太阳活动对欧亚冬季大气环流和极端气温的影响

发布时间：2020-10-29 21:43

　　 太阳活动是气候系统最重要的外强迫因子之一。然而,迄今为止,准11年周期太阳活动在北半球冬季年代际尺度气候变率中的作用仍不确定,亟待进一步深入探讨。因此,本文采用多源观测和再分析资料,利用多元线性回归等方法研究了准11年周期太阳活动对北半球尤其是北大西洋-欧亚地区冬季大气环流和地表气候的影响及可能机理。本文还利用7个CMIP5模式历史实验的结果,评估了模式对观测资料所揭示的冬季地表气候中太阳活动影响信号的模拟能力。得到的主要结论如下:(1)在1959-2012年的冬季(12-2月),太阳活动的增强倾向于使欧亚中高纬地表气温显著升高。相应地,北半球海平面气压(SLP)的响应空间型类似于北大西洋涛动(NAO)的正位相。但太阳活动影响信号的环流中心比NAO的活动中心偏东,因此该环流异常对欧亚地表气温产生了重要影响。滞后响应分析表明,类似的环流和温度异常同样出现在太阳活动峰值之后1-3年,其中在滞后太阳活动约1-2年时达到最强。地表太阳活动影响信号主要来自于平流层环流异常的下传。秋末冬初由太阳UV辐射增强引起的平流层经向非均匀增暖导致了副热带平流层顶纬向平均纬向风的显著加强。纬向风异常进而通过波流相互作用逐渐向下传播到对流层,最终导致冬季出现类似NAO型的环流异常。此外,太阳活动所引起的环流异常对地表气温的影响是非均匀的,它改变了欧亚陆地与周边海域之间的热力差异,而海陆热力差异的变化对环流异常起到了正反馈作用,进而增强了大气环流中的太阳活动影响信号。(2)太阳活动同样对欧亚冬季极端气温的变率具有重要影响,但极端气温和季节平均气温的响应在空间型和机理上存在差异。太阳活动的增强使东欧-西伯利亚地区极端低温(高温)频率的显著减少(增加),这主要是由平均气温升高所引起的温度概率密度分布整体移动造成的。尽管东亚地区冬季平均气温对太阳活动响应很弱,但太阳活动的增强可导致东亚冬季极端高低温频率之和显著减少。东亚极端气温的响应主要是由温度季节内均方差的减弱所引起的冬季温度概率密度分布形态的变化造成的。一方面,太阳活动所导致的欧亚非均匀增暖使得东亚经向温度梯度下降;另一方面,太阳活动的增强也引起了东亚地区大气瞬变波活动减弱。在二者共同作用下,东亚冬季气温的季节内变率显著减小,不利于极端气温事件的发生。(3)分析了北大西洋-欧洲地区太阳活动与冬季大气环流之间联系随时间变化的特征及其原因。较长时间序列的观测资料揭示出了与近几十年截然不同的太阳活动影响信号:类似NAO型的显著环流响应并未出现在太阳活动峰值年,而是出现在太阳活动峰值之后约3年,显著信号主要存在于亚速尔高压区(NAO的南部中心)。44年滑动的超前/滞后多元线性回归分析表明,冬季亚速尔高压对太阳活动的滞后响应较为稳定,在绝大多数时间段内均有体现,但显著信号倾向于出现在太阳活动周期幅度较大的时间段。分月份分析表明冬季亚速尔高压的稳定滞后响应主要体现在初冬月份(即12月和1月),它反应的是上一个冬季存储在海洋中的太阳活动影响信号对大气的反馈。而2月份的太阳活动影响信号随时间变化较大,表现为同期和滞后响应的交替出现,其中近几十年太阳活动与冬季NAO的显著同期相关主要是受2月份环流的同期响应所主导。进一步分析表明,2月份太阳活动影响信号的变化可能受到NAO多年代际尺度背景的调制。(4)7个CMIP5模式的集合平均在一定程度上重现了亚速尔高压的滞后响应特征,尽管强度弱于观测。然而,观测中SLP响应的季节内变化未能被再现。模式的集合平均较好地重现了近几十年来(1959-2005年)太阳活动峰值年时类似于NAO正位相的环流异常,以及欧亚中高纬的显著增暖;这种环流和温度响应在太阳活动峰值年后仍然存在,且在滞后太阳活动约2年时达到最强。但模式未能再现太阳活动影响信号的不稳定特征。此外,模式中的臭氧强迫方式对太阳活动影响信号的模拟有着不可忽略的影响:采用观测臭氧变化强迫的模式未能模拟出类-NAO型的滞后响应;而耦合了化学模块的模式(臭氧自由演算)则较好地重现了类-NAO型的滞后响应。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P434;P423
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 太阳活动的气候效应研究
    1.3 存在问题和本文研究内容
    1.4 论文章节安排
第二章 资料和方法
    2.1 资料
    2.2 方法
第三章 太阳活动对欧亚冬季大气环流和平均气温的影响
    3.1 引言
    3.2 资料方法简介
    3.3 欧亚冬季地表太阳活动影响信号
    3.4 对流层中上层的太阳活动影响信号
    3.5 可能机制
    3.6 本章小结和讨论
第四章 太阳活动对欧亚冬季极端气温的影响
    4.1 引言
    4.2 资料方法简介
    4.3 太阳活动对欧亚冬季极端气温的影响
    4.4 均值和概率密度分布形态对极端气温响应的贡献
    4.5 太阳活动影响东亚冬季温度均方差的可能物理机制
    4.6 本章小结与讨论
第五章 太阳活动与大西洋-欧亚地区大气环流联系的不稳定特征及其成因
    5.1 引言
    5.2 资料方法简介
    5.3 1851-2016年冬季北大西洋-欧洲地区的太阳活动影响信号
    5.4 太阳活动影响信号随时间的变化
    5.5 近几十年冬季同期环流响应可能成因的讨论
    5.6 本章小结
第六章 CMIP5模式对欧亚冬季大气环流中太阳活动影响信号的模拟能力评估
    6.1 引言
    6.2 资料方法
    6.3 多模式集合平均的太阳活动影响信号
    6.4 耦合化学模块对地表太阳活动影响信号模拟的影响
    6.5 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 本文主要结论
    7.2 本文的可能创新点
    7.3 不足与展望
参考文献
在读期间科研情况
    1. 发表论文情况
    2. 参加项目和会议情况
致谢

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本文编号：2861497