对美国干旱响应年际和年代际太平洋海温变化的模拟外文翻译资料

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对美国干旱响应年际和年代际太平洋海温变化的模拟

ROBERT J，BURGMAN，YOUKYOUNG J ANG

地球和环境部，弗罗里达国际大学，迈阿密，弗罗里达

摘要：本文利用美国气候变率和可预报性计划（CLIVAR）干旱工作组的理想大气环流模式（AGCM）试验，研究了太平洋海面温度（SST）变化的自然模式对美国本土干旱的影响。目前的研究扩展了以前的结果，通过检查三种不同模式的理想化太平洋海温异常在不同时间尺度上运行的三个AGCM的大气响应：低频（年代际），高频（年际），大气响应和泛太平洋模式保留的年际和年代际变化特征。而强迫模式一般在外观上相似，结果表明，在赤道和热带SST强迫的成分足以引起遥相关不同，导致对降水响应的幅度和重要性的区域差异。模拟干旱响应在大气环流模式和不同冷位相（类似拉尼娜）海面温度模态的差异取决于模型对赤道和热带海面温度异常强迫的振幅和陆气耦合的敏感度以及大气内部变率的振幅。结果表明，美国西北部和大平原地区对温带海面温度强迫要素特别敏感。有证据表明，最近几年，当海表温度的冷相模式正如那样联合起来，结构干涉导致大平原上的干旱响应增强。

1 介绍

加利福尼亚和大平原地区最近几年的干旱与1999年开始的美国接壤的干旱期延长，在1999, 2002, 2006、2008和2011年间出现了更严重的区域干旱。2012年，美国干旱监测局宣布中度至极端干旱状况覆盖了美国的64%，这是自20世纪30年代“干旱尘暴区”以来影响美国最严重的干旱事件。由此造成的普遍收成歉收和牲畜数量减少影响了肉类和乳制品的价格。据估计，2012年的干旱和相关的热浪造成的损失达数百亿美元。大平原地区在20世纪50年代和30年代（上述尘暴干旱时期）以及十九世纪的几十年间持续干旱的可比较期都被记录下来(Herweijer等. 2006; Herweijer 与Seager 2008)。此外，代理气候记录和古书建模研究的分析表明，在过去1000年中，美国出现了类似的持续干旱期(Woodhouse和Overpeck 1998; Herweijer与Seager，2008；Seager 等，2008；Burgman 等，2010)。

显然，这种极端干旱事件对美国有巨大的社会和经济影响。了解干旱发生、持续和强度的机制和可能性对于决策者来说至关重要，他们必须评估潜在的影响和管理措施。例如，决策过程将在很大程度上取决于美国西南部和中部地区最近的干旱是由自然气候变化还是由气候系统的外部强迫所致。过去十年美国的干旱状况究竟是由气候变化、自然变异还是由仅仅随机的内部变异引起的？如果它们与自然变异有关，那么预兆来自哪里？未来的干旱能被预测吗？如果有长期的可预测性，这种可预测性的“记忆”就存在于全球海洋中，但全球海洋对北美干旱的影响究竟如何仍未得到解决。影响北美洲水文气候的重要因素包括温带和热带太平洋海表温度、北大西洋海温、风暴路径的变化、大西洋和太平洋副热带高压的变化、大平原低空急流的变化与地表过程（Ropelewski和Halpert，1986；Trenberth et al，1988； Enfield 等，2001； Hu和Feng 2002； Barlow等，2001；Trenberth和Guillemot 1996； Higgins等，1997；Koster等，2006）。尽管机制还不是很清楚，与持续干旱有关的气象条件是有据可查的（i，e， Namias，1955；Trenberth和Guillemot，1996；Mo等，1997；Trenberth等，1998； Thompson和Wallace，1998；Nigam等，1999；Schubert等，2004a，b； Hoerling和Kumar 2003； Seager等， 2003， 2005； Wu与Kinter 2009； Seager等， 2010）。在北半球冬天，热带太平洋强迫北美洲降水变化通过罗斯贝波传播的“遥相关”来实现，这一观点被广泛接受。Seager等人（2003，2010）最近的研究也指出了对热带气候变暖的大气对称性响应更持久，这种响应包括副热带急流的赤道变化和中纬度地区的瞬态涡旋和对流层冷却，这些变化会导致异常上升。Seager等人（2003，2010）最近的研究也指明，一个更持久的纬向对称的热带气候响应，包括在副热带急流中的赤道位移和异常上升的中纬度瞬变波和对流层冷却相关的气候变暖的响应。由于热带太平洋海表温度异常冷，副热带急流和瞬变向极移动导致中纬度异常下降和变暖，还导致了美国本土大部的干旱。为了更好地理解海表温度和干旱之间的关系，建模机构在向气候研究者提供有价值数据方面开展了合作（Gates等，1999）。

