劉輝1, 2 范可1

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歐亞季節(jié)環(huán)流氣候平均態(tài)和氣候變率：20CR再分析資料在歐亞及中國(guó)東部地區(qū)的評(píng)估

劉輝范可

1中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國(guó)際研究中心，北京100029 2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049

本文評(píng)估了美國(guó)國(guó)家大氣海洋局（NOAA）新發(fā)布的20世紀(jì)再分析資料（20CR）對(duì)歐亞季節(jié)環(huán)流氣候平均態(tài)和氣候變率及中國(guó)東部氣溫降水的刻畫能力。結(jié)果表明：20CR再分析資料對(duì)歐亞地區(qū)四季環(huán)流氣候平均態(tài)刻畫能力與NCEP2資料的相比，均呈現(xiàn)北部中高緯度系統(tǒng)性偏高，南部中低緯度系統(tǒng)性偏低的特點(diǎn)，導(dǎo)致描繪的東亞冬季風(fēng)偏弱，夏季風(fēng)偏強(qiáng)。這可能與20CR資料在極地海岸地區(qū)海冰資料處理時(shí)產(chǎn)生的差錯(cuò)有關(guān)。與中國(guó)東部的站點(diǎn)資料對(duì)比則顯示20CR對(duì)我國(guó)東部氣溫的刻畫偏低，而對(duì)降水的刻畫偏高，站點(diǎn)相關(guān)性氣溫好于降水，東南沿海地區(qū)優(yōu)于內(nèi)陸地區(qū)。平均場(chǎng)和空間相關(guān)場(chǎng)結(jié)合來看，秋季氣溫和降水20CR與站點(diǎn)觀測(cè)資料吻合最好。20CR資料較好地刻畫近百年北半球冬夏季的氣候指數(shù)（北極濤動(dòng)、北大西洋濤動(dòng)、北太平洋濤動(dòng)、東亞冬季風(fēng)、阿留申低壓等）的年際變率及年代際變化特征，很好地刻畫了阿留申低壓1970年代末的年代際增強(qiáng)，西伯利亞高壓1970年代末的下降和1990年后的上升趨勢(shì)及北太平洋濤動(dòng)、北大西洋濤動(dòng)和北極濤動(dòng)指數(shù)1970年代末期由負(fù)位相到正位相的年代際轉(zhuǎn)變。

20CR再分析資料 歐亞氣候平均態(tài) 氣候變率 年代際變化 中國(guó)東部

1 引言

隨著資料同化技術(shù)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式的不斷發(fā)展，再分析資料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代氣候研究的各個(gè)方面，成為模式驗(yàn)證、氣候變率及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)診斷的有力工具。因此這種經(jīng)過同化加工的再分析資料能在多大程度上真實(shí)描述大氣的三維狀態(tài)就成了氣象工作者們十分關(guān)心的問題。再分析資料的質(zhì)量問題主要受兩個(gè)方面影響，首先受預(yù)報(bào)模式及資料同化分析系統(tǒng)的影響，如NCEP/NCAR 聯(lián)合發(fā)布的第一套再分析資料（NCEP1）中，由于其同化分析系統(tǒng)出現(xiàn)解碼錯(cuò)誤，致使東亞地區(qū)的海平面氣壓在1967年之前出現(xiàn)了系統(tǒng)性偏低的現(xiàn)象（徐影和丁一匯，2001；Yang et al., 2002；Wu et al., 2005；趙天保和符淙斌，2009）。其次，所同化的觀測(cè)資料的不均一性也可能導(dǎo)致再分析資料中出現(xiàn)虛假變化趨勢(shì)（Marshall，2002；Marshall，2003；Hodges et al., 2003；Bromwich and Fogt，2004）。如歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的近45年再分析資料（ERA40）計(jì)算的全球年平均總動(dòng)能，在1970年代前后，隨著衛(wèi)星資料的引進(jìn)有一個(gè)明顯的上升趨勢(shì)，而在考慮了衛(wèi)星資料的出現(xiàn)的敏感性試驗(yàn)中，這種上升趨勢(shì)就會(huì)大大減弱（Bengtsson et al., 2004）。然而無論NCEP1資料還是ERA40資料，其時(shí)間自20世紀(jì)中后期開始，其覆蓋范圍都較短，無法滿足研究百年尺度年代際氣候變化的要求。

