如何衡量现有的东亚冬季风强度指数？外文翻译资料

 2022-12-11 20:20:07

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如何衡量现有的东亚冬季风强度指数？

王林 陈文

季风系统研究中心，大气物理研究所，中国科学院，北京100190 全球变化和海洋大气化学实验室，国家海洋局，厦门361005

2009年4月30号收录 2009年10月10号修订

摘要：用一个简单的指数定义东亚冬季风强度是非常困难的任务。本文将现有的18个表征东亚冬季风强度的指数分为四类：低层风指数，上层纬向风切变指数，东西向气压对比指数和东亚大槽指数。我们分析了1957-2001年这些指数的时间/空间性能和预测潜力。分析显示在年代际时间尺度上，除东西向的压力对比指数以外的大多数指数都可以很好的显示出东亚冬季风在1986年左右的不断减弱。在年际时间尺度上，基于厄尔尼诺，南方涛动与北极涛动的知识，低层风指数和东亚大槽指数具有最好的可预报性。现有的18种东亚冬季风指数可以表征出与东亚冬季风有关的低层环流，降水和对流层低层温度异常。然而大多数指数很难表征出中国中部大范围区域地表温度的变化，这可能与中国的复杂地形有关。这项研究的结果可能为未来的东亚冬季风的研究提供参考。

关键词：东亚冬季风；年际变化；年代际变化

1引言

作为全球气候系统最活跃的组成部分之一，东亚冬季风是东亚冬季的重要气候特征（刘和李，1984；丁，1994，黄等，2003，2007，陈，李，2004；常等，2006）。在地表，东亚冬季风以西伯利亚冷高压，阿留申暖低压和西伯利亚高压东侧翼的强西北风为特征。这支西北气流在日本南部分叉，其中一个分支向东流向亚热带的中西部太平洋，另一支沿亚洲东海岸流动。（刘先生和李，1984年；丁，1994；陈等人，2000，2005；王等人，2009年）。南支在北纬30 ◦ 转为东北方向并且穿过南中国海进入热带。在500hPa高度处有一个宽广的东亚大槽位于以日本为中心的经度上。在对流层的上层，主要特征是东亚急流的最大值位于日本的东南部，这个急流与大气的强斜压性，垂直风切变和强的冷空气平流关系密切（Boyle and 陈，1987；刘和张，1987；丁，1994）。

东亚冬季风的变化对亚洲和更偏远地区产生重大影响。例如，东亚冬季风强度影响中国，韩国，日本及周边地区的冬季温度和降水变化，这会造成深远的经济和社会影响。（例如，刘和李，1984；丁，1994；黄等。，2003，2007；和李，2004，昌等，2006）此外，寒冷的空气侵入到海洋性大陆地区，可能会导致深对流并且会给一些东南亚国家带来50%左右的年降雨量(Cheang， 1987)。相关的潜热释放是冬季季风的主要热源（常等，2006），造成中纬度与热带的强相互作用并通过东亚冬季风造成全球范围的影响。（张、刘、1980、1982；和Chang，1987；组et al。1999；Chen 2000；杨等，2002）。

考虑到这一点的重要性，将东亚冬季风强度和变率量化并用一个合适且简单的指数表示是非常重要的。许多情况下，温度被认为是东亚冬季最重要的气象变量并对社会经济造成直接影响。然而，温度已被证明在东亚的不同地区呈现不同的趋势（王和叶，1993，陈等，1991），这大大降低了东亚冬季风指数的代表性（陈等，2000）。此外，使用动力变量而不是热力变量来定义东亚冬季风指数是必要的并且具有动力学意义。因此，大多数研究者使用环流参数代替温度来定义东亚冬季风。据我们所知，至少有18个环流指数已经被用来衡量东亚冬季风强度（表1，图1）。这些指数从不同角度定义东亚冬季风环流。例如东西气压对比（例如，许和吉，1965；郭，1994；石，1996），500hPa东亚大槽（例如，太阳和李，1997；翠和太阳，1999；铝，2009a）或副热带地表经向风（例如，冀等，1997；陈等人，2000；胡等，2000）。这里提出几个重要的问题：这些指数如何描述东亚冬季风的时间变化？这些指数如何代表与东亚冬季风相联系的冬季气候异常？这些指数在描述东亚冬季风强度时候有什么差异？这些指数与东亚冬季风的潜在预测因子有关吗？回答这些问题对于理解东亚冬季风的变化和为研究和应用选择合适的指数是非常重要的。到目前为止还没有取得太多的成就。因此，本文的目的是评估现有东亚冬季风的强度指数衡量东亚冬季风强度的能力，并为今后的研究提供更多的参考。

第二章介绍了本研究所使用的资料。第三章对现有的东亚冬季风指数进行了分类，并指出其时间变化规律，并记录这些指数和潜在预测变量之间的关系。在第四章对每一类的典型指数所对应的冬季气候异常进行对比。最后在第五章给出了总结和讨论。

