一次非常规的厄尔尼诺事件对2009年中国西南地区秋季干旱的影响外文翻译资料

 2022-12-12 04:12

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一次非常规的厄尔尼诺事件对2009年中国西南地区秋季干旱的影响

摘要

2009年秋季，中国西南地区发生严重干旱，对该地区的农业生产和人民生活产生巨大影响。一个非常规的厄尔尼诺事件，即所谓的暖池厄尔尼诺（WP El Nino），应该是这强秋季干旱的主要因素。与传统的厄尔尼诺形成鲜明对比的是，2009年WP El Nino年最大海面温度（SST）异常局限于赤道中太平洋。此外，此次WP El Nino相较与过去60年间的WP El Nino事件更加偏西，强度也更强。观测和模式研究表明，中国西南地区的降水负距平受到WP El Nino的位置和强度的组合效应显著影响。也就是说，当与WP El Nino相关的暖海温异常更加偏西和偏强时，中国西南地区的干旱会增强。因此，2009年中国西南地区强秋季干旱可以主要归因于同期的独特的WP El Nino，其在西北太平洋产生强烈的异常气旋，导致西南地区降雨严重减少。本文同时也检验了印度洋偏暖的影响，但似乎有对这次干旱贡献不大。

  1. 简介

中国西南地区的秋季降水对全年降雨量贡献较大（超过20％）（Wu和Hu，2003），是作物成熟期和收获期的关键影响因素。 由于干旱造成的破坏可能是灾难性的。 2009年西南地区发生强烈的秋季干旱（图1b），严重影响了云南，广西和贵州省（22°-30°N，100°-110°E）植被生态系统的80％以上（Wang et al.2010; Barriopedro et al.2012）。 超过6000万居民遭受饮用水短缺，100多万公顷的作物死亡。更好地了解导致这场灾难性干旱的机制将有助于未来的干旱管理和规划。

(a)秋季降水气候模态 （b）降水异常百分率

（c）西南地区（22°-30°N，100°-110°E）雨量标准化距平

图1,a.秋季降水的气候学平均（1961-1990年平均）;b.2009年秋季降水距平与气候平均的比值，以百分数表示;c.西南地区（22°-30°N，100°-110°E，在b中由蓝色方框标志出）雨量标准化距平时间序列图。

在2009年损失惨重的秋天，中部赤道太平洋出现了海洋表面温度的强烈升温，根据气候预报中心（CPC）提供的Nino-3.4区（5°S-5°N，120°- 170°W）海温距平（SSTA），认定为厄尔尼诺年。ENSO对东亚气候的影响已经进行了许多研究，（例如Zhang等人1996; Chang等人2000a，b; B.Wang等人2000,2008; Wu和Hu 2003; Niu和Li 2008; L.Wang等人2008; Wu等人2009; Li等人2010，2011a，b; Wu等人2012）。这些努力往往集中在常规的（或规范的）厄尔尼诺事件，SSTA暖中心主要位于赤道东太平洋（Rasmusson和Carpenter 1982; Wallace等a1.1998）。然而，2009年秋季的SSTA变暖与传统的厄尔尼诺事件形成鲜明对比，西移至暖池边缘（Lee和McPhaden 2010）。早期研究达成的共识将这种热带太平洋现象定义为一种新型厄尔尼诺（Larkin and Harrison 2005a; Ashok et al。2007; Yu and Kao 2007; Kao and Yu 2009; Kug et al。2009; Yeh et al. 2009）。

Larkin和Harrison（2005a）利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的一个新的厄尔尼诺定义确定了一些新的厄尔尼诺事件，并将它们称为厄尔尼诺日期线，因为最大SSTA位于靠近日期线。 El Nino的新类型也可以根据第二经验正交函数（EOF）模式定义，并称为El Nino Modoki（Ashok等人2007）。 Kao和Yu（2009）将新型的厄尔尼诺视为中太平洋厄尔尼诺。 Kug et al。 （2009）根据SSTA的空间模态将新的厄尔尼诺事件与传统的厄尔尼诺事件分离，并将其命名为暖池厄尔尼诺（WP El Nino）。许多研究表明，与传统的厄尔尼诺相比，新型的厄尔尼诺对大气环流有不同的影响（Larkin和Harrison 2005a，b; Wang和Hendon 2007; Weng等人2007,2009; Cai和Cowan 2009; Kim等人2009; Taschetto和England 2009; Chen和Tam 2010; Feng等人2010; Mo 2010; Feng和Li 2011; Lee等人2010; Zhang等人2011; Wang和Wang 2013; Xie等人。2012）。尽管这些研究中使用了多种名称和定义，但强调了两种类型的厄尔尼诺之间的区别。在本文中，按照Kug等（2009）及Ren和Jin（2011），将这种新型厄尔尼诺定义为暖池厄尔尼诺（WP El Nino）。

