泛亚洲季风区夏季降水年际变异特征、模式能力评估和预测效能研究

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亚洲夏季风盛行期间,降水中心主要集中在中印半岛、孟加拉湾、东北印度洋及东南亚海洋性大陆。这些地区降水位置及强度的变化均可能造成重大的旱涝灾害。由于各子季风系统之间有着密切的联系,涉及海气相互作用、水汽输送通道等重要科学问题,十分需要从整体上考虑范围广泛的、各子系统有密切联系的大范围季风区域,从而把握其整体特征和变化规律。因此,本文提出了泛亚洲季风区的概念,并分析其夏季降水年际变异的主要模态及其影响因子。研究范围包括印度季风、东南亚季风、东亚季风和西北太平洋季风的宽广区域(60°E-140°E,10°S-35°N),是亚洲—太平洋季风区夏季降水最强的地区,并包含有几个季风系统之间的水汽连接通道。根据以上观测分析,进一步利用国际耦合比较计划CMIP3与CMIP5的气候模式试验,定量评估了它们对当代泛亚洲季风区夏季降水年际变异主模态的模拟能力。随后分析研究欧洲中心最新的大气—海洋—陆地全耦合的预测系统ENSEMBLES模式试验提前一个月对泛亚洲季风区夏季降水年际变异主模态的预测效能。另外,藏东南是全球夏季降水最强的区域之一,同时也是亚洲季风区重要的水汽通道。该地区的降水变率不仅会影响局地气候,并且也会影响下游东亚气候变化,然而模式对该地区夏季降水量的模拟一直存在较大的偏差。因此本文利用的NCEP/NCAR再分析资料重点研究了1979-2010年减东南及周边地区(以下简称藏东南)夏季(5-9月)降水年际变率特征,以期为模式对该地区夏季降水模拟误差的改进提供理论依据,从而使模式能更准确地刻画泛亚洲季风区夏季降水。论文的主要研究结论如下:  (1)泛亚洲季风区夏季降水年际变异的主模态及其大尺度环流特征  文章提出了泛亚洲季风区的概念,并分析了夏季降水年际变异的主要模态及其特征。泛亚洲季风区夏季(5-9月)降水EOF第一模态由北至南呈“三极型”分布,即孟加拉湾—东南亚海洋性大陆—中国南海—华南的带状区与其南北两侧的降水变异符号相反,其对应的低层环流场主要特征为索马里越赤道气流减弱,澳洲东岸为异常偏南气流,热带太平洋为异常西风气流。降水第一模态分布与同期厄尔尼诺—南方涛动(以下简称ENSO)状态联系密切,同时与同期及前春太平洋地区南极涛动(以下简称AAOSP)和南半球太平洋—南美遥相关型(以下简称PSA)有关,因此,影响泛亚洲季风区夏季降水第一模态的关键区域主要集中在太平洋,可以简称为“太平洋模态”。泛亚洲季风区夏季降水EOF第二模态由东北至西南呈“三极型”分布,其低层大气环流场主要特征为索马里越赤道气流减弱,澳洲北部海洋性大陆及热带太平洋为东风异常。降水第二模态分布主要与印度洋大气对流活动有着密切关系,且同时与印度洋海洋表面温度(以下简称SST)及印度洋地区AAO分布有关。因此,影响泛亚洲季风区夏季降水第二模态的关键区域位于印度洋,可以简称为“印度洋模态”。  (2)对比评估CMIP5与CMIP3模式对泛亚洲季风区夏季降水年际变异主模态的模拟能力  CMIP5较优模式及多模式集合平均结果对泛亚洲季风区夏季降水气候态与年际变异第一模态的模拟能力均优于CMIP3模式,其对泛亚洲季风区夏季降水第一模态的空间分布特征有较大改进,可以较好地模拟出ENSO分布型,并能很好地刻画南半球大气模态,即AAOSP分布与ENSO的关系,且对于南半球海气相互作用的模拟能力较好。  (3) ENSEMBLES耦合模式对泛亚洲季风区夏季降水年际变异主模态的预测效能研究  五个ENSEMBLES模式及其集合平均对泛亚洲季风区夏季(6-9月)降水EOF1模态的时空分布特征及其相关的海洋及大气环流因子均展现了较好的预测能力。所有ENSEMBLES模式对ENSO和同期AAOSP的空间分布型及其年际变率均表现出较强的预测能力,然而,仅部分模式对前春AAOSP的年际变率具有一定的预测能力。其中ECWMF、MF和UKMO模式对泛亚洲季风区夏季降水EOF1模态的空间分布有较强的预测能力,能较好地预测该空间分布的主要特征,即80°E以东由北至南的“三极型”分布,并且能较为准确地预测ENSO与同期、前春AAOSP的位置和强度。相比之下,IFM-GEOMAR和CMCC-INGV模式对泛亚洲季风区夏季降水EOF1模态及其相关环流场的预测能力相对较弱。不足之处,所有ENSEMBLES模式对泛亚洲季风区10°N-25°N间降水带的预测结果普遍偏窄、偏南,华南降水变异符号与观测相反。  (4)大西洋海温对藏东南夏季降水年际变率的影响  藏东南夏季(5-9月)降水的空间分布特征表现为主要中心位于缅甸北部、孟加拉湾北部及孟加拉围。影响该地区降水的大气环流异常表现为北大西洋—欧洲—亚洲遥相关型。进一步研究揭示了大西洋SST异常对藏东南夏季降水的重要性,它可以通过罗斯贝波的响应影响该地区的夏季降水。相比较,印度—太平洋SST异常对藏东南夏季降水的影响并不显著,可能由于印度—太平洋SST与西太平洋副热带高压以及该地区的季风环流联系更为紧密,印度—太平洋SST通过调节西太平洋副热带高压间接影响藏东南夏季降水。
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