中国东南部水汽和降水:印度季风还是东亚季风控制?外文翻译资料

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中国东南部水汽和降水:印度季风还是东亚季风控制?

Huijun Wang^1,2 and Huopo Chen^1,3

摘要：本研究利用大气再分析数据，对1981-2010年中国东南部(SECN)降水过程的水汽源，进行了调查。我们同样还研究了SECN夏季大气湿度的影响因素。这两个问题都与SECN洞穴石笋记录的气候信号密切相关。结果表明，整个夏季SECN上空的大气水汽主要来自印度洋。然而,SECN全年垂直积分水汽含量主要有两个方面来源:印度洋和热带西太平洋。此外，SECN降水过程的水汽输运具有复杂的垂直结构。在大约700 - 500hPa，SECN的降水中的水汽部分来自阿拉伯-里海地区。最后，SECN上的水汽含量主要受印度季风和东亚季风的影响。进一步分析表明，东亚夏季风变率在很大程度上受西太平洋副热带高压、欧亚大西洋热条件以及欧亚大西洋大范围大气环流的影响。因此，SECN洞穴代用资料除了记录局地的东亚季风和遥远的印度季风信号，还可以记录更遥远的中高纬度欧亚气候的信号。

1.引言

亚洲季风基本上是由印度洋-太平洋和欧亚大陆的海陆热力差异引起的。东亚季风是夏季主要的大气现象，其受西太平洋副热带高压(WPSH)、印度-太平洋海表温度(SST)、欧亚大气热力条件及其相关压力结构的调节。Wang等[2001]提出，从晚更新世开始，葫芦洞(32°32′N, 119 ° 10′E)里的石笋记录了东亚季风和北大西洋气候变化信号。

最近，Pausata等人[2011]提出模拟的Heinrich事件中国石笋的氧同位素受印度季风变化的控制，而不是Wang等人[2001]推测的受东亚夏季季风控制。基于这一新结果，Johnson[2011]认为中国洞穴并不能反映东亚季风强度。

因此，对于中国石笋中记录的气候信息有两种不同的看法。为了解决这个问题，我们更严格地考虑了SECN降水过程的水汽来源，而不是像以前研究人员使用夏季平均大气条件数据进行研究，因为降水过程更直接地与地下水径流以及洞穴石笋记录相关。此外，我们还考虑了SECN上空水分的控制因素。虽然主要的水汽来源是印度洋，但水分含量并不完全与印度季风相关，因为SECN还有其他水汽来源，而且SECN上空的水分含量不仅取决于印度季风也取决于其他过程（例如东亚季风等）。

中国气象学家对SECN夏季水汽源地进行了一些研究。例如，Ding和Hu[2003]分析了1998年华南夏季强降水的水汽输运情况。结果表明，南海水汽是SECN降水的主要水汽来源，而南海水汽主要来自印度洋。另一方面，中国西部和西太平洋的水汽输送也在一定程度上促进了SECN的夏季降水。 这一结论得到了Zhou等人[2010]的支持，他们认为中国夏季对流层下部的水分主要来源于孟加拉湾，部分来源于中纬度西风带和热带西太平洋。然而，我们目前还没有很好地认识到夏季年降水量的水汽源地。此外，在过去的几十年里，也还没有关于年降水过程中整体水汽来源的研究。

如上所述，我们假设SECN洞穴中石笋的气候信号应该直接与降水过程有关，而不是与平均夏季大气湿度条件相关。因此，我们对降水过程的水汽源地的重视程度高于对夏季平均大气条件的重视程度。因此，我们这项研究的主要目的是揭示SECN降水过程的水汽源地。

虽然夏季平均湿度数据主要反映印度洋的湿度，但我们更感兴趣的是SECN上空一定数量的湿度是否受到东亚季风的调节。因此，我们的第二个研究目标是确定SECN上空的水汽是否以及在多大程度上受到东亚季风、西太平洋和欧亚大西洋热力条件以及大规模大气环流的影响。总的来说，我们的研究是从全年降水过程中的水分来源及其气候控制因素的角度进行的，是为确定SECN石笋中的气候信号是否来自印度季风和/或东亚、北太平洋西部和欧亚-大西洋。

2.数据和研究方法

国家环境预测中心(NCEP) 利用1981-2010年逐日再分析数据集(水平分辨率2.5*2.5) [Kalnay et al.,1996]，并采用测量当地气象日降水量的方法进行分析。因为东亚季风和降雨模式在70年代末发生了显著的年代际变化，所以我们重点关注1981-2010年。在此区域降水过程全年都可能发生，但主要发生在距葫芦洞28公里的南京气象站的夏季到秋季(5 - 11月)(图1)因此，我们的分析基于1981-2010年降水lt;0.1 mm/day 的日数(P0或无降水日, n = 7705天)、gt; 5mm /day 的日数(P5日, n = 1479天)、gt; 10mm /day的日数(P10日, n = 937天)、gt; 25mm /day的日数 (P25或强降雨日，n = 244天)的水汽输送。因此，平均每年大约有277个P0日、49个P5日、31个P10日和8个P25日。由于300hPa以上的水汽含量非常小，因此进行了从地表面到300hPa的垂直积分，得到总水汽量。

