太平洋和大西洋对美国多年干旱的影响分析外文翻译资料

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太平洋和大西洋对美国多年干旱的影响分析

Gregory J. McCabe, Michael A. Palecki, and Julio L. Betancourt

PNAS March 23, 2004. 101 (12) 4136-4141; https://doi.org/10.1073/pnas.0306738101

摘要：美国连年干旱频率的时空变化有一半以上( 52 % )是由太平洋年代际振荡( PDO )和大西洋年代际振荡( AMO )造成的。另外22 %的干旱频率变化与干旱发生的正负趋势的复杂空间格局有关，这可能与北半球温度上升或某些其他单向气候趋势有关。最近对美国周边地区产生广泛影响的干旱( 1996、1999 - 2002年)与北大西洋变暖(正AMO )以及东北太平洋和热带太平洋冷却(负PDO )有关。干旱频率的大部分长期可预测性可能存在于北大西洋的多年行为中。如果当前正的AMO (暖北大西洋)状况持续到未来十年，我们预估有两种可能的干旱情景，类似于1930年代(正PDO )和1950年代(负PDO )的大陆尺度模式。

1 引言

尽管长期以来被认为是不可信的，但基于海表温度( SSTs )、盐度和动态海洋地形的准周期变化的概率气候预测在未来的一、二十年中有着越来越大的前景。这种长期预测可有助于水管理人员规划美国各地持续干旱的情况( 1 )。当美国大部分地区在1996年和1999 - 2003年遭受干旱时，这种规划的紧迫性变得明显起来，让人想起了20世纪30年代和50年代的干旱景象。

对美国降水的分析和预测主要集中在太平洋，更具体地说集中在海洋指数上，例如用来跟踪厄尔尼诺南方涛动和太平洋年代际涛动的指数。然而，北美气候的许多长期可预测性实际上可能存在于观测和模拟的北大西洋SSTs ( 2 - 7 )的多年( 50 - 80年)变化中。模拟研究表明，北大西洋气候的多年变率以单一模式的SST变率为主( 7 )。这种海温变化模式的一个重要特征是，整个北大西洋海温异常具有相同的符号，类似于大西洋多年振荡( AMO )。AMO是北大西洋0 - 70°N平均去趋势海温异常的指数，已被确定为气候变率的重要模式( 8 )。暖期发生在1860 - 1880年和1930 - 1960年，冷期发生在1905 - 1925年和1970 - 1990年。自一九九五年以来，古物古蹟办事处一直是积极的，但这种情况是否会持续足够长的时间，以致被视为一个新的暖化阶段，则不得而知。北大西洋海温的这些大幅度波动可能是由海洋温盐环流强度的自然内部变化和相关的经向热输送( 6，7 )引起的。

最近的分析表明，AMO对美国夏季降水有很强的影响，可能调节了厄尔尼诺南方涛动( ENSO )与冬季降水( 8 )的遥相关强度。自1995年以来的积极的AMO条件(北大西洋暖流SSTs )和1998年至2002年的冷PDO事件，共同引起了科学家们对可能出现的特大干旱的担忧，这可能对水规划者造成严重问题。在这里，我们将美国的干旱频率分解为其主要的变率模式，而没有事先考虑气候强迫因素。然后，这些模式在空间和时间上与PDO和AMO相关，以确定由这些指数跟踪的SST模式对干旱概率的相对影响。考虑北半球( NH )温度的潜在作用或一些其他单向趋势也证明有必要了解干旱频率的变化。鉴于这三个气候指数的时间范围和现状，我们探讨了未来十年可能出现的两种干旱情况。

2 材料和方法

我们计算了1900 - 1999年间美国344个气候区划中每一个区划20年移动期的干旱频数。之所以选择这段记录进行分析，是因为它为本研究中使用的所有数据集所共有(即气候区划降水、年PDO、年AMO和年NH温度)。

气候分区降水数据是通过因特网从北卡罗来纳州阿什维尔的国家气候数据中心（http://www1.ncdc.noaa.gov/pub/data/cirs）获得的。气候司的数据是从被认为气候均匀的国家内各区域观测气候站的月平均值( 9 )。此外，气候分区的数据已针对观测时间偏差进行了纠正( 10 )。尽管极端的气候变化可能发生在地形复杂的地区，例如美国西部的山区，但温度和降水的标准化偏离在气候分区( 9 )内是空间一致的。

PDO数据来源于华盛顿大学（ftp://ftp.atmos.washington.edu/mantua/pnw_impacts/ INDICES/PDO.latest），AMO数据来源于与(David Enfield （迈阿密国家海洋和大气管理局大西洋海洋和气象实验室）的个人通信。部分研究还使用了年平均NH温度数据，这些数据来自英国东安格利亚气候研究中心（www.cru.uea.ac.uk/cru/data/temperature）。

