中国南方降水春夏季节反相年代际变化及成因分析*外文翻译资料

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中国南方降水春夏季节反相年代际变化及成因分析*

何金海¹ 朱志伟¹ Tim Li^1，2

1,气象灾害省部共建教育部重点实验室，大气科学学院，南京信息工程大学，南京，210044

2,太平洋国际研究中心，气象系，夏威夷大学，檀香山，96822

摘 要

本文通过多变量经验正交函数展开（MV-EOF）方法研究了东亚低层环流和降水场在 90 年代中期经历的一次明显年代际变化。研究结果表明，春季（3-5 月）第一模态时间系数在 90 年代中期有明显年代际转折，而夏季（6-8 月）第二模态时间系数同样于 90 年代中期发生明显年代际转折。进一步分析显示，中国南方降水的年代际变化存在春季和夏季季节反相变化关系，即在 90 年代中期以前后，中国南方降水春季年代际减少，夏季年代际增多。

90 年代中期前后海温合成差值表明：在春季，太平洋地区呈现拉尼娜海温异常分布，西太平洋存在暖异常，东太平洋存在冷异常。这种拉尼娜海温异常分布使得海洋性大陆对流增强，继而通过局地哈德莱环流作用导致了中国南方地区的异常下沉气流及降水减少。而在夏季，印度洋地区存在显著异常增温，东太平洋的冷异常明显减弱。这种海温异常分布抑制了海洋性大陆对流，通过局地哈德莱环流作用影响，增强了东亚季风槽，最终使得中国南方降水异常增多。

关键词 ：90年代中期年代际变化 沃克环流异常 热带海温年代际变化 南方降水

1. 介绍

预测中国南方的降雨变化是一个具有挑战性的问题,很大程度上是因为中国南方降雨量表现出复杂的空间(道和陈1987；朱等 1986)和时间结构。例如,中国南方的降雨量经历了一次明显动力学年际时间尺度变化(王和李2004；李2010)。北方夏季动力学振荡(ISO)与中国南方的降雨变化有关，这些变化又影响了夏季季风的发作(王、谢1997),季风的活跃阶段(Annamalai和斯2001；丁和王2009),季风季节平均的状态(萨bull;和舒克拉2007)。与此同时,中国南方(IAV)的降雨量年际变化主要归因于远程迫使热带海表温度异常(SSTAs)包括厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)。例如,在厄尔尼诺的峰值冬天,中国南方经常经历异常潮湿的条件(吴等 2009，2010),而在厄尔尼诺的夏季,严重的洪水经常袭击长江流域(常等 2000；王等 2003)。此外,中国南方的降雨量也经历了年代际变化(常等 2000 b；张等 2004；李等 2010)。1979年之前,降水异常在中国南部和长江有一个同相的关系,而在1979年之后他们有反向的关系。子午模式变化的原因被认为是有关热带SST的年代际变化和相关的西太平洋副热带高压(常等 2000 b)。

除了在1970年代末著名的气候转折点以外,位于东亚的新形式年代际变化在1990年代中期被发现。Kwon 等(2005)首次发现，控制东亚夏季季风(EASM)的主导因素已经从一个早些时期(1979 - 93)与ENSO有关的变量变成一个后期(1994 - 2004)与西北太平洋夏季季风(WNPSM)主导变化的变量。数值模拟也证实了1990年代中期(严等 2008年)ENSO相消干扰EASM和WNPSM之间的关系。在这种背景下,中国东南部降雨量在1994年之后呈现增加转变，独特的台风登陆点的增加可能负有直接责任(Kwon 等 2007年)。在1990年代中期年代际变化也在南中国海(SCS)季风被发现(王等 2009年)。SCS季风的提前发作日期被认为主要是受海温在赤道西太平洋的年代际变化引起(Kajikawa和王2012)。与此同时,在1990年代中期后,西太平洋异常变暖的海温引起印度夏季风的传热冷却(ISM),反过来又影响并造成降雨在东亚的发展模式异常当地子午和欧亚波列模式(云等 2010年)。此外,西太平洋副热带高压年际变化的周期性一直受制于1990年之后的年代际变化。这种变化伴随着一个异常经向翻转环流特征，其典型的表现是赤道太平洋SSTA在海上大陆(菲律宾海附近)由冷向暖过渡和冬天夏季过渡前的异常升序和降序运动(隋等 2007年)。

