梅雨雨带的北移及其降雨强度变化和太平洋-日本模式的联系外文翻译资料

 2022-12-03 11:31:53

The northward shift of Meiyu rain belt and its possible association with rainfall intensity changes and the Pacific-Japan pattern

a b s t r a c t

The meridional location change of Meiyu rain belt and its relationship with the rainfall intensity and circulation background changes for the period 1958–2009 are examined using daily rainfall datasets from 756 stations in China, the 6-h ERA-Interim reanalyses,CRU monthly temperature and daily outgoing long-wave radiation (OLR) data from the US National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). The results indicate that the Meiyu rain belt experienced a northward shiftin the late 1990s in response to global warming. Moreover, the intensity of interannual and day-to-day variability of rainfall within Meiyu period has been increasing in the warming climate. The amplification of the variability within Meiyu period over the northern Yangtze-Huai River Valley (YHRV) is much larger than that of the southern YHRV. The large difference in the trends of variance within the Meiyu period between these two regions induces a spatial varying for different rainfall categories in terms of intensity. More significant positive trends in heavy and extreme heavy rainfall occur over northern YHRV compared with southern YHRV, which is a crucial indicator of changes in the rain band, despite the observation of an increase in heavy and very heavy rain events and a decrease in weak events throughout the entire YHRV.

A composite of the atmospheric circulation indicates that intense northward horizontal transport and the convergence of water vapor fluxes are the immediate causes of the rain band shift. Besides, through forcing a northward extended convection over the tropics, the Pacific-Japan (P-J) pattern induces a northward expansion of western Pacific Subtropical High, leading to intensified convergence and enhanced rainfall over Northern YHRV

1. Introduction

Extensive observations have yielded evidence of changes in precipitation with global warming (Giorgi, 2002; Gu and Adler, 2013; Wentz et al., 2007). On the global scale, precipitation tends to increase with warming, whereas the situation is more complicated and exhibits inconsistent changes on a regional scale (IPCC, 2007; Lee et al., 2013; Trenberth et al.,2003; Zhang and Zhou, 2011; Zhu et al., 2014). Due to the influence of the Asian summer monsoon, the Yangtze-Huai River Valley (YHRV) of China is vulnerable to floods. Nearly 40% of the floods in this region occur during the Meiyu season (Li,1996). Research on changes in the spatial distribution of the Meiyu over the YHRV represents a novel scientific challenge with significant societal and economic implications.

Previous studies (Gong and Ho, 2002; Wang, 2001; Xu, 2007; Yu et al., 2004) have suggested that the Meiyu rain band underwent a significant interdecadal shift in the late 1970s, with increased rainfall and the occurrence of lsquo;south wet north droughtrsquo; pattern. However, as the climate rapidly warms, the rainbelt pattern is tending to become more complex and diverse (Chen et al., 2007; Hu and Ding, 2009; Hu et al., 2010; Li et al., 2016). Specifically, high-intensity rain (Ding et al.,2007; Xu, 2007) and atypical Meiyu rainfall are occurring more frequently (Liang et al., 2009). In the 1990s, heavy rain and flood events frequently occurred in the areas south of the Yangtze River. However, since 2000, Meiyu rainfall and floods have become increasingly concentrated in the Huai River Basin; floods are occurring nearly twice as often as the climatological average (Chen et al., 2007). Huang et al.(2010) examined the linear trends of different durations of continuous rainfall during the Meiyu period and found that long-duration rainfall has become significantly less since 2000, whereas 2-day and 3-to-4-day continuous rainfall events have become more. Previous studies indicate that the intensity of extreme precipitation is showing an increasing tendency (Kusunoki and Mizuta, 2008; Wang and Zhai, 2008). These complicated changes make it difficult to predict rainfall during the YHRV flood season.

