观测的北半球冬季行星波强迫的年际振荡外文翻译资料

 2022-12-09 10:49:35

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观测的北半球冬季行星波强迫的年际振荡

Wen Chen

LASG, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

Hans-F. Graf

Max-Planck-Institute for Meteorology, Hamburg, Germany

Masaaki Takahashi

Center for Climate System Research, University of Tokyo, Tokyo, Japan

Received 6 August 2002; revised 5 September 2002; accepted 24 September 2002; published 29 November 2002

【1】使用NCEP-NCAR再分析数据（1958 - 1998年），在北半球冬季发现由于行星波（波数1-3）引起的涡流强迫的两个年际振荡，称为平流层年际振荡（SIO）和对流层年际振荡（TIO）。 SIO和TIO之间的时间演化是不同的，表明不同的动态机制。行星波趋向于在正TIO阶段期间在对流层中向赤道方向弯曲，而在正SIO阶段期间行星波在中、上平流层中。结果还表明，行星波在对流层顶上向极地波导的向上传播与TIO密切相关。进一步的回归和相关分析表明TIO与北方环状模式（NAM）密切相关，而SIO与厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）密切相关。索引条款：3319气象和大气动力学： 3384波浪和潮汐; 3362平流层/对流层相互作用; 3334中层大气动力学（0341,0342）; 1620全球变化：气候动力（3309）。引用：Chen，W.，Hans-F。 G.和Masaaki T.，Observed interannual oscillations of planetary wave forcing in the Northern hemisphere winter，Geophys。 Res。 Lett。29（22），2073，doi：10.1029 / 2002GL016062,2002

1.介绍

【2】有越来越多的证据表明，中纬度纬向平均纬向风（-u）中的偶极子模式是北半球冬季年际变率的重要模式[Dunkerton和Baldwin，1991; Thomp- son和Wallace，2000]。北半球-u波动通常伴有大幅度驻波。 DeWeaver和Nigam [2000]指出了-u和驻波异常之间的合作动力学关系，其中每个都是一个来源和对另一个的响应。 Limpasuvan和Hartmann [1999]表明北半球模式（NAM）的变化，被称为几乎对称的南北运动的动量穿过中纬度，被强迫主要是在自由的固定波的涡流通量北半球对流层。行星波被强迫在对流层中由于陆地和海洋分布引起的非热加热的形态和模式[Andrews等人，1987]。在冬季，从对流层到平流层的行星波传播和相关的子午热通量可以通过区域平均流结构改变[例如Chen和Huang，1999]。然而，对于行星波活动相对于气候变率的变化只有很少的分析。因此，在这篇短文中，对流层和平流层中由于固定行星波引起的涡流强迫的年际变化进行了研究。

2.数据和方法

【3】本研究是基于国家的41年（1958 - 1998年）的月平均气压数据环境预报中心-国家中心大气研究（NCEP-NCAR）再分析资料[Kalnay et al。，1996]。 季节性平均由平均12月、1月和2月（DJF）产生在40个冬季范围。

【4】Eliassen-Palm通量（EP通量）用作诊断工具，其是波活动传播的测量。该EP通量散度表示涡流迫使纬向平均流[Andrews等，1987]。通过展开冬季位势高度场到他们的纬向傅立叶谐波，纬向波数1至3的总和用来表示固定的行星波活动。在球形几何形状中的EP通量的准变形模式用于计算由于行星波而引起的发散[Edmon等，1980]。对于回归和相关性研究，我们因此使用根据Davis [1976]的有效自由度数EDOF）来统计学显着性检验。

3.结果与讨论

【5】区域波数的超长行星波的40个冬季发散的EP通量是由气压数据计算的得到的。为了识别可能的复现空间模式来表示行星波驻的振荡，我们计算在纬度气压场中的EP通量散度场中的遥相关，如图1所示。 遥相关表示当该点与所有其他网格点相关时在网格点处获得的最大反相关性[Wallace和Gutzler，1981]。很明显，在平流层和对流层都有大的遥相。通过构造EP通量散度的点相关图可以阐明遥相关模式的细节。这些可以在参考的一点相关图中表示出点在30hPa，75°N（图2a），30hPa，57.5°N （图2b），500hPa，50℃（图2c）和300hPa，40℃ （图2d）。

