亚洲-太平洋涛动的年际变化外文翻译资料

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亚洲-太平洋涛动的年际变化

王璐，陈琳

a 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，气候与环境变化国际合作联合实验室，气象灾害预报报警与评估协同创新中心，中国南京

B 国际太平洋研究中心，夏威夷大学马诺啊分校大气科学学院，夏威夷火奴鲁鲁 96822

摘要：

前人的工作已经证实了亚洲-太平洋涛动遥相关型，它表现为夏季对流层温度欧亚地区为增暖，北太平洋和北美地区为变冷，反之亦然。但是对于这种遥相关型的年际变化还比较模糊。本次研究对北半球夏季对流层上层温度进行EOF分析发现，APO遥相关型是与EOF第二模态相联系的，并且第二模态有14%的贡献率。对欧亚地区和北太平洋地区分别进行了热力诊断分析，来揭示造成这种纬向温度极子模态的成因。对于欧亚地区，暖异常是由于异常下沉运动引起的绝热过程造成的。对于太平洋地区，温度的年际变化主要由年际纬向风扰动于气候态温度梯度的作用所造成的纬向平流引起的。合成分析以及用一种大气环流模式进行的数值实验展示了纬向风的年际变化是与赤道中东太平洋海表温度异常相联系的。

关键词：大气遥相关，亚洲-太平洋，北方夏季，大气温度

1. 简介

在北半球夏季的遥相关型已经引起了很大的关注，因为他们在北半球赤道外地区气候变化和可预报性扮演了重要的角色（如 Ding 和Wang, 2007;Lee 等, 2014; Ha 等, 2012; Zhang 和 Zhou, 2012; Wu 等, 2016a; Wang 等, 2013; Zhu 和Li, 2016）。它们已被证实可以用来预测热带和热带外地区的地表温度（(Ding 等, 2011; Wu 等, 2016b），台风活动（(Choi 等, 2010; Kim 等, 2012）以及天气尺度的变化。另外，它们已经被用于很多关于极端气候事件的研究，例如2009年中北部东部亚洲，美洲中北部的冷夏季（(Ha等, 2012），北美1988年的干旱以及1993年的洪涝（例如 Trenberth 等, 1988; Trenberth 和 Guillemot,1996）。因此，提高对全球遥相关型的认识室友很大的实用和商业价值的。

对于北半球的夏季，前人的已经发现了很多遥相关型。举个例子，Barnston 和Livezey (1987) 指出了三个重要的遥相关型：北大西洋涛动，一种副热带纬向模态以及一种单独的亚洲季风模态。沿着西风急流的一种欧亚遥相关型也被发现 (例如, Lu 等, 2002)。一种在西太平洋和菲律宾海涡度经向类双极子型模态，其与太平洋-日本遥相关型特点相同(Nitta, 1987; Kosaka 和Nakamura, 2006)。通过分析200hpa月异常位势高度场， Ding 和 Wang (2007)发现了饶地球的遥相关型，实际上它是波列沿着波导的纬向伸展，并且它和印度夏季季风降水异常相联系。后来又有西北太平洋-北美遥相关型被揭示 (Ding 等, 2011)，它的特点是波列从北太平洋季风槽发出。另外ENSO循环也对波结构有影响 (Ding 等., 2011)。

最近，在分析500hpa-200hpa季节（6-8月）平均的扰动温度的基础上， Zhao 等. (2007)发现了一种亚洲-太平洋遥相关型（APO），它是中纬度亚洲太平洋地区对流层纬向温度类似跷跷板的振荡。当对流层在中纬度亚洲大陆偏暖时，那么在中纬度中东太平洋以及北美和北大西洋地区为偏冷，反之亦然。这反映了亚洲和北太平洋地区之间相反的位相关系，它的强度对西北太平洋热带气旋活动和对梅雨锋的移动都是有影响的 (Zhao 等, 2010, 2012a)。低频APO（例如年代际）的形成认为是由于太阳辐射对亚洲大陆和北太平洋加热的差异导致的纬向垂直环流。亚洲大陆（包括青藏高原）异常加热是主要贡献者，然而太平洋海表面温度异常并没有很强的影响(Zhao 等., 2012b, 2011b; Zhou 等, 2010)。

