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中国东部夏季降水的年际变化：经向三重和偶极子模式的起源

Chao He bull; Ailan Lin bull; Dejun Gu bull; Chunhui Libull; Bin Zhengbull; Tianjun Zhou

摘要：中国东部夏季降水（ECSR）具有较强的年际变率，年际ECSR变率的主导模式的特征是经向三重或偶极结构。在这项研究中，使用观测数据和气候模型的长期整合，研究了主要ECSR模式的年代际差异。观测分析表明，ECSR的主导模式在1979-1993年期间由经向三重结构表征，而在1994-2014年期间则是经向偶极结构。在气候系统模型（CCSM4）的200年海气耦合模拟中，ECSR的引导模式的特点是几十年来的三重结构，而其他几十年则是偶极结构，在年际变化中可以看到三重和偶极结构。在固定SST年周期强迫的CCSM4独立大气成分（即CAM4）的200年模拟中，还确定了三模和偶极模式，表明这两种模式都可以通过大气内部动力学产生年际变化，这种变化不需要海气相互作用。经研究分析，CCSM4和CAM4模拟，正面三重主导模式的（负）阶段与增强的（弱化的）西北太平洋副高，向南（向北）移动的东亚急流以及沿东亚海岸的经向波列相关联。偶极主导模式的正（负）阶段与增强（弱化）西北太平洋副热带高压，增强（弱化）东亚急流和中纬度欧亚大陆上的纬向波列相关。

关键词：华东夏季降水、年际变化、主导模式、海气相互作用

引言

中国东部是人口最稠密的地区，也是中国最重要的农业区。受东亚季风的影响，华东地区夏季年降雨量最大（Wu.2003）。中国东部夏季降水（ECSR）的特点是拥有强烈的年际变化，这可能是由于北太平洋西部副热带高压（WNPSH）的强烈年际变化造成的（Lu2001； Sui等人2007； Wu和Zhou，2008）。ECSR的年际变化导致某些地区发生洪水，但中国东部其他地区出现干旱，严重影响了中国的农业生产和经济活动，已经有科研者致力于研究年际ECSR变异的机制（例如，Lu 2005；Huang等人2011，2014；Ma，2011）。

许多研究表明，年际ECSR变率的主导模式的特征是经向三重结构，即长江沿岸降雨过多，伴随着华南和华北地区降雨不足，反之亦然（Ding，2008； Huang，2012；Day，2015；Sun和Wang，2015）。相比之下，其他一些研究认为，经向偶极模式也是一种重要的模式，即长江以南的降雨过多，伴随着长江以北的降雨不足，反之亦然（Ding，2008）；韩和张2009）。海面三重和偶极子模式的形成可以通过海表温度（SST）异常的年际变化来贡献（Wu，2003；Hsu and Lin，2007；Han and Zhang，2009），尤其是厄尔尼诺南方涛动 （ENSO）（Wu，2003；Feng，2011；Li，2014）。

ECSR的主导模式是季节性降雨预测的重要基准（Ai，2008； Pang，2014）。然而，主导模式随时间不稳定并且可能遭受年代际变化（Ye和Lu，2012；Sun和Wang，2015）。尽管ECSR的平均状态的年代际变化已被很好地记录（例如，Gong和Ho，2002；Ding，2008；Zhao，2011），但很少关注年际的年代际差异。据报道，ECSR的主导模式在不同的几十年有所不同（Ye和Lu，2012；Sun和Wang，2015）。然而，仍然不清楚主导模式的年代际差异是源于海气耦合系统还是大气内部噪声。

观测记录可能太短，无法记录十年的气候变化。在本研究中，我们使用气候系统模型4型（CCSM4）及其大气成分的输出，即大气模型4型（CAM4）。该模型已被先前的研究广泛使用，并且在ENSO（Chen，2013； Krishna-murthy，2014）和亚洲季风的模拟中表现相当好（Sperber，2013；He和Zhou，2014；Song和Zhou，2014）。具有恒定外部强迫（温室气体，气溶胶等）的CCSM4中的气候变化起源于海气耦合系统，而固定SST迫使CAM4中的气候变化源于大气内部动力学。根据观察和模型输出，目前的研究重点关注以下问题：（1）近几十年来，主导的ECSR模式是否有任何年代际变化？（2）CCSM4和CAM4中的主要ECSR模式是什么？在CCSM4和CAM4中三重模式和偶极模式之间的主导模式是否存在任何年代际变化？

本文的其余部分组织如下：数据，模型和方法在下一节中介绍。在1979-2014年期间观察到的主导模式的年代际差异在第2节中得到了解决。使用CCSM4和CAM4的长期控制模拟进行的扩展分析记录在第5部分中。分别如图4和5所示。最后，本研究的主要发现总结在第6部分。

