降水作为最难以准确预测的气象要素之一，对人类社会生产生活和科学防灾减灾具有至关重要的影响。海表温度（sea surface temperature, SST）是降水异常的重要外强迫源，其效应在多个时间尺度上调制着降水的变化。然而，SST对降水的复杂影响导致了多个时间尺度信号混杂在一起，难以有效分离其因果关系。因此，本文利用多窗谱分析—奇异值分解（Multi-Taper Method–Singular Value Decomposition, MTM–SVD）方法对复杂的多尺度信号进行分离和重构，研究中国降水在特定频率上对SST强迫的响应。首先，阐明了中国降水与太平洋和大西洋SST强迫在特定频率分量上的协同演变特征，以及可能涉及到的过程和机制。然后，通过个例分析评估了低频信号不同分量对中国降水变化的相对贡献。最后，通过基于大气环流模式的数值模式试验进一步分析了不同气候模态对中国降水年代际变化的协同影响。本文主要结果如下：

  （1）中国降水和印度—太平洋SST均具有准两年和准五年周期变化信号，这些主导的年际变率分别与中太平洋（central Pacific, CP）型和东太平洋（eastern Pacific, EP）型的厄尔尼诺与南方涛动（El Niño and Southern Oscillation, ENSO）事件相联系。CP型ENSO和南方地区降水之间呈正相关关系，这可能与太平洋-日本（Pacific-Japan, PJ）遥相关型大气响应有关。在EP型El Niño成熟期，中国降水异常南北向呈“+ – +”三极型分布（即华南和华北降水偏多，而长江—黄河流域降水偏少），这可能与西太平洋副热带高压（western Pacific subtropical high, WPSH）的强度偏强和位置偏北有关。进一步发现，两类ENSO信号对1997年冬季和次年夏季的中国降水变化有着不同的影响。在1997年冬季，二者均有利于中国南方降水的增强。在1998年夏季，准两年周期信号可以解释长江中下游（the middle and lower reaches of the Yangtze River, MLYR）以南的降水减少，准五年周期信号在其中起着削弱作用；准两年和准五年周期信号均有利于MLYR以北降水的增多。

  （2）中国东部降水和北太平洋SST均具有11年和23年周期信号。结果显示，通过太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）相关的阿留申低压（Aleutian low, AL）异常对WPSH和蒙古高压（Mongolia High, MH）的影响，北太平洋SST强迫可以调节中国降水分布。在11年周期的PDO冷位相（PDO^–）发展期，WPSH和MH的减弱促使长江流域降水增强，而在衰退期偏强的WPSH和MH可以促使雨带北移导致华北降水偏多。在与23年周期相关的PDO^–发展期，WPSH和MH的偏弱会增强华北地区的降水，而衰退期WPSH的偏强而MH的偏弱有利于华南降水的增多。如对1998年夏季强降水个例分析表明，11年和23年变率对中国不同地区降水变化的贡献存在差异。11年周期主要解释MLYR降水的增加，而23年周期可以解释东北降水的增加。

   （3）中国降水和北大西洋SST场均具有13年和23年周期信号。在13年时间尺度上，在北大西洋三极子（North Atlantic Tripole, NAT）正位相时期，中国降水呈东涝西旱型分布。在23年时间尺度上，当北大西洋处于海盆尺度（North Atlantic basin scale, NABS）增暖（NABS⁺）时，中国降水雨带位置偏北，反之亦然。结果显示，北大西洋SST可以通过不同的过程影响MH，进而调制着中国降水的年代际变化。在13年时间尺度上，与NAT位相发展和成熟期相关的北大西洋振荡（North Atlantic Oscillation, NAO）激发出可以传播到东亚的中纬度波列，通过影响MH调制中国的东西反相型降水。在23年时间尺度上，与NABS⁺成熟期相关的SST异常效应通过冰岛低压（Iceland Low, IL）和MH之间的“跷跷板”式变化，有利于NABS⁺发展期华北降水的偏多，促进NABS⁺衰退期华南降水的增强。

（4）进一步使用大气环流模式（ECHAM5）试验验证上述基于资料分析的结果。例如，通过使用MTM–SVD方法构建出与中国降水相关的SST年代际强迫场，来驱动ECHAM5模式可以模拟出对应周期的中国降水响应。在北太平洋SST强迫下，PDO主导着中国降水三极型分布，即PDO暖位相（PDO⁺）增强MLYR的降水而削弱华南—华北的降水；在北大西洋SST强迫下，NABS与华北（西南）降水呈正（负）相关关系。前者与中纬度波列和北太平洋中西部SST共同效应诱发的东亚北部异常高压和偏弱的WPSH有关。后者通过中纬度波列的东亚大气活动中心西移对东亚北部气压异常产生影响，促进（抑制）NABS⁺发展（衰退）期华北降水的增强。在北太平洋和北大西洋SST的共同作用下，中国降水异常呈经向偶极型分布。降水雨带在PDO⁺时位于华南，在NABS⁺时位于MLYR以北。PDO⁺和NABS⁺的依次出现可以造成降水雨带具有与观测较为一致的年代际北移特征。

