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水分循能够环维持全球水资源的动态平衡，水汽是成云致雨的物质条件。水汽输送作为地球大气水分循环过程的重要环节，其强弱、路径以及辐散辐合能够直接影响降水的强度与范围，对区域水分平衡起着至关重要的作用。尤其是在全球变暖气候背景下，水循环的变化会对区域性干旱和洪涝等极端天气事件以及气候变化产生重要的影响。本论文从水汽收支诊断方程着手，利用再分析资料和模式模拟输出资料，探究了现代和过去不同气候背景下的水循环变化特征及其可能的物理机制。主要结论如下：
(1)近几十年全球季风区夏季降水的变化特征
全球季风区降水异常主要受到比湿变化引起的热力作用、环流变化引起的动力作用、风暴轴相关的瞬时涡度作用以及局地蒸发量变化的共同影响。全球季风夏季降水在1979至2016年间呈现上升趋势，主要集中于南亚、南非以及北美季风区。同时，全球季风区降水异常与大气环流异常对热带太平洋东西纬向温度梯度增强的响应密切联系。我们发现，近几十年来存在热带中东太平洋变冷，而其他海区变暖的海温异常分布，能够引起季风区对流层底层垂直速度的异常上升，从而导致这些区域动力散度项异常增强，使得水汽异常辐合。最终，以上的过程可以导致近几十年来全球季风区降水的增加。此外，除了南美季风区以外，蒸发对全球大部分季风区呈正的贡献。值得注意的是，近几十年来南亚和北美季风区(南非季风区)降水增加的主要水汽源地来源于副热带东太平洋(副热带大西洋)海区。
(2)全球变暖背景下热带印度洋水汽源地的变化特征
1979年以来，北半球夏季的淡水通量(蒸发减降水；EmP)在热带中东印度洋和热带西南印度洋显著增加。其中，热带中东印度洋EmP的增加主要是由于动力散度项异常作用(贡献约51%)，而热带西南印度洋EmP的增加主要是由于动力平流项的异常作用(贡献约34%)。我们发现，最近几十年来太平洋东-西纬向热力梯度增强，有利于沃克环流增强并向西移动，能够引起印度洋暖池地区的对流运动发生移动，使得热带中东印度洋对流受到抑制，从而引起异常下沉环流。这种异常环流进一步通过动力散度异常，造成对流层底层异常辐散环流，使得该地区EmP增加。同时，近几十年来全球变暖背景下印度洋附近的海-陆热力差异增大，使得热带西南印度洋附近对流层底层的东南风异常增强，通过动力平流项异常造成EmP的增加。
(3)过去暖(冷)期气候背景下ENSO引起的热带太平洋降水量异常的变化
上新世(Pliocene,3.264至3.025百万年前)是距今最近的一个CO2浓度与当今的人为强迫水平相似的过去暖期。末次盛冰期(LGM，大约21千年前)是最近的冰川间隔过去冷期。EC-Earth模式模拟结果显示，相对于PI控制试验，在Pliocene(LGM)时期ENSO引起的降水异常变化在热带西太平洋增强(减弱)，而在热带中太平洋减弱(增强)。依据水汽平衡方程的分解方法，这些ENSO引起的降水异常变化均主要是由于动力作用项异常造成。相关的物理机制可以总结如下：Pliocene(LGM)时期热带印度洋和太平洋之间的纬向温度梯度增强(减弱)，导致沃克环流气候平均态增强(减弱)，并伴随向西(东)异常移动。在Pliocene时期，存在向西移动的平均态沃克环流变化，有利于ENSO引起的垂直速度异常的变化在西太平洋(东太平洋)呈现异常上升(下沉)环流，进而通过动力作用项造成异常水汽辐合(辐散)，从而增大(减小)ENSO引起的降水异常的变化。值得注意的是，在LGM时期则存在与之相反的机制。这些结果表明，在不同气候背景下，ENSO引起的降水异常的变化主要是通过热带印度洋和太平洋之间的温度梯度引起的动力作用贡献的影响。
(4)PlioMIP2模式中全球水分循环变化特征
相对于PI试验，PlioMIP2模式集合平均显示Pliocene气候背景下大致存在“湿的更湿-干的更干”现象，即在热带和中高纬度变湿(降水减蒸发>0，即PmE>0)，而副热带地区变干(PmE<0)。一方面，过去暖期背景下大气的比湿异常增加，引起热力项“湿的更湿-干的更干”作用机制，导致PmE变化。具体而言，大气中水汽增强时，会造成原有平均辐合(辐散)环流的地区水汽辐合(辐散)增强，从而通过经向热力输送项使得更多的水汽从副热带地区向热带输送；另一方面，相对于PI试验，模式结果显示Pliocene时期哈德来环流在北半球减弱而在南半球增强。这种环流异常，使得动力经向输送在北半球有利于水汽异常从热带向副热带地区输送，引起“湿的变干-干的变湿”趋势变化，与热力输送相互抵消；而在南半球则与热力项有协同作用，有利于水汽异常从副热带地区向热带输送，引起“湿的更湿-干的更干”趋势变化。
