ENSO循环及热带海温异常对东亚夏季风季节内变化的影响

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本论文系统分析了ENSO循环相关的热带海温异常以及局地海气相互作用对东亚夏季风季节内变化的影响。重点关注了以西太平洋副热带高压(副高)季节内变化为主要特征的东亚夏季风环流次季节变化过程。首先分析了El Ni(n)o衰减年热带北大西洋海温异常变化的机理及其对夏季副高季节内变化的影响。在此基础上,使用中国科学院地球系统模式CAS-ESM2中的大气环流模式IAP AGCM5.0和观测结果进行对比分析,揭示不同区域的热带海温异常对于El Ni(n)o衰减年副高季节内变化的影响。然后,研究了在不同强度的超长La Ni(n)a事件背景下东亚夏季风季节内变化,以及局地对流变化对副高分裂现象的影响,并进行了细致的个例分析。论文主要结论如下:
  一、El Ni(n)o衰减年热带北大西洋海温异常的机理分析
  El Ni(n)o衰减年热带北大西洋海温异常主要受到三个因素的影响:El Ni(n)o、长期线性趋势、以及冬春季NAO位相,其中冬春季NAO的位相主要影响同期的热带北大西洋海温异常。随后对比1983年和2005年这两次不同强度的El Ni(n)o事件衰减年情况,以及1992年和2010年这两次类似强度的El Ni(n)o事件衰减年情况,发现El Ni(n)o事件的强度和冬春季热带北大西洋海温异常情况对衰减年的热带北大西洋海温都有很重要。这是因为冬季NAO和El Ni(n)o均可以引起热带北大西洋低层环流的西风异常,西风异常减少了海表面潜热通量的散失,导致海温升高。此外,这三个因子分别强迫增温0.35℃、0.35℃和0.5℃。
  二、El Ni(n)o衰减年夏季西太平洋副热带高压的季节内变化
  El Ni(n)o衰减年夏季西太平洋副热带高压(副高)的季节内变化存在两种模态,一种是6-8月的一致偏西,另一种是6-7月偏西,而8月逆转为偏东,其中偏西模态的异常要远大于偏东模态。对偏西模态而言,由于热带北大西洋海温正异常的强迫影响,激发出一个从北大西洋经过欧亚大陆高纬度到东亚的遥相关,抑制了暖池地区的对流,东亚地区位势高度增加,从而导致副高加强西伸。在偏东模态下,热带印度洋海温异常演变与偏西模态类似,但强度偏低,同时热带北大西洋海温正异常在4月达到峰值后衰减,导致两大洋对8月暖池地区对流的抑制作用减弱。此外,由于6-7月暖池海温持续升高,在局地海气相互作用下,8月暖池对流发展,位势高度场降低,从而造成副高减弱东退。
  三、2003年和2007年热带海温异常对夏季西太平洋副热带高压的季节内变化影响的数值模拟
  对比分析了2003年和2007年El Ni(n)o衰减年夏季副高季节内变化情况,发现即使在两个中等强度ElNi(n)o衰减年夏季,以副高为代表的东亚夏季风环流也呈现出不完全相同的变化,其中差异最大体现在8月份。2003年8月热带北大西洋海温升高,通过激发北大西洋—东亚遥相关型,导致日本群岛以南位势高度升高,且由于7月菲律宾地区海温偏高,来自高纬地区的偏北气流南下触发局地对流,导致副高偏西偏北;而2007年8月由于热带北大西洋和北印度洋海温降低,对于菲律宾地区对流的抑制能力减弱,在局地海气相互作用下触发了对流,导致副高北进。随后使用大气环流模式IAP AGCM5.0进行了一系列数值实验,分析了2003年8月热带海温异常对于副高异常变化的影响,发现热带北大西洋海温异常和东太平洋海温异常对于8月激发北大西洋—东亚遥相关型波列有重要影响。
  四、超长La Ni(n)a事件的东亚夏季风季节内变化:1999-2000年和1984-1985年的对比分析
  对比分析了1999-2000年和1984-1985年这两次典型的不同强度超长La Ni(n)a事件的东亚夏季风季节内变化情况。发现1999-2000年是一次强的超长La Ni(n)a年事件,主要受到以La Ni(n)a信号为主导以及暖池局地海气相互作用的共同影响,造成这两年7月副高与气候平均差异达到最大,副高偏东偏弱与La Ni(n)a年的合成结果一致。此外,这两年的夏季降水异常除华北地区外,其余地区呈现相反的分布格局;因此强的超长La Ni(n)a事件夏季,除了华北地区外,中国东部大部分地区的降水预测符合准两年振荡的周期特点。1984-1985年是一次中等强度的超长La Ni(n)a年事件,这次事件受到以暖池局地海气相互为主导和La Ni(n)a信号的共同影响,造成这两年6月和8月副高异常偏东,与气候平均差异达到最大,与La Ni(n)a年的合成结果不一致,但这两年的夏季降水的异常分布却与La Ni(n)a年的合成结果一致,降水主要集中在菲律宾地区,中国东部地区夏季降水整体偏少。因此中等强度的超长La Ni(n)a事件夏季,中国东部地区的降水预测并不符合准两年振荡的周期特点。
  五、盛夏期西太平洋副热带高压分裂现象的分析
  本章分析了1979-2018年夏季副高的分布情况,发现在这40年中有11年的副高在月际时间尺度上发生了分裂现象,其中绝大部分分裂现象发生在盛夏期(7-8月),并且与ENSO位相无关。其中2008年7月和2006年8月的副高较气候平均差异较大,为此从中选择了这两年进行个例分析。发现造成这两年副高在盛夏期发生分裂与前期局地对流区域海温偏高和外强迫(高纬度环流和南半球环流)有关,其中前期的暖海温为后来触发局地对流提供热力基础,而外强迫则提供动力条件,二者同样重要。
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