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气候年际变率的未来变化是国际社会关注的重点话题。亚太地区包含世界上最大的大洋和大陆，人口稠密，农业发达。降水和温度年际变率的变化会影响极端洪涝、干旱、高温热浪和寒潮灾害的发生频率，威胁该区域农业生产，生态环境和人类生命和财产安全。然而，由于亚太区域海陆分布复杂、气候影响因子众多、人类活动频繁，当前对于亚太区域降水和温度年际变率变化及其成因认识仍然不足。因此，本文先利用高分辨率单独大气模式，保持全球海表温度年际变率不变，分析了气候态海表温度增暖对亚太区域降水和温度年际变率的可能影响，并利用水汽收支、湿静力能诊断等方法分析降水和温度年际变率变化的原因。接下来利用耦合模式预估亚太区域降水和温度年际变率变化特征，并分析关键区域降水和温度年际变率变化原因。主要研究结论如下:
一、气候态海表温度增暖对赤道太平洋降水年际变率的影响
耦合模式预估结果表明，全球变暖后厄尔尼诺相关降水年际变率在赤道中东太平洋增强，在赤道西太平洋减弱。气候态海表温度(SST)增暖是厄尔尼诺相关的赤道中东太平洋降水年际变率增强的重要原因。但其中的物理机制尚未被充分理解。本文采用日本气象研究所（MRI）的60km单独大气模式研究北半球冬季赤道中东太平洋降水年际变率未来变化对气候态SST增暖的响应及相关物理机制。该模式的未来试验的SST强迫场保持了历史试验中SST的年际变率，同时叠加了A1B排放情景下第三次耦合模式比较计划(CMIP3)多模式预估的气候态SST增暖型。研究表明气候态SST增暖下，赤道中东太平洋SST年际变率确实显著增强，这主要是由于厄尔尼诺年降水增加远多于非厄尔尼诺年。水汽收支分析表明控制气候态比湿的垂直输送的动力因子（垂直速度异常变化）和热力因子（气候态比湿变化）均对厄尔尼诺相关的降水异常增加有贡献，其中前者起主要作用。湿静力能诊断进一步表明垂直速度异常的变化源于底层暖湿空气的向上输送项增强，同时高云量增加和云顶高度升高引起的云长波辐射效应增强对厄尔尼诺期间垂直上升运动的增强也有重要正反馈作用。
二、气候态海表温度增暖对东亚夏季降水年际变率的影响
变暖背景下东亚季风降水的年际变率变化是控制极端降水事件发生概率的重要因子，对社会生产生活有重要影响。气候态SST增暖导致热带降水年际变率增强可能通过大气遥相关影响东亚季风降水，但影响机理尚不清楚。基于耦合模式的预估结果显示，全球变暖后东亚降水年际变率将增加，但物理机制尚不完善。本章使用水平分辨率60km的全球单独大气模式，保持增暖前后ENSO年际变率不变，分析SST的非均匀增暖对东亚季风降水年际变率的影响及相关物理机制。结果显示，全球变暖后东亚大部分地区降水年际变率将增强，尤其是中国南方至西北太平洋地区。基于水汽收支和湿静力能诊断方法对降水变率的增强进行分析，发现其归因于与动力作用有关的异常垂直平流的增强。上升运动变化原因有二:一是中高纬度波列通过影响日本和朝鲜半岛南部环流引起气候态湿焓水平平流变化;二是对流-云长波辐射正反馈效应的变化。
三、气候态海表温度增暖对东亚冬季地表气温年际变率的影响
利用全球单独大气模式模拟，本章研究北半球冬季东亚地表气温年际变率未来变化对气候态SST增暖型的响应及相关物理机制。该模式的未来试验的SST强迫场保持了历史试验中SST年际变率叠加上了RCP8.5排放情景下第五次耦合模式比较计划(CMIP5)模式预估的气候态SST增暖型。研究表明气候态SST增暖致使亚洲大陆大部分区域地表气温年际变率增强，尤其是中国中西部，东南亚区域西北部，南亚区域东部的地表气温年际变率。进一步从地表气温平流和地表净辐射通量变化角度解释了东亚中部区域年际变率增强的原因。分析表明东亚中部区域年际变率增强主要是由于地表向上短波辐射通量年际异常增强，而环流变化引起的水平温度平流增强起次要作用。
四、耦合模式模拟的全球变暖背景下东亚夏季降水年际变率的变化
