北半球冬季海洋性大陆地区冬季的季风降水与ENSO的关系外文翻译资料

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北半球冬季海洋性大陆地区冬季的季风降水与ENSO的关系

C.-P. Chang

海军研究院气象学系，加拿大

Zhuo Wang

夏威夷大学气象学系，火奴鲁鲁，夏威夷

Jianhua Ju

云南大学科学学院，昆明，云南，中国

Tim Li

夏威夷大学气象学系，火奴鲁鲁，夏威夷

摘要

很多研究表明印度尼西亚湿季（北半球冬季）降水与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件的相关性较弱。本文主要研究1979-2002年期间Nino-3（5°S-5°N，150°-90°W）区海温和海洋性大陆地区季风降水的关系。本研究指出北半球冬季时海洋性大陆大部分地区和ENSO呈负相关关系，但苏门答腊半岛和马来半岛附近（SMP，包括瓜哇岛和加里曼半岛西部）的相关系数呈现微弱的正相关关系。

ENSO事件发生时，季风降水主要受一对异常的沃克环流和菲律宾海的低层环流控制。SMP东部降水与Nino-3区海温为负相关关系，SMP西部印度洋上异常的低层风也使该区域的降水与Nino-3区海温为负相关关系，但由于苏门答腊半岛西海岸处高地的存在，SMP降水与Nino-3区海温的关系与两边不一致。与ENSO相联系的异常跨赤道气流也对SMP和其东部地区的降水有不同的影响。跨赤道气流的变化可能对SMP异常降水有贡献。

结果表明之前研究中指出的印度尼西亚季风降水和ENSO的弱相关关系一部分归因于将有相反降水关系的两区域直接相加。112°E以西的印度尼西亚地区降水与Nino-3区海温相关关系为正而以东为负。从1950-1978年到1979-1997年负相关关系还呈现一个年代际的上升趋势。西印度尼西亚地区相关系数从显著的正相关转变为不显著而东印度洋却从不显著的负相关转变为显著负相关。

1. 引言

厄尔尼诺年，海洋性大陆地区（Ramage 1968）（包括10°S和10°N之间的马来西亚、印度尼西亚和赤道西太平洋附近的陆地和海洋，图1）倾向于遭受干旱。这些干旱现象会对环境产生很严重的影响，例如1997/98年厄尔尼诺发生时遭受的森林大火。然而，很多研究（McBride和Nicholls 1983; Ropelewski和Halpert 1987; Kiladis和Diaz 1989; Haylock和McBride 2001; Hendon 2003）表明在北半球夏季（干季）和秋季（干季与湿季的过渡季节）时，印度尼西亚降水和热带东太平洋海温呈显著的负相关关系。但北半球冬季，即印度尼西亚湿季时，二者的相关关系变得很弱，尽管此时与ENSO事件相联系的沃克环流仍然在暖（冷）事件时在海洋性大陆地区呈现出大尺度的辐散（合）运动。

由于ENSO事件的显著影响，包括异常沃克环流和热带东太平洋的海温异常，这些影响系统都属于大尺度环流，因此在研究海洋性大陆降水和ENSO关系时通常基于整个区域平均的降水指数，此指数是由研究中整个区域的降水计算所得（例如，印度尼西亚）。Haylock 和McBride（2001）计算了印度尼西亚不同站点降水距平的空间相关性发现在降水过渡季节印度尼西亚大部分站点的变化都呈一致型，而冬季却不是。他们指出ENSO对印度尼西亚降水的控制仅在秋季有效而在湿季时该区域的降水是不可预报的。Hendon（2003）进一步指出一致型起因于ENSO对印度尼西亚局地海温反馈作用的变化，此变化是由盛行风向的季节变化导致的。反馈作用使得干季和过渡季节时 赤道太平洋和沃克环流增强，而冬季时海温梯度和沃克环流有一个快速的减弱。

另一方面，海洋性大陆地区空间延伸较广，地形复杂，有包括很多有高地和内海的大型岛屿（图1）。这个区域被海洋包围，因此各种大气和海洋过程可能对该地区不同区域有不同的影响。这种可能性在冬季增大，尤其是当该区域受亚洲大陆寒潮影响和印度洋异常纬向风影响的时候（Lau和Chang 1987; McBride 1987）。因此，尽管在冬季该地区的降水与ENSO的相关性很弱但某些特定区域在湿季的降水仍可能与ENSO有局地的相关关系。本研究的目的是通过数据分析1979-2002年局地相关性存在的可能性，这个时间段是气候预测中心整合分析降水资料有效的时间段。

