北半球夏季极端天气的准共振环流和半球同步外文翻译资料

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北半球夏季极端天气的准共振环流和半球同步

Dim Coumou^a,1，Vladimir Petoukhov^a，Stefan Rahmstorf^a，Stefan Petri^a，Hans Joachim Schellnhuber^a,b,1

波兹坦气候影响研究所，德国波兹坦14412；与圣达非研究所，墨西哥圣达非87501，

供稿人：Hans Joachim Schellnhuber^a,b,1，2014年7月11日，送审2014年4月25日

近十年来，北半球中纬度地区出现异常多产生重大影响的极端天气事件。这些极端天气事件中的许多都与异常喷射环流模式有关，其特征在于持续的高振幅准静态罗斯贝波。最近提出了两种可能引发这种模式的机制：(i)弱化纬向平均射流(ii)中纬度波导的自由波和强迫波之间的共振引起的准静态波的一种增益效果。基于对流层中部风场的光谱分析，我们研究出持续的射流模式首先是由于纬向波数为6-8的准静态波的增益效果。然而，我们也探测到这些事件中纬向平均射流的弱化，因此这两种机制显然都很重要。而且，我们认为异常循环机制导致持续存在的地面天气条件，因而导致中纬度月时间尺度上极端高温和降水事件的同步。最近的一系列共振事件导致在七月和八月波数为7和8的高振幅准静态波发生频率在统计学上的显著增加，我们研究出这是一个强有力的发现，适用于不同的压力水平和再分析产品，我们认为最近北极地区的快速增温和纬向平均纬向风的相关改变为在温带中双射流的形成创造了有利条件，推动了共振流动机制的发展。

气候变化|北极放大效应|气候影响|行星波|中纬度天气

意义

近十年来北方夏季出现极为罕见的极端天气，一些对社会造成巨大的破坏，关于这些事件的根本原因存在强烈的科学争论，我们证明了与共振循环机制有关的高振幅准静态波导致了持续的地面天气条件，因此导致了极端高温和降水事件的中纬度同步，自2000年左右快速的北极放大效应开始以来，观察到一组包含波7和8的共振循环机制，这导致具有这些波数的高振幅准静态波发生频率在统计学上显著增加，我们的研究结果为北极变化和中纬度极端天气之间的联系提供了重要的见解。

作者贡献：D.C,V.P,S.R和H.J.S设计研究；D.C,V.P和S.R进行研究；D.C分析数据;D.C,V.P和H.J.S撰写论文

作者宣称没有利益冲突

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通信方式，电子邮件：director@pik-potsdam.de或coumou@pik-potsdam.de

本文包含在线支持信息，网址为www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1412797111/-/DCSupplemental.

20世纪以来的气候变暖增加了极端高温和强降水事件（1-7）的发生频率，在全球范围内，这种逐渐增加的幅度很大程度可以通过缓慢的温室效应来解释，即仅用热力学论证，因此，极端高温事件数量的增加很大程度上可以通过平均值向较暖值的转变来解释（4,5,8）。同样地，每年最大日降水量的上升趋势与较暖空气相关的大气湿度的增加一致（1,2）。

全球变暖也可能影响大规模的大气循环模式，潜在地调整季节到次季节时间尺度上高温和降水极值频率（9-11），原则上，大气动力学的变化可能会导致极端天气事件（12-14）在数量和/或强度上不成比例的改变，超出了热力学预期的变化。而且，北半球中纬度地区最近几次夏季极端天气事件的幅度无法通过平均值的简单变化来解释（12,15,16），这些事件，包括高影响极端事件像2003年欧洲热浪（15），2010年俄罗斯热浪和巴基斯坦洪水（17），近年来的美国热浪（18），都与异常循环模式有关，其特征是持续的阻塞天气条件（10,19-22）。

大气动力机制

为了解释最近极端夏季持续的天气条件，几种大气动力学机制被提出（10,14,16,20），Francis和Vavrus（23）提出由于北极放大效应赤道—极地的温度梯度减弱，可能导致纬向平均风减弱，将减缓自由行星波的向东传播，这种机制直接来自于罗斯贝波理论。从不考虑热量及地面强迫的线性非辐散正压涡度方程开始（即描述绝热自由大气波动的方程），可以直接推导出相速c的方程：

[1]

