北太平洋涛动–ENSO和大气内部变异外文翻译资料

 2022-11-16 15:21:31

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北太平洋涛动–ENSO和大气内部变异

Sang-Wook Yeh 与Ben P. Kirtman

美国马里兰州卡尔弗顿，海洋-陆地-大气研究中心。

我们使用耦合环流模式的三重模拟来重新审视北太平洋涛动的关系（NPO）与厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）。在三个模拟的差异是由海洋成分与海气界面导致的大气内变化的幅度。在观察中和标准的耦合模型（1 个大气环流模式与一个单一的大洋环流模式之间的耦合），NPO和ENSO可以通过相关的白噪声的时间序列或由两个独立的红噪声时间序列过程来解释。然而，我们觉得北太平洋的噪音的幅度也有可能影响到ENSO。当大气噪声的振幅降低时，较强的ENSO变化伴随着较强的的ENSO-NPO相关。分析表明，在耦合模型中，当地的北太平洋局部大气动力学超过了ENSO的远程影响。

  1. 引言

在天气气候长期预报中了解热带温带遥相关是非常重要的。虽然中纬度环流异常的变化与热带海表温度（SST）强迫之间的联系已多次被研究过（例如Hoskins and Karoly，1981），但热带与北太平洋海温变化之间联系的物理缘由这个问题仍然悬而未决。

以往研究表明，部分北太平洋海表温度变化与热带海表温度变化近乎线性无关，部分与热带海表温度变化强迫有关（Deser 与 Blackmon, 1995; Alexander 等., 2002）。分辨北太平洋SST变化与当地随机强迫和热带SST强迫之间联系的程度差别仍很困难。部分困难在于检测非耦合性反馈与海气耦合反馈对北太平洋SST变化的随机强迫并达成共识[Barsugli and Battisti, 1998]。

在这项研究中，我们研究在一个耦合魔兽中大气随机强迫如何影响北太平洋大气变化。为了控制受海气界面的大气噪音强迫影响的SST变化，我们使用了总体平均方法[Kirtman 与 Shukla, 2002]。这种方法是将这种整体平均耦合模型与表达的目的减少误差，其中误差受在海-气界面的大气局部动力学影响。作为交互集成的发展，实现各模式经历相同的SST的模拟预测。另一方面，大洋环流模式表现为6个或12个大气环流模式整体平均得到的地表通量。控制系统由一个AGCM与一个大洋环流模式之间耦合组成。

在这里，我们专注于北太平洋海温变化（NPO）的主导和热带海温变化（即ENSO）的引导之间的联系。我们的分析表明，当受大气噪声影响的SST变化减少时，NPO与ENSO线性相关，尽管这种联系的强度受ENSO振幅低频变化的年季变化影响。此外，研究表明，NPO的主导空间模式随ENSO振幅变化影响。

  1. 模型与数据

标准的大气成分与大气变化交互耦合模型由海洋-陆地-大气研究中心（COLA）开发的大气环流模式，其拥有42个三角截断波和18个垂直-水平模式。海洋模型是改编自地球物理流体动力学实验室（GFDL）开发的第三版模块化海洋模型[ pacanowski et al.，1993 ] （MOM3）。6重（IE6）和12重(IE12)大气环流模式交互集成模型得出的结果与标准异常耦合模型（SC）作比较。IE6与IE12的集合是COLA的AGCN中基于方差分析选择而得。在COLA的AGCM中大气模拟信号是IE6数据集合理分离得到的[ Kirtman和Shukla，2002 ]。这里所示的所有分析都是基于过去300年的数据。我们还使用了从1950一月到2000十二月的月平均观察SST数据，这是由美国国家环境预报中心（NCEP）收集分析得到的SST数据[雷诺兹和史密斯，1994 ]。NPO和ENSO模式是北太平洋的领先的定义经验正交函数（EOF）. 因为在北太平洋（20°N–60°N，120°E–120°W）和赤道太平洋（20 °N–20°S，120°E–90°），海温变化为主导模式，从EOF分析推断，具有类似空间结构全年具有可比性[张等人，1998 ]我们的分析期包括整个日历年。值得注意的是，NPO和ENSO模式仅仅只是重复利用了11-3月的数据，对结果只有很小的的影响。

图1：为1950–2000期间北太平洋的领先经验正交函数（a）和热带太平洋（b）。轮廓线间隔为0.1。两者的阴影部分表示正值。面板（C）显示20年滑动的主成分时间序列的相关系数（PCS）（a）和（b）。直-固线（0.63）表示，具有95%置信水平的相关值。在HTML中可看到以上图色版。

