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《南京大学》 2016年
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全球变化背景下厄尔尼诺的模态变异及其与东亚和北极夏季气候异常的遥相关关系

胡春迪  
【摘要】:在过去的三十几年,中太平洋型的厄尔尼诺在全球变暖背景下越来越频繁地出现,并且其强度也越来越强。但是中太平洋型厄尔尼诺的模态特征还存在一些争议。同时,伴随着厄尔尼诺的模态转变,东亚夏季风降水和北极的夏季气候异常变得十分不同,而它们之间的联系目前尚不完全清楚。本研究主要关注夏季热带太平洋海温的年际变化特征及其与东亚和北极区域夏季年际气候异常的联系。论文的主要研究结论如下:一、重新审视了两类厄尔尼诺的年际变化特征,并提出了一对新的Nino指数以改进ENSO的实时监测首先利用一种叫作RC-REOF的联合方法,分别从逐月和季节的角度重新审视了不同ENSO的主模态。得到以下新的认识:(1)东太平洋型ENSO和中太平洋型ENSO的解释方差是大体相当的,分别在33-43%和23-28%范围内。(2)利用传统EOF得到的El Nino Modoki的解释方差只有11-12%,远小于东部型El Nino的解释方差,这不符合近几十年中部型ENSO频繁发生的这一事实。(3)东部型ENSO和中部型ENSO的空间模态都是关于赤道非对称的,这一点没有被传统的Nino指数考虑进去。据此,这里推出一对新的Nino指数,叫作Nino3b和Nino4b,它们具有以下优点:(1)计算简单,(2)和两类ENSO模态的关系强且稳定,(3)对太平洋年代际信号有较好的代表性,(4)易于实时区分ENSO的类型,(5)没有数学上的正交限制,等。因此,Nino3b和Nino4b在科学研究和两类ENSO的实时监测方面具有潜在的应用价值。此外,还定义了 Nino3.4b指数用于描述混合型的ENSO事件,相比于Nino3.4指数,它与两类ENSO具有更加均等的协方差,并且也包含更多的年代际信号。二、揭示了中部型厄尔尼诺使得盛夏东亚季风和降水减弱的物理机制研究表明东亚夏季风和长江流域盛夏降水异常的年际变化和中部型厄尔尼诺具有密切的联系。通过对比分析中部型厄尔尼诺指数和东亚夏季风指数的回归或相关结果,我们揭示了中部型厄尔尼诺使得盛夏东亚季风和长江流域降水减弱的物理机制。对比分析结果表明,中部型厄尔尼诺可引起西太平洋整个对流层的显著增暖,从而使得东亚-西太平洋之间的海陆热差异减弱,进而通过减弱东亚夏季风环流(比如南亚高压、西北太平洋副热带高压、及南海-菲律宾海的低层反气旋,等),最终改变对流层水汽输送方向,导致长江流域盛夏降水减少。中部型厄尔尼诺指数和东亚夏季风指数还与太平洋-日本遥相关(或东亚-太平洋遥相关)紧密联系,这可能是东亚夏季风降水年际变率的内部动力因素。并且,显著的中太平洋拉尼娜型海温异常模态可以直接由东亚夏季风指数回归得到,进一步证明了中部型厄尔尼诺的确扮演着使东亚夏季风降水减弱的重要角色。三、发现了变异的中部型厄尔尼诺能抑制夏季北极变暖和北极海冰融化夏季北极的变化不仅包括气候态和气候趋势的变化,还包括强烈的年际变化。虽然热带-热带外遥相关对厄尔尼诺的变化很敏感是众所周知的,但北极气候的年际变率是否与厄尔尼诺的模态转变有关,目前尚不清楚。这里我们证明了中部型厄尔尼诺与夏季北极气候之间存在大尺度遥相关关系:观测结果表明中部型厄尔尼诺引起的中太平洋海温增暖可导致夏季北极涡加深,和绕极西风急流减弱,从而使得北极夏季变冷、海冰增加。大气模式模拟的结果基本能捕捉到类似的北极环流响应和强烈的北极变冷异常。据此我们认为:(1)如果在全球变暖背景下不考虑中部型厄尔尼诺对北极增暖的抑制作用,夏季北极海冰的融化将更加剧烈;(2)这个赤道-北极遥相关的发现——通过"海洋记忆"和"大气桥"作用——对提高北极气候异常的预报具有潜在的贡献。
【关键词】:热带中太平洋 厄尔尼诺的模态变异 年际变率尺度 夏季遥相关 东亚季风降水 北极气候异常
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P732;P461.2
【目录】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-11
  • 第一章 绪论11-27
  • 1.1 引言11-13
  • 1.2 研究现状回顾13-23
  • 1.2.1 El Nio的模态变异特征13-17
  • 1.2.2 El Nio对东亚季风降水异常的影响17-19
  • 1.2.3 El Nio与北极气候异常的联系19-23
  • 1.3 问题的提出23
  • 1.4 拟研究的科学问题23-24
  • 1.5 论文章节安排24
  • 1.6 论文主要创新点24-27
  • 第二章 数据、方法和CAM4模拟简介27-33
  • 2.1 观测数据27-28
  • 2.2 数据处理和分析方法28-31
  • 2.3 NCAR气候模式CAM4模拟说明31-33
  • 第三章 重新审视全球变化背景下El Nio的年际变率特征33-55
  • 3.1 引言33-36
  • 3.2 两类El Nio的RC-REOF主模态36-39
  • 3.3 Nio3b和Nio4b的表现评估39-47
  • 3.4 Nio3b和Nio4b与其它ENSO指数所识别的海温异常模态的差异47-50
  • 3.5 两类El Nio的超前滞后关系及其反映出的年代际变化50-52
  • 3.6 本章小结和讨论52-55
  • 第四章 中部型El Nio对东亚夏季风和长江流域盛夏降水的影响分析55-71
  • 4.1 引言55-56
  • 4.2 盛夏El Nio在整个北太平洋的整体特征56-58
  • 4.3 中部型El Nio与东亚夏季风强度及盛夏长江流域降水的关系58-60
  • 4.4 盛夏中部型El Nio影响东亚夏季风降水异常的物理机制——利用东亚夏季风指数EASM作对比分析60-69
  • 4.4.1 海陆热力差对比61-62
  • 4.4.2 对流层高低层环流异常特征对比62-67
  • 4.4.3 水汽输送对比67-69
  • 4.5 本章小结与讨论69-71
  • 第五章 中部型El Nio抑制夏季北极加拿大海盆增暖和海冰融化71-99
  • 5.1 引言71-73
  • 5.2 观测到的El Nio模态变化与北极气候的联系73-81
  • 5.3 关键强迫区的识别81-82
  • 5.4 与El Nio模态变异相联系的对流机制差异82-83
  • 5.5 利用NCAR CAM4进行模拟验证83-85
  • 5.6 典型个例验证85-87
  • 5.7 夏季北极气候异常对El Nio指数选择的敏感性对比87-93
  • 5.8 本章小结与讨论93-99
  • 第六章 结论与展望99-107
  • 6.1 主要研究结论99-101
  • 6.2 后续研究展望101-107
  • 参考文献107-123
  • 论文发表123-124
  • 附录124-125
  • 致谢125-127

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