如何使用现有指数衡量东亚冬季风的强度？外文翻译资料

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

如何使用现有指数衡量东亚冬季风的强度？

WANG Linlowast;1,2 (王 林) and CHEN Wen1 (陈 文)

1季风系统研究中心, 大气物理研究所，

中国科学院，北京100190

2全球变化与海洋大气化学重点实验室，

国家海洋局，厦门361005

(2009年4月30日收稿；2009年10月10日修订)

摘 要

使用一个简单的指数来确定东亚冬季风的强度一直是一项困难的任务。本文阐述了现有18项东亚冬季风强度指数的含义，并对其进行了分类。 将它们分为四类：低层水平风场指数、上层纬向风切变指数、东西向气压梯度指数和东亚大槽指数。分析这些指数在1957-2001年期间的时间/空间和潜在趋势。结果表明，在年代际尺度上，除东西向气压梯度指数外，大多数指数都能很好地反映1986年前后东亚冬季风持续减弱的特征。在年际时间尺度上，基于对ENSO和AO的研究，低层水平风场指数和东亚大槽指数各自具有最佳的可预测性。18个指数都能很好地描述东亚冬季风相关环流、降水和对流层低层气温异常。然而，可能与地形影响有关，大部分指数不能很好地反映中国中部大范围的地面气温变化。本文的研究结果可以为今后东亚冬季风的研究提供可能的参考。

关键词： 东亚冬季季风指数，年际变化，年代际变化

Citation: 王林，陈文, 2010:现有的指数如何衡量东亚冬季季风的强度？ 大气科学进展, 27(4), 855–870, doi: 10.1007/s00376-009-9094-3.

1.简介

东亚冬季风是全球气候系统中最活跃的组成部分之一，是东亚北方冬季的一个重要气候特征（Lau and Li, 1984; Ding, 1994; Huang et al., 2003, 2007; Chan and Li, 2004; Chang et al., 2006）。其地面特征为：西伯利亚高压偏冷，阿留申偏低，西伯利亚高压东侧有较强的西北气流。这股西北气流向南分岔，在日本，一个分支向东转向亚热带西太平洋和中太平洋，另一支沿着东亚沿岸 (Lau and Li, 1984; Ding, 1994; Chen et al., 2000, 2005; Wang et al., 2009a)。南支转向东北方向，在北纬30°左右，经南海进入热带。在500 hPa，有一个以日本经度为中心、宽大的东亚大槽。对流层上部，主要特征是东亚急流，其最大值区位于日本东南部。这股急流与强斜压、强垂直风切变和强冷空气平流密切相关 (Boyle and Chen, 1987; Lau and Chang, 1987; Ding, 1994)。

东亚冬季风的变化对亚洲和偏远地区都有很大的影响 。例如，东亚冬季风的强度影响着中国、韩国、日本及周边地区冬季气温和降水的变化，对这些地区具有深远的经济和社会影响。(e.g., Lau and Li, 1984; Ding, 1994; Huang et al., 2003, 2007; Chan and Li, 2004; Chang et al., 2006)。此外，它还可以通过冷空气（寒潮）入侵热带，在海陆上空引起强对流。 (Chang et al., 2005)，可能会给一些东南亚国家带来50%的年降雨量（Cheang, 1987）。与之相关的潜热释放是冬季亚洲季风的主要热源（Chang et al., 2006），并引起强的中纬-热带的相互作用，通过这种相互作用，东亚冬季风将其影响扩展到全球范围（Chang and Lau, 1980, 1982; Lau and Chang, 1987; Compo et al., 1999; Chen et al., 2000; Yang et al., 2002）。

