冬季北极涛动/北大西洋涛动对后期东亚气候的影响及其年际间联系的变化

摘要

北极涛动（A0)/北大西洋涛动（NAO)是北半球/北大西洋热带外地区大气环流年际变率的主导模态。AO和NAO在北大西洋地区上空具有几乎相同的空间结构，造成二者的时间序列高度相关。AO/NAO具有明显的季节变率，在冬季达到最强。冬季AO/NAO对同期北半球热带外大范围地区的天气气候有重要影响，同时与北大西洋海温的耦合作用达到最强，由冬季AO/NAO强迫所产生的北大西洋海温的异常可能会进一步导致后期天气气候异常。本论文主要围绕冬季AO/NAO对海洋和大气的滞后影响这一主题，从跨季节和跨月影响上分别探宄了冬季AO/NAO对后期东亚气候的影响及其年际间联系的变化。首先，从跨季节角度寻找冬季AO/NAO影响次年夏季大西洋海温的可能性，研宄了1990年代中期以来冬季AO/NAO影响次年夏季热带大西洋海温的物理过程；在大西洋海温桥梁作用的基础上，接着探宄了冬季AO与次年夏季东亚气候年际间联系增强的可能机制。之后，从跨月角度研宄并发现冬季12月NAO对次年2月东亚大槽存在显著影响，分析了12月NAO影响次年2月东亚大槽的海气相互作用过程及其年际间关系变化的成因机理。论文的主要研宄结论如下： (1)冬季AO/NAO影响次年夏季热带大西洋海温的机理分析 1990年代中期以来冬季AO/NAO负（正）位相有利于次年夏季整个热带大西洋海温偏暖（偏冷)，而在1990年代之前冬季AO/NAO对热带大西洋海温的影响不明显或者仅局限在热带北大西洋。1990年代中期以来冬季AO/NAO负位相相联系的热带大西洋的增暖过程主要可以分成三个阶段：12月-次年1月表现为20°N和10°S附近这两个区域海温的显著升高，次年2-3月则表现为0-10°N之间的热带西北大西洋区域的显著增温，次年4月份以后通过整个区域的偏暖海温通过与温跃层加深之间的正反馈过程一直维持到夏季。12-1月热带大西洋南北两侧海温的升高主要是由潜热通量正异常所导致的，而潜热通量的显著正异常则与冬季AO/NAO负位相引起的大尺度环流异常有密切联系。而次年2-3月热带西北大西洋海温的升高则与该区域上空短波辐射显著增加有关，此时冬季AO/NAO主要起到间接影响的作用。 (2)冬季AO与次年夏季东亚气候年际间联系的增强 冬季AO指数在1988年附近发生显著的年代际转折，1958-1987年和1988-2014年冬季AO指数的平均分别为-0.69和0.10，转折前后的差异超过信度为0.01的统计检验。转折后尤其是1990年代初期以来，负（正）位相的冬季AO指数有利于次年夏季东亚中部上空高度场正（负）异常。与此同时，对应次年夏季西风副热带急流位置偏北（偏南）及东亚夏季风偏强（偏北），可以造成东亚中部异常高温（低温）及东北地区降水显著偏多（偏少）。冬季AO和次年夏季东亚中部上空环流联系的增强在很大程度上归功于冬季AO和次年夏季印度季风区降水联系的增强。冬季负（正）位相的AO有利于次年夏季印度季风区降水增加（减少），进一步激发正（负）位相的北半球中玮度遥相关型（CGT)，最终导致东亚中部上空高度场显著正（负）异常。冬季AO可以影响到次年夏季印度季风区降水的一种可能途径可以表述为：冬季AO负（正）位相的记忆可以保存至次年夏季热带大西洋异常偏高（偏低）的海温中，进一步激发LaNiRa(ElNino)的发展位相，最终导致印度季风区降水增多（减少）。 (3)12月NAO对次年2月东亚大槽的影响机制探宄 在冬季，12月北大西洋涛动（NAO)对次年2月东亚大槽（EAT)有显著影响，12月NAO正（负）异常可以造成次年2月东亚大槽显著加深（变浅）。研宄结果表明，冬季12月NAO所造成的环流异常在12-1月主要局限在大西洋-欧洲地区上空，但在次年2月份环流异常可以扩展到东亚地区上空，并且存在显著异常的罗斯贝波波列从西南大西洋上空传播至东北大西洋、欧洲北部、西西伯利亚和东亚上空。当12月NAO为正位相时，12-1月持续正位相的NAO可以不断强迫北大西洋三极子海温型，导致北大西洋中玮度的暖海温在次年2月达到最强。次年2月显著偏暖的北大西洋中玮度海温对大气环流有显著的反馈作用，造成暖海温北（南）侧的大气斜压性增强（减弱）及西风（东风）异常，对应东北(西南）大西洋上空有正（负）异常的位势高度倾向。与此同时，东北大西洋上空显著正异常的罗斯贝波波源（RWS)使得北大西洋上空的环流异常进一步传播到下游东亚地区上空，最终导致东亚大槽加深。 (4)12月NAO与次年2月东亚大槽年际间关系的变化 1980年代末以来，12月NAO与次年2月EAT的关系较之前显著增强。它们之间年际关系的增强主要是由同时间段内12月NAO与次年2月北大西洋中玮度异常海温（NAMA)的联系增强所导致的。在1980年代末之后，伴随12月NAO年际变率的显著增大，12-1月持续的正（负）位相NAO型可以一直强迫北大西洋中玮度海温，导致正（负）异常的NAMA在次年2月达到最强并对大气环流产生显著反馈，通过激发从北大西洋到欧亚大陆北部上空的异常罗斯贝波波列导致EAT加深（变浅）。在1980年代末之前，12月NAO的年际变率相对较小，12月正（负）位相NAO型无法持续到次年1月，导致次年2月正（负）异常的NAMA和EAT异常均不明显。此外，在1980年代末之后，12-1月NAMA受到12月NAO的显著强迫作用，而1980年代末之前该强迫作用不明显。因此，1980年代末之前12-1月正（负）异常的NAMA对同期大气有显著的反馈作用，可以激发异常罗斯贝波波列并造成EAT加深（变浅）。相反，在1980年代末之后，由于12-1月NAMA主要由NAO强迫所致，其对同期大气环流的反馈作用和EAT的影响均显著减弱。

