北半球环状模态的区域气候影响外文翻译资料

 2022-12-11 20:19:09

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北半球环状模态的区域气候影响

一、摘要：

北半球环状模态（NAM）（也称为是北大西洋涛动）对冬季的气候有强烈的影响，不仅仅是半球的欧洲大西洋地区，正如文中所述的以前的研究，还包括太平洋部分。它不仅影响平均状况，还包括日常变化，它调节着中纬度风暴的强度和高纬度阻塞形势以及整个半球冷空气爆发的频率。NAM最近朝向高指数极性的趋势发展，伴随着增强的副极地西风带，这种趋势趋向于减少了北半球大陆大多数中高纬度地区冬季天气的灾害程度。

二、正文：

NAM是一种气候变化的行星尺度模态，以55°N和35°N纬向方向呈反位相或跷跷板振荡关系，并伴随极地和中心在45°N的中纬度地区之间的大气质量运动为特征（1-4）。在大多数与该现象相关的文献中，NAM被称为是欧洲大西洋现象和北大西洋涛动（5-8）。它的变化通常被表示为是亚速尔群岛（或葡萄牙）和冰岛站点之间的海平面气压（SLP）差异，而且它的气候影响在很大程度上被认为局限于从北美东部穿过欧洲到俄罗斯部分（6,7,9）。在这里，我们论证了NAM事实上在所有经度上都存在很显然的影响。

分析是依据40年（1958-1997）NCEP/NCAR再分析的日平均资料（国家环境预测中心和国家大气研究中心）和筛选的站点资料（10）。NAM的变化由北半球（NH）（20°~90°N）月平均海平面气压场的第一时间系数表示的（4），它涵盖了NAM的半球尺度特征，要比区域的基于站点的指数更可靠（8）。所有的结果都是针对冬季，这里定义是1月至3月（JFM）（11），此时对流层和平流层低层的环流发生耦合（4,12），而且NAM的变化是最大的（4）。NAM高（低）指数极性定义为是副极地西风带的强（弱）异常。1958-1997年间JFM中高指数和低指数的日子，被定义为是日NAM指数的绝对值超过了一个标准差（SD）的那些（13）。1958-1997间，所有天数中大约三分之一对应于NAM的高指数或低指数极性（图1和表1）。我们所使用的日平均资料的大样本使我们不仅可以记录平均气候下的NAM信号，还可以记录北半球中有代表性的“重要天气事件”的发生频率，“低温事件”指日最低气温降低某一具体的值，对应于低于JFB季节平均状态的1.5个标准偏差，观测到发生频率最高的三个副极地地区的冻雨，阻塞（14），以及高风和波高。所有在表2,3中呈现的结果依据蒙特卡洛试验（15）都是通过了95%或是更高的显著性水平检验，而且发现附近的站点资料也是高度可信的。

NAM高指数和低指数极性的地表大气温度（SAT）和SLP合成图（图2）揭示了在欧洲地区存在明显差异，北美和极地地区也观察到了显著的差异。高指数大气状况是以沿着55°N的地表地转西风为特征的，在高指数日越极地气流从俄罗斯到北美五大湖和东欧，而在低指数日侵入俄亥俄山谷，且向西延伸到法国。高指数日，气流穿过巴伦支和卡拉海增暖，但在高指数条件下观察到在极地西部的暖异常不很明显。与目前的研究一致（7,9,17），相反的NAM极性与欧洲和中东地区降水上的巨大差异有关；同时北美西海岸也观察到了显著的差异。

500hPa高度场的合成场和500hPa高度带通滤波的标准偏差也揭示了北半球存在着显著的差异（图3）。高指数下是以从北美东北部到北欧的北大西洋风暴，和从东亚到美国的北太平洋风暴存在越来越大的差异为特征。低指数是阿拉斯加和北大西洋上对流层中层阻塞形势（14）的表征。

NAM相反的极性标志着北半球重要天气事件频率分布存在差异，这与图2和3中呈现的结果一致。低指数情况下，低温事件在北美，欧洲，西伯利亚和东亚发生的频次更多（图4上，表2和3），增加了霜冻的风险和冻雨发生的频率，在一些主要是事件发生所需的温度条件受限的地区（表2,3）。高指数下，北欧和西北太平洋地区强风发生的频率增加（表2）。在新英格兰，强风和降雪并存，被称为“黑人”的沿岸风暴在低指数条件下发生更加频繁。

基于NCEP/NCAR再分析资料的结果与遍布大部分美国的站点资料中得出的结论是一致的（在公共领域存在广泛日站点资料的唯一地区）。唯一值得注意的例外是西北太平洋，与再分析资料的（图4上）相比，依据站点资料得出的结果（表3）中NAM在低温事件发生的频次上表现出更强的信号。表3中的联系强度证明了NAM对北美西部冬季气候的影响。

极端温度事件的发生频率差异的部分原因仅仅是归因于由于NAM波动造成的平均温度的变化，在表2和3的温度变化一栏和图4的底部有表明（19）。剩下的差异是由于温度频率分布形状的变化。观测的比率通常要比哪些基于温度变化估计的更大，且更具有明显的统计意义。额外的增量是在低指数条件下观察到的日最低温度频率分布的反映，它归因于高纬度阻塞形势（表2）发生频次的增多以及相关的冷空气的爆发（14）。

阻塞以及由此造成的半球尺度的冷空气爆发的概念是由Namias和所谓的“区域指数周期”（1）的早期调查的合作者们所预测的，但在50年前由于缺乏北美和欧亚地区气候异常的明显的统计上的相关证据而被放弃了（20）。之后的大多数研究趋向于更趋于的现象。表2和3之间的关系为区域指数（或NAM）范式的相关性提供了新的支持。使用仅基于大西洋（60°W-30°E）的半球数据的NAM指数，使得表2和3之间的关系能够被恢复的这一事实证实了我们的假设，NAM是半球环流的物理模态，而不仅仅是使用从半球气压场资料中得出的指数或是（早期20世纪40年代的区域指数研究（1,2,22））一个基于区域平均资料的指数的人工产品。

NAM自20世纪60年代晚期就表现出了向高指数极性变化的显著趋势，这在它的时间系数中可以明显得出（3,7,23），也反映在不同年代（图1，表1）高指数和低指数日的相关数量上。近年来副极地纬圈上增强的西风气流有利于北半球高纬度大陆（23,24）冬季平均温度升高，包括表2和3中列出的所有站点，以及减少发生的高纬阻塞。平均条件更温和的冬季以及减少的阻塞形势的发生都有利于低温事件发生频率的降低。估计了这一下降速度，并与表2和3中最后两栏归因于全球变暖的速度做了比较。归因于结合全球变暖和NAM变化趋势的下降通常是在30%至50%的范围内；除一个站之外，其归因于NAM的下降幅度更大。

本文中涉及到的关系表明了气候系统自然模态的变化不仅仅调节着季节平均要素如气温和降水，还调节着影响人类活动的天气事件发生频率。在这些模态可预测的范围内，这些关系在包括这些事件的风险评估上具有实际用途。预测能力已经存在于厄尔尼诺-南方涛动现象中（25），希望的是有天可以发展到NAM模态中，探究它与冬季平流层环流的关系（12,26）。即使缺乏预测能力，观察到的NAM向高指数极性发展的趋势方面的认知在诠释最近的天气趋势以及气候统计趋势都是有用的。如果这个趋势被证明是认为因素，正如最近的气候模态实验（27）中所显示的，像这里提出的统计数据可能有助于对本世纪晚些时候的冬天进行预测。

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