标题：浅谈基于冬季乌拉尔阻塞环流和东亚之间的关系对20世纪70年代左右气候突变的影响外文翻译资料

 2022-11-09 03:11

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标题：浅谈基于冬季乌拉尔阻塞环流和东亚之间的关系对20世纪70年代左右气候突变的影响

摘要：北风冬季乌拉尔山地区的阻塞高压变化性和其与东亚冬季气候的关系已有研究。20世纪70年代中期左右的气候突变已经展现出了对阻塞形势的影响。相比起1976/1977年之前，1976/1977年之后的乌拉尔阻塞信号被发现在平流层中传播的更少且在东亚对流层中更为偏东，因此在东亚冬季气候中发挥出更显著的影响。这增强了的乌拉尔阻塞—东亚气候关联扩大了乌拉尔阻塞对东亚的影响，并且在乌拉尔阻塞减弱背景下，使得该地区的暖冬频率更高。进一步研究表明NAM相关平流层极涡强度和其在大气静止波的传播方面上的调整可以解释这种变化，并且关键区位于北大西洋地区。版权所有2009 皇家气象学会

关键词 气候突变；阻塞；西伯利亚高压；东亚冬季气候；极涡

1.前言

在20世纪70年代中期，世界许多地区大气环流发生了显著变化（Trenberth and Hurrell,1994;Nakamura et al., 1997; Wang et al., 2007）。东亚气候系统的其中一个重要组成部分，西伯利亚高压(SH)，被发现从那时起有了显著的减弱趋势(e.g. Gong and Ho, 2002;Panagiotopoulos et al.,2005)，且伴随着东亚地区更为频繁的暖冬。(Gong and Ho,2002)。一些研究也指出北方年际模式/北大西洋涛动（NAM/NAO）的长期趋势也是减弱的SH和频率升高的暖冬的一个部分相关的机制。然而，其他环流形势所起的作用却很少被讨论。

冬季乌拉尔山上空的阻高对于东亚为例的下游地区的气候非常重要，常被认为是导致这个地区随后的SH扩大(Takaya and Nakamura, 2005)和再随后的东亚冷空气爆发(Joung and Hitchman, 1982; Ding and Krishnamuti, 1987)的阻塞事件。气候学上，也坚持认为乌拉尔上的高度场正异常和相关联的加强的SH也被发现是偏强的东亚冬季风的特征。(Lau and Li, 1984; Chan and Li, 2004)。由此可知要理解东亚冬季气候需要一个对乌拉尔阻塞变化的透彻研究。一些研究(e.g. Li,2004)已经关注了这个问题在初冬的情况。然而，对仲冬时的情况并没有给予太多关注。

这项研究的目标是要为此去调查近四十年乌拉尔阻塞关联的环流形势以及它与下游东亚冬季仲冬时期气候的联系。关注重点集中在20世纪70年代中期左右的气候突变的影响和可能的机制。

2.数据和方法

来源于欧洲中期天气预报中心(Uppala et al., 2005)2.5°纬向和2.5°经向分辨率的日平均和月平均ERA40再分析数据被用于研究当中。乌拉尔阻塞指数(UBI)被用于衡量乌拉尔阻塞规律下的特殊环流形势的相似性(Liu, 1994)：

括号表示平方模内积（归一化投影），为每个年月的500hPa月高度异常场，为全周期乌拉尔扇区冬季（30°E-90°E）探测到的阻塞日组成的日500hPa高度异常场所导出的冬季500hPa位势高度上阻塞异常形势。阻塞日预先由如下的一个Barriopedro et al.(2006a)开发的阻塞诊断方法定义，该方法由一个基于著名的Tibaldi and Molteni(1990)纬向指数的改型转变而来。从结论上来看，可以被视为阻塞地区的地区平均异常信号并且提供了关于阻塞结构的形状、位置、伸展、强度的信息(Vautard,1990)。UBI时间序列被在之后的每个年月冬季在阻塞异常形势的投影所得，投影区域经度上是以乌拉尔为中心的180°(i.e. -30°W-150°E)且在纬度上是30°N至90°N。这个方法先前被Garcia-Herrera和Barriopedro(2006)所用，并且在地区阻塞活动方面提供了良好的表现。此外，SH指数被定义为在40°-65°N，80°-120°E区域上的地区平均海平面气压(SLP)(Panagiotopoulos et al., 2005)来衡量SH的强度。研究中用到了归一化的SHI。基于主成分冬季均值NAM指数从http://www.cgd.ucar.edu/cas/jhurrell/indices.html下载。作为一个诊断工具，准地转版本三维Eliassen-Palm(EP)通量由Plumb(1985)定义，用于指示与乌拉尔阻塞相关的定常波活动。

