关于东亚夏季降水量年代际变化的海洋强迫外文翻译资料

 2022-11-25 02:11

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关于东亚夏季降水量年代际变化的海洋强迫

摘要：太平洋年代际振荡（PDO）和北大西洋年代际振荡（AMO）已经被证明是东亚地区夏季降水年代际变化的两个主要驱动因子。这种年代际变化的第一模态归因于PDO，它与中国江流域和淮河流域降水量距平的同步变化有关；而第二模态归因于AMO，它与长江流域和淮河流域之间跷跷板似的降水量距平有关。AMO一方面通过遥相关的方式影响东亚地区，另一方面通过从大西洋—欧亚大陆-—北美洲的球面定常斜压波列的方式传递。AMO通过遥相关也改变了PMO的性质，导致了1960s-2010s之间发生的特殊PMO事件（假PMO）。相比于传统的PMO，假PMO在热带和中纬度太平洋都存在一个特殊的海温异常类型。假PMO引起了东亚地区的一种明显的大气响应，此响应导致了相对于传统的PDO的一种与PC1的相反的关系。并因此导致了在1880s-1950s和1960s-2010s期间PDO对PC1的影响的改变

  1. 引言

近十几年来，随着人们获得更长的气候资料和气候模式的快速发展，年代际气候变化得到了更大的关注。比如，政府决策者们已经可以利用这些资料通过构想长期的方案来适应和缓解气候变化(Meehl et al. 2009)。东亚夏季降水量主要受东亚夏季风影响，它已表现出明显的年代际变化(Ding 2007)。科学家们也发现，东亚夏季降水的年代际变化与海洋强迫有联系，尤其是北太平洋(Zhuand Yang 2003; Lau et al. 2004; Zhu et al. 2015)和北大西洋(Liu and Chiang 2012)的海表面温度。

东亚降水的年代际变化不同于厄尔尼诺和南方涛动（即ENSO）有关的赤道中东太平洋年际间变化。低频变化在北太平洋温带地区更加重要，这些变化被称之为太平洋年代际振荡（PDO）(Zhanget al. 1997; Mantua et al. 1997)。有些研究已经证明了东亚降水年代际变化与PDO的关系。有人已经发现PDO的暖位相与中国东部降水量距平呈较好的正相关(Zhuand Yang 2003; Lau et al. 2004; Zhu et al. 2015)并且1960s–2010s时期PDO冷位相与中国东部降水量距平呈负相关。但是，由于观测资料的缺少，六十年代之前东亚夏季降水年代际变化和PDO的关系仍然不是很清楚。

海盆尺度的北大西洋海表温度多十年尺度变化被称之为北大西洋年代际振荡(Schlesinger and Ramankutty 1994)。有些研究已经表明，AMO对东亚夏季风有影响(Lu et al. 2006)并且对于中国夏季降水的季节内变化也有影响(Wanget al. 2009)。近年来，Liu and Chiang (2012)研究了六十年代北大西洋海温冷位相对东亚夏季降水年代际变化的影响。但是，也由于缺乏这个地区更长的观测资料，AMO对于东亚夏季降水的影响不是足够清楚。

二十世纪末和二十一世纪初，东亚地区表现出显著的数十年尺度的变化。例如，九十年代末期以后，在中国黄河流域(31–35N, 107–120E)和朝鲜半岛南部(27–31N, 107–120E)存在变湿的趋势，而在长江流域(27–31N, 107–120)和日本南部存在变干的趋势(Si et al. 2009; Zhu

et al. 2011; Si and Ding 2013; Huang et al. 2013; Zhuet al. 2015)。这些变化与PDO和AMO的位相有关，九十年代末期以后PDO从暖位相变为冷位相(Peterson and Schwing 2003;Deser et al. 2004; Dai 2013)而AMO从冷位相变为暖位相(Sutton and Dong 2012)。对于PDO和AMO与东亚水文气候之间的联系，我们需要用更长时间尺度的东亚降水数据和全球海温数据来检验它。

