东亚夏季风降水的年际变化：三种海洋信号的联合影响外文翻译资料

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东亚夏季风降水的年际变化：三种海洋信号的联合影响

ZHIQI ZHANG, XUGUANG SUN, AND XIU-QUN YANG

CMA–NJU Joint Laboratory for Climate Prediction Studies, and Jiangsu Collaborative Innovation Center of Climate Change,School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing, China

摘要

东亚夏季风降水(EASMP)具有复杂的年代际变化特征，具有多个时间周期和空间格局。本研究利用长达一个世纪的HadISST、CRU降水和ECMWF 20世纪再分析(ERA-20C)资料，研究了三个海洋年代际振荡(即太平洋年代际振荡(PDO)、大西洋年代际振荡(AMO)和印度洋盆地模式(IOBM)对EASMP的联合影响。被发现不仅仅是它们各自效应的线性组合。当PDO和AMO不同步时，北太平洋和北大西洋出现相同的海温异常，沿亚洲西风射流波导，欧亚中高纬度出现一列经纬向定向的遥相关波列，从北大西洋传播到东亚北部。相应地，中国东部地区的年代际降水异常以经向三极模式为特征。当PDO和AMO处于相位时，北太平洋和北大西洋出现相反的SST异常时，异常平稳Rossby波数的夹层模式倾向于减少东地中海地区波导的影响，而来自北大西洋的遥相关波列仅沿大圆周路径到达中亚西部，导致印度夏季风降水(ISMP)异常。ISMP异常又与PDO和AMO诱导的遥相关波列相互作用，形成了中国东部地区年代际降水异常的经向偶极子模式。通过对ISMP的影响，IOBM对PDO和AMO的综合影响具有明显的线性调制作用，尤其是在东亚北部。

1.介绍

自从20世纪19年代以来，东亚夏季风降水的年际变化的问题受到了更多的关注。例如，研究发现，中国东部地区（(110°–121°E）夏季降水具有几种重要的年际振荡模式：一种近80年振荡的主导模式和12年和30-40年振荡的两种二次模式。伴随着这些年代际振荡模式，东亚夏季风降水呈现出复杂的长期演变。许多以前的研究表明，大约在20世纪70年代后期，中国东部的夏季降水经历了一个显著的向称为南方洪涝和北方干旱模式（SFND）的转换。其特点是长江流域(YRV; 28°–32°N)降水比正常情况多，华北(37°–42°N) 和黄河流域 (35°–38°N)降水比正常情况少。与此同时，中国南方的夏季降水量经历了十年的减少在20世纪70年代中期，但在20世纪90年代初期有所增加。此外，最近研究发现了20世纪90年代末的夏季降水的一个新的十年转变。其特点是黄淮流域下游降水量增加，长江流域南部降水量减少，华北干旱严重。这种空间分布不同于以前的南方洪涝北方干旱，这意味着东亚夏季风降水的年代际变化非常复杂，具有多个时间周期和空间分布。

因此，各种解释东亚夏季风降水的年代际变化的机制被提出。至于年代际南方洪涝北方干旱的降水模式，主要是由于20世纪70年代末东亚夏季风的年代际减弱，同时也与西太平洋副高（WPSH）的年代际向西南延伸密切相关。此前的研究表明，西太副高的年代际变化很大程度上取决于西北太平洋和印度洋海表温度异常的强烈年代际变化，例如，在20世纪70年代末太平洋十年涛动（PDO）的负-正相关转变或者年代际太平洋振荡（IPO）和热带印度洋-西太平洋自20世纪70年代末以来变暖。从20世纪90年代末东亚夏季风降水的最近十年变化来看，新的东亚夏季风降水模式是由于东亚异常经圈环流引起的，这是由于东亚夏季西风急流减弱和向极地移动导致的，并且他们认为这种模式可能是由20世纪90年代后期出现的负PDO阶段造成的。然而，东亚夏季风降水模式在两个负PDO时期（20世纪70年代前期和90年代后期）是不同的，这意味着PDO对东亚夏季风降水的影响是多样的。

作为亚洲夏季风系统的主要组成部分之一，印度夏季风（ISM）也表现出明显的年代际变化。它还可以通过印度夏季风引起的非绝热加热或冷却异常激发的大气遥相关模式对东亚夏季风的变化产生深远影响。印度洋和北大西洋的海表温度异常的年代际变化对印度夏季风降水的年代际变化有很大的影响。因此，印度夏季风降水可以作为印度洋和大西洋对年代际东亚夏季风降水影响的接替。另一方面，作为大西洋的主要海洋信号，大西洋几十年变化率（AMV）或大西洋年代际振荡（AMO）对整个北半球的气候有着重要影响，最近研究发现，大西洋年代际振荡可以通过年代际全球遥相关模式来影响东亚气候异常，并对东亚夏季风年代际变化的第二主导模式做出重大贡献。此外，最近的研究还发现，20世纪90年代末AMO对IPO和PDO变化的一种可能的影响。印度洋主要特征是以年代际时间尺度变暖或冷却模式，称为印度洋盆地模式（IOBM），与ENSO诱发的年代际印度洋盆地模式类似。IBOM变暖可减少ISM但是可以增加EASM，导致我国东部地区印度夏季风降水减少和南方洪涝北方干旱异常降水模式的明显减少。

