长江流域下游副热带夏季风降水的两周和21 -30天振荡外文翻译资料

 2022-12-05 04:12

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长江流域下游副热带夏季风降水的两周和21 -30天振荡

杨静

北京师范大学地球表面过程与资源生态学国家重点实验室

大气物理研究所大气科学和地球物理流体动力学( LASG)数值模拟国家重点实验室，

北京中国科学院

王斌

夏威夷大学气象学系和国际太平洋研究中心，

中国海洋大学物理海洋学与海洋环境学院

王斌和包青

大气科学与地球物理流体动力学数值模拟国家重点实验室，

北京中国科学院大气物理研究所

( 2009年1月5日收到的手稿，2009年9月26日定稿)

摘要

梅雨锋作为副热带东亚夏季风的代表，其中心位于长江下游流域。根据最新获得的降水实况资料，确定了北半球长江下游流域两种主要的季节内变化模式，分别是夏季( 5 - 8月)，光谱峰值出现在第15天的双周模式和光谱峰值出现在第24天的21 -30天模式。这两种模式具有相似的强度，二者相加起来约占季节内总变化的57%。两种ISV模式的极端情况在长江流域下游均表现出斜压结构。然而，这两种模式的初始条件和发展演变是不同的。考虑长江流域下游上的极端湿相的起始条件，双周模式初始条件的标志是中纬度急流涡度异常的东南移动；而21 -30天模式的标志主要与低层一次反气旋异常的从145°E到120°E向西传播有关，这反映了北太平洋副热带高压西部的西向伸展。长江下游流域双周模式的发展演变是由一个低空反气旋由菲律宾海异常向西北移动至台湾南部增强导致的，异常增强的北太平洋副热带高压是其与中纬度高压合并加强引起的结果；相反，21–30天模式的发展演变是由自贝加尔湖异常移动到俄罗斯远东的高空槽槽增强导致的。同时这两种大气季节内振荡周期也被发现是嵌入到它们对应的源地中。

关于两种主要长江下游流域大气季节内振荡模式的初始条件和发展演变的新发现为经验预报提供了副热带EA夏季风季节内变化的预测因子。

  1. 引言

在5～8月的北方夏季，长江流域多次洪涝灾害与梅雨锋季节内变化的极端活跃期有关。例如，1998年夏季YRB下游的严重洪水与6月和7月发生的两次季节内湿事件有关(如Zhu等人.2003年；王等人.2003年；刘海平等人.2008年)，1991年夏季长江暴雨也是大气季节内变化的结果(如Mao和Wu 2006 )。

以往对北半球夏季季节内变化( ISV )的研究多集中在热带季风区。在南亚和西北太平洋热带地区发现了两种主要的ISV模式，即向北传播的30 - 50天模式(如Krishnamurti和Subrahmanyam 1982；陈和村上1988；徐翁2001；肯博尔-库克与王2001；劳伦斯和韦伯斯特2002；许等人.2004 )和向西传播的准双周模式(例如Krishnamurti和Bhalme.1976；克里希纳穆尔蒂和阿达努伊.1980年；陈、陈.1995；安纳马莱和斯林格2001年；kajikawa和Yasunari.2005年；杨等人。2008年)。

与热带ISV相比，东亚副热带夏季风区(如LYRB ) ISV的频率和性质有很大不同。大多数以前的研究都是针对单个案例或一小部分案例。例如，1989年夏季，YRB出现了12 - 24天的振荡( Chen等人.2000年)，这与南海上空的情况不同。1998年YRB洪水( Zhu等人)显示了30 - 60天振荡的强信号.2003 )，其特征是从热带向北传播。发现1991年江淮流域夏季洪涝有15～30天的周期性，并受中纬度扰动和北太平洋副热带高压( Mao和Wu 2006 )西移的影响。1981年夏末( Chao 1991 )和1991年夏初( Zhang等人) YRB下游出现了准双周振荡。2002年)。不幸的是，目前尚未出现一个普遍接受的关于YRB上ISV的主要周期和主要特征的描述。

本文利用1979～2002年一组较长期的逐日降水观测资料和再分析的逐日环流资料，对EA副热带锋中部的ISV - LYRB进行了综合描述。本文的组织结构如下:第2节介绍数据集和方法；第3节给出了DOM的ISV周期；第4节描述了LYRB上主要ISV模式的结构和演变；第5节讨论了两种ISV模式的可能起源；并在第6节中给出了总结。

