MJO对东亚冬季表面温度和冷涌事件的影响外文翻译资料

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MJO对东亚冬季表面温度和冷涌事件的影响

Jee-Hoon Jeong,Chang-Hoi Ho,and Baek-Min Kim

School of Earth and Environmental Sciences,Seoul National University,Seoul,Korea

Won-Tae Kwon

Korea Meterological Administration,Seoul,Korea

摘要:

文章主要探究了东亚地区冬季地表气温（SAT）的异常以及冷涌时间发生频率和MJO之间的关系。将热带地区的850hpa和200hpa的纬向风场以及对外长波辐射（olr）进行多变量经验正交分解（EOF）分析，将得到的前两个模态的组会定义为MJO。东亚地区SAT距平场的空间分布和大小的改变与MJO的位相显著相关。合成分析结果显示，MJO-SAT的关系主要是由对流层低层很强的温度平流的影响造成的。除此之外，定义冷涌事件时主要使用了客观决定的预报标准，并且分析了它们和MJO的关系，大多数极端冷涌事件发生在MJO的主对流中心位于印度洋时，这表明MJO诱发的环流异常可能会加强原本是一般强度的冷涌事件的振幅，使之加强为极端冷涌事件。

1、介绍

MJO主要代表着时间尺度为30-90天的艳赤道地区东传的对流异常以及相关的对流活动，是热带地区最主要的次季节变率之一。（Madden and Julian,1971）在过去的30年人们做出了很多努力来理解它的动力过程以及它对全球和区域气候的影响。我们都知道MJO会从许多方面对热带的天气和气候系统产生影响，比如热带气旋活动（Maloney and Hartmann,2000）,深积云对流活动（Madden and Julian,1972;Hendon and Salby,1994）,印度季风（Hartmann and Michelson,1989;Wang and Rui,1990）以及澳大利亚夏季风（Wang and Rui,1990;Hendon and Liebmann,2990）。

2、资料

在本篇文章的分析中冬季定义为十一月至次年三月（东亚冬季风盛行阶段）。考虑到资料的可获得性和可靠性，选取的时间段为1974/1975到2000/2001的27个冬季。olr资料用于定义MJO指数，起始时间为1974/1975年冬季。为了探究MJO对东亚地区的SAT的影响，分别从中国和韩国气象局获得了中国192个站点和韩国5个站点的日平均SAT资料。日平均的纬向风和经向风、位势高度、比湿和平均的海平面气压来自于NCEP-NCAR的再分析资料。去除了季节循环和年际变化，首先是对1974-2001年每365天的日资料进行平均，再进行21天滑动平均。

3、MJO和冷涌事件的定义

为了对MJO的位相和振幅进行分类，文章采用了2004年由Wheeler和Hendon得到的RMM指数。这种方法能够不使用传统的滤波方法就筛选出MJO并且成功地抓住MJO沿赤道的演变以及相关的赤道以外的活动。RMM指数是通过对赤道平均（南北纬15度）的850hPa和200hPa纬向风和对外长波辐射（olr）的合成日平均场进行EOF分析获得的。去除了季节循环和年际变化。

日观测资料投影到多变量的前两个主模态上，从而获得一组标准化的主成分事件序列RMM1和RMM2。基于RMM1和RMM2的超前滞后关系我们可以得到MJO位相的地理分布。MJO的地理位置主要表现为由RMM1和RMM2定义的二维位相空间的一个点。MJO的振幅由该点和中心之间的距离所决定。MJO可以分为八个位相，位相1代表对流活动中心位于非洲，位相2-3位于印度洋，位相4-5位于海洋性大陆地区，位相6-7为西太平洋，位相8位于东太平洋。

在东亚地区冷涌事件的主要特征表现为SAT的骤降、西伯利亚南部反气旋的迁移以及盛行的强偏北风。文章中主要采用的定义冷涌事件的标准是：当反气旋在西伯利亚南部出现并且中国中部或者南部的SAT在两天内下降超过1.5个标准差时。极端冷涌事件的定义在前面一般冷涌事件的定义的基础上更加严苛，SAT下降必须超过2个标准差，中国中部的异常偏北风风速必须超过1.5个标准差。表一总结了定义冷涌和极端冷涌事件的详细标准。

表一：定义冷涌事件的标准

a:地面反气旋是先决条件，需要在南西伯利亚按如下标准识别：临近八个格点的最大位势高度要达到1000hPa，反气旋中心的海平面气压需要大于1035hPa，格点处的反气旋涡旋必须维持至少24小时，并且相对涡度必须超过1.0.

