环流对美国加州降水匮乏影响的经验与模型分析外文翻译资料

 2022-12-06 15:27:42

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环流对美国加州降水匮乏影响的经验与模型分析

1.摘要

美国西部巨大连绵的山脊是与加利福尼亚干旱条件相关的反复出现的特征。最近的干旱事件（2012—2016年）持续了拉尼娜和厄尔尼诺事件，表明除了普遍认为的厄尔尼诺—南方涛动外，其他气候驱动因素也很重要。本文的诊断分析表明，虽然太平洋北美和呗太平洋涛动不直接导致加利福尼亚州的干旱，但他们之间的关系以及与高空气流量模式之间的关系确实调节了空间干旱模式。PNA的正相对环流导致北加利福尼亚州比较干旱，（—NPO）相对环流导致南加州干旱。这个地区的干旱类型主要来自两个PNA和NPO相对的海洋和大气震荡的组合。目前，气候模式预测在这些特定的干旱调节过程中没有显示出任何显著地变化。

介绍

在2011—2012年到2014—2015年的冬季，东北太平洋上空形成一个持续的对流层上层脊线，这个异常的脊线阻止了大部分产生雨水的天气扰动到达加州。雨季雨量减少，气温回暖导致干旱季节出现严重干旱，积雪减少，水量减少，虽然加州干旱的发生并不少见，但最近这一次干旱时间持续四年这一事实，在1200年的重建历史中是没有的。

北太平洋涛动或西太平洋，太平洋北美和厄尔尼诺南方震荡模式。尽管加利福尼亚州的干旱与美国西部的一个放大而停滞的山脊密切相关，山脊本身的形成机制是难以捉摸的，加州历史上干旱的原因的解释不一致。据报告，1976—1977年的加州冬季干旱与厄尔尼诺相关联。然而，这与Seager等人的论点相矛盾。2012年加州干旱是由2011年拉尼娜引起的，除了经典的观点，即ENSO和太平洋年代际震荡共同促成了加州冬季的干旱，最近关注2012年后干旱的研究确定了其他独特的大气和海洋特征。例如，Wang和Schubert提出2013年的北太平洋海表温度异常对随后发生的加州干旱产生偏好。Swain等人指出对流层上层的脊是干旱的原因，报告说，相关的位势高度偶极子与ENSO前兆有关。随后的研究也将北级太平洋模式与北太平洋模式相联系，对北极海含冰量降低进行调幅。

我们如何调和这些不同的观察和解释，哪些气候特征和变异性影响加州的干旱条件，在出路这个问题时，我们把注意力转向了影响干旱模式的大气环流和SST环境。解决的假设是有不同的动力过程管理导致几种不同的干旱模式的事件。这与以前的研究只是简单的寻找干旱的原因不同，这意味着所有的干旱都是一样的。另外了解与干旱发生模式相关的不同类型的大气模式可以帮助社会预测或减缓下一次干旱。

2.数据

为了描述11月到3月冬季加州降水量减少的冬季，我们利用俄勒冈州立大学开发的水平分辨率为4km的独立斜坡模型降水参数海拔回归。对于大气环流，我们分析了国家环境预测中心，国家大气研究中心的再分析资料，空间分辨率从1948年的2.5✖️2.5到2015年。为了探索SST模式，我们分析了每月的NOAA扩展用2✖️2空间重建SST版本3决议。为了记录与气候模式的干旱联系，我们还审查了国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室存档的现有气候指数，由于NCEP数据集的最大范围，观测数据的分析周期为1948年至2015年。为了揭示干旱分布，水平分辨率为4km的基于PRISM的PALMER干旱严重度指数数据分别被利用。PDSI是考虑到受地表温度影响的供水，需水量和土壤湿度信息而构建的，通常用来显示全球和区域的干旱特征，为了进一步考察外部气候变率的变化并了解长期变化，将社区地球系统模型第一版和社区大气模型版本5.0用于大气组分。模型版本和设置遵循Yoonetal。三十个成员的0.9✖️1.25水平分辨率的CESM1通过大型综合项目。包括温室气体，气溶胶，火山活动，臭氧，土地利用变化和太阳能在内的历史强迫情景涵盖了1920—2005年期间和未来代表性集中路径。8.5强迫情景代表高排放途径涵盖了2006—2080年的时期。PNA和NPO等气候指数是通过将250hpa位势高度与相应的PNA和NPO装载模式在冬季在每个合作。通过将NCEP的250hpa位势高度回归到观测的PNA和NPO指数来产生负荷模式。初始条件的集合传播由舍入差异方法产生。

