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《中国气象科学研究院》 2017年
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亚非夏季风系统的气候特征及其年代际变率研究

李怡  
【摘要】:亚非夏季风是一个横跨北非、南亚和东亚的带状行星尺度系统,其强弱与位置异常能够影响大范围跨地区的旱涝分布。对亚非夏季风系统年代际变化的研究和归因具有十分重要的科学意义和应用价值,本文利用再分析数据和CMIP5模式数据,揭示了亚非夏季风系统的结构特征,重点分析了近百年亚非夏季风年代际变率特征及成因;并探讨了中等排放情景下未来亚非夏季风降水的可能变化,加深对气候变化背景下的季风演变过程和机理的理解。本论文得到的结论如下:(1)亚非夏季风系统具有完整的大尺度季风雨带。北非萨赫勒地区、南亚以及东亚(中国黄淮至华北地区)降水呈现出一致变化。多种变量(降水极大值区、低层风场辐合区和OLR极小值区)清晰地表征了亚非夏季风系统的带状分布特征。定义的亚非夏季风强度指数和位置指数,能够准确直观的刻画亚非夏季风系统的整体性的变化特征。(2)近百年亚非夏季风的年代际变率的主模态:北非萨赫勒地区、南亚以及东亚地区(中国黄淮至华北地区)降水呈现出一致型增加或减少。亚非夏季风降水经历了三次年代际转折:第一次出现在1920年前后,亚非夏季风降水由少转多;北非萨赫勒地区、南亚地区与中国东部地区的降水同步增多。第二次年代际转折出现在1960s年代末期,亚非夏季风降水由多转少;北非萨赫勒地区、南亚地区与中国东部地区降水同步减少。第三次年代际转折出现在1990s年代后期,北非萨赫勒和中国东部季风雨带加强和北移。(3)亚非夏季风降水年代际变化的原因。亚非夏季风年代际主模态受到AMO的调制。在1920s至1950s年代,AMO处于正位相,亚非夏季风降水偏多;在1960s至1980年代,AMO处于负位相,亚非夏季风降水减少。在AMO负位相和PDO正位相阶段,亚非夏季风经历了 1960s至1980s年代的少雨期,对流层中层存在遥相关波列,两个主要的负中心位于地中海和东亚北部,主要的正中心位于欧洲中部。在北非地区,对流层高层的气旋性环流与低层为反气旋性环流耦合,导致下沉气流发展,不利于发生降水。在东亚的黄淮地区,对流层高层受气旋性环流控制,不利于发生降水。(4)近三十年来,在AMO冷位相转暖位相条件下,亚非夏季风降水在20世纪90年代中后期的第三次年代际转折及其机制。从1990s年代后期开始,中国东部季风区主雨带呈现出加强和北移的变化,主雨带到达江淮-黄淮地区。北非萨赫勒地区变湿,降水由少转多。萨赫勒地区和我国黄淮地区降水呈同相变化(增多)原因在于欧亚与北非的大气环流在温、压、风三个方面对AMO暖位相呈现出显著的耦合响应。AMO暖位相在对流层上层激发出气旋与反气旋相间的东传的Rossby波列。这个波列中,位于北非上空的反气旋与北非地区地面的热低压相辐合,增强了在萨赫勒地区的上升运动。同时,在东亚地区上空也存在一个反气旋与黄淮地区地面气压场上的低压相辐合,进而加强了中国黄淮地区的上升运动,导致了萨赫勒地区和东亚黄淮地区一致的降水增强。(5)AMO暖位相对亚非夏季风系统结构的调制作用。亚非夏季风的结构特征主要体现为低层西风与高层东风。低层,来自北方的三股冷空气与来自赤道的几内亚湾偏西风、索马里越赤道气流、孟加拉湾西南风的汇合,形成三个冷暖空气的交汇区。AMO暖位相下,对流层上层温度变暖导致了高层热带东风急流不断加强北进。对流层上层变暖导致热带东风急流在入口区(东亚分支)和出口区(北非分支)风速的同步加强。高空热带东风急流的这种同步变化,分别激发并加强了急流入口区和出口区非地转次级环流,引起急流入口区右侧(黄淮地区)和出口区左侧(萨赫勒)的上升运动与降水同步增多。(6)多模式集合平均预估中等排放情景下,未来亚非夏季风降水整体上呈增加趋势,雨带北移,且存在着阶段性变化。在21世纪后期(2070s~2099s),亚非夏季风区将进入一个全面多雨期。未来百年,亚非夏季风降水增加与北移的特征受到自然变率和人类活动所致的全球变暖的共同影响,但在本世纪后半期,人类活动的影响更为明显。