2、数据来源和方法

在第3节中的分析处理中，采用1979-2014年的以下观测（包括再分析）数据：（1）全球降水气候学项目（GPCP）月降水量（Adler，2003）。（2）国家环境预测中心的月位势高度，垂直速度和风-能源部AMIP-II再分析（NCEP2）（Kanamitsu等，2002）。（3）扩展重建SST（ERSST）版本3b（Smith等人，2008）。我们关注6月至7月至8月（JJA）中国东部的季节性平均降水量（北纬20°-43°，东经107°-122°）。下载第5阶段耦合模型相互比较模式来用于CCSM4的工业化前控制运行（Taylor.2012），以节省计算成本。该CCSM4的工业化前时间尺度为500年，并且仅选择过去200年进行分析以保持数值有效性。另外分析了300年尺度，发现200年内变化一致性。长期控制模拟帮助我们扩展观察分析，它还有助于调查内部的变异性海气耦合系统，发现可以产生年代际变化主导的ECSR模式。

为了研究年际模式的起源，从大气的内部动力学，我们运行了一个使用CAM4（大气成分）进行实验（CCSM4），这是由气候年度强迫源自过去200年的SST循环CCSM4的控制仿真。CAM4在有限体积动态核心下执行它有26个垂直混合力水平层次（纬度分辨率为0.9°，经度分辨率为1.25°），这与CCSM4模拟相同。辐射强迫（例如，温室气体，气溶胶）固定在前工业水平，与CCSM4条件相同。CAM4模拟运行了203年，选择过去200年进行分析。

为了关注年际变化，在进一步分析之前，对逐年时间序列应用8年滤波。为了揭示主导年际模式的变化，将15年运行的EOF分析应用于中国东部的纬向平均降水（107°-122°E），以及第一次的纬度剖面。获得了运行EOF模式。

对不同引导模式的不同时期的标准化降水异常分别进行传统的EOF分析，得到第一主成分（PC1）的时间序列。对PC1值超过plusmn;0.5标准差的年份，对循环和SST异常进行了相互作用分析。复合分析分别针对正相关和负相关进行，以关注可能的不对称性（Hsu和Lin，2007）。复合图中的统计显著性在90％置信水平下的t检验确定。

3、观测中起主导作用的ECSR模式的年代际变化

如运行的EOF模式（图1a）所示，纬向平均降雨量的引导模式的特征是在20世纪90年代初之前的经向三重结构，而在20世纪90年代初之后的经向偶极结构。这种年代际转变发生在1993年左右。垂直速度的运行EOF模式的特征还在于在20世纪90年代从三重模式转变为偶极模式（图1a中的结果），其类似于降雨。基于ECSR的差异化主导模式，我们将1979-1993期称为三重时代，将1994-2014称为偶极时期。为了验证基于运行EOF分析的结果，分别对三重和偶极子时代进行常规的降水EOF分析，结果如图2所示。

图1运行EOF模式的时间-纬度曲线

在纬向（107°-122°E）平均降雨量（阴影）和500 hPa中国东部的垂直速度（等值线）。等值线间隔为0.2Pa/s，正（负）等值线为红色（蓝色）

在三重时期，主导模式的特征是三重结构，沿长江大约30°N处有一个正异常，夹在华北和华南的负异常之中（图1a）。这种三重模式贡献了总方差的30.9％，并且它与一些先前研究所显示的空间模式非常相似（图1在Hsu和Lin，2007中；图2f在Sun和Wang，2015中）。与三重时代相比，偶极时代的主导EOF模式的特征是经向偶极子结构（图2d），长江以南的负异常和洋河以北的正异常。这种偶极子模式贡献了总方差的27.8％，它类似于Han和Zhang（2009）和Huang等人所显示的模式（2011）。

两个时代的高阶模式怎么样？三重时期的第二和第三模式由嘈杂的空间模式表征，其类似于三重模式或偶极模式（图2b，c）。偶极时代的第二种模式的特征是经向三重模式（图2e），表明三重模式不会消失，但在偶极时代变得不那么重要。偶极时期的第三种模式也很嘈杂（图2f）。

图2年际降雨EOF模式的空间特征

a-c三极子时代的前三种EOF模式（1979-1993年）。d-f偶极时代的前三种EOF模式（1994-2014）。每种模式贡献的方差百分比（单位：％）标记在每个面板的右上角

图3 850hPa复合循环异常（左栏）和200 hPa（右列）与主导的EOF模式相关联

对于这两个时代。 a-d的正负相位属于三极子时代的模式。e-h与a-d相同，但对偶极时期而言则有不同。矢量为850 hPa风，等值线为200 hPa纬向风（等值线间隔为0.5米/秒，正/负等值线为实线/虚线）。白线表示气候位置辐合轴（左图）和辐散轴（右图）

