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热带印度洋增暖是国际气候界关注的热点问题之一。20世纪70年代以后,热带印度洋平均海温升高、年际变率增强,其对东亚夏季气候的影响也明显增强。但是,以往对热带印度洋海温影响东亚夏季气候的研究,往往侧重于研究其通过影响西北太平洋及东亚低层环流系统来产生作用。东亚夏季风系统有着独特的垂直结构,上层环流系统的异常不容忽视。在亚欧大陆上空的对流层上层,南亚高压是最强最稳定的环流系统。热带印度洋海温与这个强大的系统有何联系?是否能够通过南亚高压对东亚夏季气候产生影响?这些问题还不清楚。本博士论文围绕这些科学问题,通过资料诊断、数值模拟和理论分析来开展研究,主要得出了如下结论:
一.利用哈德莱海温(HadISST)、NCEP再分析资料、CMAP资料及我国752站气象要素观测资料,发现,在热带印度洋偏暖的背景下,南亚高压对东亚夏季降水和温度的影响更为显著,且存在一定月际差异。
夏季平均和7月结果中,南亚高压平均脊线位于青藏高原上空,热带印度洋海温变化时,南亚高压南北变化明显,在对流层中层高原上空产生显著西风异常,使得我国淮河至日本以东上空出现暖的水平温度平流异常,触发上升运动,产生降水异常,形成降水与上升运动的正反馈过程,暴雨日数增多。降水异常可导致低层辐合,使得地表风由西北太平洋吹向东亚副热带地区,在西北太平洋产生辐散,与热带印度洋增暖引起的西北太平洋辐散相互配合,在西北太平洋产生反气旋异常,进一步加强辐散。其辐散可影响到我国东南部,使得当地降水减少；同时对应的下沉气流在低层产生正的垂直温度平流异常,使得地面附近气温偏高,高温日数也偏多。此外,与辐散对应的少雨现象,有利于到达地面的短波辐射增强,有利于高温现象的产生。
8月结果中,南亚高压平均脊线在高原以东存在南北移动,对应局地对流层中层也存在西风异常,同时我国西南东部上空存在明显的上升运动,层云偏多,局地小雨日数增多,气温偏低,极端高温日数也偏少。我国东南部上空低层仍然受异常反气旋控制,下沉气流有利于地面气温偏高,极端高温发生的概率也偏高。
二.利用HadISST、NCEP再分析资料和CMAP资料,研究发现,年际尺度上,热带印度洋偏暖时,南亚高压偏强,其主体和中心偏南,但其北界变化不明显。热带印度洋海温影响南亚高压的机理如下:因热带印度洋大部分海域位于热带暖池区,上空对流相对旺盛,暖海温异常可以通过湿绝热调整过程使得局地整个对流层偏暖,上层位势高度场抬升:同时上层位势高度场上也存在随热带印度洋增暖的Mastunuo-Gill响应,使得高层南亚高压气候平均位置的南部出现显著的正高度场异常,南亚高压偏强,并且其主体偏南；另外,暖异常导致的上空垂直速度的异常,使得对流层上层出现辐散环流,出现正的位势高度场异常,也对南亚高压的变化产生贡献。
利用对热带印度洋、南亚高压模拟比较理想的大气环流模式ECHAM5进行热带印度洋理想海温试验,发现ECHAM5能很好地再现出观测中热带印度洋海温对南亚高压的影响。
三.利用HadISST和NCEP再分析资料,对夏季热带印度洋海温与南亚高压强度关系的年代际变化的研究发现,二者的关系在1979＼80年左右由不显著变为显著。1980-1995年间(后简称“后期”),夏季热带印度洋暖海温主要通过湿对流过程使得上空对流层增暖,导致上层南亚高压强度的变化。1964-1979年间(后简称“前期”),夏季热带印度洋偏暖时,上空对流层温度响应较弱,所以热带印度洋海温与南亚高压强度之间的联系不紧密。两个大气环流模式(ECHAM5和CAM3)的全球历史海温试验结果也能很好再现观测中的热带印度洋与南亚高压关系的年代际变化关系,说明导致热带印度洋与南亚高压关系在后期增强的最主要原因在于海温的年代际变化。
导致两个时期热带印度洋上空位势高度场对海温响应不同的机理为:(a)印度洋海温异常与强对流的位置关系的影响。前期,夏季热带印度洋偏暖时,明显的海温异常位于东南印度洋,印度洋暖池以南。由于此处对流相对较弱,海温异常不能通过对流的调节作用很好地影响到上空对流层温度。后期,明显的海温异常位于暖池区内,由于此处对流比较旺盛,海温与上空的对流层温度能够很好地耦合,即热带印度洋偏暖时上空为显著的对流层暖异常,影响到南亚高压。(b)热带印度洋海温及其变率的影响。在后期,热带印度洋海温的变率变强,并且其背景海温也相对较高,其年际变化对大气的影响则更加明显。(c)ENSO的可能影响。后期,夏季热带印度洋偏暖对应为ENSO的衰减期,ENSO可产生对流层暖异常,通过波动传播至热带其他地区上空,对夏季热带印度洋上空的对流层增暖产生贡献。而前期,夏季热带印度洋海温变化与ENSO关系不密切。
四.通过比较参加IPCC第四次评估报告的23个气候系统模式在20世纪的模拟技巧,选取了6个在这些方面模拟技巧较理想的模式,对这些系统在21世纪的变化进行了预测,得到如下结果:(a)21世纪热带印度洋海温呈明显上升趋势,南亚高压持续增强,其平均的南北位置相对20世纪偏南。热带印度洋海温、南亚高压强度、中心纬度在21世纪的年际变化幅度变化存在不确定性。(b)热带印度洋海温与南亚高压的年际关系与20世纪结果类似:热带印度洋海温偏暖时,南亚高压显著增强,并且中心偏南。热带印度洋海温与南亚高压强度的关系相对20世纪结果略有减弱,与中心纬度的关系的变化存在不确定性。(c)在21世纪不同时期,热带印度洋海温与南亚高压强度的年际关系一直保持在比较显著的状态,而各模式中热带印度洋海温与南亚高压中心纬度的年际关系则存在较大离差。(d)热带印度洋暖时对应的东亚夏季副热带异常降水带可能偏南,移动的幅度约为1.5°；与热带印度洋偏暖对应的我国东南部高温的区域可能略偏南,高温区域变小。