前三章着重分析了气候态SST增暖对亚太区域降水和地表气温年际变率的影响，而降水和温度年际变率变化除了受气候态SST影响外，还受到SST年际变率变化的影响。本章使用CMIP5的耦合模式数据，分析了RCP8.5排放情景下东亚夏季季风区降水年际变率的变化及相关物理机制。结果显示，全球变暖后东亚大部分地区降水年际变率将增强，尤其是中国南部梅雨区至西北太平洋地区。基于水汽收支方法对东亚梅雨区域降水年际异常的增强进行诊断分析，结果表明，异常上升运动导致的气候态水汽垂直平流异常增强起主要作用，而异常风导致的气候态水汽水平平流异常起次要作用。对于前者，气候态比湿垂直分布的变化是气候态水汽的垂直输送增强的主要原因。具体来说，东亚大部分区域全球变暖后垂直速度异常变化不大，而气候态比湿垂直梯度增强，这有利于增强向上的水汽平流，使异常降水更强。对于后者，气候态比湿水平分布变化是气候态水汽的水平输送增强的原因。尽管东亚梅雨区域的对流层低层异常东南风略有减弱，但气候态比湿经向梯度显著增强，导致水汽水平平流增强，引起梅雨区域降水年际异常增强。综上所述，全球变暖后气候态比湿垂直梯度和经向梯度增强是东亚梅雨雨带区域降水年际变率预估增强的主要原因。
五、耦合模式模拟的东亚冬季地表气温年际变率的预估变化及原因
本章采用耦合模式比较计划CMIP5的26个耦合模式研究全球变暖后北半球冬季东亚地表气温年际变率未来变化及相关物理机制。结果表明，RCP8.5排放情景下东亚冬季地表气温年际变率变化模式不确定性较大，主要体现在东亚中纬度区域地表气温年际变率的预估变化上。MIROC5、NorESM1-M、bcc-csm1-1和IPSL-CM5A-MR等模式预估东亚中纬度区域气温年际变率在全球变暖后增强，GFDL-CM3、FGOALS-s2、GFDL-ESM2M和bcc-csm1-1-m等模式预估东亚中纬度区域气温年际变率在全球变暖后减弱。东亚中纬度区域气温年际变率预估增强的模式中，CCSM4、CSIRO-Mk3-6-0、GISS-E2-R和MIROC5预估南部区域地表气温年际变率增强，CESM1-CAM5、HadGEM2-AO、IPSL-CM5A-LR和NorESM1-M预估北部区域地表气温年际变率增强。气候态地表气温梯度和异常环流变化引起的温度平流年际变率的变化和向下长波辐射通量年际变率的变化是模式预估的东亚冬季地表气温年际变率变化的主要原因。
一、气候态海表温度增暖对赤道太平洋降水年际变率的影响
耦合模式预估结果表明，全球变暖后厄尔尼诺相关降水年际变率在赤道中东太平洋增强，在赤道西太平洋减弱。气候态海表温度(SST)增暖是厄尔尼诺相关的赤道中东太平洋降水年际变率增强的重要原因。但其中的物理机制尚未被充分理解。本文采用日本气象研究所（MRI）的60km单独大气模式研究北半球冬季赤道中东太平洋降水年际变率未来变化对气候态SST增暖的响应及相关物理机制。该模式的未来试验的SST强迫场保持了历史试验中SST的年际变率，同时叠加了A1B排放情景下第三次耦合模式比较计划(CMIP3)多模式预估的气候态SST增暖型。研究表明气候态SST增暖下，赤道中东太平洋SST年际变率确实显著增强，这主要是由于厄尔尼诺年降水增加远多于非厄尔尼诺年。水汽收支分析表明控制气候态比湿的垂直输送的动力因子（垂直速度异常变化）和热力因子（气候态比湿变化）均对厄尔尼诺相关的降水异常增加有贡献，其中前者起主要作用。湿静力能诊断进一步表明垂直速度异常的变化源于底层暖湿空气的向上输送项增强，同时高云量增加和云顶高度升高引起的云长波辐射效应增强对厄尔尼诺期间垂直上升运动的增强也有重要正反馈作用。
二、气候态海表温度增暖对东亚夏季降水年际变率的影响
