全球变暖将导致西太平洋副热带高压增强还是减弱?外文翻译资料

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全球变暖将导致西太平洋副热带高压增强还是减弱?

何超^1,2，周天军^2,3，谷德军¹，林爱兰¹，李春晖¹郑彬¹

摘要： 在夏季，西太平洋副热带高压(WNPSH)对东亚气候有调节作用。反常的WNPSH导致了中国、日本和韩国的洪水、干旱和热浪。全球变暖的情况下，WNPSH的潜在变化是亚洲人所关注的，但副高究竟是增强还是减弱是不确定的。基于第五轮多模式气候变化预测耦合模式比较计划（CMIP5），我们发现，由于全球变暖，WNPSH在对流层中层趋于减弱并向东退，东亚雨带沿副高西北侧向东扩展。副高北侧减弱的经向温度梯度和相关的热成风解释了对流层中层弱的WNPSH。我们建议用涡旋位势高度（He）来测量WNPSH，而不是传统的重力势高度，特别是在气候变化研究中。

在夏季，亚热带西北太平洋（WNP）是由与对流层中低层反气旋环流有关的高压系统控制。这种高压系统被称为西太平副热带高压（WNPSH），也被韩国和日本科学家称为博宁高压或小笠原高压^1,2。WNPSH通过其西侧的偏南风将水汽输送到东亚，并在其西北边缘上湿润的南风与冷空气相遇形成了雨带^3,4。中国、韩国和日本的梅雨-百大马雨带沿线的雨量过多或不足，是由WNPSH^2-5调控的。同时，在WNPSH脊线附近的区域由于下沉运动而受晴热天所支配⁶。异常的WNPSH在一些地区引起洪水，但东亚其他地区的热浪和干旱^6,7，例如1998年长江沿岸的大洪水^3,8，1994年中国中部地区的干旱⁹，以及2010年日本的破纪录高温⁶，WNPSH也调节亚热带西北太平洋地区的热带气旋活动^10,11。

20世纪70年代末，WNPSH的年代际变化导致了东亚气候的变化，这是由热带海洋变暖引起的^12-14，它与太平洋年代际变化振荡的逆转有关^12,15。由于WNPSH对东亚气候的重要性，持续的全球变暖将如何改变WNPSH已经引起了极大的关注。但是，基于模式得出的未来气候预测研究尚无定论。一些研究声称副高增强西伸^16,17，而另一些人则认为大致不变¹⁸。随着31个模拟模型的输出，在这项研究中，我们调查夏季WNPSH的预期变化使用多个指标来获得更有效的预示，通过比较二十一世纪下半叶的情景预估试验（RCP8.5)运行结果与二十世纪历史气候试验运行的结果。

图1 6-7月-8月500 hPa WNPSH的季节平均状态。(a)观测。(b)历史运行。(C)RCP8.5 运行，阴影是位势高度(“H”，单位：m)和风矢量(单位：ms^-1)，实线是涡旋高度的0 m等高线(He=0 m)，虚线是涡旋流函数为0㎡s^-1等高线(Se=0㎡s^-1)，25˚N以北充满蓝点的地区预测降水率超过5mm·day^minus;1 。此图由NCAR命令语言创建³

结果

WNPSH通常用WNP上方的位势高度（H）来测量。WNP之上的较高（较低）H被认为是较强（较弱）的WNPSH。H在500hPa上的5880m形状被中国、韩国和日本^1,17,20的气象学家广泛地用作测量WNPSH的标准，来确定强降水的位置，因为东亚的雨带通常位于这一接触点的西北部^1,5,17（图.1)。

当气候变暖时，500hPa的H是如何变化的？与历史相比（图1b)，RCP8.5运行项目的多模型总体均值（MME）在21世纪晚期显著增加H（图1.c）。整个南部WNP30˚N以南的H值在5680m以下，RCP8.5运行是H值高于5900m。随着H值的增加和H值在5880 m以上的面积的扩大，RCP8.5运行中的WNPSH似乎增强了^16,17。尽管在温暖的气候中，H = 5880m等高线向西北移动，但在东亚的雨带中却看不到向西北移动，包括日本、韩国和中国南部（图1b,c中蓝色虚线区域)。东亚雨带在气候变暖时不遵循H=5880 m等高线，这是当前气候条件下对东亚雨带的良好指示^5,20。

