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近50年中国冬季气温和冬季风以及区域环流的年代际变化研究

作　者: 梁苏洁
导　师: 丁一汇；赵南
学　校: 中国气象科学研究院
专　业: 气象学
关键词: 冬季气温东亚冬季风年代际变化 NAM/AO PDO ENSO
分类号: P434
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

IPCC第五次评估报告指出，全球平均气温自1998年以来并没有呈现显著上升（基本趋平），即进入所谓全球变暖趋缓或停顿时期，并且这种变化还有可能持续一段时间。在这一背景下，重新对我国气温及其相关的区域环流的年代际变化特征进行研究是具有科学和实际意义的，有助于深入理解全球气候变化对区域温度和环流影响的过程和机制。本文的研究主要得到下列结论：（1）对中国大陆1960~2013年53个冬季气温的年代际变化特征进行分析和气候跃变检验发现，中国冬季气温在整体变暖的趋势上叠加有年代际波动，可划分为冷期、暖期和停滞期三个时期。并据此对比分析三个阶段内东亚大气环流和东亚冬季风强度的差异，结果表明，伴随着气温的冷-暖-冷变化，东亚冬季风的强度也出现了强-弱-强的变化。并且东亚高空急流、东亚大槽和西伯利亚高压也出现了类似的年代际变化。在上述研究的基础上，将PDO的年代际变化分量作为背景，分析NAM/AO和ENSO不同配置下对中国冬季气温和东亚冬季风环流的影响，结果发现，PDO和ENSO这两种海洋表层温度变率模态与NAM/AO的不同配置，对中国冬季气温和冬季风以及极端低温事件有不同的影响。它们不仅影响中国冬季气温一致型（EOF1）的年代际变化，而且也可以影响到冬季气温南北反相分布型（EOF2）的变化，这从自然原因方面解释了1980s和1990s中国快速变暖与最近十年北方降温趋势较为明显的观测事实。研究也指出当PDO为负位相时，NAM/AO也常出现负位相。（2）本文进一步揭示了NAM/AO直接影响我国冬季气温的两种方式。对此着重分析了NAM/AO指数异常事件中北极冷空气活动的优势路径及其对中国冬季气温的影响途径和方式。研究结果表明，在正NAM/AO指数异常事件中，北极地区近地面冷空气大多被局限在中高纬地区，极区为气旋式运动。极区冷空气较少地影响到我国北方地区，气温偏高。但在指数下降过程中，东欧槽和南支槽加深，这有利于欧洲中高纬冷空气向东侵入中国，同时也利于孟加拉湾水汽向中国华南地区输送，为造成大范围寒潮天气甚至冰冻雨雪天气提供了有利条件。第二种影响方式，是发生在NAM/AO为负指数异常时期，这种情况下极区存在反气旋式运动，同时中纬度地区的经向环流型加强，并且在指数下降阶段出现了强烈影响欧亚大陆的冷空气活动路径，冷空气团可以直接进入我国东北部地区，造成东北地区大范围的寒潮暴雪等剧烈天气，同时可进一步向南传播造成我国东部地区的大范围降温。（3）在上述大尺度环流背景下，本文分析和讨论了不同类型的强区域持续性极端低温事件的发生频率和路径。结果表明，我国的强区域持续性极端低温事件在冷期多发且强度更强，而暖期较少强度减弱，停滞期爆发频率增加。尤其是在NAM/AO负指数时期，东北型极端低温事件的爆发频率和强度增加。（4）本文还用6个CMIP5模式评估和预估了中国冬季气温变化。模拟的结果表明，模式大多基本能模拟出冷暖时期的突变时间，并且中国区域冬季气温一致型（EOF1）增暖的变化趋势模拟较好。模式结果也可以大体反映出南北反向型（EOF2）的时空变化。但在冷暖期的突变时间点以及两个模态的模拟上，BCC-CSM-1.1模式模拟的结果与实际观测相比较其他模式更为符合。在高、中、低三种排放情景下的模式预测结果表明，未来中国区域的冬季气温仍呈现上升趋势，并叠加有年代际变化，其中停滞期大致在2010~2025年期间结束，之后中国冬季气温继续加速上升。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
目录  10-13
第一章引言  13-27
  1.1 我国冬季气温时空变化特征的研究进展  13-14
  1.2 大气环流和区域模态对中国冬季气温变化的影响  14-18
    1.2.1 东亚冬季风系统对中国冬季气温变化的影响  14-17
    1.2.2 北半球环状模/北极涛动对东亚冬季风的影响  17-18
  1.3 北太平洋海温和大气环流的配置作用对中国冬季温度的影响  18-19
  1.4 其他因子对中国冬季温度的影响  19-21
  1.5 NAM/AO 天气尺度影响的研究进展  21-22
  1.6 中国冬季区域极端低温事件的研究进展  22-23
  1.7 选题依据和研究意义  23-25
  1.8 研究的内容和章节安排  25-27
第二章资料和方法  27-37
  2.1 资料来源及选取  27
    2.1.1 站点温度资料  27
    2.1.2 大气和海温资料  27
  2.2 观测资料的质量控制  27-29
  2.3 方法简介  29-37
    2.3.1 阈值的确定  29
