对青藏高原和东亚地区冬季平流层臭氧季节内震荡的模拟：模拟结果来自特殊动力场版本的全球大气气候模式外文翻译资料

 2022-12-10 16:08:47

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对青藏高原和东亚地区冬季平流层臭氧季节内震荡的模拟：模拟结果来自特殊动力场版本的全球大气气候模式

Liu Chuan Xi,Liu Yi,和Zhang Yu Li

摘要：该作者从2004到2010年间利用特殊动力场版本的全球大气模式（SD-WACCM)的模拟来调查北方冬季平流程臭氧的季节内震荡（MJO）。与欧洲中心中尺度天气预报临时再分析数据（EAR-interim）作对比，发现模式模拟结果能够很好地代表与MJO相关的对流层上层和平流层（200-20hPa)臭氧异常现象的三维结构。当MJO对流异常从赤道印度洋传播到赤道西太平洋时，臭氧负异常出现在MJO3-7阶段，位于青藏高原和东亚上空。由于MJO相关的传播异常有着不同的垂直结构，MJO相关的平流层臭氧异常在青藏高原（25–40°N, 75–105°E）和东亚（25–40°N, 105–135°E）也展现出不同的垂直结构。由于通过模式计算得到的对流层上层和平流层低层臭氧的正偏差，导致SD-WACCM模拟的MJO相关的平流层大气柱臭氧总量异常的振幅略微大于欧洲中心中尺度天气预报临时再分析的结果（EAR-interim）。

1介绍

Madden-Julian Oscillation (MJO)是热带对流层季节内变化的显著形式。当印度洋-太平洋暖流中心接近赤道时，北方冬季期间这种形式则更为明显。MJO是一种大尺度耦合模态，以大约5m/s的速度向东传播。这种模态穿过大气到达赤道印度洋西太平洋的温暖热带海域之上(e.g., Madden and Julian, 1971, 1972)。在热带强对流过程中，这种向东传播的震荡是和异常风场的斜压结构耦合在一起的（e.g., Lau and Waliser, 2012）。MJO与大范围强烈天气和气候现象有着相互作用(e.g., tropical cyclones, El Nintilde;o-South-ern Oscillation, monsoon migration) (e.g., Zhang, 2005, 2013)。最近的研究表明MJO甚至可以扰乱冬季平流层极涡，导致平流层骤然增温现象(e.g., Garfinkel et al., 2012; Liu et al., 2014)。因此，MJO被认为在弥补天气预报和气候预测间的差距起到了至关重要的作用(e.g., Zhang, 2013)。

卫星观测也被用来检测MJO在大气成分间的痕迹(e.g., Tian and Waliser, 2012)。Sabutis et al. (1987)利用雨云7号臭氧总量映射分光仪(TOMS)，对南太平洋和南印度洋的特定区域进行观测，并第一个提出了大气柱臭氧总量呈30-50天变化性的证据。Gao and Standford (1990) 在8年Nimbus-7 TOMS的臭氧数据集中发现的低频变化的存在。Ziemke and Chandra (2003)利用卫星观测在赤道东西太平洋发现了对流层臭氧中存在重要的MJO信号。Ziemke et al. (2007)进一步提出了大部分热带地区都存在臭氧和水汽的MJO信号，也包括在之前的研究中并未显示出这种信号的北大西洋。Tian et al. (2007)提出臭氧季节异常在副热带地区的太平洋和东半球更为明显。副热带大气柱臭氧总量与显而易见的赤道MJO对流异常和环流模式具有一种系统关系。臭氧负（正）异常和由于赤道MJO对流加热形成的副热带对流层上层反气旋（气旋）有着典型的并列关系，而与西赤道对流异常呈对立关系。Li et al. (2012) 用星载和现场实测得到的垂直臭氧廓线来调查MJO相关的臭氧变化的垂直结构。这项研究表明副热带MJO相关的臭氧异常在平流层低层(60–100 hPa)取得最大值。

另一方面，最近的研究也表明MJO相关的对流异常会引发东亚臭氧历史最低值(Liu et al., 2009, 2010)，这可能会导致辐射到地表的紫外线增多。考虑到MJO相对高的可预测性(e.g., Waliser, 2012)，季节内平流层臭氧变化和MJO的紧密联系意味着副热带平流层臭氧变化和地表面的紫外辐射在类似的lead times是可预测的。因此，检测最先进的全球气候模式在多大程度上模拟出MJO相关的副热带臭氧变化，尤其是在东亚地区，是很重要的。