图2 RCP8.5(2050-2099平均数)下的WNPSH相对于历史运行(1950-1999年平均数)的预测变化。(a)MME预测的H(阴影，单位：M)和风(矢量，单位：m·s^-1)的变化。31种模式之间的风速超过75%的一致性由蓝点组成的。实线是He= 0m等高线，虚线为Se = 0 m²s^minus;1 的等高线。蓝色和红色的线分别代表历史和RCP8.5运行。(b)WNP((10˚–30˚N,120˚E-180˚，即（图2a中的矩形)在He(单位：M，左y轴)和Se(单位：m²s^minus;1，右y轴)中的平均变化。粗的的蓝线表示的MME，而细的黑色误差线显示个别模型的第25%和75%范围。此图由NCAR命令语言创建。

WNPSH的性质是行星波，其特征是H高于其周围区域。在这里，我们定义了涡旋位势高度(He)为H与区域平均值的偏差。超过0˚–40N˚,180˚W–180˚E,，遵循以前研究的定义^12,24。我们使用He=0 m的等高线来测量WNPSH的边界，而不是H = 5880m等高线。由于以前的一些研究也利用流函数相关的变量来测量副热带高压，我们也验证我们的结果是基于涡流函数(Se)定义的流函数与0˚–40˚N, 180˚W-180˚E的区域平均值的偏差。

在历史运行结果(图1b)中，MME很好地捕捉到了He=0 m和Se=0 m²s^minus;1等高线的空间格局，同时也很好地捕捉了反气旋风场。但是H值被系统地低估了，而H=5880m等高线不能在历史的运行中被发现，正如以前的研究指出，因为环流是由H的梯度而不是H的绝对值决定的，根据大气动量方程，H系统的低估不影响WNPSH的模拟。这就解释了为什么附加的He、Se和风场类似，但高度场却不是。

与历史气候试验的运行结果相比，He=0 m和Se=0 m²s^minus;1等高线在RCP8.5曲线中都收缩，其西边向东退(图2a中的等高线)。He=0 m的收缩的等高线表明，H在WNP的增加小于纬向平均（见补充图S1）。事实上，在超过75%的单个模型中，WNP He和Se会减少（10˚–30˚N，120°E˚平均）。MME预测的He下降为3.7 m，Se下降为3.0times;106m²s^minus;1(图2b)。随着He=0 m，Se=0 m²s^minus;1等高线收缩和东退，日本周围的雨带向东扩展(图1b，c)。当气候变暖时He、Se和降雨量的变化都表明，500hPa的WNPSH减弱并向东退。

风的变化也预示着WNPSH减弱。在历史运行的He=0m(和Se=0 m²s^minus;1 )等高线周围有一个异常的气旋风异常(图2a中的向量)，H主要是由WNPSH北侧减弱的西风造成的。在WNPSH的北侧，75%以上的个体化模式都认同西风减弱。在副高南侧东风异常薄弱是出现在大约15°N但西风异常明显的南于10°N（如图2a向量），这两者都是低于 75%的跨模型的共识。区域平均0°–20°N，120°E-180°E显示稍微削弱的贸易东风。我们的研究结果与以前的研究一致，即全球变暖削弱了太平洋沿岸贸易风^25,26，而西太平洋贸易风的减少不如东太平洋强²⁶。

图3 在120°–180°E内MME纬向垂直剖面的平均变化。(a)纬向风的变化(阴影，单位：ms^minus;1）。黑线表示气候因子贸易东风与中纬度西风在历史运行中的联系。（b）气候（线条）和MME预期变化（阴影）在温度（单位：℃）中的预测变化。加粗线条显示等温线为0℃，等温线间距为10℃，虚线为负等温线。MME预测的变化是由超过75%的个体模型有白色网格线填充。温度的升高（b)已经超过了75%的模型间的一致性，并且省略了白色交叉。此图由NCAR命令语言创建。

H的变化与风的变化是一致的。超过75%的模型在WNP上每个网格点上的H值在500 hPa上的增加是一致的,增加的幅度至少为70 m(图2a中的阴影)。在WNPSH的南侧，H的增加相当均匀，但在其北侧有较强的经向梯度。高纬度地区的H值上升幅度较大。（在图2a的阴影），它削弱了WNPSH北侧H的经向梯度。在H梯度的变化相一致，在副高北侧西风的作用明显减弱，但在副高南侧偏东信风只是略有减弱。

1. He、Se、风和降水量的预测变化一致显示，WNPSH减弱，向东撤退。之前的研究表明，WNPSH的强度减少伴随着其西部边界的东向后退，而在每年的时间尺度上^2,5，我们的研究结果证实了这一规律。基于RCP8.5程序运行的结果也得到 RCP4.5运行的确认（补充图S3）。以前的研究表明，在H的升高下，WNPSH的作用增强了^16,17，但我们认为WNPSH的北侧H的弱经向梯度明显表明WNPSH减弱了。