图1：1981-2010年南京气象站月平均降水量的季节周期（单位:mm/day）

3.中国东南部降水的水汽成因

不同季节的水汽来源差异较大(图2)。1月期间，SECN上空垂直积分水汽含量主要由北向西输送，部分由南海输送。四月，SECN上空的水汽还有一个来源，那就是北印度洋，包括阿拉伯海、印度季风地区和孟加拉湾。这个来源在春季和夏季仍然很重要，并且是SECN在夏季的水汽的主要来源。七月，热带西太平洋的水汽输送量较印度洋少，从其他地区输送来的水汽更少。十月的水汽输送与七月完全不同，主要水汽来自西北太平洋。SECN水汽的多种来源在一年中呈现出多种复杂的过程。

图2 1981-2010年一月、四月、七月及十月的垂直积分水汽输送矢量平均值。

我们分析了在第2节中定义的不同降水过程中水汽输送到SECN的情况。图3显示了对于两个无降水日，垂直积分的水汽输送到葫芦洞的主要来源为:北印度洋和热带西太平洋。但是从这两个来源的水汽输送是相当弱的。非降雨例子从两个来源输送到SECN的水汽约为P5例子的一半，甚至小于P10或P25例子。这一结果与垂直水汽输运的6 - 7 - 8月平均气候学(JJA)有着显著的不同。在JJA中，两种来源的水汽输运强度都要大得多，而且从印度方向输送的水汽甚至比从太平洋方向输送的还要多。

但是，由于地下水径流主要来自降水，所以我们更关注降雨日数。在P5日，有两条更加明显的主要的水汽输送通道:印度通道和太平洋通道。显然，印度通道和太平洋通道对葫芦地区P5日的降雨过程一样重要。与无降雨日相比，印度通道和太平洋通道在P5日的水汽输送均得到显著加强。南海是太平洋水汽输送通道上一个非常重要的过渡区域，即热带西太平洋的水汽部分先输至南海，然后再输至中国东南部和日韩地区。毫无疑问，南海上空的大气本身就是水汽的来源，它起源于海洋表面的蒸发。相比之下，对于P5日，印度水汽输送通道是一条从阿拉伯海、印度季风区和孟加拉湾到东亚季风区水汽输送的比较直的通道。

P10日和P25日的水汽输送规律与P5日相似(图3)，但P10和P25日的水汽输送量明显大于P5日。P25日当然是最强的水汽输送，而其增强的水汽输送主要来自印度水汽输送通道。

总结这一部分，对于葫芦洞垂直积分的水汽输送，确定了两个主要来源。对于葫芦地区P5和P10日的水汽输送来说，印度洋源地和热带西太平洋源地同样重要，而对于葫芦洞地区，P25日来自印度洋的水汽输送更加重要。

图3 1981-2010年无降水日、降雨大于5毫米日数、降雨大于10毫米日数、降雨大于25毫米日数、6 - 7 - 8月(JJA)气候学的垂直积分水汽输运矢量。彩色阴影表示垂直积分水汽输运矢量的大小。

4. 水汽输送的垂直结构

对于大多数情况，研究人员倾向于揭示水汽输送的垂直积分情况。事实上，水汽输送具有复杂的垂直结构，即不同高度的水汽输送情景是不同的。这主要是因为大气环流模式的差异很大，水汽含量在垂直方向随高度迅速降低。

850hPa时水汽输送的总体特征(图中未显示)多少类似于垂直积分的情况，在水汽输送方面，印度通道的水汽输送较强，太平洋通道的水汽输送较弱。一般来说，700hPa时的水汽输送量(图4)约为850hPa时水汽输送量的2/3，而印度通道的水汽输送和太平洋通道的水汽输送是降水过程中SECN上空水汽的两个主要来源。500hPa的水汽输送量约为700hPa水汽输送量的一半(图5，请注意图4中不同的色条/刻度)，但500hPa水汽输送的模式与700hPa水汽输送的模式有显著差异。印度通道的水汽输送和太平洋通道的水汽输送几乎消失。更重要的是，欧亚通道的水汽输送更为重要，具有主导作用。此外，欧亚通道的水汽输送更多地从西方而不是从北方输送，里海地区是非常重要的水汽来源。由于里海地区上空的水汽与大西洋密切相关[Li et al.，2008a, 2008b]，欧亚北部通往东亚的水汽输送通道应该与大西洋相连。

