ENSO与欧洲遥相关的多年期调制机制外文翻译资料

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ENSO与欧洲遥相关的多年期调制机制

JorgeLoacute;pez - Paragesbull;Beleacute;nRodriacute;guez-Fonsecabull;Laurent Terray

收稿日期：2014年4月7日/接受时间：2014年9月2日/网上发布时间：2014年10月26日

copy;Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014

摘要：厄尔尼诺现象是年际大气变率的主要海洋驱动因素，是热带和热力学中可预测性的决定性来源。一些研究发现，厄尔尼诺对北大西洋欧洲部门产生了一致和统计上的显著影响，这可能导致当前季节性预报系统相对于欧洲的技巧提高。然而，这个信号似乎在时间上是不稳定的，它可以在非常低的频率下被海洋调制。因此，基于厄尔尼诺现象的季节性气候可预测性可能是可变的，并且只对特定时期有效。本研究考虑了海洋平均状态的多年变化作为年际年际时间尺度上ENSO欧洲降水遥相关的可能调节机制。 CNRM-CM5模型的远程控制模拟被用来证实这一假设，并评估是否可以用来解释在二十世纪看到的非平稳行为。该模型复制了欧洲 - 地中海地区的先进的降雨模式在欧洲地中海的降水情况和其与厄尔尼诺的非稳定相关。这种遥相关已经被认为与上层的区域平均流量的变化相一致，其影响波动从热带到热带地球通过大气的传播，从而解释了对欧洲不断变化的影响。 然而，沿着二十世纪观察到的非稳态影响也可能与年际海洋强迫信号本身观测到的变化有关。 结果表明了，对于两个假说，多年代时间尺度海洋的自然内部变率的重要作用。

关键词：大气遥相关bull;ENSObull;欧洲降雨bull;多年际调制

1简介

北大西洋欧洲部门（NAES）的气候变率主要与北大西洋涛动（NAO; Van Loon和Rogers 1978; Wallace和Gutzler 1981）有关，其特点是亚速尔群岛之间的海平面气压高和冰岛低（沃克1924）。亚北极和亚热带北大西洋纬度之间的这种波动影响了风暴轨迹，因此影响了相关的降水机制（Rodwell et al。1999; Hurrell et al。2003）。虽然NAO主要与内部大气变异性相关，但它也受海表面温度（SST）变化的影响，这可能导致季节到年际时间尺度的可预测性降低（Czaja和Frankignoul 1999; Hurrell等人2003）。几个研究发现欧洲气候具有一致和统计上显著的ENSO信号（Fraedrich和Muuml;ller1992; Moron和Plaut 2003）。有趣的是，其低水平大气模式与内部NAO相关的大气模式相似（Garciacute;a-Serrano et al。2010）。一般来说，厄尔尼诺往往对应NAO的负相关（Brouml;nnimann2007）。这提出了一个强烈的检测对ENSO的大气响应的问题，因强制响应而引起内部变异性的先进模式。此外，另一个因素是NAO的影响（Hilmer and Jung 2000; Lu and Greatbatch 2002; Vicente- Serrano andLoacute;pez-Moreno 2008）和ENSO（Loacute;pez-Par-和Rodriacute;guez-Fonseca 2012; Greatbatch et 2004; Mariotti et al.2002; Zanchettin et al。2008）对北大西洋欧洲气候的影响，在二十世纪并不稳定。因此，季节性气候预测能力可以是可变的，并且仅对特定时间段有效，从而以这种方式对当前欧洲的季节性预报系统（Van Oldenborgh和Burgers 2005）较差的技巧做出改进的贡献。

