一次具有双Kelvin波结构的特殊MJO活动外文翻译资料

 2022-12-11 20:25:11

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一次具有双Kelvin波结构的特殊MJO活动

朱李俚1，李天明1,2

1 气象灾害重点实验室，教育部/联合国际气候与环境变化研究实验室/协同创新中心气象灾害预报与评估中心，南京信息工程大学

南京，210044，中国

2国际太平洋研究中心和大气科学系

夏威夷大学马诺阿分校，檀香山，夏威夷96822，美国

摘要：DYNAMO/CINDY2011观测期间第二个MJO事件表现出了罕见的双雨带结构。使用波数—频率谱分析的滤波方法，我们揭示了这一双雨带结构主要是由Kelvin波分量产生的。双雨带在赤道印度洋上的纬向相速度约为7.9°/天，且这一速度在对流耦合Kelvin波的相速度范围之内。与Kelvin波分量相关的对流和环流异常主要表现为两个对流异常单体，同时对流中心西（东）侧存在低层西风（东风）异常和高（低）压异常，而对流层高层则存在相反的风和气压异常。这一纬向风—气压位相关系与赤道自由波动力学一致。自由大气环流主要表现为第一斜压模垂直结构的同时，边界层中的水汽和垂直运动都超前于对流。

基于传统MJO滤波方法得到的对流和环流结构表现出了不同的特征。例如，相速度较慢（约5.9°/天），并且不存在双对流支。这表明MJO一般包含多尺度，使用传统的滤波方法来提取其信号是不完整的。

关键词：Madden-Julian振荡（MJO）；双Kelvin波结构；Wheeler-Kiladis时空间谱分析；演变特征

A Special MJO Event with a Double Kelvin Wave Structure

ZHU Lili1 (朱李俚), LI Tim1, 2(李天明)

1 Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education/Joint International Research Laboratory of Climate and Environmental Change/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters.

Nanjing University of Information Science amp; Technology, Nanjing 210044, China

2 International Pacific Research Center and Department of Atmospheric Sciences.

University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii 96822, USA

Abstract: The second MJO event during the DYNAMO/CINDY2011 field campaign period exhibited an unusual double rain band structure. Using a wavenumber-frequency spectral filtering method, we unveil that this double rain band structure arises primarily from the Kelvin wave component. The zonal phase speed of the double rain bands is about 7.9 degree per day in the equatorial Indian Ocean, being in the range of convectively coupled Kelvin wave phase speeds. The convection and circulation anomalies associated with the Kelvin wave component are characterized by two anomalous convective cells, with low-level westerly (easterly) and high (low) pressure anomalies to the west (east) of the convective centers, and opposite wind and pressure anomalies in the upper troposphere. Such a zonal wind-pressure phase relationship is consistent with the equatorial free-wave dynamics. While the free-atmospheric circulation was dominated by the first baroclinic mode vertical structure, moisture and vertical motion in the boundary layer led the convection. The convection and circulation structure derived based on the conventional MJO filter show a different characteristic. For example, the phase speed is slower (about 5.9 degree per day), and there were no double convective branches. This suggests that MJO generally involves multi-scales and it is incomplete to extract its signals using the conventional filtering technique.

Key words: Madden-Julian oscillation (MJO), double Kelvin wave structure, Wheeler-Kiladis space-time spectra, evolution characteristics

1.引言

Madden-Julian振荡（MJO）是热带大气中一种显著的季节内模态。自从Madden 和 Julian (1971)首次发现单站纬向风的30-60天振荡，前人们在过去四十年中使用探空资料、卫星资料和再分析资料对这一低频模态的三维结构和演变特征进行了全面的研究（例如, Weickmann，1983；Murakami和Nakazawa，1985；Lau和Chan，1986；Wang和Rui，1990；Ling和Zhang，2011；Jiang等，2011；Zeng等，2012；Adames和Wallace，2014）。 与Madden和Julian（1971，1972）最初确定的30-60天周期相比，MJO周期是更宽频段的，可以持续20-100天的时间（例如，Krishnamurti和Subrahmanyam，1982；Annamalai和Slingo，2001；Lau和Waliser，2005；Zhang，2005；Li和Wang，2005；Waliser，2006）。

MJO的结构特征为沿赤道东传的行星尺度耦合环流——对流模式（Wang和Rui，1990；Li和Zhou，2009）。行星尺度选择是由于Li和Zhou（2009）提出的干湿Kelvin波干涉机制，其中非线性加热使得干、湿Kelvin波相速度存在差异，从而快且干的Kelvin波在非对流区“追上”并抑制其东侧对流区较慢且湿的Kelvin波，导致较短波长扰动的衰减。MJO的特征是Kelvin-Rossby波对的水平分布（Wang和Rui，1990；Hendon和Salby，1994；Wang和Li，1994）和自由大气中第一斜压模的垂直结构。在行星边界层（PBL）中，辐合和垂直运动都超前于MJO对流(例如, Wang和Li，1994；Hendon和Sabby，1994；Maloney和Hartmann，1998)。与垂直运动倾斜一致的是边界层水汽相对于MJO对流的位相超前（Sperber，2003；Kiladis等2005；查阅Li 2014的综述)。边界层水汽收支分析表明，这一水汽位相超前是由于与边界层辐合相关的异常垂直平流（Hsu和Li 2012）。

