ENSO极端阶段的北太平洋短波列外文翻译资料

 2022-12-04 15:09:38

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ENSO极端阶段的北太平洋短波列

TSING -CHANG CHEN

大气科学项目组, 大气地理科学系, 爱荷华州立大学，埃姆斯，爱荷华州

(初稿于2001年5月14日收到，最终版本为2002年3月5日收到)

摘要：海面温度（SST）在东部与西部热带太平洋之间呈现出年际的跷跷板现象。这与“厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）”的周期一致。之前研究累积的证据表明，西太平洋增强的降雨/对流与北美的降水/恶劣天气之间可能存在遥相关联系。前述的相关联系可能是由西部热带太平洋异常热/冷SST异常诱导的遥相关波动模式建立的。为了证明这种可能性，我们引入了傅里叶尺度分离以划分ENSO异常循环变成两个波动方式：长波（波数1-3）和短波（波数4-15）。经典的太平洋 - 北美遥相关模式由长波形式组成。比较之下，波系是以组织良好的波列形式从西亚热带太平洋经北太平洋后传入北美。除了其垂直均匀的结构，行星涡度收支也是维持短波列的重要动态过程。降水异常的对比与这个短波列的异常发散环流表明这个波列是由在菲律宾海上的冷涌旋涡形成的异常强迫。这个诊断性的表明是通过对NCAR的CCM1模式，使用理想化的强迫（半径为1000公里），而中心位于0度，北纬135度。这个新确定的北太平洋短波列使我们不仅能更好地了解在北太平洋 - 北美地区形成ENSO异常环流，而且可以建立起西太平洋和北美的气候系统之间的联系。

1.引言

热带东西太平洋海表温度（SST）异常的可能大气反应是由Palmer和Mansfield（1984）用英国气象局的大气环流模式（GCM）研究的。他们发现短波列可以从热带西部太平洋发出，沿着北太平洋向下游传播，经过北美到达墨西哥湾。然后，根据国家气象中心发布的月/季天气气候资料，Palmer和欧文（1986）推断，美国1985年1月和1976/1977年冬季的异常寒冷天气与增强的热带西太平洋对流活动有关。使用气象局的GCM，Palmer和Owen（1986）证明了这种联系。最近，Moore等人（2000）发现相关年平均降水量集中在洛根山（位于加拿大海湾约100公里）阿拉斯加、与其他地区。统计学显着性关系出现在麦肯齐河流域加拿大和日本等地区。这种降水相关模式与相应的海平面压力模式的相关性相对一致。这些研究似乎表明了北太平洋东西两部分的气候系统可以通过遥相关机制联系。

通过探讨季节内/季节模式的滞后相关性，Kiladis和Weickmann（1992）和Hsu和Lin（1992）发现波状结构可以向下传播，沿着从北美到北大西洋到南欧和到北太平洋的路线流动。通过对波传播路径的这些观察，Hoskins和Ambrizzi（1993）建立了罗斯贝波的波导理论（带有纬向波数5），这种波沿着亚洲急流从北非传播到北大西洋西。Hoskins和Ambrizzi采取了强迫杠杆模型，以证实他们的理论。在北非-亚洲急流入口，与气候300 mb流场配合，有一个罗斯贝波列（大约波数5）产生沿亚洲射流波导传播。这种波导可以为北太平洋两岸之间的气候系统提供联系吗？早些时候，Branstator（1985）测试了强制各向异性模型。亚热带亚洲急流作为对先前观测研究的反应，有波列深陷其中。

图一 指定的纬度区域平均热带∆SST异常的x-t图

年际上，热带太平洋海温呈现出东 - 西跷跷板模型（图1）与El Nino-南方涛动（ENSO）的周期（Rasmusson和Carpenter 1982）一致。追踪ENSO活动，我们发现它展示了（Wallace和Gutzler1981; Horel和Wallace 1981），（Hoskins和Karoly 1981）（Blackmon et al。1983; Geisler et al。1985），在北美（PNA）遥相关模式中，从热带太平洋SST异常中心开始，经由太平洋最后传播到北美。另外，由安德森等人提出的评论文章显示（1998），这种PNA遥相关模式已经构成热带海洋和全球大气层气候变异研究的主要主题。考虑到观察证据和以前研究的理论结论，西热带太平SST温暖/寒冷异常是否会引起与ENSO周期一致的沿亚洲急流的短波相关模式呢？如果是的，北美气候的年际变化系统可能受到两个波动遥相关模式的影响。

