【摘 要】
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本文基于改进的闭合气压系统环流指数CSI(Closed-Circulaiton System Index)定义东亚夏季准定常环流系统(西北太平洋副热带高压、南亚高压和印度低压)的强度和位置,分析近60年夏季准定常环流系统的变化及其与中国东部降水的关系,并与传统定义方法进行对比。在验证该指数合理的基础上,采用定量指标系统地评估了31个参与第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Inter
【基金项目】
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国家重点研发计划“全球增暖1.5℃下东亚气候系统的响应及其情景预估”(2017YFA0603804); 国家重点研发计划“气候多尺度变化与年代际重大事件的归因及预估”(2016YFA0600402);
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本文基于改进的闭合气压系统环流指数CSI(Closed-Circulaiton System Index)定义东亚夏季准定常环流系统(西北太平洋副热带高压、南亚高压和印度低压)的强度和位置,分析近60年夏季准定常环流系统的变化及其与中国东部降水的关系,并与传统定义方法进行对比。在验证该指数合理的基础上,采用定量指标系统地评估了31个参与第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)的全球气候模式对准定常环流系统气候态和变化趋势的模拟能力,及其对中国东部降水模拟能力的影响。最后基于综合评估指标得到优选模式,预估未来全球增暖1.5℃,2℃,3℃和4℃阈值准定常环流系统的变化,并分析未来西太副高变化的原因,以及各系统变化对中国东部降水变化的影响。得到以下主要结论。(1)CSI指数能够克服全球变暖背景下位势高度抬升、纬圈非均匀增暖,以及CMIP5模式系统性偏差的影响,客观描述准定常环流系统强度和位置的变化,适用于多模式的评估和未来预估,与国家气候中心业务指标及基于扰动位势的定义相比更具优势。(2)近60年西太副高强度主要呈年代际变化,与太平洋年代际涛动PDO(Pacific Decadal Oscillation)指数呈显著负相关,强度和位置无显著变化趋势,副高偏强(弱)时位置偏西(东)。南亚高压显著西移,偏强(弱)时位置偏北(南),强度的年际变化与副高一致,二者纬向上相向而行,向背而离。印度低压强度和位置无显著变化趋势,偏强(弱)时位置偏南(北),经纬向位置的年际变化与南亚高压一致。各环流系统指数与中国东部降水紧密相关,副高强度和经度,南亚高压和印度低压纬度是影响华北东北降水的主要因子,当副高偏东(西)偏弱(强)、南亚高压和印度低压偏北(南)时,华北地区降水偏多(少)。南亚高压和西太副高的位置是影响长江及华南地区降水的主要因子,当南亚高压与西太副高相向而行(向背而离)时,长江中下游降水偏多(少),华南地区降水偏少(多)。(3)CMIP5模式能够基本再现准定常环流系统的气候特征,但多数模式低估了系统的强度,模拟副高位置异常偏西,多模式集合平均与NCEP相比偏西6个经度。尽管存在模式间差异,但综合模拟能力较优的模式,即CCSM4,CNRM-CM5,CESM1-CAM5和Nor ESM1-M,对各环流要素的模拟具有较高的一致性。优选模式集合平均较好地再现了西太副高的纬向位置,使模式在长江以南的干偏差减少21.3%,从而提高了对中国东部降水的模拟能力。仅7个模式能够模拟出1961-2005年西太副高减弱的趋势,近一半的模式能模拟出南亚高压向西向南的观测变化,模式对系统变化趋势的模拟普遍有所低估。模拟副高呈显著减弱的模式,对华北降水变化趋势的模拟呈与观测一致的减弱趋势。模拟南亚高压显著西移南移的模式,对应长江中下游降水的模拟呈与观测一致的增加趋势。(4)各优选模式的预估结果一致表明,未来全球平均增暖到达1.5℃,2℃,3℃和4℃阈值,对流层中层西太副高与当前对比时段相比减弱东撤,且随着升温阈值增加,变化幅度逐渐加大。在全球变暖背景下,北半球高纬增暖幅度大于中低纬,海温经向梯度减小,同时,赤道热带地区类厄尔尼诺型海温纬向非均匀增暖导致沃克环流减弱,使海洋性大陆地区上升运动减弱,导致局地经圈环流减弱,副高体内垂直运动呈上升异常;高纬度低层大幅增暖导致该区域经向温度梯度减小,西风气流减弱,伴随沃克环流减弱赤道低纬东风减弱,使未来西北太平洋呈气旋性环流异常;此外,未来西太副高所在区域非绝热加热中心垂直变化和位置的东移,导致500h Pa副高体内及西侧涡度制造率呈正异常。以上海气温度的非均匀增暖和非绝热加热的非均匀变化导致未来副高体内呈上升和气旋性环流异常,有利于副高减弱东撤。(5)未来全球平均增暖到达1.5℃,2℃,3℃和4℃阈值,南亚高压将显著南移。当升温到达3℃和4℃阈值,南亚高压减弱西移显著。印度低压未来变化幅度较小,仅当升温到达4℃时显著增强西移。进一步分析发现,由于西太副高减弱东撤,其西侧偏南气流增强,有利于增强向北的水汽输送,导致华北东北地区未来降水显著增加。当升温到达3℃和4℃阈值,南亚高压显著西移,与副高向背而离,导致华南地区垂直运动呈上升异常,伴随西南气流增强,使华南沿海地区降水显著增加。
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