MJO中的有组织热带对流呈现怎样的系统性？外文翻译资料

 2022-12-23 14:59:59

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MJO中的有组织热带对流呈现怎样的系统性？

[1]最近关于MJO动力学的理论是基于它的多尺度结构。然而观测结果表明多数的MJO对流包层和更高频的赤道波动有关，因此现在还不知道这个组织从一次MJO过程到另一次的系统性程度有多少。举个例子，MJO是否是一种特定类型和传播方向的波动，以及这种变化性有着怎样的季节尺度变化，这是我们感兴趣的。这次的文章介绍了一种对MJO对流包层的波数-频率光谱分析，分析表明，对MJO而言，并没有一种普遍存在的大规模的高频组织。直到现在，这个没有价值的发现支持了对流参数化在MJO模式中的应用，但是，由于湿对流对它的发生和持续很可能是决定性的，所以这个组织的特定的细节可能对它的模拟和预报不起决定性的作用。

1. 简介

[2]卫星对热带云系的观测表明大部分的热带气候变化受一种平行于赤道移动的对流扰动。这些波动调整着中尺度对流系统（MCSs）和单体的云团，而它们的时间尺度为数小时，水平空间尺度为数百千米。这些中尺度对流系统组成了大规模的“对流耦合的赤道波动”（CCEWS），它拥有着线性浅水模式的色散特性。这些MCS和CCEW反过来促进了更大规模的MJO系统生成，而这种相互促进的模式则是热带大气季节内变化的主要耦合模式。本文讨论了MJO对流包层是否受制于高频变化的特殊模式和规模，还是说MJO的小尺度结构仅仅是由上述小尺度系统随机组合而成。

[3]观测结果表明，不同尺度的有组织热带对流能够相互影响，并且同时影响它们的背景环境场。相反地，有观测证据表明背景流场能够促进或抑制特定类型的对流波动组织。尽管有许多观测研究的例子提出了上述的观点，但结果往往前后矛盾或模糊不清。MJO对流包层内的高频对流组织是不同研究的典型的矛盾或歧义的例子。例如，Hendon和Liebmann 1994年的研究在东向和西向传播的天气尺度波动中都发现了增强现象，而Masunaga等2006年发现了MJO主要促进东向开尔文波增强。相对地，Yasunaga 2011年提出，除了MRG波动， MJO的对流阶段的所有耦合赤道波动均有增强。

[4]这些多尺度波动现象由于对全球天气和气候的强大作用而十分重要。尽管有这种重要性，MJO和其他有组织热带对流在用于天气气候预报的一般环流模式中不能得到有效地模拟。这暗示了我们尚未完全了解这种多尺度波动组织的原理。此外，这种系统性的关系对MJO的存在和传播是否起决定性的作用仍亟待解决。一方面，MJO的一些基础特征已经能够被简单模型很好地解释。Majda和Stechmann 2009年的模型仅仅包含了低水分异常和次行星尺度的对流波动活动，且其中天气尺度和中尺度变化并无区别。与此同时，Sobel和Maloney在2013年把MJO的东传归因于湿静态能来源间一种特定平衡。这两个研究都表明CCEW和MCS的特定阶段和尺度对模拟MJO的演变不是必要的。另一方面，Lin的一些研究提出，一般环流模式对MJO和CCEW糟糕的模拟是因为这些模型对跨尺度热带对流的系统性相互作用处理得不好。

[5]上述讨论引发了一个重要的实际问题，即成功地模拟和预测热带低频变化是不是很大程度上依赖于适当分解的高频变化模式。在这项研究中，我们将通过致力于表征MJO对流包层中观察到的高频组织来解决问题的第一步。核心假设是，如果有组织热带对流模式或尺度与MJO间没有强的联系，那么就有一些证据来证明MJO并不依赖于多尺度对流波动的相互作用。

2. 资料与方法

[6]MJO和CCEW的信号能够在热带云量卫星数据的时间-经度功率谱上体现出来。Wheeler和Kiladis研究得到，当移除了卫星观测的向外长波辐射的一个初始背景光谱后，谱峰沿线性浅水模式的频散曲线下降，包括开尔文波、赤道罗斯贝波、西移重力惯性波以及混合罗斯贝重力波。尽管干燥热带大气的相当厚度约为200米，所有这些CCEW都有介于12-50米间的相当厚度。这表示这些波动比缺乏降水的情况要传播得更慢一些。增强功率也同样能够同行星尺度MJO相联系，且和CCEW不一样的是，它不能和任一自由的线性浅水模式相匹配。为了评估高频变化和MJO的关系，我们遵循一种类似于WK99的谱方法。但有别于计算全球时间-经度功率谱，我们计算“MJO局部”的功率谱，具体细节如下。

