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南亚地区人口稠密、生态环境脆弱，夏季风降水为当地提供了年总降水量的80％以上。南亚夏季风具有显著的年际和年代际变化，影响着世界上超过十亿人口的生存生活。20世纪50年代以来，随着温室气体引起全球增暖、亚洲地区人为气溶胶快速增加、局地农耕灌溉造成土地利用变化，人类活动对气候系统的影响不断增强。与此同时，太平洋年代际振荡(IPO)和大西洋多年代际振荡(AMO)等年代际变率模态也发生了明显的位相转换。外强迫和内部变率彼此叠加，共同影响着这一时期南亚夏季风的变化。目前，对于过去几十年南亚夏季风降水变化的解释仍有很大争议。另一方面，国际上参与“耦合模式比较计划”(CMIP)的气候模式对未来几十年南亚夏季风降水变化预估的不确定性很大，这将直接影响到决策者制定有效的气候应对策略。近年来，发展基于单一模式、包含几十至上百个成员的大样本集合模拟试验为解决上述问题提供了新的思路。本文结合目前公开的多个大样本集合模拟试验，系统地研究了年际—年代际尺度上内部变率模态对南亚夏季风降水历史变化和近期预估的影响，并详细分析了其中的物理机制。本文的主要内容包括:南亚夏季风历史变化的基本事实;ENSO与热带外大气环流对南亚夏季风降水年际变率的影响;近期气候预估中AMO对ENSO—南亚夏季风降水关系的影响;外强迫和IPO对1950～2013年南亚夏季风降水年代际变化的影响;IPO对南亚夏季风降水近期预估的影响。主要结论如下:
一、南亚夏季风历史变化的基本事实
结合观测资料，评估了五套常用的、覆盖20世纪后半叶的再分析数据集——20世纪再分析数据集(20CR)，ECMWF20世纪再分析资料(ERA20C)，美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料(NCEP1)，ECMWF40年再分析资料（ERA40）和日本气象厅JRA55再分析资料——对1958～2001年南亚夏季风降水气候态、年际变率和年代际变化的刻画能力。结果表明，五套再分析资料均合理刻画了南亚季风区降水气候态年循环和夏季降水分布特征。水汽收支分析表明，气候态南亚夏季风降水是蒸发和整层水汽通量的散度共同贡献的，其中环流辐合辐散引起垂直方向的水汽输送对气候态降水起主导作用。年际尺度上，五套再分析资料合理地刻画了ENSO发展年夏季Ni(n)o3.4指数与南亚夏季风降水的负相关关系。一方面，ENSO在印度半岛引起的异常垂直运动通过垂直动力项引起降水异常;另一方面印度北部异常的水汽平流通过水平动力项引起降水异常。不过，20CR中ENSO相关的垂直动力项异常在喜马拉雅南麓存在明显的偏差。五套再分析资料对南亚夏季风降水年代际变化的刻画能力存在显著差异，其中JRA55与观测最为接近。基于JRA55的水汽收支分析表明，1958～2001年观测中南亚夏季风降水减少主要是环流变化有关的动力项引起的，其中垂直水汽输送和水平水汽平流均有贡献。本章还讨论了再分析数据集同化观测资料不连续对其刻画降水变化的影响。
二、ENSO与热带外大气环流对南亚夏季风降水年际变率的影响
年际尺度上，ENSO是影响南亚夏季风降水变率最主要的因子。基于CESM1包含20个成员的热带中东太平洋海温恢复试验(POGA)，通过集合平均和成员间差异对1950～2005年ENSO相关和ENSO无关的南亚夏季风降水年际变率进行分离。结果表明，POGA集合平均能够模拟出观测中ENSO—南亚夏季风降水的负相关关系。ENSO通过引起大尺度环流和南亚上空经向对流层温度梯度异常影响南亚夏季风降水。但POGA集合平均中南亚夏季风降水的年际变率与观测的相关系数仅为0.28。尽管20个POGA试验成员中热带中东太平洋海温异常均一致地向观测恢复，不同集合成员模拟的南亚夏季风降水的年际变率不同。