两种与南方涛动有关的厄尔尼诺类型以及对全球陆地降水产生的不同影响外文翻译资料

 2022-11-16 11:37:10

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两种与南方涛动有关的厄尔尼诺类型以及对全球陆地降水产生的不同影响

徐康lowast;1,2 祝从文dagger;2 何金海1

1.气象灾害教育部重点实验室，南京信息工程大学，南京，210044

2.气候系统研究所，中国气象科学院，北京，100081

（2012年12月26日收稿；2013年1月22 日修订；2013年2月19日录用）

摘要 太平洋东部型和中部型的厄尔尼诺之间的对比是通过在热带地区的地带性和垂直循环的不同反应的观测来进行的。为了测量大气环流对两种类型的厄尔尼诺的不同反应，太平洋东部型和中部型的南方涛动指数 (EP-和CP-SOI) 的定义是基于涡流海平面气压和海表温度之间的海-气耦合关系。分析表明，当东部型南方涛动指数表现2—7年尺度的年际变化时，中部型南方涛动指数表现的10—15年尺度的年代际变化更占主导地位；两者的耦合和他们各自的东部型和中部型的厄尔尼诺模式一样强烈。合成分析表明，在东部型厄尔尼诺与南方涛动期间，沃克环流表现为在低层(850 hPa) 和高层 (200 hPa) 速度潜在异常的偶极子结构和在太平洋上空的单极信号。然而，在中部型厄尔尼诺与南方涛动期间，沃克环流则表现为三极子结构和在太平洋上空的偶极信号。此外，两种类型的ENSO事件表明在寒带的冬季和春季对全球陆地降水的影响是相反的。例如，在冬季和春季横跨中国大陆的季节降水与东部型和中部型的ENSO事件呈现的是一种相反的关系，但在其它的季节期间长江下游和中国南方地区的降雨量则与其显示相反的关系。因此，当预测东亚季风地区季节性降雨时，降雨量与东部型和中部型ENSO事件之间的不同关系应该被认真考虑。

关键词 南方涛动，涡流海平面气压，太平洋东部型和中部型厄尔尼诺与南方涛动，沃克环流，降水异常

引用 徐康，祝从文，和何金海，2013年：两种与南方涛动有关的厄尔尼诺类型以及对全球陆地降水产生的不同影响.大气科学进展，第30卷第6号，1743—1757，数字对象唯一标识符：10.1007/s00376—013—2272—3.

1.引言

在最近的几十年，ENSO事件得到广泛的研究，直到现在通常被认为是对全球气候有着重要影响的热带海—气相互作用。它包括两个变化现象：暖海洋位相，厄尔尼诺事件，伴随着在西太平洋地区的高海平面气压，然而冷海洋位相，拉尼娜事件，伴随着在西太平洋地区 的低海平面气压（Trenberth，1976 年，1984年；van Loon and Shea，1985 年，1987年）。以前的观测结果表明在达尔文 （12.4◦ S，130.9◦ E） 和大溪地 （17.5◦ S，149.6◦ E） 之间的海平面气压通常与厄尔尼诺事件呈现相反的变化，因此这两个站之间的海平面气压异常差异被定义为南方涛动指数，并用来衡量对厄尔尼诺事件的热带大气响应（Trenberth，1984 年；Ropelewski and Jones，1987 年；Trenberth and Hoar，1996年）。最近，一种新型的厄尔尼诺事件被进行研究并定义为“日界线厄尔尼诺事件”（Larkin and Harrison，2005年），“新型厄尔尼诺现象”（Ashok等，2007年），“中部太平洋厄尔尼诺事件”（Yu and Kao，2007年）和“暖池厄尔尼诺”(Kug等，2009年)。它是以在赤道中部太平洋的海表温度异常增暖的增强为特征的（Larkin and Harrison，2005 年；Kao and Yu，2009 年；Kug等，2009 年；Yeh等，2009 年；Ren and Jin，2011年）还有，到目前为止，至少三个不同的机理被提议用来解释它的动力学特征（Ashok等，2009 年；Kug等，2009 年；Yu and Kim，2010年）。作为一种区别于传统的东部型太平洋厄尔尼诺事件的方式，这种新型的厄尔尼诺现象通常被称为太平洋中部型ENSO事件（Yu and Kao，2007 年；Kao and Yu，2009 年；Yeh等，2009 年；Yu等，2010年）。然而，只有日界线厄尔尼诺事件的定义需要在西部和东部太平洋的海表温度异常变冷（Ashok等，2007年），因此，日界线厄尔尼诺事件可以被视为一种特殊类型的中部型厄尔尼诺事件。