其中为纬向平均纬向风，为罗斯贝参数，和分别为纬向和经向波数，因此方程[1]显示了任何波数的自由波的速度与纬向平均纬向风速成线性比例，观测风场的光谱分析显示，对于第一阶，等于6-8的大气波（静态分量通常很小）确实遵循方程[1]给出的线性关系，这里我们使用ERA-interim数据（25）中的风场，该数据将观测风场与气象预报模型结合起来生成全球网格化数据，图1绘制了中纬度500毫巴波数为6-8的纬向平均纬向风和相速每日值概率密度分布（参考SI附录，方法）（平均35°N到65°N），通过使用一年中每天的经向风的光谱分析来追踪波的相位确定相速（参考SI附录，方法），显然，在大多数情况下，大气波向东传播（由于正U大于第二项而为正c），波越小，波数越大，波传播得越快，纬向平均纬向风的传播首先反映了较弱的射流的季节周期，因此夏季波传播得慢。因此，在北方夏季，很大一部分大气波，尤其是k=6,相速接近于零甚至向西传播。

图1 1979-2012年35°N-65°N内500mb（A）波6,（B）波7和（C）波8每日纬向平均纬向风（U）和相速（c）的二维概率密度分布，虚线表示方程1给出的线性关系

Petoukhov等（16）提出了一种不同的机制，而不是建立自由波的减速机制，放大k等于6-8的波的准静态分量，也导致了夏季更持续的天气条件。热力和地面强迫的波是准静态的[如Petoukhov等所述(16)]，因此不能在正常条件下遵循方程[1]，波数为6-8的纬向自由波和强迫波的准静态分量很弱，因为它们的能量有效地分散到极地和赤道（26,27）。然而，在特殊条件下，它们的能量能被捕获在中纬度波导中，在横向边界处仅有弱的发散。波导形成的关键条件是纬向平均纬向风（或双射流）的双峰配置，最大值接近45°N和70°N，并且其间最小。从热成风方程式可以看出它意味着一个在45°N和70°N之间强烈的极向温度梯度和两者之间的弱梯度，当捕获波的波数接近于热力和地面强迫的波数时，它们之间的共振会强烈放大它们的振幅，因此，除了波导之外，正确的强迫模式对共振的发生也是至关重要的。因此，与纬向平均风减弱导致向东传播的线性减速相比，共振是仅发生在双射流条件下发生的阈值过程。原则上它可以全年发生，但是在春季和夏季的弱循环似乎更有利于共振条件。从拟线性非辐散正压涡度方程（24）开始，Petoukhov等导出了一组发生共振所需的特定标准，他们的论文仅集中在7月和8月，基于这些标准，它总共确定了19个1980年以来的共振条件得以满足的几个月，几乎所有的都与显著的极端天气事件（图2）有关，近年来，一系列共振事件都与北极迅速扩张同时发生，在我们更详细地讨论最近的这一系列事件之前，我们将首先分析半球尺度的上层流动并量化共振期间的地面天气极值。

图2 Petoukhov等（16）确定的从1980-2011年8个4年间7月和8月的共振月数，灰色条中的文字表示实际月份，括号中为共振的波数，左边的表格列出了相关的极端天气事件（改编自参考16），红线描绘了北极（65°N北边）和北半球其他地区（65°N南边）地表变暖差异，阐明了自2000年以来北极地区较快的地表变暖速率

上层风场分析

图3显示了7月-8月的共振期与气候学相比，中纬度罗斯贝波的频率密度，由波数、相速和振幅确定，波量从35°N-65°N中间带上500mb经向风场通过使用ERA-interim每日数据再分析提取（参考SI附录，方法）。因此，振幅反映了纬度带的实际经向风速，单位为米/秒，气候平均值PDF图（图3A-D中的实际曲线）显示出，频谱由向东传播的波控制，速度随波数增加，也如图1所示，由线性罗斯贝波理论预测。尽管如此，7-8月很大一部分波被视为准静态的（绝对相速c低于2m/s）或甚至向西传播，但这些波普遍振幅很小。在共振月份，观测到高振幅准静态波发生的频率显著增加，对于波6和7（图3A和B），这种效应很强，但只有对波8很弱（图3C），同时，快波（比7-8月气候平均相速更快）的频率密度减少（蓝色），在共振月份中，波7的平均相速降低了2倍以上（2.85m/s到1.35m/s），波6的平均相速降低了3倍以上（1.50m/s到0.48m/s），对于波8，平均值降低幅度较小，但值仍很大，即大于20%。图3D绘制了不同相速和波数组合的功率密度（参考SI附录，方法），证实了共振期间动能的重新分布：快波能量以及准静态波6,7,8的振幅减少（蓝色），较低波数的准静态波不受影响（波1-4）或实际上振幅减少（波5）。

