全球变暖下的Madden-Julian振荡外文翻译资料

 2022-12-04 15:10:08

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

全球变暖下的Madden-Julian振荡

Chiung-Wen June Chang, Wan-Ling Tseng, Huang-Hsiung Hsu, Noel Keenlyside,

and Ben-Jei Tsuang

摘要：全球变暖对Madden-Julian Oscillation（MJO）的影响可以通过使用几个模式再现其主要特征来评估。在预测出的本世纪末较暖气候中，MJO的振幅（约30％）和频率上有所增加，表现出比以往更强烈的环球传播趋势。MJO的空间模态变得更强，范围更广，但是在经向上有所局限。在非绝热加热、湿度和辐合场中可以看到更强的垂直倾斜结构。我们的研究结果表明，这些变化是由于第二类摩擦条件不稳定机制的加剧，通过动力和热力学耦合来达成对变暖的响应。平均状态的升温和潮湿有助于深层对流加热，从而带来更强的开尔文波扰动。这加强了摩擦性低层辐合，导致浅层对流加热，从而加快了MJO深对流的发展和增强。

1、引言

Madden-Julian振荡（MJO）是热带地区大气季节变化的主要模态[Madden and Julian, 1971, 1972]。除了它的全球意义，它还会影响季风，热带风暴，温带气候等，但最新的气候模型依然不能理解或模拟这种气候模式[Lin et al., 2006; Kim et al.,2009; Hung et al., 2013; Jiang et al., 2015]。 因此，全球变暖将如何影响MJO存在很大的不确定性：大气水分含量的增加可能会使它加剧[Liu, 2013; Liu et al., 2013; Schubert et al., 2013;Subramanian et al., 2014; Arnold et al., 2015]，而大气环流的变化可能会削弱和改变其频率[Jones and Carvalho, 2011; Maloney and Xie, 2013; Schubert et al., 2013]。

模式和观察研究表明，MJO会受到平均状态的强烈影响[Maloney and Hartmann, 2001; Inness and Slingo, 2003; Zhang and Dong, 2004; Maloney and Xie, 2013]。扰动海面温度（SST）和大尺度的流动模态可以通过改变风切变，稳定性，湿度和分布来影响MJO特性。因此，人为的全球变暖也可能会影响MJO的结构和行为。有限数量的MJO预测显示，MJO可能会增强，并且其变化随着变暖的增加而明显增加[Liu, 2013; Liu et al., 2013; Schubert et al., 2013; Subramanian et al., 2014; Arnold et al., 2015]。这些研究中MJO增强的原因在于异常湿静力位能的平均垂直平流[e.g., Arnold et al., 2015]以及非线性的风引发的表面热交换机制的加强使得水汽增强 [Liu, 2013]。然而，全球变暖下热带海温的不均匀增加可能会强烈地调节这种变化[Jones and Carvalho, 2011; Kang et al., 2013; Maloney and Xie, 2013]。

前面提到的一些研究是在理想化的环境下进行的，例如aquaplanet实验，还有一些是使用弱MJO模拟进行的。因此，为了探索全球变暖对MJO的影响，需要进一步研究更能代表MJO的模型。在这里，我们使用一个新的气候模式，ECHAM5-SIT，这是大气环流模式ECHAM5耦合一列湍流动能海洋模式Snow-Ice-Thermocline（SIT）。ECHAM5-SIT被列为模拟MJO的八个最佳模型，在近期27个模型的比较中，被列为模拟对流耦合波谱的四个最佳模型[Jiang et al., 2015]。我们用现在和未来时段模拟的MJO进行了比较，预计ECHAM5-SIT可以可靠地表示MJO变化。我们把重点放在MJO生命周期的垂直结构特征上。探讨并介绍了导致MJO结构和传播特性变化的热力学和动力学因素。

2.模型和时间段实验设计

ECHAM5-SIT与单独的ECHAM5相比显示出对MJO模拟的明显改进[Roeckner, 2003]。结果表明，通过将SIT耦合到ECHAM5，当涉及海洋上空几米的海气相互作用被精确地表示时，MJO可以被更好地模拟出来 [Tseng等，2014]。单柱海洋模型SIT对使用经典K方法参数化的垂直通量驱动的温度，动量，盐度和湍流动能的变化有很好的描述[Tu and Suang, 2005]。海面附近极其精细的垂直分辨率使得SIT能够模拟海洋上层温度的变化，例如昼夜周期，海洋表面几毫米厚的冷表层以及下层的暖层。在我们的模拟中，耦合模型的水平分辨率为T63（〜1.8°），在ECHAM5中有延伸到10 hPa（〜30 km）的31个垂直层，在SIT中有42个垂直层，海表10 m有12个。通过在每个时间步长（12分钟）进行热量和动量交换，在10米以上的海洋允许海气相互作用; 10米以下的海洋弱化了气候月平均值，以解释被忽略的水平过程。耦合仅设置在热带（30°S-30°N）;在其他地方，每月的气候SST和海冰浓度（SIC）为AGCM提供条件。 Tseng等人[2014]提供了模型的详细描述和灵敏度实验。