近年，美國(guó)國(guó)家大氣海洋局（NOAA）利用最先進(jìn)的同化資料并結(jié)合觀測(cè)資料，提供了一套從地面到高空20世紀(jì)大氣再分析資料（20th Century Reanalysis Version 2，20CR）。這套資料不但時(shí)間跨度長(zhǎng)（1871～2010年），且為避免觀測(cè)系統(tǒng)變更和資料內(nèi)部不協(xié)調(diào)所帶來的虛假趨勢(shì)，它僅同化地面和海平面的氣壓數(shù)據(jù)，用觀測(cè)的月平均海表面溫度和海冰作為下邊界驅(qū)動(dòng)條件（Compo et al., 2011）。20CR資料在長(zhǎng)期氣候變化趨勢(shì)的研究中已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用，但有些結(jié)果也受到質(zhì)疑。20CR資料計(jì)算的緯向平均降水量與蒸發(fā)量之差與20世紀(jì)氣候模式描繪的結(jié)果有顯著差異（Compo et al., 2011）；其氣溫和降水資料在美國(guó)中部也出現(xiàn)不連續(xù)性（Ferguson and Villarini，2012）；關(guān)于東北部大西洋風(fēng)暴20CR資料得出的結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果在20世紀(jì)前半葉呈相反趨勢(shì)（Krueger et al.，2012）。這些結(jié)果表明20CR資料還存在一定的缺陷，因此有必要在使用前對(duì)20CR資料進(jìn)行評(píng)估。宋豐飛和周天軍（2012）對(duì)20CR資料在東亞季風(fēng)區(qū)做了質(zhì)量評(píng)估，指出盡管20CR資料對(duì)東亞夏季氣候態(tài)和年際變率的刻畫與此前公布的其他再分析資料有較高的一致性，但其未能再現(xiàn)1970s末期東亞夏季風(fēng)年代際減弱的信號(hào)，說明在年代際尺度上可靠性較低。Fan and Liu（2013）對(duì)20CR資料在南半球大氣環(huán)流的描述能力上也做了評(píng)估，指出在1979～2010年 間，20CR資料刻畫的南半球的氣候態(tài)、遙相關(guān)模態(tài)及越赤道氣流與對(duì)比資料有較高的一致性。但1920年代之前20CR資料與觀測(cè)資料差異明顯。

由于觀測(cè)站點(diǎn)的相對(duì)較少，再分析資料在歐亞地區(qū)的可信度要弱于北半球其他地區(qū)，而為了能在歐亞地區(qū)更合理的使用這套新的再分析資料，有必要對(duì)其描繪的歐亞季節(jié)環(huán)流氣候平均態(tài)和氣候變率做一個(gè)完整的評(píng)估。本文選取NCEP/NCAR聯(lián)合完成的NCEP2再分析資料作為對(duì)照資料，主要因?yàn)樗遣捎酶倪M(jìn)的預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，修正了NCEP1中的人為誤差，被認(rèn)為是一種校正的較好的全球再分析資料，也是應(yīng)用較為廣泛的再分析資料之一。本文首先從四個(gè)季節(jié)氣候平均態(tài)的角度對(duì)比20CR與NCEP2再分析資料季節(jié)演變的異同。并在此基礎(chǔ)上分別對(duì)20CR的2 m氣溫和降水資料與中國(guó)站點(diǎn)的氣溫和降水資料進(jìn)行了四季氣候平均態(tài)的對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證20CR再分析資料在中國(guó)東部地區(qū)的可信性。其次，通過與Hadley氣候中心的百年海平面氣壓場(chǎng)（SLP）資料做對(duì)比，考察了北半球主要?dú)夂蛑笖?shù)在近百年的年際及年代際變率的刻畫能力。

2 資料介紹及方法

20CR再分析資料是美國(guó)大氣海洋局（NOAA）最新發(fā)布的一套綜合性全球大氣環(huán)流數(shù)據(jù)，時(shí)間覆蓋范圍從1871年到2010年，水平分辨率為2°×2°。作為參照的NCEP2（Kanamitsu et al.，2002）再分析資料時(shí)間覆蓋范圍為1979年至今，分辨率為2.5°× 2.5°。取兩套資料1979～2010年相應(yīng)變量的月平均數(shù)據(jù)，在做比較前，首先將NCEP2再分析資料對(duì)應(yīng)變量水平方向上用雙線性插值到2°×2°。

在做20CR再分析資料月中國(guó)站點(diǎn)資料的對(duì)比時(shí)，選取20CR的2 m氣溫和降水資料，均為高斯格點(diǎn)分布，全球共192×94格點(diǎn)。將其降水率轉(zhuǎn)換為季節(jié)降水總量，同樣取1979年1月～2010年12月32年的資料。站臺(tái)資料是同期的中國(guó)160臺(tái)站月平均溫度和降水總量的觀測(cè)資料。對(duì)比之前將格點(diǎn)資料用雙線性插值方法插值到站點(diǎn)，得到中國(guó)160個(gè)站臺(tái)的20CR資料，由于對(duì)比區(qū)域選為105°E以東的中國(guó)東部地區(qū)，地形起伏不明顯，因此插值過程中沒有考慮地形因素。

此外，為了檢驗(yàn)百年尺度海平面氣壓，本文還用到英國(guó)Hadley中心提供的HadSLPv2全球海平面氣壓月平均數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)完全以海平面氣壓的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，水平分辨率為5°×5°，選用時(shí)間段為1871～2010年（Allan and Ansell，2006）。