暖池厄尔尼诺与常规厄尔尼诺不同，并导致了华南地区的秋季干旱（Zhang et al。2011）。在暖池厄尔尼诺现象期间，在西北太平洋（WNP）产生异常气旋，东亚地区形成东北风异常，导致华南地区的秋季降水不足。然而，仍然有一个问题是，相比其他暖池厄尔尼诺发生时，为什么2009年中国西南地区干旱如此强。这个暖池厄尔尼诺是否涉及一些不寻常的特征，或者是否其他可能的异常发挥了额外的作用，尚不清楚。在本研究中，通过与其他暖池厄尔尼诺事件和模拟实验的比较，检查暖池厄尔尼诺和中国西南部秋季干旱之间的联系。我们的假设是，这次在过去60年发生的暖池厄尔尼诺事件中最为偏西和最强的一次事件，极有可能是这09年西南干旱的成因。

在本文的其余部分，第2节介绍数据、暖池厄尔尼诺事件的定义和本研究中使用的实验设计。 第3节说明了2009年强大的秋季干旱在大气和海洋方面的异常。 在第4节中，讨论了2009年厄尔尼诺的独特性质，重点关注海温正距平中心的强度和位置，并进行模式实验以研究与海温正距平中心的强度和位置相关的影响。 第5节总结了主要发现，该节还讨论了印度洋海温距平在这一干旱事件中可能做出的贡献。

  1. 数据和方法
  2. 观测

分析秋季(9-11月)严重干旱的月降水资料（1951-2009）来自中国气象局。基于哈德莱中心海冰和海表面温度的数据（由Met Office Hadley Center提供 (Rayner等人2003））对太平洋和印度洋海温进行分析。使用国家环境预报中心 - 国家大气研究中心（NCEP-NCAR）再分析数据（Kalnay等人，1999）确定异常环流。所有变量的异常情况是与30年间（1961-1990）的气候平均的偏差。

采用我们以前工作的方法（Zhang et al。2011），1969,1977,1991,1994,2002,2003,2004,2006和2009年的秋天被确定为来自所有18个厄尔尼诺秋季的暖池厄尔尼诺秋季，这是根据最大海温距平中心的位置（即该事件在赤道中太平洋到150°W西太平洋的海温距平是否较大）定义的。在定义暖池厄尔尼诺时，我们的工作和早期研究（例如，Kim等人2009; Kug等人2009; Yeh等人2009）存在差异，并且在这里考虑两个原因。首先，大多数以前的研究定义了基于冬季海温距平的暖池厄尔尼诺事件。然而，本次研究的重点在秋季。第二，Kim等人（2009）基于秋季海温异常确定了五个暖池厄尔尼诺事件（1969,1991,1994,2002和2004）。我们的定义和他们的情况之间的差异是1977年，2003年，2006年和2009年的秋天。在这四个秋季，赤道中部或西部太平洋上出现了温度升高至0.5℃的海温异常中心（图2a-d）。它们的相关对流异常中心——由水汽辐合中心表示（从海表面积到300 hPa），主要出现在赤道西太平洋至海温正距平中心西部(图 2e-h)，那有较高的海温基线(Wallace等人1998; Kuget等人2009)。这种情况与暖池厄尔尼诺类似，但与常规厄尔尼诺（Ashok等人2007; Weng等人2007; Kug等人2009）显着不同。虽然2006年秋季海温距平在赤道东太平洋上也显示出另一个温度异常大于1.0℃（图2c）的中心，赤道对流异常主要出现在日期线以西（图2g）。这是因为赤道中太平洋变暖在形成深对流方面比东太平洋变暖更有效，其原因在于中部海温基线温度较高。因为暖海温异常可以通过湍流强迫大气，当尝试定义暖池厄尔尼诺事件时，对流的位置可以用作另一个有效指标。

采用复合和回归分析调查与暖池厄尔尼诺相关的气候影响。在这项研究中，我们的兴趣是为什么2009年秋季干旱比其他年份暖池厄尔尼诺事件发生时强烈，因此2009年的暖池厄尔尼诺事件被排除在复合分析之外。 所有统计显着性检验使用双向学生氏T检验。

