全球变暖和年代际太平洋振荡对热带气旋长期变化影响的研究

来源 :南京信息工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jackywang1980
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热带气旋活动(包括生成频数、路径、强度等)受到多种时间尺度因子的影响。长期以来,前人大多关注天气尺度、季节尺度、到年际尺度热带气旋活动的规律及机理。相对而言,对其长期变化(包括年代际变化和趋势变化)的认识还不足,在其影响机理方面还存在着诸多争议。本文围绕热带气旋长期变化这一主题,从全球变暖外强迫和大气内部气候变率影响入手,基于统计分析方法和大气环流模式模拟,系统地研究了热带气旋活动年代际变化和长期趋势的成因及其机理问题,得到了以下五点主要结论:(1)、发现了1980年以来强热带气旋(3-5级)活动在东亚沿海地区显著增多,而在西北太平洋(WNP)东南侧显著减少的现象,并指出这一现象主要是由全球变暖停滞(GWH)海温型导致的。前人研究指出GWH主要是由于GW和负位相IPO共同导致:主要表现为热带东太平洋拉尼娜型(La Nina-like)的海温冷却、印度洋和热带大西洋的持续增暖。我们的研究发现,最近GWH导致了 1998年以来东亚沿海地区强热带气旋发生频次(路径)的显著增加。GWH海温型在WNP区域激发了气旋和反气旋式的一对异常环流以及赤道东风异常,这有利于热带气旋在WNP西侧加强,而在东南侧增强的垂直风切和异常的反气旋式环流则抑制热带气旋的生成以及增强。ECHAM大气环流模式模拟也进一步验证了 GWH海温型分布对WNP强热带气旋路径的影响。(2)、讨论了全球变暖不同增暖型(ElNino-like和LaNnia-like)的情景下,北半球各海盆热带气旋活动的不同特征及机理。全球变暖可表现为两种增暖型:El Nino-like型和La Nina-like型增暖。基于美国地球流体动力实验室提供的高分辨率大气模式(GFDL-HIRAM),我们针对上述两种增暖型设计了两组试验,结果发现:(a)El Nino-like型和La Nino-like型增暖均导致WNP热带气旋生成频数(TCGF)减少以及东北太平洋(ENP)TCGF增多;而对北大西洋(NA)TCGF的影响则呈现不同,前者导致NA TCGF显著减少,后者则导致NA TCGF显著增多;(b)尽管El Nino-like和La Nina-like型增暖对WNP TCGF的影响类似,但其影响的机理明显不同:El Nino-like型增暖引起WNP偶极子型大气环流异常,并联合印度洋增暖共同抑制了 WNPTC的生成;而La Nina-like型增暖主要是通过增强的赤道东风异常,抑制WNP TC的生成。(3)、揭示了1998年以来WNP TCGF显著减少主要是由于太平洋年代际振荡(IPO)由正位相到负位相的转换所致。已有研究指出WNP TCGF(1980-2015年)自1998年以来显著减少。本文使用客观的聚类分析方法,基于路径分类,将西北太平洋热带气旋分为显著不同的三类路径型,结果发现:(a)近年来WNPTCGF减少主要是由于生成位置在菲律宾以东、15°N以南这一类(Cluster 1,C1)热带气旋的生成频数减少所导致的,而其他两类热带气旋的生成频数并没有显著的年代际变化;(b)太平洋年代际振荡(IPO)在近期(1998-2013)处于负位相并表现出拉尼娜型(La Nina-like)的海温异常,这种异常的海温型造成赤道东风增强,季风槽显著减弱并且西移,WNP东南区域垂直风切加大,有效地抑制了 WNP东南区域热带气旋的生成,最终导致整个WNP TCGF在近年来的显著减少。延长资料长度(1945-2015)并利用GFDL耦合模式500年资料一致得到了上述结论。(4)、揭示了南北半球海温梯度(SSTG)与WNP TCGF的年际关系在1970年代中期发生年代际跃变并解释了其跃变的机理。前人的研究已经指出春季(3-5月)西南太平洋区域(40°-20°S,160°E-170°W)与西北太平洋暖池(EQ-16°N,125°-165°E)区域之间的海表面温度梯度(SSTG)与1980-2011年6-10月WNP TCGF具有很好的年际关系。我们进一步研究发现,两者之间的年际相关并不是稳定的,在1970年代中期前后年际关系发生了显著的年代际变化:在1945-1974年(前期),SSTG与WNP TCGF的年际相关并不显著;而在1979-2015年(后期),两者相关关系显著增强。这一跃变机理可以归纳为以下两方面:(a)前期受东部型(EP)ENSO的抑制作用,SSTG对西北太平洋热带气旋的影响较弱。由于EPEl Nino引起WNP东南侧气旋式环流异常和西北侧反气旋式环流异常,这样的环流形势不利于SSTG对西北太平洋热带气旋的影响;而自1979年以来,中部型(CP)厄尔尼诺(El Nino)明显增多,其有利于WNP气旋式环流异常,从而进一步加强了 SSTG对WNP TCGF的作用;(b)在前期,东南太平洋区域的海温从春季到夏季的持续性较弱;而在后期,SSTG与海温的相关显著,并从春季一直维持到整个夏季。我们进一步利用ECHAM大气环流模式验证了上述结论。(5)、客观分离了全球变暖(GW)和太平洋年代际振荡(IPO)模态对北半球三个海盆(西北太平洋,东太平洋和北大西洋)热带气旋活动影响的不同特征,并定量评估了GW和IPO对各海盆热带气旋影响的相对贡献。GW强迫和内部气候变率影响相互叠加使得热带气旋长期活动异常复杂。本文利用奇异向量分解(SVD)和美国GFDL-HIRAM模式分离了二者对热带气旋路径密度(发生频次)长期变化的影响,结果表明:在1960-2014年,(a)GW导致了东北太平洋和北大西洋热带气旋发生频次有显著的增长趋势,而西北太平洋的热带气旋频次则表现为减弱的趋势。一方面GW背景下印度洋和大西洋显著增暖,从而抑制了西北太平洋热带气旋路径的频次但有利于北大西洋热带气旋活动;另一方面GW背景下太平洋表现出的拉尼娜型(La Nina-like)的增暖趋势有利于抑制西北太平洋热带气旋活动但加强东北太平洋热带气旋路径频次。(b)IPO正位相(负)有利于太平洋海域热带气旋发生频次一致增多(减少),而北大西洋热带气旋路径频数则显著减少(增多)。相对重要性评估结果显示,西北太平洋海域热带气旋活动主要受IPO的影响,GW的作用次之;北大西洋热带气旋路径密度主要以GW的作用为主;而东北太平洋热带气旋路径密度变化则是GW和IPO的共同作用的结果。
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