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春季作为东亚冬、夏季风系统转换的过渡季节,是我国东部华南地区的主要雨季之一。华南春季降水量占全年总降水量的三分之一以上,且具有较大的年际变率,通常导致严重的洪涝或干旱灾害。厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)是引起全球大气环流年际异常的外部强迫因素,但是ENSO对我国不同季节气候异常的影响是非常复杂的。ENSO对中国东部春季降水的影响存在年代际差异,但近年来,中太平洋海温异常型的ENSO(CP ENSO)事件比传统的东太平洋海温异常型的ENSO(EP ENSO)事件发生的频次更高,而且二者引起的大气环流异常也是不同的。位势涡度(位涡)是表征大气热力和动力特性的综合物理量,是反映大气环流和天气系统变化的重要气象要素。本论文从位涡及其异常的角度,通过典型个例和合成分析,研究CP和EP两类ENSO事件春季衰减期高层位涡分布差异及其对中国东部春季降水的影响,揭示了两类ENSO事件衰减期全球位涡源汇分布的差异及其影响春季降水异常的机理。此外,从天气尺度变率的角度,统计分析了平流层位涡侵入对流层的差异及其对地表气温的影响。主要结论如下:
(1)2016CP El Ni(n)o和2011CP La Ni(n)a事件衰减期位涡异常分布及其影响中国东部春季降水的个例分析
2016CP El Ni(n)o(2011CP La Ni(n)a)事件由于暖(冷)海温调制东亚对流层经向温度梯度,西风急流位置偏南(偏北),高层30°N东亚上空出现气旋(反气旋)性位涡异常,在40°N东亚上空出现反气旋(气旋)性位涡异常而且在低层仍然存在,30°N气旋(反气旋)性位涡异常的西南边缘的北(南)风和低层40°N反气旋(气旋)性位涡异常西南边缘的南(北)风,绝对涡度平流随高度增加(减少),导致中国东部30°N左右出现上升(下沉)运动,对应中国东部出现降水正(负)异常。2016CP El Ni(n)o(2011CP La Ni(n)a)事件急流偏南(增强)使得50°N东亚沿海位涡源增强(减弱),有利于(不利于)高纬度的位涡向低纬度辐散,因此30°N以南地区位涡增加(减少),即中国东部上空出现位涡正(负)异常。
(2)两类ENSO事件衰减期位涡异常分布以及影响中国东部春季降水的合成分析
EP El Ni(n)o和CP La Ni(n)a由于海温异常强度大,调制东亚地区对流层经向温度梯度异常,引起东亚上空纬向风异常,导致东亚上空位涡异常分布。对于EP El Ni(n)o(CP La Ni(n)a)事件,30°N和20°N东亚地区分别出现东(西)风和西(东)风异常,对应30°N以北和以南出现气旋(反气旋)性位涡异常和反气旋(气旋)性位涡异常,因此绝对涡度经向平流差异项正(负)异常,进而导致上升(下沉)运动,中国东部出现降水正(负)异常。然而EP La Ni(n)a和CP El Ni(n)o事件由于其海温异常强度较小,因此对东亚地区对流层温度经向梯度调整不明显,东亚上空纬向风变化不大,因此对东亚上空位涡异常分布没有影响。从位涡源汇诊断上,EP El Ni(n)o事件在50°N,110°E出现位涡源,利于高位涡向中纬度东亚地区输送,因此30°N以北东亚地区上空出现正位涡异常,而CP La Ni(n)a事件中50°N,120°E位涡汇不利于高位涡的输送,因此东亚地区上空出现负位涡异常。
(3)全球变暖背景下位涡分布
采用CMIP5里的两套模式数据CNRM-CM5和FGOALS,模式模拟结果表明,在全球变暖背景下,中纬度出现位涡负异常带,尤其是东亚地区上空出现负异常中心,FGOALS模拟结果显示位涡异常中心强度和范围较大,对于中国春季降水异常分布两组实验结果差别也较大,CNRM-CM5结果显示在中国长江流域出现正异常,而FGOALS华南地区出现降水负异常,华北地区出现降水正异常。
