北大西洋副热带高压变化及其在美国东南部夏季降水变化加剧中的作用外文翻译资料

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北大西洋副热带高压变化及其在美国东南部夏季降水变化加剧中的作用

这项研究调查了北大西洋副热带高压（NASH）的变化及其对美国东南部（SE）夏季降水的影响，使用国家环境预测中心（NCEP）的850 hPa高度场再分析资料，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）40年再分析资料(ERA-40)，长期降水资料，以及IPCC第四次评估报告（AR4）在过去六十年（1948-2007）的模式模拟结果。结果表明，过去30年中的NASH变得更加强烈，其西脊向西移动，与前30年相比经向运动增强。当NASH在最近几十年移近美国大陆时，NASH对美国东南部降水年际变化的影响通过高压脊的南北运动而增强。该研究的归因分析表明，NASH的变化主要是由于人为变暖。在二十一世纪，随着大气中二氧化碳浓度的增加，NASH的中心将加强，NASH的西脊将西伸更远。根据IPCC AR4模式的建议，这些变化将增加未来美国东南部的夏季异常洪涝和干旱的可能性。

1. 简介

美国东南部（SE）的夏季降水对区域水文和农业非常重要。在最近几十年（1948-2007年），观测结果表明，该区域夏季降水强度逐年增加。在北半球夏季[6月-8月(JJA)]，具有强异常降水的夏季（定义为总季节性降水异常大于一个标准差的夏季）的频率在这一时期的第二个30年期间比第一个30年增加了一倍以上（图1）。这种变化主要是由于在异常干燥的夏季期间的非下雨天显著增加，以及在异常潮湿的夏季期间强降雨事件的增加。Chisquare试验表明，两个时期之间具有强异常降雨的夏季数量的变化是显着的。与年平均值的变化相比，夏季强降水异常对人类和自然系统有更大的影响。加剧的干旱和更强烈的雷暴已经改变径流，增加土壤侵蚀，并影响整个美国的作物产量。

许多因素可能影响美国东南部的夏季降水变率，如海平面温度（SSTs）和相关的大气环流异常，飓风活动和土壤水分。其中，北大西洋的副热带高压可能是美国降水量变化最重要的因素之一。

这个副热带高压是北大西洋的半永久系统。在北方夏季，其表面中心位于百慕大附近（25°-40°N，20°-50°W）的范围内，通常被称为“百慕大高压”。在过去，已经研究了北大西洋副热带高压（NASH）以改进对飓风轨迹的预测，并且用以了解美国东部，西欧和西北非的天气和气候。然而，不同于太平洋上的副热带高压，北大西洋副热带高压，特别是其西高压脊的年际到年代际尺度变化对美国东南部的夏季降水变化的影响还没有研究。在本研究中，我们使用国家环境预测中心（NCEP） - 国家大气研究中心（以下简称NCEP）再分析资料，欧洲中期天气预报中心（ECMWF）40年再分析（ERA-40）数据集，长期降水资料和参与政府间气候变化专门委员会（IPCC）的气候模式第四次评估报告（AR4），来研究NASH对美国东南部夏季降水在年际和年代际尺度上的影响。在下一节中，描述了资料和主要方法，还讨论了NASH的强度和运动的定义。第3节给出了结果，结论和讨论在第4节中给出。

1. 资料和方法

本研究中使用的资料包括降水，大气位势高度，风场和湿度场。夏季季节平均值通过JJA的平均值获得。 为了与我们以前的工作一致，我们分析了国家海洋和大气管理局（NOAA）气候预测中心（CPC）在1948-1998年的降水资料，以及实时美国每日降水分析1999-2007年的降水资料，区域与Wang等人（2010）研究的相同（25°-36.5°N，76°-91°W）。两个数据集都在0.25°X0.25°的网格点上（纬度X经度）。

在本研究中选择850 hPa位势高度场来代替海平面气压场来表征NASH强度，以避免NASH西边缘的可能产生的地形效应，因为半永久NASH在600hPa以下具有正压结构（未示出）。NCEP再分析资料分析时段从1948年至2007年，与Wang等人（2010）观测降水时段同期。我们还分析了1958 - 2002年期间的ERA-40再分析资料，以验证我们从NCEP获得的结果。这两种广泛使用的再分析资料具有相对较长的周期（NCEP为60年，ERA-40为45年），并与以往研究观测到的在北大西洋年代际变率一致（Wu和Liu 2005）。

