北太平洋涡旋振荡与东亚夏季降水外文翻译资料

 2022-12-11 20:22:25

The North Pacific Gyre Oscillation and East Asian summer precipitation

Abstract： This study examines the links between the North Pacific Gyre Oscillation (NPGO) and the East Asia (EA) summer precipitation (EASP) at a decadal scale. Maximum covariance analysis reveals that NPGO is the third mode regulating the decadal variation of EASP. lsquo;Global warmingrsquo; and Pacific Decadal Oscillation are the first two leading modes. Associated with NPGO, EASP exhibits a north-to-south lsquo; minus; rsquo; tripole pattern. The related atmospheric circulations are also examined. Results demonstrate that the linkage between NPGO and EA involves two processes, namely, extratropical and tropical processes. In the extratropical process, NPGO features an eastward propagating Rossby wave over the extratropical regions; this wave intensifies and displaces the EA jet stream northward. In the tropical process, NPGO is associated with a meridional circulation over the northeastern Pacific and an anomalous Walker circulation over the tropical oceans. The anomalous Walker circulation exhibits a downward branch over the western tropical Pacific and features low-level northerly wind over EA and western North Pacific region. The two processes strengthen the EA summer monsoon circulation and enhance the moisture transportation from oceans to northern EA; thus, the precipitation in the northern EA region increases and the precipitation in the central region decreases.

Keywords: decadal variability; East Asia summer precipitation; North Pacific Gyre Oscillation; sea surface temperature; Silk-Road teleconnection; Walker circulation

  1. Introduction

The variability of precipitation over East Asia is considerably modulated by the variation of sea surface temperature (SST). Previous work suggested that El Nintilde;o-Southern Oscillation (ENSO) and Indian Ocean Dipole (IOD) are specifically the dominant causal factors at the interannual scale (Chang et al., 2000; Wang et al., 2000; Ding and Chan, 2005; Luo et al., 2015, 2016). or instance, an El Nintilde;o-like SST pattern in June 2015 intensified the western Pacific subtropical high and shifted it southwestward、, thus increasing the occurrence of heavy precipitation in eastern China (Wang and Gu, 2016).、 Besides, the Indian Ocean basin warming is also an important recognized driver of the East Asian summer rainfall (Xie et al., 2009). In addition, the decadal variation of East Asia summer precipitation (EASP) has been documented in some studies (Kwon et al., 2007; Ding et al., 2008; Zhou et al., 2009).、 Global warming is suggested as a dominant factor that modulates the long-term change in EASP (Yu et al., 2004; Kimoto, 2005; Li et al., 2010). Moreover, the Pacific Decadal Oscillation (PDO) is the first leading mode of sea surface height anomaly and SST anomaly (SSTA) in the North Pacific; PDO is another fairly important mode with respect to East Asian climate systems (Wu and Wang, 2002; Ding and Chan, 2005; Ding et al., 2008; Pei et al., 2015). The North Pacific Gyre Oscillation (NPGO) has been identified as the second pattern of the North Pacific climate variability (Di Lorenzo et al., 2008). Previous studies demonstrated that the atmospheric forcing pattern of NPGO is the North Pacific Oscillation (NPO) (Chhak et al., 2009). NPGO is suggested to be influential on the East Asian climate on the interannual scale (Wang et al., 2007, 2011; Choi et al., 2011). Its relationship with East Asian climate may exhibit decadal changes (Wang et al., 2007; Zhou and Xia, 2012; Pak et al., 2014). The North Pacific SSTA footprint of the NPGO is essentially identical to the Victoria Mode (Bond et al., 2003), which is the second leading pattern of variability of North Pacific SSTA. NPGO shows a more decadal viability than the Victoria Mode does (Yi et al., 2015). NPGO is closely related to ENSO, specifically the central Pacific El Nintilde;o (Di Lorenzo et al., 2010).

