过去千年亚洲夏季风子系统关系的多尺度变化与归因

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利用通用地球系统模式(Community Earth System Model,简称CESM)模拟的过去千年的气候模拟结果CESM-LME(Community Earth System Model-Last Millennium Ensemble)进行了亚洲夏季风三个子系统(东亚夏季风、印度夏季风和西北太平洋夏季风)在过去千年不同时间尺度上的变化及相互关系的研究,在验证模拟资料可靠性的基础上,采用多变量经验正交函数分解(MV-EOF)方法分析了工业革命前、后亚洲夏季风各子系统的时空特征,并对各个子季风系统及其相互关系进行了归因分析,初步阐释了过去千年亚洲夏季风在不同时间尺度上的变化情况、各子季风系统间的关系及其主控因子。本文首先将CESM-LME中13个全强迫试验中的夏季(6~8月)降水率、海平面气压和风场进行了集合平均,并计算1958~2000年时段内的气候平均态,并与ERA-40再分析资料的结果进行比对,发现降水场的空间相关系数达到了0.73,海平面气压场的空间相关系数达到了0.76,200h Pa环流场的空间相关系数达到了0.82,850h Pa环流场的空间相关系数达到了0.83,均达到了95%置信度。因此认为CESM-LME资料能够较好地模拟出亚洲季风的空间特征,可以用于本文的研究。利用MV-EOF方法对亚洲夏季风及其三个子系统的夏季降水率、海平面气压、850h Pa和200h Pa风场进行分解,发现工业革命前、后各子系统的第一模态变化较小,东亚夏季风呈现“南旱北涝”的偶极子型分布,印度夏季风呈现全区一致型分布,而西北太平洋夏季风呈现菲律宾海和加里曼丹岛反相的分布格局。而在时间变化方面,工业革命前三个子季风系统都存在着4年左右的显著年际周期,而东亚夏季风和西北太平洋夏季风还存在准150年的百年际周期;工业革命后三个子季风系统强度都表现出了明显的变化趋势,其中东亚夏季风和西北太平洋夏季风趋势相同,而印度夏季风的趋势则相反,各子季风系统的仅存在显著的年际变化周期。工业革命前,东亚夏季风和印度夏季风MV-EOF的PC1在各时间尺度上均存在显著的正相关关系,年际、年代际和百年际尺度上的相关系数分别为0.50、0.48和0.48,;东亚夏季风和西北太平洋夏季风MV-EOF的PC1主要在年代际尺度上存在显著负相关关系,相关系数为-0.31;印度夏季风和西北太平洋夏季风之间的相关性则较弱。工业革命后,东亚夏季风和西北太平洋夏季风之间存在显著的正相关关系,相关系数在年际尺度上为0.30,在年代际尺度上为0.78。对各子季风系统时空变化进行归因分析发现:火山活动是工业革命之前影响印度夏季风和西北太平洋夏季风变化的主要外强迫因子,VOL试验下的MV-EOF的PC1与全强迫试验下PC1的相关系数在各时间尺度上均通过了显著性检验;而东亚夏季风除VOL试验和全强迫试验的PC1在年际尺度上存在较弱的正相关关系外,其余各组PC1间的相关系数则均未通过显著性检验。工业革命之后,太阳辐射变化对印度夏季风的年际变率影响较大。对各子季风系统间在不同时间尺度上的相关关系进行归因分析发现:工业革命前,东亚夏季风和印度夏季风之间的相关系数最高,主要影响因子是火山活动;工业革命后,全强迫试验中二者之间的相关系数未通过显著性检验,但各单因子试验中东亚夏季风和印度夏季风存在显著的正相关关系。东亚夏季风和西北太平洋夏季风在工业革命前为负相关关系,年际尺度上的主要外强迫因子是火山活动,而年代际和百年际尺度上的主要外强迫因子是太阳辐射变化。工业革命后,全强迫试验中二者之间的相关系数由负转正,年代际尺度上高达0.78,主要归因于火山活动的影响。印度夏季风和西北太平洋夏季风之间的相关性最弱,只在工业革命前存在年际尺度上的正相关关系。
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