热带海温背景下季节内信号在极端气候事件中的重要作用

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近年来,极端气候事件频发,对人类健康、社会经济以及生态系统产生了巨大的影响。然而,极端气候事件的动力学机制极为复杂,与之相关的研究尚不成熟。由于极端气候事件的时间尺度大多介于次季节到年际尺度之间,以往研究通常会从年际尺度的角度出发,重点关注热带太平洋海温信号(如ENSO,El Ni(?)o-Southern Oscillation)在其中的作用。虽然热带海温异常信号为极端气候事件的发生提供了有利的大尺度环流背景条件,但是其往往不能很好地解释气候事件的极端性。此外,热带大气季节内振荡(Intraseasonal Oscillation,ISO)作为次季节尺度最显著的信号,一直以来都被国内外公认为是天气气候异常的可预报性来源之一。目前许多研究已关注到ISO对极端天气气候异常的影响,然而其与极端气候事件之间的联系并不十分清楚。本文从近几年广受关注的三次典型极端气候事件(2018年晚夏东北亚极端高温热浪事件、2019年极端印度洋偶极子(Indian Ocean dipole,IOD)事件和2020年初夏东亚超强梅雨事件)出发,利用全球多种高分辨率再分析资料和CFSv2模式预报数据,分别从年际和次季节时间尺度的角度对这三次极端气候事件的物理成因进行了深入的分析。首先,探讨了热带海温异常信号对于三次典型极端气候事件大尺度背景环流场的调控作用;其次,分析了异常的ISO活动对于三次气候事件极端化的促进作用;最后,探讨了热带海温和ISO活动对极端事件协同影响的普适性意义。全文主要结论归结如下:(1)三次极端气候事件强度和持续性均位列历史前三。2018年晚夏东北亚地区极端高温热浪天数为历史最多,此次事件与同期西太副高稳定维持偏北密切相关,对应的大气环流异常与太平洋-日本遥相关型(Pacific-Japan pattern,P-J pattern)高度相似,表明相关的信号主要来源于热带地区。2019年极端IOD在强度上位列历史第二,仅次于1997年。该事件在5月开始发展,在秋季达到成熟,并于12月迅速衰减。2020年初夏东亚超强梅雨无论从强度还是持续时间上均为历史首次。异常强盛的西北太平洋反气旋相关的水汽输送是此次极端事件形成的直接原因。相较于观测,CFSv2季节预报模式对这三次极端气候事件的预报均存在明显的低估。(2)热带海温为三次极端气候事件提供了有利的大尺度背景环流条件。2018年晚夏北印度洋海表温度(sea surface temperature,SST)异常偏冷,异常海温激发的P-J型遥相关有利于西太副高北移,为东北亚地区气温异常偏高提供了有利的年际尺度环流场。然而,热带海温的强度较弱,不足以解释同期西太副高经向位置极端偏北的特征。2019年极端正IOD事件是伴随一次中部型(central Pacific,CP)El Ni(?)o事件发生的。虽然夏季热带太平洋暖SST异常可以通过调整沃克环流对正IOD的发展起到促进作用,但到了秋季,热带太平洋并没有与暖SST异常相适配的大气对流,无法对正IOD的极端化起到进一步的促进作用。2020年初夏印度洋SST增暖通过增强西北太平洋反气旋为梅雨带强降水异常提供了非常有利的大尺度背景环流条件和水汽条件,但印度洋海盆一致增暖并不足以完全解释局地对流异常,因此对2020年东亚超强梅雨的作用较为有限。(3)在有利大尺度背景环流条件下,热带ISO的异常活动促进了三次气候事件的极端化。2018年晚夏,西北太平洋区域异常活跃并维持的ISO活动通过激发类P-J型遥相关使得西太副高稳定维持偏北,从而造成东北亚地区持续性高温热浪事件的发生。2019年9-10月,在热带太平洋无明显大气对流的情况下,中西印度洋上活跃并维持的ISO活动相关的低层东风异常叠加在季节平均的东风异常上,进一步增强了印度洋东西SST梯度,促进了正IOD成熟时期的极端化。2020年初夏,热带印度洋上空异常持续的ISO活动在西北太平洋低层激发出强大的反气旋性环流,为东亚梅雨带区域持续性的强降水过程提供了源源不断的水汽输送,该异常维持的ISO活动是此次超强梅雨的主要驱动因子。(4)热带海温与ISO异常活动的协同作用对三类极端事件的形成具有普适性意义。在年际和次季节尺度上,夏季北印度洋冷SST异常和西北太平洋上活跃的ISO均有利于东北亚地区地表气温偏高。当两者协同作用时,东北亚地区中等强度和极端热浪发生的概率最高可分别从3.6%和0.5%显著提高至6%和2.4%,热浪发生的面积显著扩大15%和7%,且原本较小概率出现的大范围热浪发生的概率也将大大增加。类似地,印度洋海盆一致增暖和印度洋至海洋性大陆或西北太平洋活跃的ISO分别有利于梅雨带降水在年际和次季节尺度的增多。在两者协同作用下,梅雨带区域中等强度和极端降水事件发生的概率最高可分别从3%和1%显著增加到5.5%和2.5%,面积显著扩大8%和2.5%,且较小概率出现的大范围极端降水发生的概率也将大大增加。此外,位列历史第三的1994年极端IOD事件是由CP El Ni(?)o与热带ISO的异常活动共同造成的,而位列历史首位的1997年极端IOD事件主要由同期超强El Ni(?)o通过调控沃克环流而强迫产生。
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