在三极子时期的正面阶段，一个异常850 hPa的反气旋位于中国沿海东南部（图3a），表明增强的WNPSH。

图4复合异常与SST相关主导的两个EOF模式时代。左侧是同时出现SST异常的JJA，右侧是逐月演变沿海地区的海温异常赤道（平均5°S-5°N）。复合SST异常超过90％信度采用打点标出

一方面，增强的WNPSH是导致华南地区降雨不足的原因。另一方面，它通过西侧的异常北向水汽输送导致了长江沿岸的过量降雨（Zhou and Yu 2005；Li，2014）。增强的WNPSH是经向波列的一部分，沿东亚海岸从南到北具有反气旋-气旋-反气旋异常（图3a）。这种子午波列类似于太平洋 - 日本或东亚-太平洋（PJ/EAP）遥相关（Nitta，1987；Huang和Sun，1992）。在200hPa（图3b），复合纬向风异常的特征是在急流轴的南（北）侧面增强（弱化）西风，表明东亚急流（EAJ）向南移动。东亚急流向南移动有利于长江流域产生降雨，并且使华北地区降雨不足（Kuang和Zhang，2006； Ma等人2011；Li和Zhang，2014）。

在三重时期的领先模式的负阶段期间，循环异常通常与正阶段相反。 850 hPa环流异常的特点是WNPSH减弱。

在偶极时期的正相期间，在亚热带WNP上也可以看到异常的反气旋（图3e），表明增强的WNPSH。增强的WNPSH是导致长江以南降雨不足和北部降雨过多的原因。与三重时代的正相（图3a）相反，在偶极时代期间，东亚沿海的经向波模式不存在（图3e，f）。在850hPa和200hPa时，在乌拉尔山附近约60°E出现反气旋异常，表明乌拉尔阻塞高的活动更强（Gao等人，2015）。乌拉尔山上的反气旋异常夹在欧洲和中国东北部的两个异常气旋之间（图3e，f）。

波浪异常可能是造成中国东北地区气旋异常和华北地区降雨过多的原因。与此同时，沿着西风急流观测到异常的西风，表明东亚急流增强（图3f）。

在偶极时期的负相期间，环流异常通常关于正相位不对称。WNPSH比正常弱（图3g）。在乌拉尔山周围可以看到正压旋风，在欧洲和中国东北部被反气旋异常夹在中间（图3g）。沿急流轴看到西风异常，东风急流比正常条件弱（图3h）。

三重超前模式的正相位与赤道中东太平洋和热带印度洋的正SST异常以及赤道西太平洋的负SST异常有关（图4a）。这种SST模式与之前冬季的衰变厄尔尼诺现象有关（图4b）。 TIO的正SST异常是对El Nino衰变阶段的反应（Lau和Nath，2003；Du等人，2009； Xie等人，2009），它充当缓冲容器，延长衰变厄尔尼诺的影响。WNP气候（Li等人2008； Xie等人2009； Wu等人，2010）。在三重时代的负面阶段，在赤道中东太平洋和热带印度洋上观察到负的SSTA（图4c），全年与拉尼娜条件相关（图4d）。

偶极子引导模式的正相位与赤道中东太平洋的负SST异常和海洋大陆周围的正SST异常相关联（图4e），对应于发展中的La Nina（图4f）。增强的WPNSH可以通过海洋大陆的正SST异常（Sui等人2007； Chung等人2011）或赤道中太平洋的负SST异常（Wang et al.2013； Chen et al）强迫。2015； He et al.2015）。偶极子引导模式的负相的SST异常通常与正相相反（图4g），对应于显影的厄尔尼诺（图4h）。与正相相比，负相的复合SST异常较弱且边际显着，表明偶极引导模式的不对称性。

基于上述观测分析，20世纪90年代初，领先的ECSR模式从经向三重结构转变为经向偶极结构。东亚的年代际气候变化可能是由许多因素造成的，如温室气体排放和气溶胶强迫（Jiang and Tian 2013； Guo.2013；He and Zhou 2015），海气耦合系统的年代际变化（Kaji-kawa和Wang 2012；Wu等人，2016），以及大气内部动力学，如中纬度波列（Wu 2002；Wu和Wang，2002）和大气摩擦（Gao等人，2015），这样就很难找到准确的原因

20世纪90年代初领先的ECSR模式的年代际变化。然而，通过扩展海气耦合模型及其大气成分模型的长期整合观测，可以研究这两种主导模式是否可能源于海气耦合系统和纯净大气内部动力学。在下一节中，我们通过使用CCSM4的长期耦合模拟来扩展我们的分析。

4、CCSM4中年际

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