百年来亚洲中纬度干旱区气温变化对全球两次变暖不同响应的数值模拟研究

【摘要】：亚洲中纬度干旱区是全球纬度最高的干旱区,自西向东横跨西风带气候区和季风气候区,气候特点突出,差异明显,对全球气候变化的响应具有独特性。研究表明,百年来全球经历了两次显著的气候变暖时期,分别发生在20世纪20～40年代和80年代之后；亚洲中纬度干旱区对第二次变暖过程响应明显,然而对第一次变暖过程却基本上没有响应,原因何在?至今不明。针对上述问题,本文首先采用CRU资料研究了亚洲中纬度干旱区地面气温变化特征、遴选出了主要影响环流因子。然后针对CRU资料仅为地面有限要素的局限性,采用数值模拟方法建立了一套地面至50hPa共26层、网格距为2.8125°×2.8125°、要素齐全的全球102年逐月三维格点资料,弥补了现有资料时间序列短、分辨率低的不足,为研究亚洲’中纬度干旱区气候变化及其成因提供了新途径；由此对影响亚洲中纬度干旱区气温变化的北半球极涡、欧亚环流、西太平洋副高等方面进行了系统研究,初步揭示了两次变暖时期各环流因子的变化特征及其对亚洲中纬度干旱区气温两次变暖影响的异同。最后从海-气相互作用的角度,通过数值模拟研究了两次变暖期亚洲中纬度干旱区气温对赤道中东太平洋海温变化的响应特征及差异。主要研究结果如下：1、CRU资料分析表明,与全球气温变化趋势相对应,百年来亚洲中纬度干旱区气温总体也是升高的,除亚洲夏季风影响边缘区外,亚洲中纬度干旱区其余地区气温对第一次全球变暖响应不明显；而对第二次全球变暖响应明显。北半球极涡、欧亚环流及西太平洋副高是影响亚洲中纬度干旱区气温变化的主要环流因子。2、利用数值模式模拟建立的102年格点资料序列,成功地再现了近百年亚洲中纬度干旱区地面气温的变化趋势和两次变暖期的特征,为研究亚洲中纬度干旱区气温变化原因供了新途径。3、从百年来北半球极涡变化及其影响的角度来看,第一次变暖期间,北半球极涡中心位置偏东,其主体主要位于东半球,冷空气抑制了亚洲中纬度干旱区气温对全球变暖的响应；而第二次大幅度变暖期间,北半球极涡中心位置偏西,其主体主要位于西半球,从而有利于亚洲中纬度干旱区气温变化对全球变暖的响应。4、欧亚经纬向环流是影响亚洲中纬度干旱区气温变化的直接因子之一。研究表明,在第一次变暖时期,受极地冷涡主要偏向东半球的影响,欧亚经向环流偏强,冷空气活动次数偏多、强度偏强,与极涡的共同作用,抑制了亚洲中纬度干旱区气温对全球变暖的响应；而第二次变暖期间,受极地冷涡主要偏向西半球的影响,欧亚纬向环流偏强,经向环流偏弱,冷空气活动次数偏少、强度偏弱,使得亚洲中纬度干旱区气温变化对全球变暖响应明显。5、西太平洋副高也是影响亚洲中纬度干旱区气温变化的重要环流系统之一。研究表明,与第一次相比,第二次全球变暖期间西太平洋副高面积更大、强度更强、北界位置更偏北、西伸脊点更偏西,因此西太平洋副高在第二次全球变暖期间对亚洲中纬度干旱区增暖效应显著,而在第一次全球增暖过程中仅对亚洲东部夏季风影响边缘区有增暖效应,对亚洲中纬度干旱区其它地区作用不明显。6、数值模拟试验结果表明,当赤道中东太平洋海温较低时,亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变化响应不显著；当赤道中东太平洋海温较高时,亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变化的响应敏感,表明赤道中东太平洋海温的高(厄尔尼诺)低(拉尼娜)会影响亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变化的响应敏感程度。实际海温分析结果表明,在第一次变暖时期,赤道中东太平洋海温偏低,拉尼娜现象活跃,不利于亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变暖的响应；而第二次变暖时期,赤道中东太平洋海温较高,厄尔尼诺现象活跃,促进了亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变暖的响应。总之,本文研究结果归纳如下：第一次变暖过程中,北半球极地冷涡偏向东半球,导致欧亚经向环流偏强,冷空气活动次数偏多、强度偏强,虽然西太平洋副高略有增强,但其主要影响亚洲东部夏季风影响边缘区,而且赤道中东太平洋海温偏低,诸多因素共同作用,抑制了亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变暖的响应；与第一次相比,第二次全球变暖过程,北半球极地冷涡明显偏向西半球,导致欧亚纬向环流偏强,经向环流偏弱,冷空气活动次数偏少,强度偏弱；并且西太平洋副高面积更大、强度更强、北界位置更偏北、西伸脊点更偏西,加之赤道中东太平洋海温较高,厄尔尼诺现象活跃,促进了亚洲中纬度干旱区气温对全球气候变暖的响应,在上述影响因子的共同作用下,亚洲中纬度干旱区气温对第二次全球变暖作出了明显的响应。 【关键词】：亚洲中纬度干旱区 变暖响应差异原因 大气环流因子 赤道中东太平洋海温
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P435;P423.3