变暖背景下东亚季风降水的年际变率变化是控制极端降水事件发生概率的重要因子，对社会生产生活有重要影响。气候态SST增暖导致热带降水年际变率增强可能通过大气遥相关影响东亚季风降水，但影响机理尚不清楚。基于耦合模式的预估结果显示，全球变暖后东亚降水年际变率将增加，但物理机制尚不完善。本章使用水平分辨率60km的全球单独大气模式，保持增暖前后ENSO年际变率不变，分析SST的非均匀增暖对东亚季风降水年际变率的影响及相关物理机制。结果显示，全球变暖后东亚大部分地区降水年际变率将增强，尤其是中国南方至西北太平洋地区。基于水汽收支和湿静力能诊断方法对降水变率的增强进行分析，发现其归因于与动力作用有关的异常垂直平流的增强。上升运动变化原因有二:一是中高纬度波列通过影响日本和朝鲜半岛南部环流引起气候态湿焓水平平流变化;二是对流-云长波辐射正反馈效应的变化。
三、气候态海表温度增暖对东亚冬季地表气温年际变率的影响
利用全球单独大气模式模拟，本章研究北半球冬季东亚地表气温年际变率未来变化对气候态SST增暖型的响应及相关物理机制。该模式的未来试验的SST强迫场保持了历史试验中SST年际变率叠加上了RCP8.5排放情景下第五次耦合模式比较计划(CMIP5)模式预估的气候态SST增暖型。研究表明气候态SST增暖致使亚洲大陆大部分区域地表气温年际变率增强，尤其是中国中西部，东南亚区域西北部，南亚区域东部的地表气温年际变率。进一步从地表气温平流和地表净辐射通量变化角度解释了东亚中部区域年际变率增强的原因。分析表明东亚中部区域年际变率增强主要是由于地表向上短波辐射通量年际异常增强，而环流变化引起的水平温度平流增强起次要作用。
四、耦合模式模拟的全球变暖背景下东亚夏季降水年际变率的变化
前三章着重分析了气候态SST增暖对亚太区域降水和地表气温年际变率的影响，而降水和温度年际变率变化除了受气候态SST影响外，还受到SST年际变率变化的影响。本章使用CMIP5的耦合模式数据，分析了RCP8.5排放情景下东亚夏季季风区降水年际变率的变化及相关物理机制。结果显示，全球变暖后东亚大部分地区降水年际变率将增强，尤其是中国南部梅雨区至西北太平洋地区。基于水汽收支方法对东亚梅雨区域降水年际异常的增强进行诊断分析，结果表明，异常上升运动导致的气候态水汽垂直平流异常增强起主要作用，而异常风导致的气候态水汽水平平流异常起次要作用。对于前者，气候态比湿垂直分布的变化是气候态水汽的垂直输送增强的主要原因。具体来说，东亚大部分区域全球变暖后垂直速度异常变化不大，而气候态比湿垂直梯度增强，这有利于增强向上的水汽平流，使异常降水更强。对于后者，气候态比湿水平分布变化是气候态水汽的水平输送增强的原因。尽管东亚梅雨区域的对流层低层异常东南风略有减弱，但气候态比湿经向梯度显著增强，导致水汽水平平流增强，引起梅雨区域降水年际异常增强。综上所述，全球变暖后气候态比湿垂直梯度和经向梯度增强是东亚梅雨雨带区域降水年际变率预估增强的主要原因。
五、耦合模式模拟的东亚冬季地表气温年际变率的预估变化及原因
本章采用耦合模式比较计划CMIP5的26个耦合模式研究全球变暖后北半球冬季东亚地表气温年际变率未来变化及相关物理机制。结果表明，RCP8.5排放情景下东亚冬季地表气温年际变率变化模式不确定性较大，主要体现在东亚中纬度区域地表气温年际变率的预估变化上。MIROC5、NorESM1-M、bcc-csm1-1和IPSL-CM5A-MR等模式预估东亚中纬度区域气温年际变率在全球变暖后增强，GFDL-CM3、FGOALS-s2、GFDL-ESM2M和bcc-csm1-1-m等模式预估东亚中纬度区域气温年际变率在全球变暖后减弱。东亚中纬度区域气温年际变率预估增强的模式中，CCSM4、CSIRO-Mk3-6-0、GISS-E2-R和MIROC5预估南部区域地表气温年际变率增强，CESM1-CAM5、HadGEM2-AO、IPSL-CM5A-LR和NorESM1-M预估北部区域地表气温年际变率增强。气候态地表气温梯度和异常环流变化引起的温度平流年际变率的变化和向下长波辐射通量年际变率的变化是模式预估的东亚冬季地表气温年际变率变化的主要原因。