北极增暖与欧亚冬季气候间的联系及物理机制研究

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随着全球变暖,北极海冰快速融化、北极增暖加速;与此同时,欧亚大陆冬季出现变冷趋势、极端低温事件频发。在此背景下,北极增暖对欧亚冬季气候的影响备受学术界和公众的关注。本文利用多套再分析资料、国际耦合模式比较计划(CMIP5)的模拟和预估资料、以及GREENICE项目大气模式试验数据,围绕“北极增暖与欧亚冬季气候间的联系”,探讨了北极增暖与西伯利亚高压联系的年代际变化特征,指出了北极对流层中上层偏暖在“北极偏暖、欧亚偏冷”模态中的可能作用,揭示了气候模式对“北极偏暖、欧亚偏冷”模态的模拟效果与北极暖中心垂直延伸范围的关系,并分析了欧亚大陆秋季积雪范围异常对冬季“北极偏暖、欧亚偏冷”模态的影响,最后讨论了冬季“北极偏暖、欧亚偏冷”模态在月际尺度上的变化特征。论文的主要研究结论如下:(1)北极增暖与西伯利亚高压的联系在20世纪90年代末之后显著加强。1997–2017年冬季,当巴伦支海—喀拉海表面气温偏高时,西伯利亚高压加强西伸,东亚急流加强西伸,有准定常Rossby波列从极地向下游传播;巴伦支海—喀拉海与西伯利亚之间形成一个大气桥,促进了北极增暖与西伯利亚高压联系的加强。1979–1996年冬季,北极增暖与西伯利亚高压的联系偏弱。进一步分析表明,北极对流层中上层增暖可能是北极增暖与西伯利亚高压的联系在20世纪90年代末之后显著增强的重要原因。(2)“北极偏暖、欧亚偏冷”模态取决于北极暖中心的垂直延伸范围。基于再分析资料、CMIP5多模式结果、GREENICE项目大气模式试验数据的分析结果一致表明,当北极暖中心可以延伸到对流层上层时,欧亚大陆显著偏冷;当北极暖中心限于对流层低层时,欧亚大陆未出现明显冷异常。相比于北极浅层暖冬季,北极深层偏暖冬季更易出现中纬度西风急流显著减弱、乌拉尔山阻塞高压加强的情况。天气尺度的分析结果显示,北极深层暖超前于欧亚冷异常、且与乌拉尔山阻塞高压之间存在正反馈作用。(3)欧亚大陆秋季积雪范围异常对冬季“北极偏暖、欧亚偏冷”模态的影响。当10月欧亚大陆北部(58°–68°N,30°–90°E)积雪范围异常偏少时,冬季各月的气温异常均有“北极偏暖、欧亚偏冷”分布型,但异常在1月最为显著;同时,1月东亚大槽显著加深、乌拉尔山阻塞高压显著偏强。进一步分析表明,欧亚秋季积雪范围异常会激发准定常行星波1波从对流层低层向平流层延伸,到11–12月准定常行星波1波主要位于平流层和对流层上层,并于次年1月下传至对流层低层,进而对1月气候产生影响。(4)冬季“北极偏暖、欧亚偏冷”模态在月际尺度上的特征。观测结果显示,欧亚冬季气温异常在不同月份之间存在反转的情况(比如前冬偏暖、后冬偏冷)。分析结果表明,月际尺度上欧亚气温异常的前后冬反转与北极气温异常的月际反转存在密切的联系,且北极气温异常的变化超前于欧亚气温异常,体现北极增暖的可能影响。另外,1979–2018年间,有42.5%的冬季发生了类似的欧亚气温异常的月际反转,表明未来研究有必要关注中高纬度冬季气候在月际尺度上的变化特征和成因。
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