北半球平流层最后增温事件与南亚夏季风爆发之间联系的机理研究

The South Asian summer monsoon (SASM) is a key branch of the Asian summer monsoon system, being recognized having remarkable influences on the weather and climate anomalies in China. The stratospheric final warming (SFW) occurs in the springtime and is characterized with a rapid increase in the polar stratospheric temperature resulting in the breakdown of the stratospheric polar vortex, which in turn involves the final transition of the circumpolar zonal wind in the stratosphere from wintertime westerly to summertime easterly. It is revealed by the recent study that the seasonal timing of SFW is significantly related to the onset of the SASM since the end of 1970s and thus acts as an emerging precursor signal in the spring stratosphere for the SASM onset. Until now, however, the physical mechanism for the above relation is not fully understood. Based on the data diagnose and numerical simulation, this project intends to reveal the physical processes and mechanisms in detail for the relation between the seasonal timing of boreal spring SFW and the SASM onset. Investigations on these issues will further help us better understand the SASM onset, but also the linkage of the circulation in spring in the stratosphere-troposphere coupling system. Moreover, it will also help us improve our short-term prediction capabilities in terms of the tropospheric climate by applying the possible stratospheric precursors.

南亚夏季风是亚洲夏季风的重要子系统之一，其爆发早晚及异常对我国天气、气候有着显著的影响。平流层最后增温事件（SFW）是指发生在每年春季，因平流层极区快速增温而导致极涡最后崩溃，极夜急流减弱消失从此转为东风气流的事件，它的发生标志着平流层由冬季环流型向夏季环流型的转变。已有研究表明，20世纪70年代末以来，SFW与南亚夏季风的爆发存在显著的联系，可作为预测南亚夏季风爆发的平流层前期信号，但其中的物理过程和机制仍不清楚。基于平流层–对流层动力和热力耦合变化的观点，本项目拟通过资料诊断和数值模拟研究，详细揭示平流层SFW事件与南亚夏季风爆发之间联系的物理过程和机制，为进一步把握南亚夏季风的爆发及我国短期气候预测提供更多理论基础和方法依据。

平流层最后增温事件（SFW）是指每年春季，当平流层极涡崩溃时，极夜急流快速减弱，由西风转为东风，同时伴随着类似于冬季的增温现象。已有研究表明，北半球SFW的爆发与对流层南亚夏季风的爆发存在紧密的联系。但至目前，SFW事件影响南亚夏季风的爆发早晚的物理机制仍不清楚。本项目运用了资料诊断和数值模式模拟等方法，揭示了SFW通过影响平流层和对流层的北半球环状模（NAM）及北极涛动（AO）来调节南亚夏季风爆发早晚的物理过程。研究结果表明，在SFW偏晚年，30 hPa平流层极涡直到5月中才崩溃，从3月中至5月中，平流层极区被位势高度负异常所控制，该负异常信号下传，并与对流层NAM/AO异常相耦合。伴随着NAM/AO的正位相，在北大西洋急流的出口区激发出一条对流层欧亚大陆的波列，该波列的传播使得在阿拉伯海北侧、中亚西部地区上空形成异常高压。该高压系统加强南阿拉伯海和南印度地区的上层抽吸，并且激发对流，致使季风降水增加，南亚夏季风在5月中旬即爆发。SFW爆发偏早时，平流层极涡在3月中已经崩溃，其对应的是4-5月初NAM/AO的负位相以及中亚西部地区上空的异常低压系统，往往导致南亚夏季风爆发偏晚。.通过对CMIP5模式的比较发现，目前，大部分数值模式不能很好的模拟出SFW事件的过程，但意大利CMCC-CMS模式所模拟的1958-2005年，SFW爆发时间的平均值、标准差以及爆发时间极端值的分布与观测资料具有较高的一致性，并且模式中，SFW与南亚夏季风爆发时间的关系与观测吻合。为了进一步利用模式有效模拟SFW事件的爆发时间，本项目研究了影响SFW爆发早晚的主要海温因子。结果表明，ENSO对北半球平流层冬季环流的影响正在持续变弱，而北太平洋回旋振荡（NPGO）与SFW的爆发早晚紧密相连，其通过与之相连的位于太平洋北美地区的对流层中层的遥相关型，调节春季进入平流层热带外地区的行星波，进而影响SFW的爆发早晚。该发现为提高模式对北半球SFW事件的模拟打下基础。总之，本项目的研究为进一步把握南亚夏季风，准确预测其爆发，同时也为短期气候预测提供新的依据。

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