太阳活动11年周期对东亚气候的影响及其机理

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太阳活动的变化同地球气候变化有一定的联系,其11年周期对近百年来全球气候变化的影响和贡献越来越受到科学界的高度重视。本论文利用再分析资料和台站观测资料等,主要围绕着太阳活动通过影响气候模态,继而对东亚气候产生重要影响这一论题开展研究。首先,研究了太阳活动调制ENSO/AO/NAO对东亚气候的同期和滞后影响,并对太阳活动这一调制作用的具体过程和机理进行分析。其次,讨论了不同太阳活动位相下东亚冬季风影响随后夏季风的差异及其中涉及的主要物理过程。本论文主要结论如下:   (1)太阳活动11年周期对东亚降水异常演变与ENSO关系的调制及机理。太阳活动偏高(偏低)年ENSO发展期各阶段赤道东太平洋以及热带西太平洋的海温异常的强度和范围都偏小(大),且赤道东太平洋的正相关在次年春夏季衰减缓慢(迅速)。在ENSO发展期秋季,太阳活动偏低(LS)年印度洋海温明显升高,太阳活动偏高(HS)年则无。LS年南海及菲律宾地区附近出现的异常反气旋偏强,加强了我国南方地区的水汽供应;而位于华北北部的异常气旋也偏强,其西侧的偏北风造成长江以北地区的降水负异常,因而此时我国长江以南、以北的反向降水变化非常显著。与此不同的是,HS年上述环流异常同时偏弱,造成我国大部分地区的降水异常偏弱且不显著。东亚大气环流在HS、LS位相下的不同响应可能是由于太阳活动对热带海温的影响所致,峰值年在太平洋能强迫出类La Ni(n)a型的海温异常,而谷值年热带印度洋和西太平洋地区海温明显增暖,海温异常会引起热带太平洋地区大尺度的纬向Walker环流异常。这样与HS年相比较,LS年在热带西太平洋的低层辐散更强,热源导致的反气旋环流也更强。   (2)太阳活动对东亚冬季气候异常与ENSO关系的影响及过程。在LS年冬季,ENSO和东亚冬季风关系显著,伴随El Ni(n)o事件东亚对流层低层明显增温,这与冷的欧亚大陆和暖的太平洋之间的气压梯度减弱密切相关;在东南亚有典型的降水异常的响应,我国南方地区降水偏多而菲律宾、苏门答腊和罗婆州的西部等地区降水偏少,降水异常主要受到西北太平洋(WNP)反气旋异常的控制。然而,在HS年冬季与ENSO联系的东亚地区地表气温和降水异常都较弱。太阳活动对这一关系的调制可能是通过改变热带及热带外地区对流层环流来实现的。特别地,在LS年暖ENSO事件引起WNP异常反气旋明显增强,中纬度阿留申低压范围增大扩展至东北亚地区,这源于LS位相下ENSO型海温异常的强度和范围都明显增大,从而引发大尺度Walker环流位置及强度的变化。运用长期资料进一步证实,ENSO与东亚地区冬季气候的关系是受到太阳活动11年周期的调制,在LS位相下ENSO对东亚冬季气候异常的影响更为强烈。   (3)太阳活动11年周期对东亚气候与AO/NAO关系的调制及机理。HS年冬季,正AO引起东北亚地区强烈增暖,同时500hPa东亚大槽减弱。与此不同,LS年冬季正AO造成的地表增暖及东亚大槽的异常均较弱。太阳活动这一调制作用中涉及的大气过程可能在于太阳活动间接影响冬季AO的结构。在HS位相与AO相联系的极区和中纬度地区的海平面气压的振荡较强,范围较大且能延伸到东亚地区;AO对应的纬向平均风异常能向上延伸地更高到达平流层,表明此时存在较强的平流层-对流层耦合作用。冬季AO对随后春季东亚地表气温的影响仅在HS位相下成立。春季NAO的空间结构亦受到太阳活动11年周期的影响,并且LS(HS)年其与随后夏季东亚降水异常的关系较强(较弱)。太阳活动可能首先影响上游北大西洋地区三极型海温的结构,在跨越欧亚大陆次极地遥相关的作用下,影响东亚急流及东亚局地Hadley环流异常,最终影响东亚夏季降水异常。进一步的研究表明,太阳活动可以影响北半球平流层极涡从冬到春的演变。   (4)太阳活动11年周期对东亚冬、夏季风之间关系的影响及过程。弱(强)的东亚冬季风后的次年春、夏季在西北太平洋上空往往出现反气旋(气旋)式环流异常,而且东亚冬、夏季风之间的联系主要来自于与ENSO有关的东亚冬季风异常。LS位相下WNP异常反气旋明显增强、范围扩大,其西北侧的西南气流强度偏强并向北延伸,从而使春季多雨地区绵延到内蒙乃至西北地区;而夏季降水主要集中在长江流域中游,表明是夏季风较强。然而,在HS位相下次年春、夏季,不论是环流异常还是降水场的异常都明显偏弱。也即东亚冬、夏季风关系在LS年要比HS年更紧密,其原因在于LS(HS)年从冬至夏与ENSO有关的东亚冬季风异常相联系的印度洋及热带西太平洋海温正相关范围明显偏大(小);而赤道东太平洋的显著正海温异常衰减迅速(缓慢),从而有利于(不利于)WNP反气旋从冬季一直持续到次年夏季。
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