中国东部两种厄尔尼诺现象远程迫使下的水汽输送和水分收支外文翻译资料

 2022-12-12 17:13:39

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中国东部两种厄尔尼诺现象远程迫使下的水汽输送和水分收支

XIUZHEN LI1 ，WEN ZHOU1，DELIANG CHEN2，

CHONGYIN LI3 ，JIE SONG3

（1. Guy Carpenter Asia-Pacific Climate Impact Centre, School of Energy and Environment, City University of Hong Kong, Hong Kong, and City University of Hong Kong Shenzhen Research Institute, Shenzhen, China

2. Department of Earth Science, University of Gothenburg, Gothenburg, Sweden

3. LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）

（手稿于2014年1月9日收稿,于2014年8月22日定稿）

摘要

中国东部的水汽输送和水分收支分别在冷舌厄尔尼诺(CT)和暖池(WP)厄尔尼诺的远程强迫下呈现出显著的不同。在冷舌厄尔尼诺的整个阶段，盛夏之前水汽输送的响应较弱,盛夏之后其响应会变强，而在暖池厄尔尼诺中则此过程相反。暖池厄尔尼诺会导致长江流域(YZ)在盛夏之前水汽匮乏，也会导致中国东南部(SE)的水汽在秋季增长,反之，冷舌厄尔尼诺会使东南方一些有影响力的区域水分盈余，并且在夏末时向北转移。经向水汽输送的散度占据了总水汽散度的异常,与带状传输显示相反的模式的差异较小。

水分垂直廓线预算的调查显示了一个极好的斜压性,与最大的异常水分预算发生了不同程度的差异。在东南方地表附近，水汽输送通过南部边界在区域水汽收支异常中扮演着关键角色,比如在对流层和中国北方东部中低对流层。在暖池厄尔尼诺的强迫下，寒冬时东南方地表附近的水分增强并盈余，晚春时，由于在中下层对流层内，不同垂直水平存在不同的反应循环，水分盈余将被产生的水分赤字所抵消。

  1. 介绍

厄尔尼诺-南方涛动现象,一个精力充沛的热带太平洋年际波动,对东亚的气候变化

有显著影响。(e.g.，Huang and Wu 1989; Zhang et al. 1996; Chan and Zhou 2005; Zhou et al.

2006; Li et al. 2006; Wang et al. 2006, 2011; Zhou and Chan 2007; Gu et al. 2009; Feng et al.

2010, 2011; Chen et al. 2012). 在不同阶段,热带太平洋海洋表面温度异常(SSTAs)在大气

环流方面有不同影响，所以导致东亚的降水模式不同。(Yang et al. 2004; Wang et al. 2009)

近几十年来,除了传统的厄尔尼诺现象(cold-tongue)既CT厄尔尼诺现象外,一种新型的厄尔尼诺现象——暖池(WP)厄尔尼诺也逐渐引起人们的兴趣(Kug et al. 2009)。暖池厄尔尼诺现象,也被称为厄尔尼诺日界线(Larkin and Harrison 2005),圣婴厄尔尼诺(Ashok et al. 2007; Weng et al.2009),或中央太平洋厄尔尼诺现象(Kao and Yu 2009),它描述了一个赤道太平洋中心异常温暖但东西两侧地区异常寒冷的现象。它在过去二十年中频繁出现,在气候变暖之后可能会变得更加常见(Yeh et al. 2009; Yan et al. 2011)。而它往往比正常的冷舌厄尔尼诺期间西南气流和西北太平洋反气旋联合产生的结果要好。在成熟和衰退阶段,菲律宾海的异常反气旋非常强盛(PSAC; Wang et al. 2000)，并且在冷舌厄尔尼诺期间从印度洋北部(IO)东菲律宾海向东迁移。然而,它是脆弱的,短暂的,而且在暖池厄尔尼诺期间它局限于中国南海，没有向东迁移(Yuan et al. 2012)。盛夏之后,副高在冷舌厄尔尼诺期间向西转移,在短期疲软后会在暖池厄尔尼诺中重新加强(Feng et al.2011）。鉴于东亚地区大气环流响应的巨大差异和这些环流对水汽输送的重要性，这两种类型的厄尔尼诺现象如何影响水汽输送以及因此对中国东部的水分供给就非常值得研究。

