文摘
与干旱相关的动力学在萨赫勒地区在最近的文献已经吸引了相当大的关注。本文评估萨赫勒地区降水的范式大气行动的中心,也就是说,扩展非永久性的高点和低点,主导地区发行量,在海平面气压模式很明显。我们发现萨赫勒地区降水显著受到亚速尔高压的变化和南亚低。具体地说,约50%的方差的7到9月降雨量萨赫勒地区是由变化的亚速尔高压经度位置和南亚低压。相比之下,南方振荡萨赫勒地区降水的贡献是比较小。结果提出了建议的关键测试萨赫勒地区降水的气候模型模拟变化的动力学模型模拟的准确性南亚和亚速尔高压低。
1。介绍
自1950年代以来,半干旱的非洲萨赫勒地区经历了持续的干旱,尽管有一些改进观察自1980年代。几个理论讨论了这一现象的原因,最后的结论和量化的人类和自然原因仍能达成。萨赫勒地区干旱不仅带来灾难性的后果萨赫勒地区本身(1),但它也会影响区域很远,因为soil-derived产出的增加向大气中气溶胶粒子(2,3]。
后不久的干旱荒漠草原被称为一个主要的气候现象,天使和Korshover4]分析了大气的行动中心的趋势,认为“向南或亚速尔高压的偏西风为主运动1945年之后最近的干旱有关撒哈拉以南(萨赫勒地区的区域)。“后来其他更多的本地进程提出影响萨赫勒地区降雨量如反照率的变化由于土地利用变化(5),土壤中水分的数量(6),和表面粗糙度7]。这些可以受到过度放牧和砍伐森林,导致假设人类活动导致的持续干旱影响地表过程,并进而影响大气环流。
最近,一些全球气候模型被用来研究荒漠草原降水利用范式,萨赫勒地区降雨对海洋表面温度变化在某些海洋盆地(8,9]。一些模型被用来使荒漠草原降水预测在未来全球变暖的场景。事实证明,不同的全球模型可以合理模拟萨赫勒地区降水的变化在20世纪但收益率不同预测21世纪。库克和Vizy [9)检查相关的一些流程萨赫勒地区降水在IPCC AR4全球气候模型(GCMs)。他们筛选十八岁AR4耦合模型使用的气候学萨赫勒地区降水及其应对海表面温度(SST)异常在几内亚湾。三个模型的满意的这些标准,但他们对荒漠草原降水产生矛盾的预测在21世纪。蒂(10萨赫勒地区降水)调查了七个耦合GCM模拟和跟踪他们繁殖困难的贫困年际变化表示物理过程(尤其是对流)和忽视反馈的大气海洋。
考虑在捕获模型面临的挑战萨赫勒地区降水的变化,在这项研究中我们阐明治理机制有着不同的方式。理由如下。基本气象过程,降水发生在萨赫勒地区低层大气时对该地区存在不稳定和云层。一个令人满意的解释机制萨赫勒地区降水的变化必须包括大气稳定和云量的变化在萨赫勒地区。直接指示稳定和云量的变化是由分布的变化在低层大气压力。在早期纸天使和Korshover [4)观察的亚速尔群岛的高压系统的位移影响萨赫勒地区降雨,及其可能负责干旱偏西风为主转变。使用更完整的网格表面水平压力(SLP)数据现在可以从NCEP / NCAR再分析研究本研究在该地区的大气压力的变化在萨赫勒地区。我们首先使用“行动中心”方法引入罗斯比et al。11]。图1显示July-August-September SLP的分布平均为1975 - 2005年该地区在萨赫勒地区。我们看到行动的主导两个大气中心的存在:西方的亚速尔高压,以得到> 1020 hPa在其中心在北大西洋和南亚洲东部低,得到1000 hPa从沙特阿拉伯东部延伸到北印度。有趣的是,南亚的外轮廓低延伸到萨赫勒地区。因此,我们专注于这些压力中心的变化及其影响在萨赫勒地区降水。
在这项研究中我们计算客观指标的月度平均压力和节中描述这些中心的位置2。部分3显示的纵向运动亚速尔高压和南亚的强度低与萨赫勒地区降水显著相关。我们调查,综合分析这些关系底层物理机制。部分4总结我们的研究结果。
2。大气的行动中心