【关键词】:亚非夏季风 年代际变率 AMO 遥相关 热带东风急流 CMIP5
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P425.42
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-11
  • 第一章 绪论11-23
  • 1.1 选题依据和研究意义11-12
  • 1.2 国内外相关研究进展12-20
  • 1.2.1 亚非季风的气候平均结构特征12-13
  • 1.2.2 古气候中的亚非季风研究现状13-14
  • 1.2.3 现代季风研究中的亚非夏季风14-15
  • 1.2.4 亚非夏季风年代际变化的机理研究现状15-18
  • 1.2.5 当前对季风降水的模式评估与预估现状18-20
  • 1.3 论文研究内容20-23
  • 1.3.1 拟解决的科学问题20-21
  • 1.3.2 论文章节安排21-23
  • 第二章 资料和方法23-29
  • 2.1 资料23
  • 2.2 统计方法介绍23-25
  • 2.3 CMIP5气候系统模式介绍25-29
  • 第三章 亚非夏季风系统的结构及指数定义29-47
  • 3.1 引言29-30
  • 3.2 亚非夏季风系统的气候平均结构特征30-36
  • 3.2.1 亚非夏季风的带状特征30-32
  • 3.2.2 亚非夏季风的风场结构32-36
  • 3.3 亚非夏季风系统的水汽输送特征36-37
  • 3.4 亚非夏季风系统指数定义37-46
  • 3.4.1 强度指数和位置指数40-44
  • 3.4.2 亚非夏季风强度指数和位置指数的趋势变化44-46
  • 3.5 小结与讨论46-47
  • 第四章 近百年亚非夏季风降水的年代际变率及AMO对其的调制作用47-67
  • 4.1 引言47
  • 4.2 亚非夏季风降水年代际主导模态47-51
  • 4.3 年代际主导模态对应的大气环流和海温配置51-54
  • 4.4 AMO对年代际模态的调制作用54-57
  • 4.5 PDO对亚非夏季风年代际模态的影响57-60
  • 4.6 AMO与PDO共同调制下的年代际少雨型降水变化60-65
  • 4.7 小结与讨论65-67
  • 第五章 亚非夏季风近三十年由弱转强的的年代际转折67-81
  • 5.1 引言67
  • 5.2 近三十年亚非夏季风降水的年代际转折的观测事实67-70
  • 5.3 AMO对近三十年亚非夏季风系统年代际转折的作用70-74
  • 5.3.1 对流高层大气响应对AMO暖位相的响应71-72
  • 5.3.2 对流低层大气响应对AMO暖位相的响应72-74
  • 5.4 AMO暖相位对热带东风急流的影响74-79
  • 5.5 小结与讨论79-81
  • 第六章 CMIP5中的亚非夏季风未来变化81-109
  • 6.1 引言81
  • 6.2 资料处理81-82
  • 6.3 全球气候模式对亚非夏季风的模拟能力评估82-92
  • 6.4 未来百年亚非夏季风降水变化趋势92-98
  • 6.5 未来海陆热力差异的变化98-102
  • 6.6 未来降水变化对应的环流场变化102-106
  • 6.7 讨论与小结106-109
  • 6.7.1 有关AMO对未来亚非夏季风变化贡献的讨论106-107
  • 6.7.2 结论107-109
  • 第七章 结论与讨论109-113
  • 7.1 全文总结109-111
  • 7.2 讨论和研究展望111-113
  • 参考文献113-127
  • 致谢127-129
  • 个人简介129

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