Understanding the mechanism of the changes in Meiyu property is a prerequisite for improving the seasonal prediction over Meiyu region. Recently, the possible causes of the Meiyu rain belt shift have been investigated from the perspective of atmospheric circulation in East Asia (Si et al., 2010). Researchers speculate that the subtropical westerly jet over East Asia has shifted northward and that the East Asian tropical Hadley cell has expanded poleward because of the expansion of the subtropics; thus, the Meiyu rain belt has also shifted northward. The migration of the Meiyu rain belt may be also associated with the principal weather systems (Hu and Ding, 2009). However, the influence factors of the Meiyu rainfall are complicated and the underlying mechanism remains unclear, and the previous studies, despite their scientific significance, have not considered how changes in rainfall composition affect the distribution of the Meiyu rain belt. Thus, further research is necessary to gain an insightful understanding of the trends of the Meiyu phenomena and to provide a scientific basis for the development of climate change policies.

In this study, we first examine the changes of the Meiyu rain belt (Section 3) and establish relationships between these changes and rainfall composition. The various intensities of rainfall are presented in Section 4. In Section 5, we discuss the possible causes of the Meiyu rain belt changes. Finally, a summary and discussion are presented in Section 6.

2. Datasets and methods

2.1. Datasets

Daily rain gauge observations recorded at 756 stations in China from 1958 to 2009 were provided by the National Meteorological Information Center of the China Meteorological Administration (CMA).

For each station, the rainfall data for various periods throughout

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梅雨雨带的北移及其降雨强度变化和太平洋-日本模式的联系

摘要

利用中国756个站点的日降水量资料，6小时ERA中期再分析资料，CRU月平均气温资料以及中国气象局资料，分析了1958-2009年梅雨雨带的经向位置变化及其降水强度和环流背景变化的关系。通过美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的每日输出长波辐射（OLR）数据，结果表明为了应对全球变暖，梅雨雨带在20世纪90年代后期经历了一个北移。此外，梅雨期间降水的年际变化和日变化的强度在变暖的气候条件下正在增强。江淮北地区梅雨期变率的增幅明显大于南部江淮地区。梅雨期间这两个区域内的变化趋势差别很大，导致不同降雨类别在强度方面存在空间变化。尽管观察到大型和特大型降雨事件的增加以及弱事件的减少贯穿整个YHRV。与YHRV北部相比，南部YHRV有较大更明显的极端强降水的趋势，这是雨带变化的一个重要指标，大气环流的辐合表明较强水平运输和水汽通量的收敛是雨带移动的直接原因。 此外，太平洋 - 日本（P-J）模式通过迫使热带向北扩展对流，导致西太平洋副热带高压向北扩张，导致北半球YHRV辐合增强和降水增强

1.介绍

广泛的观测已经证明降水随着全球变暖而变化（Giorgi，2002; Gu和Adler，2013; Wentz等，2007）。在全球尺度上而情况更为复杂，降水趋向于随着变暖而增加，，并且在区域尺度上表现出不一致的变化（IPCC，2007; Lee等，2013; Trenberth等，2003; Zhang and Zhou，2011 ; Zhu等，2014）。由于亚洲夏季风的影响，中国的长江流域（YHRV）容易受到洪水影响。该地区近40％的洪水发生在梅雨期（李，1996）。研究梅雨对YHRV空间分布的变化是一个新的科学挑战，具有重要的社会和经济影响。

以前的研究（Gong和Ho，2002; Wang，2001; Xu，2007; Yu et al.，2004）表明，梅雨雨带在20世纪70年代后期发生了显著的年代际变化，降水量增加，南湿北旱模式。然而，随着气候的快速变暖，雨带格局变得更加复杂多样（Chen et al。，2007; Hu and Ding，2009; Hu et al。，2010; Li et al.，2016）。具体而言，高强度降雨（Ding et al.，2007; Xu，2007）和非典型梅雨降雨发生频率更高（Liang et al.，2009）。 20世纪90年代，长江以南地区频繁出现暴雨洪涝灾害。然而，自2000年以来，梅雨和洪水日益集中在淮河流域;洪水的发生几乎是气候平均的两倍（Chen et al.，2007）。 Huang等（2010）研究了梅雨期不同持续降雨持续时间的线性趋势，发现自2000年以来持续降雨量明显减少，而持续2天和3〜4天连续降雨事件已经变得更多了。以前的研究表明，极端降水强度呈增加趋势（Kusunoki和Mizuta，2008; Wang和Zhai，2008）。这些复杂的变化使得在YHRV汛期难以预测降雨量。