为了理解大气对随时间变化观测的海表温度的响应而进行了一些建模工作，在此之外，一些研究采用了更理想的模型结构，以解释在特定海域不同流域或不同区域的海表温度对区域降水和远程降水变化的相对作用。需要注意的是，在这些模拟中，由于海表温度异常（SSTA）模式在时间上是相对固定的，在观测到的海表温度季节性异常中，大气环流模式为非重要方面。当考虑厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）引起的热带太平洋变化时，这一点尤为重要，厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）往往会在寒冬季节达到顶峰。然而，理想化的“固定海表温度”方法已被应用到确定区域海表温度对强迫远程大气响应相对作用的巨大影响方面。Latif和Barnett（1994）在永久性一月模拟中用北太平洋海温差异的主导模式强迫一组大气环流模式（AGCM），以此表明太平洋-北美（PNA）模式中，弱阿留申极低值可能在没有热带SST强迫情况下重现。 Barsugli和Sardeshmukh（2002）将SST异常“小块”分别排列在整个热带太平洋的42个位置，以永久性一月模拟来确定AGCM对变异性领先模式（如PNA模式）的敏感性。作者们发现，PNA指数主要对厄尔尼诺4区的热带海温敏感，虽然他们也确信PNA模式中的个别活动中心（例如加拿大西部的正压）对不同位置的海温敏感。

Schubert等人（2004）用全球观测海温和一个固定的泛太平洋海温模式（与时间有关）强迫了国家航天航空局（NASA）季节际到年际预测项目（NSIPP）的AGCM，他们发现，当热带东太平洋长期处于相对冷状态时，大平原地区总是处于时间尺度上低频的气象干旱。Hoerling和Kumar（2003）进行了相似的有限制的海温实验（时间无关），关注点在于不同模拟情况下，冷的东部热带太平洋和暖的西部太平洋对抗以及印度洋热带海温异常的相关作用。作者们认为，这两个区域的海温建设性地互相干预，以致产生了对1998-2002年遍布北美、南欧、西南亚中纬度干旱而言“完美”的海洋。

最近美国气候变化与预测计划（CLIVAR）的干旱研究小组（DWG）研究了海温优势地位模式与美国降水之间的联系（Schubert等，2009； Findell和Delworth，2010；Mo等，2009；Wang等，2010；Hu等，2011）。在这个多机构的大气建模工作中，太平洋、大西洋以及全球变暖趋势的海温异常模式被规定为在几种不同的配置【例如，暖-中性-冷太平洋联合暖-中性-冷大西洋；见Schubert等（2009）】中的持续强迫，以此来研究海温对美国降水的影响。到目前为止，在这种建模工作之上的研究都关注基准太平洋海温模式，这一模式在赤道有与NESO观测到的年际变化有关的振幅，除此之外在温带还有与数十年的变化有关的振幅【即年代际太平洋涛动（IPO；Power等，1999） 和太平洋年代际振荡（PDO； Mantua等，1997）】。进一步的模拟是分别以低频（长于6年）和高频太平洋模式进行的；然而，这些模拟不是由所有参与机构执行的，因此没有引起重视。本文中，我们将重点放在AGCM模拟的基础上，对年代际和年际信号进行有效分离，从而扩展了以往的研究，以便研究不同时间尺度变化相关的太平洋海温异常模式如何影响美国本土，特别关注大平原地区赤道和中纬度海温异常和降水幅度的不同。两个分解的太平洋SST强迫（高频和低频）模拟的结果与先前研究的太平洋强迫模拟（中性大西洋条件下的冷太平洋模式和没有全球趋势信号（PCAN））进行比较，其中赤道的振幅和中纬度SSTAS相对较大。我们关注大气对每个模型内不同强迫模式以及每个强迫模式模型之间的差异的响应。在第二部分中，我们确定了研究中使用的AGCM，并描述了本次研究中使用的观测数据和建模方法。在第三部分，我们描述了我们分析的结果。在第四部分中，我们总结了结果并讨论了分析的意义。

2 模型、建模方法和数据

（我们）在这项研究中使用了由美国CLIVAR DWG成员进行的理想AGCM模拟。除了上面提到的基线模拟之外，五个机构中的三个贡献了DWG的AGCM数据，进行了低频率（LF）和高频（HF）AGC模拟。三个模型为：

1）美国国家航空航天局全球模拟和同化办公室（GMAO）NSIPP，版本1（NSIPP1），AGCM分辨率3°X3.75°，L34（Bacmeister等，2000；Schubert等，2002）