作为主要的海洋年代际信号，PDO、AMO和IOBM可以对东亚夏季风产生各自的影响。然而，事实上，它们通常是同时出现和演变的，并且因为它们的主导阶段不同，PDO、AMO和IOBM的正、负两个阶段彼此叠加作用。相应地，这些年代际海洋强迫的联合作用将对大气环流和东亚夏季风降水产生联合影响。McCabe et al. (2004) 发现PDO和AMO的不同阶段结合对美国周边地区多年干旱频率的时间和空间变化的贡献超过一半，这表明了用阶段结合方法来研究年代际变化。Tokinaga et al. (2017)发现同时发生的，负相关向正相关转变的PDO和AMO是20世纪早期北极快速变暖的主要驱动力。对于几十年来的东亚夏季风降水异常，用CCSM4的长期模拟的方法。Zhu et al. (2016)发现PDO和AMO的联合影响可以改变东亚副热带西风急流，进一步诱发局部次生环流，并引起中国东部地区年代际夏季降水异常。然而，因为模型的偏差，模拟结果不能真实地反映观测结果。另一方面，Si and Ding (2016)发现AMO可以通过改变PDO模式的性质调节东亚地区的PDO效应，这在一定程度上解释了YRV-HHRV夏季降水和PDO的关系在不同时期变化的原因。Wu et al. (2016b)发现EASM年代际变化的主导模式与IOBM的联系比PDO更紧密。他们推测，20世纪60年代以后主导模式振幅的降低可能与IOBM振幅的同时变化有关，这意味着IOBM在形成年代际东亚夏季风降水异常中具有潜在的重要作用。显然，关于PDO、AMO和IOBM对东亚夏季风降水的联合影响的全部图片还没有明确地描述，尤其从观察中，更不用说涉及的机制了。

因此，从海洋信号的联合影响的角度，我们重新考察了PDO和AMO对东亚夏季风降水年代际异常的联合作用，识别了东亚夏季风降水的模式和在不同PDO和AMO阶段结合下相关大气环流异常，并说明了与之相关的两种Rossby波。最后，我们进一步揭示了IOBM对于PDO和AMO联合作用的调节效应。

论文的其余部分组成如下，第二节介绍了本研究的数据和方法，第三节展示了年代际东亚夏季风降水异常的特征和PDO、AMO和IOBM的特征，并展示了它们之间的线性关系。第四节说明了PDO和AMO对于东亚夏季风降水的联合作用以及与其相关的大气遥相关。第五节进一步研究了IOBM的调节机制。

1. 数据和方法
2. 数据

每月海温数据来自哈德莱中心海冰和海表温度数据集1.1版（HadISST1），从气象局哈德莱中心网站获得1870年1月至2016年8月的全球1°times;1°经纬度网格，HadISST1可以捕捉全球、半球和区域海温，并与已发表的分析结果进行比较。它是大多数大气模式的主要选择，并且对于研究与年代际气候变率相关的大规模信号也是有用的。

对于每月全球陆地降水，我们使用高分辨率网格CRU时间序列数据集3.23版本。该报告由东英吉利大学气候研究组制作，涵盖1901-2014年数据。它可以从英国国际大气科学中心获得。CRU TS数据集是根据分布在世界陆地地区的4000多个气象站提供的每月观测资料来计算的，它们适用于东亚降水变化的研究。

20世纪的月大气再分析数据由ECMWF20世纪1900年至2010年的网格分辨率20°times;20°经纬度再分析得出，并可从ECMWF公共数据集网站界面获得。ERA-20C只同化地面气压和海面风的观测资料，是由ECWMF的综合预报系统产生的。ERA-20C中规定的SST是HadISST版本2.1.0.0，它对海冰有很大的改进，并使SST和HadISST1基本相同。