2 .数据和方法

陆地上的每日降水数据是由日本气象局人类与自然研究所( RIHN )和气象研究所( MRI )正在进行的题为“亚洲降水-水资源评价高分辨率观测数据集成”的项目汇编的。APHRODITE项目为亚洲开发了最先进的日降水量数据集，具有高分辨率网格( 0.5°)。数据集主要是利用从雨量计观测网络获得的数据创建。本研究中使用的EA产品(APHRODITE- EA )的范围涵盖5°–55°N、65°–155° E ( Xie等人).2007年；亚塔盖等人.2008年)。数据的长度从1979年到2002年。此外，由于1979 - 2002年期间热带地区没有可靠的日降雨量，国家海洋和大气管理局(NOAA; Liebmann and Smith 1996)每天发出的长波辐射(OLR)被用作热带地区日降雨量的替代品。

从以下再分析数据集提取日环流数据:( 1 ) 1979 - 2002年国家环境预测中心( NCEP ) /能源部( DOE )再分析2 ( NCEP - 2 ) (金光等.2002年)；( 2 )欧洲中期天气预报中心( ECMWF )再分析( ERA - 40 )，1979年至2002年( Uppala等 .2005年)；( 3 ) 1979 - 2002年日本25年再分析项目( JRA - 25 ) ( Onogi等.2007年)。由敏感性试验表明，与各主要ISV模式相关的三种再分析方法的循环场没有太大差异。因此，在本文中，为了避免重复，我们仅显示ERA - 40的结果。

ISV分量是从原始日降水时间序列中提取的，首先去除气候学因素，然后采用5天的运行均值去除天气波动。气候学以连续5天的平均时间序列表示，包括缓慢的年周期(由前三次傅立叶谐波表示)和气候季节内振荡( CISO )。在副热带EA和北太平洋西部季风区，CISO显著，是ISV常年不变的组成部分(中泽1992；王、徐1997 )。在东亚地区中，众所周知的副热带雨带北移的季节推进(如涛和陈1987；刘等人.1988年；丁1992；康等人.1999年)属于快速年度周期的一部分(林浩和王2002 )，最好由CISO ( 杨2008；刘杰等人.2008年)。准60d是副热带东亚地区CISO的主要周期( Kang等.1999年；杨2008 )。因此，我们将在本研究中关注的ISV事件是ISV的不同部分。

为了识别统计上显著的和主要的周期性，我们应用具有锥形窗口的快速傅立叶变换( FFT )方法( Bingham等.1967 )。该方法是光谱分析中最常用的方法之一，用于在给定季节( 5 - 8月)内的给定位置上的ISV时间序列。在本研究中，主要周期的选择是通过计算LYRB地区24个夏季( 1979 - 2002 )中每一个季节的平均功率谱来确定的。根据Gilman等人的方法测试功率谱的统计意义(1963)基于平均红色噪声的功率谱。

因为过滤的数据涉及连续日值之间的高自相关，所以自由度远小于原始样本大小。使用Chen ( 1982 )方法，计算了欧亚域( 0°–80°N，40°–180° E )内每个主要ISV模式下每个网格处的每个变量的有效自由度。为了简单起见，对于每个ISV模式，我们在统计显著性测试中使用了每个网格点上每个变量的最小有效自由度( 21–30天模式约为96，10–20天模式约为184 )。利用该有效自由度，进行t检验，得到相关系数的置信水平。此外，通过1000次蒙特卡罗模拟程序( Wilks 1995；利维泽和陈1983 )。在本文所研究的所有情况下，我们发现用这种蒙特卡罗方法确定的置信水平远小于用第一种方法获得的相关系数值。因此，在下面的部分中，相关系数值的置信水平由t检验统计量确定。

3 .ISV在夏季降水中的优势周期

为了获得ISV在LYRB ( 29°–34° N，115°–120°E )上的主要周期，我们给出了1979年至2002年期间该地区APHRODITE-EA降水ISV分量的24个夏季平均( 5–8月)功率谱(图1 )。除了多年平均功率谱之外，图1还示出了红色噪声谱线、99 %先验置信水平和99 %后验置信水平。基于99 %的先验置信水平，在北方夏季期间，在LYRB上识别出三个频带，这三个频带分别发生在第10 - 20天(在第15天达到峰值；以下简称“双周”)、第21 - 30天(第24天达到峰值)和第7 - 9天(第8天达到峰值)。基于99 %的后验置信水平，这三种模式可以很好地分离。

每年检验总ISV的每日时间序列。选择重要ISV事件的阈值被定义为在北方夏季期间在LYRB域上总ISV的标准偏差的1.5倍。如果湿(干)相的最大(最小)强度绝对值超过此阈值，则选择此ISV事件作为重要事件。根据这一标准，从这24年( 1979 - 2002年)中选出74个与这两种ISV模式相关的重要ISV事件。表1显示了LYRB上每个重要ISV生命周期的开始日期(雨量异常开始增加)、结束日期(雨量异常减少)和持续时间。每个事件的开始和结束日期大致由两个ISV模式的带通滤波时间序列的极端干相位确定。在74个ISV事件中，45个ISV事件属于双周模式，29个事件由21 - 30天模式贡献，进一步证明了双周模式是北方夏季最重要的ISV模式。