2）美国国家海洋和大气管理局（NOAA）气候预测中心全球预报系统（GFS），AGCM分辨率2°X2°，L64 （Campana和Caplan ，2005）

3）NOAA地球物理流体动力学实验室（GFDL）大气模型版本2.1（AM2.1），AGCM分辨率2°X2.5°，L24 （Delworth等2006）。

对于DWG AGCM模拟，理想化的SST异常模式是固定的，并叠加在源于1901至2004期间哈德利中心海冰和海表温度数据集（HADISST；Rayner等，2003）气候变化的SST上。太平洋SST模式（PcAn；图1a）来自基线实验，该模式源于对年均全球哈德莱SST异常进行旋转经验正交函数（REOF）分析。本研究中使用的太平洋模式为REOF2（20.5%方差解释），全球变暖趋势为REOF1（27.2%方差解释），大西洋模式为REOF3（5.8%方差解释；参见Schubert等（2009）的图1）。注意，与图1a中的PcAn模式相关联的主成分（PC）时间序列除了在年代际尺度上的变化外，还捕捉到了ENSO的年际变化。

干旱工作组还制作了与低频和高频热带太平洋SST变率相关的SST异常的模式。低频冷（LFc）和高频冷（HFc）模式分别显示在图1b和1c。为了实现这一点，每月的异常情况采用6年递归低通滤波器（如Zhang等，1997）进行滤波，以滤除年际和更短的时间尺度的波动；高通数据是从未过滤的数据中减去低通异常获得的。低通（图1c）每月异常的REOF分析产生REOF2的LFc模式（15%方差解释；REOF1捕获升温趋势），高通数据的REOF分析产生REOF1的HFc模式（16.9%方差解释）。LFc和HFc模式的相关PC时间序列清楚地说明了年际和年代际信号的分离以及在20世纪40年代，20世纪70年代和20世纪90年代末，大规模太平洋“重心转移”强调LFc模式（Zhang等，1997；Deser等，2004；Burgman等，2008a）以及在1982/83、1988/89和1997/98个别ENSO事件强调HFc模式。

我们注意到，DWG的方法和以前使用理想化年代际SST模式的研究有意地将图1b中的SST模式视为一种独立的变化模式。在文献中，关于缓慢变化的（多年）太平洋“平均状态”与ENSO之间的关系存在很多争论。Kirtman和Schopf（1998）发现，尽管平均状态变化的来源尚不清楚，ENSO振幅和可预报性的变化与中间耦合模式中热带太平洋背景平均状态的年代际变化有关。Fedorov和Philander（2000）使用简单耦合模型表明，ENSO频率和增长率也受到平均信风强度、温跃层深度和温跃层梯度变化的调制。Soopf和Burgman（2006）提出了一种简单的运动机制，通过一个非线性的SST廓线，如赤道太平洋所观测到的非线性SST廓线，可以用欧拉均值来衡量多年平均状态的这种明显变化。

图1 （a）PcAn，（b）LFc和（c）HFc的强迫试验中使用的SST异常模式（℃）。上半部分是每种类型的理想异常模式，下半部分是多年来气候变化的SSTs。

结果表明，过去研究中描述的东（西）太平洋SST年代际的增温（降温）可能归因于ENSO方差的变化。Newman等（2003）认为，在所有时间尺度上，PDO都依赖于ENSO，其中PDO是对“红化”ENSO响应的结果。Burgman等人（2008b）使用了一种在地面风中具有规定的随机变化的混合耦合模型，以表明热带太平洋平均状态的低频变化调制了ENSO振幅和可预报性，而赤道太平洋的平均状态变化则受纬向风随机变化的驱动。

异常模式在广义上相似（PcAn和LFc的空间相关性，r = 0.93； PcAn和HFc的空间相关性，r = 0.9； LFc和HFc的空间相关性，r = 0.79）； 然而，赤道（中纬度）异常的幅度在不同模式之间差异高达1℃（0.3℃）。除了用于基线DWG模拟的太平洋模式外，图1b展示了热带纬度地区太平洋年代际变化幅度减小的众所周知的模式，而HFc模式（图1c）在中纬度地区的幅度最小。LFc模式（图1b）与PcAn模式（图1a）不同，赤道东太平洋和中太平洋的振幅较小，中纬度地区的振幅相似，代表了年代际变化。残差模式（图1d中的HFc）与PcAn模式不同，赤道太平洋的振幅较大，赤道西太平洋、副热带东部和中纬度的振幅较小。需要注意，由于导出图1a-c模式的方法，图1a中的PcAn模式不等于图1b和图1c中LFc和HFc模式的总和。

GFDL AM2.1和NASA NSIPP1模拟以50年进行，NCEP GFS以 35年进行。AGCM对理想化SSTAs的响应是从强迫运行和控制运行之间的平均差异获得的，其中全球SST的年周期没有规定异常强迫【中性太平洋和中性大西洋（PnAn）】。我们本次研究重点关注低温太平洋的状况，这些状况已被证明会导致美国的干旱状况（McCabe等，2004； Mo等，2009； Schubert等，2009；Findel

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