了解梅雨性质变化的机理是改善梅雨季节预报的前提。最近，从东亚大气环流的角度研究了梅雨雨带转移的可能原因（Si et al.，2010）。研究人员推测，东亚副热带西风急流向北转移，东亚热带Hadley环流由于亚热带的扩张而向北扩张;因此，梅雨雨带也向北移动。梅雨雨带的迁移也可能与主要天气系统有关（胡和丁，2009）。然而，梅雨降水的影响因素复杂，其内在机制尚不清楚，尽管具有科学意义，但以前的研究并未考虑降雨构成变化对梅雨雨带分布的影响。因此，深入了解梅雨现象的发展趋势，为气候变化的制定提供科学依据。

在本研究中，我们首先研究梅雨雨带的变化（第三节），并建立这些变化与降雨成分之间的关​​系。第4节介绍了各种降雨强度。第5节讨论了梅雨雨带变化的可能原因。最后，第6部分提供了一个总结和讨论。

2.数据集和方法

2.1.数据集

中国气象局国家气象信息中心提供了1958年至2009年中国756个台站记录的每日雨量观测资料。

对于每个台站，根据Sun（2014）定义的梅雨时段（6月17日至7月11日），将每年不同时期的降雨量数据汇总在一起。利用Ren等人提出的客观天气分析技术（OSAT），提取了每个梅雨季节内YHRV内的热带气旋（TC）降水。 （2007）和Liu等人（2013），随后从数据中扣除以消除TC降水的影响。

每月温度时间序列（TS）是从东英吉利大学气候研究室（CRU）提供的CRU TS3.21数据集中提取的。以前版本的CRU TS数据集已被广泛应用于全球变暖的科学研究中（Folland et al.，2001）。在这项研究中，我们使用了从1958年到2012年的v3.21温度数据，对梅雨雨带和降雨成分的变化进行了气候背景分析。

每日大气环流数据来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）提供的6小时ERA-中期再分析数据集（Dee et al.，2011），该数据集涵盖了1979年至2009年的31年。每日网格插值输出长波辐射（OLR）数据来自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）。这两个数据集的分辨率分别为2.5°times;2.5°和1°times;1纬度/经度。

2.2. 方法

在1958年至2009年的汛期[5月至8月（MJJA）]期间，全国共有604个台站被选为至少90％的日常数据可用性的约束，以最小化时间不一致; 在这项研究中，选择YHRV（28°-34°N，110°-122°E）77个台站作为梅雨降雨监测站（图1）。

应用组合分析，旋转经验正交函数（REOF）和经验正交函数（EOF）分析，累积异常分析，Mann-Kendall分析和回归分析，探索梅雨降水带的变化及其可能原因。 另外，百分位法（Bonsal et al.，2001）被用来识别降雨类别。

以前的研究（IPCC，2007; Wu等，2011）表明，过去50年全球气温持续上升，20世纪70年代后期出现明显的年代际变化。从图2a和c可以看出，YHRV的年平均气温与1958-2012年期间全球气温的变化趋势一致。 20世纪90年代后期出现了全球平均气温的突然变化（图2a，b），而累积的异常分析（图2c）和Mann-Kendall统计（图2d）揭示了1995年前后气温的突然变化,2000年以后YHRV变暖明显，表明YHRV年际变暖的显著变化滞后于全球气温。为了便于在更广泛的气候变暖背景下综合分析梅雨降雨分布的变化，在下面的讨论中，我们将1979年之前，1980年至1999年和1999年之后的时间段称为凉爽时期，过渡时期期间和温暖期。

