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亚洲夏季风(ASM)30-60天季节内振荡(BSISO)作为ASM最重要的变率之一,是一种具有斜压结构的对流-环流耦合系统。它不仅沿赤道向东传播,而且在南亚夏季风(SASM)区和东亚/西北太平洋(EA/WNP)季风区向北传播,因而显著地影响局地天气、气候以及全球大气环流。然而,当前的气候模式不能较好地模拟这种变率,形成了从天气到季节尺度“无缝隙”动力预报的难点。鉴于ASM区30-60天BSISO在次季节到季节预报中的重要性,本文基于卫星观测资料、多套再分析资料以及CMIP5耦合模式资料,利用理论分析、动力诊断和数值模拟相结合的方法,深入探讨了BSISO的北传机制;揭示了BSISO影响中国东部夏季降水的物理过程,由此开展了时效为两周以上的试验性统计预报;考察了BSISO强度的年际、年代际变化及其对厄尔尼诺发展的影响;定量评估了CMIP5模式对BSISO的模拟性能,进而探究了全球变暖情景下BSISO的变化及其物理成因。主要结论如下: (1) ASM区30-60天BSISO的北传自耦合机制。根据SASM区(EA/WNP季风区)北传形成的对流异常偶极型结构,提出了表征两个子季风区偶极型位相相反的四极型指数(QPI)。基于QPI的合成分析表明,两个子季风区的北传均依赖于对流中心北侧的边界层辐合,而边界层辐合来源于BSISO自身的对流-环流耦合作用。初始阶段,对流中心与中层最大的非绝热加热位置重合,这种非绝热加热的垂直非均匀分布必然有利于低层气旋性相对涡度发展。又由于赤道以北地区行星涡度随着纬度递增,低层的异常气旋性相对涡度偏向对流中心北侧,造成对流中心北侧的低层等压面显著下凹,产生强烈的边界层辐合。此边界层辐合进而造成更显著的水汽辐合,引起局地大气不稳定,在对流中心北侧触发新的对流。与新对流有关的非绝热加热反过来使得整体加热中心北移,又有利于现有对流北侧的低层气旋性涡度和边界层辐合发展,造成新对流不断在原对流的北侧生成,如此循环而导致BSISO向北传播。 (2)ASM区30-60天(10-20天)BSISO影响中国东部夏季降水的物理过程。中国东部夏季季节内降水标准差的空间分布存在显著的年际差异,根据其大值中心的位置可分为三类,季节内降水中心分别位于东南沿海、长江中下游以及长江以南的内陆。这三类降水都受到ASM区30-60天和10-20天BSISO的共同调控。30-60天(10-20天)BSISO的环流异常能够激发出连接南海(菲律宾海)和中国东南部的次生垂直环流圈,随着位相演变,此垂直环流圈的北支从华南经长江中下游推进至江淮流域,显著影响局地的垂直运动和可降水量,造成对应区域强烈的30-60天(10-20天)降水异常。1996年夏季的个例分析表明,正是30-60天BSISO湿位相在6月下旬至7月中旬的停滞造成了长江中下游的持续性多雨期,引发了洪涝灾害。 (3)根据ASM区BSISO与中国东部夏季降水的物理联系,应用贝叶斯-小波频段(WB)方案开展季节内降水统计预报。以5个表征BSISO演变特征以及1个表征次生垂直环流圈的指标作为预报因子,应用WB预报方案对我国东部三类典型的季节内降水进行了超前15天的延伸期预报。在每一类季节内降水的大值中心,预报的与实际的季节内降水的相关系数均在0.6以上,表明以BSISO为因子的WB预报方案有一定的预报能力和潜在的实用价值。 (4)赤道南印度洋夏季平均海表热状况对ASM区30-60天BSISO强度的影响。