东北地区冷涡及中夏雨期的客观识别研究外文翻译资料

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外文翻译：

Gong Zhiqiang,Feng Taichen,Fang Yihe. Objective identification research on cold vortex and mid-summer rainy periods in Northeast China[J].Chinese Physics B,2015,24(4):571-580.

东北地区冷涡及中夏雨期的客观识别研究

Objective identification research on cold vortex and mid-summer rainy periods in Northeast China

龚志强^a) 封泰晨^b) 房一禾^c)

1. 中国气象局国家气候中心气候研究与气候监测与诊断实验室，北京100081,中国
2. 兰州大学大气科学学院，兰州730000，中国
3. 沈阳市区域气候中心，沈阳110016，中国

摘要：综合分析东北冷涡（CV）与中夏（MS）雨季的差异及其相应的大气环流，确定东北地区CV和MS雨季的开始日期和结束日期的客观识别方法。定义全年CV（MS）雨季的开始日期如下：从4月到8月，如果日平均降水量ryi大于某一天的年平均降水量R（或2R），而且台站降水量rs大于台站年平均降水量hri（或2hri）的台站在东北地区至少有50％，这个条件在接下来的2（7）天内得到满足，那么这个日期被定义为CV（MS）雨季的开始日期。CV（MS）雨季结束日期的定义与其开始日期相反。通过这种客观的识别方法，得到多年平均（1981-2010年）的CV雨季开始日期为5月3日，MS雨季开始日期为6月27日。CV雨期结束日定义为MS雨季开始日前一天，且MS雨季结束日期为8月29日。同时，对500 hPa位势高度，850 hPa风场，Omega和相对湿度场的相应异常分析都表明，CV和MS雨季平均起止日期的定义具有一定的环流意义。此外，CV指数，经向和纬向风指数等的日变化都表明，这些客观定义的CV和MS雨期的开始和结束日期具有气候意义。

关键词：东北地区，冷涡雨季，中夏雨季，客观识别方法

1. 引言

气候系统是一个使降水具有典型的非平稳和非线性特征的复杂并且模糊的系统^[1-5]。监测雨季一直是东亚季风研究的一个重要课题。20世纪三四十年代的研究表明，5-8月南海季风爆发后，雨带的进退导致华南前汛期的到来，导致了长江地区梅雨季节、淮河以及华北雨季的到来^[6,7]。目前华南和梅雨季节前汛期的客观识别研究较多^[8-10]，其他地区雨季起止时间划分标准研究较少。赵^[11]试图用10天降水量作为确定华北雨季的单位。严等人^[12]以5天降水量为单位，研究了西南地区雨季起止时间的划分标准。王等人^[13]利用9个台站10天的降水资料，研究了东北地区雨季的分布。最近几年，Lau和杨^[14]以平均气候降水量5毫米为东亚雨季开始和结束日期的划分标准。王和杨^[15]利用相对气候降水来确定亚洲的雨季。Samel等人^[16]利用客观分析方法探讨了中国东部季风雨季带的发展。

目前，雨季主要分以下几种类型：(i)雨季的时间大致根据一年内雨带的总体变化来划分。(ii)通过对国家或地区降水的经验正交函数（EOF）的分解，划分出主要的降雨类型^[17]。(iii)采用台站指数分析法来划分^[16]。(iv)相关系数法来划分^[18]。这些方法在以前的雨季鉴定和科学研究中都有一定的效果。这些方法也存在一些不足，即识别精度可能相对较低，对时间和空间的依赖性较大，时间分辨率不足等。同时，中国气象局（CMA）在2300个站点进行了实时降水监测，新的挑战就产生了，即准确，客观地监测东北地区主雨时段的起止时间。由于东北地区是中国主要的粮食生产基地，主要雨季降水量对该地区的粮食产量影响很大。因此，东北地区主要雨季开始和结束日期的客观识别是一项重要的气象服务工作，在农业生产和政府决策中发挥着重要的作用。