罗斯比et al。11]构造为北半球大气压力图表和平均每日压力值确定几个大型结构他们称为“半永久的行动中心。“这些包括冰岛和阿留申群岛的低点,亚速尔高压,夏威夷,和西伯利亚高。他们调查阿留申低压的纵向位移的影响在北太平洋环流,从而引入概念,大气压力的运动中心可以作为地区环流变化的指标。这个概念已经成功地应用于解释许多地球物理系统的变化(2,3,12),还将证明有用的在目前的调查,我们会发现亚速尔高压压力中心的纵向位移显著影响循环在北非,因此,沉淀在萨赫勒地区。
为了量化行动中心的变化,客观指标的压力,纬度和经度位置为中心可以使用网格计算得到数据作为描述Hameed et al。13]。通过检查每月SLP过去一百年的地图,经度域的确定每个中心发生的压力。压力指数被定义为一个面积加权压力离开域阈值: 在哪里二在网格点的值吗,是阈值二值(= 1014 hPa亚速尔高压和1013 hPa南亚低)网格点的纬度吗。对南亚的亚速尔高压和1低。如果和如果。异常的压力指数是测量大气质量的研究领域。纬度的指数被定义为 和纵向指数以类似的方式定义。位置指数因此给进行平均纬向和纵向位置的中心。
月度指标的压力,这些中心的纬度和经度计算根据(1)和(2)。领域中使用的面积计算(10°N-35°N, 35°E - 95°E)的南亚低,(20°N-50°N, 70°W-10°E)亚速尔高压。虽然网格每月从1899年北半球海平面气压数据可以从NCAR (14),有很多数据差距在南亚地区在1950年之前,和南亚的指数低不能计算上半年的20世纪。出于这个原因,指数用于本文计算使用月度方案得到数据从国家环境预报中心的15)从1948年开始,有一个更高的空间分辨率()和(NCAR的数据集)。
萨赫勒地区降水数据,我们使用的月度平均雨量计数据休姆et al。16,17]。这个数据集(“gu23wld0098。dat”(版本1.0))提供了在陆地上月度全球降水数据网格的分辨率为2.5度纬度3.75度经度1900 - 1998。在先前的研究[18,19),我们从10°萨赫勒定义为该地区在20°N和20°W-35°E。这个地区收到每年约70%的降雨量在7月,8月和9月。连续的估计海平面气压自1948年NCEP再分析中可用。因此我们分析萨赫勒地区1948 - 1998年降水。
3所示。结果
3.1。统计和萨赫勒地区降水的关系
降水的年际变化在萨赫勒地区在雨季July-August-September(雅)被认为是。正如上面所讨论的,行动的两个大气中心附近的萨赫勒地区,可能会影响血液循环,是亚速尔高压和南亚低。每个中心操作的特点是在其压力波动,经度和纬度位置,位置。我们因此雅平均指数描述压强之间的相关性,计算每个中心的纬度和经度萨赫勒地区降水的行动。结果如表所示1。萨赫勒地区降水的相关性和萨尔压力(−0.68)和AZH经度(−0.41)在5%的显著水平。因为南亚低和萨赫勒地区降水高度autocorrelated,有效样本大小的相关性减弱,如表所示1。为此萨尔纬度(0.44)的相关性并不显著。有效样本大小计算使用(描述的过程20.]。相关性表明一个更深的萨尔,向西转移AZH,对应于降水增加。的相关性有明确的物理意义。萨尔在夏末延伸到萨赫勒地区(图1一年),因此这个系统更深层次的将导致较低的压力在萨赫勒地区,将有助于增加降雨量。同样,当AZH飘到西方,从非洲、低压力发生在低层大气在萨赫勒地区,导致增强的降水。
3.1.1。回归分析
从表1我们看到三个大气变量与萨赫勒地区降水显著相关,可能作为独立变量的回归方程,萨尔压力,AZH经度和南方涛动指数(SOI)。为了检查他们的独立于彼此我们计算相互关联、表所示2。
萨尔和SOI压力之间的相关性具有统计学意义在5%的水平,因此他们不能用于相同的回归方程。这两个可能的回归如下:
(我)萨尔压力和AZH经度(mm萨赫勒地区降水年作为独立的变量−1hPa, SAL压力,AZH经度的程度):
这个回归,估计标准误为14.4。的偏相关系数AZH经度和萨尔压力−−0.33和0.65,分别。系数(3标准化的独立变量(即)。意思是0和标准偏差1),
(2)SOI和AZH经度为独立变量:
回归方程是
这个回归,估计标准误为17.4。
方程(4)解释了26%的降水差异时(3)解释了52%。的偏相关系数AZH经度和SOI−0.38和0.36,分别。
3.1.2。ENSO和南亚低的相对重要性
几项研究已经记录了ENSO和萨赫勒地区降水之间的关系(8,18,19]。此外,ENSO和大气和海洋环流之间的关系曾记录在南亚地区在几项研究[21,第12章]。出现问题的相关意义ENSO和南亚低到荒漠草原降水。的比较(3)和(4)表明,ENSO对荒漠草原降水的影响盖过了南亚的低。这个推理也支持通过偏相关分析表所示3。萨赫勒地区降水之间的偏相关和萨尔压力由SOI−0.66调整后。然而,萨赫勒地区降水之间的偏相关和SOI只有0.09当萨尔调整的压力。
3.2。长期趋势和萨赫勒地区降水的年际变化
沉淀值获得(3与观测图2。这个统计追算模型正确模拟降水下降到1980年代中期,随后上升。
萨赫勒地区降水图2长期趋势显示相当大的年际变化叠加。分离低频趋势短期可变性我们计算5年移动平均线的萨赫勒地区降水和比较它与5年移动平均线AZH经度和萨尔图的压力3(一个)。平滑时间序列的相关性(萨赫勒地区,萨尔:),(萨赫勒地区,AZH:),都是略微在5%,考虑到自相关显著。在图3(一个)我们看到AZH一直向东转移的早期记录并行萨赫勒地区降水减少。AZH切换方向和大约1981以来一直向西迁移,和萨赫勒地区降水增加了约1985人。萨尔的趋势是减少压力,直到大约1960紧随其后的是越来越大的压力,这平行增加干旱在萨赫勒地区。萨尔的增加趋势压力终止在1980年代,它注册一个小压力下降,并联萨赫勒地区降水的复苏。因此看来,从1960年到1985年期间,当萨赫勒地区经历了干旱恶化,长期趋势在萨尔的压力和AZH经度都支持本地区干旱。1980年代中期以来的干旱已经部分改善因为AZH经度和萨尔压力变化趋势。另一个有趣的特性图3(一个)之间的大约3年的滞后AZH和降水的趋势。两个系列之间的相关性在零延迟−0.71−0.80与滞后的三年。还有其他重要的相关性在几个和萨赫勒地区降水之间的滞后。这将打开途径预测萨赫勒地区降水使用辅酶a指数为基础,一个主题我们将探讨在一个单独的纸上。
(一)
(b)
探讨年际变化,我们定义异常的变量为一年作为,在那里的值是年,的5年移动平均线是吗为一年。萨赫勒地区降水异常之间的关系和萨尔压力异常−0.54(时间序列如图3 (b)),以及降水异常之间的相关性和AZH经度−0.22。后者并不重要,5%的水平。我们得出结论,萨尔压力显著影响萨赫勒地区降水的年际变化趋势和变化特征,而AZH经度只影响长期趋势。
3.3。综合分析
从上面的分析我们推断向西迁移的亚速尔高压和南亚的压力减少低对应在萨赫勒地区降水增加,反之亦然。阐明可能底层物理机制现有的相关性,我们构造复合的地图气象变量使用NCEP再分析资料。我们平均在10年内AZH经度时大多数向西和向东和检查这些平均值的差别,这对应于增强降水在萨赫勒地区。我们还进行了一个类似的分析为萨尔的压力。多年来当AZH最西的雅平均是1999,1956,1950,1960,1994,1964,1967,1952,1951,2001。AZH最东的雅平均1995,1987,1948,1971,1990,1979,1969,1997,1978,1981。雅萨尔压力最低的年是1961,1958,1959,1962,1954,1960,1964,1963,1955,1956。雅萨尔压力最高的年是2004,1980,1982,1993,1992,1987,1979,2002,1986,1997。
