1900-2010年华北地区干旱的多年代际变化及其与PDO的关系外文翻译资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

1900-2010年华北地区干旱的多年代际变化及其与PDO的关系

钱诚

RCE-TEA,LASG, 中国科学院大气物理研究所, 北京; 中国气象局干旱气象研究所, 兰州, 中国

周天军

LASG, 中国科学院大气物理研究所, 北京, 中国

(2013年4月17日收稿,2013年8月31日定稿)

摘要 从20世纪50年代以来中国华北经历了严重的干旱化趋势，但由于数据记录短，这一趋势究竟是自然变化还是人为影响尚不清楚。在自修正Palmer干旱指数（PDSI）数据的基础上，本研究将华北干湿变化的分析扩展至1900-2010年。采用集成经验模态分解方法来检测多年代际变率。在1959/60年前后检测到从显著变湿到显著变干的转变。在1960 - 1990年的干旱化趋势中，约70%源于50 - 70年的多年变化，与太平洋年代际振荡(PDO)有关。华北地区的PDSI与PDO指数呈显著负相关，尤其是在50 - 70年的时间尺度上，在1900-2010年也较为稳定。由于夏季的异常PJ/EAP遥相关型两个PDO 阶段(1922 - 45和1977 - 2002年)和一个PDO-阶段(1946 – 76)的合成异常,在应对PDO相关的热带印太海表温度暖异常和从热带西太平洋经向延伸到东亚沿岸华北地区，影响华北当地的干湿状况。华北地区以中低层异常高压系统和850hpa反气旋为主，是适宜干旱的条件。此外，东亚由负向海陆温差的PDO 阶段减弱，也削弱了东亚夏季风，从而在华北地区的干旱化发挥重要作用。

1、引言

干旱是破坏性最大的极端气候事件和自然灾害, 每年造成数百亿美元的损失, 影响全世界数百万人 (Wilhite, 2000年)。华北是中国主要的工农业生产基地之一。近几十年来, 该地区面临着干旱加剧, 每年都造成巨大的经济损失 (Fu和An 2002年；Fu和Ma 2008年)。为缓解华北缺水问题, 中央政府启动了南水北调工程。因此, 了解华北近期干旱的原因, 预测未来 10-30年的变化, 对决策者至关重要。

以往的研究主要集中在20世纪50年代以来华北地区的年代际干旱 (Hu等人,2003年;Gong等人,2004年;Dai等人,2005年;Yang等人,2005年;Ju等人,2006年;Ma 2007年;Li等人,2010年)。这一时期与东亚夏季季风环流减弱有关, 导致华北夏季降水不足, 但中国中东部沿长江流域降雨偏多。这种降雨模式在中国通常被称为 '南涝北旱' (如yatagai和yabunari, 1994年;hu 等人, 2003年;yu 等人, 2004年;Yu、Zhou 2007年;Zhou等人, 2009年;Li等人, 2010年)。以往许多研究表明, 东亚夏季风减弱的趋势是受太平洋年代际振荡的影响(Yang等人 2005; Ma 2007; Li等人2010)或者是热带太平洋和印度洋最近的增暖(Hu 1997; Chang等人,2000; Yang和Lau 2004;Zhou等人,2006; Zhou等人, 2009b; Li等人,2010)。

1950 - 2000年历史海平面温度(SST)对大气环流模型的模拟表明，近几十年来，作为PDO热带分支的热带海洋上空的变暖对东亚夏季风环流的减弱起到了重要作用(Li等人,2010)。其他研究则将降雨变化与人类活动联系起来，如污染导致的气溶胶增加(如Menon等人, 2002)和人为导致的土地覆盖变化(如Fu 2003)。然而，到目前为止，对于1950-2000年东亚夏季风减弱的机制尚未达成共识[参见Zhou等人(2009a)的综述]。

关于华北地区干旱趋势年代际变化机制的争论部分与数据长度的限制有关，因为大多数研究都是基于1950年以后获得的气候数据。在整个20世纪，基于仪器数据进行扩展分析的研究数量有限。例如，Ma和Shao(2006)对1901-2002年记录的数据使用地表湿度指数讨论了中国北方干湿年变化与PDO之间的统计关系。Zhang和Zhou(2011)比较了1901-2001年中国夏季降水与其他季风地区的变化。然而，这些研究并没有研究其物理机制。