除了ENSO以外，南亚夏季风降水的年际变率还受到夏季北大西洋涛动(SNAO)和环球遥相关型(CGT)有关的热带外大气环流异常的影响。当SNAO（或CGT）与ENSO同时发生时会影响到ENSO—南亚夏季风降水的负相关关系，即，同位相发生时ENSO—降水的相关性减弱，反位相发生时相关性增强。根据POGA试验，1950～2005年观测ENSO与南亚夏季风降水相关关系的年代际变化主要受热带太平洋以外的内部变率影响。20世纪80年代以后SNAO对南亚夏季风降水影响增强可能是这一时期ENSO—降水相关性减弱的原因之一。
三、近期气候预估中AMO位相对ENSO—南亚夏季风降水关系的影响
ENSO与南亚夏季风的相关关系影响到季风降水年际变率的预测水平。基于MPI-ESM模式1000年工业革命前参照试验(piControl)，发现ENSO—南亚夏季风降水相关性的年代际变化与AMO正相关。不同AMO位相可影响ENSO发展年夏季热带西太平洋降水异常的强度，进而影响ENSO—南亚夏季风降水的相关关系。当AMO负位相时，ENSO在热带西太平洋引起的正降水增强，该地区更强的异常上升导致印度半岛出现更强的异常下沉，因此南亚夏季风降水异常对Ni(n)o3.4区单位海温异常的响应增强;而AMO正位相时则情况相反。进一步基于MPI-ESM包含100个成员的大样本集合和CanESM2包含50个成员的大集合，发现近期预估中ENSO—南亚夏季风降水的相关性仍会受到AMO位相的影响。未来31年，若AMO为负位相，则ENSO—季风降水相关关系增强，ENSO发生时印度半岛出现旱涝灾害的可能性增大，ENSO对南亚夏季风降水年际变率的指示作用更强;若AMO为正位相则情况相反。由于AMO具有较长时间的持续性，在近期预估中考虑AMO位相的信息将有助于理解未来几十年ENSO与南亚夏季风降水年际变率之间的关系。
四、外强迫和IPO对1950～2013年南亚夏季风降水年代际变化的影响
除了上述年际变率以外，1950年以来南亚夏季风降水还存在显著的年代际变化。观测中，1950～1999年印度中北部夏风季降水减少，减少趋势为-0.11mmday-1decade-1;而1999～2013年降水增加，趋势为0.66mm day-1decade-1。基于包含57个成员的ESPPE大集合和包含100个成员的MPI-ESM大集合，定量研究了外强迫和内部变率对1950～2013年南亚夏季风降水年代际变化的影响，并结合水汽收支分析了其中的物理机制。结果表明，外强迫作用下1950～1999年水汽变化引起的热力项和环流变化引起的动力项相互抵消，季风降水无显著变化趋势;而1999～2013年，热力项和动力项的贡献一致，共同造成季风降水增加。此外，1999年前后南亚夏季风降水的年代际变化还受到内部变率的影响，其中IPO是造成这一时期季风降水年代际变化最主要的内部变率因子。IPO位相转换可通过大尺度沃克环流和南亚上空经向对流层温度梯度异常，在南亚季风区引起异常的垂直运动和水汽平流，进而影响季风降水的年代际变化。定量而言，1950～1999年外强迫和IPO引起的降水趋势分别为0.01和-0.16mm day-1decade-1，1999～2013年二者引起降水趋势分别为0.42和0.26mm day-1decade-1;两个时段在考虑了观测IPO位相变化的影响以后模拟的降水趋势与观测相近。本章结果提示未来几十年南亚夏季风降水变化的预估需要同时考虑外强迫和IPO的共同影响。
五、IPO对南亚夏季风降水近期预估的影响