2数据和方法

在这项研究中，使用了欧洲中期天气预报中心40年（ERA40）月平均再分析资料，从1957年9月至2002年8月45年（Uppala等，2005）的中期天气预报资料。该数据具有2.5◦times;2.5◦水平分辨率和从1000到1百帕间23层的垂直气压层。所采用的海洋数据是哈德利中心气象局的海冰和海表温度（SST）数据-HadISST1（雷纳等，2003）。它是1870年至今的SST和海冰浓度在1度经纬格内完成的每月全球覆盖的独特组合。我们还利用由中国国家气象局提供的中国160站月平均气温（SAT）和由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）气候预测中心（CPC）提供的全球陆地降水数据集（Chen等，2002年）。NOAA/CPC降水数据使用全世界范围内超过15000个站点的观测记录，使用最优插值技术得到1◦times;1◦的数据。该数据已经从1948年更新到现在，超过50年时间。

这项研究中分析的时间段为1957年至2002年。季节平均贯穿整篇文章而冬季平均是指12月，1月和2月的平均。这些数据得到45个冬季（1957年至2001年）。在这里，我们通常指1957年至1958年的冬天为1957年冬天。

  1. 现有的指数及其时空变化

3.1现有的东亚冬季风指数分类

将表1中所列的18个现有东亚冬季风指数分为四类。第一类称为“低空风”指数。这种指数中的大多数是由东亚亚热带地区典型平均低层经向风构成。这个想法是姬等人（1997年）最先提出的，他们随后修改了不同地区，不同层次的指数（例如，陆和陈，1999; Chen和太阳，1999; Chen等人，2000; Hu等人，2000; Yang等人，2002）同时副热带高压向北偏东沿海移动的是中纬度西北部的南支气流，王江（2004）根据中期纬度850百帕风矢量定义的东亚冬季风指数也可归入这一类。这些指数强调了东亚海岸低层东亚冬季风流动的重要性和对热带地区的影响。

表1 18个东亚冬季风环流指数定义(这里，u:纬向风，v：经向风，Phi;：位势高度。上标*表归一化场。与负Nino3和AO指数的相关系数显示为原（左栏）和去趋势（右列）数据。粗斜体和粗体分别表示相关系数超过95%和99%置信水平t检验。

在第二类指数中，使用东亚地区对流层上层的纬向风切变。只有一个由Jhun和Lee（2004）提出的指数属于这种类型。它是由U300内定义（27。5◦-37。5◦N，110◦-170◦E）减去U为300内（50◦-60◦N，80◦-140◦E），其中U300代表300百帕纬向风。该指数抓住了相关对流层上层的东亚急流和东亚冬季风变化的特点。

第三类称为“东西的压力梯度”指数。这是由于东亚地区和西北太平洋区域之间（SLP）的海平面气压差构成。许姬（1965）最先提出了这个方法，这个指数后来修改为可以适用于不同地区或纬度（如，郭沫若，1994年，石，1996;吴和王，2002年;陈，李，2004; Wang等人，2009年b）。该指数最初的定义是通过东西海陆气压的对比来确定东亚季风北偏的程度。龚（2001）等人定义的指数仅用于大陆地区的斜率，但它可以在一定程度上反映压力梯度。这点与其他指数略有不同。

第四类称为“东亚大槽”指数，用500百帕东亚大槽表示东亚冬季风并将大槽的强度定义为东亚冬季风指数。孙和李（1997）是早期采用这些指数的例子。他们通过500 hPa高度东亚大槽构建自己的指数。通过低谷区域的定义差异（孙和李，1997年，崔和Sun，1999王等人）来分析9在东亚和西太平洋500 hPa高度。通过经验正交函数方法和EOF1模式来反映东亚大槽的强度。其中主要部分（PC）被定义为东亚冬季风指数。

3.2现有东亚冬季风指数的时空变化

在图1中展示了本文讨论的18个东亚冬季风指数，在表1中列出定义。我们注意到，强大的东亚冬季风在一些研究中具有低折射率，（例如，姬等人，1997年;孙和李，1997年，崔和Sun，1999; Chen等，2000）但在其他研究中却具有高指数。因此，一些东亚冬季风指数的符号常与它们的原始的状态相反（见表1），使得高折射率总是对应于强东亚冬季风冬天，使下面的研究变得更加方便。所有的指数表现出明显的年际变化。此外，通过9年平均表示出的年际分量也相当可观。其主要特点是在上世纪80年代中期的弱化。小波分析展示了该指数的时空变异的更多细节。东亚冬季风指数和潜在预测之间的关系也会显示出来。