此外，1960-80年期间多年气候变化的作用(Schlesinger和Ramankutty,1994;Wu等人,2011)或50-70年(Minobe 1997,1999)的干湿演化，特别是近期华北地区的干旱化，尚不清楚。本研究的主要目的是考察华北地区1900-2010年干湿的演化过程，并探讨其与多年尺度PDO相变的关系。采用自修正 Palmer干旱指数(PDSI)数据(Dai 2011年a)，该数据是气象干旱最显著的指数，考虑了降水和温度变化对大气水分补给(降水)和需求(潜在蒸散)之间地表水平衡的累积效应。通过使用一种称为集成经验模式反合成(EEMD)方法的自适应和时间局部数据分析工具来识别多年的变化(Wu等人, 2009;Huang和Wu, 2008)。结果表明，华北地区1960-90年的干旱化约有70%来源于50 - 70年的多年气候变化，这与PDO的变化模式有关。华北地区PDSI与PDO指数的负相关在整个20世纪的几十年时间尺度上是稳定的。我们的结果对10 - 30年的十年预测是一个有用的启示(Meehl等人,2009)。

本文的其余部分安排如下。在第2节中，我们描述了本研究中使用的数据和方法。结果在第3节中给出，并在第4节中给出进一步讨论的总结。

2. 数据和方法

a.数据描述

本研究中使用的PDSI数据是基于历史数据(Dai 2011a)的更复杂的Penman-Monteith方程(sc_PDSI_pm)估计的带有潜在蒸散的月度自修正PDSI数据。我们使用这些在1850 - 2010年期间的数据的更新版本(存档于http://www.cgd.ucar.edu/cas/catalog/climind/pdsi.html)。该数据可在2.5°times;2.5°网格上获得，覆盖60°S到77.5°N之间的全球陆地面积。这些数据是根据1850-2010年期间的月降雨量和地表气温观测数据计算出来的，并且是自校准的，即使用当地气候条件进行校准，而不是使用Palmer(1965)基于美国中部数据的(固定)系数进行校准。因此，自校准的PDSI在空间上比原始的PDSI更具可比性(Dai 2011a)。

PDO月指数是北太平洋海温月异常的主要标准化主成分，向极20°N，由华盛顿大学(http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest)提供。月平均全球海温异常已被移除，以将这种变化模式与数据中可能出现的任何全球变暖信号区分开来。该指数的详细信息可以在Zhang等(1997)和Mantua等(1997)中找到。此外，哈德利中心海冰和海面温度数据集1.1 (HadISST1.1) (Rayner等人,2003)的1900-2010年海表温度月数据网格分辨率为1.0°times;1.0°。为了研究降水和地表空气温度在PDSI多年变化中的作用，使用了以下数据集。

1)更新了由Dai (2011a)和气候研究单元(CRU)温度产品版本3 (CRUTEM3)温度异常(Brohan et al. 2006) (archived athttp://www.cru.uea.ac.uk/ CRU /data/temperature/)在1880 - 2010年期间合并的降水数据，用于计算sc_PDSI_pm (Dai 2011a)。在这些降水数据集中，1850-1947年间的月异常数据来自Dai等人(1997)，1948-78年间的月异常数据来自Chen等人(2002)，除此之外，Huffman等人(2009)基于全球降水气候学项目2.2版(GPCP v2.2)更新的1979-2010年月异常数据来自Huffman等人(2009)。关于这些合并数据集(以下简称Dai数据集)的详细信息将在Dai (2011a)中讨论。

2) 1901-2009年CRU TS3.1数据集降水和地表气温数据(Harris等人,2014)，分辨率为0.5°times;0.5°网格。对于降水，我们使用版本3.10.01中的新数据文件，因为CRU TS v3.10生成的降水、潮湿天气和霜冻频率数据文件(http://badc.nerc.ac/view/badc.nerc.ac.uk__atom__dataent_1256223773328276)中发现了一个系统错误。

3)全球历史气候网第二版(GHCN v2) 1900 - 2010年5°times;5°月降水异常数据集,是由美国国家海洋和大气管理局/国家气候数据中心(NOAA /NCDC)提供 (http://www.ncdc.noaa.gov/temp-and-precip/ghcn-gridded-products.php)。

4)全球降水气候中心完整数据再分析6.0版本(GPCC v6)开发的降水数据，1901 - 2010年期间空间分辨率为0.5°times;0.5° (Schneider等, 2011) (存档于ftp://ftp.dwd.de/pub/data/gpcc/html/fulldata_v6_doi_download.html)。