分析20CR與NCEP2兩套再分析資料的差異場(chǎng)時(shí)，均為20CR減去NCEP2；分析20CR資料與中國(guó)東部站點(diǎn)資料的差異場(chǎng)時(shí)，均為20CR資料減去站點(diǎn)資料。

3 氣候平均態(tài)的季節(jié)對(duì)比

3.1 海平面氣壓場(chǎng)（SLP）的四季對(duì)比

圖1為20CR與NCEP2再分析資料海平面氣壓（SLP）的四季氣候平均態(tài)及其差異的空間對(duì) 比。如圖1a、b所示，冬季歐亞大陸上存在一強(qiáng)大的反氣旋環(huán)流，即西伯利亞高壓（SH）。海洋上 則對(duì)應(yīng)為一較強(qiáng)的氣旋性低壓，即阿留申低壓（AL）。結(jié)合差異場(chǎng)（圖1c）可以看出，20CR的SH位置偏北，導(dǎo)致歐亞大陸45°N以北及中國(guó)東北地區(qū)20CR的SLP都顯著偏高。中國(guó)西南部、青藏高原、印度半島則顯著偏低。AL沒有顯著的位置和強(qiáng)度差異。結(jié)合850 hPa風(fēng)場(chǎng)的差異（圖1c），歐亞大陸45°N以南是顯著的氣旋性差值環(huán)流，東亞沿岸盛行偏南風(fēng)異常，說明20CR刻畫的東亞冬季風(fēng)比NCEP2弱。選?。?0°N～40°N，110°E～125°E）范圍加權(quán)平均的850 hPa經(jīng)向風(fēng)為冬季風(fēng)指數(shù)（Yang et al., 2002），定量計(jì)算可知1979～2010年時(shí)段20CR資料所計(jì)算的冬季風(fēng)比NCEP2的計(jì)算結(jié)果高0.507 m/s。因冬季風(fēng)符號(hào)為負(fù)值，說明20CR的冬季風(fēng)更弱。春季時(shí)（圖1d、e）隨著歐亞大陸和西太平洋海陸熱力差異的減小，大陸上的反氣旋和海洋上的氣旋都相應(yīng)變?nèi)酢H西撤到內(nèi)陸地區(qū)，亞洲低壓在印度半島附近開始形成。AL向西北轉(zhuǎn)移其范圍則延伸到大陸，夏威夷高壓漸漸增強(qiáng)。結(jié)合差異場(chǎng)（圖1f）可以看出，20CR所刻畫的西伯利亞高壓和亞洲低壓在春季更強(qiáng)一些，表現(xiàn)為大陸上45°N以北，我國(guó)東北華北及日本海地區(qū)大范圍正距平，青藏高原及南亞次大陸印度半島地區(qū)呈現(xiàn)顯著負(fù)距平。海洋上北太平洋地區(qū)兩套資料的差異不明顯，15°N以南的熱帶太平洋地區(qū)20CR的氣壓場(chǎng)偏低。從夏季SLP平均場(chǎng)（圖1g、h）可以看出，海洋上為一個(gè)強(qiáng)大的夏威夷高壓，歐亞大陸上呈現(xiàn)熱低壓，另一低壓中心在印度半島附近。我國(guó)東北有一氣旋性低壓。結(jié)合差值場(chǎng)（圖1i），20CR資料在45°N以南，120°E以西的歐亞大陸地區(qū)為顯著負(fù)距平，在45°N以北，120°E以東的歐亞大陸為顯著正距平，海洋上20°N以南的熱帶太平洋地區(qū)為顯著負(fù)距平，20°N以北的北太平洋地區(qū)差異不明顯。這說明20CR所刻畫的亞洲低壓偏強(qiáng)，東北低渦偏弱，夏威夷高壓兩套資料差異不大。結(jié)合850 hPa風(fēng)場(chǎng)的差異（圖1i，箭頭），可看出我國(guó)東南華北地區(qū)都有顯著的南風(fēng)異常，說明20CR描繪的夏季風(fēng)要強(qiáng)于NCEP2。選?。?0°N～40°N，110°E～125°E）范圍加權(quán)平均的850 hPa經(jīng)向風(fēng)為夏季風(fēng)指數(shù)（Wang, 2002），定量計(jì)算可知1979～2010時(shí)段20CR資料所計(jì)算的夏季風(fēng)比NCEP2的計(jì)算結(jié)果高0.933 m/s。秋季時(shí)（圖1j、k、l）亞歐大 陸上西伯利亞高壓開始形成，海洋上阿留申低壓變強(qiáng)范圍擴(kuò)大，夏威夷高壓變?nèi)醪⑾驏|南撤退，差異場(chǎng)上45°N以南的亞歐大陸地區(qū)負(fù)距平，以北正距平，850 hPa風(fēng)場(chǎng)上顯示我國(guó)西南華北地區(qū)偏南風(fēng)異常。