Some studies have shown that NPGO significantly influences East Asian climate. For example, Zhanget al. (2013) found that NPGO is significantly associated with the occurrences of tropical cyclones in East Asia and western North Pacific. The relationship between NPGO and winter precipitation in East Asia has also been investigated (Zhang et al., 2011; He and Wang, 2013). Nonetheless, the association between NPGO and East Asian summer precipitation has yet to be documented. NPGO may play a pivotal role in shaping the climate system during global warming (Di Lorenzo et al., 2008; Lienert and Doblas-Reyes, 2013). This oscillation is also essential for the global climate system; hence, the mechanism and the extent to which NPGO influences East Asian summer precipitation should be elucidated.

The remaining parts of this article are organized as follows. Section 2 introduces the data and methods. Section 3 presents the analysis results. Section 4 discusses the interpretation of the results. Section 5 presents conclusion, with a summary and some remarks.

  1. Data and methodology

The precipitation dataset used in this study is obtained from Global Precipitation Climatology Center (GPCC); this dataset covers 1901–2008 in the East Asian region (105∘ –145∘E, 20∘ –45∘N). The Full Data Product (V6) of GPCC in 1901–2008 is used, with a spatial resolution of 1∘ times; 1∘ latitude by longitude (Schneider et al., 2011). SSTA data are derived from the Kaplan SSTA dataset with a spatial resolution of 5∘ times; 5∘ (Kaplan et al., 1998). The atmospheric reanalysis dataset is obtained from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) 20th Century Reanalysis V2 (Compo et al., 2011). SSH data are acquired from Simple Ocean Data Assimilation reanalysis (Carton and Giese, 2008), and the NPGO index is defined as the temporal coefficient of the second Empirical Orthogonal Function (EOF) of the detrended SSHA in the northeast Pacific (NEP) region (179.75∘E–110.25∘W, 24.75∘E–62.25∘N) (D

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北太平洋涡旋振荡与东亚夏季降水

摘要：利用最大协方差分析研究在一个年代际内北太平洋涡旋涛动（NPGO）和东亚夏季降水（EASP）的关系，结果显示NPGO 是调整东亚夏季降水年代际变化的第三模态，而全球变暖和太平洋年代际涛动是前两种主要的模态。与NPGO相比，东亚夏季降水从北到南呈现出“ - ”三极的分布形态，这与相关的大气环流的分布形态一致。结果证明NPGO与东亚夏季降水的联系包含两个过程，也就是温带过程和热带过程。在温带过程中，NPGO表现为向东传播的越过温带地区的罗斯贝波，该波动加剧并且取代向北的东亚急流；在热带过程中，NPGO与东北太平洋上空的经向环流以及热带海洋上空不规则的沃克环流有关。该沃克环流是热带西太平洋地区上方的下沉支，在东亚和西北太平洋上空的低层有向北的风。这两个过程加剧了东亚夏季风环流以及来自洋面向东亚北部的水汽输送，因此东亚北部地区降水增加，而中部地区的降水减少。