而它往往比正常的在冷舌厄尔尼诺期间西南气流和西北太平洋反气旋联合产生的结果要好。在暖池厄尔尼诺的作用下，在随后的减弱过程中,因为西北太平洋有偏北的气流和一个弱的异常气旋相联合，使得中国东部往往比正常情况下干燥，而它往往比正常的在冷舌厄尔尼诺期间西南气流和西北太平洋反气旋联合产生的结果要好(Zhang et al. 2011)。在成熟阶段,相反的干/湿条件在两种类型的厄尔尼诺的作用下在中国东南部持续下去(Weng et al. 2009)。晚春,在暖池厄尔尼诺期间，可以在中国观察到轻微的降雨赤字,而在冷舌厄尔尼诺期间在长江南部发现降雨过多(Feng and Li 2011)。后续的夏天,与CT厄尔尼诺现象相关联的降水盈余现象在长江仍在继续,而存在于北部江淮河地区和中国东南部降雨赤字也在出现。后续的夏天,与CT厄尔尼诺现象相关联的降水盈余现象在长江仍在继续,而存在于北部江淮河地区和中国东南部降雨赤字也在出现(Feng et al. 2011)。

总的来说,这两种类型的厄尔尼诺现象对中国东部降雨量的影响过程几乎相反。在中国东部，WP厄尔尼诺诱发更大干旱的可能性往往会比CT厄尔尼诺现象要大得多。这种独特的气候影响再结合这两种不同的现象可能会更加让人难以理解(Weng et al. 2007, 2009)。鉴于水汽输送对于调节局部地区降雨的重要性，CT和WP厄尔尼诺现象之间的差异以及全球变暖影响下WP厄尔尼诺现象更加频繁出现的可能性(Yeh et al. 2009)，探究ENSO事件的两种类型分别如何影响水分循环以及因此而对中国东部水汽收支的影响就显得非常必要。本文第二部分中将描述所涉及到的的数据和方法。本文第三部分将研究在冷舌厄尔尼诺和暖池厄尔尼诺中SSTA的演变。本文第四部分将描述两种类型的厄尔尼诺对于水汽输送强度的调整。上述因素对于中国东部水汽输送和水汽收支的影响将在第五部分中比较。第六部分为总结和讨论。

  1. 数据和方法

欧洲中期天气预报中心(ECMWF)临时再分析资料(再分析资料)是由ECMWF研究出的最新的全球大气再分析资料，用来准备取代下一代40年间ECMWF的再分析资料(ERA-40; Dee et al. 2011)。再分析资料改善了许多40年间水文循环方面的老问题，如热带海洋的非常降水量，夸张的全塔水汽和全球降水和蒸发的失衡。再分析资料中显示的基本降水率数据比欧洲中期天气预报中心40年再分析资料显示的数据跟贴合，并且欧洲中期天气预报中心40年再分析中没有显示皮纳图博火山喷发后产生的特大暴雨(Dee and Uppala 2008)。比较其他来源的数据也发现再分析资料显示在揭示全球季风降水时比国家环境预报中心(NCEP)美国能源部(DOE)全球再分析2(NCEP-2)40年再分析资料和25年的日本再分析(JRA-25)更好(Lin et al. 2014)。然而,需要警告的一点是这种再分析资料得到的结果仍然普遍偏高 (Feng and Zhou 2012)。1979 - 2012年期间的每月网格(1.5°times;1.5°)再分析资料数据被用于这项研究。

哈德利中心全球海冰和海面温度数据集的水平分辨率1°times;1°在1979 - 2012期间应用于本研究。考虑到Nino-3和Nino-4地区捕获的两种不同类型的厄尔尼诺现象的主要信号,即从Nino-3和Nino-4地区的SST指数中改变而来的NCT和NWP指数，在这项研究代表CT和WP类型的厄尔尼诺现象，分别为:

（1）

应该指出, NCT和 NWP的分别与N3 和N4 紧密相关(0.98和0.90),而NCT和NWP之间的相关性只有0.28,从N3 和N4之间的相关关系大幅度下降(0.81)。整体NCT和NWP往往趋向于从两种类型的厄尔尼诺现象中很好地得到海温模式而不互相重叠。该型号1979 - 2012年间的NCT和NWP时间平均序列(DJF)在图1 a和1 b中显示。

在这项研究中,将采用二元线性回归确定单个信号或CT和WP厄尔尼诺现象的影响。这种方法试图用两个模型(x1和x2)和一个响应变量y对观测数据拟合线性方程来解释变量之间的关系:

（2）

最小二乘估计的简单回归公式是：

（3）

此处的SPR,SUM,AUT,WIN指示北方的春天,夏天,秋天,冬天。此外,年(0)被定义为厄尔尼诺的发展和成熟时期,括号里的- n n分别表示年(0)之前和之后n年。