除MJO之外，还有很多热带低频大气模态，如对流耦合Kelvin波（CCKW）。 对流耦合Kelvin波以10-17 m/s的速度传播（Yang等 2007），其比50m/s的干Kelvin波速度慢得多。已有研究指出对流层中层加热和边界层水汽不对称都能导致相速度的减小（Wang和Li 2016）。Roundy（2012a，b）指出对流耦合Kelvin波在不同对流强度的背景下能够以连续的相速度传播；因此，对流耦合Kelvin波和MJO在东传的低频频谱中是没有明确的分界。

名为DYNAMO/CINDY2011的国际观测计划于2011年10月至2012年3月在赤道印度洋（IO）上进行（Yoneyama等，2013）。该计划的主要目标是提高我们对MJO生成过程的理解以及提高MJO预报水平。 在整个观测期间，从10月中旬到12月中旬，出现了两个强烈的MJO活动（以下分别称为MJO I和MJO II）。从沿着赤道的原始降水场Hovmouml;ller图中可以看出（图1），MJO II的结构是相当罕见的。 11月14日在赤道西印度洋上生成后（Li等，2015），出现了两条连续的雨带，并且两条雨带以相近的相速度向东传播穿过热带印度洋（Gottschalck等，2013；Kerns和Chen，2014）。这一降雨分布不同于传统的MJO活动，传统的MJO活动一般表现为大尺度的对流单体。

图1 2011年10月1日至2012年1月1日未经滤波的10°S-10°N平均的降水场（阴影，单位：mm h-1）的Hovmouml;ller图

本次研究是为揭示这一特殊MJO活动的空间结构和演变特征。提出了如下的科学问题：与MJO II相关的环流异常特征是什么样的？ 双雨带的结构和位相传播是否类似于对流耦合Kelvin波？如果使用传统的MJO滤波方法来提取信号，那么是什么样的异常？ 本文的其余部分内容如下：第2部分中，介绍数据和方法。第3部分中，研究与MJO II相关的双雨带结构的起源。第4部分中，研究与对流耦合Kelvin波分量相关的OLR异常和环流异常的结构和演变特征。第5部分中，我们进一步将上述对流和环流特征与传统滤波方法得到的MJO分量相关的特征进行比较。第6部分，研究Kelvin波和MJO模态的叠加。最后，第7部分给出结论和讨论。

2.资料与方法

1979 - 2013年观测的逐日向外长波辐射（OLR）（Liebmann和Smith，1996）用来作为热带地区深对流的代用指标。此外，从欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析资料中提取出风场、比湿场和位势高度场（ERA-Interim，Dee等，2011）。OLR的水平分辨率为2.5°times;2.5°，ERA-Interim则为1.5°times;1.5°。

我们使用Wheeler-Kiladis时空间谱分析（Wheeler和Kiladis，1999）方法来分离MJO和Kelvin波的信号。任一给定的随时间和经度变化的数据场可以转化成向东和向西传播的波的波数和频率域（例如，Wheeler和Kiladis，1999；Roundy和Frank，2004）。MJO分量可以通过纬向波数1-4以及20-80天的周期来滤波，Kelvin波分量可以通过纬向波数2-14以及3-20天的周期来滤波[查阅Wheeler和Kiladis（1999）中图3b]。所以，基于Wheeler-Kiladis谱滤波方法，可以从逐日OLR资料中分离出MJO分量和Kelvin波分量。对其他的大气变量可以进行同样的处理。

3.与MJO II相关的双雨带结构的起源

因为全文使用观测的OLR作为深对流的代用指标，所以首先研究在DYNAMO/CINDY2011观测期间第二个MJO活动相关的OLR演变情况。沿着赤道的原始OLR场的Hovmouml;ller图（图2a）表明MJO II期间明显存在两个连续的向东传播的对流支。这与图1所示的降水场一致。

双雨带的相速度约为7.9°/天，比暖池地区典型的MJO相速度（其约为5°/天）更快。 这是否意味着MJO II主要表现为显著的Kelvin波？ 为解决这一问题，我们在Wheeler-Kiladis谱滤波方法的帮助下，分别绘制了OLR异常的MJO分量和Kelvin波分量。图2b表明MJO II期间东传的OLR或降水异常确实是对流耦合Kelvin波的一部分。 Kelvin波分量的负OLR异常与原始OLR（和双雨带）信号相一致。Kelvin波分量的相速度（8.9°/天）接近于原始OLR和降水场的相速度。这个相速度大约为11.4 m s-1，比全球OLR频谱中心的速度（约17 m s-1）慢，但与Roundy（2008）一致，即Kelvin波在印度洋上发展得更为缓慢，特别当

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