春季欧亚积雪模态对北大西洋海温的响应及其对降水的影响

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随着全球变暖,欧亚大陆积雪也在发生显著改变,通过其高反射率、隔绝热量交换以及水文效应等特性导致局地能量收支以及水循环异常,从而与大气环流相互作用,对欧亚地区的季风、降水甚至整个北半球的天气、气候变化产生影响,对生态系统和经济系统具有重要意义。欧亚大陆地域辽阔,积雪空间分布复杂,季节变化差异显著,目前对于春季积雪分布及其形成机理方面的探讨尚有不足。因此本文利用日本第二次全球大气再分析项目(JRA-55)提供的逐日积雪深度数据,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的全球再分析数据及Hadley海温等数据分析了春季欧亚大陆雪深两个非对称模态的时空差异,并通过讨论两种模态对应罗斯贝波能量频散特征的差异,探究了雪深主模态与北大西洋海温的遥相关关系,通过分析了能量来源区北大西洋上空的动能传播与收支情况,并通过模式模拟分析验证,最后讨论了雪深第二模态对夏季欧亚中高纬度降水的影响,得到以下主要结论:(1)春季欧亚大陆中高纬度雪深前两种模态差异显著,分别表现出东、西两区域同向变化及反向变化两种非对称形态,且在时间演变上分别于20世纪80年代后期及90年代中期呈现显著的年代际转折,欧亚大陆积雪整体具有多尺度的变化特征,具有年际振荡和年代际振荡的特征。第一模态对应欧亚大陆上空的环流形势呈现‘-’‘+’‘-’的纬向波列分布形态,而第二模态呈现‘+’‘-’‘+’的经向波列分布形态,两个模态对应的波动作用通量分别呈欧亚波列(Eurasian wave trains,EU)型和丝绸之路(Silk Road Pattern,SRP)型两种传播特征,两类波动能量的传播源均可追溯至北大西洋。(2)同期北大西洋“三极子型”海温模态与“马鞍型”海温模态分别与雪深第一、第二模态具有显著相关关系,这两种海温模态下对应的北半球中高纬波动作用通量也分别呈现‘SRP’型和‘EU’型的传播特征,对中高纬西风气流的位置、强度产生了不同影响,进而对欧亚雪深分布产生遥相关作用。通过使用局地多尺度能量涡度分析法(MS-EVA)表明,北大西洋关键源区有自下向上的动能传输,另外,西风急流出口的平均动能转化增加,使得高层动能累积并向外辐散,从而对下游产生遥相关作用。通过CAM5.1模式模拟研究了北大西洋“三极子型”和“马鞍型”两种海温模态下的波作用通量传播特征,结果较好地验证了来自北大西洋的波动作用通量传播的两种不同特征,以及两种模态下气候要素场的变化与对应雪深模态的分布特征一致。(3)欧亚大陆中高纬夏季降水对春季雪深第二模态具有较强的响应,在西西伯利亚及东欧平原东部降水表现为正异常,而其东、西两侧表现为负异常,这与中高纬夏季降水的EOF分析第一模态的空间分布基本一致。通过分析大气环流场对雪深PC2的响应,发现降水正异常区域对应有显著的气旋性异常环流,位势高度场异常偏低,较气候平均态而言,西西伯利亚平原以西的槽加深,同时对流层整层为异常上升气流,这与降水异常的动力学一致。地表温度场与高度场的低压区相对应,表现为异常冷却,土壤湿度偏高,低层水汽通量辐合加强。这种温、湿场的响应与环流背景相互配置,为夏季降水对雪深模态的响应提供了有利条件。
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