目前的时间切片实验使用全球海洋资料同化系统[Behringer和Xue，2004]提供的1981 - 2000年观测海温和盐度，AMIP II提供的SST和SIC；温室气体的浓度固定在20世纪末相应的值。未来时间实验中使用的海温，海温​​和盐度条件是在现在水平上加上2081-2100相对于1981 - 2000年的预计气候变化。这些变化来源于用于CMIP5 [Giorgetta等，2013]的Max-Planck-Institute地球系统模型（MPI-ESM）的历史和代表性浓度路径8.5（RCP8.5）模拟。温室气体浓度固定在21世纪末的RCP8.5值；对于二氧化碳来说，这是目前实验的两倍。在两个时间段实验中，SIC被设定为当今的观测值，以隔离热带地区变化的影响。在这两个实验中通过使用二十世纪的气候值来排除改变气溶胶负荷的影响。分析的重点是北半球冬半年（十一月到四月），当时这种在赤道向东传播的现象最为明显。每个实验的总模拟长度为21年，其中近20年用于分析。

本研究所用的MJO诊断工具来自CLIVAR MJO工作组，包括空间滤波，波频谱，滞后相关图[CLIVAR, MJOW G, 2009]和MJO指数。MJO信号时通过对观测和模式的日数据应用20-100天的带通滤波获得的。MJO位相合成的计算，是通过对赤道平均（15°N-15°S）异常OLR、850和200 hPa纬向风进行经验正交函数分析，得到的两个主要模态从而定义出的MJO指数得到的[Wheeler和Hendon, 2004]。MJO指数的八个不同相位对应着MJO的深对流发展所在的特定区域。本文中垂直结构的变化是MJO周期八个相位在海洋性大陆（120°-150°E，10°S-0°N）的平均，所以深对流主要集中在第4阶段和第5阶段。由于MJO是向东传播的现象，水平（相位）轴可以等效地被视为纬向[Kimet al., 2009]。

3. MJO特征的变化

与目前相比，未来在整个热带地区海温增加超过2K，海洋大陆和阿拉伯海的变暖最大，超过3.6K（图S1a）。 SST的增加导致了最暖SST地区（50°E-180°E）的经向展宽，并且热带地区的SST梯度变弱（图S2a中有相应信息）。 热带西太平洋平均低空西风略有增强和向东向北扩张，但在印度洋和西部海洋性大陆略有减弱（支持信息图S1b）。在西太平洋副热带赤道至10°N的东风大部分减弱。

图1.（a和b）为赤道850 hPa纬向风（阴影）和降水异常（等值线）的波数频谱。 等值线从0.3开始，间隔为0.1。 （c和d）为在区域（10°S-0°N，120°-150°E）季节内降水（阴影）和10m纬向风（等值线）相关的时间经度图。

在未来的实验中，降水和湿度的平均值会增加，降水的季节内变化也是如此（支持信息图S2b和S2c）。这表明未来的背景为更丰富的水汽供应、更强的对流以及更强烈的季节内变化。

图1为实验中降水和850 hPa纬向风异常的波数频谱图。本实验表明，对于周期为30-80天、波数为1-4的降水（图1a）以及波数为1的纬向风，ECHAM5-SIT能够模拟真实的谱特征和东传的强度。在未来的实验中，MJO仍然处于波数1纬向风的结构中，季节内时段的谱功率整体增强（图1b，阴影）。然而，未来实验中的MJO降水变率表明波数为1的能量显着增强（图1b，等值线）。通过对向东的纬向1-4波、20-90天周期的波数谱带积分，我们发现在未来的实验中，MJO尺度降水幅度相对于现在显着增加了17.5％，而风异常情况仅增加4.4％。 Maloney和Xie [2013]讨论了降水与风场异常变化的关系与弱温度梯度热力平衡的关系。干静力变化背景调控着纬向风和降水幅度变化的差异，它在未来的实验（表S1）中增加了16％。