季平均数据在本篇论文中被广泛地使用。分析的阶段跨越从1957至2000年的44个冬季，同时1957冬季参考的是1957年的十二月和1958年的一月和二月(DJF)。当比较1970年代中期前后的乌拉尔阻塞相关环流的差异时(图 3–6)，从所有的指示和数据中去除线性趋势，以避免长期趋势的可能影响。

3.结果

3.1. 观测

1957-2000年阶段的归一化冬季UBI均值表明乌拉尔地区阻塞活动年际变化很大，并且在数据阶段这一期间内阻塞活动频率有显著的降低（置信水平超过99%）（图1）。环流异常与乌拉尔阻塞的出现揭示出一个位于喀拉海附近的正位势高度异常和两个位于欧洲海岸和东亚负异常（图2(a)）这种类似于波列的结构是准正压的且从地表（图2(b)）延伸至平流层低层（图2(c)）。它对东亚冬季气候发挥了重要的影响，也就是说，东亚（北西伯利亚）对流层低层空气温度的下降（上升）有99%的置信水平（图2(d)），是由于冷（暖）空气平流到阻塞高压下游（上游）引起的。这些信号与之前的研究相符合，并且与初冬时获得的结果类似(Li, 2004)。

Takaya和Nakamura(2005)已经指出乌拉尔阻塞可能会导致SH天气尺度上的放大，同时还领先这个阶段大约1周时间。这导致了SH和乌拉尔阻塞在时间尺度上的同调变化。图1显示出冬季平均SH的年际变化与乌拉尔阻塞联系紧密，且从1957至2000年的44个冬季的UBI和SHI时间序列相关系数为0.69，超过了99%的置信水平。此外，环流异常与乌拉尔阻塞的联系（图2(a)和(b)）类似于其与SH在对流层低层的联系相类似(Panagiotopoulos et al., 2005)。这表明乌拉尔地区上阻塞的发生通常伴随有强的SH，大约有45%年际间的SH变化与乌拉尔阻塞相关。这个比率远远高于Panagiotopolos et al., (2005)论文中相关的任何一个单一遥相关研究。接下来，我们将重点放在著名的20世纪70年代中期气候突变的影响，并检验乌拉尔阻塞环流的变化和它与东亚冬季气候的相关性为了避免长期趋势的可能影响(e.g. 图1)，下列的分析采用去趋势数据分析。

在先前研究的基础上(Trenberth 和 Hurrell, 1994; Nakamura et al., 1997; Panaguotopoulos et al., 2005)，数据阶段被划分成两个子阶段：1957-1976和1977-2000。环流形势与乌拉尔阻塞的联系在它们之间非常不同（图3）。在第一子阶段欧洲上空500hPa波列状异常中心强烈且东亚上空的相对较弱（图3(a)），但在第二子阶段东亚上空的较强且欧洲上空的较弱（图3(b)）。这个特征可以在SLP场中看得更清楚（图3(c)和(d)）。它意味着在之后的阶段乌拉尔阻塞的信号有更向东传播的趋势。东亚上空和UBI相关的850hPa空气异常第一子阶段主要位于40°N（图3(e)）以北并且在第二子阶段延伸至东南方大约25°N处。（图3(f)）。因此，这些结果指明了一个东亚冬季气候在20世纪70年代以后乌拉尔阻塞影响的扩大。

SH的强度可以被用于代表东亚冬季气候(Gong et al., 2001)。UBI和SHI的相关系数在第一和第二阶段分别为0.60和0.74。尽管两个值都超过了99%的置信水平，乌拉尔阻塞只能解释前一阶段大约36%的SH变化，但超过在第二阶段超过了55%。UBI和SHI的21年移动窗口滑动相关也表明相关系数逐步增长，从1960年代末期的0.6到1980年代中期的0.8。乌拉尔阻塞的变化因此可以解释为SH最近的变化性引发的更大的变化（高达60%）。因此，在乌拉尔阻塞频率降低的背景下，这个加强的UBI-SHI关系放大了乌拉尔阻塞对东亚冬季气候的影响，并且还导致了近年东亚更为频繁的暖冬。

3.2. 可能的机制

Austin(1980)已经说明了大气中的行星静止波，它可以垂直传输进入平流层，可以影响阻塞的变化。NAM的极性和相关联的平流层极涡的力量可以通过调整大气波垂直传播过程和相关的波流相互作用反过来改变对流层-平流层耦合过程(Perlwitz and Graf, 2001)和相关的对流层环流(Thompson and Wallace, 2001; Wallace and Thompson, 2002; Graf and Walter, 2005)。当乌拉尔阻塞和平流层极涡相关联时（图1(c)），在这部分，我们将从NAM-相关平流层极涡和相关的大气定常波的视角探讨在1970年代中期以后为什么乌拉尔阻塞信号更向东传播直到东亚。