WNPSH垂直结构的变化是什么？在纬向风变化的维向-高度剖面图上（图3a），WNPSH北侧的西风和WNPSH南侧的东风在对流层中下层减弱。超过75%多个模式都证明了在对流层中上层WNPSH北侧的西风减速，但在对流层低层模式间的一致性较低。WNPSH在对流层中部预计减弱，但在对流层下部保持不变。这与以前的研究结果一致，认为850hPa中WNPSH的变化微弱¹⁸。此处所显示的WNPSH的预测变化与以前的研究并没有矛盾，以前的研究声称，太平洋地区的副热带高压与东太平洋地区的副热带高压不同²⁷，因此导致了亚热带高压的加剧²⁸。

为什么WNPSH在对流层中部减弱？在WNP预测温度变化的垂直结构中，WNPSH的南侧和北侧的变暖模式有很大的不同(图3b)。在WNPSH南侧(30 ˚N以南)，温度的水平增加是均匀的。赤道地区水平均匀的变暖是由赤道波引起的，它有效的平滑了水平温度梯度²⁹。与此相反，WNPSH北侧的气候变暖的特点是较强的经向梯度(图3b)，高纬地区的变暖减弱了平均温度梯度^30，31，因此，根据热成风风规律，对流层中层的西风减弱。由于减弱的WNPSH主要是由其北侧的西风减弱造成的，因此减弱的经向温度梯度是造成WNPSH减弱的主要原因。

图4 西风预测变化的散点图作为单个模型经向温度梯度的函数。横坐标是WNPSH北侧 925–500hPa平均经向温度平流(15˚–25˚N, 120˚–180˚E减去 40˚–50˚N, 120˚–180˚E）, 单位: ˚C)，纵坐标是WNPSH北侧500 hPa西风的变化。WNPSH的侧面（25°–40°N，120°–180°E平均，单位：ms^minus;1）。红点代表MME，黑点表示31个单个模型。31个模型间相关系数模型标记在右上角，排除了图中左下角在括号内标记的4个异常值后的相关系数。此图由NCAR命令语言创建。

模型之间的比较证实了西风与经向温梯度之间密切的关系(图4)，在WNPSH的北侧有较低的经向温度梯度，较弱的西风。模型间的相关系数为0.92，如果图4中左角的4个异常值被移除，则超过了基于学生测试的99%的置信水平。WPNSH北部的西风和经向温度梯度之间有密切关系的模型也在RCP4.5得到了证实(补充图S5)。先前的研究已经讨论了在全球变暖的背景下，海陆热对比对东太平洋海盆低副热带高压的支配作用。结果表明，在对流层中层，经向温度梯度是其主要的影响WNPSH的因素。

讨论

为什么许多先前的研究声称随气候变暖副高而增强？它来源于测量副高的方法。在气候变暖的环境下，基于H的传统测量副高的方法误导了人们。根据流体静力方程的积分形式,对于一个给定压力p的H，正比于地面Ps到p之间的平均温度（T）,即H(p)amp;T Ln（Ps/ P）。由于全球平均ps不应因空气质量守恒而改变，H(p)应在气候变暖的情况下系统的增加。该理论公式通过模型预测得到证实（补充图S1）。H系统的增加可能会误导人们得出的副高增强西伸，这与循环和降水的变化不一致。事实上，WNP中H的增加小于纬向平均增加（补充图S1）。这并不奇怪，以前的研究声称的WPNSH强化都是基于H增加^14,15,16，而没有将H的升高与循环的变化相比较。

在CMIP 5模式预测的基础上，显示了WNPSH在对流层中层有较强的减弱和东退的信号。对流层中层WNPSH的减弱主要是由于西风在WNPSH北侧的减弱而造成的，这是经向温度梯度和相关的热成风导致的。在气候变暖的情况下，纬向平均H迅速上升，如果WNPSH仍由H来测量，则可能会误导人们对WNPSH的长期变化。我们建议用He而不是H来衡量WNPSH，以便更好地捕捉到WNPSH的本质，在当前变暖气候中，特别是在气候变化研究中。

方法

数据与模型。本研究使用的观测数据包括NCEP/NCAR 再分析³⁴和GPCP v2.2降水资料³⁵。来自CMIP5的31个耦合模型用于来构建MME.31模型的名称在补充信息表S1中列出。所有模型数据水平插值到2.5˚times;2.5˚网格点分析。对于每个模

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