3.结果

为了了解加州干旱年份的环流变化，我们首先确定降水量赤字事件

根据图1（a）从1948—1949年到2014—2015年的加州冬季降水量，确定了降水量低于57年冬季平均值的标准差超过0.7，这是平衡水分匮缺程度与足够数量的一个门槛。干旱的定义导致了包括最近1976—1977年，2011—2012年和2014—2015年的严重干旱以及其他主要的低降水年份，孤立了18个干旱事件，如红点所示。图1（b）显示了这18个干旱年冬季的符合250hpa位势高度异常，描绘了一个以美国西北部和加拿大西部为中心的突出的高压异常，包括加州在内的美国西部。这样的山脊将阻止发生在加州产生降雨的风暴。在北太平洋上游地区出现了一个明显而又虚弱的波列。 鉴于其上游来源在北太平洋西部附近，这个波列似乎不同于ENSO引起的中太平洋热带太平洋热带异常强迫的遥相关。另一个值得注意的特征是北美东北部的下游地区是一个强大的异常槽，与西部的脊一起形成了所谓的北美偶极子。为了分析这18次干旱在不同情况下的差异程度，我们首先应用了经验正交函数来描述这18次干旱内11-3月250hPa位势高度的变化事件。这里的分析主要集中在这个地区复合脊异常。前两种领先模式的加载模式如图2（a）所示，作为阴影，叠加在复合Z250轮廓上进行比较。 这两个EOF共约占总方差的70％，这意味着前两种主导方式是主要的环流变化。值得注意的是，它们也是差不多相同的一部分，因此也是重要的。EOF1描绘了正相位的异常脊的东北部延伸和反相位在阿拉斯加湾的西延。在EOF2中，异常山脊大部分向白令海西北方向扩展，并进入美国西南部。 Wang等人指出，在最近的（2013 - 2014年）干旱期间，这种模式显示出显着的地位。如图S1所示，在200和500 hPa的对流层高层也显示了类似的结果。这些结果是两个不同的气候循环计划存在的经验证据，这些计划会影响该地区的干旱模式。

这两个EOF的强度与PC值的幅度成正比。因此，我们将18个干旱冬季的PC与18个干旱冬季的不同气候指标相关联，这些相关系数总结在表S1，支持信息。结果表明，PC1与PNA指数具有高度的正相关性（r = 0.90），而PC2与NPO具有高度的负相关性（r = -0.83）。非营利组织是一种领先的大气变化模式，被确定为北太平洋11月 - 3月1000 hPa高度异常的第二个PC（Rogers，1981）。类似地，18个干冬季的Z250与PC1（图3（a））和PNA（图3（c））的线性回归模式似乎相似，而相应的SST回归（图3（b）和（d））揭示了类似ENSO的模式。这并不奇怪，因为ENSO是PNA遥相关的主要推动力，尽管ENSO与Z系列250（表S1）的PC系列没有明显的联系。同时，PC2（图3（e））和-NPO（图3（g））的高度和SST回归模式都呈现出从热带到白令海及其相关的“三带”SST异常的明显的高纬度跷跷板（图3（f）和（h）），如Linkin和Nigam（2008）所述。我们注意到非营利组织的相关SST模式（图3（h））与Deser和Blackmon（1995）所确定的SST的“北太平洋模式”相似，该模式描绘了海平面压力型NPO的海温对应关系。 鉴于PNA和NPO代表大气模式，季节内平均值分析可能会忽略季节内变率。图3所示的结果表明，不同的气候强迫源可能通过调节干旱的分布和强度影响干旱的山脊

为了研究这些遥相关对干旱模式的影响，我们在图4（a）和（c）中显示了干旱冬季PC1和PNA与降水的关系。在这里，这些值代表降水量的影响比率，它是根据每个标准化指数除以降水量的回归来计算的平均降水异常在18个干冬季范围内，介于-1和1之间。PC1和PNA的阳性病例与西北太平洋地区较干旱的环境有关，泄漏到北加利福尼亚州，南加利福尼亚和西/西南海岸的干燥条件较差加利福尼亚。干旱模式的这种转变是由异常山脊引起的向东北延伸（EOF1;图2（a））。对于PC2和-NPO，对降水的影响（图4（b）和（d）），加利福尼亚南部和美国西南部的一些地区经历了更为严重的干旱状况，相应的北加利福尼亚和美国西北部的一些地区表现出不太强烈的干旱与高压脊向南延伸（EOF2;图2（a））。尽管PNA和NPO对加利福尼亚州干旱冬季降水的影响分数在内华达山脉没有显示出很大差异（约10-20％），但在沿海和农业密集区（谷地），这种联系更大（图4（b）和（d））。而且，考虑到干旱不能仅仅由降雨来定义，这是有益的。（图3a（a）- （d）），干旱冬季PDSI对PC1 / PNA和PC2 /（ - NPO）的回归结果表明，PNA和NPO与干旱强度的测量有关，特别是在南加利福尼亚州PDSI值超过1点的变化。看来PNA和NPO除了ENSO之外，还能调节加利福尼亚和美国西部的干旱模式，但它们并不直接导致干旱。后一点在图4（e）和（f）中显示，在1948 - 2015年的整个时期内，通过将冬季降水量回归到归一化的PNA和NPO指数，除以冬季平均降水量，对降水的影响比。很显然，整个时期的模式（图4（e）和（f））与18个干旱年份的模式相似（图4（c）和（d））。2013-2014年内华达山脉的冰雪覆盖率创下历史最低纪录（Belmecherietal。2016），与-PNA和强-NPO相位一致（图S2）。这种对极端低积雪的综合影响进一步加剧了干旱，使得它更难以恢复。然而，尽管降水模式与18个干旱冬季的变化类似，PNA和NPO都没有显示与加利福尼亚州降水有统计学显着的相关性。在PNA/NPO和冬季PDSI之间也发现了类似的缺乏相关性（图S3）。总之，这些结果表明，PNA和NPO在加利福尼亚州发挥更多的干旱调节作用而不是造成干旱。通过分析HIS和RCP运行的CESM1大集合模拟进行进一步验证。通过应用与观测资料相同的分析，30个成员中的每个成员的模拟位势高度异常显示出相似的PNA和NPO特征，在领先的EOF和回归模式中都是如此。在图S4中，我们展示了每个场景的PNA-like和NPO-likeEOFs的集合平均值。结果表明，HIS和RCP在前两种主导模式中具有相似的变化，表明CESM1模拟认为PNA和NPO是调节加利福尼亚州干旱模式的关键循环特征。图S5和S6显示

