在过去的100年中中国东部冬季气温的年代际变化与相关的大气环流外文翻译资料

 2022-12-02 19:39:12

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在过去的100年中中国东部冬季气温的年代际变化与相关的大气环流

摘要：用第二十世纪2版（20th-v2）的再分析方法对过去的100年中中国东部的冬季气温变化进行分析。分为四种典型的暖时期（P1、1911–30；P4，1991–2010）和冷时期（P2，P3，1938–57；1961–80）被定义为中国东部冬季气温指数。通过与160站观测数据、NACR海平面气压（SLP）数据和NCEP/NCAR再分析的数据进行比较，结果表明了20th-v2的再分析资料可以成功地描述从P3到P4的变暖的主要特征，这段时期是全球变暖现象的一种体现。在全球变暖的情况下，从P1到P2的冷却是一个区域现象。然而，这两者的变化均与北极涛动（AO）变化的相位一致，而第二种变化也伴随着南极振荡（AAO）从负到正的相位变化。而AO和中国东部地区的冬季气温年代际变化的原始来源，则需要进一步的研究。

关键词：中国东部地区，冬季气温，全球变暖，年代际变化

1、引言

全球变暖问题一直是以来都是气象学家和公共关注的焦点。对过去100年气候变化的考察，可以提供更全面的信息，有助于了解过去几十年发生的变化。然而，因为没有可靠的长期观测气候数据，可以使用再分析和模型输出数据用来研究这些气候变化。

中国东部地区作为一个很重要的季风区，在过去的100年里它经历了显著的年代际变化，比如在1970年后期夏季风减弱（Wang，2001, 2002），在上世纪90年代末，黄淮河流域（长江流域）夏季降水增加（减少）（Zhu et al.，2011），上世纪90年代后冬季风减弱（wang et al.，2009），在上世纪70年代末之后冬季温度和哈德来环流的关系加强（Zhou and Wang，2008）。Tang et al.等人（2009）已经显示不同时间序列年平均温度超过中国在过去的100年的平均温度，与全球一致的变化（北半球）平均温度有很强的相关性，

在由中国气象局国家气候中心（CMA，http：//www.cma.gov.cn/）提供的160站观测的温度数据的基础上，作者用聚类方法确定在冬季气温在1951–2010在中国东部站记录变化的相似性。因此，在本文研究的在中国东部的面积加权的冬季温度平均。尽管在中国的过去的100年中，年代际温度的变化已经显示（例如，Tang et al.，2009），但相关的大气环流仍不清楚。为了研究在中国东部地区大气环流的变化年代际温度变化，早在1871二十世纪的2版（20th-v2）再分析（2°纬度times;2°经度）被研发来确定数据。另外，美国国家环境预报中心/美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR再分析（2.5）2.5°times;2.5°纬度经度，kalnay et al.，1996）和NCAR北半球海平面气压（SLP）数据从1899（5°纬度times;5°经度，Trenberth和Paolino Jr，1980）开始作为参考数据。

2、结果

图1显示了中国东部（25–43°N，110–121°E，包括57站）平均的温度指数（t index），这个指数是在在1951–2010 ,160站数据（黑色曲线）和20th-v2再分析1871–2010（蓝色曲线）的基础上确定的。两者在1951–2010中相关系数之比在九年平滑信号消除后是0.80：0.86，九年信号平滑后是0.95。因此，作为观测数据重新替换这个20th-v2的再分析，可以提供在过去的100年中，中国东部气候变化的可靠结果。

通过进行t检验来检验tindex的稳定性。通过使用不同宽度的窗口，如9, 11, 15和17年，在20世纪30年代和80年代检测到了两个变化点。在九年平滑tindex（图1b和1C），选定了1911 - 30（P1），1938 - 57（P2），1961 - 80（P3），1991 - 2010（P4）四个时期为典型时期。这些时期分为两组：P1和P2代表1960以前典型的暖期和冷期，P4和P3代表了1661年后的典型的冷期和暖期。四个时期的平均温度分别为为 4.31℃, 3.56℃,4.42℃, 和 5.69℃。

为了更广泛地了解选定时期的温度变化，在图2中显示了典型暖冷期（P4 - P3和P1 - P2）之间995hPa层的全球表面温度的差异。利用NCEP/NCAR再分析资料揭示了在北半球中高纬度地区的明显的变暖，特别是在格陵兰岛和东部；在低纬度地区有较弱的变暖；在南方高纬度有降温（图2c）。20th-v2再分析也显示了类似的升温和降温的模式，虽然在北半球中高纬度的气候变暖（低）弱（强）比NCEP/NCAR再分析要弱（图2b）。虽然P1被选为中国东部地区的典型暖期，这一时期显示的表面温度低于P2在的绝大部分地区比北极极区高的最低温度（图2a）。

图2（b，c）P4和P3与（a）P1和P2之间在995 hPa的全球表面温度差异。（a）和（b）来自20th-v2的再分析; （c）来自NCEP / NCAR再分析。等高线表示差值（蓝色，负值;红色，正值），阴影表示通过t检验得出的90％和95％置信水平的差异。

图1(a)根据1951 - 2010年（黑色曲线）和20th-v2再分析记录的160个台站的资料，在华东（25-43°N，110-121°E）平均的温度指数（tindex） 20th-v2）1871-2010年的再分析（蓝色曲线）。（b）20-v2的tindex; 虚线表示四个典型的暖/冷期，从左到右的P1到P4。（c）从20-v2开始，用11年的窗口宽度进行tindex的t检验，显示在95％置信水平（水平线）处的指数（蓝色曲线）的t值。