(4)天气尺度位涡侵入对地表气温的影响
本文定义了天气尺度区域位涡侵入指数RPVI反映冬季东北地区天气尺度位涡侵入变率。通过挑选高RPVI和低RPVI指数合成分析表明,在高(低指数)东北地区位涡侵入事件发生频率超过(低于)50%(10%),由于平流层反气旋(气旋)异常环流,引起位涡里面的正压项在30°N-50°N,90°E-120°E出现正(负)异常,因此该区域出现位涡正(负)异常,并向下向东侵入120°E东亚地区并引起地面气旋(反气旋)性异常环流,环流异常西侧的北(南)风异常导致东北地区地表气温至少下降(增温)0.9℃。
(1)2016CP El Ni(n)o和2011CP La Ni(n)a事件衰减期位涡异常分布及其影响中国东部春季降水的个例分析
2016CP El Ni(n)o(2011CP La Ni(n)a)事件由于暖(冷)海温调制东亚对流层经向温度梯度,西风急流位置偏南(偏北),高层30°N东亚上空出现气旋(反气旋)性位涡异常,在40°N东亚上空出现反气旋(气旋)性位涡异常而且在低层仍然存在,30°N气旋(反气旋)性位涡异常的西南边缘的北(南)风和低层40°N反气旋(气旋)性位涡异常西南边缘的南(北)风,绝对涡度平流随高度增加(减少),导致中国东部30°N左右出现上升(下沉)运动,对应中国东部出现降水正(负)异常。2016CP El Ni(n)o(2011CP La Ni(n)a)事件急流偏南(增强)使得50°N东亚沿海位涡源增强(减弱),有利于(不利于)高纬度的位涡向低纬度辐散,因此30°N以南地区位涡增加(减少),即中国东部上空出现位涡正(负)异常。
(2)两类ENSO事件衰减期位涡异常分布以及影响中国东部春季降水的合成分析
EP El Ni(n)o和CP La Ni(n)a由于海温异常强度大,调制东亚地区对流层经向温度梯度异常,引起东亚上空纬向风异常,导致东亚上空位涡异常分布。对于EP El Ni(n)o(CP La Ni(n)a)事件,30°N和20°N东亚地区分别出现东(西)风和西(东)风异常,对应30°N以北和以南出现气旋(反气旋)性位涡异常和反气旋(气旋)性位涡异常,因此绝对涡度经向平流差异项正(负)异常,进而导致上升(下沉)运动,中国东部出现降水正(负)异常。然而EP La Ni(n)a和CP El Ni(n)o事件由于其海温异常强度较小,因此对东亚地区对流层温度经向梯度调整不明显,东亚上空纬向风变化不大,因此对东亚上空位涡异常分布没有影响。从位涡源汇诊断上,EP El Ni(n)o事件在50°N,110°E出现位涡源,利于高位涡向中纬度东亚地区输送,因此30°N以北东亚地区上空出现正位涡异常,而CP La Ni(n)a事件中50°N,120°E位涡汇不利于高位涡的输送,因此东亚地区上空出现负位涡异常。
(3)全球变暖背景下位涡分布
采用CMIP5里的两套模式数据CNRM-CM5和FGOALS,模式模拟结果表明,在全球变暖背景下,中纬度出现位涡负异常带,尤其是东亚地区上空出现负异常中心,FGOALS模拟结果显示位涡异常中心强度和范围较大,对于中国春季降水异常分布两组实验结果差别也较大,CNRM-CM5结果显示在中国长江流域出现正异常,而FGOALS华南地区出现降水负异常,华北地区出现降水正异常。
(4)天气尺度位涡侵入对地表气温的影响
本文定义了天气尺度区域位涡侵入指数RPVI反映冬季东北地区天气尺度位涡侵入变率。通过挑选高RPVI和低RPVI指数合成分析表明,在高(低指数)东北地区位涡侵入事件发生频率超过(低于)50%(10%),由于平流层反气旋(气旋)异常环流,引起位涡里面的正压项在30°N-50°N,90°E-120°E出现正(负)异常,因此该区域出现位涡正(负)异常,并向下向东侵入120°E东亚地区并引起地面气旋(反气旋)性异常环流,环流异常西侧的北(南)风异常导致东北地区地表气温至少下降(增温)0.9℃。