南半球环状模对青藏高原及周边气候的可能影响

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全球大气作为统一整体,南北半球间通过海洋-大气耦合过程及其相伴随的质量、动量和热量等的交换相互影响。南半球环状模(Southern Hemisphere Annular Mode,简称SAM)是南半球热带外大气环流大尺度变化的主模态。SAM异常活动引起的气候变化不仅仅局限在南半球,还可以越赤道调控北半球天气气候的变化。本文利用观测诊断分析结合数值模式试验研究了SAM与青藏高原及周边区域气候的可能联系,并揭示了SAM跨季节越赤道传播影响北半球区域气候的物理机制。得到的主要结论如下:(1)发现前期春季SAM与后期夏季高原西部积雪和印度夏季风降水的年际变率呈显著正相关关系。在春季SAM越赤道影响夏季亚洲气候过程中,印度洋海温和热带降水分别扮演了重要的“海洋桥”和“大气桥”的角色。前期春季SAM通过海气热量通量交换将信号存储在印度洋经向三极子(Indian Ocean tripole,简称IOT)海温中,由于海洋的热惯性,该IOT海温异常可以持续到后期夏季。一方面,IOT海温中位于中低纬的偶极子部分通过调控局地垂直经圈环流场和越赤道气流的变化直接影响到印度夏季风降水的变化。另一方面,该IOT海温将SAM信号传递给热带,引起热带印度洋和海洋性大陆地区的偶极子降水(Tropical dipole rainfall,简称TDR)异常。波射线诊断分析的结果表明该TDR在中低层环流背景下将降水异常释放的潜热能量传播到高原西部,引起该区域的环流场变化,进而影响高原西部积雪年际变率。(2)利用21年滑动相关方法揭示了春季SAM与长江流域夏季降水的关系存在显著的年代际转折:1958-1987年期间,两者相关性很弱。而在1988-2012年期间两者呈显著正相关。SAM与印度洋海温关系的年代际变化可能是造成这种年代际转折的主要原因。在1987年以前,由于SAM与海洋的热量交换不显著,很难将信号存贮在印度洋中,进而难以影响到后期北半球的气候;而在1988年以后,通过显著的海气相互作用,春季SAM异常引起南印度洋三极子海温异常,该海温异常与上文提到的SAM影响高原积雪的IOT海温一致。IOT海温持续到后期夏季可以调控热带印度洋-海洋性大陆降水异常。海洋性大陆降水异常释放的潜热引起的遥相关不仅可以影响到高原西部的环流,还可以向北沿着大圆路径传播,调控垂直经圈环流以及西北太平洋反气旋进而影响长江流域夏季降水的年际变率。此外,利用CMIP5模式的结果发现能够抓住SAM与长江流域降水显著正相关的模式,也能模拟出IOT海温异常和海洋性大陆降水异常,进一步证实了IOT海温和海洋性大陆降水是SAM与长江流域夏季降水关系在1988年后显著增强的重要桥梁。(3)揭示了秋季SAM与东亚冬季降水年际变化的显著负相关关系,基于观测分析和数值模式试验发现其物理机制与春季SAM影响东亚夏季气候的物理机制不同。联系秋季SAM与东亚冬季降水的关键因子是位于南大西洋-太平洋上的偶极子(South Atlantic–Pacific dipole,简称SAPD)海温异常。该SAPD将秋季SAM信号延续到后期冬季,调节太平洋热带辐合带(Inter-tropical Convergence Zone,简称ITCZ)的变化。随后,ITCZ通过大气遥相关引起东亚上空盛行异常高压(或低压),有利于东亚东季降水偏少(或偏多)。
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