3.2 500 hPa高度場(chǎng)（H500）的四季對(duì)比

圖2為20CR與NCEP2再分析資料500 hPa高度場(chǎng)（H500）的四季氣候平均態(tài)及其差異的空間對(duì)比。冬季時(shí)（圖2a、b）鄂霍茨克海附近存在一明顯的東亞大槽，貝加爾湖地區(qū)和烏拉爾山附近分別有一弱脊，在20CR資料場(chǎng)中（圖2a）西太平洋副高不明顯，NCEP2資料場(chǎng)（圖2b）副高位于20°N以南，脊線大約在10°N左右，處于一年中最南的位置。差異場(chǎng)中（圖2c），60°N以北顯著正距平，40°N以南的大陸及海洋上為顯著的負(fù)距平。鄂霍茨克海處顯著正距平。可看出20CR的資料所描繪的東亞大槽偏弱，極渦也明顯偏弱，貝加爾湖高壓脊和烏拉爾山高壓脊都略強(qiáng)，副高明顯偏弱。春季時(shí)（圖2d、e、f）亞歐大陸上的槽脊系統(tǒng)都相應(yīng)減弱且東移，副高的位置北移，脊線大概在15°N。差異場(chǎng)中我國(guó)東北、華北、及蒙古地區(qū)上空存在一反氣旋差值環(huán)流，20°N以南負(fù)異常顯著。夏季時(shí)（圖2g、h、i）東亞大槽已東移入海，貝加爾湖出現(xiàn)一淺槽，伊朗高壓和北太平洋副高都十分明顯，兩個(gè)高壓的中心值20CR都要略高于NCEP2，副高的脊線位置大約在30°N。差異場(chǎng)中（圖2i）20°N以北的歐亞大陸大范圍的顯著正距平，我國(guó)東北地區(qū)為正距平中心，20°N的印度洋，南亞次大陸及熱帶太平洋上空為顯著負(fù)距平。對(duì)比平均態(tài)，可知20CR所描繪的伊朗高壓要略強(qiáng)于NCEP2的結(jié)果，且位置偏北。副高5880和5860線的西伸端點(diǎn)較NCEP2的結(jié)果更偏西。 90°E附近的貝湖槽偏弱。秋季（圖2j、k、l）伊朗高壓和太平洋副高都有所減弱，脊線位置南撤到20°N左右，中心最高值NCEP2略高于20CR，亞歐大陸上鄂霍茨克海沿岸東亞大槽開始形成。結(jié)合差異場(chǎng)，可以看到20CR的資料30°N以南大范圍負(fù)距平，說明20CR所刻畫的秋季副高比NCEP2，明顯偏低。

3.3 200 hPa緯向風(fēng)場(chǎng)（U200）的四季對(duì)比

圖3為200 hPa緯向風(fēng)的四季平均態(tài)及差異對(duì)比圖?？煽闯龈呖瘴黠L(fēng)急流的位置和強(qiáng)度隨季節(jié)變化有很大差異。冬季最強(qiáng)位置最南，急流中心在日本上空，中心風(fēng)速最大達(dá)70 m/s以上，急流中心位置約在30°N，夏季時(shí)日本急流最弱位置最北，東移到北太平洋。另一西風(fēng)急流中心出現(xiàn)我國(guó)新疆上空，中心風(fēng)速僅30 m/s以上，急流中心位置約在42°N左右。從四季的差異場(chǎng)（圖3c、f、i、l）可以看出，以45°N為界，以北為正距平，以南為負(fù)距平，分別以貝加爾湖和我國(guó)南部地區(qū)為正負(fù)距平中心。其中春季差異值最大，夏秋季其次，冬季差異值及顯著性范圍都較小。同時(shí)注意到急流中心位置處均無顯著性差異，說明兩套資料對(duì)西風(fēng)急流強(qiáng)度和位置的刻畫比較一致。同時(shí)，由于45°N以北的正異常和45°N以南的負(fù)異常在高度場(chǎng)上會(huì)體現(xiàn)為一個(gè)反氣旋高度異常，南亞高壓在夏季時(shí)最為明顯，其脊線位置大概位于20°N，45°N附近的反氣旋異常意味著20CR資料所刻畫的南亞高壓位置要更偏北，這點(diǎn)從200 hPa高度場(chǎng)的差值場(chǎng)也可以看出（圖略）。

總體來看，1979～2010年期間，歐亞地區(qū)20CR資料的SLP、H500、U200的四季氣候平均態(tài)與NCEP2資料的相比，呈現(xiàn)北部中高緯度系統(tǒng)性偏高，南部中低緯度偏系統(tǒng)性低的特點(diǎn)，這可能與20CR資料在極地海岸地區(qū)海冰資料處理時(shí)產(chǎn)生的差錯(cuò)有關(guān)（Compo et al., 2011）。這種北正南負(fù)的異常會(huì)導(dǎo)致其在描述東亞氣候時(shí)相比NCEP2資料冬季風(fēng)偏強(qiáng)，夏季風(fēng)偏弱。

