欧亚遥相关型及其对中国气候异常的影响外文翻译资料

 2022-12-09 10:50:06

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欧亚遥相关型及其对中国气候异常的影响

摘要：欧亚遥相关模式（EU）是北半球冬季低频震荡的主要模式，对欧亚地区的温度和降水异常具有显著影响。为了研究EU遥相关型的结构、生命周期和动力机制，准确地诊断分析EU模式的演变，我们重点关注EU模式的发展和衰减过程。在发展阶段，在EU模式达到顶峰前6天，一个位势高度异常出现在北大西洋上空，其他三个高度异常区随后相继出现。在这个时期，所有的位势高度场显著的增长，EU模式的四个中心结构形成于达到峰值之前的2天,其中最明显的波列出现在300hPa。EU模式发展是由相对涡度平流和瞬时涡流通量引起的。在峰值期之后，北大西洋的位势高度异常变弱，因为它比其他异常中心衰减得更早，这导致了欧亚遥相关模式的经典三中心结构。EU模式的完整生命周期在10天内经历相当大的增长和衰减。在衰减阶段，水平发散和瞬时涡流通量起主要作用。此外，重点分析衰减阶段EU模式对中国冬季气候的异常变化的影响。EU模式对我国温度和降水的影响出现在EU高峰期后的2-4天，此外，温度和降水异常分布也具有明显的区域差异。

关键词：亚欧遥相关型 空间结构 时间演变 中国气候异常

  1. 引言

遥相关型代表了区域或全球尺度的大气低频变化。低频模式的早期研究可以追溯到20世纪30年代，那时沃克和布利斯（1932）确定了北大西洋和北太平洋振荡。从那以后，应用相关分析和旋转经验正交函数分析法研究（Wallace和Gutzler 1981; Esbensen 1984; Moand Livezey 1986; Barnston和Livezey 1987; Ding和Wang 2005），人们已经在北半球发现了许多遥相关型。许多研究表明，冬季北半球500hPa位势高度场存在5种遥相关型：东大西洋模式（EA），太平洋北美模式（PNA），西大西洋模式（WA），西太平洋模式（WP）和欧亚模式（EU）（Wallace and Gutzler 1981; Horel1981; Barnston and Livezey 1987）。在这五个重要模式中，欧亚遥相关模式（EU）是欧亚地区大气环流和气候异常的重要低频模式，因为EU模式的三个活动中心均位于欧亚大陆。

遥相关模式的水平结构包括月平均时间尺度上的“跷跷板”和波状结构（Nakamura等人，1987）。欧亚模式属于波状结构，因为其活动中心与特定的纬圈对齐。在月时间尺度上，EU模式具有交替出现的三个活动中心：斯堪的纳维亚和波兰、西伯利亚和日本。 现在的研究重点是EU模式在逐日时间尺度的结构和演变，这可以使我们更好地理解EU模式的发展和衰减，还将有助于解释EU模式的增长和衰减的动力过程。

近年来，遥相关模式的气候效应是最热门的议题之一。Park et al.（2010，2011）指出，东亚的寒潮强度和频率与AO和欧亚大陆阻塞系统的状态密切相关。 Sung et al.等人（2006）的报告指出冬季北大西洋涛动（NAO）可能对随后的东亚夏季风降水造成延迟。一些研究表明，PNA模式对美国冬季温度和降水具有重要的影响（Leathers et al.1991; Notaro et al.2006）。同时，对EU遥相关对北半球冬季期间欧亚大陆气候的影响也进行了研究。一些研究表明，EU模式有助于解释在1989年冬季EU模式从正反转为负时的位势高度的年代际转移（Watanabe和Nitta 1999; Ohhashi和Yamazaki 1999）。此外，EU模式在EAWM变率中起着重要作用，与西伯利亚东部高温和气温异常有显著相关（Gonget al.2001）。正EU位相在我国华南和韩国造成强烈的北风和降温，而冷/暖事件的概率分布取决于EU模式所处的发展阶段（Sung et al.2009）。此外，Tachibana等（2007）发现东京冬季积雪事件的发生往往与负EU模式一致。 他们指出，当EU模式处于负位相时，东京地表温度偏低，有利于降雪和积雪。 Liu和Chen（2012）发现，EU模式的正相位阶段伴随着副热带急流加强，东亚大槽加深，中国东部降水减少、温度降低，虽然以前的研究主要集中在月时间尺度上中国气候异常的空间分布，但气候异常伴随EU模式的演变仍然是未知的。 在这项研究中，我们研究在EU模式的发展和衰变期间的温度和降水异常变化。 正如我们将要展示的，日时间尺度分析揭示了EU对气候影响的更多细节。

