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近50年东亚夏季气候发生了显著的年代际变化,1970年代末期以后东亚夏季风显著减弱,表现为南亚高压南侧高压增强和副热带西风急流轴以南西风增强,副热带高压向南和向西伸展,东亚地区低层南风减弱,东亚夏季风指数呈显著减弱趋势;中国东部夏季降水呈“南涝北旱”型变化,即长江流域降水增加而华北地区降水减少;温度变化则表现为中国中部地区地面温度降低,以及东亚对流层中上层以300hPa为中心的独特变冷现象;中国区域温度EOF分析第一模态为全国一致增温,第二模态为南北反位相变化,与降水“南涝北旱”型变化一致;中国区域极端降水和温度事件的年代际变化与平均降水和温度呈一致变化特征。
为研究东亚夏季气候年代际变化的可能机制,借助NCARCAM3和GFDLAM2.1两个全球大气环流模式,本文分析了一系列敏感性试验结果,包括热带海温强迫(TOGA试验)、全球海温强迫(GOGA试验)、IPCC大气辐射强迫(ATM试验,包括温室气体、对流层和平流层臭氧、硫酸盐和火山气溶胶、太阳辐射)、全球海温与IPCC大气辐射强迫共同作用(GOGAI试验)、不同模态异常海温强迫(SSTMode试验)、气溶胶直接效应(DAER试验)、气溶胶直接和间接效应共同作用(DFAER试验),探讨海温、温室气体和气溶胶等因子对东亚夏季风年代际减弱的相对贡献。主要结论如下:
1)热带海洋增暖对东亚夏季风减弱具有重要影响。CAM3和AM2.1的模拟结果均表明海温强迫,主要是热带海温强迫能大部分地模拟出观测到的东亚夏季风环流的年代际变化特征。仅在海温特别是热带海温强迫作用下,模式能模拟出东亚大陆上空的变冷,且中心也位于300hPa层次。与热带海洋增温相对应,热带海洋上空为异常上升运动,东亚大陆上空为弱的异常下沉,此异常将一方面抑制此区域深对流发生和凝结潜热释放,另一方面不利于低层向对流层中高层的热量输送,两个过程共同作用使得东亚地区对流层中上层变冷。
2)东亚地区夏季温度南北反位相变化主要是由热带海温变化引起的。
对TOGA试验模拟的地表温度作EOF分析,得到第一模态为以30°N为界的南北反位相变化,与观测和GOGA试验模拟的温度EOF分解第二模态相对应;对应的时间序列变化也较一致,表现为1970年代末期的年代际变化。
3)赤道中东太平洋海温异常对东亚夏季风减弱起着重要作用。近百年海温可分解得到两个主要模态(LTw模态和PDO模态),LTw模态反映北太平洋和印度洋以及南大洋的一致增温,相应时间序列呈一致增加趋势,与CO2浓度变化曲线一致,表明此模态是海温对温室气体增加的响应;PDO模态为类似于PDO的海温异常分布型,对应时间序列在1970年代末期发生明显年代际跃变。PDO异常海温模态强迫大气环流模式模拟的东亚夏季风异常与热带海温强迫TOGA试验模拟的东亚夏季风年代际变化一致,使得东亚大陆上空变冷,东亚夏季风减弱;而LTw异常海温模态强迫作用则与TOGA试验结果基本相反,使得东亚大陆上空增暖,东亚夏季风有弱的增强。PDO模态异常海温强迫试验与TOGA试验模拟的东亚夏季风变化的一致性,一方面说明如Deseretal.(2004)所揭示的,PDO主要受热带年代际变化影响,太平洋特别是赤道中东太平洋海温异常对东亚夏季风减弱起着重要作用;另一方面说明东亚夏季风减弱主要来自自然变率的贡献。
4)大气辐射强迫直接效应使东亚夏季风增强。IPCC大气辐射强迫(包括温室气体、对流层和平流层臭氧、硫酸盐和火山气溶胶、太阳辐射)的直接效应将增加海陆热力差异,从而使季风环流增强。相对而言,IPCC大气辐射强迫作用下的东亚季风环流年代际变化强度比海温强迫试验结果小得多。因此,海温强迫是影响近50年东亚夏季风环流年代际变化的重要因子之一,大气辐射强迫如温室气体等的影响则相对较弱。
5)东亚夏季风年代际变化对气溶胶强迫的响应不确定性较大。只考虑气溶胶直接效应,集合平均结果显示东亚夏季风呈弱的减弱趋势。考虑气溶胶直接效应和第一间接效应的共同影响后,各集合成员模拟的东亚夏季风环流变化差异较大,模拟结果显示,气溶胶增加使得中国东部地区地表温度降低,降水减少。