El Nin˜o和El Nin˜o Modoki期间太平洋及沿岸地区的冬季气候异常外文翻译资料

 2022-11-14 16:11:38

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El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki期间太平洋及沿岸地区的冬季气候异常

Hengyi Weng，Swadhin K.Behera，Toshio Yamagata

摘要 本文比较了1979-2005年北半球冬季El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki事件对太平洋及其沿岸地区气候的不同影响。El Nintilde;o Modoki（El Nintilde;o）在海洋-大气中呈现多种“回旋镖”型，具体表现为在热带太平洋的海温、降水和对流层上层的辐散风异常为三（偶）极型。“回旋镖”型在纬向和经向的范围反映了他们各自从较低纬度到较高纬度、从西到东的独立影响。在中太平洋，更多的水汽由于El Nintilde;o Modoki发生时湿“回旋镖”分支向东北方向的偏移而从热带地区输送到更高纬度。“回旋镖”分布型以外的不连续性表明热带和副热带/温带的系统之间的强相互作用。El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki期间太平洋-北美型遥相关的变化及与之相关的北美气候异常已有不同角度的研究。El Nintilde;o Modoki期间美国西部“北干南湿”的跷跷板关系显著，而El Nintilde;o发生时美国西部大部分地区偏湿。El Nintilde;o Modoki期间来自北移的赤道辐合带的水汽被输送到美国西南部，而在El Nintilde;o期间这些水汽主要来自向南移动的极锋急流。El Nintilde;o Modoki期间，与东亚冬季风相关的反气旋环流位于中国南海，而El Nintilde;o发生时位于菲律宾海，因此导致东南亚冬季降水异常相反。

关键词 El Nintilde;o Modoki、El Nintilde;o、极端气候、北半球冬季遥相关、回旋镖型

  1. 介绍

El Nintilde;o Modoki被认为是热带中太平洋海气耦合的现象，在时空特征和遥相关型上与传统的El Nintilde;o不同（Ashok et al. 2007; Weng et al. 2007）。El Nintilde;o的定义在过去几十年不断地发展。在早期的一些研究中，El Nintilde;o指热带东太平洋增温的传统El Nintilde;o，而后来的一些研究工作中则包括了热带中太平洋增温的现象（Rasmusson and Carpenter 1982; Ropelewski and Halpert 1986; Rasmusson）。这样一个定义可能同时包含了传统El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki。由于太平洋沿岸国家与之距离近、人口密度大，因此El Nintilde;o或者ENSO对局地气候的影响受到广泛关注。对流层中热带太平洋深对流运动释放的热量是全球大全环流的主要驱动力之一，因此传统El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki期间热带热源位置和强度的变化必定会导致热带太平洋以外地区风场和天气/气候型的变化。在温带地区，遥相关通常是北半球冬季最显著的信号。不少早期的El Nintilde;o对冬季气候影响的研究可能将热带太平洋海温的两种模态混合了。

研究表明北美气候的El Nintilde;o关系显著（Kiladis and Diaz 1989; Keables 1992; Livezey et al. 1997; Montroy 1997; Larkin and Harrison 2005a）。比如在ENSO暖位相期间，美国西部冬季降水异常呈现“北干南湿”的跷跷板关系（Dettinger et al. 1998; Mo and Higgins 1998; McCabe and Dettinger 1999; Cayan et al 1999）。一些研究发现冬季美国西南部的湿润可能缘于北移的赤道辐合带使得热带太平洋的水汽向北输送（Reyes and Mejıacute;a-Trejo 1991）。而El Nintilde;o Modoki发现后，研究传统El Nintilde;o期间美国西部降水异常的南北跷跷板关系是否依然显著是必要的。

东亚冬季风是El Nintilde;o和太平洋沿岸地区冬季气候之间重要的遥相关（e.g., Tomita and Yasunari 1996; Zhang et al 1997; Wang et al. 2000; Juneng and Tangang 2005; Li et al. 2005）。位于菲律宾海冷海温异常上的低层异常反气旋环流是连接El Nintilde;o和弱的东亚冬季风之间的关键系统（e.g., Wang et al. 2000）。由于传统El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki不同的海温异常分布，与之对应的东亚冬季风异常可能也不相同。因此，研究El Nintilde;o和东亚冬季风之间的关系应该分别研究传统El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki，否则当两者与东亚冬季风（降水）信号相反时关系会减弱。