30-60天降水标准差的经验正交分解表明,BSISO强度异常的空间主导模态表现为整个ASM区一致性偏强或偏弱的空间分布。这种主导模态的年代际变化与赤道南印度洋夏季平均海表热状况异常有关。在BSISO偏强(弱)年的夏季,赤道南印度洋海表温度显著偏暖(偏冷),通过感热通量加热(冷却)低层大气,使得海平面气压降低(升高),驱动边界层风场辐合(辐散),进而引起显著的低层水汽辐合(辐散)以及湿静力能增加(减少),有利于(不利于)局地30-60天季节内振荡(ISO)发展。因此,赤道南印度洋出现较强(弱)的ISO,并伴随着显著(微弱)的边界层散度。赤道南印度洋较强(弱)的边界层辐散环流在其北侧赤道印度洋激发出强烈(微弱)的边界层补偿性辐散风,造成该处较强(弱)的边界层水汽异常,为强(弱)对流生成提供条件。赤道印度洋作为BSISO源区,其对流异常的强度显著地影响赤道东传分量、SASM区北传分量以及EA/WNP区西北传播分量的强度及连贯性,造成整个ASM区BSISO一致性的偏强或偏弱。 (5)ASM区30-60天BSISO对最近两年厄尔尼诺事件发展的影响。基于2014年夭折型与1990年夭折型和1997年超强厄尔尼诺的对比分析,发现厄尔尼诺事件的强度取决于两个因素:热带太平洋海气耦合系统的前期不稳定能量和春夏季赤道30-60天ISO有关的西风事件(WWB)。2014-2015年冬季夭折型厄尔尼诺和2015-2016年冬季超强厄尔尼诺的前期不稳定能量均较弱,因此,这两次事件的差异主要在于ASM区尤其是赤道西太平洋春夏季30-60天ISO有关的WWB。2014(2015)年春季的WWB较弱(强),激发出的海洋性下沉Kelvin波也较弱(强),造成了赤道中太平洋中等强度(显著)的增暖,不能(能够)形成异常纬向风和海表温度之间的正反馈,进而不能(能够)激发缓慢东传的不稳定海气耦合波,导致赤道东太平洋春季增暖较弱(显著)。2014年夏季缺少WWB(2015年夏季具有较强的WWB),不能(能够)造成赤道西太平洋冷却,南方涛动处于正(稳定的负)位相,皮耶克尼斯正反馈不能(能够)形成,因而2014-2015年冬季厄尔尼诺发生夭折(2015-2016年冬季出现超强厄尔尼诺)。 (6)基于CMIP5多模式评估,分析了全球变暖情景下ASM区30-60天BSISO的变化及其物理成因。根据提出的等权重综合评价方案,在定量评估的24个CMIP5耦合模式中,有7个模式(BNU、CMCC-CMS、CNRM-CM5、MIROC5、MPI-ESM-MR、NORESM1-M和FGOALS-s2)对BSISO的模拟性能优于其它75%的模式,其中CNRM-CM5性能最优。CNRM-CM5的预估结果表明,在全球变暖情景下,ASM区海表温度显著升高,边界层水汽显著增加,为热带对流提供了更多水汽和能量来源。因而,BSISO的赤道东传分量的强度显著增强、传播范围扩大,对流异常的生成源地向西扩展至赤道西印度洋,东边界向东扩展至150°E。由于夏季平均边界层加湿,赤道对流有关的边界层顶垂直运动加强,造成更强的水汽垂直输送,加强SASM区和EA/WNP季风区的北传分量。此外,由于全球变暖情景下ASM区夏季气候态的低层水汽持有量增加,触发热带对流的水汽阈值升高,显著延缓了热带对流的发生,导致两个季风区的北传速度显著减慢。BNU、CMCC-CMS、CNRM-CM5、MIROC5、MPI-ESM-MR和NORESM1-M的多模式集合预估与CNRM-CM5单一模式预估的结果基本一致,说明利用CNRM-CM5模式结果揭示的全球变暖情景下BSISO的变化,以及产生这些变化的物理原因是可靠的。