热带和温带季节内振荡对中国东南部夏季降水10-30天变化的协调影响外文翻译资料

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热带和温带季节内振荡对中国东南部夏季降水10-30天变化的协调影响

Jianying Li^1，2 · Jiangyu Mao³

中国地质大学环境学院，武汉430074

南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室，南京210044

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG），北京100029

摘要：基于1979-2015年台站观测日降雨数据，这项研究探讨了中国东南部10-30天降雨异常的空间变化和物理机制。EOF分析结果显示：长江中下游以南（SMYL）10-30天降雨异常的主导空间模态呈单极子结构。超前滞后合成分析揭示了这种单极子模态的演变依赖于热带和中高纬度的10-30天大气季节内振荡（ISO）的协调影响。在对流层高层，中高纬度向东南传播的罗斯贝波列表现出东欧到中国东南沿海地区异常气旋与反气旋交替出现的特征，从而通过涡度平流引起长江中下游以南强烈的上升（下沉）运动。东亚/西北太平洋ISO激发经向垂直环流，其中上升支（下沉支）位于长江中下游以南而下沉支（上升支）位于更南侧，进一步增强长江中下游以南的上升（下沉）运动，从而导致该地区10-30天降水异常的湿（干）位相。此外，由于印度洋与ISO相关的非绝热加热的经向不均匀分布，在孟家拉湾北部印度洋中部产生反气旋（气旋），其通过与中高纬度季节内Rossby波相互作用使长江中下游以南异常上升（下沉）位置不变，从而加强长江中下游以南降水异常湿（干）位相的持续性。

关键词：10-30天季节内振荡 非绝热加热的不均匀性 热带-中纬度作用

1 引言

由于周期长，强度大，持续性强降雨是我国最致命的天气灾害之一，其对社会经济发展影响显著(e.g., Easterling et al. 2000; Hong and Ren 2013)。与基于站点的持续性强降雨事件相比，区域对应物具有导致更强灾害的能力(Hart and Grumm 2001)。由于区域性持续降水(RPHR)事件夏季频繁出现在淮河以南(HR,约32.5°N,115°-125°E)，特别是在中国东南部(陈和翟2013)，理解中国东南部RPHR的原因对于促进提前规划、决策和降低风险有重要意义。RPHR事件不可避免地与持续大尺度环流异常相联系(Tao and Xu 1962)，其又由大气季节内振荡调节(ISOs;Zhu等人2003;Fujinami and Yasunari 2009;Yang等人2010)。ISO是日常天气和季节性气候之间相对较宽时间尺度上大气变化的最重要组成部分之一(Lau and Waliser 2005)。在北半球夏季，在季节内时间宽尺度上有两个主要主要ISO模态：10-30天和30-60天ISO(Annamalai and Slingo 2001; Lee et al. 2013)。夏季30-60天ISO主要集中在亚洲夏季风区域。这种ISO模态物理上被解释为斜压对流-环流耦合系统，其沿着赤道向东传播，然而在南亚夏季风区域和东亚西北太平洋区域向北传播(Lawrence and Webster 2002;Jones et al.2004)。

对于10-30天时间尺度，显著的ISO信号在热带和中高纬度都被观测到(Fujinami and Yasunari 2004;Kikuchi and Wang 2009;Yang et al.2014)。在热带印度洋-西太平洋区域，10-30天ISO表现为由夏季引导气流调节的西传/西北传罗斯贝波列(Chatterjee and Goswani 2004; Guan and Chan 2006;Chen and Sui 2010)。位于中高纬度的10-30天ISO和准定常东南传播的罗斯贝波列相关(Terao1998;Enomoto et al.2003; Yang et al.2014; Hu et al.2016)。

Li和Zhou(2015)检验了晚夏华南持续性强降水事件并认为10-30天和30-60天与ISO有关的水汽辐合的同步和持续在引起持续强降水的过程中起到了决定作用。因此，研究30-60天和10-30天ISO对降水的影响来充分理解中国东南部RPHR的原因，这是势在必行的。既然10-30天ISO与30-60天ISO的时空变化与传播特征显著不同，每种ISO模态应该被分别研究。

通过对1979-2015年夏季长江中下游以南季节内降水平均谱分析发现降水10-30天变化很显著，意味着大多数夏季中国东南部降水10-30天变化是季节内降水的重要分量。因此，这项研究我们关注热带和中高纬度10-30天ISO对中国东南部持续性强降水的综合影响。30-60天ISO的影响将会在另一项研究中被描述。因此下面各部分没有特别指定的地方都是10-30天ISO变化。