为了研究从LYRB得到的ISV特征在描述东亚地区梅雨锋大气季节内震荡中的代表性，我们制作了一个季节内降雨分量的同时相关系数模式，如图2所示，该模式是根据24个夏季的LYRB季节内降雨分量计算的。结果表明，副热带东亚地区(主要包括江淮流域、韩国和日本南部)的降水ISV与LYRB的降水ISV存在显著正相关。因此，LYRB降水中主要ISV模式的特征在很大程度上可以代表亚热带东亚夏季ISV。

此外，在图3中示出了在四个典型夏季中在LYRB上的ISV功率谱的样本。2年( 1979年和2002年)以21 - 30天周期为主，其余2年( 1981年和1993年)以双周周期为主，这表明这两种主导ISV模式在LYRB上存在较大的年际变化。

4 .两种主要ISV模式的特征演化

为了了解这两种主要的经验ISV模式的成因和演变，我们对每种ISV模式的带通滤波降水异常在LYRB (以下简称LYRB指数)上的日时间序列进行了两类统计分析。一是基于LYRB指数对24个夏季( 5 - 8月)的ISV强事件进行综合分析。如表1所示，选择45例双周事件和29例21 - 30天模式进行综合分析。另一种方法是基于点的不同气象场之间的超前-滞后相关分析以及每个ISV频带中LYRB指数的最大湿相位。对于相同的ISV模式，复合序列和基于点的超前-滞后相关模式都显示出非常相似的生命周期。为了简洁起见，下面仅显示了从超前-滞后相关分析中获得的结果，其显示了更平滑的轮廓。第0天被定义为LYRB地区最大降雨量异常的一天。

a.双周模式

图4 - 5分别显示了200-hPa涡度和200-hPa风、降雨/ OLR和850-hPa风异常的半衰期(从第-7天到第0天)，这与双周频段的LYRB异常降雨有关。从第-7天到第0天的进化完成了半个周期，因为第0天的模式与第-7天的模式几乎相似，符号相反。下一个生命周期是所呈现生命周期的镜像。我们注意到，当最大降雨量异常出现在LYRB上空(第0天)时，高空反气旋异常(图4 )和低层气旋异常(图5)出现在LYRB上空。这表明LYRB上的ISV具有斜压结构，类似于热带ISV。

为了研究斜压垂直结构的最大湿相来自何处，我们追溯到第0天之前7天，当时长江下游经历了极端干燥相。在第0天，高层反气旋异常/负涡度异常位于LYRB之上(图4)，这对应于LYRB的湿相(图5)。请注意，这种高层反气旋异常可追溯到中国北方的第27天( 0°N，120°E)。这种高层负涡度异常从40°N向南移动到LYRB，从第-7天到第0天强度增加(图4)。这种向南传播的反气旋异常嵌入在沿从里海到东亚的中纬度西风急流的东西向、东南向传播的波列中(图4)。高层反气旋异常往往伴随高层大气辐散，导致异常上升。增强的上升运动不仅增加了降水概率，而且通过增强低层辐合增强了低层气旋异常。相应地，在降雨异常的演变过程中可以检测到南向扩展(图5a)。

在对流层下部，如图5所示，显著的特征是反气旋异常和/或异常干旱区从菲律宾海向台湾南部的西北传播。最快速的西北传播发生在第-3天至第-2天期间，此时高层负涡度异常到达里拉勃。台湾南部的低空反气旋异常增强了西南气流向长江下游方向的运动，这不仅增强了长江下游附近的低空气旋切变，而且通过向长江下游区域输送更多的水汽，增加了湿异常。还要注意，从第-7天到第-4天，低空中纬度反气旋异常向东移动(图5a )，到第24天，它移动到黄海，而副热带高压在菲律宾海上空增强。在第-3天，黄海和菲律宾海反气旋异常合并成一个异常，进一步增强了西北太平洋副热带高压( WNPSH )，并导致菲律宾海反气旋异常从第-3天到第-2天显著地向西北移动(图5a )。因此，菲律宾海反气旋异常的西北传播，即西北延伸和增强WNPSH，是由于黄海上空的中纬度瞬变高压与菲律宾海上空的副热带高压合并所致。

在中纬度高层反气旋异常的激发下，东南地区低层西南偏南异常的增强，在第-2天至第0天形成了一条具有斜压垂直环流结构的东北—西南倾斜雨带，覆盖了日本南部和韩国。

b.21-30天模式

对于图6 (以及下面的图8 )所示的21 - 30天模式，也产生一组类似于两周模式的时间序列。此外，还对500 hPa位势高度异常进行了同样的分析，如图7所示。我们发现

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