全球变暖影响亚洲季风及其与ENSO关系的机理研究

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亚洲季风是全球最具能量的季风系统,影响全球约一半人口。亚洲季风的变异往往会引起天气和气候灾害的发生,严重威胁社会经济的稳定发展。人为温室气体加剧排放引起的全球变暖已经对气候系统产生重要且不可逆转的影响,厘清全球变暖下亚洲季风及其变率的变化机理具有重要意义。本文通过比较CMIP5/6多模式的模拟结果、诊断分析和数值模拟,揭示了亚洲夏季风环流对全球变暖的响应机制;比较分析了全球变暖下和间冰期亚洲夏季风的变化机制,强调了未来增暖情景下亚洲夏季风变化的复杂性;通过探究全球变暖下异常西北太平洋反气旋(Western North Pacific anticyclone,WNPAC)的变化,阐明了全球变暖对亚洲季风与厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)关系的影响机制。全文主要结论如下:(1)揭示了东亚和南亚夏季风环流对全球变暖的差异化响应机制。全球变暖下,亚洲夏季风降水整体增多。然而,东亚和南亚低层季风环流的变化相反:东亚夏季气候态南风增强,南亚夏季气候态西风减弱。通过将亚洲夏季风对全球变暖的响应分解为二氧化碳(CO2)直接辐射强迫引起的响应和海温增暖的间接影响,分析结果证实CO2直接辐射强迫引起的欧亚大陆的快速增暖和青藏高原热力强迫的增强导致了东亚夏季风环流的增强,而南亚夏季风环流的减弱主要来源于热带太平洋类El Ni?o型海温的增暖,并与沃克环流的减弱以及海洋性大陆地区降水的减少紧密相关。(2)全球变暖下CO2直接辐射强迫引起的亚洲夏季风的变化与间冰期亚洲夏季风的变化相似,海温增暖是导致全球变暖下和间冰期亚洲夏季风变化差异的关键因子。在间冰期,亚洲夏季风降水增多,与全球变暖引起的季风变化有一定相似性。然而,水汽收支诊断表明间冰期季风降水的增多来源于季风环流的整体增强,而全球变暖下季风降水的增多来源于大气水汽含量的增加,说明亚洲夏季风在间冰期和全球变暖下的变化机制不同。进一步分析证实全球变暖下CO2直接辐射强迫引起的亚洲夏季风的变化与间冰期亚洲夏季风的变化相似,海陆热力对比的增强导致低层季风环流和季风区内抬升运动整体增强,从而使得季风降水增多。全球变暖下海温的增暖是导致亚洲夏季风在间冰期和全球变暖下变化差异的关键因子。海温的增暖通过削弱海陆热力对比和增强大气静力稳定度,导致季风环流减弱,使得季风降水趋于减少。由于大气比湿随着全球温度升高而增大,全球变暖下大气比湿的增大使得亚洲夏季风降水净增多。(3)揭示了全球变暖下El Ni?o冬季异常WNPAC的变化机制,强调了增强的大气静力稳定度的重要作用。虽然全球变暖下El Ni?o冬季赤道太平洋异常热源增强,但是异常WNPAC强度基本不变。本文将异常WNPAC视为对赤道中东太平洋异常热源的“两步响应”,通过理论分析并结合理想数值试验,阐明了全球变暖下异常WNPAC的变化机制。由于气候态大气比湿增大,冬季El Ni?o在赤道中东太平洋上引起的降水正异常增强。增强的赤道中东太平洋异常热源与增强的气候态大气静力稳定度的竞争作用导致西北太平洋局地异常东北风变化不显著。由于西北太平洋局地气候态比湿负经向梯度增大,负异常湿焓平流增强,使得局地降水负异常增强。最终,西北太平洋局地异常冷源的变化和气候态大气静力稳定度的增强造成的影响相互抵消,导致全球变暖下El Ni?o冬季异常WNPAC强度基本不变。
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