4 與中國(guó)站點(diǎn)資料的比對(duì)

一般來說，相對(duì)于高空再分析產(chǎn)品來說，再分析地表氣溫與降水資料的可信度相對(duì)較低，因此有必要對(duì)20CR的地表氣溫與降水資料與我國(guó)站點(diǎn)器測(cè)資料相對(duì)比進(jìn)行評(píng)估。圖4、圖5分別為四季20CR插值結(jié)果與中國(guó)站點(diǎn)氣溫和降水資料的差值對(duì)比，菱形圈出的為差異通過0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)，即存在顯著差異的站點(diǎn)。圖6、圖7分別為四季20CR插值結(jié)果與中國(guó)站點(diǎn)氣溫和降水的空間相關(guān)，紅色點(diǎn)為通過0.05顯著性相關(guān)檢驗(yàn)的站點(diǎn)，藍(lán)色點(diǎn)為非顯著相關(guān)站點(diǎn)及負(fù)相關(guān)站點(diǎn)。時(shí)間范圍均為1979～2010年。由于105°E以西的地區(qū)地形變化較大，站點(diǎn)也較少，我們只選取105°E以東的區(qū)域進(jìn)行比較。

從溫度的四季差異圖（圖4）可以看出，冬春季20CR的氣溫資料都偏低，夏季35°N以北的北方地區(qū)大部分偏高，南方地區(qū)則偏低。秋季中部偏高東北西南及東南溫度偏低。四個(gè)季節(jié)相比較，冬季無顯著差異的站點(diǎn)相對(duì)較多，多集中在華北、華南地區(qū)。冬季華南地區(qū)氣溫平均差值較小，大多在2°C以內(nèi)，東北地區(qū)差異較大。夏季時(shí)則東北地區(qū)差異較小，南方地區(qū)差異相對(duì)較大，但大多差異溫度在4°C以內(nèi)。

圖5為降水的四季差異結(jié)果，比較季節(jié)降水總量，可以看出20CR刻畫的降水在四季都普遍偏高。冬季的差異最為明顯，只有南部沿海少數(shù)幾個(gè)站點(diǎn)無顯著差異。夏秋季無顯著差異的站點(diǎn)較多，集中在山東半島及我國(guó)東南部地區(qū)。降水無顯著差異的站點(diǎn)數(shù)明顯多于氣溫的，這可能是由于降水的變率比較大，方差比較大，導(dǎo)致多年平均的差異易通過檢驗(yàn)。

圖6是20CR再分析2 m氣溫資料與觀測(cè)氣溫資料的相關(guān)系數(shù)（）的空間分布特征，紅色的為相關(guān)性通過0.05信度檢驗(yàn)的站點(diǎn)。由圖可見四季中再分析資料與大部分站點(diǎn)資料顯著相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9以上的站點(diǎn)很少，總體來看，相關(guān)性東部沿海及東北地區(qū)要好于內(nèi)陸地區(qū)，秋季的相關(guān)性為四季中最好的。

圖7為20CR再分析降水資料與器測(cè)降水資料的相關(guān)系數(shù)的空間分布特征?？梢钥闯鼋邓南嚓P(guān)性要明顯低于氣溫的相關(guān)性，不顯著相關(guān)的站點(diǎn)增多，甚至個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)相關(guān)。同樣?xùn)|南沿海地區(qū)的相關(guān)性要好于內(nèi)陸地區(qū)，春秋季的相關(guān)性好于冬夏季。

圖4 中國(guó)105°E以東地區(qū)1979～2010年（a）冬、（b）春、（c）夏、（d）秋季節(jié)20CR氣溫插值結(jié)果與站點(diǎn)氣溫的差值。紅色為正，藍(lán)色為負(fù)；菱形圈出的為差異未通過了顯著性0.05檢驗(yàn)的站點(diǎn)

5 氣候變率的比較

選取英國(guó)Hadley中心的海平面氣壓場(chǎng)和20CR的海平面氣壓場(chǎng)作對(duì)比，考察北半球主要?dú)夂蛑笖?shù)的年際和年代際變率（圖8、圖9）。圖8為冬季的氣候指數(shù)，分別為西伯利亞高壓指數(shù)（SHI=SLP）、阿留申低壓指數(shù)（ALI=SLP）、東亞冬季風(fēng)指數(shù)EAWMI（郭其蘊(yùn)，1994）、北大西洋濤動(dòng)指數(shù)（NAOI=SLP－SLP）、北太平洋濤動(dòng)指數(shù)（NPOI= SLP－SLP）、南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI=SLP－SLP）和北極濤動(dòng)指數(shù)（AOI，20°N以北SLP場(chǎng)EOF第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)）。其中指數(shù)的計(jì)算公式中下標(biāo)為區(qū)域的都表示所選取的SLP區(qū)域的加權(quán)平均。紅線為20CR資料的結(jié)果，藍(lán)線為HadSLP的結(jié)果，黑線為HadSLP結(jié)果的9年濾波曲線。右上角分別為1871～1920年和1921～2010年兩套資料原始序列指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。圖9為夏季的氣候指數(shù)，分別為東亞夏季風(fēng)指數(shù)（郭其蘊(yùn)，1983）、夏季NAO（Greatbatch and Rong，2006）、NPO、SO指數(shù)，其中NPOI、SOI兩個(gè)指數(shù)與冬季時(shí)計(jì)算方法相同。所有指數(shù)均進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理。東亞冬夏季風(fēng)指數(shù)采用郭其蘊(yùn)（1983，1994）的計(jì)算方法，具體為取10°～50°N范圍內(nèi)（每10度），110°～160°E之間的氣壓差小于（大于）或等于－5 hPa（5 hPa）的所有數(shù)值之和，再把各年的值與氣候平均態(tài)求比值，作為夏季風(fēng)（冬季風(fēng)）指數(shù)。

