东亚地区哈德莱环流和冬季气温关系的年代际变化外文翻译资料

 2022-11-10 14:34:03

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东亚地区哈德莱环流和冬季气温关系的年代际变化

周波涛，王会军

摘要：

根据NCEP/NCAR再分析资料，研究了哈德莱环流（HC）的年代际变率及其与东亚地区冬季气温的关系。结果表明北半球冬季哈德莱环流在29世纪70年代经历了明显的变化，其转变发生于1976/1977年左右。随着哈德莱环流的年代际变化率，其与东亚地区地表大气温度（SAT）的联系也在逐渐变化，从弱联系到强联系。这种变化可能与哈德莱环流和菲律宾地区的大气环流系统之间的相互作用有关，这种大气环流系统还与东亚冬季风（EAWM）有关。在20世纪70年代以前，哈德莱环流和菲律宾地区的反气旋环流的联系并不显著，但是在70年后期，它们之间的联系进入了一个新的状态，这种关系的加剧可能因此成为70年代后期哈德莱环流和东亚冬季气温之间强联系的原因。

关键词：哈德莱环流，东亚气温，年代际变换，反气旋性环流，菲律宾

1.引言：

在过去的几年中，全球气候变化已经引起了科学家们的注意，过去的研究已经表明全球气候经历了一个变暖的过程，伴随着全球地表气温（SAT）在20世纪上升了0.6℃，并且变暖的趋势自从80年代以来尤其引人注目。据记载，在过去的一百年中已经有两个突然变暖的时期。其中一个是从上世纪20年代到40年代，另一个是从70年代直到今天。然而，气温变化并不是在全球统一发生的，而是因地区而异。王会军发现，自从1976年以来，在北半球中高纬大陆地区冬季气温有增加的趋势，但在格陵兰岛、太平洋中部、北美东北部和大西洋中纬度地区却呈现下降趋势。尽管很多事实都把矛头指向气温异常，但是作为大气基本特征的大气环流却是气候形成与发展的根本性驱动力。气候异常总是与大气环流的变化有关。此外，大气环流的年代际变率在某些地区同样也能够影响年代际气候变化。举例来说，李和李指出气候突变可能与北大西洋涛动（NAO）异常和北太平洋涛动（NPO）异常有着密切联系。吴和黄提出北大西洋涛动能够通过它本省对西伯利亚高压的影响引起异常的东亚气温。宫等阐释了北极涛动（AO）和东亚冬季气温之间有着显著的同相关系。鞠和任的研究也证明了北极涛动的变化对东亚地区冬季气温的升高有着很大的作用。

由于东亚的特殊地理位置，此地的气候变化除了被上述提到的高纬的大气环流所影响，也还受到低纬的大气环流的影响。在大气环流中扮演重要角色的位于热带地区的哈德莱环流（HC）能够在高纬度地区和东亚地区的气候异常中发挥作用。最近许多研究已经表明大气环流的年代际变化存在于上世纪70年代。这项工作的动机在于明晰冬季哈德莱环流的年代际变化及其与东亚地区冬季气温的联系。

2．数据资料

本次研究所采用的数据集是来自国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）所提供的大气再分析数据。地表物理量包括海表面气温（SAT）、经向风和纬向风（10m）。气压级别数据为17层经向风。所分析时段为1954-2003年的冬季。在这片论文中，冬季指的是从十二月到次年二月的时间段。

3.哈德莱环流和东亚地区冬季气温的关系

首先，分析了北半球冬季哈德莱环流的时间变化。为了描述这种变化，我们采取Oort和Yienger对于哈德莱环流指数的定义—将发生在北纬0°-30°区间的纬向平均质量流函数的最大正值去测量哈德莱环流的强度。从图1中可以看出哈德莱环流不仅表现出年际的而且表现出年代际的变率。在70年代中期以前，哈德莱环流指数几乎主要为与负位相，并且哈德莱环流很弱。但是在70年代中期以后，哈德莱环流指数主要为正位相，并且哈德莱环流很强。哈德莱环流的年代际变化很大程度上被11年滑动平均曲线。图中实线可以显示出该指数在1959-1977年间为负位相以及在1978-1998年间为正位相，这一结果证实出哈德莱环流显著的年代际变率。此外，在图中的线性趋势线中可以发现哈德莱环流的上升趋势，这与之前的研究结果一致。