关键词：年代际变化；东亚夏季降水；北太平洋涡旋振荡；海表面温度；丝绸之路遥相关；沃克环流

1.引言

东亚降水的变化在相当程度上是由海表面温度变化调整的。前人的研究成果表明ENSO和印度洋偶极子是年际尺度内的主要因素（Chang et al., 2000; Wang et al., 2000; Ding and Chan, 2005; Luo et al., 2015, 2016）。例如，2015年6月的一个类似厄尔尼诺的海表温度模式使得西太平洋副热带高压加强并向西南方向移动，造成中国东部的大型降水的发生率增加(Wang and Gu, 2016)。而且，印度洋盆地增温也会影响东亚夏季降水(Xie et al., 2009)。另外，东亚夏季降水的年代际变化也在一些研究中被证明(Kwon et al., 2007; Ding et al., 2008; Zhou et al., 2009)。全球变暖被认为是调整EASP长期变化的主要因素(Yu et al., 2004; Kimoto, 2005; Li et al., 2010)。此外，太平洋年际涛动（PDO）是北太平洋海平面高度异常和海表温度异常的主导因素，也是有关东亚气候系统的另一个重要模态(Wu and Wang, 2002; Ding and Chan, 2005; Ding et al., 2008; Pei et al., 2015)。NPGO被认定为北太平洋气候变化的第二种模态(Di Lorenzo et al., 2008)。先前的研究证明了北太平洋涛动（NPO）是NPGO的大气外强迫模式(Chhak et al., 2009)。NPGO被认为对东亚气候有重要的影响(Wang et al., 2007, 2011; Choi et al., 2011)，它们之间的关系也许表现在年代际的变化(Wang et al., 2007; Zhou and Xia, 2012; Pak et al., 2014)。NPGO的北太平洋海温异常迹象与维多利亚模式表现一致(Bond et al., 2003)，该模式是表现北太平洋海温异常变化的第二模态。NPGO表现出的年代际变化比维多利亚模式更多(Yi et al., 2015)，且与ENSO关系密切，尤其是中部太平洋厄尔尼诺现象(Di Lorenzo et al., 2010)。

一些研究已经表明NPGO对东亚气候有明显的影响。例如，张等人（2013）发现NPGO与东亚和西北太平洋的热带气旋的发生有关。张等（2011）、何和王等（2013）研究了NPGO和东亚地区冬季降水之间的关系。尽管如此，NPGO和东亚夏季降水之间的联系还没有定论。NPGO也许对全球变暖期间的气候系统的形成起到了关键作用(Di Lorenzo et al., 2008; Lienert and Doblas-Reyes, 2013)。它对全球气候系统也十分重要；因此，需要说明清楚NPGO影响东亚夏季降水的机制和程度。

本文接下来的内容是这样安排的。第二部分介绍了资料和方法，第三部分列出分析结果，第四部分对结果进行分析，第五部分列出结论，同时做出概述和讨论。

2.资料和方法

研究使用的东亚地区（）降水资料组是由全球降水气候中心（GPCC）提供的，时间范围是1901年1月-2008年12月，空间分辨率为(Schneider et al., 2011)。海表温度异常数据来自开普兰海表温度异常数据组，空间分辨率 (Kaplan et al., 1998)。而大气再分析数据组来自NCEP二十世纪再分析V2数据组 (Compo et al., 2011).海平面高度数据则从简单海洋同化分析系统获得(Carton and Giese, 2008)，同时定义NPGO指数为东北太平洋（NEP）（）海表面高度异常经验正交函数分解的第二模态的时间系数(Di Lorenzo et al., 2008; Yi et al., 2015)。

通过运用五年的巴特沃斯低通过滤器(Butterworth, 1930)，从气候指数和相关的大气变量的时间序列中提取低频信号，然后从1951-1980年中减去气候平均值得到异常值。利用最大协方差分析来确定过滤后的GPCC降水值和开普兰海表面温度异常之间的耦合关系(Von Storch, 1999; Von Storch and Zwiers, 2001)。应用皮尔逊相关与回归分析获得了变量间的相关性(Von Storch and Zwiers, 2001)。

3.结果分析

该研究最初使用MCA来鉴定东亚地区降水异常和海表面温度异常之间的耦合关系。在得到的四种主要的耦合模式中，前两种主要的模态分别与全球变暖和PDO有关（图S1，辅助材料），这两个因子对东亚夏季降水的影响已经被证实（Wu and Wang, 2002; Yu et al., 2004; Pei et al., 2015）。而我们主要研究的对象是对总方差有10%贡献的第三种模式。

