mega-ENSO和北半球中高纬下垫面热力异常对东亚夏季风的协同影响机理

Seasonal prediction of the East Asian summer monsoon (EASM) is a crucial and challenging issue for climate prediction in China and World Climate Research Program (WCRP). The crux of how to improve the prediction skill of the EASM is understanding the predictability sources of the EASM and associated physical mechanisms. El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and low boundary thermal conditions in the Northern Hemisphere mid-high latitudes are two crucial predictability sources for the EASM. Mega-ENSO is a newly revealed ENSO mode. The co-mingled effects of mega-ENSO and the low boundary thermal forcings in the Northern Hemisphere mid-high latitudes on the EASM variability are yet to be understood. This project aims to analyze the statistical linkages between the EASM and the prior mega-ENSO/low boundary thermal forcings in the Northern Hemisphere mid-high latitudes, examine the potential physical mechanisms on how the latter two infuence the EASM, and establish a physical empirical prediction model for the EASM. Through hindcast with the physcial empirical model, the revealed physical mechanisms would be further verified.

东亚夏季风的季节预测，是我国短期气候预测的核心内容和科学难题，属当代“世界气候研究计划”（WCRP）的前沿。提高东亚夏季风短期气候预测能力的关键在于弄清东亚夏季风的可预报性来源及其影响东亚夏季风变率的物理机制。已有研究表明，ENSO与北半球中高纬下垫面热力异常，是东亚夏季风季节预测的两个重要可预报性来源。mega-ENSO是最近发现的一种ENSO新模态，mega-ENSO与北半球中高纬下垫面热力异常协同影响东亚夏季风变率的机理迄今为止尚不清楚。本项目着眼于最近几十年mega-ENSO、北半球中高纬下垫面热状况与东亚夏季风联系的观测事实，研究mega-ENSO与北半球中高纬热力异常协同影响东亚夏季风变率的机理，在此基础上根据前期mega-ENSO和北半球中高纬下垫面热状况的特征信息，建立东亚夏季风季节预测的物理经验模式，通过后验预报试验以检验所提出机理的合理性。

东亚夏季风变率受到mega-ENSO和北半球中高纬下垫面热力异常的显著影响，但相关物理过程和影响机制尚未完全弄清。本项目通过观测分析、数值模拟和理论研究，取得主要进展如下：（1） 揭示了mega-ENSO和北大西洋年代际振荡（AMO）协同影响东亚夏季风变异及欧亚热浪的机理：研究了mega-ENSO和北半球中高纬下垫面热力异常对东亚夏季风变异及欧亚灾害性天气发生的可能影响，发现与东亚夏季风变异相关联的欧亚夏季热浪存在年代际（ID）和年际（IA）两个主要模态。ID模态主要反映洲际尺度的欧亚大陆热浪的年代际增加趋势，其极大值中心位于欧洲东部-中亚-中国西南地区。IA模态以年际变化为主，热浪空间分布呈现出一横跨欧亚大陆的三级子分布特征，其三个中心分别位于欧洲西部-北部、东北亚、东亚。ID模态主要受大西洋多年代际振荡（AMO）和mega-ENSO共同调制，而IA模态主要受mega-ENSO影响。从CMIP5模式模拟结果分析来看，mega-ENSO和AMO为东亚夏季风变异及欧亚热浪的发生提供了重要的可预测性来源；（2）基于偏最小二乘回归法（PLS），利用包括mega-ENSO和AMO在内的前期冬季海温异常信号，建立了东亚夏季风及汛期长江最高水位的物理经验预测模型：使用19501996年的实测长江最高水位和热带、中高纬地区前期冬季下垫面热力异常资料进行回归训练，构建了一个具有物理意义的PLS经验预测模型，并将19972016年的资料带入模型进行实际预报实验。结果表明，PLS模型显示出较高的预报技巧，比NOAA 20世纪再分析数据中径流资料反映的长江水位更接近观测事实，因此该PLS预测模型可为我国汛期的长江最高水位预测提供参考依据。研究还发现，我们所定义的长江水位指数不仅可以反映长江最高水位的变化，同时对东亚夏季风的强度具有突出的定量表征能力。