图3 1979-2012年35°N-65°N内7-8月每日（A）波6，（B）波7和（C）波8相速c和波幅的二维概率密度分布（实线），（D）波数对相速的二维功率密度图（参考SI附录，方法），面板中的颜色代表共振月份的距平，表示准静态波的增加（红色）和瞬态波的减少（蓝色）

图4显示出，共振周期的特征还在于纬向平均纬向风（U）的减少，但是它变化太少而不能完全解释观察到的相速剧烈降低的现象，波7在共振期被观察到纬向平均纬向风剧烈降低（图4B），平均流量大约有5%的减弱（从7.95m/s到7.61m/s），基于图1，这种减弱仅能解释相速减弱低于0.5m/s，而不是观察到的减弱1.5m/s，波6和波8也是如此，因此由于纬向平均流减弱而导致自由波减弱只能解释观测到的共振期高振幅准静态波的增加的相对一小部分，因此除此之外，正如共振理论预测的那样（16），准静态波的振幅本身也被需要来解释此现象。

图4 1979-2012年35°N-65°N内500mb7-8月（A）波6，（B）波7和（C）波8每日相速c和纬向平均纬向风（U）二维概率密度分布和（D）这三种波的平均概率密度分布，颜色代表共振期间的距平，表明纬向平均风减少时准静态波流动的增加

地面极值分析

因此，共振期间的中纬度上层风场的特征是高振幅准静态波，其中k=6-8,并且纬向平均射流稍弱一些。然而，由于这些持续的循环机制，地面天气条件会更极端吗？为了量化这一点，我们定义了一个简单的中纬度极值指数（MEX）（参考SI 附录，方法）：

[2]

其中指在时间步长t内由N个单独网格点组成的中纬度网格中的任何气象变量，是在时间步长t网格点i处关于x的距平，从长期趋势来看，非线性趋势和是网格点i处x的SD。MEX指数通过减去其时间平均值（）并除以其SD（）来归一化，使得气候图以0为中心，并以SD的单位来定义。高的正指数值表明在整个中纬度的许多地方同时发生极端事件，即极端天气事件的半球同步。

我们计算个别日期和月份的气温和降水极端事件的MEX指数（讨论7月和8月），比较共振期间7-8月的气候学（图5）。共振期间每日热量和降水因子的概率密度分布与气候图相比仅有微小差异，这期间每日降水指数的分布（图5D）没有明显的差异（P值gt;0.05），然而，每日热量指数的分布显示很小但是统计上显著的转变（P值lt;0.05）为更多极端事件。每月热量和降水指数图显示在共振月和气候学之间更显著的差异。每月热量指数图主要转向更极端的情况（P值lt;0.05）,每月降水指数扩大（P值gt;0.05），导致很少和很多的极端事件增加。因此，共振期间任何一天的气温和降水模式都不是特别极端的状况。除此之外，正是这些模式的持续存在导致了更长时间的极端高温和强降水，即月时间尺度。然而使用Kolmogorov-Smirnov统计检验，只有极端高温的变化在95%置信水平下具有统计学上的显著性。

图5 1979-2012年7-8月气候（黑色）和共振月份（红色）的（A）月极端高温，（B）日极端高温，（C）月极端降水和（D）日极端降水，以SD为单位的中纬度极端指数（MEX）

近年来的共振事件集合

自2000年以来就观察到一组明显的共振事件，其发生频率几乎是2000年前的2倍，第一，这种增加是由于波7共振增加（因子为2.8），第二，是由于波8共振增加（因子为2.5），然而波6共振的频率有所下降（因子为0.8）。在上面的分析中，我们已经证明共振导致高振幅准静态波（图3）和地面极端天气条件（图5），此时我们提出问题，是否近年来的共振导致高振幅准静态波发生频率在统计学上的显著增加。为了解决这个问题，我们使用1979-1999和2000-2012期间每日风场数据，应用非参数核密度估计法来估计相速低于2m/s的准静态波的振幅概率密度分布，我们对500mb和300mb气压场进行分析，对ERA-Interim和国际环境预测中心（NCEP）-国家大气研究所（NCAR）再分析资料进行分析，并使用Kolmogorov-Smirnov和Mann-Whitney统计检验来测试分布的变化是否显著。

图6显示出使用ERA-Interim再分析资料，在500mb准静态波6-8的每日波动振幅分布，对于波7，振幅分布变化到更高振幅，非常高的振幅（gt;5m/s）尤其显著增加，使用Kolmogorov-Smirnov和Mann-Whitney统计检验（SI附录，表格SI），这种变化在95%置信水平具有统计学意义。振幅大于3m/s的准静态波7的天数增加30%，振幅大于5m/s的天数更多一倍。同样地，对于波8，分布改变有利于振幅在2-4m/s的准静态波

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