   本论文通过对复杂的多时间尺度信号进行分离和重构，建立了中国降水和SST在给定时间尺度上的关系，阐明了中国降水与ENSO、PDO、NAT和NABS等模态在不同频率分量上的协同演变特征，完善了气候模态影响中国降水多时间尺度变率的过程和机制，并进一步揭示出不同信号分量对于中国降水变化的相对贡献差异以及北太平洋和北大西洋SST组合对中国降水年代际变化的协同影响。这些结果有助于增强我们对中国降水多时间尺度变率形成机理的理解和认识，对提高降水预测的准确性和可靠性具有十分重要的科学和现实意义。

目  录

 

                                        

第1章 绪论... 1

1.1 研究背景和意义... 1

1.2 国内外研究进展... 2

1.2.1 中国降水的时空分布特征... 2

1.2.2 东亚大气环流对中国降水的影响... 3

1.2.3 印度—太平洋海温对中国降水的影响及机制... 4

1.2.4 大西洋海温对中国降水的影响及机制... 8

1.2.5 气候模态的组合效应对中国降水的影响... 8

1.3 关键科学问题以及本文的主要研究内容... 9

第2章 数据和方法... 11

2.1 数据来源... 11

2.2 研究方法... 11

2.2.1 多窗谱分析—奇异值分解（MTM-SVD）... 11

2.2.2 ECHAM5大气环流模式介绍... 13

2.2.3 水汽通量及其散度... 14

第3章 中国降水与ENSO年际协同演变... 17

3.1 引言... 17

3.2 数据和方法... 17

3.3 中国降水和印度—太平洋海温的周期分析... 18

3.4 准两年周期重构的时空演变特征... 20

3.4.1 降水和海温的主导模态... 20

3.4.2 降水和海温的协同演变特征... 21

3.4.3 影响机制... 23

3.5 准五年周期重构的时空演变特征... 27

3.5.1 降水和海温的主导模态... 27

3.5.2 降水和海温的协同演变特征... 27

3.5.3 影响机制... 29

3.6 1997冬季和1998年夏季降水的个例分析：组合效应... 31

3.7 本章小结... 35

第4章 中国降水与PDO的年代际协同演变... 37

4.1 引言... 37

4.2 数据和方法... 37

4.3 降水与海温的主导周期特征... 38

4.4 11年周期重构的时空演变特征... 40

4.4.1 降水和海温的主导模态... 40

4.4.2 降水与海温的协同演变特征... 41

4.4.3 影响机制... 42

4.5 23年周期重构的时空演变特征... 46

4.5.1 降水与海温的主导模态... 46

4.5.2 降水与海温的协同演变特征... 47

4.5.3 影响机制... 49

4.6 1998年夏季强降水事件的个例分析：组合效应... 52

4.7 本章小结... 54

第5章 中国降水和北大西洋SST的年代际协同演变... 57

5.1 引言... 57

5.2 数据和方法... 57

5.3 中国降水和北太平洋海温的周期分析... 58

5.4 13年周期重构的时空演变特征... 59

5.4.1 降水和海温的主导模态... 59

5.4.2 降水和海温的协同演变特征... 61

5.4.3 影响机制... 63

5.5 23年周期重构的时空演变特征... 67

5.5.1 降水和海温的主导模态... 67

5.5.2 降水和海温的协同演变特征... 68

5.5.3 影响机制... 70

5.6 本章小结... 72

第6章 ECHAM5模式对中国降水年代际变化的模拟... 73

6.1 引言... 73

6.2 数据和方法... 74

6.2.1 构建模式强迫场... 74

6.2.2 模式性能评估... 78

6.3 模拟的降水主导周期... 79

6.4 北太平洋SST年代际试验（PAC试验）... 82

6.4.1 中国降水的年代际模态... 82

6.4.2 降水和SST的协同演变特征... 84

6.4.3 影响机制... 85

6.5 北大西洋SST年代际试验（ATL试验）... 90

6.5.1 中国降水的年代际模态... 90

6.5.2 降水和SST的协同演变特征... 91

6.5.3 影响机制... 92

6.6 北太平洋和北大西洋SST对降水的年代际协同作用... 95

6.6.1 中国降水对海温协同效应的响应特征... 95

6.6.2 影响机制... 99

6.7 本章小结... 102

第7章 总结和展望... 105

7.1 全文总结... 105

7.2 未来工作展望... 108

参考文献... 109

致谢... 123

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与其他相关学术成果    124