图2显示了18种东亚冬季风指数的局部小波功率谱和全局小波光谱（托伦斯和组成，1998）。全球图谱表明大多数的低水平风指数（类别1）有显著的3 - 5年的变化。这主要是因为在1960 - 70年代和20世纪90年代末的局部小波功率谱的原因（图，2A–G）。除了1975–1990的差异（图3A），3–5年的周期与镍tilde;NO3指数与整体分布相似。以前的研究展示出厄尔尼诺，南方涛动（ENSO）tilde;（例如，Zhang，1996；Wang等，2000）和北极涛动（AO）（例如，吴和黄，1999；龚et al。，2001）对东亚冬季风的影响。所以我们计算镍tilde;NO3 / AO指数和这一类东亚冬季风指数的相关系数。它揭示了所有指数与Nitilde;NO3指数之间的相关系数。这一类东亚冬季风指数超过基于t检验的99%置信水平（表1），这表明这些指数在ENSO方面具有很高的预测潜能。

相比之下，AO指数（表1）基本呈现零相关。王江所定义的指数（2004）是一个例外，这是在高于95%的置信水平得出的更好的AO指数，即零相关对镍tilde;NO3指数。此异常的原因可能是在其定义中所使用的区域的纬度高于此类别的其他指数。此外，为了避免年际变化的长期趋势产生的影响，我们用计算得到的相关系数作为指数，获得的结果是几乎相同的（表1）。因此这类指数一般可以代表ENSO和东亚冬季风的年际关系，但不能反映AO对东亚冬季风的影响。此外，这个结论是独立长期趋势的指数。另一方面，在东亚地区东亚冬季风的年代际变化的一个重要特性是不断弱化和气候变暖1986（例如，Chang et al。，2006；康et al。，2006；Wang et al.2009b），因此需要探讨东亚冬季风指数来捕捉这个特征。九年运行平均表明尽管有弱的年代际分量，但所有低层风指数在中期呈现弱化（图。1A–G），七个中的四个指数有正确的过渡时间（图1A，1C–E）。因此，这种类型的大多数可以很好地描述近些年东亚冬季风的年代际变化。

图1 1957-2001年18个现有的东亚冬季风指数的时间序列以及9年滑动平均表示的年代际分量。

第二类的东亚冬季风指数（崔宏和Lee，2004），在图2中3–4年左右有一个明显的峰值信号且第二峰值在8年附近。这个指数和Nitilde;NO3 / AO指数之间的相关性很弱（表1），表明ENSO和AO的相关系数保持很低时，指数的线性趋势将被消除。但这个指数可以很好地捕捉到上世纪80年代中期东亚冬季风减弱（fig。1h）的趋势。这些结果表明，上层纬向风切变指数更适合于描述东亚冬季风的年际变化。分别在4年和8年左右（图。我–O）。局部小波功率图谱表明，上世纪80年代中期以前的阶段里8年左右尤为突出（图。我–O），它在某种程度上类似于AO指数的模式（图3b）。相关分析表明，这类指数一般比95%的置信水平的镍tilde;NO3和AO指数强（表1）。然而除了王和Gong的指数，其他大多数指数与AO指数在线性化后将被消除。这些结果表明，虽然该指数的效果不如与低层风指数，并且与AO的关系取决于长期趋势。但是这一类的东亚冬季风指数仍然可以表征ENSO的年际关系。然而一些指数被线性化后，绝对相关系数的变化不是很大。这意味着该指数中年际变化更重要。年代际分量在1980年左右有明显削弱趋势，但过渡时间（图。我–O）比观测时间更早（例如，Kang et al。，2006；Wang et al。，2009b）。因此，这一类的东亚冬季风指数不能很好地描述过去4年中东亚冬季风的年代际变化。对于东亚的低谷指数，在4年和16年有2个峰值，由全球小波谱看（图。2P–R）这些指数达不到90%的置信水平。局部小波功率谱（图。2P–R）还没有显示太多的与视觉相似的镍tilde;NO3 / AO指数（图3A–B）。相关分析表明，这类指数在高于95%的置信水平下与AO指数相关性很好，但却与Nitilde;NO3指数呈弱相关（表1）；在长期趋势下两者的关系是独立的。这些指数显示，东亚冬季风的年代际变化从1986年起开始弱化是相当明显的，（图。1P–R）。因此，这类指数可以很好地反映年际时间尺度上东亚冬季风和AO的可预见性，同时也介绍了东亚冬季风的年代际变化。

图2 18个现有的东亚冬季风指数的局部小波功率谱和全局小波谱。在局部小波功率谱的等值线和全局小波谱的点线具有90%置信水平。

图3与图2相同，但为(a)NiNO3指数和（b）AO指数

4现有的冬季气候异常指数

此前我们已经讨论了现有的18个东亚冬季风指数的时空变异。在本节中，我们将进一步说明冬季气候异常指数。基于3。1部分的分类，我们选择一个指数从每个类别选一个进一步分析，即：成务（陈，2000），崔宏（崔宏和Lee，2004），guoqy（郭，1994），和sunbm（太阳和Li，1997）。另外在分析6显示出王的指数（王江，2004）和gongdy（龚et al。，2001）在定义方面略有不同。用东亚冬季风的强弱来诊断东亚冬季风的

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