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东亚冬季风对中国及周边地区的天气和气候有着重要影响，东亚冬季风的变化与异常会导致寒潮、冰冻雨雪等灾害。因此，东亚冬季风多时间尺度变异特征及机制一直是中国大气科学非常重要的研究课题。目前为止，关于东亚冬季风变化机理的研究，更多地关注于大气内部动力过程及大气—海洋—海冰—陆面等多圈层相互作用。已有研究表明，自然外强迫因子（火山喷发和太阳活动等）对过去千年全球气候变化具有重要的驱动作用。然而，自然外强迫因子如何影响东亚冬季风的变化仍不清楚。此外，随着人类活动（温室气体和人为气溶胶排放以及土地利用变化等）影响的加剧，越来越多的研究关注于人类活动对全球及区域气候现在及未来变化的影响。但是，人类活动对东亚冬季风最近几十年的年代际变化是否具有影响，以及与内部变率的相对贡献如何等问题仍不清楚;其对未来东亚冬季气候又可能产生怎样的影响，东亚冬季风不同系统在人类活动引起的不同程度全球增暖背景下如何变化，这些问题也有待研究。因此，本论文使用多种观测和再分析资料，并结合挪威卑尔根海气耦合模式(BCM)、英国哈德莱中心耦合模式(HadCM3)以及第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)中多模式模拟结果，使用统计分析和数值模拟等方法，研究了自然外强迫因子、温室气体、人为排放气溶胶以及气候系统内部变率对东亚冬季风变异的影响及机制，并预估了未来全球增暖1.5℃和2℃背景下东亚冬季风的变化特征。本论文的主要成果和结论如下:
(1)热带强火山喷发(SVEs)将导致东亚冬季风在年际尺度显著增强。通过对BCM过去600年数值模拟结果的系统分析发现，SVEs作为最为重要的突发型自然外强迫因子，对东亚冬季气候具有显著影响。SVEs将导致东亚冬季风在喷发之后的第三个冬季显著增强，表现为东亚大槽加深、西风急流和对流层低层偏北风增强、东亚地表气温显著降低等特征。进一步研究显示，SVEs之后引起的北极涛动位相变化和热带太平洋海温异常是调制东亚冬季风年际尺度变异的重要因子。其中，SVEs引起的强拉尼娜型海温异常及相关环流是导致东亚冬季风显著增强的主要原因。
(2)过去千年太阳总辐照度(TSI)变化对东亚冬季风多年代际及更长期演变趋势具有影响。通过对过去百年观测资料和HadCM3模式太阳活动单因子强迫试验的分析发现，TSI在多年代际时间尺度上的增强会导致东亚冬季风也显著增强，表现为西伯利亚高压增强、东亚沿岸低层北风增强和东亚地表气温显著降低;反之亦然。其物理机制为:TSI偏强时大西洋经圈翻转环流减弱导致的北大西洋副热带区域冷海温异常，可以激发从北大西洋传播至西伯利亚地区的异常的Rossby波波列，该波列是导致东亚冬季风环流系统显著增强的主要原因。
(3)气候系统外强迫因子对20世纪80年代中期东亚冬季风年代际减弱具有重要影响。20世纪80年代中期，东亚冬季风系统（包括西伯利亚高压、东亚大槽、东亚急流等）发生了显著的年代际减弱现象。研究表明，CMIP5多模式全强迫试验的集合平均结果，可以再现东亚冬季风的年代际减弱现象，即外强迫因子对其起到重要作用。通过对CMIP5多模式单因子强迫试验的分析可知，温室气体强迫和自然外强迫分别对东亚大槽和东亚急流经向切变的年代际减弱起到重要贡献，而人为和自然外强迫因子共同作用使得西伯利亚高压显著减弱。其中，北太平洋海表温度和东亚对流层气温异常起到重要的桥梁作用。
(4)北极涛动变异是导致东亚冬季风发生年代际增强、减弱的重要因子。在研究外强迫因子变化导致东亚冬季风20世纪80年代中期年代际减弱的基础上，利用19个CMIP5耦合模式的工业革命前参照试验，分析研究了气候系统内部因子对东亚冬季风年代际变异的可能影响。结果表明:北极涛动位相转换也可以导致东亚冬季风发生显著的年代际减弱和增强现象。在东亚冬季风减弱时，西伯利亚高压和东亚大槽显著减弱，东亚高空急流向北极移动，东亚低层沿岸出现南风异常;增强时与之相反。结合CMIP5多模式全强迫试验结果推测，外强迫因子很可能是东亚冬季风上世纪80年代中期显著减弱的主导因素，内部变率则为次要因素。