图1：冬季EP通量散度与行星波（波数（1-3）））的遥相关，光和暗点阴影区分别表示绝对相关系数超过0.55和0.65。

【6】具有平流层参考点的图2a和2b具有与南北偶极结构类似的图案。大的相关值主要在平流层中找到，而对流层中只存在边界相关值。对于参考点（30hPa，75N）和（30hPa，57.5N）的时间序列，EDOF为34，相关系数的99％显着性阈值为0.42。这两个时间序列的互相关值是ge;0.74，远远超过99％的显着性水平。虽然在20N~25N附近有次级大相关值。这里不考虑这两个原因。首先，自1979年以来卫星数据在NCEP再分析中的使用导致热带的不规则变化[Pawson and Fiorino，1999]。这些对主要在热带附近的趋势和变异性分析具有强烈的影响。其次，由于热带-亚热带地区固定行星波的EP通量散度值与中高纬度相比时显得很小。图2a-2b表示EP通量散度场中的同温层遥相关模式。

【7】对流层参考点（图2c和2d）出现了同样强的图案，但是具有更复杂的结构。这里的结构看起来类似于高和低NAM指数之间的区带波数1至3的复合EP通量差异[参见Hartmann等人，2000的图3]。它表明基本上这个过程位于对流层，但对平流层有影响。对流层基模式（图2c-2d）的低平流层高纬度极值出现在纬度（65°N），其中基于同温层的模式最小值（图2a-2b）。还有一个趋势是大部分大相关值被大致限制在250hPa水平，这接近于高纬度地区的冬季对流层期。这可能是由于行星波的传播折射对流层上部极地夜间急流引起。线性波理论表明，行星波的向上传播通过在亚极化对流层顶附近的pi;u的垂直切面被折射到平流层的极波导中[Chen and Robinson，1992]。在参考点（500hPa，50°N）和（300hPa，40°N）的时间序列的EDOF是38，这两个时间序列的互相关值是ge;0.66，超过了-0.40的99％显着性水平。因此，图2c-2d示出了主要在对流层中的行星波强迫的另一遥相关模式。

图2：参考点为30hPa，75N（a）; 30hPa，57.5N（b）500hPa，50N（c）; 300hPa，40N（d）的40个冬季EP通量散度的点相关图。参考点分别标有*。轮廓间隔为0.2，零轮廓线为

被去除。这些区域的阴影的绝对值的相关系数大于等于0.4。

图3：（a）SIO指数的冬季均值（DJF）时间序列（1957/58？1997/98）以及线性趋势函数。 （b）与（a）相同，但与TIO指数相同。

【8】我们将基于冬季异常的平流层模式指数定义为在30hPa的75N和57.5N之间的EP通量散度的差异，以及在300hPa在50hPa和40°N之间的50N之间的对流层模式指数。因此，正指数表示北部EP通量的异常发散和南部的汇聚;负指数表示相反符号的异常。图3显示了从1959年到1998年的两个指数的时间序列。这里，1959年表示1958/1959年冬季，等。对流层模式指数具有明显的线性趋势，其正极性统计显著性高于99％（图3b）。平流层模式指数略有增加，但不具有统计学意义（图3a）。两个指数都具有较大的年际变化。在下文中，我们将这两个时间变量称为行星波强迫的平流层年际振荡（SIO）和对流层年际振荡（TIO）。图3中两个时间序列之间的相关性仅为0.2，这在统计学意义上并不显着，表明平流层和对流层振荡的不同原因。虽然SIO主要局限于平流层，但TIO主要是对流层现象，包括只有平流层的较低部分。因此，考虑SIO在物理上独立于TIO是合理的。

【9】进行线性回归和相关分析，以评估与行星波强迫的年际变化相关的行星波传播和u异常。回归和相关之前分析，两个指数都通过减去线性趋势而减少。 EP通量分量的冬季异常，其差异和u也通过减去局部线性趋势而降低。图4a-4b中的EP通量横截面分别示出了与SIO和TIO相关联的异常。关于SIO指数，EP通量散度的南北偶极模式在中高纬平气层的高纬度地区演变（图4a）。行星波倾向于向赤道方向弯曲，并且当SIO为正时与北方的EP通量散度和南方的会聚相关。对于TIO指数，EP通量发散的偶极子出现在对流层的中纬度（图4b）。这种偶极子与行星波在对流层中的异常子午传播有关。还有沿着极性波导的EP通量发散高平流层与正TIO指数相关。 EP通量异常表明，穿过对流层顶的波活动向上传播到平流层中的极波导中，并且波趋向于在对流层低层的平流层中纬度向赤道方向弯曲。