本文的其他内容安排如下：第二节，描述了本次研究中使用的数据，并且定义EU模式的EU指数和峰值相位。EU模式的正相位和负相位的生命周期、时间演变、垂直结构和动力学特征主要在第三节展开论述。在EU模式的正，负相位期间，中国温度和降水异常的空间差异和时间演化特征将在第四节阐述。研究结论见于第五节。

  1. 数据和方法

本次研究过程中，我们采用美国国家环境预测中心/国家大气研究中心（NCEP-NCAR）从1950年到2010年的冷季（11月 - 3月）的再分析资料，包括位势高度场和风场的资料。数据的水平分辨率为2.5°times;2.5°,逐日资料使用去除气候年循环的由每个月60年平均值的31天运行平均值定义（Sung et al.2009）。 还使用了中国756个观测站的每日平均温度和降水数据。 数据从1950年1月1日至2010年7月31日。

每日EU指数使用Wallace和Gutzler（1981）定义的方法计算：

其中，Z✲ 表示标准化的500hPa平均位势高度距平。当EU指数超过零时，表示正相位，而当EU指数低于零时表示负位相。 EU模式的峰值阶段定义为每日EU指数为局部最大值并超过一个标准差的日期（Sunget al.2009），表明EU活动中心的位势高度异常在欧亚大陆达到最大值。 如果在少于15天内出现两个或更多个峰值，则仅计数第一个峰值以确保每个峰值的独立性。

  1. EU模式的一般特点

3.1 生命周期

为了显示EU模式的生命周期，我们筛选出EU指数在日时间尺度的正和负峰相位，其中总共有272个正位相和285个负位相组成。如图1所示，对于两个阶段，EU模式的振幅从滞后-5天快速增长，并在滞后0天达到最大值，然后衰减。衰变期比生长期时间更长。 EU模式的整个生命周期经历约10天。正负EU指数显示相反的结构。

图1 EU指数的复合指数从滞后-15至15天。滞后0天表示峰值相位。实线表示正相，虚线表示负相

我们进一步计算了从滞后-6延伸到滞后6天的正EU相位的500 hPa位势高度异常的日复合指数（图2）。在滞后-6天，EU模式的位势高度异常在北大西洋出现在正相位。在滞后-5至滞后-2天，这个正位势高度异常中心逐渐加强，同时其他的包括位于日本的一个正异常和位于波兰和西伯利亚两个负异常，这三个中心逐渐出现。EU模式的完整四个中心结构形成在滞后-2天，此时北大西洋的位势高度异常达到最大值。在接下来的两天中，北大西洋异常的强度迅速下降，而EU模式的其他异常中心则出现了较大的增长。除了北大西洋中心以外，其他三个异常中心达到最大值需要滞后0天，对应EU模式峰值期。EU模式的衰退在滞后0天后开始。北大西洋的异常中心减弱，其原因在于它比其它中心早2天衰减，这也导致这个中心在月时间尺度上不存在。由于滞后 2天，波兰、西伯利亚和日本的异常强度迅速衰减，北大西洋异常几乎同时消失，这导致EU模式在欧亚大陆上的经典三个中心结构在EU处于衰减阶段出现。在滞后 2天后，欧亚大陆的位势高度异常大致相继衰减，EU模式在滞后 5天后消失。

在EU模式的上游地区，北美东海岸出现弱正异常。这种异常在整个EU模式的生命周期中没有发生变化。另一个有趣的特征是在滞后-6天时，在青藏高原北部出现了一个弱的负位势高度异常。 随着EU 模式的增长，负异常向东传播，没有增强。 在滞后-2天，这个异常与日本的异常合并，出现异常加强。 在EU峰值期之后，负异常继续向东传播，直到它到达太平洋并在此维持几天。

我们还检查了500 hPa位势高度异常的负相位的复合指数（图3）。显然，EU模式的两个阶段具有相似的时间演化特征。负相位开始于位于北大西洋之上的负位势高度异常区，并且结构与正相位相反。

图2和图3示所示的位势高度异常场显示了EU模式生长和正相与负相衰变的特征。EU模式的活动中心从滞后-6天一个个地发展起来，并且EU模式的整体结构在EU模式达到最大振幅之前完成。EU模式在发展中期在北大西洋，波兰，西伯利亚和日本表现出四个显著的异常中心，这与以前的研究有很大的不同。北大西洋的异常中心较其它中心早2天衰弱和衰减。因此，该中心在峰值阶段以后几乎消失，这时经典三个中心结构明显。由于所有异常的位置在EU模式生命期间是固定的，所以波列的相速度近似为零，这与EU模式是准稳定波的结论一致（Hoskins和Karoly 1981）。