虽然前人对于APO的研究已经有了很大的进展，但是仍有一些问题没有解决。举个例子，APO模态在北半球副热带大气环流的年际变化中有较大的贡献吗？什么影响因素导致了年际时间尺度的纬向跷跷板模态的形成？这种机制是否与年代际时间尺度形成机制相同？APO的年际变化是否与ENSO相关，或者至少ENSO对太平洋区域有什么影响，谁是气候系统年际变化的主要贡献者 (例如, Chen 等, 2013; Chen 和 Yu, 2014; Yu 等, 2014; Wang

和 Chen, 2016)。沿着这些问题，我们开展这次工作。

文章的其它部分是这样组织的。数据和方法在第二部分。对流层温度年际变化的主要模态以及与APO联系的检验在第三部分。第四部分我们对与两个主要区域进行了热力学诊断以理解其物理机制。最后，第五部分为总结。

1. 数据和方法

这次研究采用了水平经度为2.5 times; 2.5 (Uppala 等, 2005)的ERA-40月再分析资料和 1.1版本的HadISST水平经度为1times;1(Rayner 等, 2003)1958-2001年的月海温资料。本次研究中，夏季对流层温度的年际扰动定义为已经去除气候态和线性趋势的500-200hpa六七八月份的平均温度。注意的是我们没有人为地去除纬向平均温度，如 Zhao 等 (2007)做的那样，以避免夸大纬向的非对称性。为了揭示APO在北半球副热带区域的年际变化原因，对北半球20◦N–55◦N, 20◦E–40◦W区域进行了带面积权重的EOF分析。另外利用协方差矩阵的平行计算也有类似的结果，除了部分有微小的不同（图未展示）。

为了理解纬向年际温度跷跷板式扰动的成因，我们诊断了如下的温度方程。

其中T表示温度，V为水平速度矢量， omega;为P坐标系下的垂直速度，cp为定压比热，R是气体常数。在方程左边的项代表温度的变化率。右边第一项代表水平温度平流，第二项是由垂直运动诱发的绝热加热/冷却过程，第三项为非绝热加热/冷却过程，包含了辐射潜热加热，地表热通量以及次网格过程。Q1是按照Yanai 等 (1973)从每日温度方程的剩余项中计算得到的。

1. 夏季对流层温度扰动的主要模态以及它与APO的联系

图1a,c为500-200hpa六七八月份平均温度扰动的EOF模态，他们的方差贡献分别为29%和14%，并且他们的区别很大，剩余的高贡献率模态是根据 North等(1982)的规则（见图2）。

EOF的第一模态（EOF1)展示了全球中纬度波结构的纬向对称形态，也表示了北半球副热带地区有一致的温度变化。

EOF的第二模态（EOF2)的特征是具有纬向偶极子结构，在欧亚地区为正区，太平洋和北美地区为负区。EOF2中的反位相关系与 Zhao 等 (2007)提出的APO模态很相似。另外，PC2的标准化时间序列与Zhao 等 (2007)定义的去趋势之后的APO指数有着较高的相关性（0.84）。这意味着EOF2模态确实对应着APO遥相关型。我们的研究结果发现APO的年际变化与第二模态中的北半球温度扰动的年际变化相关联，它的方差贡献率为14%。注意的是Zhao et al. (2010)提出APO是与上层温度扰动场的EOF第一模态相关联的，并且有27%的贡献率。两者的差别在与他们进行EOF分析时人为地从温度场中移除了纬向平均分量，纬向偶极子是被夸大了。

图1.对夏季（六月到八月）500-200hpa平均温度扰动EOF分析的前两个主要模态和对应的归一化主成分：（a）EOF1,（b）PC1,（c）EOF2,（d）PC2。反差贡献率标记在图（a）和（c）的右上部。（c）中的矩形代表了这次研究关注的东亚区域（30°N-50°N,60°E-120°E)和北太平洋(20°N-40°N,180°W-120°W)区域。

图2. EOF分析前五个模态的方差贡献率。误差范围由 North等(1982)中的准则决定。

4. 纬向温度扰动非对称结构的机制

为了更深入的理解EOF2形成的机制或者APO，我们将欧亚和北太平洋区域分别进行了研究。两个区域分别为30◦N–50◦N, 60◦E–120◦E 和 20◦N–40◦N, 180◦–120◦W，如图1c中的矩形所示。我们选择这两个区域是因为他们与APO指数原始定义（Zhao 等 2007)的区域很接近。此外，高低指数年的选取是根据标准化的PC2时间序列在1（-1）之外。合成分析的结果为高低指数年平均后的差异（高指数年减去低指数年），反应了欧亚地区偏暖，而在北太平洋和北美地区偏冷。