我们研究了由世界气候研究组（WCRP）耦合建模工作组（WGCM）为气候变化专门委员会第四次评估报告组织和协调的耦合海洋-大气环流模式的850 hPa位势高度场。我们考虑了三组模拟：工业前模拟实验（PICNTRL），二十世纪强迫模拟实验（20C3M）和排放情景A1B（A1B）下的二十一世纪模拟实验。PICNTRL实验代表了耦合的海洋和大气气候系统的自然变率，温室气体固定在工业前水平。二十世纪的强迫实验（20C3M）是在各种人为强迫下估计变化，以及对于一些模式，由自然外部强迫如太阳辐射变化和火山气溶胶的变化所驱动的。A1B情景描述了一个经济增长和全球人口增长都非常快速的未来世界，在21世纪中期达到峰值，此后又下降，并且有新的更高效的技术引入。在二十一世纪的模拟中，CO2浓度在2100年翻倍至720ppm，之后固定。在工业前模拟、二十世纪强迫模拟和二十一世纪模拟中一共有23个模式。

NASH的中心定义为在NASH的气候平均区域（20°-45°N，80°-10°W）内850hPa处具有最高位势高度的位置;因此，最高位势高度值定义为 NASH的强度。使用区域平均位势高度值（20°-45°N，80°-10°W）和使用最高位势高度值来表示NASH的强度之间的比较显示出了类似的结果。在60年期间，850hPa中心的位置具有与NASH在海平面中心相似的纬度和经度（未示出）。NASH的脊线满足，其中u为纬向风。按传统，气象学家在850 hPa面上以20-gpm的间隔描绘位势高度线。1540-gpm线远伸到大陆，而1580-gpm线仍然在北大西洋; 因此，使用1560-gpm线代表NASH迁移的西方边界。夏季西伸脊点随后被确定为1560gpm线与NASH的脊线相交的点。为了避免西脊点在CMIP3模式中可能的传播并使结果可比较，我们使用跨越86°W经度的气候轮廓代表NASH的西部边缘。该经度是根据观测到的气候NASH位置基于NCEP再分析数据导出的。为了确定NASH的变化如何与自然年代际变率相关联，考虑大西洋多年振荡（AMO）和太平洋年代际振荡（PDO）指数。AMO和PDO指数可从http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices / list /在线获得。我们的工作研究了NASH变化与美国东南部最近几十年夏季降水变率增强的关系，及其对该地区未来气候的影响。

1. 结果

NCEP和ERA-40再分析资料都表明NASH发生了年代际尺度变化（图2）。图2显示了在1948 - 1977年和1978 - 2007年期间NCEP资料和在1958 - 1977年和1978 - 2002年期间ERA-40资料NASH西伸位置的显著差异。在第一阶段（1948 - 77年为NCEP，1958 - 77为ERA-40），NASH的西脊的平均位置在NCEP（ERA-40）再分析中位于81°W（82°W），其中第二阶段（1978 - 2007年为NCEP，1978 -2002年为ERA-40），平均西脊在NCEP（ERA-40）再分析中转移到87°W（86°W）（图2）。两个再分析数据集之间存在一些差异。西伸脊的年代际移动在NCEP（60年）中大约为6°而在ERA-40（45年）中（图2）大约为5°。然而，这两个数据集表明从 20世纪70年代末期NASH的西伸脊点有显著向西的趋势（图3），类似于西太平洋副热带高压的结果。从NCEP和ERA-40再分析资料来看，脊的平均西移速度大约是-1.22°/十年和-1.19°/十年。另外，NCEP和ERA-40再分析资料都显示NASH中心的强度增长趋势是0.9gpm/十年 和 0.87gpm/十年，在60年和45年这段时期。中心强度和西脊经度之间的相关系数为-0.42（-0.34），在NCEP（ERA-40）再分析数据的1％（1％）显著水平下。基于线性回归（未示出），NASH的中心的强度变化似乎解释了脊的西向延伸的38％。因此，脊的向西延伸与NASH的强度变化密切相关。

随着NASH的西向延伸，其西脊的南北（N-S）迁移对美国东南部的夏季降水影响更大。. 图4显示了使用NCEP（ERA-40）资料得出的西脊纬向变化与美国东南部的标准化降水指数（NPI）之间的30年（20年）移动相关系数的时间序列。NPI定义为降水异常（图1）除以其标准差。随着从第二个时期开始的更多年份被纳入计算，NCEP和ERA-40的相关系数增加到约0.7，表明NASH对第二时期阶段美国东南部夏季降水有较大的影响。