本文有以下这些部分组成。在第二部分中，主要介绍数据资料和PDO与AMO指数的计算。在第三部分中，验证了PDO与AMO和东亚夏季降水年代际变化的关系。在第四部分中，主要讨论PDO对东亚夏季降水年代际变化的影响以及其中的物理机制。在第五部分中，分析了AMO和PDO的调整并关于AMO对东亚夏季降水年代际变化的影响作出了物理解释，其中还包括对CMIP5（Coupled Model Intercomparison Projection）模式模拟的历史位相结果的模式检验。最后在第六部分，为相关总结和讨论。

  1. 数据资料与指数
  2. 数据资料

我们使用了132年的降水资料（从1880到2011）来检验东亚降水的年代际变化。逐月和逐季节的降水数据来自中国东部的35个气象台站，其中选取了18个位于长江流域和黄淮流域的台站。1880-1998的降水数据由S. Wang, Peking University提供(Wang et al. 2000)。其中1880-1950的数据是通过整合仪器测量和历史数据得到，1951-1998的数据来自中国国家气候中心(CMA)。Ding et al. (2008, 2009)曾用这些降水数据检验中国东部夏季降水的年代际变化。我们用国家气候中心的数据将Wang的降水数据延长到2011从而获得132年降水资料。此外，还使用了6.0版本的全球降水气候中心(GPCC)的再分析格点资料(Schneider et al. 2011)。我们利用GPCC的资料通过空间相关分析进一步核实了中国东部132年降水资料的显著性，最终结果令人满意。1901-2010年，Wang的中国东部十年平均的资料和GPCC的资料相关系数达0.73。 海温数据为1871-2011年1°times;1°的月平均HadISST资料(Rayner et al.2003)。气压资料为1871-2011年2.0°times;2.0°的二十世纪再分析资料(Compo et al. 2011)。

  1. 指数

PDO指数是北太平洋(20–70N, 110E–100W)3-4月平均的HadISST 海温异常 EOF第一模态的标准化时间系数。为了单独处理太平洋海温的年代际变化，我们在EOF之前将每一个格点的3-5月平均海温数据的线性趋势去除。AMO指数选取了Trenberth and Shea(2006)的方法估算：北大西洋(0–60N, 0–80W)区域平均的去线性趋势的3-5月HadISST 海温异常与1901-1970气候场的相关系数，其中去除了全球(60N–60S)平均海表面温度。年代际过滤处理是选取低通对称滤波器，即筛选出权重达13且半振幅点达12年的点（详见Trenberth et al.2007第三章的附录A）来去除年际间的信号。显著性检验是用Monte Carlo方法。我们随机打乱了原始的大气时间序列从而获得了每一个格点上新的时间序列，然后计算PDO或AMO与新的时间序列的相关系数。我们重复这个过程1000次并最终得到每一个格点相关系数的分布。所引用的显著性等级表明了超过被测值的随机相关系数百分比。

图1（a）1880-2011年过滤年际信号后的东亚夏季（JJA）降水EOF第一模态的时间系数（PC1，蓝色曲线）与过滤年际信号后的春季PDO指数（红色曲线）。 （b）PC2（蓝色曲线）和AMO指数（红色曲线）。

  1. PDO和AMO与东亚夏季降水年代际变化的关系

图1表示去线性趋势的PDO和AMO指数长期趋势。1910年-20年代初期和1950年-1970年，PDO表现为冷位相；1880年-1990年、20年代初期-1940年和1980年-90年代末期，PDO表现为暖位相。自从90年代末期，PDO开始转为新的冷位相。AMO在19世纪90年代和1930年-1960年表现为暖位相，而在1900年-1920年和1970年-1990年表现为冷位相。90年代末期之后，AMO转变为新的暖位相。尽管一些研究人员已经证明了PDO和AMO对东亚降水的影响(Zhu and Yang 2003; Lauet al. 2004; Cheng et al. 2007; Liu and Chiang 2012)，但PDO和AMO共同对东亚降水年代际变化影响的物理机制还不是很清楚。我们将利用PDO和AMO的年代际变化来研究PDO和AMO对东亚降水年代际变化的共同影响。特别地，我们将讨论两个大气遥相关过程，PDO和AMO通过此过程共同影响东亚降水的年代际变化。