图1

  1. 哈德莱环流指数的时间序列（柱状图）及其11年滑动平均曲线
  2. 关于冬季哈德莱环流指数的Mann-Kendall检验

为了探明70年代冬季哈德莱环流的气候转变，一项Mann-Kendall检验被运用于哈德莱环流指数（图1. b）。从UF曲线和UB曲线的交叉点中可以推断出哈德莱环流的转变大约发生在1976-1977年间。另外，从UF曲线上可以看出从70年代末开始冬季哈德莱环流有一个比例达到99%的上升趋势。然而，因为再分析数据产生的不正确的趋势，它的准确性可能存在疑问。最近，Mitas和Clement检验了许多常用数据集中的哈德莱环流结构和强度，包括NCEP/NCAR再分析资料（NCEP1）、国家环境预测中心/能源部（NCEP-DOE）的再分析资料（NCEP2）、欧洲中尺度气候预测中心（ECMWF）的40年再分析资料（ERA40）、雷达探空数据和一系列的模型模拟。这项工作表明NCEP1和ERA40两者都显示出哈德莱环流在过去的几十年里的上升趋势，尽管和遵循卫星辐射观测测量结果的趋势值不同。哈德莱环流在一整个时期上升的事实意味着它并不是一个在1979年后的时期卫星数据范畴内的人工制品，因为这一趋势存在于1979年之前和之后。这与ERA40再分析资料中的温度和湿度的趋势形成对比，而ERA40再分析资料已经被Bengtsson等归类为卫星数据的范畴内。除此以外，模型模拟的总体在1950-2000年这一时期展现出一种统计学上显著的加剧效果，尽管在量级上比它在NCEP1和ERA40的再分析资料中的要小。虽然如此，NCEP2再分析资料在这一时间段内没有展现出哈德莱环流中的加剧效果。雷达探空数据也没有表现出可辨别的长期的趋势来，因为Waliser等指出的空间分布。由于上述数据集的偏差，哈德莱环流趋势的稳健性必须得到精确。

图2

哈德莱环流指数和冬季海表气温（SAT）的相关性，显著性超过95%的地区被阴影标出

a.1954-1976

b.1981-2003

表1

冬季哈德莱环流指数与海表气温、涡度之间的相关性

图2.a和图2.b分别呈现出哈德莱环流指数和海表气温之间在环流强弱两阶段相关性的空间分布。为了确保在每一阶段的平均样本数量，我们在此项研究中把1954-1976年之间作为弱哈德莱环流阶段，把1981-2003年之间作为强哈德莱环流阶段。比较两个指标，就可以看出1954-1976这个时间段内在苏门答腊岛和加里曼丹岛这块区域，冬季哈德莱环流与海表气温呈显著正相关，以及在从中国东南部到日本北侧这片区域中与海表气温呈现负相关。然而，在中国地区的负相关并不是主要的，没有达到95%的显著相关性。在1981-2003这一时间段内，一个西南-东北走向的显著同相相关性的带状分布存在于从低纬度地区到高纬度地区（图2.b中阴影区域）。特别地，正位相主要位于中国沿海地区，并且最大值为0.5，这意味着该地区的海表气温会变得更暖当冬季哈德莱环流变得更强的时候。为了进一步阐明哈德莱环流和东亚海表气温在年代际时间尺度上的关系，已计算出哈德莱环流指数和该地（20°-40°N，110°-140°E）平均海表气温之间的相关性系数（详见表1）。这表明了在这整个时期和强哈德莱环流期间都有着显著的相关性。在1954-1976和1981-2003两个阶段的系数分别为0.32和0.45。虽然如此，在弱哈德莱环流阶段，冬季哈德莱环流与东亚海表气温之间的相关系数只有-0.11，并不显著。因此它证明了哈德莱环流和东亚海表气温之间的联系在冬季就呈现年代际变化。

4.哈德莱环流和东亚海表气温关系的年代际变化的可能原因

众所周知，东亚冬季风（EAWM）是影响东亚气温的重要因素之一。到目前为止，有许多指数可以表现出东亚冬季风的活动。在本次研究中，Chen等对东亚冬季风指数的定义——该区域（25°-40°N，120°-140°E）和（10°-25°N，110°-130°E）地表风（10m）的平均经向分量——已经被采用。一个负位相东亚冬季风指数表明当地区性平均北风足够强以至于可以影响长江流域以南地区的时候，则该年为强冬季风年，反之亦然。图3指出东亚冬季风指数和海表气温的相关性。明显地，正位相由于其在50°N以南的东亚地区最大系数超过了0.7，所以在该地是主要影响因素。它表明南下的冷空气在变弱，并且东亚海表气温将会在弱东亚冬季风的条件下被增温，在强东亚冬季风时则相反。图4显示出东亚冬季风指数和地表风区的相关性。它很清晰地指出伴随着弱（强）东亚冬季风，异常的反气旋性环流（气旋性环流）会出现在菲律宾，而且南方（北方）异常在中南半岛、中国南海和东亚地区占据主要地位。这些结论反映在Chen等和Li等的研究文献中。

图3

东亚冬季风指数和冬季海表气温之间的相关性，显著性超过95%的地区被阴影标出

图4

东亚冬季风指数和地表风区之间的相关性，东亚冬季风指数和经向风之间的相关性超过95%的显著性的地区被阴影标出

图5

1981-2003年，110°-150°E地区哈德莱环流指数、经向风和垂直涡度的纬度高度横截面，阴影区域为哈德莱环流指数和垂直涡度之间相关性超过95%显著性的地区。