如果年降水量在100年记录中最低的四分之一( 25 % )，干旱情况被认为存在于气候区。还审查了干旱频率的其他定义，例如降雨量在分布的最低33 %或最低20 %的年份数，或低于规定阈值的帕尔默干旱严重程度指数( PDSI )年值；所有方法都产生了类似的时间和空间结果。对于20年移动窗口，为每个气候分区计算有干旱条件的年数，并将其分配到窗口期间的中心(还对10年和30年移动窗口进行了检查，并得出了与20年移动窗口分析结果类似的结果)。然后，对20年移动干旱频率(以下称为干旱频率)的时间序列进行旋转主成分分析( RPCA )，并进行最大方差法旋转，以识别干旱频率数据的主要变化模式。随后对主要旋转主成分的时间和空间分布进行了检验，并与PDO和AMO的20年移动平均值进行了比较，以更好地理解这些气候指数与美国同期干旱的时间和空间变异性之间的关系。

3 结构与讨论

美国344个气候分区的干旱频率旋转主成分分析( RPCA )产生了三个主导成分( PC1、PC2和PC3 )，解释了干旱频率数据总方差的74 %；在最大方差法旋转之后，PC1解释了干旱频率总方差的24 %，PC2解释了28 %，PC3解释了22 %。分数时间序列(图1 )示出了干旱频率分量的时间变异性，负荷(图2a - C )示出了由每个分量表示的干旱频率变异性的空间模式。

PC1 (图1a )的时间分布在20年期间(从1920年左右到1940年代中后期)为正，从1940年代后期到1970年代后期为负，1970年代后为略正。干旱频率的十年变化类似于PDO的变化(图1a )。PC1评分与20年移动平均PDO的相关系数为0.82。

由于平滑时间序列固有的大自相关性，必须使用标准统计显著性检验来估计自由度。取而代之的是另一种方法来评估PC得分与气候指数时间序列之间的相关性的重要性。采用蒙特卡罗方法( 11 )，对原始气候指数时间序列进行1000次洗牌。随后用20年移动平均对每个

图1 美国连续20年移动干旱频率的旋转主成分分析的前三个成分( PC1、PC2和PC3 )的时间序列，与年PDO、AMO和NH温度( NH温度)的20年移动平均值的标准化偏离时间序列相比较。NH温度值乘以–1，以便与PC3分数进行比较。所有值都绘制在窗口期间的中心。

混洗时间序列进行平滑，然后计算平滑后的混洗时间序列与PC得分之间的相关性。然后将得到的相关系数的95 %和99 % (分别为0.69和0.83 )与PC得分与观测的20年移动平均气候指数时间序列之间的相关系数进行比较。该分析的结果表明，图1a中所示的时间序列之间的相关性( r = 0.82 )在来自1，000个试验的相关性的第98和99百分位之间，表明统计显著性的高水平。

为了进一步比较PC1和PDO，将PC1上每个气候分区的干旱频率负荷(图2a )与20年移动平均年PDO和每个气候分区的干旱频率之间的相关性(图2D )进行比较。这些图的比较表明PC1负载的模式和PDO相关性是相似的。两者都表示延伸到落基山脉地区和美国中南部的美国西南部的负值(图2a和D )。美国东北部也有负值。美国西北部、中北部平原和美国东南部大部分地区都有正值。这些模式之间的相关系数为0.92。PDO以前已经被证明可以调节美国的冬季降水( 12 - 14 )，以及美国的夏季干旱和径流( 15 )。

PC1负荷和PDO相关(图2a和D )所代表的空间模式的强相关，当与时间序列相关的幅度相结合时，强有力地支持这样的结论，即在本研究中识别的干旱频率的第一模式是对PDO的多年变化的响应。年响应模式是PDO对降水的冬、夏季影响的综合。虽然两个季节在美国西北部和西南部都有偶极子响应，但中西部对PDO的响应在夏季和冬季有不同的迹象，削弱了该地区的年度响应。

图2 ( A - C )美国连续20年干旱移动频率的旋转主成分分析的前三个成分的空间场分布。( D ) 20年移动干旱频率与20年移动年度PDO之间的相关性。( E ) 20年干旱频率与20年移动AMO之间的相关性。( F ) 20年干旱频率趋势的逆转。F中的相关系数乘以- 1，以便与其他数字进行比较。正值为红色阴影，负值为蓝色阴影。深色表示值gt;0.4或lt;–0.4。

PC2的时间序列从记录的早期增加到20年，大约在1930年。其值保持相对恒定，直到1960年之后，当它们下降到记录周期结束时(图1B )。该时间序列对应于AMO的时间可变性(图1B )。PC2评分与20年移动平均年平均AMO的相关系数为0.91，在第99百分位上显著。

