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近几十年来，冬季巴伦支-喀拉海出现了显著的气候变化，表现为地面温度(SAT)的升高以及海冰的减少。与此同时，巴伦支-喀拉海海冰变化与欧亚大陆的气候变化之间呈现显著的统计关系。巴伦支-喀拉海海冰减少时，对流层低层对应着局地暖异常和欧亚大陆中部地区冷异常，形成暖北极-冷欧亚(WACE)温度模态。目前，广受争议的是北极变暖与引起中纬度气候变化的大气环流变化之间的因果关系。一方面，北极的快速变暖可能会引起罗斯贝波的变化，并影响中纬度气候;另一方面，北极气候变化也可能是大气环流变化的产物。因此，非常有必要深入了解北极变暖和中纬度气候之间的联系和机理。本论文首先研究了北极变暖背景下大气环流变化特征，并通过动力诊断揭示出北极变暖引起大气环流变化的物理机制。其次，研究了伴随北极变暖的水汽输送变化及其气候影响，阐明了大气环流变化对北极变暖的作用。最后，利用CMIP5模式的历史强迫试验结果评估了现有气候系统模式对WACE模态的模拟能力。本文的主要内容和结论如下:
(1)北极变暖背景下欧亚大陆地区大气定常波活动的变化特征
本文基于冬季SAT定义了一个表征中纬度与北极地区热力差异对比(MATC)变化的指数。研究表明，MATC指数呈现显著的年代际变化，具体表现为:在1986-2003年较强，而在1966-1985年和2004-2017年较弱。针对2004-2017年期间分析揭示出MATC指数的年代际减弱主要是北极增暖引起的。并且，在MATC指数年代际减弱条件下，欧亚大陆地区大气定常波活动出现显著增强。研究进一步表明，中纬度、北极热力差异的年代际减弱为定常波活动的加强提供了良好的背景。一方面，MATC指数的减弱以及相关的西风减弱有利于乌拉尔阻塞活动的加强，有利于欧亚大陆地区定常波活动的加强;另一方面，MATC指数的年代际减弱对应着天气尺度波活动的减弱，天气尺度波异常通过波流相互作用引起乌拉尔地区的位势高度倾向正异常，也有利于定常波活动的加强。
(2)冬季欧亚大陆地区大气环流变化对巴伦支，喀拉海年代际变暖的影响
观测到的巴伦支-喀拉海地区冬季SAT在2004年经历了显著的年代际升高，以往研究认为该年代际变暖主要是水汽增加引起的向下长波辐射的增强所致。考虑到与大气环流变化密切关联的水汽输送过程对大气中水汽变化的重要作用，进一步研究伴随巴伦支-喀拉海地区年代际变暖的水汽输送变化及其作用。研究表明，欧亚大陆北部地区在2004年后被异常反气旋型水汽通量异常控制，导致较多的水汽被输送到巴伦支-喀拉海地区。进一步的分解研究揭示出，平均流的年代际变化引起的定常水汽输送主导了全部水汽输送的变化，并引起了巴伦支，喀拉海异常水汽通量辐合;而欧亚大陆北部地区瞬变水汽输送的变化在巴伦支-喀拉海地区则引起异常水汽通量辐散。因此，平均流的年代际变化引起的定常水汽输送变化在巴伦支-喀拉海年代际变暖的建立、发展与维持中起重要作用。
(3)模式中气候内部变率在冬季北极变暖与欧亚大陆变冷中的作用
利用IPSL-CM6A-LR模式的多集合样本的历史强迫实验，研究了冬季巴伦支-喀拉海变暖趋势过程中气候内部变率的作用。结果表明，巴伦支-喀拉海冬季SAT趋势在IPSL-CM6A-LR模式中呈现较大的样本间差异，且与欧亚大陆中部地区SAT趋势的样本间变化相对独立;并且，巴伦支-喀拉海冬季SAT趋势的样本间变化主要由水汽变化引起的向下长波辐射所致。进一步的诊断分析揭示出局地蒸发过程在该地区水汽趋势的样本间变化中起重要作用，而与大气环流变化相关的定常水汽输送过程只起次要作用。结果还表明，局地海温变化是驱动巴伦支-喀拉海地区SAT趋势样本间变化的主导因子。一方面，局地海温变化通过影响局地蒸发，影响大气中的水汽含量;另一方面，局地海温变化还可以通过影响大气环流变化，对周边以及较远地区的SAT趋势变化产生影响。针对欧亚大陆中部地区SAT趋势的分析揭示出该地区的变冷主要由与北极变暖相对独立的负位相的北极涛动(AO)型大气环流异常所致。因此，观测到的暖北极-冷大陆的温度趋势模态以及相关的大气环流变化很可能是北极局地海温变化与负位相AO型大气环流异常共同作用产生的。
(4)CMIP5模式对冬季“暖北极-冷欧亚”模态的模拟能力评估