最近对Loacute;pez-Parages和Rodriacute;guez-Foncea的研究（2012，以下称为LPRF12）表明，使用20世纪降水，SLP和SST的观测数据，欧洲地区年际降水的先进模式在某些特定的几十年期间与厄尔尼诺现象是显著相关的，而在另一些情况下，厄尔尼诺现象与其他大尺度海洋模式没有联系。相关SLP场的空间结构类似于传统的NAO。然而，为了更好地确定遥相关，那么对高层大气层的研究是至关重要的，Garciacute;a-Serrano et al。 （2010）。 ENSO可以通过不同的机制对NAES产生影响，这些机制可能包括异常热带积云对流来影响大气环流（Wang 2002,2004; Wang和Enfield 2003; Ruiz-Barradas等人2003），Rossby波的上游效应，或这些机制的组合。前者通过Walker和Hadley循环相对于对流的变化的改变而产生影响。后者通过与热带中的对流相关的散度的结果的上层水流的子午位移而导致的涡度变化来产生影响。这种涡度扰动引发罗斯贝波在地壳上传播，并改变偏远地区的大气环流。这样，ENSO对欧洲的非稳态影响应该与以前机制之一（或两者）的非稳态行为相关。最近的研究也发现两种主要的ENSO模式，东部和中部太平洋事件（Kug等人2009; Kao和Yu 2009; Choi等人2011）的影响有显著差异，前者代表强烈的厄尔尼诺事件，后者与最强烈的拉尼娜事件相关（Dommenget等人2012）。在这项研究中，没有分析ENSO的非线性影响，每种情况可能与上述机制的不同非固定特征相关（An和Wang1999; Fedorov 2000; 2009年; Choi et al。 2011; Yeh et al。 2011）。可以解释ENSO对NAES的变化影响的可能与遥相关的调节有关，根据背景状态，强制信号被传输到目标区域。因此，这里需要探讨的一个有趣的问题是：海洋低频在调整大气遥相关机制对年际时间尺度变率模式上的影响，，如大西洋多年振荡（AMO，Enfield等人2001）或太平洋十年振荡（PDO，Mantua等人，1997）。在这个意义上，LPRF12发现欧洲先进的降雨模式与Nintilde;o3.4地区的异常之间的相关性在AMO和PDO阶段的多年代时间尺度上演变，这取决于所考虑的季节。基于这些以前的研究，我们在本工作中希望解决的主要问题如下：（1）海洋内部是否有一种SST多年代模式可以调制ENSO与欧洲的遥相关2）这个SST模式如何调制遥相关？ （3）相关的动力学机制是什么？ （4）这些多年代SST调制模式有什么首选位相，ENSO对欧洲效率很高吗？

因此，本研究主要涉及ENSO对NAES的非稳态影响，以及慢速变化的海洋背景状态的内部变率如何调制这种遥相关。

现有文献表明1月至3月是研究ENSO对欧洲影响的适当季节（Brouml;nnimann2007），便于将早冬冬季北方大西洋弱ENSO相关循环与中期冬季相关循环分离开（Toniazzo和Scaife 2006; Gouirand等人2007）。即使在北太平洋，与ENSO有关的典型热带北半球模式（TNH，Mo和Livezey 1986; Barnston和Livezey 1987; Livezey和Mo 1987; Trenberth等1998）在1月才完全建立（Bladeacute;et al。 2008）。由于这些原因，根据LPRF12，这项工作的重点是关注在冬季早春和非冬季ENSO欧洲降雨的遥相关，选择季节2月 - 3月 - 4月。由于记录的短缺和多年代SST模式的限制采样，不能使用观测进行完整的分析。因此，使用模型方法是有意义的，其中可以在多百年模拟上评估非平稳行为。为此目的，已经分析了工业化前期的长耦合模拟数据以补充观测分析。只有仅考虑气候系统的内部变率，才能再现20世纪ENSO欧洲降雨关系中确定的变化，那么就说明非稳态行为的机制不是必然与人为变化有关。

本文组织如下。我们从提供所使用的数据和方法开始（第2节）。在Sect. 3分析了欧洲降水和热带SST的协变性。在Sect.4相同的分析应用于CMIP5-CM5耦合模型的长控制模拟。在Sect.5所示，将不同字段的观察和建模的复合图相互比较。然后，在Sect.6中，给出了所确定的非平稳特征的一些似是而非的假设，最后，在Sect. 7，给出了简要概述。

2数据和方法

这项工作的重点是欧洲 - 地中海地区（iEMedR; 24°N-68°N，15°W-35°E），冬季早春（2月 - 3月 - 4月，FMA）年际年降水。

使用了两个不同的观测数据库：特拉华大学降水数据（Matsuura和Willtot 2009，版本2.01，http://climate.geog.udel.edu/ climate / html_pages /）和全球降水气候中心数据（GPCC; Schneider等人2008）。这两个数据是横跨整个二十世纪和二十一世纪初的气候学月度降水。它们覆盖范围仅有陆地，并且基于来自站的插值数据。关于SST数据，使用的是从1854至当前的ERSSTv3数据（2°2°，Smith等人2008）和从1870至当前的HadISST1数据（1°1°，Rayner等人2003） 。为了提出可能的动力学机制并且能够将其与模型输出进行比较，大气场数据将使用NOAA / OAR / ESRL PSD提供的来自二十世纪再分析V2数据。

气候模型数据由CNRM-CM5模型的遥控制耦合模拟（以下简称PICTRL）提供（参见Voldoire等人2013）。该模型包括ARPEGE-Climat（v5.2）大气模型（1.4°1.4°，31层），NEMO（v3.2）海洋模型（ORCA1°，42层） ，ISBA地表方案和通过OASIS（v3）系统耦合的GELATO（v5）海冰模型。这里分析的PICTRL是一个800年长的模拟，其中所有外部强迫其观测值（太阳能，火山和人为温室气体和气溶胶）保持恒定在1850。