图一阐明了第三种MCA耦合模态的空间系数和时间系数。东亚降水呈现出一个三极空间分布形态：在东亚北部地区，例如中国的北部和东北部、朝鲜半岛的北部和日本西北沿海地区表现为正异常；在东亚中部地区，主要集中在长江流域盆地中部下游和日本东南沿海地区，表现为负异常；而在东亚南部地区，也就是中国南部表现为正异常（图一（b））。这个模式和张（2015）的图一（c）类似，都显示出2001-2008年间和1990-2000年间的降水差异，表明了在二十世纪九十年代以后，NPGO也许在东亚夏季降水的年代际变化中起到重要作用。与此同时，海表面温度异常呈现出一个东北-西南走向的三极分布形态，包含北太平洋的一个偶极相关模型(中心在)和北半球的中东太平洋一个呈正相关的副热带极子（图一（c））。这个模式与海表面温度异常回归模式相近，而回归模式整合了NPGO指数和维克托利亚模式(Bond et al., 2003)。

降水和SSTA的时间系数显示出显著地年代际变化，并且两个时间序列现象之间存在一个高相关系数0.79（plt;0.001）。NPGO指数和降水以及SSTA的两个时间系数之间的相关系数都是大于0.80（plt;0.001）。这些结果表明这个耦合模式主要由NPGO调整，并且NPGO在东亚夏季降水的年代际变化起到重要作用。值得注意的是使用MCA也许隐含异常的对称性。但是，NPGO和东亚夏季降水之间的关系是显著的。接下来将讨论这个关系潜在的机制和大气过程。

图二通过阐述标准化的NPGO指数基础上的地面气温、海平面气压、500hPa高度场和垂直速度的回归图表描述了与降水模式有关的大气状况。降温异常出现在东亚北部的大部分地区，其中在中国北部，大约处出现异常最大值（图二（a））。海平面气压呈现出一个北中南的三极分布形态（图二（b）），这与图一（b）中的降水空间形态相符合，同时也与500hPa垂直速度场的分布形态一致（图二(c)）。在这个模态中，下降的动量出现在东亚的北部和南部，上升值出现在东亚中部和朝鲜半岛北部。这些上升值与梅雨带周围的低空辐合一致（图四（c）），而梅雨带是华东中部增强的降水的大尺度配置系统结构(Huang et al., 2012)。与之相比的，图二（d）中，水汽异常值在 华东中部辐散，在朝鲜半岛北部辐合。从这层意义上说，华东中部（朝鲜半岛北部）降水的减弱（增强）（图一（b））主要是由水汽的辐合决定的（图二（c）） 。水汽辐合的分布极有可能与中国南部异常的低空辐散中心有联系（图四（d）），而这种异常的低层辐散与NPGO引起的异常的沃克环流有关。

这些发现解释了影响降水的空间模态的潜在的因素。但是，东亚夏季降水和NPGO之间的关系隐含的物理机制仍未确定。在接下来的内容中我们将进行讨论。

4.可能的机制

前述的分析揭示了NPGO与东亚夏季降水的年代际变化联系紧密。在这个部分，通过评估位势高度、风、速度势能和辐散风来说明NPGO和EASP两者关系潜在的过程。可能的机制包括了温带和热带的过程，这两种过程分别是通过向东的扩散波列和沃克环流的修正实现的。

4.1温带过程

图三(a)阐述了以标准化的NPGO指数为基础的250hPa的位势高度的空间回归。在250hPa高度上，位势高度在东北太平洋上表现为一个偶极模态，北部地区为高值中心而南部为低值中心。该模态与东北太平洋中海平面高度异常经验正交函数的第二模态得到的结果一致（Di Lorenzo et al., 2008; Yi et al., 2015）。这个位势高度模式也突出了高纬地区的带状波列符合向东传播的罗斯贝波的特点(Shaman and Tziperman, 2007)。从图三（b）中可以看出250hPa高度上以NPGO指数为基础的波动通量（Plumb, 1985）。这个波列出现在东北太平洋区域，然后穿过北美、大西洋和欧亚大陆，并在东亚北部生成加强的250hPa位势高度（图三（a））。