【10】图3b表示TIO指向其正极性的显著趋势。 这意味着在最近几十年中对流层赤道传播的增加和向上传播到平流层的行星波的减少。 这些观测结果与大气环流模式[Shindell et al。，1998]和气候 - 海洋气候模式耦合的结果一致 [Perlwitz等，2000]。

【11】图5表示出了u对SIO指数（图5a）和TIO指数（图5b）的回归（轮廓）/相关（阴影）图。这两种振荡都显示出与中纬度地区的U异常的南北波动相关，但是它们具有不同的水平和不同的相关性。对应于SIO指数，Delta;u异常的空间模式在中上平流层中具有偶极结构。然而，SIO指数和u异常之间的相关性是适度的。正的SIO指数状态对应于中-高平流层亚热带显着弱化的西风异常。对应于TIO指数u异常的结构是从对流层低层延伸到上层平流层的等效正压偶极子，在35N西风减少，在55N附近西风增强（图5b）。这种模式非常类似于标准化NAM指数回归的纬向风地转风[参见Thompson和Wallace，2000的图1b]。此外，TIO指数和Delta;u异常之间的相关性非常大，最大值出现在theta;35N和theta;55N。在70hPa上的35N到35N的绝对相关值超过0.6，因此，可以得出结论，TIO与NAM密切相关。

图4：基于1959年至1998年的冬季数据用于区域波数1到3（向量）的行星波的EP通量散度及其在标准化的SIO指数（a）上的偏差（轮廓）和TIO指数（b）。EP通量大小与空气密度相反。 单位：EP通量散度为ms-1天-1。 廓线间隔是1.0（a）和0.4（b）。 零轮廓线已被消去，虚线表示负值。 该指数和数据由线性减小而减小。

图5：基于1959年至1959年的冬季数据，u异常与标准化SIO指数（a）和TIO指数（b）之间的回归（廓线）/相关（阴影）模式。指数和u偏差异常被分解减去线性趋势。回归值在ms-1和轮廓间隔为1.0。

【12】事实上，利用来自NCAR数据支持的再分析每月海表温度（SST）数据，我们发现SIO与热带的SST显著相关，主要是SST异常类似于厄尔尼诺/南方涛动的模式 （ENSO）变化（图未显示）。 SST与SIO和TIO的详细结果将在另一篇文章中介绍。

4.结论

【13】对于波数1至3的固定行星波的40个冬季涡流强迫的观测分析表明存在两个振荡，一个在平流层（SIO），另一个在对流层（TIO）。振荡显示为偶极结构，其中EP通量在北部发散、南部辐合或反之亦然。振荡的时间演变在平流层和对流层中是不同的，表明不同的动态机制。行星波在正TIO阶段期间在对流层和低平流层中趋于赤纬，在正SIO阶段期间出现在中上平流层。结果还表明，行星波向对流层顶的极性波导的向上传播与行星波在对流层中的子午传播密切相关。在正TIO相期间，行星波趋于比在负TIO相期间更有效地出现在对流层中。

【14】线性回归分析显示，对于TIO指数，u异常的结构是从对流层低层到上层平流层延伸的等效正压偶极子，故认为TIO与NAM密切相关。 此外，基于EP通量发散的遥相关方法使我们的研究更接近变化过程的起源。 并且相关/回归分析避免了使用EOF时面临的问题，这不一定会得到其基本物理结构[Ambaum et al。，2001]。 另一方面，我们的研究结果表明中上层平流层大气的行为与ENSO有关。

【15】致谢。 我们要感谢S. Miyahara教授，S. K. Dhaka博士和两位审稿人对本手稿的有用评论。 W. Chen获得国家基础科学国家重点发展计划资助G1998040900（I）。

参考文献:

[1] Ambaum, M. H. P., B. J. Hoskins, and D. B. Stephenson, Arctic Oscillation or North Atlantic Oscillation, J. Climate, 14, 3495– 3507, 2001.

[2] Andrews, D. G., J. R. Holton, and C. B. Leovy, Middle atmosphere dynamics,Academic Press, Orlando, pp. 489, 1

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