b:资料来源于六个站点，110-115E，32.5-37.5N

c:标准值是1.5个标准差

d:资料来源于七个站点，115-120E，22.5-27.5N

d:标准值是两个标准差

4、结论

首先，我们探究了当MJO的振幅大于1时SAT距平随MJO八个位相的变化情况。图一显示的是八个位相下合成SAT距平场的分布情况。最为明显的特征是中国的大多数地区在2-4位相会经历一个明显的降温过程而在6-8位相则是增暖过程。并且注意到2-4位相这样的一个降温的信号始于中国西北部终于中国东南部，而增暖的信号则是从中国南部到东北部。

图一：基于MJO八个位相合成的表面温度异常，时间段为从1974/1975到2000/2001（十一月到三月）27个冬天。给出的站点为合成的异常场显著性检验超过90%的。括号里给出了合成的时间数。

图二呈现了MJO各个位相下的合成的500hpa位势高度场以及叠加在其上的700hpa相对湿度场。在第三位相，当中国大多数地区经历显著降温过程时，来自西伯利亚南部的干冷平流输送到中国中北部同时伴随着中国东部沿海上空低槽的出现。在六七位相主导中国的主要是正位势高度异常，伴随着来自毗邻海洋上的暖湿平流输送到东亚内陆地区。向下短波辐射的增加也可能会影响正SAT异常。

图2：冬季MJO八个位相下合成的500hPa位势高度（等值线，间隔为4米）以及700hPa相对湿度（阴影区域，）异常场

这些结论和Vecchi和Bond在2004年关于北半球高纬地区SAT异常的分析是一致的。在他们的工作中700hpa比湿场和SAT距平场和MJO位相有明显的随位相演变的关系，而700hpa比湿场和500hpa位势高度场之间又相差90度位相。因此他们从这些结果中推断：SAT信号是由水平冷暖平流和对流层中层比湿和向下长波辐射的正相关关系共同决定的。这两个过程在本篇文章中对SAT异常的影响也是最明显的，但是在两篇文章的结论中有一些不同之处。在图一和图二中，SAT信号主要是和500hpa位势高度场呈位相相关关系，而700hpa比湿场喝500hpa位势高度场相差180度位相。这主要是由于东亚冬季气候的地区特征造成的，在冬季东亚地区主要受冬季风控制。东亚大陆的大部分地区都会受来自内陆的干冷平流，主要是西伯利亚高压的影响，以及来自东南方向海洋地区暖湿平流的影响。因此SAT信号主要和500hpa位势高度场相关，而500hpa位势高度场又代表了水平冷暖平流。与Vecchi和Bond的工作相比，与700hpa比湿场相联系的辐射效应相对弱一些，但也是不能忽略的。

除此之外，在MJO 2-4位相东亚地区强降温过程的特征表明一次冷涌过程的出现，因为强降温过程始于西伯利亚南部，冷空气团在那里堆积然后在大约6-14天的时间尺度内经过中国中部和南部。因此研究得到的结论是作为东亚冬季风子系统中最重要和活跃的冷涌活动 与MJO的位相密切相关。

使用前文提到的冷涌事件的定义，从1974/1975到2000/2001年一共有206个冷涌事件（年均7.63个），34个极端冷涌事件。冷涌事件的总数少于之前的研究，这是因为文章主要关注了控制大部分中国地区的冷涌事件，所以标准比之前的研究更严格。文章考虑了西伯利亚高压的预先存在，使用了SAT的区域平均（中国中部的六个站点和中国南部的七个站点）作为单个站点资料的代替来辨认冷涌事件。

图3：可辨认的冷涌事件在MJO的位相空间图上的分布。MJO的位相和增强的对流大概的位置都已经标记出来。小的和大的圆圈分别代表所有的和极端的冷涌事件。半径为一的圆圈代表图表的中心。

为了展现冷涌事件和MJO位相之间的关系，图三给出了在MJO位相图上发生的所有一般和极端冷涌事件。表格二总结统计了所有的冷涌事件。从SAT的合成图可以推测在2-4位相冷涌事件的发生次数会增加。但是对于一般冷涌事件它们与MJO位相之间的关系并不显著，基本是独立于MJO位相的。在MJO的第2、3位相冷涌事件的发生次数略有增加，但是在其他MJO位相仍有大量冷涌事件发生。另一方面，极端冷涌事件的发生与MJO密切相关。大多数极端冷涌事件发生在MJO的第2、3位相，但是在1、4位相没有极端冷涌事件发生，在其他位相只有1-5个冷涌事件发生。只针对发生在MJO活跃期（MJO振幅大于1 ）的冷涌事件而言，与位相的依存关系也十分明显，极端冷涌事件主要集中在2、3位相。此外，在第三位相大部分极端冷涌事件发生在MJO振幅非常大的时候。从上述结果可以推断与MJO相联系的环流异常可能会选择性地加强一般冷涌事件的位相使之成为极端冷涌事件。