研究传统El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki及他们对气候影响差异的重要性不言而喻。两者在热带太平洋海温异常纬向梯度的差异导致不同的沃克环流（Lindzen and Nigam 1987）。沃克环流与热带太平洋质量/水汽源、汇项的位置和强度紧密相关。局地经向环流异常则将这些热带现象与副热带/温带的系统相连。这些不同的大气环流使得热带太平洋不同的海温异常纬向梯度演变为太平洋沿岸地区的气候异常（Ashok et al. 2007; Weng et al. 2007）。

本文主要研究传统El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki对北半球冬季太平洋沿岸地区的气候影响是否存在显著不同。由于大气对于热带海温异常的响应十分迅速，这里我们重点关注北半球冬季两类增温事件发生时与同时段气候的关系。本文内容安排如下。第二部分介绍文章采用的数据和方法。第三部分阐述冬季气候平均态和传统El Nintilde;o及El Nintilde;o Modoki期间的气候异常。第四部分探索热带太平洋海温异常分布发展成为沿岸地区气候异常的不同遥相关路径。第五部分是结束语和讨论。

  1. 数据和方法

本文使用的数据集有HadISST平均海温数据（Rayner et al. 2003），NCEP/NCAR环流场再分析资料（Kalnay et al. 1996），GPCP2混合降水资料（Adler et al. 2003），此外还包括中国160站（Beijing University, China）、日本72站（Japan Meteorological Agency）、美国102站及夏威夷的4个站点（NCEP/NOAA）的降水资料。

本文的分析时段为1979-2015年北半球冬季（1、2、3月）。这里所讨论的冬季异常均减去了各自在该时段的平均状态。

根据Ashok等人（2017）的研究，El Nintilde;o Modoki指数（EMI）定义为

（1）

式中带下标的方括号表示各区域的海温异常平均值，其中中部区域（,），东部区域（,），西部区域（,）。传统El Nintilde;o用区域（,）海温异常值平均所得的Nino 3指数表示。图1给出了标准化的Nino 3和EMI指数的冬季时间序列，各自的标准偏差分别为和。图三标记的区域即计算上述指数所选取的范围。

图1.1979-2005年JFM的（a） Nintilde;o3 和（b） EMI标准化时间序列，三个月平均Nintilde;o3和EMI标准偏差分别为0.882 和0.544C。

两类指数之间的线性相关系数为0.267，表明虽然两者在很大程度上相互独立但仍存在某些联系。因此，不同于普通的相关/回归分析，这里采用两类指数与大气变量之间的偏相关/回归系数来寻找他们之间可能存在的线性关系（Ashok et al. 2007; Weng et al. 2007）。根据Trenberth和Shea（2005），就本的文科学意义而言，统计检验不是必须的，因此这些分析的空间型科学意义大于统计意义（Cox 1977; Carver 1978; Armstrong 2007）。为了更好地从遥相关路径上理解动力学机制，这里我们重点关注两类增温事件相关的不同变量空间型的比较。

为简单起见，下文中的“冬季”、“暖（冷）”、“湿（干）”、“高（低）”分别表示“北半球冬季（1、2、3月）”、“比正常态暖（冷）”、“比正常态湿（干）”、“比正常态高（低）”。这里“正常态”指的是本文研究阶段内的气候平均态。若无特殊说明，下文中所讨论的“El Nintilde;o”皆是由Nino 3指数所表征的传统El Nintilde;o事件。虽然我们重点关注的是太平洋沿岸国家，但考虑到局地的海气相互作用也可能会造成全球性的影响，下文会给出一些全球地图的变量分析场。

