中国东北地区降水年际、年代际变化特征及机制研究

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中国东北,是我国的粮食主产区和重要的老工业基地,同时也是气候变化的敏感区。该地区的降水变化对于农作物产量、人民生产活动、社会经济发展和生态系统环境建设有至关重要的意义。本论文基于NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海表温度资料和陆地降水分析数据、Hadley海表温度资料和海冰密集度资料、CN05.1格点化观测降水数据集及我国160个台站逐月降水资料,利用统计诊断和数值模拟等方法,探讨了我国东北地区降水的年际和年代际变化特征及相关的物理机制。论文的主要结论如下:  (1)近期我国东北地区夏季降水的年代际变化及相关背景环流。20世纪90年代末之后,我国东北夏季降水发生显著的年代际减少。相应的背景环流异常表现为:东亚上空为大范围显著的异常高压控制,并且有很好的正压结构;东北地区盛行异常的下沉运动,总云量和水汽含量均显著减少。进一步探讨了此次东北夏季降水年代际变化的可能原因。使用东北地区夏季850-hPa平均涡度定义东北亚夏季风指数,该指数能很好地描述东北地区夏季季风环流特征。太平洋年代际振荡自20世纪90年代末由正位相转为负位相,伴随有北太平洋海温增暖,使得东北地区与邻近海域的纬向热力对比减弱,导致东北亚夏季风发生年代际减弱,引起东北夏季降水显著减少。此外,同期北极海冰的变化引起东北地区出现异常的下沉运动及向该地区的水汽输送减弱,这也是此次东北地区夏季降水年代际减少的一个原因。  (2)东部型ENSO与东北夏季降水联系增强。20世纪90年代末之后,春季东部型ENSO与东北夏季降水联系显著增强,即当春季Ni(n)o3区海表温度(SST)异常偏暖时,东北夏季降水偏多;当春季Ni(n)o3区SST异常偏冷时,东北夏季降水偏少。导致二者联系加强的原因有两个。第一,影响东北夏季降水的环流系统发生了变化。在1983-1997年期间,影响东北夏季降水的环流型为亚洲-太平洋中高纬地区的纬向三极子结构和日本上空的反气旋风场,而此环流系统与前期春季东部型ENSO联系很弱。在1998-2012年期间,影响东北夏季降水的环流系统为西伯利亚高压和东北气旋,此环流系统与春季东部型ENSO联系密切。第二,20世纪90年代末之后,东部型ENSO信号通过热带印度洋从春季持续到夏季。近来,热带印度洋有显著的增暖趋势。该时期,与热带印度洋SST异常相关的北半球Hadley和Ferrell环流更加显著,且范围向极地延伸;另一方面,相关的水平散度异常中心由热带中太平洋西移至热带西太平洋地区,通过调整大气环流(如位势高度场、水平风场、水汽输送等)对我国东北夏季降水产生影响。观测和数值试验结果表明,由热带印度洋海温异常引起的大气环流异常在东部型ENSO与东北夏季降水联系增强中起桥梁的作用。  (3)早春热带印度洋与东北初夏降水年际变率间联系增强。20世纪80年代末之后,早春热带印度洋与东北初夏降水在年际间时间尺度上为显著的正相关关系,而之前二者联系较弱。1989-2014年期间,热带印度洋暖海温异常发生时,随后初夏日本地区有显著的反气旋性环流异常,导致东北地区出现异常的偏南风,这有利于暖湿气流自西北太平洋向东北地区输送。  整个时期热带印度洋海温异常能很好地从早春持续到初夏。自20世纪80年代末,与热带印度洋海温异常相关的北半球Hadley和Ferrell环流显著性均增强,同时活动范围向北延伸至中纬度地区,由此热带印度洋海温异常对欧亚大陆中纬度地区大气环流的影响增强。相对应地,西太平洋地区的散度异常强度增强,范围极向扩张,引起该地区显著的风场异常和水汽输送异常,导致东北初夏降水异常。另一方面,热带印度洋海温异常引起地中海地区显著的散度异常,散度风对涡旋的平流作用是有效的罗斯贝波波源;因此,存在一条源自地中海、向东传播至东北亚地区的罗斯贝波波列,通过调整欧亚大陆大气环流异常对东北初夏降水产生影响。  (4)东北初冬降水与同期北大西洋/印度洋年际变率间联系的变化。1961-1990年期间,初冬热带印度洋海温异常与同期东北降水年际变率间联系显著;而1996-2013年期间,北大西洋三极子海温型与同期东北降水年际变率间联系增强。具体来说,前一时期,热带印度洋海温异常与北半球Hadley和Ferrell环流联系密切,引起欧洲北部显著的水平散度异常,散度风对涡旋的平流作用能有效地激发罗斯贝波波列,因此相应的环流异常在欧亚大陆地区呈现为欧亚波列结构,进一步对东北降水产生影响。20世纪90年代之后,热带印度洋海温异常与Ferrell环流关系减弱,导致热带印度洋海温异常与东北降水联系中断。而该时期,北大西洋三极子海温型能激发源自北大西洋,向东传播至东北亚地区的准静止波列,调整鄂霍茨克高压和东亚大槽,进而影响东北降水。与北大西洋三极子海温型相关的海平面气压异常表现为北大西洋涛动(NAO)模态。自20世纪90年代该NAO模态强度显著增强,且活动中心范围向东扩张,这说明后一时期北大西洋局地海—气相互作用增强,这是北大西洋海温异常与东北降水联系加强的可能原因。此外,北大西洋三极子海温型年际变率自20世纪90年代增强,这在一定程度上使得东北初冬降水年际变率显著增强。
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