表一

依据标准化的PC2时间序列挑选年份用以合成分析。正（负）指数年代表指数值在1（-1）之外的年份。

图3. 东亚区域（30°N-50°N,60°E-120°E)500-200hpa平均月温度扰动（红色，K）时间演变图以及它的趋势（蓝色，K/月）。

图4. 五月东亚区域（30°N-50°N,60°E-120°E)500-200hpa平均温度扰动各诊断项（K/月）。从左到右，依次为观测的温度趋势，水平温度平流，绝热项和非绝热项。

4.1 欧亚地区暖异常的原因

图3展示了欧亚选定区域温度扰动以及温度趋势随时间的发展图。如预期一样，明显的正温度异常出现在六七八月份。最大的正温度趋势出现在五月。因此我们对五月进行了热力学诊断来揭示变暖的主要过程。

图4展示了诊断方程各项的相对贡献。可以发现绝热过程维正贡献，而水平平流和非绝热过程均为负贡献。图5a展示了P坐标系下欧亚选定区域区域平均的垂直速度层节图。在对流层中主要表现为下沉运动。由于下沉运动会通过绝热使大气增暖，所以五月欧亚地区的正温度变化趋势是因为异常的下沉运动。

图5. （a）五月东亚区域（30°N-50°N,60°E-120°E)合成后扰动垂直气压速度（Pa/s)。（b）与（a）相同。除了为六月北太平洋区域（30°N-50°N,60°E-120°E)。

4.2 北太平洋地区冷异常的原因

图6展示了北太平洋选定区域温度扰动以及温度趋势随时间的发展图。如预期一样，明显的负温度异常出现在六七八月份。最大的负温度趋势出现在六月。因此我们对六月进行了热力学诊断来揭示变冷的主要过程。

图7a展示了诊断方程各项的相对贡献。水平平流和非绝热过程为负贡献，而绝热过程为正贡献。如图5b所示，对流层上层有异常下沉运动，低层有异常上升运动。上层的下沉运动会导致绝热加热和非绝热冷却，由于潜热释放是与对流相关的，因此它会被下沉运动抑制。从图7a推测，北太平洋区域下沉运动的总效果是产生正温度变化趋势。因此，降水平平流项考虑为冷却过程的主导项。按照前人对于年纪变化的分析方法 (Chen 等, 2015, 2016a, 2016b)，我们再将水平平流项分解成以下形式

其中横线代表气候平均，上分号代表去除年循环和线性趋势之后的年际扰动。如图7b所示，冷水平平流的主要贡献者为年际扰动纬向风对于气候温度梯度的作用。

为了理解冷平流的物理机制 ，在图8中展示了500-200hpa平均的风扰动复合分析场以及多年六月平均温度场。可以发现在北太平洋选定区域为强东风异常，由于温度槽存在与选定区域的东部，东风会引起冷水平平流。

那么，是什么导致了北太平洋区域强异常东风的产生？注意到东风异常与中心在 (20◦N, 180◦E)气旋相关，因此我们试图理解该气旋的成因。图9展示了六月850hpa风异常和海温异常的复合分析结果。海温异常像La Nina 模态，在赤道中东太平洋为海温冷异常。赤道上有强东风异常，在冷舌西部有一对反气旋分别出现在赤道两侧。同时，赤道高层对流层

图6.与图3相同，但是为北太平洋区域（30°N-50°N,60°E-120°E)。

图7. （a）六月北太平洋区域（30°N-50°N,60°E-120°E)500-200hpa平均温度扰动各诊断项（K/月）。从左到右，依次为观测的温度趋势，水平温度平流，绝热项和非绝热项。

（b）对（a）中水平平流项的分解。

出现了明显西风异常以及一对气旋（用“C”标志，见图8）。在观测的基础上，高层的气旋和低层的反气旋是对于底部冷海温异常的Gill响应 (Gill, 1980)。另外注意到中纬度北太平洋区域也出现了强正海温异常，有人会怀疑这可能会影响它上层的大气环流。然而，已被证实的是该种暖形态的成因是海表面反气旋对海洋的作用，海温对于大气的作用是很弱的

图8.六月风（矢量，m/s)的年际变化合成和气候温度(填色，K）；两者均为500-200hpa的平均。“C”代表气旋。矩形代表北太平洋区域（30°N-50°N,60°E-120°E)。

图9. 六月850hpa年际风（矢量，m/s)扰动和海表面温度扰动(填色，K）。“A”代表反气旋。矩形区域代表赤道中东太平洋区域（15°S-10°N,1

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