华西秋雨的年代际变化及其与海表面温度的关系外文翻译资料

 2022-12-16 17:26:07

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华西秋雨的年代际变化及其与海表面温度的关系

Ting Wei

State Key Laboratory of Severe Weather,Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing,China.

Shengping He

Geophysical Institute,University of Bjerknes Centre for Climate Research,Bergen,Norway,Nansen-Zhu International Research Centre,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,China.

Qing Yan

Nansen-Zhu International Research Centre,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,China,Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Key Laboratory of Meteorological Disaster,Ministry of Education,Nanjing University,Guangzhou,China.

Wenjie Dong

School of Atmospheric Sciences,Sun Yat-Sen University,Guangzhou,China,Zhuhai Joint Innovative Center for Climate-Enviroment-Ecosystem,Future Earth Research Institute,Beijing Normal University,Zhuhai,China,CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences,Beijing,China.

Xiao Wen

College of Atmospheric Sciences,Plateau Atmosphere and Enviroment Key Laboratory of Sichuan Province,Chengdu University of Information Technology,Chengdu,China.

摘要

华西秋雨是中国大陆雨季的最后阶段，以中国西部降水的第二峰值为特征。本次研究揭示了华西秋雨在1980年代中期的年代际变化，以及变化之后的降水显著减少。与华西秋雨减少相关的特征包括从海洋到中国大陆的温暖潮湿的南方盛行风的减弱，欧亚格局的减弱，以及东亚急流向南的变化。进一步分析表明，华西秋雨的年代际变化可能导致印度洋-太平洋暖池、北太平洋、中赤道太平洋在1980年代后海表面温度升高。更高的印度洋-太平洋海表面温度子午海陆热力合同的减弱，这将诱导当地子午线的循环异常并使之向北。北太平洋的海表面温度升高，将刺激罗斯贝波移向弱的西太平洋副热带高压，并伴随气旋性环流的异常，阻碍海上的水汽到达内陆。中赤道太平洋温度升高，将导致东亚急流向南偏，其二级循环产生异常的下沉支，使得华西秋雨减少。数值模拟进一步支持了由诊断分析得出的1980年代后增暖的印度洋-太平洋、北太平洋、中赤道太平洋海表面温度同时导致了华西秋雨的减少。

1.引言

在东亚夏季季风影响下，中国东部降水峰值出现在夏季。然而，在中国西部，出现在秋季的降水的第二峰值与北半球的大气环流变化有关（Baiamp;Dong,2004;Gaoamp;Gou,1958;He,1984）。这一第二峰值的降水被称为华西秋雨，是中国大陆雨季的最后阶段（Gaoamp;Gou,1958）。华西秋雨对农产品产量、冬季作物的种植和收获、淡水储藏等有很大的影响。中国西部是山区，所以易受到地质灾害的影响。异常的华西秋雨会导致滑坡和泥石流，使居民和经济发展收到损失。

华西秋雨是指在八月下旬至十月中旬/十一月上旬，中国中西部地区（25°—35°N，95°—115°E）产生的降水（Gaoamp;Gou,1958;He,1984;Liang,1989）。华西秋雨的成因有一下几个：东亚急流伴随着印度季风的东进（Gaoamp;Gou,1958）、西太平洋副热带高压的移动（Xue et al.,2012）、中纬和高纬的亚欧模式（Xuamp;Lin,1994）、西风带环流和副热带环流的不同步（Xu,1991）。综上，夏季季风环流在秋季减弱，北风通过强东亚急流侵入中国西部。发生在中国西部的降水可能是北风和来自南风的水汽的交汇。除此之外，地表热状态、青藏高原的冰雪覆盖情况（Chen et al.,2001;Huo et al.,2014），热带太平洋的海表面温度（Gu et al.,2014;Wang et al.,2015）、印度洋偶极模式（Liuamp;Yuan,2006）也对华西秋雨的变化有很大的影响。