圖5 中國(guó)105°E以東地區(qū)1979～2010年冬（a）、春（b）、夏（c）、秋（d）季節(jié)20CR降水插值結(jié)果與站點(diǎn)降水的差值。紅色為正，藍(lán)色為負(fù)；菱形圈出的為差異未通過了顯著性0.05檢驗(yàn)的站點(diǎn)

圖6 中國(guó)105°E以東地區(qū)1979～2010年（a）冬、（b）春、（c）夏、（d）秋季節(jié)20CR氣溫插值結(jié)果與站點(diǎn)氣溫的空間相關(guān)。紅色為相關(guān)性通過了顯著性0.05檢驗(yàn)的站點(diǎn)

從各氣候指數(shù)的相關(guān)系統(tǒng)來看，20CR資料的結(jié)果與HadSLPv2的結(jié)果有很高的一致性，幾乎全部通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)。1920前的50年學(xué) 生檢驗(yàn)99%和95%的置信水平分別為0.28和0.36，1920年后的90年為0.21和0.27。1920年前的夏季NPO指數(shù)（圖9c）相關(guān)性略低，但也通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。同時(shí)對(duì)比1920年前后的相關(guān)系數(shù)，可以看到盡管1920年后的序列有90年，長(zhǎng)于1920年前的50年，但1920年后兩套資料的相關(guān)系數(shù)反而更高，說明1920年后兩套資料的一致性要遠(yuǎn)強(qiáng)于1920年前的，這從圖中也可以直觀看出，到20世紀(jì)后半葉，隨著觀測(cè)站點(diǎn)的增多，特別是到了1970年代之后衛(wèi)星資料的引入，指數(shù)的相關(guān)性更有明顯提高。

圖7 中國(guó)105°E以東地區(qū)1979～2010年（a）冬、（b）春、（c）夏、（d）秋季節(jié)20CR氣溫插值結(jié)果與站點(diǎn)氣溫的空間相關(guān)。紅色為相關(guān)性通過了顯著性0.05檢驗(yàn)的站點(diǎn)

觀察冬夏季各指數(shù)的近百年序列，可以看到明顯的年際和年代際振蕩，地球氣候系統(tǒng)作為一個(gè)整體，大氣濤動(dòng)和大氣活動(dòng)中心的變化不僅會(huì)影響局地氣候，還可通過遙相關(guān)產(chǎn)生非局地的影響。因此關(guān)注各氣候指數(shù)的百年序列對(duì)研究近百年的氣候變化有很好的指示作用。