图1 1979 - 2012年标准化时间序列指数和时空变化区域（NCT(a)及NWP(b)）

从1月(0)至12月(12) 基于标准化DJF(c)和(d)NWP指标的 5°S-5°N平均SSTAs偏回归；还显示每月来自的SSTAs回归的进化指数(e) NCT(f)NWP；图(a)和(b)中的虚线表明plusmn;1标准偏差；(c)和(d)中的阴影区表明了在95%置信水平区间回归具有重要意义。

  1. SSTA在冷舌厄尔尼诺和暖池厄尔尼诺中的演变

图1 c和d所示为基于NCT和NWP指数SSTAs部分退化。在冷舌厄尔尼诺现象影响下,变暖的SSTAs首次出现在太平洋东部沿海,然后扩展到太平洋中部与冷却SSTAs同时在西太平洋发展。CT厄尔尼诺现象往往在春天发展,在冬季发展成熟，然后随着天气逐渐变冷在接下来的夏季衰退。印度洋上,在发展阶段会出现一个积极的印度洋偶极子模式 (IOD; Saji et al. 1999) (Wallace et al. 1998; Wang et al. 2003)，然后在成熟期发展成一个流域变暖。这个变暖的流域会一直保持，直到盛夏之后变暖并扩大到南中国海(SCS),甚至菲律宾的东部。相比之下,西北太平洋的冷却水向东撤退并显著持续到亚热带WNP的6月( 1)。印度洋流域范围变暖和西北太平洋冷却都有助于维护北太平洋西部的异常反气旋,与之后从寒冬到6月( 1)衰退运行期间通过积极的evaporation-wind-SST反馈 (Wu et al. 2009, 2010),前者就像一个电容器,锚定盛夏之后的异常反气旋通过开尔文海浪引发埃克曼分流机制(Xie et al. 2009)。相比之下,对于WP厄尔尼诺现象,明显变暖第一次出现在盛夏之前的热带太平洋中部，并且没有显著发展,同时其东部和西部侧翼有冷却SSTAs。在冬天SSTAs变暖达到最大,然后略有衰退并向东扩展,延续直到第二年。WP厄尔尼诺现象倾向于成长为偶然而非周期性。需要注意的一点是,WP厄尔尼诺现象显示了一个印度洋上的较弱的海温异常遥相关(Kao and Yu 2009)。

NCT 和NWP指数的演变结果显示一致(图1 e、f)。CT厄尔尼诺期间,结果显示NCT有显著的变异而NWP保持稳定,而在WP厄尔尼诺中结果相反,这再次表明NCT和NWP指数不仅充分代表两种类型的厄尔尼诺现象,而且将SSTA信号相互分离。

  1. 季节性的不对称调制强度

分循环在中国东部变幻莫测(Li et al. 2011, 2012; Li and Zhou 2012)。与不同的降雨异常模式相联合,异常水汽输送显示出了不同的行为和起源 (Zhou and Yu 2005)。在比较CT和WP厄尔尼诺在中国东部的不同的水分循环影响之前,从夏天开始到夏天结束，两种类型的厄尔尼诺的水汽通量的方差解释比例也已经开始（图2）。这披露了CT和WP厄尔尼诺在多大程度上调节了水分循环。图2最主要的特征是显示了两种类型的厄尔尼诺现象的季节性不对称调制强度。夏天开始之前，WP厄尔尼诺对中国的水分循环产生了强烈的影响，但在盛夏之后是由于CT厄尔尼诺现象这种影响渐渐减弱。在夏天开始时,WP厄尔尼诺在中国南方的影响非常强大,而CT厄尔尼诺的影响却被限制在20°N以南。在随后的减弱过程中,CT厄尔尼诺的影响明显增强,使得中国南方的纬向运输也被强烈影响;然而,WP厄尔尼诺的影响从中国东部撤退并且在西北太平洋转为了东南风。在隆冬之时,CT厄尔尼诺控制了一个巨大的从中国南部延伸至日本南部的广袤地区。在第二年春天,受灾地区向北延伸到东部的中国北方,WP厄尔尼诺现象的影响也出现在中国南方,不过这只是在一个小得多的程度上。盛夏之后,中国相当大一部分区域的水蒸输送被CT厄尔尼诺强烈影响，一些关键地区的解释方差超过30%,而WP厄尔尼诺现象几乎没有贡献。

图2 纬向解释方差(%)(阴影)和冬季经向水汽通量指数(轮廓)（NCT左，NWP右）

(顶部总数为(0)(底部)总数为（＋1）)

  1. 水汽输送和水分收支的不同反应

5.1 水汽输送和散度

为了展示这两种类型的厄尔尼诺现象分别如何影响中国东部的水分循环,我们做出

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