表明在RCP运行中，模拟PNA（NPO）对加州干旱的影响略有增加（减少）。最近的研究表明，人为变暖将改变北太平洋环流，反过来又会影响北美的气候条件。CESM1的RCP运行结果表明，这种影响将通过调制PNA和NPO来实现

4.讨论

PNA和NPO的相对环流与加州干旱期间降水的空间分布有关。同时，对加利福尼亚地区18次干旱冬季标准化归一化降水进行EOF分析（图S7（a）和（b）），前两种主导模式也有约70％的变异，这与Z250hPa的EOF分析。但降水EOF的第一种模式没有明显的空间格局，而第二种模式确实表现出强烈的南北格局。Z250hPa与两个主导PC降水的相关模式没有显着的相关系数（p lt;0.05）（图S7（c））。这意味着这两个正交特征向量与特定的循环模式不相关。如果仔细观察，18个干旱冬季降水的EOF的第一个模式与Z250hPa的第一个和第二个EOF在符号上是相反的（图2）。 回想一下第一种模式的价值Z250hPa与PNA相关联，而第二个值与-NPO相关联。由于PNA和-NPO随降水量的回归在加利福尼亚附近具有相反的偶极子模式（图4（c）和（d）），结果是两个回归有效地相互抵消，没有观察到偶极子模式。 因此，第一种降水模式与PNA和-NPO具有相同的符号相关，它不显示空间模式。 相反，加利福尼亚州18旱冬季降水EOF的第二种主导模式似乎是由PNA和-NPO（图4（c）和（d））的建设性效应（图4（c）和（d））引起的。这是因为在这种情况下，与PNA和-NPO相关的Z250hPa的PC1和PC2具有相反的符号，因此与降水有关的各个回归具有相似的空间模式，即相互加强。因此，这是环流EOFs的标志的组合，与PNA和PNA的标志相关-NPO与干旱年降水量的空间格局以及加利福尼亚的几种干旱有关。

PNA的强迫源是多方面的，先前的研究表明，PNA的强度与东太平洋SST和东亚急流。这就解释了Nintilde;o指数与其相关系数第二高的相关系数

PC1如表S1所示。非营利组织在调节加州干旱方面的作用确实与ENSO有关，因为非营利组织通过与赤道太平洋上的热带SST和风异常的相互作用，成为ENSO前兆。非营利组织在引发ENSO中的作用发生在所谓的“季节性足迹机制”之下，非营利组织通过该机制赋予地表风应力来改变地表热通量和潜在的SST。这些特征补充了ENSO及其不同阶段对加利福尼亚州干旱负责的常识。最近的研究预测，到21世纪末，加利福尼亚州的强烈干旱和过度洪水可能增加50％，而且这一预测基于与ENSO循环的加强关系，而不是只有通过其温暖和寒冷的阶段，但也通过其前身模式。从1948-1949年到2014-2015年的PNA和NPO指数的长期降水回归结果显示，加利福尼亚州内的变化（图4（e）和（f））。例如，1975-1976年和1976-1977年的冬季与PNA模式和厄尔尼诺海温异常的截然相反，而2011-2012年，拉尼娜海温模式占优势。2013-2014年和2014-2015年最近的干旱记录与扩大的非营利组织（图2（b））相关联，而没有成熟阶段的厄尔尼诺现象。加州干旱与PNA和NPO之间缺乏联系的情况在图S2中很明显，表明18个干旱冬季在两个指数中都有相位混合。这些报道的特征以及与NPO的关联使得对加州冬季气候的模拟和/或预测变得困难，因为大多数模型没有很好地模拟ENSO前兆（即NPO）。如图1（b）所示，需要进一步研究确定美国西北部地区旱涝山脊的变率和可预报性的来源。对具有历史和RCP强迫情景的CESM1大集合模拟的分析是支持的PNA和NPO各自在调控干旱模式中的作用。这一发现使我们质疑PNA/NPO与加利福尼亚州降水之间

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