最近的报告工作中，当温暖的赤道印度洋和西太平洋上的MJO非常活跃时，我们在全球大气气候模式下得到2004-2010年间北方冬季(December-January-February, DJF)模拟结果，对平流层臭氧的MJO信号的代表性进行评估。第二部分将介绍模式和研究中用到的数据集。模拟模拟结果和再分析资料的对比将在第三部分中介绍。第四部分得出结论。

2数据与方法

美国国家大气研究中心（NCAR）开发了一个完全的化学气候耦合模式（Garcia et al., 2007）。在这项研究中，我们利用SD-WACCM模式，研究了2004年至2010年北方冬季平流层臭氧的MJO。在SD-WACCM模式中，缓和40km平面的水平风在对流层和平流层的动力工程和温度，用于现时代的回顾性研究和应用（MERRA）的再分析资料。这个模型输出有88垂直水平和T63的分辨率 (~2° times; 2.5°)。更多的关于WACCM模式和SD-WACCM模式的细节可以参考文献（例如，Marsh et al., 2013; Chandran et al., 2014）。该模式基本开始于2004年，最初是为NCAR设计的，用来对比NCAR气候模型和国家航空航天局的观测地球光环和卫星测量系统。因此，该模型也是在2004年被初始化。

欧洲中部临时预测的气象再分析（ERA-Interim）1.5° times; 1.5°水平分辨率的数据（如： Dee et al., 2011）曾经被用来分析MJO相关的臭氧异常和循环异常（即水平风和 geopoten-tial高度）。

从1979年到现在是MERRA再分析模式由美国宇航局的全球建模和同化办公室开发和研究卫星的时代。Rienecker等人提供系统视图、观察资料、性能包括质量的评估诊断和再分析资料的对比（2011）。

实时多元的MJO（RMM）指数决定MJO的事件和阶段（Wheeler and Hendon, 2004）。从澳大利亚气象局网站获得RMM1和RMM2的每日价值(http://cawcr.gov.au/staff/mwheeler/maproom/ RMM/)。RMM1和RMM2的时序变化主要在季节的时间尺度内（通常是30-60天）。基于RMM指数，MJO的生命周期可以分为八个周期，表明了地理位置和MJO异常对流有关。图1显示了热带降雨异常和MJO八个阶段的关系。例如，第1阶段赤道西印度洋降雨异常增多（图1a）和第2、3阶段降雨异常增多穿过赤道东印度洋（图1b和图1c）。在4、5阶段这个异常现象到达大陆海岸（图1d和图1e），在6/7阶段，这个现象到达赤道西太平洋（图1f和图1g）。最后，在第8阶段这个异常在赤道中间太平洋减弱（图1h）。

为了隔离在平流层臭氧的MJO信号（即MJO有关臭氧异常），每天的气候从日均值中删除，日常异常使用20-100天的带通滤波器。20-200hPa的综合臭氧异常被定义为平流层臭氧异常。

图1 2014-2010年的12月、1月和2月的复合带通滤波（20–100天）降水异常（单位

mm dminus;1）每个MJO的相位相关((a–h) P1–P8) 。

3结果

3.1MJO相关平流层臭氧异常的水平分布

图二比较了MJO相关平流层大气柱臭氧总量异常的水平分布(200–20 hPa)和于ERA-Interim再分析与SD-WACCM模拟结果得出的位势高度异常。再分析资料和模式模拟结果得到的MJO相关异常的图形十分相似。例如，在MJO1-2阶段，青藏高原和东亚上空存在位势高度负异常，引起这两个区域臭氧正异常(Figs. 2a–b and 2i–j)。当MJO相关环流模型从赤道印度洋穿越海洋大陆传播到赤道西太平洋，青藏高原和东亚上空存在位势高度正异常，导致这两个区域臭氧负异常（（Tibetan Plateau MJO phases 3–6) and East Asia (5–7) (Figs. 2c–g and 2k–o)）。这个结果和之前的研究中利用卫星观测得到的结论大体上是一致的(e.g., Tian et al., 2007; Li et al., 2012)。

基于SD-WACCM模拟结果，青藏高原和东亚上空平流层臭氧异常的振幅的最大值在MJO第五阶段差不多达到10–16 Dobson Units (DU) (Fig. 2m)，这个结果稍大于ERA-Interim再分析资料得到的数值 (8–14 DU)(Fig. 2e)。

图2臭氧柱在200–20 hPa的MJO相关异常 (color-shaded contours; units: DU) 和100 hPa 位势高度 (contours; units: m) 分别来自 (a–h) ERA- Interim 再分析 和 (i–p)模式模拟.