3.3.1。亚速尔高压的影响
图4(一)显示了SLP在北非的差异和地区的北部和西部AZH复合材料。虽然它应该向西转移在这个高压系统在低压异常结果北非和西欧,一个令人惊讶的功能图4(一)的局部低压异常2到3的顺序hPa坐落在萨赫勒地区。这个压力分布结果在萨赫勒地区辐合区,表明诊断的垂直速度,特定的湿度,矢量风850 hPa如图4 (b)。风矢量的差异显示一个乐队从5°N 15°N直接从大西洋转向东方,表明向西转移AZH允许水分运输从大西洋到萨赫勒地区。复合的区别为特定湿度支持这一发现的最大峰值在萨赫勒地区,和收敛结果明显最大向上垂直速度在萨赫勒地区。病房(22在亚热带大西洋)观察到大气压力与萨赫勒地区降雨量变化有关。我们的结果的一个关键区别是亚速尔高压的纵向位移,而不是它的压力波动,相关的萨赫勒地区降水。
(一)
(b)
亚速尔高压位于北非和西部的这个配置类似于印度洋的高对澳大利亚西部。它已经表明,东西方在印度洋的位置变化显著影响高降雨量在澳大利亚西南部数十年的干旱正在进行中(12]。因此,纵向位移之间的关系之间有相似的两个亚热带高温和干旱的大陆东部。
3.3.2。南亚低的影响
图5(一个)显示了复合不同SLP北非和相邻区域之间的多年当萨尔压力和最高的年最低压力。低压异常在萨赫勒地区和撒哈拉沙漠是明显的。观察到的异常模式(图5(一个))说明了深远的影响,萨尔在夏季气候的变化与海平面气压异常1 hPa或更多的大西洋东部,和异常的顺序3 hPa在非洲和中东地区的广大地区。再次,垂直风的诊断和比湿确证的形成一个异常辐合区撒哈拉萨赫勒地区/区域如图5 (b)。
(一)
(b)
使用三维流体静力学基本方程模型,罗德威尔和斯23)研究南亚季风和循环之间的关系在撒哈拉沙漠。他们的模型表明,非绝热加热在季风引发向西传播罗斯贝波,导致绝热降落在撒哈拉沙漠和地中海东部。
注意,这并不意味着南亚季风的强度与亚速尔高压压力系统,包括大部分在大西洋上空除了地中海和北非。如前所述,南亚低压和亚速尔高压经度位置,计算(1)和(2),彼此不相关。然而,在图5(一个)得到综合差异的夏季南亚低是最深的,夏天是最浅的,我们看到了异常压力上升的萨赫勒地区北部区地中海,这表明更大的下降在这个地区南亚低是更深层次的。提出的模型结果这个观察是一致的(23]。数据6(一)和6 (b)组合不同的垂直速度的纵向截面平均在萨赫勒地区纬度(10°在20°N)。为更深层次的我们看到SAL上升运动的情况下从10°W - 50°E低对流层。在撒哈拉地区的类似的复合的区别(20°N-35°N)我们发现一个强大的血统在大部分对流层。
(一)
(b)
这说明下面的场景:一个强大的南亚低强季风相关诱发下行空气在撒哈拉沙漠和地中海,导致一个异常向南流在北非和收敛在萨赫勒地区。
4所示。结论
本文提出了证据表明July-August-September降水在萨赫勒地区有关东西方亚速尔高压的位移和压力波动的南亚低。他开发了一个回归方程,可以解释50%的方差的萨赫勒地区降水量在1948 - 1998。这个结果支持的基本气象图云降水发生在存在和当地的气氛是不稳定的。给出的结果表明这些大气条件的强烈影响在萨赫勒地区亚速尔高压位置的变化和南亚低压。SOI也与萨赫勒地区降水的年际变化但其贡献不如SAL的重大压力。
结果表明GCM能给身体的正确模拟萨赫勒地区降雨趋势和年际变化如果能充分代表AZH和萨尔压力中心的动态方面的压力和位置。自从AZH坐落在大海很可能大气和海洋之间的交互变化起着重要的作用。萨尔主要是陆地的现象,与海洋的交互可能是模拟比AZH不那么重要。