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 选题目的和意义13-14
• 1.2 国内外研究进展14-18
• 1.3 本文主要研究内容18-19
• 1.4 本文研究流程19-20
• 第2章 资料与方法20-28
• 2.1 研究区选取20-21
• 2.2 资料21-22
• 2.2.1 CRU格点气温资料21-22
• 2.2.2 ERA-40资料22
• 2.2.3 北半球大气环流因子资料及实况海温资料22
• 2.3 方法22-28
• 2.3.1 标准化均方根误差22-23
• 2.3.2 相关系数23-24
• 2.3.3 M-K突变检验24
• 2.3.4 克里金插值24-25
• 2.3.5 北半球部分大气环流因子25-27
• 2.3.6 气候数值模拟27-28
• 第3章 亚洲中纬度干旱区气温变化及其主要影响环流因子实测资料分析28-52
• 3.1 亚洲中纬度干旱区空间分区28-29
• 3.2 百年来亚洲中纬度干旱区气温变化特征29-33
• 3.2.1 年平均气温变化特征29-31
• 3.2.2 两次主要全球变暖过程中亚洲中纬度干旱区各区域气温变化特征31-33
• 3.3 影响亚洲中纬度干旱区气温变化的环流因子33-34
• 3.3.1 影响环流因子33
• 3.3.2 主要影响环流因子遴选与确定33-34
• 3.4 主要环流因子与亚洲中纬度干旱区气温时空关联特征34-49
• 3.4.1 北半球极涡与亚洲中纬度干旱区气温变化的时空关联性34-40
• 3.4.2 欧亚经纬向环流与亚洲中纬度干旱区气温变化的时空关联特征40-45
• 3.4.3 西太平洋副高与亚洲中纬度干旱区气温变化的时空关联特征45-49
• 3.5 本章小结49-52
• 第4章 NCAR CAM3对亚洲中纬度干旱区气候变化数值模拟及检验52-64
• 4.1 NCAR CAM3全球气候模式介绍52-55
• 4.1.1 NCAR CAM3发展历史及其动力框架的改进52-54
• 4.1.2 NCAR CAM3物理过程及其参数化方案改进54
• 4.1.3 NCAR CAM3中的海洋模型54
• 4.1.4 海冰热力学54-55
• 4.2 控制试验模拟方案及试验过程55-56
• 4.3 北半球500hPa等压面位势高度场检验56-59
• 4.4 亚洲中纬度干早区气温变化检验59-63
• 4.4.1 整个区域气温变化模拟效果检验59-62
• 4.4.2 各子区域模拟年气温相关性分析62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 北半球极涡及欧亚环流对亚洲中纬度干旱区气温变化影响的数值模拟研究64-74
• 5.1 百年来北半球极涡变化对亚洲中纬度干旱区气温影响的数值模拟65-69
• 5.1.1 北半球环流指数的计算及检验65
• 5.1.2 百年来北半球极涡中心位置年变化及其对亚洲中纬度干旱区气温影响分析65-68
• 5.1.3 百年来亚洲区极涡面积年变化及其对亚洲中纬度干旱区气温影响分析68-69
• 5.2 百年来欧亚环流变化对亚洲中纬度干旱区气温变化影响的数值模拟69-72
• 5.2.1 欧亚经纬向环流指数计算及检验69-70
• 5.2.2 百年来欧亚经纬向环流变化及其对亚洲中纬度干旱区气温影响分析70-72
• 5.3 本章小结72-74
• 第6章 西太平副热带高压对亚洲中纬度干旱区气温变化影响的数值模拟研究74-85
• 6.1 西太平洋副热带高压各环流指数的计算及检验75-76
• 6.2 百年来年西太平洋副高面积变化及其对亚洲中纬度干旱区气温影响分析76-79
• 6.3 百年来西太平洋副高北界位置变化及其对亚洲中纬度干早区气温影响分析79-81
• 6.4 百年来西太平洋副高西伸脊点变化及其对亚洲中纬度干旱区气温影响分析81-84
• 6.5 本章小结84-85
• 第7章 亚洲中纬度干旱区气温变化对赤道中东太平洋海温变化响应的数值模拟研究85-101
• 7.1 亚洲中纬度干旱区年平均气温对赤道中东太平洋冬季海温异常响应的数值试验85-91
• 7.1.1 方案设计85
• 7.1.2 结果分析85-91
• 7.2 亚洲中纬度干旱区年平均气温对赤道中东太平洋春季海温异常响应的数值试验91-96
• 7.2.1 方案设计91
• 7.2.2 结果分析91-96
• 7.3 百年来赤道中东太平洋冬春季海温的变化及其对亚洲中纬度干旱区气温的影响96-99
• 7.3.1 百年来赤道中东太平洋冬季海温变化及其对亚洲中纬度干旱区气温的影响96-98
• 7.3.2 百年来赤道中东太平洋春季海温变化及其对亚洲中纬度干旱区气温的影响98-99
• 7.4 本章小结99-101
• 第8章 总结与讨论101-105
• 8.1 全文总结101-103
• 8.2 特色与创新点103
• 8.3 存在的问题及下一步研究计划103-105
• 参考文献105-119
• 在学期间的研究成果119-121
• 致谢121

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