北极冬季和春季南极涛动的年际变化及其对东亚气候 的影响外文翻译资料

 2022-12-03 14:41:21

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北极冬季和春季南极涛动的年际变化及其对东亚气候

的影响

范可 王会军

摘要：本文研究了北半球冬季和春季南极涛动的年际变化特征及其对东亚气候的影响。结果表明，AAO正异常对应北的半球冬季和春季东亚冷空气活动减弱。通过分析平均经向环流发现，存在一只自南极到北极具有正压结构的经向遥相关。该经向遥相关在北半球冬季在欧亚大陆上空显著，在北半球春季主要位于北太平洋地区。结果表明，在北半球冬季，南半球高纬地区纬向平均纬向风与欧亚大陆的纬向平均纬向风有很好的正相关关系，而在北半球春季，则与北太平洋北美遥相关（PNA）呈负相关，再次表现出经向遥相关结构。因此，局地经向遥相关是两个半球中高纬度环流之间相互作用的可能关联。

关键词：南极涛动；欧亚西风；经向遥相关；平均经向环流

1 引言

南极涛动是南半球（SH）温带大气环流的主要模态。SH模态表示60°S和40°S极区之间的质量对称交换，因此AAO表示SH中高纬绕极低压和纬向平均西风的强度[1]。南极涛动加强会使绕极低压加深，中高纬西风加强[2-5]。许多研究表明AAO具有正压结构、季节性、年际和年代际变化性[6-8]。因此，AAO是SH地区温带环流的良好指标。最近，Xue等（2003）研究表明，北方春季的AAO增强可能导致扬子江至日本地区和马斯卡林（或澳大利亚）地区的降水量增加。他们还指出，AAO是除ENSO之外影响东亚夏季风的又一强烈信号。作者[9]最近发现北方冬季和春季AAO与华北地区沙尘天气频率（DWF）呈显著负相关，这表明中国南部冬季与春季AAO以及东亚环流存在密切相关。实际上，中低纬度环流与东亚冬季风和夏季风的关系一直是研究的关注点。研究表明，东亚冬季风可能会影响中国的南海甚至是SH的夏季风[10]。Tao等[11]表明东亚夏季纬向环流和经向环流的交替变化与北半球夏季环流的变化密切相关。 Peng等[12]研究了中国南极冰盖对气候的影响。Yang和Huang[13]认为SH的副热带高压可能影响NH。接着He等[14]解决了低频振荡问题。Xu等[15]关注东亚环流中亚热带高压对模式模拟的作用。Wang等[16]认为索马里急流的年际变化与东亚海岸的波动有关。这些研究提高了对南北两个半球间相互作用的理解。但是，低纬度的环流应该与SH的高纬度环流相关联，目前关于高纬度环流对东亚气候影响的研究很少。在本文中，我们考察了南北半球冬季和春季AAO的年际变化及其对东亚气候的影响，探讨了两个半球相互作用的可能联系。

2 数据

AAO指数可从http：//tao.atmos.washington.edu/data/aao/slp/获得，它是根据20°S的海平面气压（SLP）异常计算出来的。大气数据来自国家环境预测中心和国家大气研究中心（NCEP / NCAR）的1954-2001年逐月的再分析资料，分辨率为2.5°times;2.5°，垂直方向有17层。160个台站的月平均气温来自中国气象局（CMA）。上述所有数据均为1954-2001年冬季（12月，1月和2月，记为DJF）和春季（3月，4月和5月，记为MAM）的平均值。

3 冬季和春季AAO的年际变化特征

图1 冬季AAO（实线），和春季AAO（虚线）的标准化时间序列及冬季AAO线性趋势（虚线）

AAO-DJF（12月 - 1月 - 2月）和AAO-MAM（3月 - 4月 - 5月）的年际变化显示在图1中，两者均有增加的线性趋势，与前人研究结果一致[2]。1970年中期以后，它们处于相反的变化阶段。它们在1970年中期之前处于负相关，之后处于正相关阶段。AAO-DJF和AAO-MAM之间的相关系数是0.63，当线性趋势消除后，相关系数为0.46，与标准化后的t检验相比，显著性为99％。因此，AAO具有年际和年代际变率，并具有良好的季节性持续性特征。