(5)与全球变暖1.5℃相比，东亚冬季风在全球变暖2℃背景下的变化更为显著。基于对CMIP5模式未来不同典型浓度路径下预估模拟试验的分析，发现在全球增暖1.5℃背景下，东亚冬季风各个子系统的变化都存在较大的不确定性。然而在全球增暖2℃背景下，超过2/3的模式结果显示，西伯利亚高压、东亚大槽和东亚急流经向切变都将要减弱，而阿留申低压将要增强。此外，阿留申低压的增强导致北太平洋出现气旋性环流异常，从而使得亚洲东北部区域的西北风加强。总而言之，除了东亚沿岸低层经向风外，东亚冬季风各个子系统在全球增暖2℃时期的变化比增暖1.5℃时期更为显著，多模式一致性更高。换言之，额外的0.5℃增暖会显著增加人类活动影响东亚冬季风变化的可能性。
(1)热带强火山喷发(SVEs)将导致东亚冬季风在年际尺度显著增强。通过对BCM过去600年数值模拟结果的系统分析发现，SVEs作为最为重要的突发型自然外强迫因子，对东亚冬季气候具有显著影响。SVEs将导致东亚冬季风在喷发之后的第三个冬季显著增强，表现为东亚大槽加深、西风急流和对流层低层偏北风增强、东亚地表气温显著降低等特征。进一步研究显示，SVEs之后引起的北极涛动位相变化和热带太平洋海温异常是调制东亚冬季风年际尺度变异的重要因子。其中，SVEs引起的强拉尼娜型海温异常及相关环流是导致东亚冬季风显著增强的主要原因。
(2)过去千年太阳总辐照度(TSI)变化对东亚冬季风多年代际及更长期演变趋势具有影响。通过对过去百年观测资料和HadCM3模式太阳活动单因子强迫试验的分析发现，TSI在多年代际时间尺度上的增强会导致东亚冬季风也显著增强，表现为西伯利亚高压增强、东亚沿岸低层北风增强和东亚地表气温显著降低;反之亦然。其物理机制为:TSI偏强时大西洋经圈翻转环流减弱导致的北大西洋副热带区域冷海温异常，可以激发从北大西洋传播至西伯利亚地区的异常的Rossby波波列，该波列是导致东亚冬季风环流系统显著增强的主要原因。
(3)气候系统外强迫因子对20世纪80年代中期东亚冬季风年代际减弱具有重要影响。20世纪80年代中期，东亚冬季风系统（包括西伯利亚高压、东亚大槽、东亚急流等）发生了显著的年代际减弱现象。研究表明，CMIP5多模式全强迫试验的集合平均结果，可以再现东亚冬季风的年代际减弱现象，即外强迫因子对其起到重要作用。通过对CMIP5多模式单因子强迫试验的分析可知，温室气体强迫和自然外强迫分别对东亚大槽和东亚急流经向切变的年代际减弱起到重要贡献，而人为和自然外强迫因子共同作用使得西伯利亚高压显著减弱。其中，北太平洋海表温度和东亚对流层气温异常起到重要的桥梁作用。
(4)北极涛动变异是导致东亚冬季风发生年代际增强、减弱的重要因子。在研究外强迫因子变化导致东亚冬季风20世纪80年代中期年代际减弱的基础上，利用19个CMIP5耦合模式的工业革命前参照试验，分析研究了气候系统内部因子对东亚冬季风年代际变异的可能影响。结果表明:北极涛动位相转换也可以导致东亚冬季风发生显著的年代际减弱和增强现象。在东亚冬季风减弱时，西伯利亚高压和东亚大槽显著减弱，东亚高空急流向北极移动，东亚低层沿岸出现南风异常;增强时与之相反。结合CMIP5多模式全强迫试验结果推测，外强迫因子很可能是东亚冬季风上世纪80年代中期显著减弱的主导因素，内部变率则为次要因素。
(5)与全球变暖1.5℃相比，东亚冬季风在全球变暖2℃背景下的变化更为显著。基于对CMIP5模式未来不同典型浓度路径下预估模拟试验的分析，发现在全球增暖1.5℃背景下，东亚冬季风各个子系统的变化都存在较大的不确定性。然而在全球增暖2℃背景下，超过2/3的模式结果显示，西伯利亚高压、东亚大槽和东亚急流经向切变都将要减弱，而阿留申低压将要增强。此外，阿留申低压的增强导致北太平洋出现气旋性环流异常，从而使得亚洲东北部区域的西北风加强。总而言之，除了东亚沿岸低层经向风外，东亚冬季风各个子系统在全球增暖2℃时期的变化比增暖1.5℃时期更为显著，多模式一致性更高。换言之，额外的0.5℃增暖会显著增加人类活动影响东亚冬季风变化的可能性。