另外，孙等人^[19] 对多雨季节的划分标准进行了研究.他们指出，以副热带高压脊线的位置为划分标准，获取多年雨季的年度起止点，包括辽宁省的雨季。此外，东北地区季风雨季的发生，退缩和强度变化主要表现在该地区南部边界的水汽输入状况。东北地区东亚夏季风的建立时间是7月10日至8月20日，并且西部的发生时间要早于东部地区^[20]。沈等人^[21]已经注意到在初夏（五月和六月），东北地区的降水主要受东北冷涡（CV）的影响。随着西太平洋副热带高压的北移，东北冷涡的影响逐渐减弱，东亚夏季风开始对东北夏季降水（7月和8月）造成严重影响。李等人^[22] 分析了辽宁初夏降水与东北冷涡的关系。他们指出，东北冷涡是辽宁初夏降水的主要影响因子。施等人^[23] 发现东亚夏季风是中国夏季气温和降水异常的主要原因。廉等^[24,25]进一步分析了中国东北地区东亚夏季风的建立标准，日期和主要特征，确定了夏季风强度指数。他们还谈到了7月下旬在东北形成的东亚夏季风，8月中旬又减弱消退了。另外，其他学者也在相关领域进行了一定的研究^[26,27]，并取得了有意义的结论。 因此，综合考虑在早期夏季冷涡影响下开始，到受东北夏季风影响而结束的雨季，对于更好地开展雨季监测和研究是非常有帮助的。同时，各种预测方法也陆续被提出，即相似的动力学方法^[28]和基于大气自动记忆原理的方法^[29,30]，这些方法的应用已被扩展到东亚^[31]，中国东北等^[32]和其他地区。

本文重点介绍了东北地区初夏冷涡降水和中夏降水的特点。利用1961-2011年的日降水量资料，以东北地区日降水量的五点平滑为基础来研究东北地区CV雨季和MS雨季的客观识别方法。此外，还进行了比较试验和循环分析，以验证其可靠性，为国家气候监测和科学研究提供技术支持。

2.数据和方法

2.1数据

利用国家气候中心提供的全国2400多个站点的高分辨率日降水资料，通过控制质量的手段获取东北三省1961-2011年（辽宁，吉林，黑龙江）和内蒙古东部147个站点的日降水量资料（图1）利用NCEP / NCAR再分析每日的位势高度场，风速和垂直速度（omega）场，相对湿度（分辨率：2.5*2.5）的数据。以1981-2010年气候平均值作为多年平均值。

图1 东北地区147个台站的地理分布

2.2方法

2.2.1统计分析方法

在雨季客观识别方法研究中，需要对相应的开始或结束日期进行分析和定义。目前，对雨季开始和结束日期的研究多采用日降水量5日降水量的变化进行定义^[33]。日降水比5日降水更准确，但日降水量波动较大。因此，采用5点平滑法对4月1日至10月31日东北地区多年平均日降水量序列和不同气候指标的日变化序列进行平滑处理，以研究东北雨季的客观识别方法。由于冷涡对东北地区降水影响较大^[21]，五，六月频繁发生，东北地区多年雨季开始日期不会早于五月。 同时，由于东亚夏季风建立于7月10日至8月20日东北地区，而东亚夏季风对东北地区降水有较大影响^[20]，东北地区多年雨季的结束日期将不会迟于八月。

2.2.2东北地区多年平均降雨期的客观识别方法

在以前对雨季划分的研究中，经常使用两个阈值。 R是东北地区多年5天平均降水量的平均值^[19]，另一个是2R ^[12]。定义6月1日至6月31日ri大于R的第一天定义为东北地区多年平均CV雨季的开始日期; ri稳定大于2R的日定义为多年平均MS雨季的开始日期; 而ri的日子稳定小于2R被定义为多年平均MS雨季的结束日期。显然，MS雨季开始日期的前一天是CV雨季的结束日期。 ri是东北地区多年平均的5日滑动平均降水序列（i表示日期）。

2.2.3 东北地区年雨季客观识别比较试验方案

东北地区多年降雨期的客观识别基于多年平均降雨期的识别方法，通过进一步比较试验确定超过阈值的连续天数（n），最终得出客观的识别方法。超过阈值的连续天数（n）由具有不同标准的比较测试来确定。

下列比较测试用于确定多年雨季的开始日期。从4月1日（6月1日）开始，当某一年某日ryigt;R(2R)并且超过50%的东北测站满足 rsgt;hri(2hri)时，该未确定日期将被视为CV（MS）雨季的开始日期。如果连续n天满足ryigt; R（2R），该未确定日期将被定义为CV（MS）雨季的开始日期，其中n=0-5（10），对应于6（11）组在CV（MS）雨季的对比试验。