鉴于这一重要性，有必要用适当且简单的指数来定义东亚冬季风的强度及其变化。在多数情况下，温度被认为是东亚冬季风最重要的气象变量，直接影响着社会和经济。然而，气温在东亚不同地区呈现不均匀的趋势（Wang and Ye, 1993; Chen et al., 1991），这大大降低了它作为东亚冬季风指数的代表性（Chen et al，2000）。此外，使用动态变量而不是热变量来定义东亚冬季风指数，可能更重要、更有动态意义。因此，大多数研究者使用环流参数而不是温度参数来定义大尺度东亚冬季风。据我们所知，至少有18个环流指数被用来衡量东亚冬季风强度 （表1，图1）。这些指数是从东亚冬季风环流的某些角度来定义的，如海平面东西气压对比（例如, Xu and Ji, 1965; Guo, 1994; Shi, 1996），500hPa东亚大槽 （例如, Sun and Li, 1997; Cui and Sun, 1999; Wang et al., 2009a），或副热带地面经向风（例如, Ji et al., 1997; Chen et al., 2000; Hu et al., 2000）。这就提出了几个重要的问题：这些指数如何描述东亚冬季风的时间变化？这些指数是否能表现与东亚冬季风相关的冬季气候异常？这些指数在表示东亚冬季风强度方面有什么差异吗？ 这些指数与东亚冬季风预测因子相关到什么程度？ 回答这些问题对了解东亚冬季风的变化非常重要，这也对选择合适的指数研究与应用非常重要。目前为止，这方面的研究成果还不是很多。因此，本文的目的是评估现有的18项指数表示东亚冬季风的强度，并为今后的研究提供一个可能的参考。

第二节介绍了本研究中使用的数据。第三节说明了东亚冬季风指数的分类和时间变化，并整理了这些指标与潜在预测因子之间的关系。第四节比较了每一类别的典型指数所代表的冬季气候异常。最后，在第五节进行了总结和讨论。

2.数据与方法

在这项研究中，使用了欧洲中期天气预报中心(ERA 40)的月平均再分析数据，涵盖了1957年9月至2002年8月的45年 (Uppala et al., 2005)。该数据集的水平分辨率为2.5°times;2.5°，气压层次分为23层，从1000 hPa到1 hPa。使用的海洋数据是气象局哈德利中心的海冰和海面温度(SST)数据集-HadISST 1 （Rayner et al., 2003）。这是一个独特的结合——从1870年至今每月全球范围的海温与1经纬度的网格海冰资料的结合。我们还使用了中国气象局提供的160个中国台站的月平均地面气温(SAT)，以及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气候预报中心(CPC)编制的全球陆地降水数据（Chen et al., 2002）。NOAA/CPC降水分析是基于1°times;1°网格中使用最优插值方法分析全球超过15000个站点。从1948年到现在，NOAA/CPC对这个分析进行了五十年以上的更新。

本研究分析的时间段为1957年至2002年。 本文从月均值出发，通过对12月、1月和2月的平均数据(DJF)，即对季节均值进行了分析，分析了45年的冬天(1957-2001年)。 在这里，我们所说的1957年的冬天，指的是1957/58年的冬天。

3.现有指数及其时间变化

3.1现有东亚冬季风指数的分类

表1所列18项的东亚冬季风指数可分为四类。第一类可称为“低层水平风场”指数。 这一类别中的大多数指数是通过平均副热带东亚代表区域的低层水平经向风分量来构造的。最初的想法是由纪立人等人提出的（1997），随后他们的指数定义被模仿运用来描述不同的地区和层次(e.g., Lu and Chan, 1999; Chen and Sun, 1999; Chen et al., 2000; Hu et al., 2000; Yang et al., 2002)。同时，同时，因为亚热带沿岸的东北风是中纬西北风的南部分支，由王会军和姜大膀（2004）基于850hPa风向定义的东亚冬季风指数也属于这一类。这些指数强调了东亚沿岸低层东亚冬季气流的重要性及其对热带地区的影响。

第二类指数被定义为东亚上空对流层上部的纬向风切变。只有Jhun和Lee（2004）提出的指数属于这一类别。它的定义是(27.5°– 37.5°N，110°–170°E) 减去(50°–60°N, ，0°–140°E), 表示300hPa的纬向风。该指数反映了对流层上部东亚急流的特征与东亚冬季风变化的联系。

第三类可称为“东西向气压差”指数，这是由东亚地区和北太平洋西部地区之间的海平面气压 (SLP)之间的差异构成。 最初的想法是由Xu和Ji (1965)提出的，他们的指数被针对不同的地区或纬度进行了修改（例如, Guo, 1994; Shi, 1996; Wu and Wang, 2002a; Chan and Li, 2004; Wang et al., 2009b）。这个早期定义背后的概念是，东西陆地-海洋热力（和导致的气压）差异可能能决定东亚的北方季风强度。 由Gong等人（2001）定义的指数只使用陆地的海平面气压，与这一类别的其他指数略有不同。然而，该指数也可能在一定程度上反映压力梯度。

