夏季美国降水变化及其与太平洋海温的关系外文翻译资料

 2022-11-29 15:34:31

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夏季美国降水变化及其与太平洋海温的关系

婷明芳，王辉

伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校，大气科学系，厄巴纳，伊利诺伊

（手稿于1996年8月12日收到，最终版本为1997年1月11日）

摘要：本研究利用1950年至1990年的数据检查了美国大平原夏季降水的逐年波动。在这段时期内，大平原地区的降水量年际变化存在着较大的波动。可以确定的是，大平原地区有从20世纪50年代相对潮湿的条件变成20世纪80年代相对干燥的条件的长期趋势，异常降水的空间尺度在季节平均时间尺度上覆盖了美国的大部分地区。

结果表明，大平原地区的降水波动与热带以及北太平洋海表温度（SST）变化显着相关。确定了太平洋SST和美国降水之间的两种主要协变模式，第一种模式具有厄尔尼诺SST变化的空间和时间特征，而第二种模式仅限于北太平洋并包含十年的趋势。海温和降水变化与大气环流的关系通过500hPa高度以及海平面压力场建立。发现太平洋和北美地区的明确波列与两种主要模式有关。美国中部一个向南移动的急流给该地区带来更多的暴风天气，并在潮湿的条件下造成暴雨。热带SST和美国降水可能通过异常热带对流及其对环流的影响相互关联。北太平洋海温与美国降水之间的关系与北太平洋海温与大气压迫前一月的关系一致。假设北太平洋SST通过增强的（减少的）太平洋急流反馈到环流中是由于干（湿）夏季期间经向SST梯度的增加（减少）。这似乎与最近两个干燥夏季（1983和1988年）沿着太平洋风暴轨道的强化对流和太平洋急流增强一致。
1.引言
1993年夏季的大洪水以及1988年春夏季的大洪水引发了美国温暖季节气候波动。为了了解干旱的原因过去几年中花费了许多努力。1988年春季和夏季，大气和海洋环流都呈现极端异常（1988年NOAA）的状态。1988年春季和夏季，北太平洋地区也出现了大范围的海表温度（SST）异常，热带太平洋上出现强拉尼娜现象。另一方面，北美地区1988年春夏两季持续数月出现以对流层高层反气旋环流异常为主的现象。Trenberth等人在1988年春季和初夏期间发生了异常热带对流的一些影响。通过指定异常土壤水分条件以及海温异常，在Goddard大气实验室大气环流模型（GCM）中，Atlas（1993）等人能够重现1988年干旱的许多环流异常。然而，干旱所涉及的物理和动态过程是复杂的。干旱过程中局地环流异常与中纬度风暴轨迹动力学的相互作用以及干燥土壤条件下的相互作用对于维持这两者都是重要的（Moet1991;Namias1991;Trenberth和Guillemot1996；Trenberth和Guillemot1996）在1993年夏季洪水期间建立物理过程时，再次将与厄尔尼诺有关的由SST引起的异常热带对流与美国的环流异常联系起来。和1988年的干旱一样，1993年夏季整个热带和中纬度太平洋都存在SST异常（NOAA1993）。其他物理和动力学过程，如风暴轨迹变化，低层水汽运输和土壤湿度反馈，都对洪水循环的维持起着重要作用（Mo1995;Trenberth and Guil-lemot1996）。Trenberth及其同事（Trenberth，1988;Trenberth和Branstator，1992;Trenberth和Guillemot，1996）强调了1988年干旱和1993年洪水的热带SST异常的影响，然而，很少有观点认为北太平洋海温与大平原降水波动之间有联系。此外，需要确定热带和北太平洋SST异常在其他干旱和洪水事件（1988年事件之前）中的作用。因此，进一步研究热带和北太平洋海温异常与美国大平原降水波动的关系是有益的。以下的问题将会得到解决。伴随大平原干旱和洪水年份的典型SST模式是什么？是否有物理机制可以将夏季SST异常与大平原降雨变化联系起来？
热带和北太平洋海温异常与大气环流之间的关系一直是许多观测和模拟研究的主题。这些研究大多集中在寒冷季节。众所周知，厄尔尼诺和拉尼娜SST异常通过Rossby波分布（Hoskins和Karoly1981）对冬季全球大气环流产生了强烈的影响（如Horel和Wallace1981）。使用具有固定热带太平洋SST异常的大气GCMs（例如Lau1985;Black-mon等1987等等）已经很好地证实了这一结论。最近使用观测和GCM的研究（Held，1989;Ting和Hoerling，1993;Hoerling和Ting，1994）表明，这个过程可能因中纬度瞬间反馈而变得复杂。
对于中纬度，华莱士和江（1987）发现大气环流异常与北太平洋海温异常之间存在显著相关性。这种相关性似乎甚至比温带大气环流和热带太平洋SST之间的相关性更强。Wallace等人（1990）利用主成分分析技术进一步证实了北太平洋SST与大气环流之间的强关系，并发现了与温带遥相关相关的盆地相关SST异常模式。北太平洋海温异常在冬季是否对热带大气环流产生了强烈的影响是有争议的。戴维斯（1976）指出，在每月和更长的时间尺度上，观测到的北太平洋海温和海平面气压之间的联系主要是由大气驱动海洋造成的。发现固定中纬度海温异常的GCM实验对模式物理和设计非常敏感（Ting1991; Kushnir and Lau 1992; Peng et al.1995，Kushnir and Held 1996）。耦合的海洋大气模式实验（Alexander1992年a，b;Lau和Nath1994）倾向于显示热带太平洋海温对通过中纬度大气层的桥接作用产生的北太平洋海温异常。
在过去的几年中，更多的关注在夏季海温差异与气候波动之间的可能关系上。Bunkers等人。(1996年)发现，El Nin-La Nin期间南北达科他州的降水和地表温度在4月至10月有明显的变化。 Namias(1983)计算了1947年到1980年夏季平均9个大平原地区和北太平洋SST的平均地面气温之间的相关性。他在北太平洋发现了相关的模式，北太平洋东部呈正相关，中太平洋呈负相关。这导致了Nanas猜测北太平洋海温异常对大平原夏季干旱的可能影响。Lanzante(1984)也使用旋转经验正交函数分析对SST和700 hPa高度的互相关矩阵进行了确认。这些结果倾向于表明北太平洋海温异常与大气环流之间夏季有显著的相关关系，与冬季相似。考虑到夏季严重干旱和洪涝事件对社会经济的巨大影响，可能在未来会进一步研究大平原降水波动是否会以任何方式造成北太平洋海温一致性波动。虽然单靠观测资料分析可能无法揭示海洋与大气之间的因果关系，但对这些观测环节的了解可能会提高对大平原干旱和洪水的预测能力。
本研究重点分析了大平原降水波动与暖季北太平洋海温异常之间的联系。数据分析也在500 hPa位势高度场上进行，涉及北太平洋海温和大平原降水。本研究中使用的数据涵盖了比以往大多数研究中所包含更长的时期的数据。利用各种统计技术，包括相关分析，综合分析和奇异值分解，来系统地记录这种关系。