冬季各指數(shù)中西伯利亞高壓是影響我國(guó)北方大部分地區(qū)冬季氣溫的重要?dú)夂蛞蜃?，在近百年中，其變化趨?shì)呈現(xiàn)低（約1871～1920年）、高（約1921～1980年）、低（1981～2010年）的年代際震蕩（圖8a，黑線）。與中國(guó)區(qū)域近百年冬季氣溫的三個(gè)主要冷暖期基本一致（范可和劉輝，2013）。同時(shí)也很好的刻畫出西伯利亞高壓1970年代末，全球變暖背景下的下降趨勢(shì)（Panagiotopoulos et al., 2005）和1990年后由于北極海冰減少等因素導(dǎo)致的上升趨勢(shì)（Wu et al., 2011），西伯利亞高壓90年后與極地環(huán)流聯(lián)系更為密切（范可和劉輝，2013）。從圖8b可以看出，兩套資料所刻畫的AL指數(shù)在1920年后有非常高的一致性（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96），1980年以來AL指數(shù)有明顯的年代際下降，反映了阿留申低壓的加深，這與前人的研究結(jié)果一致（Trenberth and Hurrell，1994；Rodionov et al., 2007）。本文按照郭其蘊(yùn)（1994）定義冬季風(fēng)指數(shù)（圖8d），用海陸氣壓差作為指標(biāo)，主要反映冬季風(fēng)在大陸東岸向南擴(kuò)展的程度，與長(zhǎng)江上游、華南和東部沿海的U形地帶的氣溫密切相關(guān)。1980年代中國(guó)南方氣溫略有下降，可以用冬季風(fēng)指數(shù)在1980年代后有所加強(qiáng)來解釋。同時(shí)注意到1980年代后20CR描繪的冬季風(fēng)指數(shù)略低于HadSLPv2資料。需要指出的是，若用西伯利亞高壓或東亞大槽為指標(biāo)所定義冬季風(fēng)指數(shù)（琚建華 et al., 2004），則指數(shù)主要與中國(guó)北方及中部大范圍地區(qū)的氣溫密切相關(guān)，在1980年代后為年代際減弱的趨勢(shì)，最近研究表明東亞東季風(fēng)指數(shù)在1980年代后與ENSO的關(guān)系減弱（Wang and He，2012）。AO、NAO、NPO（圖8c、e、f）這三個(gè)大氣濤動(dòng)聯(lián)系緊密，往往有著一致的變化或滯后相關(guān)（Delworth et al., 2000；孫建奇和王會(huì)軍，2005；Yuan and Sun， 2009；趙南和王啟祎，2010），如圖中可以看出三個(gè)指數(shù)在1920年、1970年附近都出現(xiàn)了較低的負(fù)位相，且1980年代都出現(xiàn)上升趨勢(shì)，而在1990年代又開始下降。三個(gè)指數(shù)1990年代的下降是我國(guó)及歐洲出現(xiàn)寒冬暴雪事件的關(guān)鍵因子（Wang et al., 2007；Cohen et al., 2010；Seager et al., 2010；Liu et al., 2012）。南方濤動(dòng)表明東太平洋和印度洋的氣壓變化有東西向蹺蹺板式震蕩特征，其年代際變化主要反映了熱帶大氣環(huán)流年代際變化。SOI指數(shù)（圖 8g）近百年來兩套資料比較一致，1980年代后長(zhǎng)時(shí)間位于負(fù)距平，近年來指數(shù)又有明顯回升。

夏季各指數(shù)兩套資料的相關(guān)性都整體低于冬季的。夏季風(fēng)指數(shù)（圖9a）有明顯的年代際變 化，值得注意的是20CR資料在1950～1980年間描繪的夏季風(fēng)略低于HadSLPv2，而在1980年代后又略高，因此從20CR資料不能很好地描繪1970年代末東亞夏季風(fēng)的減弱（Wang, 2001）。這是可能是由于20CR資料不能很好地刻畫出對(duì)流層中上層的年代際變冷引起的（宋豐飛和周天軍，2012）。夏季NAO指數(shù)近百年來經(jīng)歷了兩正兩負(fù)的四個(gè)年代際的變化（圖9b）。1871～1920年和1940～1960年處于負(fù)距平，而1920～1940年和1960～2000年處于正距平。根據(jù)Greatbatch and Rong（2006）的研究，1960年之后持續(xù)較高的正距平僅是夏季NAO內(nèi)部低頻振蕩特征引起的。但1990年代末期，SNAO指數(shù)有一個(gè)很明顯的下降，這可能是導(dǎo)致地中海地區(qū)近些年干旱的原因之一，其突變的原因很可能與溫室氣體排放有關(guān)（Sun et al., 2008；Sun and Wang，2012；Bladé et al., 2012）。夏季NPO和SOI指數(shù) （圖9c、d）在1970年代末都出現(xiàn)一個(gè)急劇的下降趨勢(shì)，此后長(zhǎng)期處在負(fù)距平，近年來又有所回升。這可能與1970年代末北半球夏季大氣環(huán)流的突變有關(guān)（Chang et al., 2000；Mantua and Hare，2002）。同時(shí)注意到夏季SOI指數(shù)在1970年代之后，20CR資料的結(jié)果要高于HadSLP的結(jié)果，而夏季SOI指數(shù)又和南亞夏季風(fēng)關(guān)系緊密，因此20CR資料描繪南亞夏季風(fēng)的能力還有待考察。

6 結(jié)論與討論

本文首先對(duì)比分析了歐亞地區(qū)20CR與NCEP2再分析資料的冬、春、夏、秋四季的氣候平均態(tài)及其差異場(chǎng)，并將20CR的氣溫和降水資料插值到中國(guó)站點(diǎn)上與中國(guó)臺(tái)站資料進(jìn)行了對(duì)比。最后在百年尺度上與HadSLPv2資料進(jìn)行指數(shù)對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）冬季時(shí)，相比NCEP2資料，20CR資料所刻畫的極渦偏弱，東亞大槽偏弱偏西，海平面氣壓場(chǎng)上西伯利亞高壓位置偏北，我國(guó)冬季風(fēng)偏弱。夏季時(shí)，相比NCEP2資料，20CR資料描繪的南亞高壓偏北，副高西伸點(diǎn)偏東且副高偏弱，伊朗高壓略強(qiáng)且位置偏北。海平面氣壓場(chǎng)上亞洲低壓更強(qiáng)，東北低渦較弱，夏季風(fēng)偏強(qiáng)。歐亞地區(qū)20CR資料的SLP、H500、U200的四季氣候平均態(tài)與NCEP2資料的相比，均呈現(xiàn)北部中高緯度系統(tǒng)性偏高，南部中低緯度偏系統(tǒng)性低的特點(diǎn)，這可能與20CR資料在極地海岸地區(qū)海冰資料處理時(shí)產(chǎn)生的差錯(cuò)有關(guān)。

