欧洲中南部夏季降水对环球遥相关的影响外文翻译资料

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欧洲中南部夏季降水对环球遥相关的影响

林仲达，陆日宇

中国科学院大气物理研究所LASG国家重点实验室，中国 北京

摘要：本文揭示了欧洲中南部上空的夏季降水（SCE）与环球遥相关（CGT）之间的显著联系，并指出SCE夏季降水驱动着CGT。SCE上对流层辐散强迫的线性化正压涡度方程模型再现了下游延伸的类CGT波列。本研究提供了CGT的形成和维护的替代机制。

关键词：环球遥相关；欧洲中南部夏季降水；地中海热源；降水反馈

1 引言

夏季环球遥相关（CGT）是北半球中纬度地区沿对流层上层的西风急流形成的一个波列（Ding and Wang，2005）。它在年际尺度上显著影响着中纬度气候（Lu et al，2002；Ding and Wang，2005；Huang et al，2011；Saeed et al，2011; Schubert et al，2011；Kosaka et al，2012；Wang et al，2013；Lin，2014；Zhang and Zhou，2015）。因此，许多研究一直致力于研究CGT形成和保持的机制（Ding and Wang，2005；Yasui and Watanabe，2010；Ding et al，2011；Chen and Huang，2012；Chen et al，2013；Hall et al，2013；Lee et al，2014）。尤其如果能够识别激发CGT的热源，将大大增强对CGT的理解和预测（Yasui and Watanabe, 2010）。

CGT可能是由热带夏季风降水引起的（Ding and Wang，2005；Yasui and Watanabe，2010； Yim et al，2014），一些研究强调了印度夏季风降水的作用（Ding and Wang，2005；Lin，2009；Ding et al，2011），他们提出印度热强迫能引发向西传播的Gill型罗斯贝波响应，并使对流层上层亚洲西风急流的入口处形成一个反气旋性异常（Rodwell and Hoskins，1996），在强大的西风急流中引发一个向东扩展的类似CGT的波列（Enomoto et al，2003）。同样的，由于热带西印度洋的热力强迫，这种反气旋异常也可能受到辐散流引起的涡度平流的激发（Chen and Huang，2012）。Yasui和Watanabe （2010）研究了干旱大气环流模式中CGT的动力强迫，他们提出，地中海（MS）地区附近的中纬度非绝热加热能最有效地形成CGT，而非热带季风地区。

然而，降水在MS地区表现出了强劲的年周期，冬季潮湿，夏季干燥。由于季风—沙漠机制的影响（Rodwell and Hoskins，1996），类似于Watanabe（2004）提出的冬季波列，夏季降水的减少可能会阻碍下游延伸波列的发展。相反，在欧洲大陆中南部（SCE）的北部上空却有夏季强降水发生。这引起了下列问题：与SCE降水有关的非绝热加热是否能调节CGT？本文着重探讨了这个问题。

2 数据和方法

本文使用的逐月数据获取自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）40年再分析资料（ERA-40），时段为1958-2002年（Uppala et al，2005）。月降水量数据来源于英国东安格利亚大学气候研究室（CRU）,水平分辨率为0.5^∘times;0.5^∘（Mitchell and Jones，2005）。夏季定义为6、7和8月。

用正压模式研究SCE降水对CGT的影响，线性化正压涡度方程为

代表纬向平均变量，主体是表示纬向平均区域状态的偏离。V_?和V_?是风的旋度和散度分量，fnof;是科里奥利参数，?是相对涡度。纬向平均流速设定为ERA-40数据计算出的200hPa 上40年（1958-2002）夏季气候平均值。在模型中，设定双调和扩散系数?为2.34times;10¹⁶ m⁴ s^minus;1，阻尼系数? =10day^minus;1，涡度方程用波数为21的三角形截断的谱变换技术求解。稳态响应计算30天均值为求31-60天均值。

