欧亚积雪与低纬高原5月降水异常关联及其机理研究

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低纬高原是位于南北纬30度之间,平均海拔高度超过1500m的区域。本文探究了欧亚大陆冬春季节的积雪与中国低纬高原5月降水的联系和相关作用机制。本文运用奇异值分解(SVD分析)、合成分析以及显著性检验等方法,探究了欧亚积雪与低纬高原5月降水的相关动力过程。其中,去除了气候态上积雪的下降趋势,以排除全球变暖的影响。我们还使用了线性斜压模型LBM来验证上述机制。获得的主要结论如下:(1)北半球积雪存在显著的时空变化。一般地,积雪在每年秋季由北至南开始建立,在冬季达到积雪覆盖面积的峰值,又在每一年的春季逐渐开始消退。北半球每年冬季积雪覆盖面积极广,可以延伸至北纬35度附近,在个别地区,如中国的青藏高原,即使在北纬20度附近可以存在积雪。每年冬季,积雪变率最大的区域集中在常年积雪覆盖地区的南边界,这些区域的积雪异常与大气环流有密切的关联。北半球的积雪存在长期下降的趋势。欧亚积雪主要存在南北反向以及东西偶极子两种主要模态。除了积雪长期下降趋势外,在2000年前后,欧亚积雪还存在显著的年代际变化。(2)欧亚大陆西部的积雪与低纬高原5月降水存在显著的关联。由SVD第一模态显示,当欧亚大陆西部区域积雪偏多时,中国的低纬高原地区5月降水大量偏少,反之亦然。这个积雪-降水的关系可以解释低纬高原5月降水异常的变化,且与ENSO的调制无关。积雪冷却效应会在近地面造成异常低温,通过积雪-反照率效应和积雪-水文效应影响地气之间的辐射平衡。相应的,伴随着增多的向上短波辐射通量项以及潜热通量项等。在本例中,积雪主要通过影响地表反照率和近地面低温来影响大气,积雪-水文效应的作用较小。(3)欧亚大陆积雪偏多时,通过积雪的冷却效应在局地造成的异常低温可以影响经向温度梯度,使得欧亚大陆上空的副热带西风急流强度增强且位置偏北。这样的异常环流可以延续至下游地区,在5月在急流北侧激发气旋性环流,减弱蒙古高压;在南侧激发反气旋性环流,影响低纬高原降水。这样的环流配置使得来自北部的冷空气和来自南部的水汽难以影响低纬高压地区,造成降水偏少。另外,伴随着急流次级环流产生的异常下沉气流也有助于增加低纬高原上空大气的稳定性,对该地区的降水产生不利影响。同时我们还可以用Rossby的传播来解释欧亚积雪异常对于低纬高原降水的影响。欧亚积雪通过其冷却效应导致的异常低温可以影响该地区上空的大气垂直层结分布,作为Rossby波的波源。产生的Rossby波传播至下游地区,最终可以影响低纬高原的降水。(4)我们通过线性斜压模式LBM验证了上述关键物理过程。使用合成的积雪异常关键区上空的温度廓线作为外源冷强迫进行模拟。模式模拟的结果可以重现异常偏冷的气温与增强的西风急流和急流经向位移之间的关系,并且也重现了蒙古上空的气旋性环流以及低纬高原上空的反气旋性环流,较好地重现了影响低纬高原5月降水的环流配置。并且使用SVD第一模态的积雪时间序列,构建一元回归方程,也可以很好地对于低纬高原5月降水指数进行预测。
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