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全球气候系统是一个有机的整体，南半球通过热量、动量、质量、水分等交换影响着北半球的气候。南半球环状模(SAM)是南半球热带外地区环流变率的主导模态。由于SAM在空间上具有半球范围的大尺度特征，因此其气候影响也比较广泛，不仅调控南半球的环流变率，也作用于北半球的气候。研究SAM对北半球的气候影响，有助于我们从全球尺度上客观揭示SAM对不同区域气候系统的作用，深化对南北半球和不同纬度之间大气相互作用的认识。在年际尺度上对这一问题的探讨，有可能为短期气候预测的实践提供新的预测因子和思路线索。在气候变化的尺度上，其可为与SAM有关的气候要素长期变化的降尺度预估提供信息。
本文以SAM对我国的气候影响这个问题为切入点，聚焦前冬（12-2月）SAM对春季（3-5月）华南降水的影响。在年际尺度上，采用资料诊断、动力机理、数值模拟的综合手段，分析了前冬SAM与春季华南降水的相关关系，从前冬SAM引起的春季华南局地环流、北半球副热带降水、西北太平洋台风活动的异常三个角度，阐述了SAM通过“海气耦合桥”作用影响春季华南降水的物理机制。SAM对北半球副热带降水的影响是其对华南降水影响的大尺度背景;SAM对台风活动的调控，可以从高影响天气的角度认识SAM对春季华南降水的作用。在明确以上物理机制的基础上，建立基于SAM的春季华南降水经验统计模型，尝试用于春季华南降水的短期季节预测，并定量考核了该模型的预测技巧。在长期变化的时间尺度上，分析秋季（9-11月）南极臭氧通过对冬季SAM的调控作用进而对春季华南降水的长期变化的贡献。此外，为了对春季华南降水长期变化的降尺度预估提供可能的信息，利用Coupled Model IntercomparisonProject Phase5(CMIP5)多模式集合的资料，预估了未来SAM的可能趋势。本文的主要结论包括:
(1)揭示了年际尺度上前冬SAM与春季华南降水的显著负相关关系。当前冬SAM为正（负）位相时，春季华南降水往往偏少（多）。
当前冬SAM正位相时，对应春季西北太平洋副热带高压位置偏东、强度偏弱，华南上空被异常下沉气流控制，异常的东北风减弱了气候态的水汽输送，使得春季华南湿度偏低，对应春季华南降水的偏少。SAM负位相时的春季华南环流异常型相反，对应降水的偏多。
(2)利用“海气耦合桥”理论，从前冬SAM引起的春季华南局地环流、北半球副热带降水、西北太平洋台风活动的异常三个角度，系统揭示了前冬SAM影响春季华南降水的物理机制。
当前冬SAM为正位相时，同期冬季南半球高（中）纬度海表风速增加（减小）。风速引起了蒸发和潜热释放的改变，进而导致高（中）纬度海温偏冷（暖）。海洋的热惯性使得这种海温异常型从冬季维持到春季，并在春季释放，进而引起西北太平洋副热带高压位置偏东、强度偏弱，华南区域的异常下沉运动，以及整个经圈垂直环流的异常，进而使得春季华南降水偏少。当SAM为负位相时的海温异常及其引起的环流异常相反，导致春季华南降水偏多。可以看到，以上机制体现了“海气耦合桥”的作用，也即前冬SAM将其信号储存在海温中并持续到春季，进而在春季引起大气环流的一系列响应并导致降水异常的过程。
前冬SAM通过“海气耦合桥”作用调控春季全球经圈环流，从而影响北半球副热带的春季降水。在前冬SAM正（负）位相时，春季北半球副热带地区(20°—40°N)出现异常下沉（上升）运动，伴随着副热带西风急流位置的北移（南移），副热带地区对流层被异常反气旋式（气旋式）环流控制、低层辐散（辐合）加强，这些因素共同导致了春季副热带地区少雨（多雨）。SAM对北半球副热带降水的影响是其对春季华南降水影响的大尺度背景。
另外，前冬SAM的变率影响着春季西北太平洋台风的生成频数和移动路径。当前冬SAM为正（负）位相时，菲律宾以东洋面海表出现西风（东风）异常，潜热释放的减小（增加）导致了海温偏暖（冷）。这种海温异常可以由冬季持续到春季，为春季台风多发（少发）提供了有利的条件。同时，这种异常的暖（冷）海温，激发了西北太平洋区域出现异常气旋式（反气旋）环流，使得西北路径的台风在转向后，向北运动的分量减小（增加）。因此，在前冬SAM强（弱）年，虽然春季台风生成个数多（少），但是在我国华南台风登陆的可能性却偏低（高），台风带来的强降水在华南也偏少（多）。台风降水对季节平均的降水有很大贡献，因此这从高影响天气的角度支持和佐证了前冬SAM对春季华南降水的影响。
(3)提出了基于前冬SAM的春季华南降水预测模型，该模型能够较好的对春季华南的旱、涝进行判断。
基于前冬SAM的春季华南降水预报模型的预报技巧稳定，尤其对最近10年的预报效果很好，模型后报与实测的符号一致率可以达到80％左右。为了进一步提高模型预报的时效性，以12月SAM为因子建模，该模型可在12月结束为春季华南降水的预测提供初步判断。考察后报时段的符号一致率，以SAM为预报因子的模型优于以前冬南方涛动指数(SOI)为预报因子的模型。同时引入这两个因子建模的效果，相比用SAM单个因子的模型没有显著改善。这是由于和前冬SOI相比，SAM是对春季华南降水影响更加显著的因子。
(4)在长期变化的时间尺度上，发现了前冬SAM的趋势是造成春季华南降水长期变化的重要原因之一。进一步的分析表明，由于秋季南极臭氧可以驱动冬季SAM的趋势，因而其是造成春季华南降水长期趋势的更深层次的原因。
春季华南降水在近几十年呈现出明显的减少趋势。与此同时，春季华南的云量和相对湿度也呈现减少趋势。秋季南极臭氧损耗使得同期南半球高纬度的平流层，准定长行星波出现异常向下的能量传播，而这种行星波的异常，正是冬季SAM呈正位相的前期条件。冬季SAM的上升趋势对春季华南降水的减少有约30-40％左右的贡献。简言之，秋季南极臭氧损耗通过对冬季SAM长期变化的影响，进而影响春季华南降水的长期变化。另外，为了对春季华南降水长期变化的降尺度预测提供可能的信息，利用CMIP5的模式对SAM的未来趋势进了预估。CMIP5模式较CMIP3模式能够更好的刻画SAM的空间特征及长期趋势。在典型排放路径(RCP)4.5情景下，由于温室气体和臭氧的作用相互抵消，本世纪SAM表现为弱的、不显著的上升趋势。而在RCP8.5情景下，由于温室气体的强烈增加，SAM表现为显著的上升趋势，幅度也可达到当前水平。我们对SAM预估中的模式不确定性进行了分析。在臭氧恢复的情景下，发现了模式中南极平流层温度对温室气体响应对未来SAM模拟的重要性。