根据遥距波理论（Hos-Kins和Karoly 1981），超长波可以穿透到高纬度，但短波会在低纬度被捕获。在第二节中将引入傅里叶尺度分离来确定上述北太平洋短波列的三维结构。由于这个波列是最近才确定的，用过基本动力学第3节进行流量收支分析。在第2节中提出的短波列很可能会扰动固定短波。由异常雨水释放的潜热，由SST异常和冷涌涌涡流产生的下沉气流在菲律宾海上可能有助于强迫。我们将在第4节进行分析并说明这种可能的迫使。假设由NCAR的Climate模型（Williamson等人，1987）强迫短波列的模拟证实了这一条波列，并在热带西太平洋产生了强迫。最后，本研究使用三个来源的数据：国家环境预测中心 - 大气研究中心（NCEP-NCAR）分析数据（Kalney et al。1996）国家海洋与大气 - 球形管理和降水估计由Susskind等人（1997）在戈达德空间飞行中心与轨道卫星观测。前两个数据集是2.5°X2.5°的水平分辨率，而第三个是1.0°X1.0°的分辨率.详细的NCEP-NCAR再分析资料和Susskind等人的降水资料都参考了上述文献。

2.北太平洋短波列

从OLR异常推测，中部赤道太平洋的降雨/积云对流在热（冷）ENSO事件期间是增加（减少）的（Rasmusson和Carpenter 1982）。相应地，应该有异常辐合（发散）流向中部太平洋盆地保持增强（减少）降雨/积云对流。跟随Rasmusson（1991;他的图10.11），这个年际气候变化的降雨和辐散环流体现在1986/87年（暖ENSO发作）和1988/89年（冷ENSO盛行）的冬季。让我们用∆ꭓ（200mb）和∆P来表示。强化（弱化）辐散量在赤道太平洋的对流层上层和降雨量增加（减少）当该区域属于温暖（冷）ENSO期间的时候。由行星尺度∆ꭓ的空间反转反射（200 mb）和太平洋盆地∆P模式可知。然而，仔细检查图。参考图2a和2c，可以容易发现嵌入在行星级中∆ꭓ（200mb）模式是沿着的小规模扰动北太平洋沿岸。

图二.（1986-89）三年冬季200 mb的速度势和降水估算平均值（Susskind et al。1997）

只有行星级且波数小于或等于3的罗斯贝波能够穿透在608N以北的高纬度地区形成PNA类波列（Hoskins和Karoly 1981）。我们从而采用傅里叶级分离过程∆ꭓ（200 mb）场变成两个波动方程：长[波数1-3，由（·）L表示]和短[数字4-25，由（·）S表示。如图1所示。 2b和2d是短波形式的∆ꭓS（200mb）;在两个冬天期间，这个短波列沿着北太平洋沿岸从东南亚传播到北美洲（用粗虚线表示）。这个短波列是否可以如帕尔默所表明的和Owen（1986）和Moore et al（2000）得出的结论那样，建立西部地区的对流活动，太平洋和北美洲遥相关？通过对比∆P和∆ꭓS（200mb）我们可以理解这个问题。原则上，正（负）∆ꭓS对应于异常辐合中心应与负（正）∆P值一致。如图1和2所示。 2b和2d，沿着这条波列∆ꭓS（200mb）的正相负相能够很好地匹配，分别具有负∆P值和正∆P值。尽管事实上∆P和∆ꭓS（200 mb）从独立数据源来看，沿北太平洋短脉冲的∆ꭓS（200 mb）波列与∆P异常有良好的相关性。上游西太平洋广大区域的∆P大值似乎支持帕尔默和欧文的点;寒冷的冬季天气在北部美国可能受到异常的远程影响在西太平洋的对流活动。

图三短波机制中的200mb流函数图

PNA遥相关模式在罗斯贝波动力学中通常被描述为流函数。这个变量由Palmer和使用Owen（1986）来说明可能的遥相关北太平洋两岸之间的联系。有没有北太平洋短波列在流函数上响应∆ꭓS（200 mb）？这个问题可能只需回答流函数偏差的1986/87年和1988/89年的冬季短波机制。事实上，答案是积极的，虽然是还未示出。为了获得流函数短波列，我们将分析全部的暖和冷ENSO事件。图1为过去20个冬天观测的这条短波列是否是共同的这些事件。作为参考，∆ѱ（200 mb）异常[∆（·）将在下文中用作季节变量（·）术语平均值]显示在附录（图A1）中。如图所示许多以前的研究（例如，Hoerling等人1997），在PNA遥相关模式中，中部赤道太平洋在温暖和冷的图ENSO阶段的复合∆ѱ（200 mb）上表现得很清楚。对于短波形式，∆ѱS（200mb）（定常短波），复合∆ѱS（200mb，冷）和∆ѱS（200 mb，暖）如图1所示。组织良好的短波列∆ѱS200mb）沿北太平洋沿岸。弧形短波列出现在∆ѱS（200 mb）（冷）异常（图3b），而两个短波列（一个沿20°N和另一个沿50°N）从∆ѱS（200 mb）（暖）异常（图3c）。相位反转两个后面的波列就像∆ѱS（200mb）与复合∆ꭓ200-mb相比，流函数∆ѱT（200 mb）出现了冷暖相位（图A1），∆ѱS（200mb）在北太平洋 - 北美地区可以达到∆ѱT（200mb）的30％-100％。显然，波列与PNA相比是显著的模式。