PC2空间场(图2B )和20年移动平均年AMO与干旱频率(图2E )之间的相关性非常相似(这些模式之间的相关性为0.95 )。PC2空间图和AMO相关图显示了大部分美国中部三分之二地区的正值，表明干旱频率的协方差几乎遍及全国(图2b和E )。以前的研究表明，在AMO正值的情况下，美国中部的降雨量低于平均水平，特别是在夏季( 1，8 )。平滑的AMO与美国中部干旱频率之间的巨大正相关(图2E )支持这一说法。这种模式解释了干旱频率变化的28 %，覆盖了一个具有均匀强负荷的大地理区域。平滑AMO与相似平滑气候分区降水(干旱频率的倒数)之间的相关产生了大陆尺度的负相关模式( 8 )。

PC3的得分表明长期的负趋势(图1C )。负负荷区域的干旱频率呈上升趋势(图2C )，而正负荷区域的干旱频率呈下降趋势。从地理上看，加利福尼亚、落基山脉北部和俄亥俄山谷(负负荷)的干旱趋势越来越明显，而太平洋西北地区、从纽约到中西部上游的一个带和墨西哥湾沿岸(正负荷)的干旱趋势则越来越明显。

PC3的负荷模式(图2C )非常类似于20年移动干旱频率趋势倒数的空间模式(图2F ) (相关系数为0.91 )。与PC3负荷直接比较，20年移动干旱频率的趋势乘以–1，并计算为与时间的线性相关。

PC3时间序列似乎与已知的大气-海洋变化模式无关；相反，它与趋势线和年平均NH温度的时间序列都很匹配。在图1C中，NH温度乘以–1，以便与PC3的分数直接视觉比较。NH温度的仪器观测表明，在本研究使用的记录期内，NH温度总体呈上升趋势，有一些明显的变化( 16 )；逆20年移动平均年NH温度与PC3评分显著相关(相关系数为0.91，P lt;0.01 )。

这些结果表明，PC3反映了水文循环中的区域变化模式，这种变化模式可能与NH温度的升高间接相关，或者可能是对尚未确定的其他一些强迫的响应趋势。气候模拟研究表明，在气候变暖的世界中，全球水文循环可能会大大加强，尽管区域温度和降水响应模式可能很复杂( 16 )。

由于以往的研究表明，美国的干旱与厄尔尼诺/南方涛动( ENSO ) ( 17 )之间存在关系，我们将代表ENSO条件的年平均Nino 3.4 SSTs的20年移动平均值与本研究检验的干旱频率的PC得分进行了比较( Nino 3.4 SST在北纬5°至南纬5°和西经170°至120°的区域内平均；这些数据是通过（http://climexp.knmi.nl）获得的。

平滑后的Nino 3.4时间序列与PC评分的相关性在PC2中最强(–0.58 )。这种与PC2得分的相关性远弱于PC2得分与类似平滑AMO之间的相关性( 0.91 )，并且没有统计学意义。

为了检验PCA分析的解释，即PDO、AMO和以NH温度为代表的趋势解释了美国连年干旱频率的大部分时间和空间变异性，我们建立了回归方程，以20年移动干旱频率为因变量，20年移动平均年PDO、AMO和NH温度为自变量，对美国连年344个气候区划的干旱频率进行了估算。所有344个气候区划的回归系数中值为0.72 (平均值为0.68，第一个四分位数为0.58，第三个四分位数为0.81 )，表明气候区划干旱频率的时间变异性的约70 %平均由PDO、AMO和NH温度解释。

通过比较特定时期的观测和模拟干旱频率，评估了解释干旱频率空间变异性的回归的可靠性(图3 )。由于采用20年移动周期来计算干旱频率，1924 - 1943年期间提供了一个包含30年代干旱的例子，1947 - 1966年期间被选择包括50年代干旱和60年代东北干旱。结果表明，观测到的干旱频率与模拟得到的干旱频率的空间分布非常相似。1924～1943年(图3a和C )的观测值与模拟值的相关系数为0.91 ( Plt;0.01 )，1947～1966年(图3b和D )的相关系数为0.92 ( Plt;0.01 )。本研究中观测到的干旱模式与模拟干旱模式之间的相关系数在0.70～0.95之间，中位数为0.88。

为了验证用于模拟1924 - 1943年和1947 - 1966年干旱空间格局的回归的稳健性，开发了额外的回归，在每种情况下都不包括20年的感兴趣时期。用新的回归方法对1924 - 1943年和1947 - 1966年的干旱空间格局进行了观测和模拟，其相关系数分别为0.83 ( P amp;lt; 0.01 )和0.86 ( P amp;lt; 0.01 )。这些相关性

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