4 与北半球冬季、春季AAO有关的全球大气环流异常特征

4.1 冬季AAO的基本特征

我们现在讨论AAO-DJF和AAO-MAM。为了进行综合分析，1959年，1960年，1962年，1963年，1970年，1974年，1979年，1982年，1989年，1994年，1995年和2000年（1954年，1965年，1969年，1977年，1983年，1985年，1992年和2001年） 选定为具有正（负）AAO-DJF异常的年份。1962年，1976年，1979年，1982年，1989年，1998年（1954年，1965年，1966年，1980年，1981年，1986年，1990年，1992年）被选定为具有正（负）AAO（MAM）异常的年份。根据线性去趋势数据计算所有AAO异常，每个选定年份的异常值大于方差的一半，在95％的水平上具有统计显著性。

图2 500hPa AAO-DJF正负指数年之间的水平风场的合成差值图（ms-1），阴影区域通过95%显著性检验

图3 500hPa AAO-DJF正负指数年之间气温的合成差值（℃），阴影区域通过95％的显著性检验

正负AAO-DJF之间SLP的合成差异显示，极地和次极（90°S-60°S）区域与亚热带异常区域的正负异常，这表明AAO表示中高纬度地区之间空气质量的交换。SLP异常平行于纬圈，反映AAO的纬向对称结构。在正的AAO（DJF）异常年份，极地低压加深，副高增强，阿留申低压和西伯利亚高压减弱，这意味着东亚冬季风强度减弱。在850hPa，500hPa和200hPa上，风向差异存在类似的分布，表明AAO的正压结构。由500hPa上AAO-DJF正负指数年之间的水平风场的合成差值图可知，60°S上空的西风增强，30°S上空的西风减弱。与此同时，欧亚大陆的气旋异常伴随着西风的加强。这些变化表明，欧亚大陆的极地前锋偏北，因此亚洲的冷空气活动较弱。随着欧亚大陆高纬度地区的温度梯度增加，该地区出现负温度异常，亚洲北部850hPa出现正的温度异常，此时AAO-DJF为正值（图3）。此外，计算了AAO-DJF与中国160个台站地面气温的相关性。发现AAO-DJF与华北地区的地面气温存在显著的相关关系。

综上所述，AAO（DJF）可能造成NH的温带环流异常，其中环绕低纬、高纬的西风增强，欧亚为西风，极锋向北，大气活动中心较弱，北亚地区包括我国华北地区温度升高。

4.2 与AAO-DJF相关的春季环流特征

为了识别冬季AAO对春季环流的影响，我们探讨了北半球春季SLP的差异，发现AAO的纬向结构变弱，西伯利亚高压也变得更弱。西雅图附近高纬度地区西风增强，西风带附近气旋性异常明显增加，表明AAO（DJF）减少了北方春季东亚地区的冷空气活动。

4.3 春季AAO的基本特征

在正AAO（MAM）年，阿留申低压和西伯利亚高压较弱。AAO（MAM）的风向差异与AAO（DJF）的风向差异相似，但与欧亚大陆相比气旋异常偏弱。这可能是由于北极春季极地地区寒冷活动减弱所致。位于太平洋上空的速度差异表明太平洋应该是AAO（MAM）影响NH或东亚环流的关键区域。以上分析表明，AAO-DJF和AAO-MAM都会减少东亚地区的冷空气活动。 那么，AAO如何影响东亚的气候？我们分析AAO与东亚地区经向环流的关系，探讨可能的机制。

4.4与AAO-DJF和AAO-MAM有关的局地经圈环流特征

图4 AAO-DJF正负指数年（60°E-120°E）范围内的纬向平均纬向风剖面图，阴影区域同图2

图5 AAO-DJF正负指数年（150°E-150°W）范围内的纬向平均纬向风剖面图，阴影区域同图2

在60°E-120°E范围内，从南极到北极的正压经向遥相关，如图4所示，强AAO（DJF）与纬向平均纬向风（负异常）同时发生，高纬度60°S纬向平均西风增强（正异常），中纬度30°S（负距平）纬向平均西风减弱，30°N负异常，60°N正异常，90°N负异常。这种经向遥相关可能是南北半球冬季AAO与东亚地区气候联系的可能机制。由于该经向遥相关，使在高纬度地区的西风增强，与此同时，增强了欧亚西风、北极极锋和东亚地区的低温活动。现在我们分析东亚海岸（120°E-125°E）在正AAO（DJF）异常年的纬向平均垂直速度的垂直结构。发现SH的Ferrel环流增强，东亚环流减弱，该结论与上述分析一致。图5显示了太平洋纬向平均纬向风的垂直结构，该纬向风在春季与北太平洋上的AAO（MAM）相关环流对应，表现出从南极到北极的负异常经向遥相关。我们可以看到在太平洋上从南极到北极的负涡度异常分布，表明太平洋的确是两个半球间相互作用的关键区域。