1. 数据

本研究采用了两套降水数据，一是全球覆盖的CMAP数据（Xie和Arkin 1997），此数据是用有效降水数据对卫星云数据进行校正所得，数据有效时间段是1979-2002年。另一数据1950-97印度尼西亚降水数据集，此数据是由澳大利亚气象局的J. McBride所提供，虽然能比CMAP资料更准确的代表各个站点的降水量但仅仅只涵盖印度尼西亚地区。这套数据主要用于对CMAP降水数据的分析结果进行交叉检查并讨论海洋性大陆南部的年代际变化。风场资料取自美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心（NCEP/NCAR）（Kalnay等 1996）（1979-2002年，即CMAP资料有效期）。

本研究中北半球冬季的定义是前一年的十二月至次年的二月。除了特别的指定，下文中所有的图都是冬季的结果。

本研究中使用Nino-3区（5°S-5°N，150°-90°W）的海温来代表ENSO事件。“暖事件”和“冷事件”代表Nino-3区海温海温正距平和负距平。如果使用Nino-3.4（5°S-5°N，170°-120°W）区海温来作为ENSO指数结果不会显著改变。

1. 结果
2. 降水-Nino-3 相关性

图2绘制了1979-2002年CMAP降水和Nino-3区海温的相关图。海洋性大陆大部分地区均呈现显著的负相关关系，东部的负相关区域与西部相比经向延伸度更大。赤道130°E以东一条较窄的低相关带向东延伸且越来越广，区域之外东部的情况没有绘制出来，此相关型态呈水平V型，与熟悉的和ENSO事件相联系的“马蹄形”海温距平型较一致（美国国家海洋和大气管理局，NOAA（http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysispmonitoring/ impacts/））。图2中令人感兴趣的为苏门答腊半岛和马来半岛附近西北-东南走向的低相关区域，包括了瓜哇岛和加里曼半岛西部。这个有弱正相关的“洞”出现在显著负相关区域的中部。Lau 和Nath（2000，Fig.3）用大气环流模式对ENSO和降水相关性的试验结果也展现出相似的结果，在苏门答腊半岛和马来半岛附近呈现出弱的正相关关系，而菲律宾海至澳大利亚大部分地区呈现显著的负相关关系。

为了分析图2中空间分布不一致的可能原因，尤其是苏门答腊半岛和马来半岛附近出现弱的正相关关系的原因，我们定义了如下的区域平均的降水指数来表征不同地区的降水变率（图3）：

SMP：苏门答腊半岛和马来半岛；

SWO：苏门答腊半岛西南海岸附近的海域；

CMC：海洋性大陆中部。

“SMP降水模”可用SMP降水和CMAP降水的相关性来描绘，其和图2展现的“ENSO降水模”差异很大。另一方面，由SMO和CMAP降水相关描绘的“SMO降水模”和ENSO模态很相似，在苏门答腊半岛和马来半岛附近还有赤道130°E东侧有低相关区域。从这些指数的相关性结果可验证出不同地区降水的不同特征。SMP降水指数与SMO降水指数和CMC降水指数各自的相关系数为0.41和0.34，但SWO降水指数和CMC降水指数的相关系数显著偏高，达到0.68。

SMP模态呈东西向延伸的V型（图4a），在东印度洋有显著的方差贡献。因此，区域平均的SMP降水指数和SWO区域各点降水的相关性（平均相关系数为0.5）比区域平均的SWO降水指数和SMP区域各点降水的相关性（平均相关系数为0.3）更高。实际上，SMP降水指数和SMP区域各点降水的相关性很低，除了在苏门答腊半岛北部和马来半岛北部，此区域是SMP区域里的弱相干区域。

1. 850hPa 风场和涡度场合成图（根据Nino-3海温和降水异常进行合成）

SMP降水指数和Nino-3区海温的低相关性表明二者所对应的环流型可能差异很大。为了验证二者的差异，分别对二者对应的850-hPa风场进行了合成。表1展现了Nino-3区的暖事件和冷事件，SMP区的湿事件和干事件。个例的选择标准是超过0.75倍标准差异常，时间段为CMAP资料的时段，1979-2002年。从表中可看出两个指数间存在微弱的正相关，两个冷事件对应一个SMP干事件，一个暖事件对应两个SMP湿事件。