以下比较测试用于确定多年雨期的结束日期。在8月1日到9月30日期间，当某年某日ryilt;2R，并且东北测站50%以上满足ryilt;2hri时，该未确定日期将作为MS雨季的结束日期。如果连续n天满足ryilt;2R，则未确定日期将被确定为MS雨季的结束日期，其中n =0-9，对应于MS雨季中的10组比较测试。其中，ryi为东北地区某年5日滑动平均降水序列（y为年份，区间为1961-2011年；i为日期）；rs是相应年份某一天的单站5日滑动平均降水量；hri是单站5日平均降水的年平均值；n是超过阈值的连续天数，在第一天的ryi通过阈值之后，n的值需要通过之后的比较测试来确定。由于CV雨季后面是MS雨季，因此MS雨季开始之前一天定义为CV雨季的结束日期。

2.2.4 各种日常气候指标的定义

对1961- 2010年东北冷涡的每日总频率进行统计，然后进行归一化以获得5日的滑动平均值，以获得每日东北冷涡频率。由于东北地区CV主要在500hPa位势高度上进行^[34]，孙等^[35] 也用500hPa位势高度的值来定义东北地区CV指数。因此，通过参考孙等^[35]的工作，计算了500 hPa高度场中东北CV位于关键区域（115°E-145°E，35°N-60°N）的日均指数，计算东北地区500 hPa位势高度场的多年平均值，进行归一化处理，得到5日的滑动平均高度场，以获得日高度场演化指数。由于许多夏季风指数与东北降水没有密切关系，因此以东北（100°E-140°E，40°N-60°N）850 hPa经向和纬向风场为基础求解多年平均，以获得每日的经向和纬向风指数。

3.东北地区多年平均雨季的客观识别

从5-8月份东北地区月降水量变化来看，东北地区的雨季首先从东南沿海开始，然后逐渐向西北内陆方向发展。东北夏初五，六月份东北地区降水量受冷涡影响较大，CV雨季开始日期大致在五月^[21]。东亚夏季风在7月下旬开始影响中国东北部，8月下旬减弱，而MS雨季主要是7,8月份降水最多，开始时间应大致在6月底或7月初，结束日期应该大致在8月底或9月初^[13,20]。

在东北地区多年平均雨季的客观识别过程中，主要分析了多年平均5日滑动平均降水量（ri）曲线的年变化特征。图2（a）显示了ri的变化曲线。 可以看出，从4月1日到5月18日，ri在波动中缓慢上升，其中第一次大幅上涨与5月3日的R值相交。这种急剧增加应该与初夏CV对东北地区降水的影响有关^[14，18]。因此，5月3日可以作为CV雨季的开始日期。 6月27日急剧上升并且在2R值处相交，这是6月下旬或7月上旬雨季的新开始日期。7月和8月是东北夏季^[14],这个日期可以看作东北MS雨季的开始日期。 在第二次大幅上涨之后，ri仍然在上升，并在七月下旬到八月上旬达到顶峰。从8月1日到10月31日，ri出现两次大幅下滑。 经过第一次陡降后，降水量仍大于2R，不适合作为雨季结束的标准。 在第二次急剧下降时，降水量显着减少，并且ri与2R有两个交点（图2（a））。这个小于2R的交汇点发生在8月29日，与夏季风从东北撤出相对应，这被定义为MS雨季的结束日期。

为了确定一个地区雨季的开始和结束日期，不仅应该关注降水的变化，而且应该关注降水的空间尺度。图2（b）显示东北地区147个台站中单站降水超过R和2R的台站所占百分比。从图2（b）可以看出，5月3日出现的百分比首次超过50％的日期与图2（a）中ri先超过阈值R的日期一致。从图2（b）可以看出，6月27日（8月29日）出现百分比稳定超过（小于）50％的情况，这也与ri稳定超过（低于）阈值 2R（图2（a））的日期一致。这也对以往东北CV（MS）雨季起止时间定义的合理性有了进一步证实。

另外，日均EOF一阶模态时间系数变化的多年平均值在很大程度上反映了季节变化特征。图3显示了东北地区1981年至2010年日均（365日）滑动平均降水的EOF第一模式（EOF1）标准化时间系数曲线。日均标准化时间系数的变化曲线与图1（a）给出的东北地区多年平均日降水量的变化基本一致。标准化时间系数大于1的情况通常被认为是异常的，可以理解为多雨期，而标准化系数大于0的区间可以理解为雨季。从图3中可以看出，5月3日的标准化时间系数首先大于0，这与东北地区CV雨期之前定义的开始日期完全一致。6月16日的标准化时间系数稳定在1以上，而8月29日的标准化时间系数稳定在1以内，基本符合我国东北部MS雨区起止时间。因此，日平均降水多年平均EOF1的标准化时间系数进一步说明了以R和

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