研究期和气候学定义从1901年到2010年，我们只关注夏季。为了减少人为影响，首先删除本研究中使用的所有数据和指数的线性趋势。

1. 方法

PDO指数是根据Mantua et al.(1997) and Zhang et al. (1997)定义的，作为北太平洋月SSTA的主要组成成分，用纬度余弦的平方根加权。AMO指数定义是根据Enfield et al. (2001)，按纬度余弦加权的北大西洋盆地SSTAs，从赤道到北纬60°，从北美洲东海岸到经度0°。IBOM指数被定义为覆盖整个印度洋盆地（45°S-20°N，30°-120°E）的纬度加权面积平均余弦值，因为印度洋的海温变率主要以单极流域尺度变暖和冷却异常为特征。从1895年到2015年夏季的PDO、AMO和IOBM指数均按总体标准差线性去趋势和标准化，然后用11年的平均值对它们的年代际相进行滤波。

为了获得两个异常模式的局部相似性，在一个固定的6°times;6°的经纬度小窗口中，在整个研究域中从网格到网格进行模式相关，最终得到模式相关系数的空间模式。我们称这种方法为“移动模式相关”，因为在计算模式相关性时，小窗口从一个网格移动另一个网格。与简单线性相关相似，移动模式相关系数在-1.0到1.0之间，正值较大的区域表示这两种模式的相似性。在考虑序列相关的情况下，采用two-tailed Studentrsquo;s t 检验方法对相关性的意义进行评估，以有效自由度计算

其中N0是样本大小，r1和r2是两个序列的滞后自相关系数。这种评估也适用于表1中的线性相关系数。

在Takaya和Nakamura的基础上，计算了用于诊断平稳Rossby波能量传播的波活动通量，它在纬向变化的气候平均流中有很大的优势。在p坐标下，WAF水平分量的公式

在这里，表示稳定的纬向变化的基本流，是扰动流函数，有关更多细节请参考Takaya和Nakamura。

Rossby波导和Rossby波射线也被采用来演示Rossby波列的传播。Rossby波导是一个限制固定波能量传播的带状区域，并且它由平稳Rossby波数Ks在子午方向上的局部最大值来定义的，这意味着Rossby波导受Ks的经向梯度的影响。这里，Ks是根据Hoskins和Ambrizzi计算的，

其中Omega;是地球的自转角速度，Phi;是纬度，U是由300hPa旋转风导出的西风，是大气旋转速率，是球体上绝对涡度的经向梯度。Ks依赖于U，通常与西风急流相关。根据Hoskins and Karoly 和 Hoskins and Ambrizzi，Rossby波射线由得出

其中Ks是平稳波数，k是x方向的波数，结果表明，Ks越大(越小)，Rossby波的曲率越大(越小)。

1. 东亚夏季风降水和海洋信号的年代际变化
2. 东亚夏季风降水

图1a显示了1900年至2010年中国东部（110°-121°E）纬向平均夏季降水异常的时间纬度剖面，清楚地显示了使用11年的运行平均值的年代际分量。从总体上看，夏季降水异常的演变表现出两种截然不同的年代际变率：江南和江北。在北方，降水异常通常出现在长江上方，然后逐渐向北传播到中国北方。异常湿雨带和干雨带的形成和传播是交替发生的，在20世纪70年代中期前后产生了SFND等降水异常模式，并在90年代末前后产生了北移SFND等降水异常模式。但在南方，正负降水异常发生在不同年代际，特别是华南地区，例如，20世纪70年代中期前后的年代际湿干转换和90年代初的年代际干湿转换。另一方面，几十年的降水异常更为显著，例如，20世纪50年代末到70年代末长江流域严重干旱，以及20世纪70年代末到90年代末，中国南部干旱严重。同时，在某些特定地区也有一些时期，没有明显的年代际夏季降水异常，例如，20世纪50年代初到70年代末的华南地区。由于年代际降水异常可能与长期强迫有关，所以在年代际尺度上强迫也必然是不同的和复杂的。此外，由于1925年以前观测资料稀少，因此本研究不考虑分析这一时期的降水异常。

1. 海洋信号

与中国东部夏季降水异常的演变相对应，在同一时期内显示了PDO（图1b）、AMO（图1c）和IOBM（图1d）的线性降低和标准化指标以及11年平均值（图1e）。

除了明显的年际变化外，PDO和AMO的年代际变化更显着，它们表现出相对规律性的年代际振荡。分别在图1b和图1c里，其正相和负相分别用P1、P2和N1、N2表示。还可以看出，AMO的主要年代际周期比PDO长。此外，PDO和AMO几乎相互独立，因为它们的线性相关系数分别为11年平均前后的-0.08和0.03（表1）。然而，如果我们仔细观察PDO和AMO的相变，在研究期间，每个PDO和AMO都有三个显著的相变：20世纪40年代中期、70年代末和90年代末的PDO，以及20世纪20年代中期、60年代初和90年代后期的AMO。相应地，正PDO相为1934-45(P1)和1977-98(P2)，负PDO相为1946-76(N1)和1999-2010(N2)；正AMO相为1926-61(P1)和1998-2010(P2)，负AMO相为1902-25(N1)和1962-97(

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