ENSO事件的年际变化展现了在全球季风降雨（Zhang等，1996 年；Wu and Wang，2000 年；Chen 等，2005 年；Wang and Ding，2006 年，2008年)，热带气旋的活跃性（Chan，1985 年；Chen and Tam，2010年），和全球大气环流异常 （Trenberth，1984 年；Jacobs and Comiso，1993 年;Simmonds and Jacka，1995 年;Jacobs and Comiso，1997 年；Kwok and Comiso，2002年）。一个早期的研究表明，南方涛动事件对海温的变化是非常敏感的，尤其是在西太平洋“暖池”的海表温度异常（Bjerknes，1969年）。最近，它确实表明中部型厄尔尼诺事件对气候的影响是有别于东部型厄尔尼诺事件的（Larkin and Harrison，2005 年;Weng等，2007 年，2009年，2011年；Cai and Cowan，2009 年；Taschetto and England，2009 年；Feng等，2010a，b；Mo,2010 年；Feng and Li，2011 年；Yu等，2012年；Wang and Wang，2013年）。例如，在Mo（2010 年）建议，这两种类型的厄尔尼诺事件产生的可能不同影响可以作为厄尔尼诺事件对美国气候影响预测结果的不确定度的来源。此外，两种类型的厄尔尼诺事件之间的大型海表温度异常可能会导致不同的南方涛动反应（Hoerling and Kumar，2002 年；Yeh等，2009年)。然而，传统型的南方涛动指数是否能够描述中部型厄尔尼诺事件已不被之前的详细研究检验了。在这点上，目前报告的研究的目的是调查南方涛动对东部型厄尔尼诺事件和中部型厄尔尼诺事件这两种类型的不同响应，并定义两个新的南方涛动指数来衡量南方涛动的不同年际变化和其对两种类型的厄尔尼诺事件的响应。 此外，在全球和中国区域的陆地降水异常与这两个南方涛动指数之间的关系将被探讨。

本文的结构如下:在第2节中介绍数据和方法；第3节中详细规定了两种类型的与厄尔尼诺事件相关的南方涛动指数的定义；在第4节，我们讨论两种类型的南方涛动之间的沃克环流和其相关的降水异常。最后，在第5节给出结论。

2.数据和方法

大气成分数据集取自美国国家环境预测中心/国家大气研究中心的大气研究再分析资料 (NCEP/NCAR)（Kalnay等，1996年）。这些数据集的变量在2.5◦times;2.5◦的空间分辨率上可用。若要验证结果，从哈德来环流中心(HadSLP2)获取的海平面气压数据被利用与从 NCEP/NCAR再分析资料中获取的海平面气压数据进行对比。HadSLP2 是全球海平面气压产品内插于5.0◦times; 5.0◦网格的站点观测（Allan 和安Ansell，2006年）。每月的海表温度数据取自气象部门哈德来中心海冰和海表温度数据集 (HadISST)，格点分辨率在 1.0◦times;1.0◦（Rayer等，2003年）。此外，我们使用在1951年到2009年的陆地(PREC/L)数据集上来自于全球陆地降水重建的月降水资料，格点分辨率在1◦times;1◦ （Chen 等，2002年），以及从中国气象局 (CMA)的国家气候中心（NCC）观测到的722站月降水资料。这项研究的持续时间为1951年到2010 年，并且所有变量的异常被定义为偏离平均季节性周期。

使用的统计方法包括线性相关和线性回归、小波变换和功率谱分析（Torrence and Compo，1998年），奇异值分解和合成分析。此外，偏相关（和回归）（Ashok等，2007年；Weng等，2007年；Cai等，2011 年；Feng and Li，2011年）用于检查两种南方涛动类型和全球陆地降水之间的共变和独立关系。所有的统计显著性测试基于双尾学生t-检验和蒙特卡洛字段显著性检验（Livezey and Chen，1983年）。

3.两种南方涛动指数的定义

先前的工作表明在热带太平洋地区东部型厄尔尼诺事件和中部型厄尔尼诺事件主要显示了明显的相反的纬向海温异常 （Ashok等，2007年；Yu and Kao，2007 年；Kao and Yu，2009 年；Kug等，2009年)。因此，我们习惯用涡流海平面气压(p′)来标注南方涛动对两种类型的厄尔尼诺事件的不同响应，在这里p′被定义为海平面气压和其纬向平均之间的偏差。为了探究海温和次表层海温异常之间可能的偶极模式，Xu等（2012 年）应用奇异值分解方法于(30◦ S—30◦ N，120◦ E—80 ◦ W) 的海温左区域和（高层350 米，平均热带太平洋5◦ S 和 5◦ N 之间）的次表层海温右区域。前三个在海温和次表层海温异常之间区域的奇异值分解模式分别显示东部型ENSO模式、线性趋势及中部型ENSO模式。他们的分析表明，东部型ENSO事件和中部型ENSO事件的变化在与海温和次表层海温领域相关上分别呈现（2-7 年）的年际振荡和（10—15 年）的年代际振荡，并认为这是通过奇异值分解分析在热带太平洋地区的这两个领域的分别以偶极子模式和三极子模式为特征。因此，海温场的两个扩张系数，分别与有关的奇异值分解的东部型厄尔尼诺和中部型厄尔尼诺模式有关，且可以定义为东部太平洋指数(EPI)和中部太平洋指数(CPI)和用于指示其时间变化（Xu等，2012年）。与Kao and Yu(2009年)以及Ren and Jin(2011年)对东部型ENSO事件和中部型ENSO事件的定义相比，Xu等（2012 年）发现，东部太平洋指数和中部太平洋指数也在捕获和区分两种类型的 ENSO事件上有良好的能力。

