冬季西太平洋哈德莱环流强度变化及其对亚澳气候的影响

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哈德莱(Hadley)环流是大尺度热力直接驱动的大气环流,它在维持全球热量、角动量和水汽平衡等方面都发挥着重要的作用。Hadley环流的变化对全球气候系统具有显著的调制作用。由于地球纬向下垫面存在海陆分布的差异,因此不同区域的Hadley环流的变化可能存在显著的差异。热带西太平洋处于印太暖池区,是全球对流最频繁的地区,同时也是驱动Hadley环流的主要热源地。该区域Hadley环流的变化对亚澳气候具有重要的影响。因此研究西太平洋局地Hadley环流强度的变化可以提高我们对亚澳地区气候变率的理解,进而提高区域气候预测水平。本论文基于六套大气再分析资料、四套海表温度资料、CRU和中国160个站点的降水和温度资料,利用统计诊断等方法,探讨了北半球冬季西太平洋局地Hadley环流强度的年际变化和相关的影响因子及其对亚澳地区气候的影响,同时还进一步分析了北半球冬季西太平洋局地Hadley环流强度的长期趋势及可能的原因。本论文的主要结论如下:  (1)北半球冬季西太平洋局地Hadley环流强度的年际变化特征及其相关的影响因子  北半球冬季西太平洋局地Hadley环流的气候态特征及其强度的年际变化特征在不同的再分析资料中具有很高的一致性。特别地,冬季西太平洋局地Hadley环流是关于赤道非对称的,其北半球环流圈明显强于南半球环流圈。冬季西太平洋局地Hadley环流的北半球环流圈大约从10°S横跨到40N,主要的上升中心位置大约位于5°S,下沉中心位置大约位于35°N。当冬季西太平洋局地Hadley环流强度增强时,西太平洋热带地区的上升运动和副热带地区的下沉运动都加强。厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)对冬季西太平洋局地Hadley环流强度的年际变化具有重要的调制作用。当ENSO位于负(正)位相时,即对应La Ni(n)a(ElNi(n)o)事件,冬季西太平洋局地Hadley环流的强度增强(减弱)。平均来说,ENSO大约能解释冬季西太平洋局地Hadley环流强度年际变化的25%的方差。然而,还有大约75%的方差是由非ENSO变率来解释的。冬季西太平洋局地Hadley环流强度年际变化中与ENSO无关的部分主要受西太平洋经向海温梯度的调制作用。当西太平洋经向海温南北差异增强时,冬季西太平洋局地Hadley环流的强度增强。因此,除了ENSO,西太平洋局地经向海温梯度也是冬季西太平洋局地Hadley环流强度年际变化的重要因子。  (2)北半球冬季西太平洋局地Hadley环流强度年际变化对亚澳地区气候的影响  去除ENSO信号之后的冬季北半球西太平洋局地Hadley环流强度(WPHCIres)的年际变化依然对亚澳地区气候(降水和地表气温)具有重要的影响。较强(弱)的WPHCIres有利于中国南部地区出现降水偏少(多)和澳大利亚北部地区出现降水偏多(少)的现象。当WPHCIres位于正位相,即北半球西太平洋局地Hadley环流增强时,中国南部地区低层出现异常反气旋,对应低层辐散异常和高层的辐合异常,同时伴随着异常的下沉运动,抑制了中国南部地区的降水。相反,澳大利亚北部地区则存在显著的低层辐合异常和高层辐散异常,同时伴随着异常的上升运动,因此利于当地降水增多。另外,当WPHCIres较强时,中国中部和南部地区的地表气温异常偏高。温度诊断分析表明当WPHCIres位于正位相,即北半球西太平洋局地Hadley环流增强时,中国中部和南部地区出现显著的地表气温倾向正异常,与当地出现的显著地表气温正异常相对应。对于中国中部地区来说,显著增强的地表气温倾向异常主要来源于纬向风异常引起的暖的纬向温度平流的作用和异常下沉运动引起的绝热增温作用。对于中国南部地区来说,显著增强的地表气温倾向异常主要来源于经向风异常引起的暖的经向温度平流的作用。进一步的分析表明WPHCIres与东亚冬季风强度和北太平洋涛动的关系较弱且不显著,这表明了WPHCIres是独立于东亚冬季风、北太平洋涛动和ENSO的另一个影响亚澳地区冬季气候异常的重要因子。研究WPHCIres的年际变化对亚澳地区气候的影响,可以进一步提高我们对亚澳地区冬季气候(降水和地表气温)异常的预测水平。  (3)北半球冬季西太平洋局地Hadley环流强度的长期变化趋势及其可能的原因  北半球冬季西太平洋局地Hadley环流强度的长期变化趋势在不同的再分析资料中存在较大的差异。对于北半球西太平洋局地Hadley环流来说,其中有三套资料(NCEP/NCAR、NCEP/DOE和JRA55再分析资料)表明冬季北半球西太平洋局地Hadley环流具有显著的增强趋势,而另三套资料(ECMWF interim、20CR和气候预报系统再分析(CFSR)资料)并没有表现出显著的增强趋势。特别地,六套资料集合平均的结果也表明冬季北半球西太平洋局地Hadley环流强度并没有出现显著的增强趋势。与北半球相比,南半球西太平洋局地Hadley环流强度的长期变化趋势在六套不同的再分析资料中的差异较小,但依然存在不一致的现象。NCEP/NCAR和NCEP/DOE再分析资料表明南半球西太平洋局地Hadley环流具有显著的增强趋势,但是其他四套再分析资料都没有表现出显著的增强趋势。特别地,六套资料集合平均的结果也表明冬季南半球西太平洋局地Hadley环流强度并没有出现显著的增强趋势。  此外,所有资料都一致表明冬季西太平洋区域平均的大尺度经向海温梯度的变化与西太平洋局地Hadley环流强度的变化密切相关。当北(南)半球西太平洋低纬地区的热带—副热带区域平均海温的差异加大时,即对应热带北(南)半球西太平洋地区大尺度经向海温梯度减弱(增强)时,北(南)半球西太平洋局地Hadley环流的强度增强。因此,冬季西太平洋局地Hadley环流强度的长期趋势与热带西太平洋地区大尺度经向海温梯度的长期趋势密切相关。四套海温数据都表明虽然热带西太平洋地区海温的增暖是显著的,但是其大尺度经向海温梯度并没有出现显著的长期变化趋势,这与六套资料集合平均的冬季西太平洋局地Hadley环流强度没有表现出显著增强趋势的结论一致。综上所述,冬季西太平洋局地Hadley环流强度在近几十年可能并没有增强,虽然并不是所有资料都能一致捕捉到这个信号,这可能与不同资料热带对流层的大气热力结构不同有关。
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