东亚中纬度干旱/半干旱区土壤温度变化特征及其对东亚夏季风降水的可能影响和机理

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东亚中纬度内陆地区特别是我国西北地区,暖湿气流很难到达,降水偏少,属于干旱/半干旱区。这个区域在春季成为整个欧亚大陆上陆面感热最强的区域,可能会对下游的气候变化产生一定影响。本文基于中国740站土壤温度资料,NCEP/NCAR再分析资料,Hadley中心海表面温度资料,首先分析了干旱/半干旱区的各层土壤温度在不同季节的分布特征及其与同期其它气候因子的相关,分析了各层土壤温度的变化趋势,探讨了干旱/半干旱区夏季降水的年际变化特征及成因,之后分析了干旱/半干旱区春季土壤温度对东亚季风区夏季降水的影响及机理。本文主要研究内容和结果如下:   (1)干旱/半干旱区地表气温与各层土壤温度(0m,0.8m,1.6m,3.2m)年平均值差异不超过6℃,在不同季节,则有更大差异:春季和夏季随着土壤深度加深,温度逐渐降低;秋季和冬季随着土壤温度加深,温度逐渐升高,上下层差异也在冬季最大,可达31℃。各层土壤温度与地表气温在大多数站点除在冬季外都有着不错的正相关关系。在分析同一站点土壤温度与同期降水的关系时,在年平均以及各个季节0m土壤温度始终是在较多站点与降水呈现显著的负相关关系,气温与降水的相关类似于0m土壤温度,但显著相关站点数相对较少。在冬季0.8m土壤温度,1.6m土壤温度与降水的相关集中在干旱/半干旱区西部,为显著正相关;在夏季,0.8m土壤温度,1.6m土壤温度与降水的相关集中在干旱/半干旱区中西部,但为显著负相关。   (2)0.8m土壤温度在不同区域不同时间尺度变化是不一致的,并且在1961-2000年间土壤温度变化趋势会发生变化,较多站点在80年代中期之后增温趋势明显。之后对各个层次土壤温度趋势进行了分析,在冬夏季干旱/半干旱区西部土壤温度有增温趋势的站点都偏少,但深层的具有增温趋势的站点较表层多,而在干旱/半干旱区东部,大多数站点无论气温还是土壤温度都有明显上升趋势。在每个季节,我们都可以发现在深层土壤温度比表层土壤温度有更多站点表现为升温趋势。之后我们定量统计了干旱/半干旱区的土壤温度变化趋势,年平均土壤温度具有上升趋势的站点最多,在四个季节中冬季具有增温趋势站点最少,冬季0m土壤温度上升幅度最大可达1.1℃/decade,夏季0.8m,1.6m土壤温度的增温趋势都为最大(0.95,0.88℃/decade)。   (3)东亚中纬度干旱/半干旱区降水经验正交分解(EOF)第一模态呈现出全区一致的变化类型,而第二模态呈现出东西相反的分布类型,并且这个分界线大致位于100°E,之后将选定的干旱/半干旱区以100°E进行了划分,然后分别对整个区域和分开的两个区域进行了夏季降水异常年的选取。当对流层中下层位于乌拉尔山东侧的高压脊异常偏强,贝加尔湖附近及以东地区为低压槽所控制,并且西太平洋副热带高压加深北抬时,西北干旱/半干旱区降水往往偏多。特别当低压槽位于贝加尔湖东侧且伸展到日本时,通常对应着100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当低压槽位于贝加尔湖南侧且中亚里海附近有显著的高度负异常时,往往对应着100°E以东地区夏季降水偏多。因此,在中纬度对流层中下层出现的波列的位置和形态对整个干旱/半干旱区以及100°E以东或者以西的降水异常起关键作用。100°E以东的干旱/半干旱区与整个干旱/半干旱区降水异常年的大气环流形势是比较一致的,只是在里海附近的高度场的异常相反;而100°E以西的干旱/半干旱区的降水异常年,不但波列明显东移,并且西太平洋副热带高压有显著的变化。另外,对200hPa纬向风场上的急流的分析表明,当西亚副热带急流偏南加强时,往往对应着100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当东亚、西亚西风急流都显著加强并北抬时,则通常对应着100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多。进一步对SST的分析表明,海温对100°E以西或者以东的干旱/半干旱区降水的影响有着很大的差异。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多。当赤道中东太平洋海温在前冬,前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100° E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多。当前冬中东太平洋海温较暖而其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持并减弱,发展到同期夏季为大范围弱的异常冷海温时,有利于100° E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。总的来看,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水异常,热带东太平洋的海温异常基本是一致的,只是在东南太平洋海温异常有所不同,而海温异常对100° E以东或以西干旱/半干旱区的降水的影响则有明显差异。   (4)春季0.8m土壤温度的记忆长度在干旱/半干旱区都在两个月以上,春季土壤温度可能会影响东亚季风区的气候。春季0.8m土壤温度与东亚季风区夏季降水的关系中,5月土壤温度与东亚季风区夏季降水的关系更为密切。当5月0.8m土壤温度偏暖,6,7月份长江中下游及淮河流域降水偏少,华南地区降水偏多,东亚干旱/半干旱区5月土壤温度对东亚季风区6,7月的气候可能发挥一定的作用。5月0.8m土壤温度影响东亚季风区降水的可能机理是:偏暖的5月土壤温度对应着干旱/半干旱区及周围的东亚大陆对流层低层的暖的温度距平和正的位势高度距平,这个正的位势高度距平会减弱东亚季风区的西南风气流,在合成的差异850 hpa风场华南地区为—气旋性距平,长江中下游及淮河淮流域为—反气旋性距平,高度场的合成差异呈现为东亚及西太平洋低纬地区(30°N以南)即华南地区上空是负距平,中纬度及长江中下游及淮河流域上空为正距平区,高纬鄂霍次克海区域为负距平,500hPa高度距平场上东亚低纬到高纬地区,出现“-+-”距平波列,类似东亚太平洋型(EAP)的形态。以上因素都阻碍了西南气流对江淮流域的水汽输送,所以,长江中下游及淮河流域降水偏少。经研究发现5月土壤温度与夏季风指数和EAP指数相关较好,相关系数都通过了99%的极显著性检验,偏暖的5月土壤温度有利于强的夏季风及EAP型正位相的建立,而强的夏季风与EAP型的正位相又不利于江淮流域的降水。所以,我们可以把暖5月土壤温度的作为强的夏季风以及EAP正位相的一个预测因子,来提高对东亚夏季风的预测技术。
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