3．观测数据中NPO-ENSO 的联合模态

我们首先研究NPO和ENSO从1950到2000的关系。图1a和1b显示EOF的第一模态的NPO与ENSO。NPO模式的空间模态（图1a）显示，椭圆形状位于北太平洋中部和西部，而在东太平洋海岸、北部和南部出现异常，伴随着相反的迹象。这 解释了总方差的24%。图1b所示的ENSO模式表明超前热带太平洋SST的EOF模态解释了总方差的53%。

NPO指数与ENSO指数之间的同时相关的各种指标很低[ 1997 曼等人]。然而，我们并不知道NPO-ENSO的关系是固定的或未知的。在这里，我们尝试对NOP和ENSO的关系变化进行诊断。为了表明NPO-ENSO关系的变化，图1c给出了NPO与ENSO的20年的滑动相关系数时间序列（PCS）主成分。虽然有短暂的相关性较高（1950–1960）或低（1980–1990）的时期，但是NPO-ENSO在整个期间没有统计上有意义的关系。

基于Bootstrap [ 1982 埃夫隆]的方法，我们研究NPO-ENSO低频滑动的相关性是否可能是由于时间序列的噪声引起的[格叔诺夫等人2001 ]。图1c的时间序列显示标准差为0.11，在置信水平为95%的检验中这并不显著（时间序列图1c的95%和5%百分位数显示置信限为0.25和 0.11。标准偏差必须是在这些限制之外才能被认为是显著的。）事实上，我们不能消除零假设，即NPO-ENSO的关系可以通过相关白噪声的时间序列或由两个独立的红噪声时间序列过程进行解释。在下一节中，我们从耦合模型模拟的大得多的时间序列研究这个关系。耦合模型模拟的不同可以根据通过空气-海界面不同的振幅互动的合奏技术大气随机的变化表现。

  1. 模式结果

在这一部分我们研究NPO-ENSO关系在耦合模式的模拟。标准耦合模式将大气环流模式与海洋环流模式相耦合。利用相互类似的方法将第二和第三计算式分别从单一海洋模式相关到大气环流模式相关并耦合到第六和第十二层。

图2a和2b与图1a和1b相类似，除了在近300年间内的由SC模型所得到的海表温度异常，NPO和ENSO模式的地理模型与观测有许多相似和差异的地方，图2a计算得到的从亚洲沿岸延伸到北太平洋中心的NPO指数，与观测相一致。NPO涛动中心在北太平洋中心的东北-西南部，却与观测有所差异。尽管在东热带太平洋的SST变化较弱，在SC模型中的ENSO模式的结构与观测相一致，却只局限于赤道地区，而延伸到西方。

图2C显示了NPO与ENSO模式在300年内与PC时间序列的20年滑动相关系数。注意的是，0.52的值是95%置信度检验，NPO与ENSO的时空关系具有较大的年代际，但至多有0.2到0.4 滑动相关的波动，但是在整个数据期间NPO和ENSO却没有显著的关系中的关系。同时基于表1和图2c所示的滑动相关系数，我们应用了统计检验根据表，得到95%和5%的置信界限时间序列的百分位数分别是0.29和0.12。在图2c所示的时间序列的标准差是0.14，表明NPO-ENSO之间的低频率变化相关的白噪音序列所解释。

除了在300年间的标准耦合模式中模拟的海表温度异常之外，其他都与图一相似。在html可以看到上面图的彩色版。

基于IE 6和ie-12仿真结果试验随机强迫在的影响关系。当内部的海温变率由于大气动力学被减少，在NPO和ENSO之间存在显著的线性关系。图3是在图2C除IE 6（薄）和ie-12（厚）以外其他相似。无论是IE 6还是ie-12在上面两个模式中低频波动存在正相关。在NPO-ENSO模式中，ie-12有250年以上的相关超过95%置信水平。同样基于应用于观测和SC的统计检验低频滑动相关的NPO-ENSO中ie-12也表现95%的置信水平。这表明，在NPO-ENSO模式中低频变化不能简单地解释为相关白噪声的时间序列由于大气内部动力明显减少。