3.气候梅雨季降雨量（1958-2009年平均值）集中在长江中下游及其南部。雨带在每个梅雨季节最大约390毫米，几乎与长江平行（图3a）。在凉爽和过渡期间（图中未显示），观察到的雨带的位置和形状与气候模式非常吻合;然而，降雨量分别低于平均水平。具体来说，过渡时期长江以南地区的降水明显偏多。与早期相比，温暖期梅雨降水的空间分布（图3b，c）有较大差异，主要雨带向北向淮河流域转移。异常降雨量也表明平均增加10％或更多，而长江以南的降雨量下降20％，置信水平超过95％（数字未显示）。 2000年以前，整个地区，特别是长江流域南部地区，持续呈现上升趋势（图4a）。随着研究期间的延长，包括1999年至2009年的数据（图4a，b），整个YHRV的趋势系数显著下降，尽管它们仍显示正值。此外，增加趋势明显的地区从南部的YHRV转移到中部和北部的YHRV，表明长江流域南部降水量迅速下降，而该地区北部则有所增加。我们对归一化的梅雨降水数据进行了REOF分析。第一个和第二个REOF模式分别占总方差的26.4％和25.7％，与根据North等人定义的规则的剩余特征向量在统计学上是不同的（1982年）。与前两种模式相对应的高负荷区受长江边界限制​​，与31°N的纬线基本重叠（图中未显示）。为简单起见，在本文中，我们用31°N的纬度作为边界线将YHRV划分为南部和北部地区。图5a和b分别显示了长江南部和北部地区的标准化平均降雨序列。这两个系列在20世纪90年代初期之前呈现出一致的趋势，但之后呈现相反的趋势特别是2000年以后，南部降雨量系列显著增加，但北部系列迅速下降。这些变化进一步强调了2000年以后梅雨带北移，这与近期研究结果一致（Hu and Ding，2009; Si et al.，2010）。

在全球气温上升的背景下，南方和北方YHRV的梅雨降水量呈现出一定的年代际变化，但没有显著的长期趋势（图5a，b）。但是，1958-2009年期间梅雨降水的11年移动标准差显示出显著的增加趋势（在0.01的显着性水平）（图6c），表明年际变率增加。 20世纪90年代标准偏差的增加明显强于2000年代北方的YHRV，因为梅雨在2000年之后持续过多，导致每年的变化不明显。相比之下，在南部地区，年际变率在20世纪90年代后期出现突然增加。

梅雨季节日平均降水量的变化情况如图6a，b所示，均呈增加趋势，这与全球和YHRV年平均气温变暖趋势一致。

然而，该地区北部的变化幅度与南部地区相比增加的幅度更大;尤其是自20世纪90年代中期以来，梅雨期间日降水量的均值方差已经高于前一个最大值。

根据Clausius-Clapeyron（CC）方程，降雨变化趋势与大气水分含量的可用性趋势有关（Trenberth等人，2005年），相当于每1次变化约7％ ◦C温度变化（Trenberth，1998; Wentz等，2007）。反过来，大气水分含量的变化趋势是由于气温的逐渐升高（Trenberth et al.，2003）。 Goswami等人（2006）表明，在夏季季节期间印度中部地区观测到的每日降雨量变化的长期增加可能是由于热带印度洋海面温度升高以及相应的水汽增加引起的。在中国，1970年至1990年的所有季节和年平均可降水量的上升趋势已由Zhai和Eskridge（1997）揭示，随后由Trenberth等人分析。 （2005）和Ross和Elliott（2001）进一步验证了这些结果。杜尔等人 （2009）发现大气中水蒸气的总柱密度在北半球的土地上增加了约0.45毫米/十年（1973-2006）。

