ENSO对东亚冬季气候影响的年代际和次季节变化及其机理研究

摘要

东亚冬季风是控制东亚及周边地区天气、气候异常的主要环流系统。在季节-年际时间尺度上，东亚冬季风的可预报性主要来源于热带太平洋海气系统异常变率的主导模态—ENSO。然而，近年来多项研究发现ENSO对东亚冬季风的影响并不稳定，与此相关的不确定性大大限制了当前东亚冬季风的预报水平。本文基于再分析资料的动力统计诊断和大气环流模式的数值模拟，系统研究了ENSO影响东亚冬季气候在年代际和次季节两个时间尺度上的复杂性及其机理问题，得到以下三点主要结论: (1)、阐明了ENSO与EAWM关系的年代际变化特征，并揭示了AMO的调控作用是这一年代际变化的关键原因。基于再分析数据的诊断分析，我们发现ENSO-东亚冬季风关系具有与AMO时间演变一致的年代际变化特征。在1960年代中期之前和1990年代中期之后即AMO处于正位相时，ENSO对东亚冬季风的影响显著，即ElNi(n)o(LaNi(n)a)年，东亚冬季风偏弱（偏强）;但在中间时段即AMO处于负位相时，两者的相关关系并不成立。也就是说，AMO的调控是ENSO-东亚冬季风关系年代际变化的关键原因。由于东亚冬季风对El Ni(n)o事件的响应较强且较稳定，因此AMO的调控主要体现在La Ni(n)a位相的影响上，即AMO处于正（负）位相时，La Ni(n)a年对应偏强（偏弱）的东亚冬季风。进一步分析表明，AMO的调控主要包括两种途径:其一是热带途径，AMO能够通过大气遥相关和局地海气相互作用改变西北太平洋海温(SST)的年代际背景，调控La Ni(n)a年西北太平洋海温异常(SSTA)及其大气响应的强度和范围，从而影响ENSO-东亚冬季风关系;其二是中高纬途径，AMO能在欧亚大陆激发一个自西向东传播的准正压大气波列，影响西伯利亚高压和东亚大槽的背景强度，进而调制ENSO与东亚冬季风之间的关系。GFDL大气环流模式AMIP数值模拟的结果进一步验证了上述结论。 (2)、建立了非平稳滑动相关归因法，从理论上明确了AMO对ENSO-东亚冬季风关系的关键调制作用。过去人们认为，PDO的调制是ENSO-东亚冬季风关系年代际变化的重要原因。为了印证AMO调控作用的主导性，我们建立了非平稳滑动相关归因法。首先，基于泰勒展开式的一级近似，分离出滑动相关系数中的非平稳分量，然后借助多元线性回归模型确定引起非平稳变化的物理因子。将该方法应用于ENSO-东亚冬季风关系问题上，我们发现，这一关系中的非平稳部分（年代际变化）可用AMO-ENSO非线性相互作用项的影响表示，而PDO的贡献很小，可以忽略，这一结果从数学角度再次印证了AMO调控的关键作用。由于气候系统中存在很多类似的非平稳关系，因此，该方法具有重要而广泛的应用前景。 (3)、揭示了ENSO事件对东亚冬季气温次季节变率的显著影响。2015/16超强ElNi(n)o年冬季，东亚气温表现出明显的季内变化特征，其中2016年1月中下旬更是发生了著名的“霸王”级寒潮，刷新了我国多地的极端低温记录。基于再分析资料的诊断分析，我们发现这次“霸王”级寒潮与超强El Ni(n)o背景密切相关。在另外两次超强El Ni(n)o年（1982/83和1997/98）冬季的1月中下旬，东亚地区同样观测到了类似的剧烈降温事件。但一般El Ni(n)o或La Ni(n)a年冬季东亚地区并不存在这种次季节气温变率。进一步研究表明，超强El Ni(n)o事件可以通过与北半球副热带急流季节性南移的相互作用，引起NAO在1月中上旬发生由正到负的次季节位相快速反转，之后，北半球中高纬大气环流的经向度加大，西伯利亚高压和东亚大槽均快速增强，最终诱发了东亚地区的强寒潮事件。由于一般El Ni(n)o事件的SSTA及其相关的大气扰动较弱，NAO和东亚气温均未出现显著的次季节变化。GFDL大气环流模式的数值试验进一步印证了我们的研究结论。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2国内外研究进展

1．2．1东亚冬季风概况及其多时间尺度变率

1．2．2 ENSO现象及其动力学机制

1．2．3 ENSO对东亚冬季风的影响及其复杂性

1．3问题的提出

1．4论文研究内容及章节安排

2．1引言

2．2资料和方法

2．3东亚冬季风的时间变化特征

2．4 ENSO对东亚冬季风的影响及其复杂特征

2．4．1 ENSO对东亚冬季风的线性影响

2．4．2 ENSO冷暖位相对东亚冬季风影响的非对称性

2．4．3 ENSO与东亚冬季风关系的年代际变化

2．5本章小结

第三章ENSO-东亚冬季风关系年代际变化的物理原因

3．1引言

3．2资料和方法

3．3 AMO对ENSO-东亚冬季风关系的年代际调制

3．4 AMO调制ENSO-东亚冬季风关系的物理过程

3．5 AMIP模拟验证

3．6基于非平稳滑动相关归因法的理论证明

3．6．1非平稳滑动相关归因法

3．6．2 ENSO-东亚冬季风不稳定关系的归因分析

3．7本章小结

4．1引言

4．2资料和方法

4．3 ENSO年冬季东亚气温的次季节变化特征

4．4超强El Ni(n)o年冬季东亚气温的次季节变化特征

4．5超强El Ni(n)o冬季欧亚中高纬大气环流的次季节变化特征

4．6 AMIP模拟验证

4．7本章小结

第五章超强El Ni(n)o冬季东亚气温次季节反转的物理机制

5．1引言

5．2资料和方法

5．3．1平流层过程

5．3．2热带北大西洋SSTA的调制作用

5．3．3北半球冬季副热带急流的作用

5．4 AMIP模拟验证

5．5大气环流模式敏感性试验

5．5．1大气环流模式简介

5．5．2敏感性试验设计方案

5．5．3结果分析

5．6本章小结

第六章总结和展望

6．1全文总结

6．2特色和创新点

6．3讨论与展望

参考文献

附录

致谢