过去千年东亚夏季风变化的模拟评估与机理研究

发布时间：2020-08-20 09:59

【摘要】：东亚夏季风(East Asian summer monsoon,简称EASM)对中国,尤其是东部地区的气候有重要影响。在当今全球变暖的背景下,EASM的变化愈发复杂。研究古气候中的EASM变化对我们理解现代EASM变化有重要的参考意义。重建的过去气温显示,过去千年存在三个典型的气候异常期:中世纪气候异常期(Medieval Climate Anomaly,简称MCA)、小冰期(Little Ice Age,简称LIA)以及现代暖期。由于其是距今最近的气候变化典型时期,因此近年来成为古气候研究的重点。重建资料显示,在过去千年中,尤其是在MCA和LIA时期,EASM发生了明显的变化。由于重建资料的局限性,其背后的动力机制尚不明确。气候模式逐渐成为研究过去千年气候变化的重要工具,国际古气候模拟对比计划第三阶段(Paleoclimate Modeling Intercomparison Project Phase Ⅲ,PMIP3)中加入了过去千年试验,这使得我们可以利用多模式讨论过去EASM变化的可能原因。夏季风变化的本质为环流变化,而由于代用资料的局限性,在古气候中常利用湿度/降水等指标来间接重建。本文从环流角度出发,定义东亚低层经向风为EASM强度,探讨了 PMIP3过去千年(约850-1850年)试验中EASM强度对外强迫的响应。其次讨论了其与东亚降水的关系,意在考察古气候中用间接指标指示EASM强度的合理性。在此基础上进一步分析了 EASM对东亚及周围区域的气候影响。得出以下主要结论:(1)过去千年EASM的强度变化PMIP3过去千年试验模拟的EASM(东亚低层经向风)强度可能受到太阳辐射和火山爆发的影响。大多数PMIP3模式及其集合平均结果显示,EASM在过去千年中的MCA时期偏强、LIA时期偏弱,与基于降水的重建情况基本一致。虽然在MCA时期的辐射相对于LIA时期整体偏强,但由于各个模式对入射辐射的敏感度不同,因此温度变化的空间分布与幅度有所差异。这导致了不同的海陆温差和高层西风急流变化,最终使得EASM的空间变化和变化幅度各不相同。此外,各模式模拟的MCA(LIA)时期EASM偏强(弱)导致了东亚地区的降水总体增多(减少),但在多年代际尺度上两者并不总是对应的。东亚地区的降水显著偏少,可能是辐射减少时全球性降水偏少的区域表现,而不仅是由EASM偏弱导致。(2)过去千年EASM强度与东亚降水的不稳定关系PMIP3过去千年试验中EASM强度与东亚地区降水的关系在不同时间尺度上的稳定性不同。百年尺度上,EASM强度与东亚地区降水的关系非常稳定:强盛的夏季风使得东亚地区降水整体增多,反之亦然;而在多年代际尺度上,两者的关系强弱随时间发生变化,存在准60年的波动。两者在多年代际上的不稳定关系同样存在于通用地球系统模式千年集合试验(Community Earth System Model Last Millennium Ensemble,简称CESM-LME)各组试验中。这可能是气候系统内部变率的结果,与外强迫关系不大。这提示我们在使用降水指标重建EASM强度时,可能只能反映百年尺度上的季风变化。(3)过去千年EASM与澳大利亚夏季风的同步变化重建指标反映的EASM与澳大利亚夏季风(Australian summer monsoon,简称ASM)在MCA(LIA)时期是同步增强(减弱)的。PMIP3的结果显示,两者的同步变化存在于百年尺度上,并且在LIA时期的同步性要好于MCA时期,与重建指标较为一致。相对于LIA时期,MCA时期的EASM增强是由于海陆温差增大和北半球副热带西风急流的减弱北移导致;ASM的增强则与赤道太平洋的东风异常和南半球副热带西风急流的南移相联系。太阳辐射是两者同步变化的主要原因,同时热带东西太平洋的海温梯度也起到重要作用。(4)过去千年亚洲降水的三极型异常分布重建指标显示,MCA时期的中亚干旱区、中国华北和华南地区呈现“干-湿-干”的三极型分布,在小冰期则相反。利用MRI-CGCM3模式发现,过去千年的这种三极型湿度分布存在于多年代际以上的尺度。导致这种湿度分布的主要是三个地区春季和夏季降水异常。MCA(LIA)时期,春季从北大西洋随着西风带输送至中亚干旱区的水汽偏少(多),导致该地区降水偏少(多);夏季时,中亚干旱区降水偏少(多)则是由于其由一异常高(低)压控制,下沉(上升)气流不利于(有利于)降水。东亚季风区,由于夏季风整体增强(弱),华北和华南地区降水整体增强(减弱)。春季西太平洋副热带高压偏弱(强),华南地区春季降水偏少(强),导致该地区年降水减少(增多)。此外,MCA(LIA)时期的三极型降水分布与拉尼娜(厄尔尼诺)型海温异常紧密联系。
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P425.42
【图文】：

图２．１邋ＰＭＩＰ３过去千年试验所用的（ａ）太阳辐射与（ｂ）火山爆发的重建序列逡逑９逡逑

结合本文的研究区域和目的，我们用于与模式结果对比的重建资料主要为亚洲一澳逡逑大利亚地区的湿度记录。利用Ｃｈｅｎｅｔａｌ．邋（２０１５）与Ｙａｎｅｔａｌ．邋（２０１５）综合的该地区数逡逑十条过去千年湿度记录，图２．２给出了邋ＭＣＡ相对于ＬＩＡ时期，亚洲一澳大利亚地区的逡逑湿度变化情况。逡逑６０°Ｎ邋￣＾逡逑ＺＪ＾：：邋ｍ邋＾邋＼邋１逡逑６０°Ｅ逦９０°Ｅ逦１２０°Ｅ逦１５０°Ｅ逡逑ｉ逦ｍ逡逑０逦６００邋１２００邋１８００邋２４００邋３０００邋３６００邋４２００邋４８００逡逑图２．２邋ＭＣＡ与ＬＩＡ时期亚洲－澳大利亚地区的湿度变化。填色为地形高度（ｍ），蓝色圆代表ＭＣＡ逡逑时期较ＬＩＡ时期湿润，红色圆代表ＭＣＡ较ＬＩＡ时期干旱，灰色星代表两个时期湿度变化不大。该逡逑图修改自邋Ｃｈｅｎｅｔａｌ．邋（２０１５）和Ｙａｎｅｔａｌ．邋（２０１５）逡逑２．１．４观测资料逡逑本文将数值模式对现代气候的模拟与观测数据进行比较，从而挑选出符合本文研究逡逑１１逡逑

逡逑（２）美国国家大气研究中心（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｃｅｎｔｅｒ邋ｆｏｒ邋Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ邋Ｒｅｓｅａｒｃｈ，简称邋ＮＣＡＲ）逡逑和美国国家环境预测中心（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｃｅｎｔｅｒｓ邋ｆｏｒ邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ邋Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，简称邋ＮＣＥＰ）逡逑分发的ＮＣＥＰ／ＮＣＡＲ邋ＤＯＥ地表气温再分析资料。逡逑（３）英国气象局哈德来中心分发的ＨａｄｌＳＳＴ海表和海冰温度数据集。逡逑２．２方法逡逑２．２．１双线性插值逡逑在数学上，双线性插值是将线性插值扩展至平面格点的一种插值方法，关键思想是逡逑在一个方向线性插值后再对第二个方向做线性插值。虽然每一步插值都是线性的，但是逡逑双线性插值的最后结果是非线性的。逡逑

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本文编号：2797841