除了热带SST影响以外，在中间和高纬度地区的过程也扮演了一定的角色，导致这十年形式的转变。丁等(2008)表明,在对流层上层的冷却做出了重要贡献，在1990年代中期之后显著削弱了东亚夏季季风。朱镕基等(2011)表明,太平洋年代际振荡(PDO)转向负面阶段可能会削弱西风气流和诱导贝加尔湖地区变暖,进一步改变中国东部在1990年代中期之后的夏季降水模式。此外,青藏高原积雪的年代际变化在1990年代中期也可能通过调制ENSO远程并置对比明显影响ENSO和EASM之间的关系(吴等 2011年)。

大多数以前的年代际变化研究只关注北方的夏季,很少有人注意到其他季节。考虑到中国南方的气候降水从早春开始,自然需要筹集问题：1)年代际变化有季节性的依赖吗? 2)北方春季和夏季降水的年代际变化之间的相位关系是什么? 因为海温的持久性,长期海温变化通常在北方春季和夏季也有类似的模式。鉴于类似的SST使人们会期望春季和夏季降水异常之间的一个同向关系。然而,根据目前的研究证明,这种同相关系没有物化。相反,我们观察到的是不同相的关系。因此,本研究的主要目标是揭示环流和降水变化的特点与北方春季和夏季东亚的年代际变化和理解产生中国南方的降雨量的不同相的年代际关系的物理机制。

剩下的内容组织如下：第二节介绍了用于这项研究的数据集、分析方法和模型。北方春季和夏季东亚环流和降水的年代际变化在第三节中进行了描述。在第4部分中,我们将研究相关的年代际变化在动力和热力学领域的物理机制并讨论在中国南部十年降雨量的改变与ECHAM模型不同相的关系。最后一节总结我们的主要结果和讨论一些悬而未决的问题。

1. 数据、方法和模型

用于分析的主要数据集包括纬向和经向风(U,V),垂直速度(omega;),位势高度(Z)和特定的湿度场，国家环境预报中心(NCEP)部门的能源(DOE)再分析II(NCEP-2;Kanamitsu et al . 2002)的2.5°X2.5°全球网格,五个一组的意思是气候预测中心(CPC)合并分析了降水(1997年提出,谢和阿金)、中国气象局(CMA)的160 -计月降雨量数据、全球降水气候学和每月的降水数据项目(GPCP;阿德勒et al . 2003年)。额外的数据集是从国家海洋和大气管理局(NOAA)卫星(Liebmann和史密斯1996)和哈德利中心海冰和海面温度数据集(HadISST;雷纳et al . 2003年)收集的日常18水平分辨率的长波辐射(OLR)。所有的数据集涵盖了从1979年到2010年的时期。

为了更好地得到降水年代际变化和东亚环流变化有关的结果,我们应用一个多元经验正交函数(MV-EOF)分析方法。这种MV-EOF分析方法被王详细描述(1992)。分析域被定义为10° - 50° N,100° - 140° E,因为根据先前的研究(如 朱镕基等 1986；道和陈1987；王和LinHo 2002)这是主要的东亚季风区域。用于MV-EOF分析的变量包括850 hPa意味着纬向和经向风异常的降水的季节性。MV-EOF分析是用于进行北方春季(高于3(MAM)]和夏季(6(环流)]的区分。此外,综合使用了两个时期之间的差异分析和应用于判断复合的统计学意义差异局部t测试。当地的t检验公式是

其中，m₁ 和m₂是每个时期的样本数量，x和y分别对应每个样本。

一个大气环流模式(AGCM)ECHAM(v4.6)模型(Roeckner 等 1996年)被运用于这项研究中来调查北方春季和夏季降雨年代际变化的物理过程。模式水平分辨率为2.8°X2.8°(T42)。七个数值实验设计在表1中列出。在控制实验(CTRL),模型集成使用气候月平均海温了15年。与灵敏度控制实验相似,三组实验分别体现北方春季和北方夏季的特征。第一组敏感性试验是基于热带太平洋SSTA(PO)和印度洋(IO),第二组是描述在热带IO的SSTA,第三组是描述在热带PO的SSTA。为了加强大气的反应程度,我们增加了一倍年代际SSTA的振幅(如图7a和7b所示)中规定在北方春季和夏季的SSTA敏感性实验。更加详细的数值实验描述热带PO和IO域和定义列在表1里。

