过去千年北大西洋涛动的时空演变及与欧亚气候的不稳定关系

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北大西洋涛动(NAO)是北大西洋地区最重要的大气环流模态,表现为两个活动中心亚速尔高压和冰岛低压的跷跷板式振荡。当NAO处于正位相时,亚速尔高压增强,冰岛低压加深;而当NAO处于负位相时,亚速尔高压减弱,冰岛低压填塞。NAO虽然是北大西洋地区的局地大气模态,但是它能对遥远的东亚气候产生影响。近几十年,人类活动加剧,气候系统发生诸多变化,NAO状态及其与欧亚气候的联系也可能受到人为全球变暖的影响。受限于现代气象资料长度,目前难以对NAO多年代际-百年际尺度的变率进行直接评估。鉴于此,本研究对耦合气候模式过去千年等试验的输出数据进行分析,检测NAO多年代际-百年际尺度的变率及其对欧亚冬季气候的影响。本文的主要结论如下:  (1)过去千年NAO表现出显著的多年代际振荡。从中世纪暖期(MWP)到小冰期(LIA),NAO发生位相转变;在20世纪增暖期(20CW),正位相占主导。NAO在MWP、LIA和20CW三个典型阶段的平均位相具有明显差异,其中MWP阶段与LIA阶段的差异最突出。不同模式的NAO模拟结果存在差别。CCSM4模式模拟的NAO在MWP阶段负位相为主,在LIA阶段正位相为主;而MPI-ESM模式模拟的NAO在MWP阶段正位相为主,在LIA阶段负位相为主。  (2)太阳辐射、火山活动、温室气体和土地利用等外部辐射强迫因素对过去千年典型阶段的NAO状态具有重要影响。从MWP阶段到LIA阶段,太阳辐射和火山活动发生变化,NAO的位相状态随之改变。在20CW阶段,温室气体和土地利用的影响导致NAO大体处于持续的正位相。排除外部强迫的影响,NAO仍然具有多年代际尺度的周期,但正负位相所占比率持平。  (3)现代气象资料发现,近几十年NAO与北大西洋气温的相关关系及NAO与东亚中纬度降水的相关关系都不稳定,均在1980s前后发生突然减弱;于此同时,NAO状态也在1980s前后产生改变,这一变化得到数值试验的支持。模拟结果表明,NAO与北大西洋气温的相关关系及NAO与东亚中纬度降水的相关关系都存在多年代际至百年际尺度的振荡。  不考虑外部辐射强迫的作用,NAO与北大西洋气温的相关关系及NAO与东亚中纬度降水的相关关系都随着NAO方差的变化发生显著周期性振荡,周期约为100-150yr。NAO对北大西洋气温和东亚中纬度降水的影响受到NAO方差的调控。当NAO方差处于高值段,NAO与北大西洋气温的的相关关系较强,与东亚中纬度降水的相关关系显著;当NAO方差处于低值段,NAO与北大西洋气温的相关关系减弱,与东亚中纬度降水的相关关系退化为不显著。加入外部强迫的影响后,NAO与北大西洋气温及NAO与东亚中纬度降水的相关关系受到干扰,表现更加复杂。  (4) NAO与东亚中纬度降水的不稳定相关关系源于NAO对北大西洋气温的不稳定影响。对流层中高层的纬向波列将NAO信号从北大西洋源区传播到东亚,引起东亚上空大气环流结构的变化,从而导致NAO与东亚中纬度降水的相关关系发牛改变。NAO方差处于高值,东亚上空异常的下沉运动、反气旋环流和水汽辐散都增强,使NAO与东亚中纬度降水的负相关关系更强烈;反之亦然。另一方面,NAO活动中心的空间位移对NAO与东亚中纬度降水的相关关系也存在影响。当NAO方差处于高值段时,NAO活动中心向东延伸,有利于NAO与东亚中纬度降水的耦合。
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