大多数之前研究强调热带西北太平洋ISO对RPHR的重要作用，在中国东南沿海异常反气旋与气旋交替出现，导致西太副高的季节内变化，因而引起10-30天降水异常(Mao and Wu 2006; Mao et al.2010; Yang et al.2010)。此外，基于1996年的个例研究，Li et al.( 2015)认为当抑制（活跃）对流异常和伴随的异常反气旋（气旋）抵达南海时，会引起当地的垂直环流，在长江中下游有异常上升（下沉）和水汽辐合（辐散），进而增强降水的湿（干）位相。这些关键的10-30天环流异常反过来与从赤道西太平洋形成向西北传播的罗斯贝波列相关(Mao et al.2010)。注意到南亚夏季风区域也观测到显著的ISO信号(Annamalai and Slingo2001;Lee et al.2013)。尽管Hsu et al. (2016)和Chen and Zhai(2017)发现中国东南部RPHR的发生概率随着南亚夏季风-东亚、西北太平洋区域ISO模态演变而变化，但通过热带哪个ISO信号调节中国东南部RPHR仍不清楚。因此，这项研究的一个目标是去探索南亚夏季风区域的ISO信号是如何调节中国东南部RPHR的，以至于充分理解整个南亚夏季风区域的热带ISO的影响。

中纬度ISO是中国东南部持续性降水异常的另一个重要源头(e.g.,Fujinami and Yasunari 2009;Kong et al.2017)。中高纬度的ISO主要表现为对流层高层向东南传播的准定常罗斯贝波列(Fujinami and Yasunari 2004; Hu et al. 2016)，通过涡度平流调节中国东南部辐散气流 (Watanabe and Yamazaki 2012)并从洞里方面实现持续性降水异常。Li and Mao(2018)认为热带和中高纬度ISO相互作用决定了位于中国东南部30-60天时间尺度上异常降水的强度和周期。因此，热带和中高纬度10-30天ISO是如何相互作用的，以及对中国东南部异常降水的影响仍需要进一步研究来充分理解中国东南部10-30天降水异常的热力学和动力学机制。注意到东亚大陆中纬度地区的青藏高原，以世界第三极被人了解，平均海拔4000-5000m。青藏高原多个变量，如降水，位势高度，以及温度都有观测到10-30天的波动(e.g., Nitta 1983; Fujinami and Yasunari 2004)，意味着青藏高原是ISO的一个主要活动中心。除了来自中高纬度的准定常罗斯贝波列(e.g., Fujinami and Yasunari 2009;Hu et al.2016)，Wang and Duan (2015) and Yang and Li (2017) 认为青藏高原西南部的ISO来源于赤道，意味着热带-温带相互作用是青藏高原ISO的固有特征。因此，青藏高原的ISO分量也许对理解热带-中高纬度ISO相互作用是个关键。

因此，这项研究的目的在于探索中国东南部10-30天降水异常的动力学和热力学过程，尤其是探索热带的ISO是如何与青藏高原附近中高纬度ISO相互作用以及对下游降水的影响，从而来充分理解整个亚洲夏季风区域的热带ISO以及中高纬度ISO对中国东南部持续性降水的综合影响。第二部分描述了数据和方法。中国10-30天降水异常的主要模态在第三部分被识别，第4部分研究了热带和中纬度ISO对降水的影响，并且揭示了在引起强降水长周期中的作用。最后，第5部分给出总结与讨论。

2 数据和方法

2.1 数据

由中国2416个台站插值形成的日高精度(0.25°0.25°)格点数据(Wu and Gao 2013)被用来检测中国的降水模态。来自国家环境能源预测部门(NCEP-DOE)大气模式比较项目(AMIP-2)再分析产品(Kanamitsu et al.2002)，水平精度为2.5垂直层次共17层。The NCEP-DOE reanalysis II 数据集被选择作为热带和中高纬度ISO的优秀代表 (e.g., Lee et al.2013; Hu et al.2016)。来自国家海洋和大气极轨卫星管理部门日OLR数据被用来作为热带深对流的代理(Liebmann and Smith 1996)，水平精度为2.5°经度2.5°纬度。所有数据的时间范围都是1979-2015。