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冬季北极涛动/北大西洋涛动对后期东亚气候的影响及其年际间联系的变化

Abstract

1.1 引言

1.2 国内外研究进展回顾

1.2.1 AO/NAO与大西洋海温相互作用

1.2.2大西洋海温对东亚天气气候的影响

1.2.3 AO/NAO对东亚天气气候的影响

1.2.4 冬季AO/NAO、大西洋海温与东亚天气气候相互间联系的变化

1.3 问题的提出

1.4 研究内容和章节安排

1.5 本文主要创新点

第二章 资料与方法

2.1 常规历史资料

2.1.1 气象站点资料

2.1.2 再分析资料

2.1.3 气候和海温指数

2.2 气候统计诊断方法

2.2.1 海洋混合层热收支方程

2.2.2 扣除ENSO对冬季AO的影响

2.2.3 T-N三维波作用通量

2.2.4 罗斯贝波波源（RWS）

2.2.5 大气最大斜压增长率

2.2.6 瞬变涡旋引起的位势高度倾向

2.2.7 其它统计方法

第三章 冬季AO/NAO影响次年夏季热带大西洋海温的机理分析

3.1 引言

3.2 数据和方法

3.2.1 数据

3.2.2 方法

3.3 冬季AO/NAO与次夏热带大西洋海温间年际联系的变化

3.4冬季AO/NAO相联系的热带大西洋海温从冬季到次夏的阶段性变化特征

3.5两个阶段热带大西洋海温增暖的机制分析

3.6 两个时段中冬季NAO对次夏热带大西洋海温的作用机制对比

3.7 本章小结

第四章 冬季AO与次年夏季东亚气候年际间联系的增强

4.1 引言

4.2 数据和方法

4.2.1 数据

4.2.2 方法

4.3冬季AO指数的年代际转折

4.3.1冬季AO指数的年代际转折

4.3.2转折前后冬季AO和次夏东亚中部上空环流关系的变化

4.4冬季AO和次夏CEAI关系增强的机理研究

4.4.1冬季AO和次夏印度季风区降水关系的增强

4.4.2大西洋海温对冬季AO和次夏印度季风区降水关系增强的影响

4.5 本章小结

第五章 12月NAO对次年2月东亚大槽的影响机制探究

5.1 引言

5.2 数据和方法

5.2.1 数据

5.2.2 方法

5.3 12月NAO与次年2月东亚大槽的联系

5.4冬季12月NAO影响次年2月东亚大槽的机理分析

5.5 本章小结

第六章12月NAO与次年2月东亚大槽年际间关系的变化

6.1 引言

6.2 数据和方法

6.2.1 数据

6.2.2 方法

6.3 12月NAO与次年2月NAMA年际间联系的变化

6.4 1980年代末前后大气环流对12-1月NAMA响应的对比

6.5 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 全文总结

北极涛动（AO）/北大西洋涛动（NAO）是北半球/北大西洋热带外地区大气环流年际变率的主导模态。AO

7.2 讨论与展望

参考文献

作者简历及在学期间的研究成果

作者简历

乔少博，男，汉族，1990年10月生于河北邢台

第一作者或通讯作者发表论文目录

其他作者发表论文目录

参与课题

致 谢