图 1 分别显示了涡流海平面气压异常在东部太平洋指数和中部太平洋指数上的回归。东部太平洋指数回归的涡流海平面气压显示在热带和副热带的纬向偶极子模式和和类似于众所周知的传统型南方涛动的异相结构。涡流海平面气压的显著正中心是位于亚洲和印度-太平洋的交界处，与之对应显著负中心在东部太平洋。国际日期变更线可以作为涡流海正（负）值之间的分界线（图1a）。相比之下，中部太平洋指数回归的涡流海平面气压显示在热带地区的纬向三极子模式。两个显著正中心分别位于热带印度洋和太平洋的东部，与之对应显著负中心在热带太平洋中部(图 1b)。然而，由Yu等（2010 年）得到的结果表明与传统型南方涛动事件的成熟阶段相比，在海事大陆的中部型ENSO事件相关的海平面气压异常与在太平洋地区的北部和南部发生的副热带海平面气压异常相联系且向西移动。我们认为这些差异的主要可能性是不同的指数用于指示两种类型的ENSO事件的活动。然而，在最近的研究中，东部太平洋指数和西部太平洋指数回归的涡流海平面气压展示了对于海温异常相反的东部型和中部型厄尔尼诺模式。（Ashok等，2007年；Weng等，2007 年，2009年，2011年；Xu等，2012年）。因此，两种类型的厄尔尼诺模式之间的海温异常突出显示了不同的南方涛动模式和大气响应。传统的南方涛动指数定义基于东部型厄尔尼诺事件（Trenberth，1984 年；Ropelewski and Jones，1987 年；Trenberth and Hoar，1996年），并明确此南方涛动指数不能用来描述南方涛动对中部型厄尔尼诺事件的响应。

为分离南方涛动对两种类型的厄尔尼诺事件的不同响应，我们导出两个南方涛动指数来衡量大气响应的强度并做上相应的记录。太平洋东部型南方涛动指数 (EP-SOI) 的定义是在东部地区 (20◦ S—20◦ N，160◦—70◦ W)和西部地区(20◦ S —20◦ N，80 ◦ E—170◦ W)之间的平均海平面气压异常差异的差值。图 1a 中的两个洋红色的框显示的是关键区域。太平洋中部型南方涛动指数 (CP SOI) 的定义如下：

CPminus;SOI = [海平面气压距平] C minus; 0.5 [海平面气压距平] E minus; 0.5 [海平面气压距平] W，(1) 其中方括号里的用下标表示平均海平面气压距平，其区域在中部(C： 15◦ S —25◦ N，140◦ E-130◦ W)、 东部 (E:20◦S—25◦ N，110-60 ◦ W) 和西部 (W：20◦S—25◦ N，70◦—110◦ E) 太平洋区域，如图 1b 中的三个洋红色的框所示。

图 1.1958年到2007 年（a）东部太平洋指数和(b)中部太平洋指数的涡流海平面气压异常的回归模式。颜色阴影区域表示海平面气压异常超过 99%的置信水平基于学生氏 t-检验。洋红色的矩形框表示用于计算各自指数的区域。

图 2.(a)东部型南方涛动指数（蓝色栏）和东部太平洋指数（红色曲线）的归一化时间序列；（b)中部型南方涛动指数（蓝色栏）和 中部太平洋指数（红色曲线）的归一化时间序列。东部型南方涛动指数和东部太平洋指数之间的相关系数是 minus;0.85，中部型南方涛动指数和中部太平洋指数之间的相关系数是 minus;0.53。

图 2 显示了 1951年到2010年期间的太平洋东部型南方涛动指数和中部型南方涛动指数、东部型厄尔尼诺指数和中部型厄尔尼诺指数的归一化时间序列。太平洋东部型南方涛动指数的变化与传统型南方涛动指数是一致而且表现出明显的年际变化。太平洋东部型南方涛动指数与东部型厄尔尼诺指数的相关系数是–0.85，在1%水平的统计学意义。太平洋中部型南

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