首先假设PDO和AMO是对东亚降水年代际变化最强的自然强迫，我们以此开始分析。如果是这样，那么东亚降水年代际变化的第一模态应该包含PDO和AMO的信号。为了验证此假设，我们利用EOF方法分析了1880-2011年长达132年的中国东部18个站（图2）的夏季（6-8月）降水量，并在EOF之前对观测资料进行十年的滤波。由于在中国东部、日本南部和朝鲜半岛存在显著的正相关，我们就以中国东部的降水量来表示亚洲东部的降水量。EOF第一模态（EOF1）的总方差为36.7%（图3），显示中国长江流域的和黄淮流域之间的狭长带存在降水量呈同位相变化。EOF第二模态（EOF2）的总方差为19.8%，显示以长江为界降水量的空间分布呈跷跷板形态（图3），其中黄河-淮河流域变化一致而长江流域的变化信号相反。

图2.东亚地区18个地表观测站（黑点）的空间分布

从EOF1和EOF2的时间系数（PC1和PC2）都可以看出较大的多十年尺度变化。在1880-1900s末期、1920s初期-1940年和1960-1970年中，PC1为负值。在1900s末期-1920年初期、50年代和1980s-1990s，PC1为正值。90年代末期后，PC1为较小的负值（图1）。结果显示在长江流域与黄淮流域降水量异常和PC 1的位相波动具有较好的相关，GPCC的资料的空间分布形态支持这些结果（图4 a-d）。更重要的是，PC1的波动与1880s-1950s (r=-0.54)的PDO反位相，但与1960s-2010s（r=0.61）的PDO呈同位相。为了进一步研究PC1与PDO在这两个时间段的关系，我们将中国东部夏季降水量与PDO指数的年代际尺度变化做相关性分析。在1880s-1950s，相关系数场显示在长江流域和黄淮流域的大部分区域为显著的负值区（图5a），而1960s-2010s，相关系数场从负值彻底地变为正值（图5b）。1960s-2010s的PC1和PDO同位相的关系与其他研究结果一致(Zhu andYang 2003; Lau et al. 2004; Zhu et al. 2015)，而1880s-1950s的反位相关系，在此之前没有被认同过。这可能是早先年的观测资料的缺失所引起的。

图3.1880-2011年东亚夏季降水(过滤年际信号后)EOF的第一模态(a)和第二模态(b)

1880s末期-1890s末期、1930s、1950s-1960s和1980s，PC2的为正。在1965-1999年，PC2为负。90年代末期之后，PC2为正（图1）。在GPCC的资料中也能看出，在长江流域和黄淮流域夏季降水量呈反位相的年代际变化（图4 e，f）。PC2的这种变化正好与1880s-2010sAMO相匹配（r=0.53）。东亚夏季降水和AMO指数之间的相关系数分布显示黄河-淮河流域附近为正值，长江流域附近为负值（图5c）。此结果表明，AMO的暖位相会使得黄淮流域的夏季降水量增加，长江流域的夏季降水量减少。这证实了我们从

图1b得出的结果。

图4.从GPCC数据分离出的东亚夏季降水区域的变化。(a)1925-50年平均值减去1905-24年平均值。(b) 1925-50年平均值减去1951-59年平均值。(c) 1960-79年平均值减去1980-99年平均值。(d) 2000-11年平均值减去1980-99年平均值。(e) 1930-70年平均值减去1901-29年平均值。(f) 2000-11年平均值减去1971-99年平均值。

图5. （a）1880-1959和（b）1960-2011年期间东亚夏季（JJA）降水与PDO指数之间的年代际尺度相关性，以及（c）1880 - 2011年期间东亚夏季降水与AMO指数的相关性。

  1. PDO与假PDO对PC1的影响

PC1与PDO之间的一致性和PC2与AMO的一致性表明，东亚降水的EOF1和EOF2的年代际变化

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