通过提供气候变化以及水文循环的积极反馈，通过使所有降水系统具有更多的大气湿度，观察到水汽增加影响温室效应。因此，这些影响会对降水产生影响，推动降水量和降水量的变化。然而，尽管气温几乎在任何地方都以类似的速度增加（Trenberthet al.，2003），但水分变化不大可能是均匀的。一方面，由于C C方程式描述的温度的非线性依赖性，尽管在高纬度地区温度上升幅度较大，但低纬度地区的水分绝对增加量更大。另一方面，大气动力学通过优先区域收敛和沉降来改变大气水分含量（Trenberth，2011）。因此，尽管南部和北部YHRV上空气温度上升趋势相似（数字未显示），但这两个地区日降雨量变化趋势存在较大差异。

4前一节表明梅雨雨带北移与不同强度类型降雨的关系，随着气温的升高，随之而来的水汽增加导致梅雨期日变化趋势加剧， 不可避免地表现为降雨频率和强度的变化（Trenberth等，2003）。 根据百分位法（Bonsal等，2001），确定了梅雨期间的11类降雨量（表1）。 然后，我们根据发生频率（FOC），降雨量和阈值定义降雨强度，分析了每种降雨类别的趋势及其对梅雨雨带位移的影响

为了便于评估最近十年（暖期）不同强度类别的降水FOCs与凉爽和过渡时期的降水FOCs的变化，有利的是在梅雨季节期间分别建立不同强度的降雨频率分布在，YHRV南部（39个站点）和北部（38个站点）地区的所有站点（图7）分三个时段：1970-1979,1990-1999和2000-2009。从1970 - 1979年到1990 - 1999年，南部YHRV三个最高强度类别（9-11）的降雨事件数量增加，而除特大暴雨事件（第11类，降雨量超过第95百分位;此后，Rge;R95p）北部YHRV减少。 2000年以后，最高三类（9-11）事件的FOC增加仅发生在YHRV北部，四个最低水平的降水事件和所有降雨事件的FOCs在北部和南部地区均有所下降。

事实上，自1958年以来，YHRV北部两个最高类别（10-11）的降雨事件的FOCs每十年上升10％（置信度超过90％），而南部地区每十年仅增长5％（并不显着增加），后来进入低迷期，2000年后平均下降20％（图8a，b）。北部地区第9类降雨事件FOC的增长速度也大于南部地区（图8c，d）。关于中度类别的降雨事件，FOCs的变化趋势几乎不可感知。图8e和f分别显示了两个地区光照类别（第1至第4）的负向趋势，最轻的降雨事件显著下降（第1，最低的第10百分位降雨;此后R lt;R10p）。北部地区2-4类降雨事件的FOCs显著低于南部地区降水趋势，这似乎表明，小雨事件的变化对梅雨北移带来负面影响;然而，就降雨量而言，南部地区的绝对降幅更大（数字未显示）。

这些发现表明，轻度和中度降雨事件对降雨总体分布的影响较小，而较重的降雨事件对梅雨降水的空间分布有重要影响，这可由事实表明，它们的FOCs与梅雨降水量（相关系数大于0.53）。

接下来我们将研究由阈值变化导致的强降雨强度的变化。对于每个台站，每年5月至8月的每日降雨量首先按升序排列，然后用于计算对应于每个百分位数的值。第80-99百分位的大小代表了特定年份强降雨的强度，因为在所有研究年份中，百分位数中超过90％的降雨事件发生在梅雨季节，因此，这些阈值的年度变化代表强降雨强度的变化。

在图9a，c中清楚地显示了南部YHRV的第80到第99百分位的阈值较北部地区的阈值更高，并且这些发现与梅雨降雨的气候分布一致。然而，重要的是，这两个区域的门槛也呈现出上升趋势，与北方YHRV相比，增幅更大。例如，北方YHRV上最高降雨量的阈值从60年代初的约48毫米/天增加到约60毫米/天，这等于南部地区增加的四倍（从55毫米/日至58毫米/天）。此外，第90到第99

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