AO/NAO与ENSO的联系及其对中国气候异常的影响

论文摘要

ENSO是热带太平洋地区海-气系统年际气候变率的最强信号,AO/NAO则是在季节内时间尺度上具有显著周期信号的北半球热带外大气低频变率的主要模态,两者均对东亚冬季和夏季气候异常存在至关重要的影响。为此,本论文利用经过低通滤波处理的逐日资料,阐述了AO的季节内变化特征及其与ENSO的联系,研究了它们对中国冬季地表气温和降水异常的影响及其物理机制。利用月平均资料,本文还考察了东亚夏季风（EASM）与前期逐月AO/NAO的年际相关关系及其年代际变化特征,探讨了冬春季AO/NAO通过影响局地下垫面海温异常（SSTA）进而影响EASM的可能机制。本论文主要结论如下：（1）冬季AO的季节内变化特征及其与ENSO的联系。AO的时间演变可看作为一种马尔可夫过程,它的e折时间尺度约为6.6天。AO事件的长度以准1-2周为主,准3～4周次之。在ENSO冷（暖）位相中,AO正（负）位相的发生概率比AO负（正）位相的发生概率偏高15%左右。而且,ENSO冷位相有利于长度为准2-4周的AO正异常事件的偏多,而ENSO暖位相则有利于维持时间长达一个月或以上（4-7周）的AO负异常事件的偏多。ENSO对AO的季节内演变及其空间分布均有重要影响,其中PNA为ENSO影响AO提供了一种可能途径。（2）AO和ENSO对中国北方冬季地表气温异常的影响及其机制。在冬季,AO与中国35°N以北地区（特别是东北）地表气温异常存在显著的同向变化关系,它可以解释东北区域平均地表气温异常约12%的方差。在AO和ENSO的不同位相组合中,中国北方冬季地表气温异常主要取决于AO的位相；不过,在ENSO暖位相与AO负位相的组合中,中国东北更容易出现极端低温（概率约为31%）。AO对中国北方冬季地表气温异常的影响与500hPa东亚大槽异常直接相关,而不依赖于西伯利亚高压的间接作用。与AO关联的东亚大槽异常的维持主要依赖于槽后对流层中低层纬向和经向风异常对气候平均气温的水平输送。（3）AO和ENSO对中国南方冬季地表气温和降水异常的影响及其机制。在冬季,AO与中国西南地表气温异常呈反向变化关系,与长江中游及其以南地区降水异常呈同向变化关系。在AO和ENSO的不同位相组合中,中国东南降水异常主要受ENSO控制,不过,AO对水汽输送异常的路径和降水异常的位置存在明显的调制作用。AO对中国南方冬季地表气温和降水异常的影响与一支由西欧至中东和阿拉伯海北部的波列（这里称为欧亚副热带波列）密切相关。这支波列可以引起中东急流的增强/减弱和阿拉伯海异常反气旋/气旋的出现,进而导致青藏高原南支西风气流和南支槽的增强/减弱。南支槽异常可以引起进入中国大陆的孟加拉湾西南气流异常,进而对中国南方降水异常产生影响。高原南支西风气流异常还可以影响高原背风坡上空层状云的形成,进而通过云辐射强迫引起下垫面地表气温异常。与AO关联的欧亚副热带波列主要是由地中海地区近地表Ekman抽吸作用所导致的。线性正压模式的理想试验可以较好地再现上述波列,并支持了AO对中国南方冬季地表气温和降水异常的影响作用。（4）春季AO/NAO与EASM关系在1970s的转变及其可能成因。EASM与前期春季（4～5月）AO/NAO存在显著的年际相关关系,但是这种,关系具有明显的年代际变化特征,即在1970s发生了由负相关到正相关的转变。基于前人对春季NAO—北大西洋SSTA三极子-EASM关系的认识,本文进一步分析发现,春季AO/NAO-EASM关系在1970s的转变与前期冬季AO/NAO-SSTA三极子耦合模密切相关,该耦合模对春季AO/NAO不同位相中的春季SSTA三极子的影响作用是非对称的。在1970s之前,前期冬季AO/NAO-SSTA三极子耦合模主要对春季AO/NAO负位相中的SSTA负三极子存在显著的削弱作用；在1970s之后,前者对春季AO/NAO正/负位相中的SSTA三极子均无明显影响。因此,前期冬季AO/NAO-SSTA三极子耦合模的非对称作用与春季AO/NAO的对称作用相叠加,导致了春季AO/NAO-SSTA三极子关系在1970s的转变,进而引起了春季AO/NAO-EASM关系在1970s的转变。（5）冬春季AO/NAO通过影响海温进而影响EASM的可能机制。伴随着前期冬季和同期春季AO/NAO对春季SSTA三极子的联合作用在1970s前后的年代际变化,与春季SSTA三极子密切相关的夏季SSTA三极子的振幅和空间分布也在该时期发生了明显年代际变化,而不同空间分布的夏季SSTA三极子可以引起同期环流的不同响应。