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本文首先利用诊断分析详细讨论了近50年全球和太平洋、大西洋、印度洋海表面温度异常(SSTA)的时空变化特征,并对大洋之间的同期和时滞相关关系进行了研究,为海洋上关键区的选取提供了依据。然后利用大气环流模式(CCM3)进行控制实验,对我国以及沿海地区降水、北半球500hPa、100hPa位势高度场以及850hPa风场的季节性变化进行模拟,并与观测结果进行了对比验证。最后,以诊断分析为基础,利用CCM3设计了6组敏感性试验来检验在海洋关键区分别加入正、负海温异常后对我国气候的季节性变化可能造成的影响,并与控制实验结果进行了比较。
通过研究,本文得到的主要结论如下:
1.近50年全球及三大洋海温异常的时空变化特征
全球以及太平洋、大西洋、印度洋三大洋SSTA时空变化的不同模态的空间分布均表现为振荡形式,且具有不同的振荡周期。各大洋之间呈现出较好的整体性、相关性以及大洋之间的协同关系。另外,太平洋的主导地位非常突出。各个模态的振荡周期量化后发现海温变化存在3-4年的年际变化、5-10年的准年代际变化、10年以及10年以上的年代际变化。另外小概率事件的发生说明ElNino和LaNina模态对气候的影响具有很大的不确定性。
不同模态的空间分布中,关键区之间海温变化的同期以及时滞关系十分密切。在全球SSTA的第一模态形势下,北太平洋与西印度洋同期海温变化的负相关显著。赤道太平洋与同期西印度洋海温变化呈显著正相关。北太平洋海温与滞后其半年到一年的赤道太平洋海温的正相关十分显著。赤道太平洋海温与滞后其1到3个月的西印度洋海温变化的正相关关系也非常明显。在第二模态情况中,北太平洋与南大西洋、印度洋的同期海温变化呈明显的负相关。同时南大西洋与印度洋的同期海温变化的正相关极其显著。北太平洋海温与滞后其1个月到1年的南大西洋海温和印度洋海温都具有非常显著的负相关关系。北太平洋海温变化与滞后其1个月到半年的印度洋海温变化具有非常显著的负相关关系。南大西洋和滞后的印度洋关键区的海温变化有着非常显著的正相关关系。在第三模态情形下,南大西洋和东印度洋的同期海温变化正相关非常显著,并且时滞相关也非常明显,体现了南大西洋与印度洋海温变化之间的密切关系。
2.CCM3初步模拟检验
利用CCM3进行控制实验,来检验其对我国以及东亚地区的模拟性能。模拟结果与NCEP观测资料对比发现,CCM3对我国降水的模拟在可接受范围内,基本上能够模拟出降水的季节变化、雨带的移动、雨量的多寡,但是较观测场都有一定的偏差,也存在着小片虚假降水。
500hPa、100hPa高度场季节变化的模拟效果较好,500hPa上东亚大槽以及北美大槽的季节演变比较逼真,100hPa上南亚高压的季节性变化也能够明确的反映出来,模拟误差不大。850hPa风场季节变化的模拟性能也较好,模拟结果充分反映出北半球气压系统的季节性变化。
利用CCM3进行季节变化的模拟是可行的。
3.CCM3对东亚地区气候季节变化的进一步模拟
六组敏感性试验结果表明CCM3对于我国降水季节变化的模拟是较为成功的。海温加入异常后,我国的降水发生了明显的雨带经向、纬向的迁移、雨量多寡的变化,降水范围和雨带形状也都发生了明显的变化。
海温的异常对我国冬季降水的影响要比春季、夏季、秋季降水的影响显著,并且异常在时间上(冬季、夏季)都保持了良好的延续性。
在每一组关键区中加入正、负不同的海温异常场进行模拟,结果表明该异常对我国降水的影响出现了明显的不同。虽然不是针锋相对的异常,但也出现了走势大致相反的情况。另外,关键区中的其它两个海区对我国的降水也会有一定的影响。初始场如此设置可能导致结果未必截然相反的效果,但也在一定程度上体现了关键区的海温与我国降水的相关性。
CCM3对于我国高度场季节变化的模拟效果也较为良好。模拟结果不仅显示出南亚高压、西太平洋副高、东亚大槽明显的季节变化,还清楚的体现了受海温异常影响南压高压和西太平洋副高以及东亚大槽发生的变化。南亚高压和西太平洋副高还有东亚大槽的季节移动与控制实验相差无几,主要的变化表现在高压的强度上。
500hPa东亚大槽的变化不具有整体性,不仅随纬度变化,也受经度的影响。另外,东亚大槽的变化和北美大槽的变化有一定的相似性。冬季东亚大槽以及北美大槽主要根据高纬度和中高纬度的不同,高度场发生不同的变化;海温的异常对东亚大槽以及北美大槽,阿拉斯加高压以及北太平上空的高度场有显著的影响,尤其是在强度方面。变化的中心基本上都位于白令海峡以下或者控制实验模拟出来的东亚大槽的槽线,并且以该处为中心,呈现经向或者纬向的波列振荡形势。
无论是将海温正异常,还是负异常加在北太平洋中的关键区,对于南亚高压的影响都不太明显。受其影响最大的地区还是中高纬度的欧亚大陆上空、白令海峡一带、中高纬北太平洋以及北美大陆的高空场,而且这些地区的高度场的变化都呈现出距平的波列振荡形势。