近几十年，中国东部的夏季/冬季季风有显著的年代际减弱。大约在1979年，长江流域中下游地区的夏季降水和中国东部的环流发生了显著的区域变化。中国北部的湿度异常，然后长江流域干旱（Gongamp;Ho,2002;Ho et al.,2004;Wang,2001;Zhu et al.,2014）。这一变化被认为是二十世纪七十年代中期热带太平洋和印度洋由冷向暖的转变（Hu,1997;Meehl et al.,2009;Zhou et al.,2009）。在二十世纪八十年代后期，东亚冬季风也发生了显著较弱（Kang et al.,2006），这导致了东亚地区冬季地表温度降低、寒潮频率的减少（He,2013;Wang et al.,2007）。这种转变与主要大气环流年代际变化（He,2013;Wang et al.,2007,2010）、太平洋海表面温度（Ding et al.,2014;Ren et al.,2016）密切相关。所以，在二十世纪，有很多气候变量发生了年代际变化。

就秋季气候的年代际变化而言，二十世纪八十年代中期，从湿到干的转变，导致了2000年代中国西部的干旱（Baiamp;Dong,2004;Jiang et al.,2014;Li et al.,2010）Zhang et al.（2014）提出，在过去二十多年间中国南部秋旱频率的增加将导致ENSO区域的变化。Han(2014)发现，2000年代，北太平洋的显著变暖导致中国西北部秋季降水的加强。Xu et al.(2015)提出，ENSO和印度洋偶极子是高度协同的氦气相互作用，并显著影响中国秋季降水的年代际变化。这些研究有利于理解中国秋季降水的变化。大气特征（从对流层底部至顶部）和华西秋雨年代际变化有关的动力机制还未被完全了解，有关大气环流的驱动因素以及单个因素的贡献仍不清楚。以往对华西秋雨的研究广泛采用统计方法来探索，由于使用统计方法确定的因素可能不表明原因，这些方法应通过数值模拟进一步验证。调查这些问题有助于更好地了解近几十年华西秋雨变化的原因和机制，并可能提高华西秋雨变化的年纪和年代际变化的预测准确率。

本次研究，我们确定了华西秋雨的年代际移动的时间，并研究了相关环流特性，动力学和基于观测结果的机制。然后，我们探讨了华西秋雨变化的可能原因，并且通过进行数值模拟进一步测试所提议的驱动。本文的其余部分组织如下：第2节描述了使用的数据集和模型。第3节记录了华西秋雨的变化，并分析了大气环流中的相关变化。4、5节分别研究了SST的作用和数值模拟结果。第6节总结了论文，得出结论。

2.数据和方法

2.1.数据

本研究使用的三组数据如下：（1）来自中国大约2400个站用生成气候研究单元数据的方法进行插值得到的网格降水数据(0.5° times; 0.5°; Wu amp; Gao, 2013)；（2）国家环境预测中心重新分析1版数据(NCEP1) (2.5° times; 2.5°; Kalnay et al., 1996);（3）英国哈德利中心海冰和海温气象数据集第一版(1.0° times; 1.0°; Rayner et al., 2003)。研究中使用的所有数据涵盖1961-2014年期间，我们把重点放在秋季，也就是季节性的九月、十月、十一月平均。

2.2. 模型与实验设计

本研究采用大气模式中心第4版(CAM4)，这是在国家ATM中心开发的全球大气模型（Neale et al., 2013)。CAM4模式被证实能够在中国上空重现现在的大部分气候特征，并被广泛用于研究外部强迫的作用(e.g., Li et al., 2015; Zhang amp; Chen, 2016; Zhu et al., 2011)。这里CAM4运用有限体积动态核，水平分辨率为1.4维度times;1.4经度。基于哈德莱中心海冰和海表面温度的数据、国家海洋和大气管理局每周海表面温度的最佳插值分析的合成产品，海表面温度和海冰密集度被指定为边界条件(Hurrell et al., 2008)。参数和次网格比例物理参数设置为没有经过其他调整的默认值。在保障信息中对东亚秋季气候均值的模拟进行了评价。与华西秋雨相关的 大尺度环流系统，如盛行东南亚急流、西太平洋副热带高压、以及附带的反气旋环流，CAM4模型的重现性较好，但由于特殊的地形和粗分辨率，CAM4模型仍然存在偏差。总的来说，使用这个模型从观察中验证我们的分析是合理的。