    2.3.2 趋势及显著性检验方法  29-30
    2.3.3 经验正交分解方法  30-31
    2.3.4 旋转经验正交分解方法  31-32
    2.3.5 相关系数及显著性 t 检验  32-33
    2.3.6 趋势系数  33
    2.3.7 Mann-Kendall 法  33
    2.3.8 一元线性拟合计算趋势变化  33-34
    2.3.9 基于 t-检验的循序算法 STARS(Sequential T-test Analysis of Regime Shift)  34-35
    2.3.10 区域性极端温度事件的判别  35-36
    2.3.11 区域面积计算方法  36-37
第三章中国冬季气温的时空变化特征  37-55
  3.1 中国冬季温度的年代变化特征  37-41
  3.2 中国冬季温度的区域变化特征和区域划分  41-48
  3.3 中国冬季极端温度的变化特征  48-52
    3.3.1 极端温度事件  48-51
    3.3.2 区域性极端事件  51-52
  3.4 结论与讨论  52-55
第四章影响中国冬季气温年代际变化的环流特征和海温信号  55-69
  4.1 大气环流的对比分析与中国年代际气候变化  55-62
  4.2 海温对中国年代际变化的可能影响  62-68
  4.3 结论和讨论  68-69
第五章 NAM/AO 主模态下北极冷空气优势路径和影响地区的研究  69-89
  5.1 资料和方法  70-73
    5.1.1 资料  70-71
    5.1.2 NAM/AO 事件及合成分析  71
    5.1.3 极地冷气团运动轨迹的计算  71-72
    5.1.4 冷空气团轨迹的聚类分析  72-73
  5.2 正 NAM/AO 指数异常事件中北极地区近地面冷空气的优势运动路径  73-78
  5.3 负 NAM/AO 指数异常事件中北极地区近地面冷空气的优势运动路径  78-84
  5.4 NAM/AO 指数异常事件中北极地区近地面冷空气活动对中国冬季气温的影响  84-87
  5.5 结论与讨论  87-89
第六章中国冬季强区域持续性极端低温事件的研究  89-101
  6.1 资料和方法  90-92
    6.1.1 资料  90
    6.1.2 区域持续性极端低温事件的挑选  90-91
    6.1.3 大气视热源和视水汽源的计算  91-92
  6.2 区域持续性极端低温事件的分类  92-94
  6.3 区域持续性极端低温事件前期天气过程特征量分析  94-96
    6.3.1 西伯利亚高压强度特征  94-95
    6.3.2 850hPa 冷中心分析  95-96
    6.3.3 NAM/AO 指数分析  96
  6.4 区域持续性极端低温事件爆发前期中高纬近地面冷空气活动路径分析  96-100
    6.4.1 一次全国型区域持续性极端低温事件  97
    6.4.2 新疆-华南型区域持续性极端低温事件  97-98
    6.4.3 东北型和东部型区域持续性极端低温事件  98-100
  6.5 结论和讨论  100-101
第七章气候系统模式对中国冬季气温变化模拟结果的评估和预估  101-123
  7.1 资料  101-103
  7.2 气候系统模式对中国冬季气温变化的模拟结果评估  103-109
  7.3 RCP4.5 情景下气候系统模式对中国冬季气温未来变化的预估  109-114
  7.4 对比 RCP2.6 和 RCP8.5 情景下气候系统模式对中国冬季气温未来变化的预估  114-121
  7.5 结论与讨论  121-123
第八章结论和讨论  123-131
  8.1 主要结论  123-126
    8.1.1 中国冬季气温的时空变化特征  123-124
    8.1.2 影响中国冬季气温年代际变化的环流特征和区域模态  124
    8.1.3 NAM/AO 主模态下北极冷空气的优势路径和影响地区的研究  124-125
    8.1.4 中国冬季强区域持续性极端低温事件的研究  125
    8.1.5 气候系统模式对中国冬季气温变化模拟结果的评估和预估  125-126
  8.2 讨论  126-131
    8.2.1 青藏高原对中国冬季气温的影响  126-127
    8.2.2 AMO 对中国冬季气温的影响  127-129
    8.2.3 三个时期的 NAM/AO 指数异常事件的异同分析研究  129
    8.2.4 区域持续性极端低温事件中冷空气来源和路径的分析研究  129-130
    8.2.5 关于气候系统模式对中国冬季气温的模拟检验和预估  130-131
参考文献  131-141
致谢  141-142
个人简历  142

近50年中国冬季气温和冬季风以及区域环流的年代际变化研究

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