3 结论

图1a展示了夏季CGT的负值阶段，图中描绘的是对1958-2002年的负CGT指数（CGTI）回归的北半球中纬度地区200hPa上的位势高度异常。CGTI被定义为200hPa上平均位势高度超过中西亚（35^∘–40^∘N, 60^∘–70^∘E）地区的位势高度异常，与Ding等（2005）定义的方式相同，其时间序列显示为图1b。CGT模式的特点是沿对流层副热带强西风急流的纬向波数为5的中纬度波列。200hPa上负中心在西南亚、东亚，北太平洋中部和北美东北部都很明显，但在西欧地区较弱，与Ding和Wang确认的单点相关性一致（见其论文图1）。

图1.（a）对负值CGTI回归的200hPa上位势高度异常（H200，以等值线表示）。CGTI被定义为200hPa上平均位势高度超过图中用黑色方框标出的亚洲中西部地区（35^∘–40^∘N, 60^∘–70^∘E）的位势高度异常（Ding and Wang，2005）。阴影部分表示通过95%显著性检验区域，等值线梯度为5gpm。红色等值线200hPa西风带上超过20ms^-1的西风急流。（b）为CGTI（黑色柱）和SCERI（蓝色线）的标准化时间序列。SCERI为图二中用蓝色方框标出的（45^∘–50^∘N, 0^∘–30^∘E）地区上空的平均降水量。

由于CGT的负相位影响，SCE上空降水显著增强（图2a）。为了更好的解释他们的关系，计算了SCE地区的夏季平均降水量，其时间序列如图1b所示。在1958-2002年间，CGTI与SCE降水指数（SCERI）之间的相关系数为-0.43，通过99%显著性检验，这表明SCE上空降水与CGT有显著关系。之前的研究已经强调了CGT中MS地区附近的非绝热加热的作用（Enomoto et al，2003；Yasui and Watanabe，2010）。如图2b所示，SCE地区发生夏季强降水。1958至2002年，SCE地区夏季平均降水气候学和标准差分别约为每日3mm和0.7mm，而MS地区（30^∘–45^∘N, 0^∘–40^∘E）则为每日0.7mm和0.3mm。使用美国国家气候预测中心（CPC）1979至2002年的全球降水数据合并分析（CMAP）（Xie and Arkin，1997）得到的结果与此一致，SCE地区气候学上和标准差为每日2.6和0.6mm，MS地区为每日0.6和0.3mm。在气候学和年际变化率上，SCE地区的降水要比MS地区强得多。

图2 （a） 欧洲上空负值CGTI回归的CRU降水异常（等值线）。阴影部分表示通过95%显著性检验区域，梯度间隔为0.2毫米/天。（b） 夏季CRU降水的气候（等值线）和标准差（阴影）。轮廓间隔为1mm/天，阴影间隔为0.2 mm/天

为了研究SCE降水的可能反馈，我们计算了与SCERI相关的H200异常（图3a）。与CGT模式类似（图1a）的，SCE降水与整个北半球西风急流的中纬度波列有关。为了揭示相关罗斯贝波传播的特征，采用Takaya和Nakamura （2001）的方法固定罗斯贝波（W）波活动分量的纬向和经向分量：

其中|V|是水平风向量（u，v）的大小，?是流函数；括号中上方表示夏季气候平均超过1958-2002的部分，下方的和主要项表示与SCERI相关的偏导数和异常。

与中纬度波列相关的，波作用活动通量从欧洲东部沿东南方向传播，在亚洲中西部的入口处与西风急流汇合，然后沿着西风急流向下游延伸（图3b）。理论上，罗斯贝波沿强西风带向东传播（Hoskins and Ambrizzi，1993）。SCE降水下游的波作用通量传播表明SCE降水可能在触发中纬度波列或CGT模式中起作用。SCE降水在CGT中的作用通过对正压模式下强迫SCE地区辐散的相应得以证实。在该模型中，规定了该区域（45^∘–50^∘N, 0^∘–30^∘E）辐散的二维正弦强迫。