在下面的章节中，将描述观测数据集和统计技术，然后在第3节中介绍分析结果。第4节给出了一些讨论，第5节给出了结论。
2.数据和方法
1.数据
本研究中使用的数据是美国的全球月平均降水量，全球SST以及北半球500 hPa位势高度。在减去长期平均季节周期之后，通过夏季三个月的平均值即6-8月（JJA）来得到夏季季节均值。
美国降水月平均值来自橡树岭国家实验室的全球历史气候学网络（GHCN）。GHCN数据库包括1851-1990年期间陆地观测站。在本研究中，我们仅使用1950年至1990年41年的数据。通过对网格框内所有可用站点进行平均，将这些台站数据分为常规2.5°纬度x2.5°经度网格。在进一步处理之前，所有台站数据均经过质量控制。在这段时期内，美国的数据覆盖率相当不错。平均而言，每个2.5°x2.5°网格内大约有8至10个站点。但是，由于多年来测量技术和台站位置的变化，降水数据集存在潜在的问题（Groisman and Legates 1994）。这种偏差被认为是冬季和山区以及高纬度地区最大的偏差。对于本研究中考虑的夏季美国降水，除了靠近落基山脉的地区之外，预降水数据是合理的。
如Smith等人（1996）所述，全球SST取自雷诺重建的全球海洋-大气数据集（COADS）SST。1950-1992年期间的SST异常基于1982-93年更近一段时期的主导经验正交函数模式进行重建。这个过程有助于产生比传统分析更平滑的SST场，并且通过改进的插值增强了大尺度ENSO信号。所有SST数据都是从45°S到69°N，在2°纬度x2°经度的COADS网格内计算的。

国家环境预测中心（NCEP）对月平均500hPa高度数据进行分析。高度数据分布在2.5°纬度x5°经度的网格上，覆盖20°N北极半球。这个数据在已知的时期的内会出现虚假趋势，正如Trenberth和Hurrell（1994）所讨论的。因此，本研究中进行的相关分析可能会受到这种人为趋势的影响。但使用单独的海平面压力数据有助于识别500hPa高度场。

b分析方法

在这项研究中采用了几种广泛用于气象数据分析的统计方法。首先是两个选择的时间序列之间的同时和滞后/前导相关性。这种技术可能遭受必须主观选择基准时间序列。相关分析的主观性在奇异值分解（SVD）技术中被部分地补偿，这在客观地检测两个场之间的耦合模式方面非常有效。SVD分析通过找到两个场的时间交叉协方差矩阵的特征值解，得到两组空间模式和相关的时间序列。每个SVD模式由一对奇异向量和相关的时间序列组成。两场之间耦合的强度由每种模式解释的平方协方差的数量和两个时间序列之间的时间相关系数来衡量。模式的相对重要性由每种模式解释的总变化的比例决定。Bretherton（1992）等人给出了这种分析技术的详细描述。并由Wallace（1992）等人应用。说明冬季北太平洋SST和500hPa高度之间的耦合变率。Newman和Sardeshmukh（1995）最近的一篇论文讨论了有关SVD方法的一些注意事项。