暖事件（厄尔尼诺）对应的异常沃克环流通常不利于季风区的降水。因此，为了与湿异常（湿事件减去暖事件的差值）的合成进行对比，后文采用冷事件异常（冷事件减去暖事件的差值）的合成而不是暖事件减去冷事件差值的合成。图5a中，赤道附近最显著的特征是150°E左右的850-hPa纬向风的辐合。此辐合是拉尼娜事件时太平洋和印度洋沃克环流对应的异常上升支的放大。在辐合区东侧有异常的东风带，西侧有异常西风带，覆盖三分之二的印度洋。大尺度沃克环流的异常上升支有利于海洋性大陆东部的对流活动。此外，以菲律宾海为中心存在一个异常的气旋式环流并且沿西南方向延伸到赤道中南海地区。这些系统的分布型与图2中Nino-3区海温与海洋性大陆地区降水负相关的结果相对应。

SMP降水湿事件和干事件差值的合成（图5b）与Nino-3区冷事件与暖事件差值的合成图在赤道附近有类似之处。例如，从东太平洋延伸出来的东风和来自印度洋的西风均体现了在海洋性大陆地区为上升运动的两支异常沃克环流。尽管湿异常合成结果中菲律宾海南部也有气旋式风场异常并且延伸至中南海地区，但异常的涡度场却和Nino-3区冷事件与暖事件差值的合成结果有明显差异。图5a中海洋性大陆地区赤道附近（120°E和140°E之间）的涡度异常在暖事件时中心在马鲁古海附近，冷异常时在南菲律宾海附近。一个次级的涡度中心在中国南海附近，此涡度中心是对局地气旋式涡度的一个放大效应。另一方面，图5b中涡度环流较弱，菲律宾海和马鲁古海附近的涡度异常并不显著，并且由于局地放大效应形成的中国南海附近的气旋式涡度环流成为了一级环流。

Nino-3区冷异常合成结果（图5a）在印度洋赤道两侧有显著的气旋式涡度异常且南印度洋环流更强，此环流型与赤道西风异常的分布相一致。苏门答腊半岛西侧异常的气旋式涡度与SWO降水指数与Nino-3区海温负相关关系相吻合。在SWP湿异常合成年份，中东印度洋北部有显著的气旋式涡度，此气旋式涡度向苏门答腊半岛北部延伸，与中国南海附近的气旋式涡度形成了图4a中降水的V型。

两个合成结果在澳大利亚北部和赤道（125°-140°E）之间相反。在Nino-3区冷异常合成结果中（图5a）,纬向风的方向以西风为主而在SWP湿异常的合成结果中以东风为主（图5b）。北半球冬季85hPa气候态风场在该区域盛行西风，此西风是来自北半球的跨赤道气流（Sumi和Murakami 1981;Johnson和Houze 1987）。因此，冷事件时异常的环流增强了北半球冬季平均的跨赤道气流，而湿事件时减弱了平均的跨赤道气流。在湿事件时，气候平均态风场的减弱可能有利于SMP地区850hPa风场的异常辐合和更多的降水。

同样用1979-2002年的CMAP数据绘制了SWO地区850hPa风场湿异常的合成图（未显示），此合成结果与Nino-3区冷异常的合成结果类似（图5a）。SWO湿异常的合成结果与Nino-3区冷事件时异常沃克环流在印度洋的异常西风相联系。SWO和SMP湿异常的合成结果均在赤道印度洋附近有异常西风存在。SMP合成结果中，印度洋异常的西风在苏门答腊半岛和马来半岛附近减弱，和赤道以北中国南海气旋最大值中心的西移相一致。SWO合成结果中，印度洋异常的西风很强，在SMP区域仍然保持其强度且通过加里曼岛时也未减弱。

苏门答腊半岛西边界上的高地可能是造成降水差异的一个原因（图6）。当异常的西风在SMP和SWO盛行时，来自赤道印度洋的水汽在迎风侧（SWO）产生了大量的降水但在背风侧（SMP）降水相对较少。地形可能会激发显著的中尺度特征环流，这些特征可能无法被大尺度的再分析资料所捕获。

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