未来几十年南亚夏季风降水的变化将对当地超过十亿的人口产生巨大影响。利用包含100个成员的MPI-ESM大集合和包含50个成员的CanESM2大集合，发现未来15～30年内部变率对南亚夏季风降水变化的影响可超过外强迫，并导致近期预估中降水变化趋势的不确定性。IPO是影响南亚夏季风降水近期预估的关键内部变率因子之一。若未来15～30年IPO的位相转换可被预测，则预估南亚夏季风降水变化趋势的不确定性可被缩小，MPI-ESM大集合中可缩小13～15％，CanESM2大集合中可缩小26～30％。近期预估中，温室气体等人为辐射外强迫将使南亚夏季风降水增加，但如果伴有IPO位相由负转正，则降水增加的概率将会被降低，同时印度半岛出现极端变干（湿）的概率将会增大（减小）;反之，若IPO位相由正转负，则IPO引起的降水增加趋势叠加在温室气体等外强迫的影响之上，将增大南亚季风降水增加的概率，印度半岛出现极端变湿（干）的可能性也将会增大（减小）。综上，未来提高对IPO等内部变率模态的预测技巧将有望缩小近期预估中南亚夏季风降水变化的不确定性。
一、南亚夏季风历史变化的基本事实
结合观测资料，评估了五套常用的、覆盖20世纪后半叶的再分析数据集——20世纪再分析数据集(20CR)，ECMWF20世纪再分析资料(ERA20C)，美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料(NCEP1)，ECMWF40年再分析资料（ERA40）和日本气象厅JRA55再分析资料——对1958～2001年南亚夏季风降水气候态、年际变率和年代际变化的刻画能力。结果表明，五套再分析资料均合理刻画了南亚季风区降水气候态年循环和夏季降水分布特征。水汽收支分析表明，气候态南亚夏季风降水是蒸发和整层水汽通量的散度共同贡献的，其中环流辐合辐散引起垂直方向的水汽输送对气候态降水起主导作用。年际尺度上，五套再分析资料合理地刻画了ENSO发展年夏季Ni(n)o3.4指数与南亚夏季风降水的负相关关系。一方面，ENSO在印度半岛引起的异常垂直运动通过垂直动力项引起降水异常;另一方面印度北部异常的水汽平流通过水平动力项引起降水异常。不过，20CR中ENSO相关的垂直动力项异常在喜马拉雅南麓存在明显的偏差。五套再分析资料对南亚夏季风降水年代际变化的刻画能力存在显著差异，其中JRA55与观测最为接近。基于JRA55的水汽收支分析表明，1958～2001年观测中南亚夏季风降水减少主要是环流变化有关的动力项引起的，其中垂直水汽输送和水平水汽平流均有贡献。本章还讨论了再分析数据集同化观测资料不连续对其刻画降水变化的影响。
二、ENSO与热带外大气环流对南亚夏季风降水年际变率的影响
年际尺度上，ENSO是影响南亚夏季风降水变率最主要的因子。基于CESM1包含20个成员的热带中东太平洋海温恢复试验(POGA)，通过集合平均和成员间差异对1950～2005年ENSO相关和ENSO无关的南亚夏季风降水年际变率进行分离。结果表明，POGA集合平均能够模拟出观测中ENSO—南亚夏季风降水的负相关关系。ENSO通过引起大尺度环流和南亚上空经向对流层温度梯度异常影响南亚夏季风降水。但POGA集合平均中南亚夏季风降水的年际变率与观测的相关系数仅为0.28。尽管20个POGA试验成员中热带中东太平洋海温异常均一致地向观测恢复，不同集合成员模拟的南亚夏季风降水的年际变率不同。除了ENSO以外，南亚夏季风降水的年际变率还受到夏季北大西洋涛动(SNAO)和环球遥相关型(CGT)有关的热带外大气环流异常的影响。当SNAO（或CGT）与ENSO同时发生时会影响到ENSO—南亚夏季风降水的负相关关系，即，同位相发生时ENSO—降水的相关性减弱，反位相发生时相关性增强。根据POGA试验，1950～2005年观测ENSO与南亚夏季风降水相关关系的年代际变化主要受热带太平洋以外的内部变率影响。20世纪80年代以后SNAO对南亚夏季风降水影响增强可能是这一时期ENSO—降水相关性减弱的原因之一。
三、近期气候预估中AMO位相对ENSO—南亚夏季风降水关系的影响