图6

1981-2003年间哈德莱环流指数和地表风之间的相关性，哈德莱环流指数和经向风的相关性超过95%显著性的地区被阴影标出

图5同时展示出了在强哈德莱环流年份中哈德莱环流指数和当地（110°-150°E）经向环流的相关性。相应于更强的哈德莱环流，当地异常经向环流在低纬地区更加明显。与此同时，下沉运动几乎占据了整个20°N以南地区的对流层，这可能导致反气旋环流在菲律宾地区异常的加强。这一结论和冬季哈德莱环流和地表风区的直接关系相一致（图6）。正如图6所展示的，一个异常的反气旋环流在强哈德莱环流阶段存在于菲律宾地区，这就是说，当哈德莱环流处于正位相的时候，反气旋环流会异常地出现在菲律宾东部。然而，在弱哈德莱环流阶段（图中没有显示出）情况不是这样的。20°N以南地区下降的分支并不存在，因此，反气旋环流异常就不是在菲律宾地区形成的。这些特征同样也可以被图7所展示出的在两个阶段哈德莱环流指数和涡度（10m）之间的相关性所证明。菲律宾地区的相关关系在弱哈德莱环流年份并不显著，然而异相的相关关系在菲律宾地区在强哈德莱环流期间很显著。

图7

哈德莱环流和涡度的相关关系，显著性超过95%的地区被阴影标出

a.1954-1976

b.1981-2003

表2

东亚冬季风指数、海表气温和涡度的相关关系

为了进一步分析反气旋环流与哈德莱环流和东亚冬季风之间的关系，该地区（7.5°-20°N，125°-140°E，图7中的矩形区域）平均涡度和哈德莱环流指数以及东亚冬季风指数的滑动相关在图8中展现出来。利用19年（从1954-1972到1995-2003）滑动窗口计算出其相关关系。横坐标上的年份表示为窗口的第一年（例如1954年），标记为1954-1972这一时间段。从图8可以看出，涡度和东亚冬季风指数之间异相的相关关系似乎非常稳定，在整个期间其显著性都在95%以上。不像涡度和东亚冬季风的相关关系，涡度和哈德莱环流指数的关系很不稳定。在60年代中期以前，他们的相关性非常小，几乎在0左右波动。在这之后，负位相相关关系就被放大并且在70年代后期显著性达到95%以上。这表明相应于哈德莱环流从低指数到高指数的转变，哈德莱环流和菲律宾附近的涡度之间的关系经历了年代际变化。这也可以被在两阶段中涡度与哈德莱环流的直接相关关系（表1）和东亚冬季风（表2）所证实。不论是在1954-1976还是在1981-2003哪个阶段，涡度总是与东亚冬季风之间呈显著负相关。然而哈德莱环流和涡度的相关系数却只有-0.05，在1954-1976期间几乎是线性独立，然而在1981-200期间两者之间的相关系数为-0.57有着99% 的显著性。因此，哈德莱环流和东亚冬季风与东亚冬季海表气温在70年代后期的密切联系可以被通过菲律宾东部的反气旋环流所证实，其能够联系到哈德莱环流和东亚冬季风。

图8

涡度和哈德莱环流指数（点实线）与东亚冬季风指数（虚线）之间的19年滑动相关关系

5. 讨论和总结

北半球冬季哈德莱环流及其与东亚冬季海表气温联系的年代际变率已经被检验证实，结论叙述如下：

冬季哈德莱环流不仅表现出年际变化而且还有年代际变化。哈德莱环流转变在70年代中期，先前为负位相，在这一时期之后进展为正位相。这一转变大约发生在1976/77年间。这些结果也展现出哈德莱环流与东亚海表气温之间的联系在冬季经历了一个从弱联系到强联系的年代际转变。它们的关系主要表现在强哈德莱环流年份期间，同时在弱哈德莱环流期间就没那么显著。一个为什么哈德莱环流和东亚冬季海表气温的 联系发生年代际的可能原因在本此研究中被初步证实。自然地，东亚海表气温的改变是被东亚冬季风所影响。哈德莱环流和东亚冬季风之间的关系也通过相关分析法而得到分析，结果表明冬季哈德莱环流与菲律宾地区的反气旋环流系统有着密切联系，这关系到70年代后期的东亚冬季风，同时在这一时期之前他们的关系并不显著。因此，70年代末之后哈德莱环流和东亚海表气温的密切联系被认为是可归属于冬季哈德莱环流和菲律宾地区反气旋环流所加强的互动。然而，这些结果是基于相关分析，并且因为相关关系并不建立因果关系，所以这一过程的动力机制并不明显。另外，其他过程可能也会被在冬季哈德莱环流和东亚冬季风与东亚海表气温之间建立联系。同样，是什么促使了哈德莱环流和菲律宾地区大气环流系统之间互动的年代际变化尚且未知。所有这些问题都将在未来的探索中得到进一步的研究发展。

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