3.结果

a.美国的降水变率

美国夏季（6、7、8）平均降水气候学见图1a。平均而言，降雨量在美国东南角大约每天6毫米，在加利福尼亚沿海每天不到0.25毫米。夏季大型降水中心位于墨西哥湾和墨西哥季风区。向北和西缓慢降低。在与堪萨斯州，局部最大值被发现位于密苏里州和爱荷华州接壤的中部平原上。由于计量测量的偏差，图1a中的降雨量可能被低估（Groisman和Legates，1994）。但是，大规模的空间模式应该受到较少的影响。

图1 (a)气候平均值(b)1950-1990年间美国大陆夏季季节平均降水量的标准差。

周期为(a)每日0.25m和(b)每日0.1mm

图1b说明了降水的标准差在夏季美国夏季降水的变率。发现季节性平均降雨量的大幅波动与降水量大值区一致。由于降水量一定为正值，降水量变化量的变化倾向于偏向正常降水量大的区域。在图1b中发现了一个与众不同的最大值，位于堪萨斯和密苏里边界的中部平原，降水波动为每天1.2毫米。由于该地区是玉米和大豆的主要生产区域，因此了解这一特征以及大幅降水波动的原因非常有意义。

为了检验中部平原夏季海平面降水波动的空间相关性，我们在美国地区计算了最大标准差位置处的降水时间序列（约96°W和39°N）与其余网格的同时相关性。这种单点相关图如图2所示。网格上的相关系数等于1，并且在远离基本网格的时候逐渐减小。单点相关性显示了从33°到43°N和105°到85°W的广泛区域中的重要值。在怀俄明州和蒙大拿州的大部分地区，显示相关区域向西北倾斜。太平洋西北部各州和加拿大南部地区呈负相关性显著。图2表明，季节平均时间尺度上美国降水异常的空间尺度相当大。一个典型的网格尺寸为2°纬度times;3°经度的气候模型（例如R30）应该能够充分解决这些异常情况。

图2 使用基准网格38.75°N和96.25°W的夏季季节平均降水的单点相关性，接近图1中的最大降水标准偏差。等值线间隔为0.1，负值为虚线。空白区域是超过5％蒙特卡罗统计显着性水平的区域，暗阴影是超过1％显著性检验的区域。

为了检验大平原降水的逐年波动，我们根据图2所示的尺度构建了一个面积平均降水时间序列。降水指数时间序列在平均所有模式从85°到105°W和32.5°到45°N，并通过其标准偏差归一化，如图3所示。在20世纪50年代，该地区的降水量存在大幅度波动，其中两个极端潮湿的夏季，随后是五个相对干燥的夏季。经过一个夏季，1957年接近正常降水量，1958年夏天的大平原地区更加潮湿。在20世纪60年代和70年代前半期，降水量的变化波动相对较小。1976年夏季标志着另一个时期的开始，降水量逐年变化很大，持续到1980年代。根据这一指数，1976,1983和1988年的夏季是这一时期内最干旱的，而1950，1951和1958年的夏季最湿润。图3有一个微弱的趋势，早期有较潮湿的情况，晚些时候则较干燥。这一趋势也反映在20世纪50年代所有三个夏季极端湿润的夏季，而三个最干燥的夏季都是在1976年以后发现的。1980年的热波曾在文献中被讨论过（Namias1982;Chang and Wallace 1987; Lyons和Dole 1995）。1980年的降水异常降水指数超过一个标准差（图3），但并不像上面列出的三个干旱年份那样严重。

图3 平均降水时间序列在大平原上从105°至85°W和32.5°至45°N平均。

单位是标准偏差。

图4显示了上面讨论的三个最湿润的夏季和三个最干燥夏季的降水异常分布。图4中的异常模式因案例而异。但几乎所有情况下，105°W以东的中美洲东部地区都存在连续的异常。图4中异常的振幅偏向潮湿事件，这再次反映了降水的非负性特征。

图4 (a)JJA 1950，(b)JJA 1951，(c)JJA 1958，(d)JJA 1976，(e)JJA 1983和(f)JJA 1988.美国降水

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