图1中的一个新的特征是更大的增幅表现在较短的季节内周期上（小于30天的周期），表示更快的东向传播分量的增强。降水和纬向风异常的时间-经度演变（图1c和1d）清楚地表明，在未来的实验中，与日界线以西相比，随着异常的滞后斜率变小，MJO将加速。 东太平洋日界线以东的连续风和降水异常信号表明，未来气候变暖引起了该地区更多环球的东传扰动。 传播速度和环球特征的增加被认为是在纬向1波和0.03-0.05个周期的功率的增加（图S5）。 这是未来实验在热带波谱中赤道开尔文波整体增强的一部分。

图2.八个阶段MJO的垂直结构 。（a，c，e和g）是从现在（阴影）和未来（等高线）实验得到的结果:（图2a）非绝热加热（Wm2），（图2c）水汽收缩（Wm2）， （图2e）垂直速度（Pa s？1），（图2g）水平辐合/辐散（10？6 s？1）。 等值线间隔与图2a，2c，2e和2g中的阴影间隔相同。 （b，d，f和h）与图2a，2c，2e和2g相同，除了相对于未来实验的变化。 注意，图2c中的辐合（辐散）是一个正（负）值，因此是暖（冷）色。

从八个位相的合成图来看，MJO垂直结构随着时间变化也有重要变化（图2）。按照Q1 [Yanai et al., 1973]的定义计算的加热剖面表明，在本实验中500 hPa的非绝热加热的典型热带最大值，而未来实验中最大加热位于对流层大约400百帕（图2a）。在深对流活动阶段（阶段4和阶段5），500 hPa以上在未来会大幅增加，在浅对流阶段（阶段1〜3），从900 hPa到500 hPa会有轻微的增加（图2b）。 Q2 [Yanai et al, 1973]的水汽吸收剖面图表明，在未来实验中潜热加热对非绝热加热的贡献有所增加，从第1、2阶段在地表附近开始，第3、4阶段升高到对流层中部，最后阶段5到达对流层上层（图2c和2d）。这种时间演变表明在未来实验中加热和水分西倾结构会加强。向西倾斜的结构被认为是一些MJO理论的重要组成部分[Kiladis et al., 2005; Zhang, 2005; Zhang et al., 2013]。在未来的实验中湿静力位能（MSE）的时间演变也表现出增强的向西倾斜结构（图未示）。

另外，我们考察了从地面到200 hPa的Q1垂直积分，在未来实验中深层对流位相中增加了约26％（图S3），相应地，垂直积分Q2增加了33％左右。 因此，Q1和Q2大约遵循Clausius-Clapeyron标度，这预测表面温度升高3.5 K时水分增加25％。 而且，与目前的实验相比，1-3阶段Q1和Q2振幅的增加分别加快了34％和37％。 同样，在未来实验中，负Q1和Q2的幅度增加，相应的5-7位相的减小也在加速。 Q1和Q2的变化表明未来的MJO总体上可能会有一个加强/冷却波动。

MJO动力场的变化表明MJO对流之前的低层辐合和向上运动（omega;）增强（图2f和图2h）。这导致边界层的湿度增加，并且对位相1-3中增强的浅加热有贡献（图2b和支持信息，见图S4c）。除了4、5位相的深层对流在中对流层有异常辐散和上升运动减弱之外，总体而言，1-6位相向上升运动和辐合增强，与Q1剖面一致。加热和垂直运动/水平辐合之间的这种看起来不一致的情况将在后面解释。总的来说，模拟的加热和上升运动变化表明，对流在未来实验中会渗透到对流层深处，与全球变暖情景下增加热带对流深度的许多模式预测一致[Hartmann and Larson, 2002; Santer et al., 2003; Chou and Chen, 2010; Singh and Orsquo;Gorman, 2012]以及与观察性研究一致[Zelinka and Hartmann, 2011]。

对海洋大陆上MJO第4阶段最强对流活动的分析表明，大范围反转纬向风结构与对流耦合（图3a和图3b）。在未来实验中，正加热区显着扩大和加深。相应地如循环矢量所示，MJO的对流-环流轮廓则较厚且纵向较宽。较强的对流与低层水平辐合增强（图3a和图3b中的绿色等值线）有关。此外，未来实验的降雨量变大，海平面气压（SLP）在深对流以东表现出更强烈的经向限制和类似加强Kelvin波状扰动（图3e和3f）。这导致与摩擦波动不稳定性第二类（CISK）机制相一致的更强的低层水汽辐合（未示出）[Wang and Rui, 1990; Kang et al., 2013]。相比之下，经向旋转的环流在5°S有增强的加热（图3c和3d）。

图3. MJO尺度环流的经度-高度图（10S-10N平均结果）和纬度-高度图（120E-150E的平均结果）、Q1和水平水

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[21503]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章