东亚季风季节转换与降水季节差异的机理及其相关预测研究

摘要

东亚季风影响着全球三分之一人口，东亚季风异常会给东亚各国人民生命财产安全带来严重威胁。东亚季风变率及其预测研究是气候动力学重要内容。东亚季风又分为西北太平洋一南海热带季风和东亚副热带季风。本文以东亚季风季节转换为聚焦点，诊断了东亚副热带季风由冬入夏季节转换特征，揭示了东亚副热带季风环流建立、发展和维持的纬向非对称加热分布的“双反馈”机制；客观定义了用于监测南海季风爆发的季内尺度前兆信号一孟加拉湾季风爆发低涡，分析了其海气相互作用背景；在此基础上，揭示了南海季风爆发与东亚副热带季风降水的年际变率关系及控制这种关系的海气作用过程；阐释了春夏季节中国南方降水年代际变异的季节依赖性特征及其物理机制；最后提出了两种可用于东亚季风季节转换及其降水预测的统计方法。全文主要结论如下：　　(1)发现东亚副热带季风关键区(110-120°E，20-35°N)域内“热一风一雨”相关关系式中各物理量及冷暖平流于3月底4月初发生一致的季节性转换，其特征为：冬季风时，风向随高度逆转，呈现为冷平流特征；在夏季风时，风向随高度顺转，呈现为暖平流特征；东亚大陆低层反气旋东移入海是东亚副热带季风建立的标志。东亚副热带夏季风经圈环流是在太阳辐射的季节变化和下垫面热力差异转换背景下，通过低层低纬度热量向北输送和中高层潜热释放及“热力适应”过程的“双反馈”机制得以建立、发展和维持的。　　(2)统计结果表明，季节转换期内(4-5月)孟加拉湾低涡以东移型和北移型为主，这些低涡对南海季风爆发有很好的指示作用，故被定义为季风爆发性低涡(MOV)。平均状态下，MOV发生在南海季风爆发前十天左右，其对南海季风的爆发有较好的先兆指示作用，可作为南海夏季风爆发的季内预测因子；并指出1980、1985、1989、2009年存在两次MOV过程，可以解释这4年由于南海季风爆发特征模糊及爆发后中断而导致的爆发日期判断困难和界定分歧。MOV是在孟加拉湾局地高海温、小的纬向风垂直切变以及强的越赤道西风气流背景下生成的。其生成位置总是倾向于较高海温区域。MOV生成的早晚与“亚澳大陆桥”对流强弱以及赤道西印度洋海温异常密切相关。　　(3)指出南海季风爆发日期与东亚副热带季风降水有显著的正相关关系。1979-2012年间南海季风爆发指数与东亚副热带季风降水指数两序列之间的相关系数达0.57。南海季风爆发偏早，东亚副热带季风降水偏少；南海季风爆发偏晚，东亚副热带季风降水偏多。数值实验证实，持续的热带印度洋海温异常所激发的东传开尔文波，能够直接影响南海低层纬向风，决定南海季风爆发早晚；持续东传的开尔文波产生气旋／反气旋切变，继续维持西北太平洋气旋／反气旋异常。此物理过程同时控制着南海季风爆发早晚与东亚副热带季风降水多寡，决定了两者的正相关关系。　　(4)揭示了春季和夏季东亚季风环流在1990年代中期都存在一次明显的年代际变化。中国南方降水在这种年代际变化背景下存在春夏季季节反相变化关系，即1990年代中期以前到1990年代中期以后，中国春季降水年代际减少，夏季降水年代际增多。诊断和数值实验表明中国南方降水年代际变化的季节依赖性（春季减少，夏季增多）与热带不同海域海表温度在不同季节的分布有关：通过纬圈环流异常，春季热带太平洋海温拉尼娜异常分布驱动海洋性大陆对流增强，继而通过局地经圈环流抑制中国南方地区对流发展，导致中国南方春季降水减少；通过纬圈环流异常，夏季热带印度洋海盆模态暖异常抑制海洋性大陆对流，继而通过局地经圈环流导致中国南方夏季降水增多。　　(5)运用物理经验模式(PEM)，在全球尺度范围内寻找了3个预报因子，建立了多元回归预测方程，能够较好预测南海季风爆发日期的年际变率，8年独立预报相关系数为0.81;运用时空投影模式(STPM)，较好的预测了南海地区季节转换期(25-35候)内南海季风爆发的纬向风指数。8年的独立预报相关系数为0.76。虽然STPM不如PEM预报相关系数高，但其能够避免系统误差，从延伸期预报角度预报南海季风爆发，可以提供更为详细的季节内南海季风爆发的过程信息。结果表明，STPM和PEM模式能够在东亚季风季节转换及其降水的延伸期和季节预报预测的实际业务中运用。

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