为了更好地理解MJO相关环流异常对青藏高原和东亚上空平流层大气柱臭氧总量负异常的关系，Fig. 3表明了100 hPa水平风场和对流层顶气压与MJO3-6阶段是有联系的。不论是再分析资料还是模拟模拟结果都表明了Fig. 2中臭氧负异常与对流层顶气压负异常(i.e., elevated tropopause) 和反气旋环流异常是结合在一起的。在MJO第五阶段，东亚上空对流层顶气压和环流的耦合异常达到最大。这个结果和青藏高原与东亚上空臭氧显著异常现象是一致的(compare Figs. 3c and 3g to Figs. 2e and 2m, respectively)。青藏高原与东亚上空臭氧负异常和MJO相关环流模式的关系和之前的研究报告是一致的。

3.2MJO相关平流层臭氧异常的垂直结构

Figure 4 展现了青藏高原(25–40°N, 75–105°E) 和东亚 (25–40°N,105–135°E)地区MJO相关平均平流层臭氧异常的垂直廓线。ERA-Interim再分析资料和SD-WACCM模拟结果都

图3 MJO相关的对流层顶气压异常 (color-shaded contours; units: hPa) and 100hPa 风场异常 (vectors; units: m sminus;1) 在 MJO阶段 P3–P6: (a–d) 再分析资料; (e–h) 模拟结果.

表明了青藏高原和东亚上空，臭氧负异常各自独立出现在MJO3-6和MJO4-7这两个阶段中。这个结论也强调了这两个地区的MJO相关平流层臭氧异常存在不同的垂直廓线。臭氧异常说明了青藏高原地区是垂直倾斜结构(upper panels)，而东亚地区则是直立结构(lower panels)。

为了弄清楚上述结果的基础机制，Fig. 4, Fig. 5展现的不同臭氧垂直结构呈现了在平均25–40°N范围内，MJO相关臭氧浓度和位势高度异常的气压-经度剖面。ERA-Interim再分析资料和SD-WACCM模拟结果表明在MJO2-8阶段(Figs. 5b–h and 5j–p)，臭氧负异常向东的传播和位势高度正异常是耦合的。但是，当MJO向东移动时，MJO相关臭氧位势高度异常的强度和垂直分布将会改变。比如说，在MJO2-3阶段，臭氧负异常发生于青藏高原东部上空200 and 50 hPa 间(Figs. 5b–c and 5j–k)。从MJO第四阶段开始，当位势高度异常加强，青藏高原和东亚上空的MJO相关臭氧异常一直延伸到20 hPa (Figs. 5d–f and 5l–n)。需要指出的是当位势高度正异常中心位于东亚时，位势高度表现出随高度向西倾斜的趋势(Figs. 5e–f and 5m–n)。之后，当MJO穿越赤道西太平洋，MJO相关臭氧和位势高度异常也随之消失(Figs. 5g–h and 5o–p)。

3.3模式模拟和再分析资料的主要差别

ERA-Interim再分析资料得到的MJO相关臭氧异常的振幅总体来说小于SD-WACCM模拟的结果(compare the left and right panels in Figs. 3–5)。与此相反， ERA-Interim再分析资料得到的MJO相关环流异常的振幅要略微强于SD-WACCM模拟的结果(compare the left and right panels in Figs. 2, 3, and 5)。因此，臭氧异常的差异并不能用ERA-Interim再分析资料和SD-WACCM模拟得到的环流异常差异来解释。为了理解造成这种差异的原因，我们将从SD-WACCM得到的日平均臭氧浓度与ERA-Interim再分析资料进行对比。这项比对表明了模拟计算得到的对流层高层和平流层低层臭氧存在系统性正偏差。这种模式偏差已经被Lamarque et al. (2012)发表在NCAR的全球大气系统模式中。

图 4(单位: DU km minus;1 ) 对于MJO第8阶段 (a,b)青藏高原和 (c, d) 东亚上空的MJO相关臭氧异常的综合分析，数据分别来自(a, c) ERA-Interim再分析数据和(b, d)模式模拟。

ERA-Interim再分析资料得到的MJO相关臭氧异常的中心大约在50hPa,而SD-WACCM模拟的臭氧异常中心在100hPa附近。因此，我们需要进一步的研究去揭露这种模式偏差的原因。

4总结和结论

在这项研究中，我们利用SD

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