欧亚大陆（0°-180°E，40°N-90°N）冬季SAT的EOF2模态被定义为WACE模态。评估了25个CMIP5模式对WACE模态的模拟能力。结果表明，不同CMIP5模式对WACE模态的模拟能力存在较大的差异;并且，模式能否再现观测中WACE模态部分取决于其能否再现观测中冬季巴伦支-喀拉海地区海冰变化对应的大气环流特征。一般来说，冬季巴伦支-喀拉海地区的海冰减少能够引起局地的变暖，并通过激发异常的罗斯贝波，进而引起欧亚大陆中部地区的变冷。针对模式结果的进一步分析表明，模式能否再现海冰对大气环流的影响主要取决于其对海冰变率的模拟;当模式中海冰变率较大的时候，海冰的减少可以引起异常大气罗斯贝波的产生，进而导致WACE模态的出现。因此，模式模拟WACE模态的能力主要取决于模式中海冰变率的强弱，海冰变率大的模式更容易模拟出WACE模态。
(1)北极变暖背景下欧亚大陆地区大气定常波活动的变化特征
本文基于冬季SAT定义了一个表征中纬度与北极地区热力差异对比(MATC)变化的指数。研究表明，MATC指数呈现显著的年代际变化，具体表现为:在1986-2003年较强，而在1966-1985年和2004-2017年较弱。针对2004-2017年期间分析揭示出MATC指数的年代际减弱主要是北极增暖引起的。并且，在MATC指数年代际减弱条件下，欧亚大陆地区大气定常波活动出现显著增强。研究进一步表明，中纬度、北极热力差异的年代际减弱为定常波活动的加强提供了良好的背景。一方面，MATC指数的减弱以及相关的西风减弱有利于乌拉尔阻塞活动的加强，有利于欧亚大陆地区定常波活动的加强;另一方面，MATC指数的年代际减弱对应着天气尺度波活动的减弱，天气尺度波异常通过波流相互作用引起乌拉尔地区的位势高度倾向正异常，也有利于定常波活动的加强。
(2)冬季欧亚大陆地区大气环流变化对巴伦支，喀拉海年代际变暖的影响
观测到的巴伦支-喀拉海地区冬季SAT在2004年经历了显著的年代际升高，以往研究认为该年代际变暖主要是水汽增加引起的向下长波辐射的增强所致。考虑到与大气环流变化密切关联的水汽输送过程对大气中水汽变化的重要作用，进一步研究伴随巴伦支-喀拉海地区年代际变暖的水汽输送变化及其作用。研究表明，欧亚大陆北部地区在2004年后被异常反气旋型水汽通量异常控制，导致较多的水汽被输送到巴伦支-喀拉海地区。进一步的分解研究揭示出，平均流的年代际变化引起的定常水汽输送主导了全部水汽输送的变化，并引起了巴伦支，喀拉海异常水汽通量辐合;而欧亚大陆北部地区瞬变水汽输送的变化在巴伦支-喀拉海地区则引起异常水汽通量辐散。因此，平均流的年代际变化引起的定常水汽输送变化在巴伦支-喀拉海年代际变暖的建立、发展与维持中起重要作用。
(3)模式中气候内部变率在冬季北极变暖与欧亚大陆变冷中的作用
利用IPSL-CM6A-LR模式的多集合样本的历史强迫实验，研究了冬季巴伦支-喀拉海变暖趋势过程中气候内部变率的作用。结果表明，巴伦支-喀拉海冬季SAT趋势在IPSL-CM6A-LR模式中呈现较大的样本间差异，且与欧亚大陆中部地区SAT趋势的样本间变化相对独立;并且，巴伦支-喀拉海冬季SAT趋势的样本间变化主要由水汽变化引起的向下长波辐射所致。进一步的诊断分析揭示出局地蒸发过程在该地区水汽趋势的样本间变化中起重要作用，而与大气环流变化相关的定常水汽输送过程只起次要作用。结果还表明，局地海温变化是驱动巴伦支-喀拉海地区SAT趋势样本间变化的主导因子。一方面，局地海温变化通过影响局地蒸发，影响大气中的水汽含量;另一方面，局地海温变化还可以通过影响大气环流变化，对周边以及较远地区的SAT趋势变化产生影响。针对欧亚大陆中部地区SAT趋势的分析揭示出该地区的变冷主要由与北极变暖相对独立的负位相的北极涛动(AO)型大气环流异常所致。因此，观测到的暖北极-冷大陆的温度趋势模态以及相关的大气环流变化很可能是北极局地海温变化与负位相AO型大气环流异常共同作用产生的。
(4)CMIP5模式对冬季“暖北极-冷欧亚”模态的模拟能力评估
欧亚大陆（0°-180°E，40°N-90°N）冬季SAT的EOF2模态被定义为WACE模态。评估了25个CMIP5模式对WACE模态的模拟能力。结果表明，不同CMIP5模式对WACE模态的模拟能力存在较大的差异;并且，模式能否再现观测中WACE模态部分取决于其能否再现观测中冬季巴伦支-喀拉海地区海冰变化对应的大气环流特征。一般来说，冬季巴伦支-喀拉海地区的海冰减少能够引起局地的变暖，并通过激发异常的罗斯贝波，进而引起欧亚大陆中部地区的变冷。针对模式结果的进一步分析表明，模式能否再现海冰对大气环流的影响主要取决于其对海冰变率的模拟;当模式中海冰变率较大的时候，海冰的减少可以引起异常大气罗斯贝波的产生，进而导致WACE模态的出现。因此，模式模拟WACE模态的能力主要取决于模式中海冰变率的强弱，海冰变率大的模式更容易模拟出WACE模态。