在SLP的不同领域中，两种NCAR SLP（在覆盖区的数据）和NCEP再分析显示模式与的

在SLP领域的差异，NCAR SLP（数据覆盖区域）和NCEP / NCAR再分析的模式与20v2再分析（图3）非常相似，但在全球范围内幅度要大得多。 对于P4-P3（图3b，3d和3e），南/北极区（南/中纬度地区）出现负值（正值），类似于正南极/北极涛动（AAO / AO ）正模态（Thomp-son和Wallace，2000,2001; Fan and Wang，2004; Fan，2007）。在P1和P2之间的差异区域（图3a和图3c），负值也占据了北极地区，而大尺度正值部分占据了北半球中纬度地区（与20v2和NCAR SLP一致）和南部中高纬度地区。此外，热带太平洋东部也存在负值。

相应的特征出现在500 hPa位势高度（图4）。而P4和P3的差异场区别，NCEP/NCAR再分析也表明全球变化类似于20th-v2再分析的数据变化，但NCEP/NCAR再分析在中低纬度变化幅度较大（图。4B和4C）。图4a显示了在北极地区存在负值。对于变化幅度，20th-v2再分析比NCAR SLP和NCEP再分析在全球范围内变化较弱（图–P3，P4.2和3）但在中/低纬度高度场变化的较弱/可比较（图4）。这些结果表明，20th-v2再分析在较高的平面比低平面更可信。

图3和图4表明，在典型的温暖和寒冷时期极地地区存在着大的差异，在中高纬度的反位相变化类似于AO和AAO的变化。因此，AO与AAO指数计算是作为20th-v2 SLP的时间序列的经验正交函数的预设值，如图5所示，AO /AAO和tindex之间的相关系数是0.34/0.26，在140年（1871–2010）九年平滑后95%的置信水平与自由度，通过t检验是0.5/0.67。AO相位与四个典型周期较一致，P1和P4呈正AO位相，P2和P3呈负AO位相；AAO不显示从P1到P2的相位变化。

3、结论与讨论

在20th-v2再分析的基础上确定四种典型的暖期（P1、1911–30；P4，1991–2010）和冷期（P2，P3，1938–57；1961–80）为中国东部冬季气温指数。对不同数据集之间的典型时期的平均海平面高度和位势高度场的差异进行了研究，揭示了大气环流的温度变化特征。

图3（（b），（d）和（e））P4和P3与（（a）和（c））P1和P2之间的海平面气压差（SLP） （a）和（b）来自Twenti-eth Century第2版（第20卷）再分析; （c）和（d）来自国家大气研究中心（NCAR）的SLP; 和（e）来自NCEP / NCAR再分析。 等高线表示差值（蓝色，负值;红色，正值），阴影表示通过学生t检验得出的90％和95％置信水平的差异。

与P3相比，除南部高纬度地区外，P4中大部分地区在暖季较暖。20th-v2再分析在低纬度和高纬度差异比NCEP/NCAR差异要弱。海平面平均高度和500 hPa位势高度，三种数据在南部和北部高纬度地区显示一致的差异负变化和在20th-v2数据显示中中低纬度地区较弱的正变化幅度。然而，作为一个典型的暖期，除了北部高纬度地区，P1在大多数地区的气候比P2更冷。在北半球高纬度地区存在负值，在北中纬度和南部中高纬地区出现正值。从P1到P2和P3 到P4的变化与AO的相位变化同步，这可以从AO和中国东部地区温度指标的变化中明显的体现（图4）。从P3到P4的变化也伴随着AAO从负到正的位相变化。

图5标准化的AO和AAO指数，以及1871 - 2010年9年平滑后的指数。 典型的温暖和寒冷时期分别由浅红色和蓝色阴影显示。

图4（（a），（c））P4和P3，（b）P1和P2之间500 hPa位势高度的差异。（a）和（b）来自二十世纪第二版（20th-v2）再分析;（c）来自NCEP / NCAR重新分析。等高线表示差值（蓝色，负值;红色，正值），阴影表示通过学生t检验得出的95％置信水平的差异。

中国东部地区的冬季气温与东亚冬季风（EAWM）紧密连接。以往的研究表明，AO可以显著影响东亚冬季风在年际时间尺度（Gong et al.，2001；Wu and Wang，2002）。这些研究还表明，AO可以影响东亚冬季风从而直接影响海平面平均高度，东亚大槽和表面空气温度和间接地通过影响西伯利亚高压。Wang et al. (2009) 研究了在上个世纪80年代后期东亚冬季风明显弱化，这表明在准定常行星波的角度说明温度的变化从P3到P4一致。Sun et al. (2008) and Sun and Wang (2012) 揭示了夏季北大西洋涛动与东亚气候关系的年代际变化关系。然而，年代际气候变化的原始来源是相当复杂的课题，需要通过长期数据诊断和数值模拟进一步探索。

致谢：本研究由中国科学院战略性技术计划（批准号：XDA05090405），国家重点基础研究发展计划（批准号：2009CB421406，2010CB950304），公益性行业专项资金（气象） ;授权号GYHY201006022和GYHY200906018）。

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