（2）與中國(guó)東部站點(diǎn)資料的比對(duì)顯示，20CR再分析資料與我國(guó)站點(diǎn)資料存在一些差異。總體來說，對(duì)氣溫的刻畫能力偏低，而對(duì)降水的刻畫能力偏高，與站點(diǎn)氣溫的相關(guān)性好于與站點(diǎn)降水的相關(guān)性，東南沿海地區(qū)優(yōu)于內(nèi)陸地區(qū)。平均場(chǎng)和空間相關(guān)場(chǎng)結(jié)合來看，秋季氣溫和降水20CR與站點(diǎn)觀測(cè)值吻合最好。注意到最近有作者發(fā)展了一些中國(guó)區(qū)域的高分辨率格點(diǎn)觀測(cè)資料（Xu et al., 2009；吳佳和高學(xué)杰，2013），這些資料能更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｊ劫Y料在中國(guó)地區(qū)的適用性，在未來的工作中將予以使用。

（3）20CR資料較好地刻畫近百年北半球冬、夏季的氣候指數(shù)北極濤動(dòng)、北大西洋濤動(dòng)、北太平洋濤動(dòng)、東亞冬季風(fēng)、阿留申低壓等的變率特征，很好地刻畫了阿留申低壓1970年代末的年代際增強(qiáng)，西伯利亞高壓1970年代末的下降和1990年后的上升趨勢(shì)，及北太平洋濤動(dòng)、北大西洋濤動(dòng)和北極濤動(dòng)指數(shù)1970年代末期由負(fù)位相到正位相的年代際轉(zhuǎn)變和1990年代的變化，但不能再現(xiàn)1970年代末東亞夏季風(fēng)的減弱。

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LIU Huiand FAN Ke

1,,100029 2,100049

This study evaluates the characterization capabilities of seasonal Eurasia climatology and climate variability of the newly released twentieth century reanalysis (20CR) data by the U.S. National Oceanic and Atmospheric Administration. The results shows that in the Eurasia area, the 20CR data exhibited higher values in the northern high latitudes and lower values in the southern low latitudes than those recorded by version II of the National Centers for Environmental Prediction reanalysis data, resulting in weaker winter monsoon and a stronger summer monsoon circulations. This may be partly attributed to the handling of specified sea-ice concentration in the polar coastal area in the 20CR data. Comparison with the station observation data of eastern China indicates that the 20CR data represents lower air temperature and a higher precipitation in the four seasons whereas the correlation of temperature between 20CR reanalysis data and the station observation is higher than that of precipitation. In addition, the variability of temperature and precipitation over the southeastern coastal area were captured better than those of the inland areas in 20CR reanalysis data. In particular, the highest consistency of the temporal–spatial feature of autumn temperature and precipitation in eastern China was between 20CR data and station observations. Major climate variability indices such as Arctic oscillation (AO), North Atlantic oscillation (NAO), North Pacific oscillation (NPO), Aleutian low, Siberian high, East Asian summer monsoon, East Asian winter monsoon, and Southern oscillation (SO) recorded during the last hundred years have also been evaluated in 20CR reanalysis data. The 20CR reanalysis data and the Hadley Centre sea level pressure dataset both showed the decadal change characteristics that the winter Aleutian low deepened during the late of 1970s, whereas the Siberian high weakened during the same period and intensified in the 1990s. In addition, negative phases of winter AO, NAO, and NPO transferred to positive phases during the late 1970s.

20CR reanalysis data, Eurasian climatology, Climate variability, Decadal change, East China

1006?9895(2014)03?0469?15

P468

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13182

2013?05?27，

2013?12?02收修定稿

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)XDA05090426，全球變化研究國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃2010CB950304，中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目青年人才類KZCX2-YW-QN202

劉輝，女，1987年出生，博士研究生，主要從事氣候變化研究。E-mail: liuh@mail.iap.ac.cn

劉輝, 范可. 2014. 歐亞季節(jié)環(huán)流氣候平均態(tài)和氣候變率：20CR再分析資料在歐亞及中國(guó)東部地區(qū)的評(píng)估[J]. 大氣科學(xué), 38 (3): 469–483, doi:10.3878/j. issn.1006-9895.2013.13182. Liu Hui, Fan Ke. 2014. Eurasia seasonal circulation climatology and variability: Evaluation of 20CR reanalysis data in Eurasia and East China [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 38 (3): 469–483.