(1)近几十年全球季风区夏季降水的变化特征
全球季风区降水异常主要受到比湿变化引起的热力作用、环流变化引起的动力作用、风暴轴相关的瞬时涡度作用以及局地蒸发量变化的共同影响。全球季风夏季降水在1979至2016年间呈现上升趋势，主要集中于南亚、南非以及北美季风区。同时，全球季风区降水异常与大气环流异常对热带太平洋东西纬向温度梯度增强的响应密切联系。我们发现，近几十年来存在热带中东太平洋变冷，而其他海区变暖的海温异常分布，能够引起季风区对流层底层垂直速度的异常上升，从而导致这些区域动力散度项异常增强，使得水汽异常辐合。最终，以上的过程可以导致近几十年来全球季风区降水的增加。此外，除了南美季风区以外，蒸发对全球大部分季风区呈正的贡献。值得注意的是，近几十年来南亚和北美季风区(南非季风区)降水增加的主要水汽源地来源于副热带东太平洋(副热带大西洋)海区。
(2)全球变暖背景下热带印度洋水汽源地的变化特征
1979年以来，北半球夏季的淡水通量(蒸发减降水；EmP)在热带中东印度洋和热带西南印度洋显著增加。其中，热带中东印度洋EmP的增加主要是由于动力散度项异常作用(贡献约51%)，而热带西南印度洋EmP的增加主要是由于动力平流项的异常作用(贡献约34%)。我们发现，最近几十年来太平洋东-西纬向热力梯度增强，有利于沃克环流增强并向西移动，能够引起印度洋暖池地区的对流运动发生移动，使得热带中东印度洋对流受到抑制，从而引起异常下沉环流。这种异常环流进一步通过动力散度异常，造成对流层底层异常辐散环流，使得该地区EmP增加。同时，近几十年来全球变暖背景下印度洋附近的海-陆热力差异增大，使得热带西南印度洋附近对流层底层的东南风异常增强，通过动力平流项异常造成EmP的增加。
(3)过去暖(冷)期气候背景下ENSO引起的热带太平洋降水量异常的变化
上新世(Pliocene,3.264至3.025百万年前)是距今最近的一个CO2浓度与当今的人为强迫水平相似的过去暖期。末次盛冰期(LGM，大约21千年前)是最近的冰川间隔过去冷期。EC-Earth模式模拟结果显示，相对于PI控制试验，在Pliocene(LGM)时期ENSO引起的降水异常变化在热带西太平洋增强(减弱)，而在热带中太平洋减弱(增强)。依据水汽平衡方程的分解方法，这些ENSO引起的降水异常变化均主要是由于动力作用项异常造成。相关的物理机制可以总结如下：Pliocene(LGM)时期热带印度洋和太平洋之间的纬向温度梯度增强(减弱)，导致沃克环流气候平均态增强(减弱)，并伴随向西(东)异常移动。在Pliocene时期，存在向西移动的平均态沃克环流变化，有利于ENSO引起的垂直速度异常的变化在西太平洋(东太平洋)呈现异常上升(下沉)环流，进而通过动力作用项造成异常水汽辐合(辐散)，从而增大(减小)ENSO引起的降水异常的变化。值得注意的是，在LGM时期则存在与之相反的机制。这些结果表明，在不同气候背景下，ENSO引起的降水异常的变化主要是通过热带印度洋和太平洋之间的温度梯度引起的动力作用贡献的影响。
(4)PlioMIP2模式中全球水分循环变化特征
相对于PI试验，PlioMIP2模式集合平均显示Pliocene气候背景下大致存在“湿的更湿-干的更干”现象，即在热带和中高纬度变湿(降水减蒸发>0，即PmE>0)，而副热带地区变干(PmE<0)。一方面，过去暖期背景下大气的比湿异常增加，引起热力项“湿的更湿-干的更干”作用机制，导致PmE变化。具体而言，大气中水汽增强时，会造成原有平均辐合(辐散)环流的地区水汽辐合(辐散)增强，从而通过经向热力输送项使得更多的水汽从副热带地区向热带输送；另一方面，相对于PI试验，模式结果显示Pliocene时期哈德来环流在北半球减弱而在南半球增强。这种环流异常，使得动力经向输送在北半球有利于水汽异常从热带向副热带地区输送，引起“湿的变干-干的变湿”趋势变化，与热力输送相互抵消；而在南半球则与热力项有协同作用，有利于水汽异常从副热带地区向热带输送，引起“湿的更湿-干的更干”趋势变化。