3.2垂直结构

以前的研究表明，EU模式在垂直方向上具有相当的正压结构（Wallace和Gutzler 1981; Ohhashi and Yamazaki 1999; Liu and Chen 2012）。 这些结论是通过比较低和高水平的循环异常场而获得的。在本次研究中，我们直接显示了相对于正EU位相的位势高度场和沿异常中心的潜在温度的垂直截面（图4）。 负相位与正相位相反（图中未表示出）。 在整个对流层，有交替的暖脊和冷槽。图4中的重要特征是所有最大异常中心均出现在300 hPa。

图2 在滞后-6天（a），滞后-5天（b），滞后-3天（c），滞后-2天（d），滞后0天（e），滞后 2天（f），滞后 3天（g），滞后 5天（h）和滞后 6天（i）的正EU阶段的500 hPa位势高度异常场。 实线轮廓是正的，虚线轮廓是负的。轮廓间隔为30 m。浅和重阴影分别表示高于95%和99%置信水平的显着变化。

在滞后-6天（图4a），北大西洋出现弱正异常。 在接下来的3天，正异常加强，新的异常在欧亚大陆的下游形成。 位势高度异常几乎具有正压结构，但新生位势高度异常向东倾斜一些，潜在温度异常向对流层低层向西倾斜，显示出一个小的斜压结构。 在滞后-2天，EU模式的四中心结构形成，而北大西洋的异常中心达到最大。 在随后的2天（图4e），欧亚大陆的异常经历了相当大的加强，所有以前存在的位势高度异常变为正压。 除了北大西洋以外，EU模式的异常中心达到最大值。 欧亚大陆的地理异常在滞后0天达到最大值。 之后EU模式的开始明显的衰退。

前者的分析表明，斜压性可能在位势高度异常开始起作用，但异常的维持和发展主要归因于正压不稳定性。 气压不稳定性增加是通过从急流中的水平风切变中获取动能的（Holton和Hakim 2012）。 在欧亚大陆，EU模式沿着极地前急流的气候位置排列，这可以解释最大显著的EU模式存在于欧亚大陆。

图3与图2相同，但是对于负EU位相

3.3 EU模式增长和衰退的动力机制

为了研究EU模式的动态特征，我们计算流函数倾向方程中的每个项（Cai和van den Dool 1994; Feldstein 2002,2003; Feldstein和Dayan 2008; Franzke和Feldstein 2005）。 这个方程可以写成：

其中psi;是500 hPa流函数；剩余项R是小项，表明方程（1）很好地平衡；xi;i （i = 1,2，...，6）定义如下：

其中xi;是相对涡度，V是水平风矢量，v经向风分量，omega;垂直风分量，a地球半径，f科氏参数，theta;是纬度。 下标“r”和“d”分别表示水平风的旋转和辐散分量。 上方定义时间轴，并且与时间平均值的偏差由素数指示。 方括号表示区域平均值、星号a与区域平均值的差。在方程右侧（RHS），xi;1是由异常引起的行星涡度平流，xi;2（xi;3）是涉及异常与地球对称（不对称）气候流动之间相互作用的相对涡度平流，xi;4是散度项，xi;5由瞬时涡度通量造成的强迫项。xi;6是由于倾斜项而产生的力，因为它很小，所以不进行讨论（Feldstein和Dayan2008）。关于这个方程的更详细的信息可以在Feldstein和Dayan（2008）中看到。

图4 在滞后-6天（a），滞后-5天（b），滞后-3天（c），滞后2天（d），滞后0天（e），滞后 2天（f），滞后 4天（g）和滞后 5天（h）正EU相位的每个异常中心的位势高度异常（等高线）和潜在温度异常（阴影）。轮廓间隔为30 m，实线轮廓为正，虚线轮廓为负

图 5 正EU相位滞后0天的流函数趋势方程在rhs上的每个项的投影：流动函数方程的a rhs，（rsh，实线），（lhs，虚线）; b xi;1（term1，实线），xi;2（term2，虚线）; c xi;3（term3，实线）, xi;4（term4，虚线）; d xi;5（term5，实线）。 纵坐标乘以5times;

流函数趋势方程中每个项的综合分析可以帮助我们了解哪些过程有助于EU模式的增长，维持和衰减。我们使用与Feldstein和Dayan（2008）相同的处理方法，将每个项在方程（1）的RHS上投影到滞后0天的

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