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杨修群教授课题组在东亚夏季降水年代际变率机理研究方面取得重要进展
阅读:392次 发布时间:2018-07-19 12:57

杨修群教授课题组在东亚夏季降水年代际变率机理研究方面取得重要进展


东亚夏季降水存在着显著的年代际(>10年)变化,且其年代际变率有着十分复杂的时空演变特征( 1a)。理解和预测东亚夏季降水的年代际演变规律对国家中长期战略规划有重要的指导意义。东亚夏季降水年代际变率的成因一直是气候变化研究的热点,自上世纪末以来受到国内外学界的持续关注。我校大气科学学院杨修群教授课题组多年来一直开展年代际气候变率研究,目前在年代际海温信号影响东亚夏季降水年代际变率方面取得了重要进展。在年代际时间尺度上,太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO, 1b),大西洋年代际振荡(Atlantic Multidecadal Oscillation, AMO,   1c)以及印度洋海盆一致模(Indian Ocean basin mode, IOBM,   1d)分别是太平洋、大西洋和印度洋海温异常强信号,它们的周期和时间演变具有一定的独立性。以往多数研究只单独考虑某一个海盆海温变化信号,如PDOAMO,对东亚夏季降水年代际变率的影响,但不能很好地解释观测到的东亚降水复杂的年代际变率特征( 1a)。杨修群教授课题组成员综合考虑了PDOAMOIOBM三个主要年代际海洋信号的联合影响,通过它们的不同位相组合,很好地解释过去近百年来观测到的东亚夏季降水年代际变率的形成机理,并可进一步应用于东亚及我国未来降水的年代际气候预测。该研究以“Understanding the Interdecadal Variability of East Asian Summer Monsoon Precipitation: Joint Influence of Three Oceanic Signals”为题,发表在美国气象学会(AMS)期刊《Journal of Climate2018年(第31卷)第14期上。


1 a11年滑动平均的中国东部纬向平均(110°E-121°E)夏季降水异常(单位:mm/day)的时间-纬度剖面图(左侧),右侧曲线为其与11年滑动平均的年代际海温信号指数相关系数随纬度的分布(PDO绿色曲线,AMO紫色曲线,IOBM橙色曲线,曲线加粗部分表示相关系数达到95%的置信水平);(b-d)分别为夏季去除线性趋势并标准化的(bPDOcAMO和(dIOBM指数(填色直方)及其11年滑动平均(粗曲线)的时间演变;(e)为PDOAMO的位相组合(灰色阴影)时段分布,+/-号分别表示正/负位相。


由于PDOAMO周期与时间演变存在差异,两者的正负位相有4种不同组合(   1e),可分为两类,即反位相组合(PDO+/AMO-PDO-/AMO+)和同位相组合(PDO-/AMO-PDO+/AMO+)。当PDOAMO位相相反时,东亚夏季异常降水呈南北向的三极型(Tri-pole)分布,且两种反位相情况下降水异常型线性相反(对称):即当PDO为正(负)位相,而AMO为负(正)位相时,黄淮和华南多(少)雨而长江流域少(多)雨(  2a2b);当PDOAMO位相相同时,东亚夏季异常降水呈南北向的偶极型(Dipole)分布,但两种同位相情况下降水异常型并非线性相反(非对称):即当PDOAMO同为正位相时,华北、黄淮降水偏少而华南降水增多;当PDOAMO同为负位相时,长江流域降水偏少,而黄淮降水偏多(  2c2d)。另一方面,IOBM对东亚夏季降水年代际异常也有不可或缺的影响,会引起南涝北旱型降水异常分布:即当印度洋海盆一致性增暖(变冷)时,华北降水显著偏少(多),而长江流域降水明显偏多(少)(图3)。


 2 不同PDOAMO位相组合下的东亚夏季降水异常分布(单位:mm/day)。两者4种位相组合分别为:(aPDO+/AMO-,(bPDO-/AMO+,(cPDO-/AMO-,(dPDO+/AMO+,其中,黑色等值线和打×区域分别表示90%95%的置信水平。


3 1999-2010IOBM暖位相/PDO-/AMO+)与1946-1961IOBM冷位相/PDO-/AMO+)东亚夏季降水异常(单位:mm/day)的差值分布。其中,黑色等值线和打×区域分别表示90%95%的置信水平。


通过分析相应的大气环流异常与Rossby波活动通量指出,在相同或相反PDO/AMO位相组合下,东亚夏季降水异常型的差异与来自北大西洋的欧亚大陆上空西风带中的异常Rossby波传播有关:即当PDOAMO位相相反时,欧亚大陆上空西风带中有沿西风急流波导传播至东亚的定常Rossby波波列,直接产生东亚北部大气环流异常,影响东亚夏季降水;当PDOAMO位相相同时,异常Rossby波列则主要沿大圆路径传播:来自北美与北大西洋的Rossby波列会引起印度夏季降水异常,而印度夏季降水异常的凝结潜热释放又会激发出新的Rossby波列,并沿大圆路径进一步东传至东亚北部与北太平洋,影响东亚气候异常。同时,基于Rossby波传播理论定量诊断发现,PDOAMO不同位相组合下,地中海东侧上空定常波数的异常变化是影响Rossby波动传播路径的关键因素。

IOBM对东亚夏季降水年代际变率的影响也主要通过其产生的印度夏季降水年代际异常,并且其影响可与PDOAMO不同位相组合的影响线性叠加,起到线性调制的作用。IOBM增暖(变冷)会直接引起印度夏季风降水偏少(多),其产生的非绝热冷却(加热)在对流层高层会激发向下游东亚地区传播的Rossby波波列,在对流层低层会通过Kelvin波响应和热力适应过程在西北太平洋上空产生异常气旋(反气旋)性环流。在西北太平洋异常气旋(反气旋)和东北亚异常反气旋(气旋)性环流的共同作用下,东亚夏季风显著减弱(增强),因而长江流域降水增多(减少),华北降水显著减少(增加),东亚夏季降水呈“南涝北旱”的偶极型(Dipole)异常分布(   4)。

 4 PDOAMOIOBM对东亚夏季降水年代际变率联合影响的机制示意图


近年来,AMO处于暖位相,印度洋持续增暖,PDO正处在由负位相向正位相的过渡转变中。根据本研究的研究成果与结论,预计未来一段时期内“南涝北旱”现象仍将是我国夏季降水异常的主要格局,华北持续干旱,黄淮流域由涝转旱,而我国南方面临洪涝灾害的风险增加。

该研究得到了国家自然科学基金创新群体及面上项目资助。大气科学学院博士生张志琦为论文第一作者,孙旭光副教授和杨修群教授为联合通讯作者,该研究依托中国气象局-南京大学气候预测研究联合实验室完成,南京大学为论文通讯单位。