第四类可被归类为“东亚大槽”指数，因为在这类指数中，500 hPa东亚大槽被认为是东亚冬季风

表1. 18项东亚冬季风环流指标的描述。 在此, u：纬向风， v：经向风,，Phi;：位势高度。 上标*表示标准化数据。这些指数和负的 Nintilde;o3 和 AO 的相关系数分别展示为原数据（左列）和去趋势数据（右列）。 基于t检验，粗体斜体和粗体相关系数分别超过95%和99%的置信度。

原始定义相乘minus;1，以便高指数对应于强东亚冬季风。

的象征，其强度被用于定义东亚冬季风指数。Sun和Li（1997）是早期采用这类指数的一个例子。他们通过平均东亚大槽区内500 hPa位势高度来构造他们的指数。由于在选择槽区选择上存在差异 （Sun and Li, 1997; Cui and Sun, 1999），Wang等人（2009a）用经验正交函数（EOF）方法分析了东亚和北太平洋西部标准化的500 hPa位势高度。EOF1模式反映了东亚大槽的强度，相应的主成分（PC）被定义为东亚冬季风指数。

3.2现有东亚冬季风指数的时间变化

图1展示了本文讨论的18个标准化的东亚冬季风指数，其定义见表1。我们注意到，在一些研究中，强东亚冬季风表示为低的数值（例如, Ji et al., 1997; Sun and Li, 1997; Cui and Sun, 1999; Chen et al., 2000） 而其他指数则是较高的数值。因此，一些东亚冬季风指数的表现为原来的相反数（见表1）。所以，我们定义高数值对应于强的东亚冬季风，这样使得后面的研究讨论更为方便和统一。很明显，所有的指数都有明显的年际变化。此外，9年滑动平均表示的年代际分量也十分重要，其主要特征是在1980年代中期减弱。下面，将进行小波分析，以更详细地说明指数的时间变化。同时，东亚冬季风指数和潜在的预测因子之间的关系也会说明。

图2展示了18个东亚冬季风指数的局部小波功率谱和全局小波谱 (Torrence and Compo, 1998)。全球谱表明，大多数低层风指数(1类)具有显著的3-5年变化，主要是在1960-70年代和90年代后期，局部小波功率谱也显示了这一变化（图2.a-g）。这一显著的3-5年周期类似于指数，除了1975-1990年期间的差异外，总体分布相似（图3.a）。 以往的研究表明，厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO) (e.g., Zhang et al., 1996; Wang et al., 2000)和北极涛动 (AO) (e.g., Wu and Huang, 1999; Gong et al., 2001) 对东亚冬季风由重要影响，因此我们计算了/AO指数和这些东亚冬季风指数的相关系数。结果表明，基于t检验（表1），指数与这些东亚冬季风指数的相关系数均超过99%的置信水平（表1），这表明这些指数基于ENSO具有较高的预测能力。

相比之下，其与AO指数几乎为零相关（表1）。 王会军和姜大膀（2004）定义的指数是一个例外，它与AO指数的相关性好于95%的置信度水平，而与指数的相关为零。这一例外可能是因为指数定义中的区域中所使用的纬度比这一类别的其他指数要高。此外，为了避免长期趋势对年际变化的影响，我们再次计算了与去趋势指数的相关系数，结果也几乎相同（表1）。因此，这类指数一般能很好地反映ENSO与东亚冬季风的年际关系，但不能反映AO对东亚冬季风的影响。此外，这一结论与指数的长期趋势无关。另一方面，东亚冬季风在年代际尺度上的一个重要特征是自1986年以来东亚地区的持续减弱和伴随而来的变暖（例如，Chang et al., 2006; Kang et al., 2006; Wang et al., 2009b），因此，有必要评估东亚冬季风指数是否能够捕捉到这一特征。9年滑动平均显示，尽管年代际分量偏弱，但所有低层水平风指数在八十年代中期前后均出现减弱（图1.a–g），七个指数之中，有四个指数显示正确的过渡时间（图 1.a, 1.c–e）。 因此，这一类别的大多数指数都能很好地描述东亚冬季风近十年的变化。对于第二类东亚冬季风指数（Jhun and Lee, 2004），图2.h有一个显著的3-4年信号和第二个高

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[17865]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word