除了观测数据，每月20世纪再分析数据第二版(20 CR) (Compo等人,2011)1900 - 2010年期间网格分辨率为2.0°times; 2.0°用于研究控制华北地区干湿状况的大气环流变化。20 CR是国家环境预报中心(NCEP)运行气候预测系统模式的大气成分输出，由HadISST1.1数据集的演化SST和海冰浓度场驱动 (Raynei等,2003)。海平面压力 (SLP) 的历史记录被同化(Compo等人,2011)。使用了20CR预测的SLP、850hPa风(UV850)、500hpa位势高度、350hPa经向风(V350)、200hPa纬向风(U200)、1000 - 500hPa的气温和地面压力数据。还使用了由20CR预报的地面降水率的高斯网格化(192times;94)。此外，40年欧洲中期天气预报再分析中心(ERA-40) (Uppala等人,2005)的数据用于与20CR进行大气环流夏季气候学的比较。

b.分析方法

如图1a所示，我们计算华北地区(35°-42.5°N, 110°-117.5°E) sc_PDSI_pm数据的面积加权平均值，得到一个指数时间序列，即NC-PDSI。该区域与Ma 和Shao(2006)及Ma(2007)一致。为了与1900年开始的PDO指数保持一致，NC-PDSI的分析周期为1900 - 2010年(图1b)。表1中根据PDSI值(Palmer 1965)定义了干湿期的等级。此外，计算了华北地区平均降水和地面气温异常，记为NC-P和NC-T。本研究中的所有异常都是相对于1961 - 90年基期进行计算的，与CRUTEM3一致。

集成经验模态分解(EEMD)方法(Wu和Huang, 2009;Huang和Wu,2008)，近年来开发的一种自适应和时间局部滤波器(如Wu等人,2011;钱学森等人,2011 b),用于对1900 - 2010年期间的月NC-PDSI和PDO指数分解各种时间尺度分量(表2)。根据这些成分的平均时间,通过将C1和C2作为年际变化，C3，C4和C5作为年际变化，将C6和C7作为年代际变率加以求得，得到了五个主要的时间尺度成分;将C8作为多年代际变异性（MDV）;并将最后两个分量作为自适应非线性趋势求和（Wu等人,2007）。EEMD还用于分解1900-2010年的年平均NC-P和NC-T时间序列，以获得它们的MDV和非线性趋势，是年度平均值系列的第六个也是最后一个组成部分。

此外，当EEMD方法显示趋势转变时，应用最小二乘线性趋势分析来估计转折点前后的线性趋势。采用基于秩和非参数Mann - kendall统计检验(Mann 1945;Kendall 1955)来评估线性趋势的统计显着性。由于该测试要求样本数据是连续独立的，因此预白化方法被用来(von Storch和 Navarra 1995)在应用之前将序列相关性的影响从数据中移除。通过计算实现预白化：

公式XP_t = X_t-rX_{(t - 1)},(1)

其中XPt为t时刻预白值，Xt为t时刻时间序列的原始值，r为估计的滞后自相关。

使用132个月(11年)的滑动平均来确定NC-PDSI和PDO指数中相变的时间。由于我们关注的是干旱是否发生，根据表1所示的信息，NC-PDSI的阈值为21(图1b)。基于132个月的滑动平均，我们分析了SLP、UV850、中下对流层(地表至500hPa)垂直综合气温、V350、海表温度和降水在1922 - 45年和1977-2002年的PDO正相减去1946-76年(以下分别称为PDO 和PDO-)的负相。在我们的综合分析中，没有使用1922年之前的数据，因为在1920年左右(Dai 2013)之前，热带太平洋上的海温观测非常稀少。利用双侧t检验确定了合成异常的统计意义。

3.结果

a. NC-PDSI的特点

图1b显示1900-2010年间NC-PDSI在27.4 - 4.7之间。根据表1所列的类别，极端干旱主要发生在20世纪初和2000年左右，而极端湿润仅发生在1964年的两个月。EEMD结果显示，NC-PDSI的振荡周期分别为3.4和8个月，以及1.4,2.8,5.8,15.9,27.8和55.5年(表2)。55.5年的MDV占总方差的13.1%。这一MDV的峰值在1960年左右，而在20世纪30年代初和90年代初，有两个最小值很明显(图1b)。在这两个极小值之间，从负(正)相变为正(负)相变的时间接近1945 - 46(1976-77)。这个MDV是叠加在一个非线性趋势上的，这个非线性趋势占总方差的15.0%，并且包括了在20世纪50年代后期从湿润趋势

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[19245]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word