进一步的分析结果表明,夏季SSTA三极子对EASM的影响与北大西洋和亚洲副热带急流的波导作用均密切相关；与该三极子相关的扰动信号是否能够被东传至东亚地区并进而影响EASM的年际变率,取决于强迫中心相对于北大西洋副热带急流的经向位置。因此,冬春季AO/NAO对后期EASM的影响敏感于前者所激发的北大西洋SSTA三极子的空间分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 关于AO物理本质的争论
• 1.3 AO/NAO影响中国气候异常的研究现状
• 1.3.1 对东亚冬季风和地表气温异常的影响
• 1.3.2 对冬季地表气温季节内变率和极端气温的影响
• 1.3.3 对东亚寒潮爆发频次的影响
• 1.3.4 对冬季降水异常的影响
• 1.3.5 影响冬季气候异常的可能机制
• 1.3.6 对东亚夏季风年际变率的影响及其可能机制
• 1.4 AO/NAO形成和维持机制的研究现状
• 1.4.1 热带海温强迫
• 1.4.2 MJO的影响
• 1.4.3 欧亚—青藏高原积雪强迫
• 1.5 本文问题的提出及研究内容
• 1.6 本文特色和创新点
• 参考文献
• 第二章 资料、方法和模式介绍
• 1.1 资料
• 1.2 方法
• 1.3 模式
• 参考文献
• 第三章 冬季AO的季节内变化特征及其与ENSO的联系
• 3.1 引言
• 3.2 资料处理
• 3.3 冬季AO的季节内变化特征
• 3.4 AO与ENSO的统计关系
• 3.5 AO和ENSO对环流异常的影响
• 3.5.1 对ENSO的单独合成
• 3.5.2 对AO的单独合成
• 3.5.3 对AO和ENSO的联合合成
• 3.6 AO、PNA与ENSO的联系
• 3.7 ENSO对AO季节内时间演变的影响
• 3.7.1 AO负异常事件的演变特征
• 3.7.2 AO正异常事件的演变特征
• 3.8 小结
• 参考文献
• 第四章 AO和ENSO对中国冬季气候异常的影响及其成因分析
• 4.1 引言
• 4.2 中国冬季地表气温和降水的气候特征
• 4.2.1 地表气温
• 4.2.2 降水
• 4.3 AO对中国冬季地表气温异常的影响
• 4.3.1 地表气温异常特征
• 4.3.2 成因分析
• 4.4 AO和ENSO对中国冬季地表气温异常的联合影响
• 4.4.1 地表气温异常特征
• 4.4.2 成因分析
• 4.5 AO对中国冬季降水异常的影响
• 4.5.1 降水异常特征
• 4.5.2 成因分析
• 4.6 AO和ENSO对中国冬季降水异常的联合影响
• 4.6.1 降水异常特征
• 4.6.2 成因分析
• 4.7 小结
• 参考文献
• 附图
• 第五章 AO影响中国冬季气候异常的物理机制
• 5.1 引言
• 5.2 冬季AO与西伯利亚高压的关系
• 5.3 AO影响东亚大槽和中国北方冬季气候异常的物理机制
• 5.3.1 AO与东亚大槽的关系
• 5.3.2 AO影响东亚大槽的机制
• 5.4 AO影响欧亚副热带波列和中国南方冬季气候异常的物理机制
• 5.4.1 观测事实
• 5.4.2 数值模拟
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 AO/NAO对东亚夏季风的影响及其可能机制
• 6.1 引言
• 6.2 资料介绍
• 6.3 东亚夏季风与逐月AO/NAO关系的年代际变化
• 6.4 东亚夏季风与春季NAO关系转变的成因分析
• 6.4.1 春季NAO、SSTA三极子和东亚夏季风之间的关系
• 6.4.2 春季NAO—SSTA三极子耦合模的稳定性
• 6.4.3 春季SSTA三极子与前期冬季NAO的关系
• 6.4.4 不同资料的对比分析
• 6.5 冬春季AO/NAO影响东亚夏季风的可能机制
• 6.5.1 冬春季AO/NAO对夏季SSTA三极子的影响
• 6.5.2 夏季SSTA三极子对东亚夏季风的影响
• 6.6 小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 附录Ⅰ:英文名称缩写列表
• 附录Ⅱ:在学期间的研究成果
• 附录Ⅲ:个人简历
• 致谢