北大西洋多年代际振荡(AMO)对冬季欧亚阻塞活动的调制作用

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本文研究了北大西洋多年代际振荡(AMO)对冬季(12月-次年1月)欧亚阻塞活动的调制作用以及可能的影响机制。首先,利用三套再分析资料(20CR、NCEP/NCAR和JRA-55)的逐日数据,分析了AMO与欧亚阻塞活动之间的联系;然后,基于模式试验,进一步研究了AMO对欧亚阻塞活动的影响。之后,利用再分析资料和模式结果探讨了可能的物理机制;最后,基于以上结果,讨论了在AMO不同位相下欧亚阻塞活动和东亚冬季气候之间联系的变化。论文的主要工作总结如下:  1.再分析资料中AMO不同位相下欧亚阻塞活动的差异  再分析资料结果表明AMO与欧亚阻塞频率的变化有着重要的联系,尤其是发生在乌拉尔地区的阻塞事件。AMO与乌拉尔阻塞频率的一个双极型异常分布相联系,在北纬60°附近乌拉尔地区被分隔为南北两个反向变化的部分:60°N以北地区,在AMO正(负)位相期阻塞频率增加(减少),而以南地区则呈现与此相反的变化。乌拉尔北部阻塞频率减去南部得到的指数序列与AMO指数有着显著的正相关(0.82)。此外,研究表明阻塞频率在AMO不同位相期的异常变化主要与阻塞事件的个数差异有关,而阻塞的持续时间差异较小。并且,阻塞强度也随AMO有显著变化。  以上阻塞活动的异常变化与和AMO相联系的乌拉尔山区域平均流场的变化密切相关。控制乌拉尔地区的高压异常的维持有利于阻塞活动的发生,而上游增强的西风急流则可能会抑制阻塞的发生。研究表明,AMO正(负)位相下北大西洋的SSTA能够引起北大西洋上高度场的异常,并且向东延伸至欧亚大陆,乌拉尔地区出现高压异常的北进(南伸),以及强度的增强(减弱),进而阻塞活跃区域随之向北(南)偏移。  2.模式中AMO对欧亚阻塞活动以及东亚冬季气候的影响  首先,大气环流模式CAM5能够较好地抓住大气的内部变率,能够用来进行进一步的试验与分析。通过运行针对AMO不同位相的海温异常的敏感性试验,结果表明:正位相AMO能够导致乌拉尔北部的阻塞活动增加,而南部阻塞活动减少。负位相的AMO则引起阻塞频率相反的响应,与再分析资料的结果基本一致。  此外,本文还利用一个基于NCEP的GFS大气环流模式和平板海洋层耦合得到的海-气耦合模式进行了研究,虽然模拟结果较弱,但也模拟出了AMO正位相期乌拉尔东北地区阻塞频率的增加。另外,通过耦合模式结果和对应的GFS大气环流模式的模拟对比,发现海-气反馈作用能够增强大气对AMO的响应,尤其是东亚冬季气候的响应差异明显。  3.AMO对欧亚阻塞活动影响的可能机制  利用再分析资料和模式结果研究了AMO对欧亚阻塞频率影响的可能机制,结果表明AMO能够通过引起中高纬地区天气尺度瞬变涡动异常来对阻塞活动产生影响,主要有以下两个途径:1.正位相AMO能够减弱欧亚大陆高纬度西南地区的爆发性气旋活动,利于阻塞的形成与发展;而在AMO负位相期,乌拉尔东北地区气旋活动异常增强,一定程度上会抑制阻塞的发生,导致阻塞频率呈现北正-南负的异常分布。2.基于阻塞频率与环流背景场的紧密联系,通过一个线性斜压模式(LBM)进一步分析了大气对AMO引起的天气尺度瞬变涡动异常的响应,结果表明通过天气尺度瞬变涡动异常与平均基流不断的相互作用能够维持从北大西洋经欧洲传播到乌拉尔上的异常环流,进而影响阻塞发生的频率。  4.AMO调制下欧亚阻塞活动和东亚冬季气候的联系变化  在AMO的调制下,乌拉尔阻塞频率表现为南北移动的特征,这种变化能够引起下游东亚冬季气候的异常。通过对乌拉尔阻塞频率指数的回归分析发现,AMO正位相期间,乌拉尔阻塞活跃范围向北偏移,与之对应的在东亚北部冬季出现降温,而东亚西南部到南亚地区增温。另外,AMO不仅能够通过调制乌拉尔阻塞活动的发生频率来影响东亚冬季气候,还能够直接影响阻塞形势下欧亚大陆上的大范围环流形势。通过分析乌拉尔阻塞生命周期内的逐日演变过程,发现在AMO正位相期间,乌拉尔阻塞高压从最强盛的时期往后,持续向东延伸,导致能量频散,对下游东亚地区的影响减弱。而在负位相期间,乌拉尔阻塞高压在东西方向上范围收缩,更倾向于向南伸展,引导冷空气南下,增强下游的冷平流,容易导致东亚降温。
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