考虑的这个事件是一个热带外的过程，这个过程主要通过东亚急流（EAJS）的调整将东北太平洋和东亚联系起来。而且，异常的250hPa高度伴随有东亚急流的一个变化。正如图三（a）所示，异常的250hPa西风带出现在东亚急流的中部和北侧，相反的，东风带异常在南侧形成。这些现象表明，东亚急流在某种程度上加强北移。从而，东亚夏季风加强，相应的雨带北移。因此加强的季风环流向东亚北部运输更多的水汽（图二（d）），使得该区域产生更多的降水（图一（b））。东亚中部区域，例如黄河流域中下游，总体的水汽量和降水有所减弱（图一（b））。前人的研究同时显示出，东亚急流的北移与热带辐合带和东亚雨带的北移有关（Shaman and Tziperman, 2007; Gao and Yang, 2009; Ding et al., 2015）。

值得注意的是，这个研究中的温带过程与所谓的丝绸之路波列遥相关的东移类似（Ding and Wang, 2005; Hsu and Lin, 2007; Orsolini et al., 2015）。Lu等人（2002）发现这个遥相关模式出现在七月，产生于中纬西风急流沿途的北非至东亚之间。Enomoto等人（2003）也注意到了对流层上层沿着亚洲西风带急流的定常罗斯贝波的传播，并且命名为丝绸之路模态。Hsu和Lin（2007）鉴定了一个类似东西向波状的模式，这个模式通过欧亚急流的修正将北太平洋和东亚联系起来。Orsolini等人（2015）已经证实了穿越欧亚大陆的向东传播的波列对2010年中国北部和西北部的夏季极端降水事件的重要作用，同时发现沿着亚洲急流的丝绸之路波列和极端降水事件有重要联系。而且，他们还发现了一个沿着近极地急流的极地波列。但是，这个波列对我们进行的有关NPGO的研究并没有影响。前人的研究表明丝绸之路波列很有可能是由北大西洋和欧洲地区的地形阻挡和短暂的涡旋造成的（Bothe et al., 2010; Schubert et al., 2014），也可能与和ENSO相关的海表面温度异常有关（Hsu and Lin, 2007）。我们的分析结果表明了，在年际尺度上，东北太平洋海表温度异常对该波列可能有影响，就像NPGO所展现的那样。

4.2热带过程

图四描述了与NPGO有关的大尺度的风、速度势和辐散风的空间模态。异常的高空气旋出现在NEP北部上空，而反气旋在南部形成（图四（a））。异常的低空反气旋和气旋在相应的位置生成（图四（c））。这些模态符合NEP的海表面温度异常模式（图一（c））。与NPGO有关的低空风的异常和与维多利亚模式有关的异常类似(Ding et al., 2015)。东北太平洋上方的低空反气旋和气旋引起向东北方向的风（图四（c）），这使得太平洋中部生成辐合中心（图四（d））。这个过程引起风-蒸发-海表温度的反馈作用(Xie and Philander, 1994)，并且热力学耦合在热带太平洋中部诱发海表温度的正异常（TCP, 图一(c)）。这个耦合也存在于高层大气中（图四（c）），就像TCP上空出现一个辐散中心。

东北太平洋上方的低层向北和高层向南的辐散风诱发一个异常的经向环流，这个环流将温带和热带的太平洋联系起来（图四（b）和（d））。这个经向环流引起TCP上方的积极的对流运动。相应的，这个加强的对流通过潜热的释放来调整沃克环流。这个变化表现在沃克环流上则是一个带状的波列模式，同时在NPGO和东亚之间构造了一定的关系。由东向西可以观察到热带西太平洋()处的向下的分支、滨海区西侧()的向上的分支和印尼()上空的向下的分支。尤其是热带西太平洋上方的沃克环流的向下的分支在副热带西太平洋处的低层和高层大气中分别诱发向北和向南的散度风。低层向北的风加强了副热带西太平洋的夏季季风流量。因此，加强的夏季季风环流从西北太平洋向东亚北部运输了比正常值更多的水汽，而此处表现为降水的正异常(图一（b）)。

5.总结

从二十世纪九十年代早期起NPGO在调整海表温度变化上起到了主要的作

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