东北亚气候过渡带夏季降水年际和年代际变化及其成因研究

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东北亚气候过渡带地处中高纬度之间,位于东亚季风区的北边缘位置。该地区主要被干旱和半干旱带所覆盖,包含多种多样的生态系统,包括森林,草原,农田和沙漠等。作为生态脆弱带和农牧业交错带,该地区对气候变化尤为敏感,复杂的气候变化可以对农业生产,经济和社会发展等造成深远的影响。由于该地区的年总降水量少,年际变率大,降水的变化可以显著影响生态系统的稳定性,如植被的覆盖面积,草原荒漠化和湖泊面积的收缩等。同时,作为影响干旱发展的重要因子之一,降水的持续减少还会使得干旱问题进一步发展,严重危害该地区的农牧业发展以及社会生活等。鉴于降水变化对该地区持续性发展的重要性,本文从年际和年代际的角度分析了降水的演变特征,包括相应的大气环流异常和水汽输送通道的改变等。主要的研究成果如下:  (1)东北亚气候过渡带与西伯利亚水汽收支的对比分析:夏季东北亚气候过渡带和西伯利亚之间的降水变化呈现偶极子的模态,且主要与欧亚大陆上空的遥相关波列有关。由于水汽输送是影响降水的主要因子之一,因此对比分析了这两个地区的水汽收支状况。结果显示,在年循环的尺度上,局地蒸发对这两个地区降水的贡献最大。而在年际变化的尺度上,水汽辐合是影响降水变化的主导因子。基于水汽输送的重要性,进一步将其分解为与平均流有关的定常分量和与气旋活动有关的瞬变分量。在年循环的尺度上,定常和瞬变水汽输送共同主导这两个地区总的水汽收支。然而在年际变化的尺度上,定常水汽输送是影响总的水汽收支的主导因子,瞬变水汽输送的作用较小。此外,通过合成分析的方法,分别讨论了与东北亚气候过渡带和西伯利亚干湿年有关的定常和瞬变水汽输送环流。  (2)五月北大西洋涛动和后期夏季降水的关系:在年际变化的尺度上,夏季东北亚气候过渡带降水与前期五月的北大西洋涛动(NAO)显著相关。但是二者的关系并不稳定,在70年代末以前二者之间没有显著的关联,而在70年代末以后,二者的关系显著加强。对比研究发现,70年代末以前与五月NAO有关的大气环流异常局限在北大西洋区域,这种异常仅仅可以持续到六月份。而70年代末之后,与五月NAO有关的大气环流异常与典型的北极涛动(AO)的模态类似,并且该信号一直可以持续到七月份,从而影响到七月份的降水。进一步的研究发现,极地-欧亚大陆型(POL)是联系五月NAO与七月降水的重要桥梁。在70年代末以后,五月NAO与七月POL的关系显著加强,从而显著加强了与夏季降水的联系。至于五月NAO与七月POL关系的年代际加强,可能与70年代末北半球极涡的年代际收缩有关。  (3)90年代末降水的年代际减少:东北亚气候过渡带的夏季降水在90年代末发生了一次明显的年代际减少。90年代末以后,地表温度和蒸散强度明显地增加,而土壤湿度异常降低。同时,植被覆盖率也表现为明显减弱的趋势。这些因子的异常变化,均反映了干旱问题的加剧。为了进一步验证干旱的发展,这里主要利用三种干旱指数(标准化降水指数,标准化的降水蒸散指数以及自校正的帕尔默干旱指数)来表征干旱的演变。结果显示,这三个干旱指数均在90年代末发生了明显的年代际减少,这说明90年代末伴随着降水的年代际变化,该地区的干旱问题也呈现进一步恶化的趋势。通过对比90年代末前后大气环流的异常,发现此次降水的年代际变化主要与出现在欧亚大陆上空的遥相关波列有关,该波列从欧洲西部向东传播至东北亚地区。模式试验的结果表明,北大西洋海温的异常增暖可以触发该波列的产生,进而导致东北亚气候过渡带降水出现年代际的减少。  (4)与90年代末降水年代际变化有关的水汽输送的分析:通过计算,在年代际的尺度上,降水与500百帕垂直运动以及水汽辐合均是显著相关的,通过了90%的信度检验。这表明,除了垂直运动的作用外,水汽辐合的变化也是此次降水年代际减少的影响因子之一。进一步的分析显示,在90年代末以前,东北亚气候过渡带被异常的气旋性水汽输送环流控制,此时与西风带和东亚季风有关的水汽输送较强,将水汽从东北亚的西部和南部输送至东北亚气候过渡带,有利于水汽辐合;而90年代末以后,反气旋性的水汽输送环流出现在东北亚气候过渡带,这种情况下西风和西南风水汽输送明显减弱,导致东北亚气候过渡带出现异常的水汽辐散。此外,边界水汽输送的分析显示,在90年代末以前,经向水汽输送主导总的水汽收支的演变,而90年代末以后,纬向和经向水汽输送均是主要的影响因子。进一步的分析表明,与扰动风场有关的水汽输送分量主导了90年代末东北亚气候过渡带水汽输送环流的演变。
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