论文题目：基于全球大气环流三型分解的西太平洋副热带高压气候演变特征研究
摘要：西太平洋副热带高压（西太副高）是东亚夏季风系统的重要成员之一,它对我国乃至整个东亚天气气候变化具有重要的影响。现有研究中常采用500 hPa位势高度场来描述西太副高的面积、强度、西伸脊点、脊线等特征指数,然而,随着全球变暖,位势高度场表现为系统性的抬升,这会导致西太副高特征指数的长期变化趋势和年代际演变特征出现系统性偏差。因此,开展全球气候变暖背景下西太副高特征指数的研究是一个重要的科学问题。近年来,丑纪范先生等提出的全球大气环流三型分解理论（3P-DGAC）成为了描述全球气候变暖背景下副热带地区大尺度环流特征的有效工具,它能够从动力学角度较全面准确地刻画西太副高的三维空间结构特征。本文采用3P-DGAC中水平型环流的流函数所定义的西太副高特征指数开展了气候变暖背景下夏季西太副高的气候演变特征及其动力诊断分析研究,得到以下主要结论:（1）基于再分析资料夏季西太副高的气候演变特征在气候变暖背景下,夏季中低纬度地区500 hPa位势高度场存在系统性的抬升,这会导致基于位势高度场所表征的西太副高指数的长期变化趋势及年代际演变特征出现系统性偏差,但基于3P-DGAC的水平型环流的流函数去除了西太副高演变特征的系统性偏差,它可以很好地反映西太副高的动力结构特征。我们进一步分析3P-DGAC中水平型环流的流函数所描述的西太副高的形态特征发现:3P-DGAC中水平型环流的流函数能够较好地揭示全球变暖背景下西太副高的环流特征;东亚雨带位于水平型环流的流函数零等值线的西北边缘;气候变暖背景下西太平洋地区的局地降雨量与水平型环流的流函数零等值线相关。通过分析3P-DGAC中水平型环流的流函数所定义的西太副高指数发现,1948–2018年期间西太副高的面积、强度、西伸脊点和脊线指数表现出面积减小、强度减弱、西伸脊点略微向东退和脊线略微向南移的长期趋势。此外,面积指数和强度指数在20世纪70年代末以前随时间减弱,在20世纪70年代末以后随时间略微增强,在1948–2018年整个时间段内呈现出先减弱后略微增强的年代际变化特征。西伸脊点指数在20世纪70年代末以前随时间向东移动,在20世纪70年代末以后随时间略微向西延伸。脊线指数没有明显的年代际变化特征。与1948–1978年的特征相比,1979–2018年期间气候平均的西太副高减弱并东退。综上所述,在气候变暖背景下,基于3P-DGAC所定义的新指数能客观地描述夏季西太副高的长期趋势和年代际演变特征。水平型环流的流函数零等值线可以作为确定西太副高位置和形态的度量标准。3P-DGAC中水平型环流的流函数是描述西太副高动力结构特征的有效工具。（2）基于CMIP6模式夏季西太副高的气候演变特征在未来气候变暖情景下,500 hPa位势高度场呈现出全球性的大幅度升高,若继续使用位势高度场将无法准确表示西太副高的西边界。此外,在未来气候变暖情景下,西太平洋地区的局地降雨量与500 hPa位势高度之间的关系随之发生变化,局地降雨量无法与特定的某条位势高度等值线相联系,这会给实际的降水预测带来一些困难。但是在不同的气候情景下,西太平洋地区的局地降雨量都与水平型环流的流函数零等值线相关。因此,在全球变暖背景下,将西太平洋地区的局地降雨量与特定的水平型环流的流函数等值线相联系更为合理。此外,在2015–2100年期间西太副高的面积、强度和西伸脊点指数呈现出面积减小、强度减弱和西伸脊点东退的长期趋势。脊线指数在21世纪60年代末以前随时间向北移动,在21世纪60年代末以后随时间向南移动。与historical试验相比,在ssp5-8.5试验中气候平均的西太副高在未来减弱并东退。（3）气候变暖背景下西太副高特征演变的动力诊断分析通过分析3P-DGAC中水平型环流的流函数倾向方程发现,夏季西太平洋地区500 hPa通过水平型环流的绝对涡度的平流项A1、纬圈型环流对绝对涡度的纬向–垂直输送项A2、经圈型环流对绝对涡度的经向–垂直输送项A3、通过纬圈型环流的绝对涡度的散度项D1和通过经圈型环流的绝对涡度的散度项D2这5项的大小变化可以反映气候变暖背景下西太副高的强度变化和移动。与1948–1978年相比较,1979–2018年夏季西太平洋地区平均的A1和A3均表现为加强的特征,且A1和A3均与西太副高的面积和强度指数呈现显著的负相关,A3与西伸脊点指数呈现显著的正相关;而D2表现为减弱的特征,且D2与面积和强度指数呈现显著的正相关。因此,相对于1948–1978年,1979–2018年期间西太副高的减弱和东退主要是由A1、A3和D2项的变化所引起的。此外,与historical试验相比较,ssp5-8.5试验夏季西太平洋地区平均的A1表现为减弱的特征,且A1与西太副高的面积和强度指数呈现显著的正相关,与西伸脊点指数呈现显著的负相关;而A2和D1均表现为加强的特征,且A2和D1均与面积和强度指数呈现显著的负相关,均与西伸脊点指数呈现显著的正相关。因此,相对于historical试验,ssp5-8.5试验期间西太副高的减弱和东退主要是由A1、A2和D1项的变化所引起的。
关键词：全球大气环流三型分解方法;水平型环流的流函数;西太平洋副热带高压;气候变暖;气候演变特征
学科专业：大气科学·气象学
中文摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 论文研究意义
1.2 国内外研究进展
1.2.1 西太副高的特征描述
1.2.2 影响西太副高特征演变的机理研究
1.2.3 大气环流的分解方法
1.3 研究内容和章节安排
第二章 数据和方法
2.1 数据资料
2.2 压高公式
2.3 全球大气环流的三型分解(3P-DGAC)
2.4 基于3P-DGAC的西太副高指数的新定义
第三章 基于再分析资料夏季西太副高的气候演变特征
3.1 引言
3.2 气候变暖背景下位势高度场的系统性抬升
3.3 西太副高的气候态特征
3.4 西太副高的长期变化趋势和年代际演变特征
3.5 全球变暖前后西太副高的气候态演变特征
3.6 本章小结
第四章 基于CMIP6 模式夏季西太副高的气候演变特征
4.1 引言
4.2 未来气候变暖情景下位势高度场的系统性抬升
4.3 未来情景下西太副高的气候态特征
4.4 未来情景下西太副高的长期变化趋势和年代际演变特征
4.5 未来情景下西太副高的气候态演变特征
4.6 本章小结
第五章 气候变暖背景下西太副高特征演变的动力诊断分析
5.1 引言
5.2 3P-DGAC的水平型环流的流函数倾向方程
5.3 基于再分析资料的西太副高特征演变的动力诊断分析
5.4 基于CMIP6 模式的西太副高特征演变的动力诊断分析
5.5 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 全文总结
6.2 研究特色与创新点
6.3 讨论与展望
参考文献
致谢