图3 （a）对SCERI回归的H200异常和（b）相关的Takaya和Nakamura（TN）通量（矢量）（c） 在200 hPa夏季平均风条件下，SCE区域（45^∘–50^∘ N，0^∘– 30^∘ E）辐散强迫（阴影）的正压位势高度响应（等值线）。中纬度地区的位势高度响应基于地转平衡根据流函数响应进行计算。（a）中95％置信水平和（c）中最大值为3.0times;10^-7s^-1的半周期正弦辐散强度用阴影表示显著性。（a）和（c）中的等值线间隔为3gpm（a）和（c）中的红色等值线和（b）中的阴影表示200hPa纬向风超过20ms^-1的西风急流。

根据Hoskins和Karoly（1981）的研究，我们将对流层高层最大偏差定为3.0times;10^minus;7 s^minus;1，这相当于SCE降水的一个标准差每天0.7mm。第二部分则描述了正压模式的细节。位势高度的稳态响应（图3c）类似于与SCERI相关的H200异常（图3a）。中纬度地区的位势高度响应是基于地转平衡根据SCE辐散强迫的流函数相应计算的。其相似之处包括东欧上空的正异常和亚洲西风急流的中纬度波列。中西亚地区的负位势高度响应相当于CGTI的负值，这与CGTI与SCE降水显著负相关（图1b）一致。这样的结果意味着SCE夏季降水可能触发CGT。除了较弱的模式响应外，在SCERI相关异常（图 3a）和正压模式对SCE辐散强迫的响应（图3c）间存在着一种不同的H200模式。这些差异表明其他因素或反馈可能仍然非常重要。例如，Zuo等（2013）发现，北大西洋上空的涡旋强迫在触发链接北大西洋海温（SST）异常和东亚夏季风的下游延伸波列上起重要作用。另外，在当前的正压涡度方程模型中排除了非线性作用，所有这些因素和反馈都需要考虑，用以全面了解CGT与SCE降水之间的关系。

4 总结与讨论

出现在SCE北方夏季的强降水，能够触发CGT模式。与SCE降水相关的是，对流层高层辐散强迫会引入一个东南方向传播的波通量在西风急流的入口处与其汇合，和此现象对应的是东欧的反气旋异常和中西亚的气旋性异常。随后，由于波导效应波通量沿西风急流进一步向东延伸，形成类CGT波列。这项研究强调了SCE降水在CGT中的作用，但CGT也可能对SCE降水产生一定影响。与CGT相关的静止罗斯贝波向东南方向延伸，以大圆路线从北大西洋对流层上层西风急流出口处穿过欧洲向西南亚传播（图1a）。

与欧洲西部气旋性异常有关的向东和向北的水汽输送可能有助于增强SCE降水（图2a）。SCE降水和CGT之间的相互作用导致了他们之间的显著联系。本研究提出，SCE夏季降水激发了一个类CGT波列（图3），不同于前人研究的是突出了夏季非绝热加热在MS东部地区的重要作用（Enomoto et al，2003；Yasui and Watanabe, 2010）。事实上，从降水年际变率来看SCE比MS强得多，这意味着对于CGT的年际变化而言，SCE对夏季降水的贡献大于MS。

与CGTI相关的夏季降水异常也表明了它们的相对贡献（图2a）,CGT与SCE夏季降水有显著关系，但与MS地区夏季降水没有显著相关。CGTI与SCERI间-0.43的相关系数表明CGT方差的20%与SCE夏季降水有关。

致谢 作者感谢两位审稿人和编辑提出的改进稿件的宝贵意见。本研究得到国家自然科学基金资助（批准号：41375086 和 41320104007）。

参考文献

Chen G, Huang R. 2012. Excitation mechanisms of the teleconnection patterns affecting the July precipitation in Northwest China. Journal of Climate 25: 7834–7851.

Chen G, Huang R, Zhou L. 2013. Baroclinic instability of the silk road pattern induced by Thermal damping. Journal of the Atmospheric Sciences 70: 2875–2893.

Ding Q, Wang B. 2005. Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer. Journal of Climate 18: 3483–3505.

Ding Q, Wang B, Wallace JM, Branstator G.2011.Tropical-extratropical teleconnections in boreal summer: observed interannual variability. Journal of Climate 24: 1878–1896.

Enomoto T, Hoskins BJ, Matsuda Y. 200

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