利用不同季节变化的海温分布，设计了5个实验来评估SSTAs异常(SSTAs)对4个敏感区域大气环流的影响，然而其他其他外强迫仍然存在（表1）。所有的实验都是在25年的时间里完成的，并使用了过去20年的数据进行分析。

3.华西秋雨的年代际变化

图1a表示，秋季降水最大值位于我国西部，区域中心整个秋季降水总量均在300mm以上，因此，我们将中国西部地区(27°–35°N, 100°–112°E)秋季平均降水量定义为反映华西秋雨变化的代表性指标。值得注意的是，华西秋雨表现出明显的年际和年代际波动（图1b）。在20世纪80年代中期左右，华西秋雨出现了明显的年代际转变，1980年代中期以前降水充沛，之后降水减少。此外，降水在2010年后再次恢复。这一结果表明，我国西部地区的气候条件由湿相向干相转变，这与前人的研究结果相一致(Bai amp; Dong, 2004; Jiang et al., 2014)。因此，我们将整个周期划分为两个子周期，以便后续分析：第一个时间段是1961年到1980年，第二个时间段是1991年至2010年。下面对第一个时间段和第二个时间段的降水特征和相关大气环流进行了研究和比较。

图1.（a）1961—2014年中国气候平均秋季降水（SON指9、10、11月），方框里的空间平均降水量被定义为华西秋雨。（b）1961—2014年华西秋雨异常的时间序列，彩色条是连续7年的平均值。

为了说明与华西秋雨有关的对流层异常的共同特征，图2 显示了在这两个期间，海平面气压(SLP)、850hpa风速(UV850)线性回归系数的空间分布、500 hPa 高度场(Z500)、300 hPa 垂直风(U300)、垂直环流对标准化华西秋雨指数的影响。结果表明，与华西秋雨有关的大气环流在20世纪80年代中期前后经历了明显的变化。在第一个时间段，相对于气候平均状态，华西秋雨伴随着中国西部的一个强烈的异常暖低压，主体位于850hpa东亚西区。欧亚格局在中高层存在明显的正相，在斯堪的纳维亚半岛、波兰、西伯利亚和日本设有三个活动中心(Wallace amp; Gutzler, 1981)。西伯利亚上空负中心和日本上空正中心的模式与低层环流一致，这导致了东亚地区经向环流的增强。在东亚急流轴的北/南侧，积极/消极的纬向风异常表明东亚急流的北移。东亚急流南侧次级环流上升支向北移动(Cressman, 1981)，在20°—40°N引起明显的上升异常，增加了中国西部的降雨量。在第二个时间段，大陆暖低压明显减弱不利于暖流向北侵入，潮湿的空气从印度和太平洋进入中国内陆。在中高层，500hpa上观察到一个减弱的EU模式，欧亚大陆经向环流减弱。此外，在第二个时间段，U300回归到归一化的华西秋雨指数，表明东亚急流略有向北位移。这种变化导致20° —40° N的上升运动相对减少，随后华西秋雨减少。本文的结果得到ERA-20C再分析数据的进一步证实（未展示出）。

图2.线性回归系数(a、b）海平面气压(hpa)，(c、d)UV850(m/s),(e、f)Z500(gpm) UV500 ( m/s), (g、h) U300 (m/s),(i、j) 东经105度的子午线-垂直风与西太平洋沿岸风成反比1961 -1980 (左) 1991–2010 (右)。紫色的线表示1961年至2014年的气候平均状态。用双侧学生st检验，虚线或阴影区域表示95%置信水平的显著性。

4.可能的机制

许多研究表明，海表温度异常通过海气相互作用对年代际气候变化具有直接而有力的影响(Deser et al., 2004; Giannini et al., 2003; Zhou amp; Wu, 2015)。我们研究了华西秋雨与海温的线性相关关系，发现印度洋、热带和北太平洋、北大西洋之间存在显著的统计相关性（图未显示）。这促使我们研究全球海温的潜在影响。因此，我们关注秋季大气环流与海温之间的联系，以确定华西秋雨年代际变化的可能原因。图3展示了海表面温度在第一时间段和第二时间段之间的区别。正海表温度异常的

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