有趣的是，阿拉伯-里海地区也是700hPa的印度洋水汽的重要来源(图4)，因此，印度洋北部和印度半岛上空的水汽主要来自阿拉伯-里海地区，与大西洋关系密切[Li et al.， 2008a, 2008b]。因此，在700hPa 上SECN的水汽也与大西洋相连。然而，在700hPa和500hPa时，这种连接的路径是不同的。从里海地区到东亚，500hPa的通道是直接的，但是在700hPa上从里海地区到阿拉伯海，从印度季风地区到孟加拉湾，再到东亚，这条通道是间接的。这条通往东亚的间接水汽输送通道也存在于850hPa，但所占比例要小得多。因此，了解东亚地区的水汽源地和运输的垂直结构对于理解包括印度洋、西太平洋、中国南海和海洋大陆、里海地区和大西洋在内的广泛源地是至关重要的。下一节将报告进一步的分析。

这里列出的所有分析都是针对全年的降水过程进行的。我们还研究了SECN夏季的降水过程。这些结果表明，主要的水分来源是印度洋。与年平均水平相比，其他来源的水汽含量在夏季所占的比例要小得多。即使如此，SECN上空的水汽含量也受东亚夏季风的影响。我们将在下一节讨论这个问题。

图4 无降雨日、降雨大于5毫米/天日、降雨大于10毫米/天日、降雨大于25毫米/天日时，水汽在700hPa高度的输送。彩色阴影表示水汽输送矢量的大小。

图5 与图4相同，但是是对于500hPa。

5. SECN的水汽是否受到欧亚大西洋和太平洋的影响?

我们的分析表明，SECN年降水量过程中的水汽主要来自印度洋和太平洋。在接下来的文章中，我们进一步证明，即使SECN上空的夏季平均水汽含量主要来源于印度洋，但也可能受到东亚夏季风、相关WPSH、欧-亚太热力条件和大尺度大气环流的影响。

为了确定夏季SECN上空垂直积分大气水汽含量的影响因素，我们首先计算了该地区的大气气柱总水汽含量(如图6中蓝色框所示)，其时间变率与WPSH的地理位置有关。当WPSH位于西南方向时，SECN的水汽含量较多。当WPSH位于东北方向时，SECN的水汽含量较少。因此我们定义了一个指数，PWPSH，定义为该区850hPa的平均位势高度(130° -150 °E，5°-15°N）图6中红色矩形表示WPSH的位置。1981-2010年夏季SECN水汽含量年际序列和PWPSH呈正相关，相关系数为0.42(t检验在95%水平上具有统计学意义)。850hPa的速度回归到SECN以上的水汽含量，说明了这种关系(图7)。北太平洋西部的大气环流异常与SECN以上的水汽含量基本相关。此外，北太平洋西部的WPSH和相关的异常大气环流都与厄尔尼诺和南方涛动周期有关[ Wang et al.,2000;Lu, 2001, 2002]，这可以通过随后显示的相关地表温度异常来证明。WPSH与Nino3.4指数之间的相关性系数在1981-2010年间为0.48，显著性为99% (t检验估计)。

图6 850hpa位势高度的气候学分布1981-2010年平均值。红色矩形表示我们计算WPSH的地理位置的区域。蓝点表示离葫芦洞穴最近的气象站(南京)的地理位置，蓝色框表示计算SECN上空平均水汽含量的区域。

图7 在1981-2010年期间，850hPa的回归速度场对SECN上的水汽含量的影响，用粗红色曲线表示与SECN上的水汽含量相关的主要循环系统。阴影面积表示通过SECN上空水汽含量与850hPa风速的相关系数t检验估计95%水平的显著回归。

WPSH和SECN上空的大气环流与SECN上空的水汽含量密切相关，它们与大规模海陆热力差异和欧亚大气热力条件有着内在联系。在图8中，我们分别将500hPa和200hPa地表大气温度回归到SECN上的水汽含量上。

图8 1981-2010年期间，(a)表层、(b) 500hPa和(c) 200hPa的回归空气温度对SECN上的水汽含量的影响，阴影部分表示在95%水平上显著回归。

我们发现大西洋、欧洲、青藏高原和西太平洋的地表气温都与SECN上空的水汽含量密切有关。欧洲-大西洋的热力条件会影响欧亚表面压力结构，进而影响流向东亚地区的冷平流。欧洲-大西洋大温度异常可以影响地区东亚的行星波，因此与东亚气候有关。[ Sun et al. ，2008]。青藏高原代表了该地区的热力条件，可以调节夏季东亚季风环流和东亚对流层西风急流，两者与SECN上的水汽含量有关[Duan and Wu，2008]。西太平洋地表温度正异常与WPSH的偏西南位置有关，从而与东亚夏季风环流有关[Lu, 2001, 2002]。在500hPa和200hPa的气温异常

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