关于方法，已经应用最大协方差分析（MCA或奇异值分解; Bretherton等人，1992）来识别解释最大协方差的模式异常的欧洲 - 地中海降水和热带海表温度（20°N-20°S）。每个模式包括两个空间结构（奇异向量），两个时间序列（扩展系数;分别用于预测和预测字段的U和V）和协方差分数，它是每种模式解释的协方差百分比的度量。分析MCA结果最常见的程序是绘制预测因子场（这里的热带SST）的投影以及在标准化U上预测（欧洲 - 地中海降水）的场，以这种方式获得同质和异质地图。顺着这个研究往下走，一些复合图也基于U，获得了PICTRL中选择的阈值的1个标准差，观察值为0.75的标准偏差。阈值的这种差异被认为是平衡在模型和观察中选择的病例数。这些复合材料被计算以分析某个时间段上空间模式的变化，并且还推断可能相关的动力学机制。

为了仅保留在此分析的所有情况的年际变率，长于7年的周期已经被减少基于离散傅里叶变换应用时间滤波器。寻找厄尔尼诺影响的平稳性，不同的滑动窗口相关分析已应用于该研究，使用21年作为参考窗口，用于与以前的研究进行比较。相关性统计显著性已通过非参数方法确定具有400个排列的蒙特卡罗测试。空间模式的显著性也通过非参数方法确定，如Monte-Carlo检验或Wilcoxon-Mann-Whitney检验（Wilks 2005）。

3降雨 - SST协变性：观测结果

如LPRF12中所示，20世纪随着大西洋多年振荡（AMO）阶段发生变化，El Nintilde;o和欧洲降水在晚冬早期春季的可变性的先进模式模拟似乎是非稳定的。前导EOF如图1所示。 1a，这ENSO信号与欧洲降水一致（Fraedrich和Muuml;ller1992; Moron and Plaut 2003; Pozo-Vazquez et al。2005）。为了深入研究这种影响的存在并将其作为统计手段，我们已经使用了基于这种前导EOF的时间指数。这个指数是以西欧和西地中海地区的面积平均降雨量差计算的。这些区域是前导EOF的两个活动中心（图1a中的黑框），并且它们与第二和第三变化模式（参见补充材料的图A1）中的那些不一致。时间相关性前导PC和上述指数为0.83，这支持在计算前导EOF时不存在数学假象。此外，与赤道SST的联系是非稳定的（图1b）。因此，与整个印度洋 - 太平洋赤道盆地的强相关性从1900年到1940年以及从1960年到1980年是正的。然而，对于二十一世纪初的年份，相关性较弱，符号相反。对整个二十世纪来说，太平洋和印度洋的SST模式在大致上一致，而在海洋大陆相反。如在LPRF12中，虽然在HadISST和ERSST（未示出）之间相关性分数的量值略有不同，但是在这两种情况下，最大值位于Nintilde;o3.4区域上方。与图1b一致。欧洲 - 地中海降水PC1和Nintilde;o3.4指数（图1c）大致与1900年至1940年（0.47）和1965年至1984年（0.42）正相关，而1944年至1964年主要是反相关的 ），2003年至2008年（0.73）。以前的结果加强了LPRF12的结果，并表明，尽管在整个观测期存在EOF1的偶极降水模式，但是当它与热带SST的关系更强时，它可能被增强和存在潜在可预测。 它还表明，这个相关主要发生在AMO的负位相的二十世纪。 正如第二节所述，MCA是一种判别分析工具，对于在气候数据中寻找耦合模式非常有用，因此决定了确定变量预测的最频繁的预测变量。 为了确认降雨和SST之间的变化耦合，已经进行了两种不同的MCA分析，这两种分析连接了欧洲 - 地中海降水和热带SST，根据之前确定的变化关系选择两个不同的样本。 第一个样本覆盖了1944 - 1964年和2003 - 2008年期间，对应于降雨和Nintilde;o3.4之间的负相关年份（图1c）。 第二个样本（1900-1940和1965-1984）对应于在相同指数之间具有正相关的年份。 以下将这些年份分别称为N（负相关）和P（正相关）周期。

P期（图2b，d）的协变性的先进模式，其解释了总协方差的31.1％（ERSST的28.3％），类似于LPRF12中分辨出的关系（参见LPRF12的图1）。在LPRF12中获得的降水异常模式与从MCA_P获得的降水异常模式之间的空间相关性为0.88

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