西脊的纬度变化对美国东南部降水的影响也可以在图5中看到，分别显示了NCEP和ERA-40两个时间段降水与西脊纬度的线性回归系数。在美国东南部发现显著的负系数（在5％显着水平下小于-0.3），除了在NCEP（ERA-40;图5b和5d）资料的第二个30年（25年） ，在佛罗里达的某些地区。在图5中绘出的两个时期的水汽通量也表明在第二阶段NASH对美国东南部气候的影响更强烈。当西脊向北移动时，美国东南部的降水趋于减少，因为该区域位于NASH的西部，而天气模式主要由下沉气流控制（图2）。同样，当NASH向南移动时，美国东南部的降水量趋于增加，因为该地区位于NASH的西北部，沿着NASH西部边缘的风输送了来自墨西哥湾的温暖和潮湿的空气。使用NCEP（ERA-40）资料在1％（1％）显著水平下分析，相比第一阶段，西部脊的南北运动在第二个30年（20年）期间的方差增加了47％，对应于美国东南部夏季降水量的增强变化（图1）。这种负的降水系数在第一时期阶段并不显著（图5a和5c），表明从第一阶段到第二阶段，NASH对美国东南部夏季降水量有显著增加的影响。

是否观测到的NASH变化是由自然变率或者人为强迫引起的？我们已经研究了NASH的变化与其他自然年代际变率模式（如AMO和PDO）之间的关系（图2）。AMO（PDO）指数和西脊经度之间的相关性仅为-0.19（0.18），不通过显著性检验。因此，自然年代际变率模式似乎不解释NASH的变化。因此，我们通过将观测到的趋势与基于模式模拟的在非强迫和强迫变化下的趋势进行比较，研究了人为强迫对NASH变化的潜在影响。

图6a和6b给出了工业前模拟实验（PICNTRL，50年）、二十世纪模拟实验（20C3M，1950-99）和二十一世纪模拟实验中的NASH强度趋势和西脊趋势的分数分布 ，从所有23个CMIP3模式获得。在二十世纪模拟实验中，与PICNTRL模拟中的分布（20％）相比，约58％的模式显示NASH中心的强度增加（图6a）。在二十一世纪模拟中，这个百分比达到100％（图6a）。超过60％的模式表明中心强度的增加率更高（超过1.5gpm/十年，图6a）。在20C3M和A1B模拟中，NASH的西边界随着中心强度的增加而进一步西伸扩展。在二十一世纪，随着温室气体的增加，相比在二十世纪65％的模式，所有模式都显示向西扩展（图6b），这表明NASH在美国东南部气候中起到更重要的作用。相反，PICNTRL模拟表明大多数模式没有这种趋势或显示NASH西边缘的微小东向运动，而不是观测到的向西运动（图6b）。图6c示出了前工业模拟（PICNTRL），二十世纪模拟（20C3M）和二十一世纪模拟（A1B）西脊的南北变化的标准偏差的趋势。在二十世纪模拟中，NASH西脊增强的经向运动被约30％的模式捕获，与PICNTRL模拟得出的百分比相似。然而，NASH在PICNTRL模拟中位于美国大陆相对偏东部（图6b）; 因此，其对美国东南部的降水的影响比观测到的弱。西脊增强的南北移动变化在二十一世纪模拟中更明显，70％的模式显示出标准偏差的增加趋势（图6c）。夏季降水变率也有所增强。图6d显示了二十世纪和二十一世纪之间的降水方差的差异。大约70％的模式显示在美国东南部随着温室气体的增加的降水变率的增强，表明与NASH的西向延伸相关的夏季降水变率增加，以及NASH影响的增加。

4.结论和讨论

近几十年来，在美国东南部观测到夏季降水的变率增强。我们的研究结果表明，这种降水变率的增强与NASH的变化密切相关。

使用来自NCEP，ERA-40再分析资料和用于IPCC AR4的CMIP3模式的850hPa位势高度数据，我们分析了近年来夏季NASH的强度和西脊运动。

我们的研究结果表明，通过对NCEP和ERA-40再分析资料的分析，与1978年之前相比，从1978年以来这段时期NASH已经向西移动而且中心的强度在增加。副热带高压脊的西伸增强了高压系统对美国东南部降水的影响，通过1978年以后的西脊南北位移这种方式。我们的研究结果表明，NASH有中心的强度增强和向西运动的显著趋势，而在最近三十年南北向运动增强。脊的经向运动和中心的强度以及脊的纬向运动之间的不同变化/变率表明，除了NASH的中心强度之外，还需要考虑其他因素，如局部SST异常和中纬度波动。

我们的归因分析表明，全球变暖似乎促进了NASH的变化。控制NASH变化的物理过程是复杂的，包括偏远地区的季风加热，副热带大陆和相邻海洋之间的加热对比，局部大气-海洋相互作用，以及大气平均环流的变化。全球变暖如何影响这些过程需要在未来进行研究。

我们对IPCC AR4模式的分析表明，随着二氧化碳的增加，NASH系统将可能在二十一世纪加剧，扩张和移动得更远，表明未来极端降水事件和干旱在美国东南部增加的可能性。

图1.观测到的60年期间JJA在美国东南部的降水异常（mm/天）。水平虚线表示夏季降水的1个标准偏差

图2.两个时间段JJA期间850hPa的1560-gpm等高线的年际变化，用NC

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