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QBO对地面降水的影响及成因分析

平流层准两年振荡（QBO），降水，深对流

主题1 天气、气候、全球变化、行星大气 > 专题1.11 平流层-对流层动力耦合和物质交换

本论文利用卫星数据、欧洲中期天气预报中心ERA5再分析数据和CESM气候模式系统诊断了平流层准两年振荡（QBO）对全球降水时空分布的影响，并从动力和热力角度深入解释了QBO影响降水的过程和成因，研究覆盖了1979年至2022年的长时间序列数据，确保了分析的全面性和可靠性；在空间分布上，QBO主要对热带海域如赤道太平洋和大西洋附近地区的降水产生显著影响，这种影响在北半球的春季和夏季尤为突出，并沿赤道呈现明显的带状分布特征，表明QBO的信号能够通过大气环流机制向下传播至对流层；具体而言，QBO既会影响对流性降水，也会影响大尺度层状降水，其中在赤道地区，QBO对对流性降水的影响占主导地位，这主要是由于热带地区强烈的加热作用促进了深对流活动，而在中纬度地区，QBO对对流性降水和大尺度降水的影响比例大致相当，反映了中纬度大气过程的复杂性，在高纬度地区，QBO则主要影响大尺度降水，这与高纬度地区以稳定的大尺度天气系统为主有关；为了揭示机制，本研究利用对流有效位能（CAPE）和射出长波辐射（OLR）作为关键指标，发现QBO可以通过调制CAPE的分布来影响对流不稳定性能量，从而改变对流性降水的强度，例如，在EQBO位相年份，赤道地区的CAPE值增加，OLR值降低，指示了对流活动的增强，进而导致降水增多，同时，OLR数据进一步证实了QBO对云顶温度和深对流的调控作用；对于大尺度降水，QBO则通过影响对流层顶折叠频率来施加影响，对流层顶折叠是一种与大气大尺度运动密切相关的现象，能够引起上对流层中的高振幅正位涡异常，从而影响地表风场和降水分布，本研究采用改进的三维标记算法计算折叠系数，发现在以大尺度降水为主的区域如中高纬度，QBO位相变化与折叠频率异常显著相关，例如，在WQBO年份，某些中纬度地区的折叠频率增加，促进了降水的发生；此外，研究还考虑了ENSO信号的干扰，通过回归方法从原始数据中剔除了ENSO的影响，确保了QBO信号的纯净性，使用了GPCP月平均降水数据、ERA5风场和再分析资料以及CESM模式模拟数据，通过合成分析方法对比了QBO东风位相（EQBO）和西风位相（WQBO）下的降水差异，并进行了t检验以评估显著性；在季节尺度上，QBO对降水的影响表现出强烈的依赖性，春季和夏季是QBO信号最活跃的时期，这与平流层-对流层耦合的季节性循环有关，例如，在北半球夏季，QBO通过影响副