2.2 方法

参考Li et al.(2015),关键变量的（比如降水和850hPa纬向风）季节内异常通过三步被获得：（1）通过提取时间-平均和前三个日气候态前三个谐波去除季节循环；（2）通过提取前120天平均(Wheeler and Hendon 2004; Lee et al.2013)去除年际和年代际变化;（3）采用10天滑动平均去除高频分量（少于10天）。因为这项研究关注10-30天尺度ISO对RPHR的影响，进一步采用10-30天兰卡兹滤波来提取ISO相关的分量。

EOF分析被用于辨别中国10-30天降水异常的主要空间模态。因为EOF模态的PC时间序列反映了空间模态的时间变化，我们基于PC1进行合成分析，以便于进一步研究与EOF1模态相关的10-30天降水异常演变。基于PC1，一个强的10-30天SMLY降水事件被定义成一次循环其中最大PC1超过1.5倍标准差。因此，1979-2015年夏季59次强事件被挑选出来。在每一次事件中，最大PC1被的发生日期作为第0天，第0天之前（之后）作为负（正）天(Yang and Li 2017)。周期的长度被估计成第0天和最近的最小PC1发生时间间隔的2倍(2|Tmaximum-Tminimum|)。因为挑选的10-30天长江中下游以南降水事件约为16天，日超前滞后合成的时间范围是从-8天到 8天，大致代表10-30天降水事件的完整循环。

为了检验中高纬度ISO的传播特征，位相-依赖的波活动通量( ; Takaya and Nakamura 2001)被计算。在球坐标系中，的水平分量表述为：

这里为10-30天滤波后的流函数异常，(U,V)是夏季平均气流纬向和经向分量，(,) 代表经度和纬度，a代表地球半径，而p是气压。计算 的细节可以在Takaya and Nakamura (2001)中被找到。

注意到热带ISO的特点是以伴随着显著非绝热加热和辐散气流的深对流，也许进一步影响中高纬度的ISO表现(Chen and Murakami 1988;Pan and Li 2008)。为了检验中高纬度ISO与热带ISO的相互作用，我们诊断了垂直涡度方程(Wu and Liu 1998),这是由Ertel 涡度方程导出 (Ertel 1942;Hoskins et al.1985):

这里是相对涡度，代表绝对涡度，是水平风矢量，代表静力稳定度，并且Q是Yanai等人(1973)的热力学方程的残差非绝热加热。为了进一步揭示热带和中高纬度ISO相互作用的特殊热力和动力过程，（2）中的水平风矢量进一步被分解为旋转()和散度(v)分量，产生式中右边第一项是地转风对绝对涡度的水平平流（标记为A），因为第二和第三项都代表由辐散气流强迫的罗斯贝波列，这两项被归为罗斯贝波源项(Sardeshmukn and Hoskins 1988; labeled as B)。最后三项代表由非绝热加热强迫的旋转气流，来自垂直非均匀非绝热加热三项中的第一项（标记为C）以及非均匀非绝热加热三项中的后两项（标记为D）。

3 中国10-30天降水异常的主要空间模态

在北半球夏季，中国气候平均降水表现为从东南沿海到西北内陆递减的趋势(Fig.1a)。观测到最大降水区域位于中国东南部，降水量超过800mm，然而到西北HR降水量跌至400mm。注意到中国东南部的强降水表现为很强的10-90天季节内变化，沿着YRV和东南沿岸10-90天季节内降水标准差超过12mm/天(Fig.1b)。之前研究已经表明在长江中下游以及中国东南部10-30天频带的降水变化是10-90天季节内降水异常的主要贡献者(Yang et al. 2010;Li and Zhou 2015)。正如Fig1b和c所展示，10-30天降水异常的空间分布与10-90天季节内降水异常匹配很好。最大10-30天降水异常（大约5mm/天）也处在YRV和中国东南沿岸，约占10-90天季节内降水变化33%的贡献，因此进一步表明中国东南部10-30天降水异常的重要性。

为了辨别中国10-30天降水异常的主要空间模态，Fig1d展示了EOF第一模态，EOF1解释了13.4%的总方差并且和第二模态不同(North et al.1982),意味着EOF1是中国10-30天降水异常主要模态的代表。EOF1的空间分布表现为单极子结构，长江中下游以南(SMLY; 22°–30°N, 105°-122°E)纬向带状正负载大值区域占主导。在SMLY北部观测到较小的负载值，但其强度和空间范围都远比其南部空间范围要小。另外注意到Lau et al.(1988)揭示EOF1与梅雨模态很相似,暗示10-30天降水异常确实是梅雨降水

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