5 关于经向遥相关的讨论

为了进一步探讨经向遥相关，我们重点研究了高纬度地区SH，欧亚西风，欧亚遥相关指数（EU）和太平洋北美遥相关（PNA）的纬向平均西风指数。根据前人的工作[3-4]，上述指数定义如下：SH高纬纬向平均西风指数定义为500hPa 40°S与60°S之间的纬向平均位势高度的归一化差异; 欧亚西风指数与SH相同，但纬向平均超过60°E-120°E; 东亚冬季季风指数（EAMI）根据Wang[17]定义，850hPa东亚地区（110°E -125°E，20°N -40°N）的速度异常; EU和PNA指数都是根据Wallace等[18]的研究所定义的。所有指标如下所示：

西风指数SH [U]SH = [Z] 40°S - [Z] 65°S（0 – 360°E），

欧亚西风[U]EU = [Z] 40°N - [Z] 65°N（60°E – 120°E）；

EAMI = V（110°E – 125°E，20 – 40°N）；

PNA = 1/4（Z * 20°N，160°W — Z * 45°N，165°W Z * 55°N，115°W — Z * 30°N，85°W）；

EU = 1/4（2N * 55°N，75°E — Z * 55°N，20°E — Z * 40°N，145°E）；

表1 各指标之间的相关系数（括里的数表示学生t检验的显著水平）

表2 春季西风指数与PNA-DJF和PNA-MAM的相关系数（括号里的数表示学生t检验的显著水平）

500hPa的标准化位势高度用Z *表示。EU正则表示欧洲西北部，亚洲东北部是负位相高度异常的区域，乌拉尔地区呈现正异常，表示乌拉尔高压和东亚低槽加强。EU与EAMI之间的相关系数为0.55（高于99％的显著水平）。许多研究表明，EU与东亚冬季季风的强度有关[19-22]。表1和2分别是DJF和MAM以上各指标之间的相关系数。

由表1可见，西风指数与欧亚西风指数呈正相关，显著水平在99％以上。当去掉线性趋势时，相关性高于95％的显著水平。这种显著的相关性说明了在北半球冬季，存在一定的从南极到北极的经向遥相关。但欧亚西风指数与EAMI呈负相关（90％以上显著水平）。其中的原因可能是欧亚大陆西风可能表现出NH高纬环流，然后呈现EAMI大气环流；另一个原因是由于没有标准的EAMI指数所致。欧亚西风与EU指数呈负相关，有利于东亚地区的冷空气活动[21-22]。以上结果表明，欧亚西风是与EAMI有关的重要因素，欧亚西风的增强会导致东亚地区的冷空气活动减弱。因此，通过从南极到北极的经向遥相关，AAO可能会影响北半球冬季的东亚环流，从而影响东亚地区的气候。

PNA遥相关是另一个主要的环流组成部分，表明太平洋上低纬和高纬大气环流之间的关系。 DJF和MAM在SH中的西风与PNA呈显著负相关，使阿留申地区上空的AAO和反气旋异常更强，这些相关性不仅与上述综合分析一致，而且还证明了太平洋从南极到北极的经向遥相关。

6 总结与讨论

本文研究了AAO的年际变率及其对东亚环流和气候的影响，初步结论总结如下：

（1）AAO在北半球冬季和春季具有良好的季节性和持续性，具有年际和年代际变化性，在20世纪70年代中期二者具有负相关关系。 正的AAO（DJF）和AAO（MAM）都可能减少东亚地区的冷空气活动。

（2）在正AAO（DJF）异常年份，可能发生欧亚西风和负EU遥相关，从而减少了极地地区的冷空气进入亚洲。与此同时，大气活动中心减弱，温度升高。AAO（DJF）的纬向对称结构减弱，同时减少了东亚地区的冷空气活动。太平洋可能是北半球春季的两个半球间相互作用的关键区域。

（3）进一步探索纬向平均环流作用下的两个半球间相互作用的机制。结果表明从南极到北极存在正压经向遥相关。它位于北半球冬季和北太平洋上空的欧亚大陆。经向遥相关可以说明两个半球中高纬度

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