图四.冷ENSO冬季北太平洋短波列（粗实线/虚线所示）和PNA遥相关模式示意图（由薄的实线/虚线表示。

图五 不同纬度的∆ѱ经向-高度剖面图

赤道中太平洋异常SST的可能通过PNA遥相关影响美国北部冬季气候。因为在它们之间存在年间跷跷板∆SST（WTP）和∆SST（Nino-3.4）ENSO循环，它可能是北太平洋（200mb）短波串由∆SST诱发（WTP）的异常。如果这个论点可以证实，这个短波波列对北美极具气候意义。如这些示意图所示，分析这两个波列（图4），我们发现这个大陆的冬季气候系统可能受到北太平洋短波列和PNA遥相关模式的叠加抑制作用。事实上，在过去二十年间北美冬季气候系统的年际变化可能受到西部和东中部赤道太平洋SST异常远程影响，而不是单独的只有后一个区域。作为北太平洋短波列第一次受到记录，对其结构进行一些进一步分析将有助于未来寻找其动态。冬季的固定超长波是斜压波，位于北纬30度（Lau 1979），而PNA遥距在中高纬度的波列是正压的（Philander 1990）。具有相同的垂直结构是否适用于短波形式？北太平洋短波列描绘∆ѱS（200mb）和∆ѱS（850mb，未示出），而他们的空间结构强烈相似。结构相似性主要由均匀的垂直结构反映。显然，北太平洋短波列具有正性特征。另一个有趣的特点是北太平洋短波列∆ꭓS和∆ѱS之间的结构进行比较。尽管的∆ѱS的正压性质和垂直相位∆ꭓS的变化（未示出），存在四分之一相移在复合∆ѱS和∆ꭓS的短波列之间。有了这些结构的约束，第3节中的∆ѱ S的分解将会使得我们能够理解北太平洋短波列的基本动力作用。

沿北非亚洲的波导射流为区域波数-5的罗斯贝波，这是Hoskins和Ambrizzi表明的（1993年）。如图所示图。在图3a中，短波状态下的驻波是沿着波数-5分量占主导地位急流。同样，北太平洋复合∆ѱS（200 mb）与寒冷相关的短波列热ENSO事件（图3b，c）几乎是空间上的波数-5模式与固定短波一致。 PNA tel-从SST异常发出的连接波列，在中央赤道太平洋的alies没有任何与静态波的空间关系。相反，∆ꭓS（200 mb）和复合∆ѱS（200 mb）短波列表明后者是扩增的结果（弱化）前者通过一些强迫。这样可以联想到那个空间正交关系存在于北太平洋复合∆ꭓS（200mb）和∆ѱS（200mb）的短波列，西部的∆P异常赤道太平洋与复合∆ꭓS（200mb）在上游的相反极性短波列。这两个因素表明∆SST（WTP）异常是可能的强制北太平洋短波列。这个推断将在下一节中努力证实。

3.基本动力学

北太平洋短波列的两个基本特征的空间结构在第2节已经提及：1）垂直均匀（正压）结构，∆ꭓS和∆ѱS之间的水平正交关系。基于这两个结构的动态性质，我们将研究短波列的基本动力学特征。涡度的简化方程通过比例分析（例如，Charney 1948; Burger1958）经常用于这一目的。事实上，涡流收支是含有杂波的。有时候很难提取准确的流函数收支情况（即，逆拉普拉斯涡度方程的变换）。为了更好地理解涉及维持定常波的动力过程，相关变量被分为区域（·）z和（·）E分量。跟随Chen和Chen（1990）的研究，流函数收支方程被写入。如下：

我们的分析将主要集中在各种动态过程的偏导表达等式上（1）从他们的长期冬季平均值短波机制入手。任何流函数趋势符合以下标准的部分将被忽略：方差（∆ѱSAN）/方差（∆ѱSA）小于等于15％；方差（∆ѱSXN）/方差（∆ѱSX）小于等于15％；。变量ѱA和ѱX是等式（1）右边的前四个和最后四个部分的集合。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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