表1 一个对照实验和六个敏感性实验使用ECHAM的大气模型的描述

1. 北方春季和夏季东亚环流和降水的年代际变化

图1 东亚的第二MV-EOF模式空间模式(a)和(b) 降水(颜色阴影，mmday^-1)和北方春季850 hPa风(向量,ms^-1)和主要成分(c) PC1和(d) PC2。红线是11年的光滑曲线。

图1显示北方春季MV-EOF模式第一次和第二次的空间模式和主要成分。第一个EOF模式占总方差的19.6%,而第二个EOF模式占总方差的13.2%。根据北方的规则(1982),两大模式在统计上区别于更高的模式。第一MV-EOF模式显示了中国东部南北偶极子与增强降水模式,向西延伸到朝鲜半岛和日本西部和从印度支那半岛到南海和菲律宾海(图1)的抑制性降水。在台湾以东有一个异常反气旋环流中心,脊轴面向西南。南(北)的山脊似乎有来自东北的(西南)异常。从南方和西南传输水分的异常导致中国东部降雨量增强。

第一主要成分(PC)的MV-EOF模式显示了明显的年代际变化。根据11年的光滑曲线，在图1 c(红色),PC值变化从正到负的转折点出现在1994左右。在这里，我们定义从1979年到1992年的时期为1994年以前的时期,从1997年到2010年时期为1994后时期。在1994年之前的时期的10年中有积极的变化，在1994后时期的11 - 14年有消极的变化。我们排除从1993年到1996年的过渡时期。包括这些1994时期的前后过渡的敏感性测试结果表明，复合的区别将保持不变。

第二个EOF模式的空间格局在北方春季的特点是提高了中国中部的降雨量和SCS,抑制了东南和东北的降雨量。没有明显的证据表明年代际变化与这种模式(图1 d)有关。

图2显示了北方夏季的MV-EOF分析结果。与春季的结果相比,第一个MV-EOF模式在北方夏季并不表现出明显的年代际变化,而第二个模式则表现了。根据北方等规则(1982),第一个模式分数方差的19.9%在统计上有别于其他的特征向量。第二模式占总方差的10.1%,尽管不是完全分开的更高的模式,仍然是一个大比例的总方差。空间格局的第一个MV-EOF模式(图2),可以找到类似的南北偶极子降雨模式抑制(增强)降雨异常南(北)25°N。这种模式有一个占主导地位的年际变化，这已经被以前的调查人员广泛研究(如常等 2000；王等 2008年)。它已经表明,这种模式与ENSO密切相关(王等 2000年)。

图2 与图1一样，只是关于北方夏季

在过去也许被忽视了的是第二个MV-EOF模式,在1990年代中期具有明显的年代际变化。11年的光滑曲线在图2 d(红色)表明,从1994年前到1994后PC值变化是由负到正。11 - 14年的第一个时期和在最近的11年14时期有积极地变化。第二种模式在北方夏季的空间格局提出了南到北热带的模式，增强在中国南部降水和低层气旋异常和抑制菲律宾海和东北亚降水和反气旋异常SCS 。这个经向波列模式非常类似于东部亚太(EAP)或太平洋日本(PJ)模式(Nitta 1987；黄和孙 1987)。

因此第一次和第二次的时间序列MVEOF模式表明,东亚大气环流在两个北方春季和夏季表现出显著的年代际变化信号。此外,中国南方降雨变化与年代际变化显示了不同相的北方春季和夏季之间的关系,也就是说,春季降水异常往往在1990年代中期显示从正到负,而夏季降水有相反的演化。

上述分析是基于GPCP降雨数据。仔细检查了在1990年代中期在中国南部不同相的十年降水变化,我们使用GPCP和两个独立的降水数据集(160 -计数据和提出五个一组均值

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