  1. 冬季气候
    1. 气候平均态

为便于比较El Nintilde;o Modoki和El Nintilde;o期间冬季气候的异常状态，图2给出了冬季气候平均态。图2a为海表温度和地面气温的平均态。热带西太平洋暖池海温最高的区域位于赤道以南巴布亚新几内亚以东，于是对流层上层辐散中心（质量源）相较于海温暖中心略偏西。此外，温带北太平洋附近也存在一个显著的辐散中心，辐散风向东辐射进入北美西部，向西到达东亚，北上至阿拉斯加和东西伯利亚。这个辐散中心与位于它西侧地表温度南北梯度最大处的高斜压性有关。

至高层存在着全球环流的辐合带（图2a），最北侧的位置处在全球最大的辐合中心东亚附近。该地的辐合主要由来自热带西太平洋的盛行南风气流主导，说明暖池直接影响着东亚大气环流。

第二个与陆地相关的太平洋沿岸的辐合中心位于北美西南部附近。来自温带北太平洋辐散中心的风对高层该区域的辐合起着重要作用。在处于南半球夏季的南太平洋，除了主要的辐散中心，其向东南延伸形成的又一辐散中心位于热带至副热带的南美南部。对流层上层显著的辐合中心主要分布在热带至副热带南太平洋东侧以及南大洋洲。

根据图2b给出的GPCP降水率分布，主雨带是位于热带太平洋北侧5附近的ITCZ（Waliser and Gautier 1993; Mo and Higgins 1998），南太平洋辐合区（SPCZ）和南大西洋辐合区（SACZ）。位于赤道南侧的热带东太平洋干燥区被称为“太平洋干区”（PDZ）（Quinn and Burt 1970）,与“冷舌”（图2a）和对流层上层的辐合情形一致（图2b）。ITCZ，SPCZ和PDZ在时空上的位移对相应的热带太平洋沿岸地区的气候而言非常重要。湿/干区的分布与热带太平洋沃克环流一致（图2c），热带对流区域的水汽通过沃克环流和局地经向环流（图2a，图2d）输送至南北半球温带太平洋沿岸（图2b）。

图2.1979-2005年北半球冬季气候平均态。（a）海表温度和地表温度（阴影）以及200hPa辐散风（箭头）。（b）GPCP降水率（阴影）和地面风（流线）。（c）10S至10N沃克环流（流线），速度势（等值线；间隔）和绝对湿度（阴影）。（d）500hPa位势高度（等值线；单位m）和垂直速度（阴影）；垂直速度乘以-50。

在温带北太平洋，极锋雨带（图2b）与温带对流层上层的辐散（图2a）和极锋急流（图2d）有关。这些位于副热带和温带的湿区（干区）与地表气旋性（反气旋性）环流系统（图2b）和中层的上升（下沉）运动（图2d）有很大的相关。正如早期研究所讨论的（e.g., Baines 2006），这些关系表明通过局地经向环流输送质量和水汽对降水的分布起着重要作用。位于白令海峡和北美东北部平均槽，北美西北部的脊和副热带东北太平洋弱槽的位置和/或强度变化都可能对东北太平洋的降水异常带来影响。

在东亚/西北太平洋与对流层上层辐合区（图2a）和下沉气流（图2d）对应的蒙古（图2b），存在着一个大尺度地面反气旋环流中心。反气旋东侧的偏北气流构成了东亚冬季风。 我们发现无论在强度还是方向上，El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki期间的东亚冬季风都不同，这可能会对西北太平洋沿岸的降水异常造成显著影响。

3.2 El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki期间气候异常

3.2.1 温度

图3. 北半球冬季（a）Nintilde;o3（b）EMI与海温和地表温度异常的偏回归分析。黑色方框的海温异常分别表示各自的指数。图中回归分布型的数值均表示单位标准偏差下指数回归的结果。

图4.（a）Nintilde;o3（b）EMI与GPCP降水异常（阴影）和地面风异常（流线）的偏回归分析。

图3给出了海表和地表温度异常的分布型。图3a（b）所选区域的海温异常平均值用来定义Nino 3（EMI）指数，表示El Nintilde;o（El Nintilde;o Modoki）期间海温异常的空间分布特征。北半球冬季接近El Nintilde;o事件发展的成熟期，同时也处于El Nintilde;o Modoki两个峰值位相中季节锁相更为复杂的一个（Weng et al. 2007 Weng et al. 2007）。

El Nintilde;o期

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