ENSO与南亚夏季风的相关关系影响到季风降水年际变率的预测水平。基于MPI-ESM模式1000年工业革命前参照试验(piControl)，发现ENSO—南亚夏季风降水相关性的年代际变化与AMO正相关。不同AMO位相可影响ENSO发展年夏季热带西太平洋降水异常的强度，进而影响ENSO—南亚夏季风降水的相关关系。当AMO负位相时，ENSO在热带西太平洋引起的正降水增强，该地区更强的异常上升导致印度半岛出现更强的异常下沉，因此南亚夏季风降水异常对Ni(n)o3.4区单位海温异常的响应增强;而AMO正位相时则情况相反。进一步基于MPI-ESM包含100个成员的大样本集合和CanESM2包含50个成员的大集合，发现近期预估中ENSO—南亚夏季风降水的相关性仍会受到AMO位相的影响。未来31年，若AMO为负位相，则ENSO—季风降水相关关系增强，ENSO发生时印度半岛出现旱涝灾害的可能性增大，ENSO对南亚夏季风降水年际变率的指示作用更强;若AMO为正位相则情况相反。由于AMO具有较长时间的持续性，在近期预估中考虑AMO位相的信息将有助于理解未来几十年ENSO与南亚夏季风降水年际变率之间的关系。
四、外强迫和IPO对1950～2013年南亚夏季风降水年代际变化的影响
除了上述年际变率以外，1950年以来南亚夏季风降水还存在显著的年代际变化。观测中，1950～1999年印度中北部夏风季降水减少，减少趋势为-0.11mmday-1decade-1;而1999～2013年降水增加，趋势为0.66mm day-1decade-1。基于包含57个成员的ESPPE大集合和包含100个成员的MPI-ESM大集合，定量研究了外强迫和内部变率对1950～2013年南亚夏季风降水年代际变化的影响，并结合水汽收支分析了其中的物理机制。结果表明，外强迫作用下1950～1999年水汽变化引起的热力项和环流变化引起的动力项相互抵消，季风降水无显著变化趋势;而1999～2013年，热力项和动力项的贡献一致，共同造成季风降水增加。此外，1999年前后南亚夏季风降水的年代际变化还受到内部变率的影响，其中IPO是造成这一时期季风降水年代际变化最主要的内部变率因子。IPO位相转换可通过大尺度沃克环流和南亚上空经向对流层温度梯度异常，在南亚季风区引起异常的垂直运动和水汽平流，进而影响季风降水的年代际变化。定量而言，1950～1999年外强迫和IPO引起的降水趋势分别为0.01和-0.16mm day-1decade-1，1999～2013年二者引起降水趋势分别为0.42和0.26mm day-1decade-1;两个时段在考虑了观测IPO位相变化的影响以后模拟的降水趋势与观测相近。本章结果提示未来几十年南亚夏季风降水变化的预估需要同时考虑外强迫和IPO的共同影响。
五、IPO对南亚夏季风降水近期预估的影响
未来几十年南亚夏季风降水的变化将对当地超过十亿的人口产生巨大影响。利用包含100个成员的MPI-ESM大集合和包含50个成员的CanESM2大集合，发现未来15～30年内部变率对南亚夏季风降水变化的影响可超过外强迫，并导致近期预估中降水变化趋势的不确定性。IPO是影响南亚夏季风降水近期预估的关键内部变率因子之一。若未来15～30年IPO的位相转换可被预测，则预估南亚夏季风降水变化趋势的不确定性可被缩小，MPI-ESM大集合中可缩小13～15％，CanESM2大集合中可缩小26～30％。近期预估中，温室气体等人为辐射外强迫将使南亚夏季风降水增加，但如果伴有IPO位相由负转正，则降水增加的概率将会被降低，同时印度半岛出现极端变干（湿）的概率将会增大（减小）;反之，若IPO位相由正转负，则IPO引起的降水增加趋势叠加在温室气体等外强迫的影响之上，将增大南亚季风降水增加的概率，印度半岛出现极端变湿（干）的可能性也将会增大（减小）。综上，未来提高对IPO等内部变率模态的预测技巧将有望缩小近期预估中南亚夏季风降水变化的不确定性。