两个子阶段中与乌拉尔阻塞相关的50hPa位势高度异常场表明了共同特性，乌拉尔阻塞伴随着极地地区的高度正异常和中纬度地区的负异常（图5）。显然，在第一子阶段这个中纬度—极地符号反转以高显著性水平覆盖了整个北半球（图5(a)），但在第二子阶段变弱且只覆盖了东亚地区（图5(b)）。UBI和NAM指数的相关系数，这个可以代表平流层极涡强度的数据，在第一和第二子阶段分别为-0.54和-0.47。这些结果表明了乌拉尔阻塞的年际变化与低平流层极涡在第一子阶段而不是第二子阶段紧密相连。将这个结果和图3和图4相比较，它表明了当对流层中东传播的乌拉尔阻塞信号很弱时（图3(a)和(c)），平流层阻塞信号很强（图5(a)），并且反之亦然（图3(b)和(d)，和5(b)）。Chen et al.,(2003)指认出一个行星波活动传播进对流层的和传播进平流层的跷跷板式交互，也就是说，当更多的波垂直传播进平流层时，更少的波将水平地向着更低纬度的对流层中传播，反之亦然。再次，我们的结果似乎表明了一个类似的跷跷板式交互也存在于乌拉尔阻塞信号在第一平流层向上的传播过程和在对流层中向东的传播过程之间。

这样的跷跷板可以通过检验与乌拉尔阻塞相关的定常波活动被进一步解释。图6展示了第一子阶段与乌拉尔阻塞相关的准地转EP通量(Plumb, 1985)。在第一子阶段中，进入平流层的乌拉尔阻塞相关垂直传播的定常波十分强，而对流层中水平传播的波而相对更弱（图6(a)），而且向上传播进平流层的波主要发生在大西洋地区（图6(b)）。在这一子阶段，平流层的极涡处于其弱状态(Christiansen, 2003)，这支持了行星波向上传播过程以及平流层—对流层耦合(Perlwitz and Graf, 2001)。总之，乌拉尔阻塞信号更趋向于向上传播进平流层而更不趋向于向东到东亚，并且乌拉尔阻塞与SH及下游东亚冬季气候更不相关。，然而，在第二子阶段，乌拉尔阻塞相关的定常波几乎不传播进平流层而且更多的波活动被限制在对流层（图6(c)）。这个特征也可以在经度—高度图上看到，在大西洋地区几乎没有向上传播的波。（图6(d)）。在这一子阶段，平流层的极涡相比起前一阶段更为强劲(Christiansen, 2003)，这限制的行星波的向上传播以及平流层—对流层耦合(Perlwitz and Graf, 2001)。乌拉尔阻塞信号在对流层中倾向于向东传播至东亚而不向上进入平流层。因此，乌拉尔阻塞与SH及下游东亚冬季气候更为紧密相关。这个结果似乎解释了平流层和对流层乌拉尔阻塞信号之间的跷跷板式交互，并且和Chen et al. (2003)所说的相一致。另外，这些结果也对应了先前研究表明的特定对流层天气系统可以被平流层中的预兆所决定(e.g., Baldwin and Dunkerton, 2001)。此外，需要指出的是在测定耦合过程时北大西洋地区似乎是一个关键区（图6(b)和(d)）。

4.总结和讨论

乌拉尔阻塞活动的年际变化被发现是与SH和东亚冬季气候强烈相关的。这个关系在20世纪70年代中期左右受气候突变的强烈影响。在20世纪70年代中期之后，乌拉尔阻塞信号更向东传播至东亚并且在东亚冬季气候发挥更多影响。UBI和SH的强烈耦合放大了乌拉尔阻塞对东亚的影响，而这导致了这个地区更频繁的暖冬。进一步分析揭示了NAM相关平流层极涡和其在大气定常波传播的调整也很有可能和这个变化有关，同时关键区位于北大西洋地区。这个结果类似于被Chen et al. (2003)行星波活动的跷跷板式交互，并且和先前的表明特定的对流层天气系统可以被平流层预兆所决定的研究相照应(e.g., Baldwin and Dunkerton, 2001)。

除去内部的动力学过程，外部因素可能也导致了阻塞变化和其影响的改变。举例来说，先前研究(Li, 2004)表明北大西洋海表温度（SST）异常可以影响早冬乌拉尔阻塞的年际变化。欧亚雪盖也被发现可以在地区阻塞和相关的大气环流形势(e.g., Garcia-Herrera and Barriopedro, 2006; Barriopedro et al., 2006b)发挥重要作用。另外，东亚冬季气候和其他因子的联系的改变也可能和外强迫的基本状态有关(e.g., Wang et al.2008)。然而，这项研究无法找到SST信号，未来还需进一步研究。

致谢

这项研究由中国国家自然科

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