表2：基于27个冬天（1974/1975到2000/2001年）天的冷涌事件的统计

a:括号内的代表在强MJO阶段发生的冷涌事件数

为此，文章给出了在极端冷涌事件发生前后6天（3天为一间隔）的时次的500hpa位势高度场和斜压场（定义为850hpa和300hpa的纬向风之差）。总的来说，一个通常代表冬季大陆地区低层冷空气团的强的负位势高度异常会提前六天在贝加尔湖以西形成，在冷涌事件发生后的第三天到达中国东北部，最终经过中国东海岸和朝鲜半岛。该负异常也表明在极端冷涌事件发生时期强的冷平流会从西伯利亚南部输送到中国内陆地区。正斜压异常中心在冷涌事件发生前六天时位于西伯利亚南部然后逐渐向贝加尔湖以南、中国东北部、韩国北部以及中国中南部移动。

为了探究与MJO相联系的环流异常的影响，图四给出了MJO的位相合成图。MJO第2-3位相的环流特征与极端冷涌事件发生前后6天的环流很相似，此时负的位势高度异常首次出现在西伯利亚上空，然后在2-3位相向中国北部和中部移动。斜压场随MJO位相的变化十分显著，这点很容易理解尤其是考虑到中纬度急流会随着东传的MJO变化这一显著特征。正斜压出现在贝加尔湖上空并在MJO1-2位相向南移动，然后在MJO3-4位相会在中国南部有明显增强。

图4：（左）在极端冷涌事件发生前后合成的500hPa位势高度（阴影区域，米）异常场和斜压场（等值线）和（右）在MJO1-4位相的合成场。等值线间隔为m(s Pa)^-1。

综上所述，我们进一步推断在MJO2-3位相极端冷涌事件的增加和与MJO相关的环流异常显著相关，因为在MJO2-3位相预先存在的MJO环流异常会增强冷涌事件使之成为极端个例。我们知道一次冷涌事件的主要内容包括在贝加尔湖附近短波槽的移动、冷空气从西伯利亚的侧面爆发并且在经过亚洲大陆东侧时振幅增加。因此我们需要注意大多数冷涌事件是由中纬度本身的变化触发的，所以认为MJO只能提供补充预报条件这一想法是合理的。

5、总结和讨论

在东亚区地区的SAT异常表现出了与MJO相关联的环流异常的明显的空间变化，主要是通过低层的对流效应作为一个先决条件。除此之外，极端冷涌事件发生频率与MJO密切相关，比如在MJO的第2-3位相和MJO相关的预报条件为冷涌事件振幅的加大提供了有利的条件。

目前的研究对于SAT的预报以及极端冷涌事件的预警很有帮助因为在赤道地区缓慢变化的对流活动会提供季节内时间尺度的信息。但是，我们应该注意到研究中的几个局限。首先东亚地区的SAT和冷涌事件大多数都是由中纬度本身的变化造成的，所以MJO对其是一个有限的、补充性的影响。为此，我们进一步推测与MJO无关的SAT的季节内变化和冷涌事件包括了中纬度本身的变化比如西伯利亚高压和北极涛动的影响。西伯利亚高压主要是由辐射冷却和大尺度下沉运动维持的并且通常控制着东亚地区的天气和气候，包括SAT和冷涌事件。最近有研究指出北极涛动和东亚冬季风以及西伯利亚高压密切相关。因此考虑这些中纬度本身的变化对于预报会很有帮助，但是东营区地区的MJO和大尺度环流仍包括年际变化特征。所以我们必须要记住我们的研究不可避免地会受到大尺度变化比如和ENSO、东亚冬季风和太平洋地区十年振荡相关的影响。第三，触发MJO以及影响中纬度地区这一动力过程还没有完全被理解，并且大多数海气耦合的模型仍不能模拟出真实的MJO。因此将本篇文章中的结论用于动力预测非常局限但是其中的统计方法可以被运用。

参考文献

Adams, J. M., N. A. Bond, and J. E. Overland (2000), Regional variability of the Arctic heat budget in fall and winter, J. Clim., 13(19), 3500–3510.

Bond, N. A., and G. A. Vecchi (2003), The influence of the Madden-Julian Oscillation (MJO) on precipitation in Oregon and Washington, Weather Forecasting, 18(4), 600– 613.

Boyle, J. S. (1986), Comparison of the synoptic conditions in mid-latitude accompanying cold surges over eastern Asia for th

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