这里存在一个问题就是在NPO中是否存在在相关低频变化中有结构性的变化，为了解决这个问题我检验NPO模式在每个中的时空模态。高时期是基于滑动相关（如图3厚）超过0.61的时期。同样，弱NPO-ENSO时期是基于时间系列在0.53以下的时期。值得注意的是大滑动相关平均为0.57和半标准偏差为0.04图4a–4c除了用IE-12模拟近300年海温异常，NPO-ENSO强（B）/弱（C）时期。对于高值期，该NPO模式期（图4B）是类似的。然而，对于低值模式时期是明显不同的，即倾斜结构改为东北西南向北太平洋中部的扩展式。为了检验这些差异是否在主导模式，在图4b和4c运用重要的蒙特卡罗方法。我们随机选择2对数据段，这样的长度与高（低）的NPO-ENSO长度相同。我们计算的模式相关性基于随机选择的两对时间的组织模式。我们重复这个程序得到的分布双随机选择的模式相关时间序列。如果模式相关性小于0.5，则在这95%个层次上的模式是不同的。图4b为模式之间的相关性，图4c是超过0.42在95%信度检验水平。我们认为，占主导地位的变化是有组织的空间格局所造成的，而不是的，由于NPO-ENSO低频变化的关系（这本身是由ENSO的振幅信号）。这种变化只能在强迫时检测到，由于内部大气动态已显着减少。需要注意的是，没有特别影响ENSO每个NPO-ENSO周期模式（未显示）。

为了了解占主导地位的变化模式的NPO模式（如图4b和4c），我们注意到，这些模式之间的关系表明ENSO类似的相位关系的变化振幅。图4显示标准时间序列偏差的热带（5°N–5°S，170°E–240°E）SST指数的20年滑动平均。注意，实线是ENSO振幅的大小显示在面板的左边和虚线是滑动的相关系数（如图3）。在ENSO振幅的变化高度相关NPO-ENSO滑动相关的模式（同步

相关：0.81）。这表明ENSO在强NPO-ENSO幅度比较高期间，相反，弱NPO-ENSO时期以相对较低的ENSO振幅明显，数字4e和4f与4b和4c除了强和弱的ENSO振幅周期之外其他是类似的。强/弱ENSO振幅期间由同一程序确定为高/低NPO-ENSO相关周期（即，加上或减去一半的标准偏差）。正如预期的那样，高的NPO模式的时空模态和ENSO强（弱）振幅期相似的NPO-ENSO强（弱）相关周期。这一结果表明，热带西北太平洋海温遥似乎对热带强迫强度线性相关时，迫使由于内部的大气动力学已明显减少。然而，它不是真正的观测和ENSO振幅的变化是在观察NPO-ENSO相关，ENSO振幅和NPO-ENSO模式的滑动相关的变化之间的相关性是0.12关注无关的SC（观察）， 0.33（SC）和0.69（IE 6）。当海温变化由内部的大气动力学被迫降低，伴随着NPO的格局变化，NPO-ENSO热带海温变化强度随之变化。

图4。EOF在北太平洋为ie-12 300年期间的模拟海温异常（一）。这个同（一）高NPO-ENSO期（b）和低NPO-ENSO时期（c）。标准的时间序列东太平洋海温指数与20年运行平均偏差（固体）。单元°C.注意标准的幅度在左面板上显示偏差时间序列。直实线（0.35°C，0.31°C）确定高与低ENSO振幅周期（详见正文）。虚线是滑动相关系数的ie-12作为在图3。在同（一）对于高ENSO振幅期（E）和低ENSO振幅周期（F）。在HTML中可查看图色版。

最近，Newman等认为，这是“再生”过程，把“大气的噪声”和“enso相关性大气结合一体化—”，正是这种结合导致所观察到的功率谱的不规律的海温变化。使用交互集成技术控制大气噪声的振幅，我们重新审视之间的关系，不规律的成分与ENSO模式。在观察和标准的耦合模型，对北大西洋涛动时态关系的特点是年代际变化，但是，我们不能消除这些变化仅仅是由于相关白噪声的时间序列或由于两个独立的凹痕红噪声时间可能性的过程。

耦合模型的行为表明，当地的北太平洋大气动力学内部远程控制影响ENSO。当大气噪声的振幅降低，发现不规律成分与ENSO之间存在显著的线性关系。强ENSO模式用更强的的ENSO-NPO相关。模型结果表明，ENSO振幅的变化在很大程度上决定的北大西洋涛动伴随低频变化的关系对不规律成分的主导模式的变化。我们的结果是从假设的纽曼等人建议有所不同。，他认为ENSO的力量变化了不规律成分。换句话说，这北大西洋涛动关系是基于变化率，这表明ENSO和不规律成分应为同期相关象限点。然而，我们认为这里有一个同时的关系，但由于大气随机强迫的破坏性干扰，在这两个观测和供应链模拟的关系是很难检测到。

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