接地改变中国降水格局。不论强火山喷发时ENSO处于何种位相特征,次年赤道太平洋地区的海表面温度都会显著向着La Ni(n)a的模态发展。北太平洋海表面温度升高,进而通过改变西风带上的阻塞形势和槽脊演化来对中国东部降水产生影响。
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