青藏高原冬季降水异常的关键环流及对热带海温的响应研究

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青藏高原作为全球气候变化的敏感区,地形复杂、地理位置独特,受西风带气候、东亚和南亚季风共同影响,气候背景复杂。高原冬季气候严寒,主要以固态降水为主,近年来雪灾事件频繁发生,给高原牧业生产、交通运输、人体健康等方面带来很多不利影响,因此研究高原冬季降水(雪)变化对当地及下游地区的气候变化、生态环境、社会经济等方面具有重要的意义。本文围绕高原冬季降水年际异常成因这一主题,首先采用统计学分析、气候动力学诊断方法从大气内部变率的角度系统分析了影响高原冬季降水年际异常的主要环流特征,在此基础上,进一步发现高原初冬降水异常对热带海温具有显著响应,探讨了对热带印度洋偶极子(IOD)和厄尔尼诺~南方涛动(ENSO)不同配置下降水异常响应的物理过程,并通过数值模式进行模拟验证;同时针对高原初冬降水异常典型的2018年,分析环流和水汽输送异常特征,结合2018年海温异常特征进一步验证IOD和ENSO对初冬降水异常的共同作用;最后,利用海气耦合模式来评估对高原初冬降水异常的预测性能,分析降水预报技巧对海温异常的响应,探究可预报员性来源。论文的主要研究结论如下:(1)青藏高原冬季降水特征及关键环流系统高原冬季降水年际变率强,降雪集中期出现于12月下旬~1月中旬,降雪集中度呈下降趋势。降水异常第一主模态为全区一致型,存在2~4年的年际变化周期和14~20年的年代际周期。就影响高原冬季降水的关键环流系统而言,降水一致偏多时,对应类似欧亚南部(SEA)型遥相关的正位相特征,在欧洲西南部、阿拉伯海、东北亚上空位势高度场呈显著正异常,中东地区、青藏高原上空为显著负异常;中东急流偏强,北大西洋涛动(NAO)通过类似SEA型遥相关和中东急流等关键环流来调控高原冬季降水异常。(2)高原初冬降水年际异常对热带海温的响应高原初冬(11~12月)降水异常偏多时,欧亚上空存在一支自西欧至东亚传播的波列,高原上空受气旋性环流异常控制且垂直上升运动明显、西南水汽输送增强;初冬降水年际变化对热带印度洋和太平洋海温异常具有显著响应,降水异常多的年份多集中在Ni(?)o3.4和印度洋偶极子(IOD)指数均为正的年份,而异常少的年份多为二者均负的情况。当IOD和厄尔尼诺~南方涛动(ENSO)均为正位相时,中高纬呈现欧亚(EU)型遥相关波列,高原附近上空为气旋性环流异常,高原上空垂直上升运动明显,通过分析二者的共同和独立作用,发现IOD在高原初冬降水异常中起到更主导的作用;利用CAM5数值模式验证在IOD和ENSO配置下,通过EU型遥相关波列影响高原初冬降水的物理过程。(3)2018年初冬高原东北部极端降水异常成因2018年初冬,高原东北部降雪量突破历史记录,累积降雪量较历史同期偏多3倍、降雪日数偏多1倍以上,期间环流异常表现为北半球极涡异常偏强且向南扩展,导致巴尔喀什湖至贝加尔湖地区的低槽异常持续发展,中高纬为EU型波列极端负位相(EU指数为1961年以来第二低值),欧亚环流经向度偏强,同时伴随西伯利亚高压的阶段性增强,来自极地和高纬冷空气沿北方和西北路径进入高原东北部,其上空对流层高层和中层分别受冷、暖平流所控制,这种垂直结构差异使大气斜压性增强、导致大气层结不稳定,为高原强降雪提供较好的动力条件。El Ni(?)o和IOD异常正位相均对2018年初冬青海高原降雪异常具有显著影响,二者共同作用下EU型呈极端负位相特征,有利于西太平洋副热带高压偏西偏强,低纬经向水汽输送和中纬度纬向水汽输送均显著增强,使高原西边界和南边界水汽输入显著偏多,水汽净输入列历史第2。其中ENSO暖位相下利于菲律宾附近上空为异常反气旋性环流,IOD加剧西南风异常进而增强经向水汽输送,二者共同作用使高原西边界和南边界水汽输入异常偏多,为初冬持续性强降雪提供充沛的水汽条件。(4)多模式对高原初冬降水异常的预测性能评估利用中国、欧洲中心、美国和日本所发展的季节气候预测模式系统(BCC_CSM、ECMWF_System5、CFSv2、JMA_MRI_CGCM)的历史回报数据,从确定性预报的角度评估不同模式对高原初冬降水的预测性能。综合比较而言,BCC_CSM对高原初冬降水气候态的空间分布及其时间演变回报效果最好。对于降水年际变率,JMA_MRI_CGCM的回报效果最好,BCC_CSM次之。模式对全区一致型降水主模态特征具有较好的模拟能力,其中BCC_CSM同实况的时间系数相关性最高,JMA_MRI_CGCM同实况的空间型相关性最高。尽管各模式均能较好地模拟出南北反向型主模态,BCC_CSM回报的空间型和时间系数变化均同实况最接近。BCC_CSM对高原初冬降水预测性能较好的原因在于其对EU型遥相关和西太平洋副热带高压均具有较高的预报技巧,并且BCC能够准确地模拟出ENSO和IOD共同影响高原初冬降水的物理过程。
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