全球变化背景下东亚区域气候年代际时空演变的统计-动力特征

摘要

在全球变暖的背景下，气候变化对环境、水资源、工农业生产和人民生活的影响日益显著，并越来越受到人们的关注。为了解近40年来中国区域气候及东亚季风的年代际变化规律及其成因，本文以揭示气候基本要素的空间结构及其年代际演变特征为主要目标，采用统计-动力综合分析方法(趋势转折判别模型、相关分析、EOF-SVD综合分析等)，分析了中国大陆气候型年代际演变趋势及其转折特征；重点研究了东亚冬、夏季风的年代际时空演变特征和全球变暖背景下东亚区域的非均匀热力空间结构年代际演变特征，并分析了两者之间的相关联系；研究了中国东部日照时数、低云量等气象要素的年代际演变特征，初步探讨了气溶胶区域气候效应及其与东亚季风年代际变化的相关联系；并采用区域气候模式对东亚海陆热力差异演变特征的影响效应进行了模拟试验。本文获取了以下主要研究结果： NCEP/NCAR再分析资料可信度分析：本文采用计算标准化均方根误差、相关分析以及EOF分解等多种客观分析统计方法，讨论了NCEP/NCAR再分析资料在中国区域气候变化研究中的可信度的季节特征及其空间差异。从时间上看，NCEP/NCAR再分析风速资料在春、夏、秋季具有一定的可信度，但冬季的可信度较差；表面气温则是冬季的可信度最好，夏季的可信度较差。从空间来看，NCEP再分析风速、表面气温资料在中国东部地区的可信度均好于西部，表现出较显著的区域性差异特征，且随着高度升高，风速资料的可信度增大。 气候型年代际转折空间结构特征：采用趋势转折判别模型对1961～2000年中国区域站点及分区的冬、夏季气候型年代际转折特征进行了分析。通过逐站检验，揭示了站点“群体”气候型年代际转折的区域“同步性”特征，即气候型年代际转折发生年份相近，且转折后趋势一致的站点呈明显的带状区域分布。站点“群体”及分区气候型的年代际转折检验结果表明，冬季气温由降温趋势转为增温趋势年代际转折的发生时间北方早于南方，夏季则是北方晚于南方，但转折后冬、夏季的增温趋势均为北方地区比南方地区显著；夏季降水最近一次的年代际趋势转折大多发生在20世纪80年代，转折后南方大部地区为增加趋势，北方除了西北地区西部外以减少趋势为主，呈显著的“南涝北旱”变化趋势。 区域气候与东亚季风空间结构年代际演变特征：利用1961～2000年NCEP/NCAR再分析月平均资料以及中国地面气温、降水等月平均资料，采用滑动平均、相关分析和EOF-SVD综合分析等统计方法，分析了近40年来东亚季风和东亚区域海陆表面气温差异的年代际时空演变特征及其相关联系。研究结果表明，冬季海平面气压年代际分量EOF第一特征向量呈“北负南正”空间结构，其时间系数在20世纪70年代末期发生转折，由负值转为正值，反映了东亚冬季风强度减弱、南扩加强的变化特征。 冬季表面气温年代际分量EOF第一特征向量则表现出大陆北部气温明显偏高，大陆南部和海洋则变化较小的空间分布特征，其时间系数亦在20世纪80年代初期发生由负到正的转折，揭示了海陆热力差异在北方减小、南方增大的变化。两者时空变化具有很好的对应关系，说明同期(冬季)表面气温的非均匀年代际时空演变特征和东亚冬季风的年代际变化之间存在密切联系。在此基础上进行SVD分析，发现冬季大陆表面气温与东亚区域海平面气压之间的年代际对应关系比海洋的更加显著，表明东亚冬季风的年代际变化很可能是东亚气候对由人类活动引起的全球变暖非均匀空间结构的区域响应。通过对夏季850hPa风场和春季表面气温年代际时空演变特征及其相关联系的分析，发现中国东部地区夏季850hPa南风逐年代减弱；850hPa风场年代际分量EOF第一特征向量表现出东亚大陆东部、南海以及孟加拉湾东部等地区东北风或北风异常显著的空间结构特征，反映了东亚夏季风的减弱；1978年为对应时间系数由负到正的转折点，即1978年前后两个时段的东亚夏季风由偏强转为偏弱。春季表面气温年代际分量EOF第一特征向量在陆地上为“北正南负”空间结构，海洋上则以正距平为主，反映了春季大陆南部与海洋之间海陆热力差异的减小；其时间系数在1978年由负值转为正值，因此年代际尺度上，东亚大陆南部与西太平洋区域的春季海陆表面气温差异亦存在不同强度的两个时段，且与东亚夏季风两类不同强度特征时段相吻合。SVD分析结果亦表明春季海陆表面气温非均匀空间结构年代际演变特征与东亚夏季风年代际减弱趋势之间存在重要关联。因此，20世纪60～90年代东亚夏季风的年代际减弱趋势和前期(春季)海陆表面气温的年代际时空非均匀演变规律密切相关。 气溶胶空间分布演变特征及其区域气候效应：本文还对最近20多年来北京及其周边地区冬季和中国东部地区夏半年的气溶胶影响域及其区域气候效应进行了初步探讨，提出了气溶胶区域气候效应存在一定空间尺度影响范围的观点。研究结果揭示出北京及其南部周边地区存在气溶胶影响域，并发现影响域内、外与气溶胶气候效应相关的日照时数、低云量、雾日数等气象要素的年际变化趋势特征亦呈显著区域性差异； EOF分析结果表明，近20年来，北京及其南部周边地区具有冬季日照时数减少、低云量和雾日数增多的区域气候时空演变特征，与这一区域气溶胶光学厚度逐渐增加的变化趋势相吻合。进一步研究还发现，中国东部区域夏半年气溶胶光学厚度与日照时数、地面气温的相关系数场均呈“南负北正”区域性特征，显著负相关区主要分布在中国东部南方地区，与夏季降水年代际显著增多的区域较为相似，同时中国东部南方地区还是TOMS气溶胶光学厚度与低云量的显著正相关区，反映了中国东部南方地区气溶胶增加将可能导致该区域夏半年低云量和降水增加、而日照时数和地面气温下降的区域气候效应，同时表明中国东部夏半年的气溶胶影响域位于南方地区。计算分析中国东部区域夏半年气溶胶光学厚度与垂直速度、经向风速的相关系数，发现气溶胶的区域气候效应可能对东亚夏季风的强度变化亦造成了一定的影响。 海陆热力差异变化的区域气候响应：利用区域气候模式(RegCM3)进行了敏感性数值模拟试验，发现在模式中减小冬季东亚大陆东北部的长波辐射降温率，将导致东西向海平面气压差减小以及低层北风减弱，表明对温室效应的区域气候响应可能是导致东亚冬季风减弱的重要原因之一。模式中春季中国东南部地面气温降低、而南方海洋表面气温升高，将导致夏季西太平洋副热带高压强度偏弱、位置偏南，东亚夏季风减弱，进而使中国东部夏季降水出现“南增北减”的分布形势；减小模式中春、夏季中国东南部地区的太阳辐射加热率，可以得到类似的模拟结果，表明与气溶胶影响效应相联系的海陆热力差异改变所产生的区域气候响应可能与东亚夏季风的强度变化存在相关联系。以上敏感试验的模拟结果较好地验证了东亚季风年代际时空演变特征的诊断分析结果。