图2.1977、2003、2006、2009年秋季（a-d）海温（℃）和（e-h）水汽散度垂直积分（mm天-1）

  1. 模拟

所用的大气一般模式是NCAR的大气模式，版本3（CAM3）（Collins等人2004）。水平分辨率为T42（大约2.8°经度X 2.8°纬度），具有26个混合垂直层。首先，气候（季节变化）海温被用来强迫模式积分5年。然后，从第五年七月的模拟结果中选择10个独立的大气场作为初始条件，并为每个实验计算10个集合成员。进行四个模拟以验证来自海温异常位置和强度的相应贡献。在第一模态[控制（CTRL）]中，海温被规定为气候海温。在第二模态[东暖模式（EWM）]中，在165°W增加了异常海温升温中心，最大海温距平达到1.5℃。在第三模态[西部变暖模态（WWM）]中，异常海温变暖向西偏移10°.在第四模态[强化西部变暖模态（EWWM）]中，相对于第三次实验，变暖中心被提高到2.0℃。因此，EWM和WWM运行的比较可以识别海温异常位置的贡献，而WWM和EWWM的比较可以指示海温异常强度的影响。每次运行在7月1日初始化并集成5个月。 计算秋季（9-11月）的整体平均值用于分析。

  1. 2009年秋季干旱海洋和大气特征相关

图1c显示了1951年到2009年间中国西南（22°-30°N，100°-110°E）秋季降水标准化距平时间序列。显然，2009年是60年秋季中最干旱的记录， 异常超过两个标准偏差。 虽然在时间序列中可以检测到轻微的下降趋势，但在这里可以被忽略，因为2009年秋季降雨量负距平仍然是最大的，即使在考虑了下降趋势之后（图略）。 中国西南部大部分地区的降雨量超负距平过50％（图1b），云南省东部等部分地区的降雨量负距平超过80％。 以前在云南省的一些地区出现了90％的负距平（Huang等人，2011）。 此外，华南地区出现异常高温，这增加了蒸发，加剧了当地的干旱状况（Lu et al。，2011）。

在秋季（图3a），华南地区受反气旋控制。其南部为东风，西部盛行西南风，携带了大量来自热带洋面的水汽，并在华南汇合。华南地区的秋季降水有两支水汽输送分支。 一来自孟加拉湾，另一支来自南中国海，但其根本起源分别位于印度洋和西太平洋。 足够的水汽导致华南地区处于相对潮湿的季节，大多数地区的降雨量累计达200毫米，一些地区的降雨量超过300毫米（图1a）。

图.3（a）2009秋季气候模态和（b）2009年秋季异常的水汽输送垂直积分（kg m-1s-1）。 （b）中的等值线线表示2009年秋季的海平面气压异常（hPa）（仅显示负值）。 字母A和C分别标记异常反气旋和气旋的中心。

然而，2009年秋季，西北太平洋发生异常超过-1.5 hPa的强烈的气旋异常（图3b）。 在异常西北太平洋气旋的西北部分，华南地区出现异常西南方向的水汽输送（图3b），抑制了南方水蒸气的东北向输送。 在西北太平洋异常气旋的东北和西南部，在日本东部存在强烈的反气旋异常，在印度洋上存在弱反气旋异常。

图4. 降水异常（PR; 10-2mm/day），水汽散度垂直积分（QDIV; 10-2mm/day），四个边界（QVS，QVN，QUW，QUE; 105kg/s）的通量的异常以及净辐射通量FNET（ Wm-2 ）。QVS，QVN，QUW和QUE分别表示南，北，西和东边界的水汽通量垂直积分。 QDIV的符号相反。

为了定量研究水分预算，我们计算了中国西南四个边界的水汽通量，如图4所示。2009年秋季，水汽散度垂直积分高达1.32 毫米/天，几乎与降雨量短缺值相同（图4）。 表明秋季降水减少主要是由水汽运输异常引起的。 从图.4，南（QVS）和东（QUE）的湿度通量分别强烈减少和增加。西部和北部边界的水汽通量异常远小于南部和东部边界的水分通量异常。由东向西输送异常（QUE）有利于西南地区的水分增加。 因此，南部边界（QVS）水汽通量的急剧减少主要是造成降雨量不足的原因，因为南部的水汽向北输送受到北部异常的抑制。

此外，计算了入大气柱的净辐射通量，因为辐射冷却也可能对区域干旱发挥一些作用（Sooraj等人2013）。净辐射通量（FNET）是大气顶部和表面的净通量之间的差（Sooraj等人2013）。 在2009年秋季，异常净通量表现出一个值为-83 Wm-2的辐射冷却。（Sooraj等人2013） 认为大气辐射冷却可以通过加强异常环流来使局部降水减少。 因此，辐射冷却在一定程度上也有助于维持2009年秋季干旱。

同时，热带太平洋出现了海温的显著升温，最大海温异常位于赤道中太平洋而不是赤道东太平洋（图2d）。 这种变暖现象已被定义为暖池厄尔尼诺事件。 在我们以前的工作中，我们证明了暖池厄尔尼诺可以在西北太平洋上产生气旋异常，其中心位于20°N，130°E附近，这导致了华南地区的秋季降负异常（Zhang

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