2.1 数据

[7]我们采用NOAA每日两次的2.5°水平分辨率向外长波辐射的卫星数据，时间从1979年1月到2012年6月。OLR已经被成功用作热带对流活动的统计代理。同时，尽管有其他可用的卫星产品，我们依然采用OLR，很大程度上是因为它的记录的长度能够增加我们统计分析的样本容量。而我们的方法最初是基于从OLR数据中识别MJO。我们也使用RMM指数，它基于近赤道850hPa纬向风、200hPa纬向风和OLR的复合场经验正交函数。我们之所以采用RMM指数，是因为它为下述现象提供额外的证明，即滤波后的OLR场中的MJO信号是和MJO型的纬向模式互相联系的。

2.2 MJO的局地活动

[8]我们首先在30-96天之间以及 1-9的行星波数（称为OLRMJO）之间的OLR定位阶段设置一个光谱滤器。这个特别的滤波器已经在过去的MJO研究中被广泛使用，且被设计成纳入OLR时间-经度功率谱中的东传高峰，而它正好与MJO相联系。

[9]第二步是记录下全球每个临时记录中最小的OLRMJO值，提供一个位置和最小值的时间序列。这里有个隐含假设，即最小的OLRMJO值对MJO对流包层（之后详细讨论）的轨迹而言是具有代表性的。t时刻的OLRMJO最小值被表示为OLRMINMJO，且能够由经度xMJO(t)和纬度yMJO(t)得到。图1表示，基于这个定义，MJO对流活跃期典型分布在印度洋和西太平洋，但仍有一部分在东太平洋（大多数在JJA和SON）。那些很可能与MJO主要的对流包层无关；因此，我们将对OLRMINMJO的分析限制在50°-180°E。在RMM活跃指数大于1的地方，只考虑时间子集的情况下，我们并没有发现OLRMINMJO的地理分布的实质的变化。

2.3 MJO次行星尺度对流组织

[10]为了评估在每个OLRMINMJO位置（XY）附近的次行星尺度对流组织，我们用以下方法计算了原始OLR数据的一个局部的功率谱。

(i)，对每个t，在xMJO(t)中心沿经向及在t中心沿时间维方向各应用一个汉恩窗。汉恩窗相当于一个平方正弦函数，且开两个窗旨在将全球数据的时空区域限制在MJO包层周围，与此同时在负的OLRMJO区域增强OLR信号。下一部分展示的结果相当于一个120°的经度窗和一个44天的时间窗。这两者是作为光谱分辨率和典型MJO周期和波长之间的平衡而被选择的。这一过程适用于yMJO(t)10°范围内的所有纬度。尽管我们大部分的结果被用来选择特定的窗口参数，我们已经测试了5°-15°N，90°-150°E以及30-60天范围内的所有参数。总之，我们的结果对时间窗口长度变化比对空间窗口更敏感，但是下一节所描述的定性特征在这个参数范围内是稳定的。(ii)对每个包含的纬度，我们将复杂的傅里叶变换从时间和空间方向同时应用于OLR窗口区域，然后计算PS = PS(k,omega;;t)，其中k和omega;分别表示每天的全球纬向平均行星波数和圆频率，并且(iii)对每个(k,omega;)，计算PS和OLRmin间的相关性：

C(k,omega;)=corr ( PS(k,omega;;t) , OLRminMJO (t) ) (1)

为了研究MJO内有组织对流的季节变化，相关系数是由对应了3个月（包括一个一个月长度的时间窗）的12个日期子集进行计算得到。例如，标注为“1月”的日期子集包含了12月到2月。由于不是所有的OLRMJO的最小值都对应一次MJO活动，所以在下一节，我们将比较由所有日期计算得到的相关性和用两种不同方式限制了日期得到的相关性。其中一个中，我们只包含了最冷的50%（最强的MJO对流异常）的日期且这个相关性被表示为C50。第二种只包含了RMM活动大于1的日期，且这些相关性被表示成Cmin。这些特定的选择是为了有对比性的样本，但用25%最冷的日期和用50%最冷的日期得到的相关模式很相似。注意到尽管每个月的日期总数因为仅仅50°E-180°E的OLRMINMJO被使用而变化，8、9、10月的样本容量仅仅之比12月的小10%。（见表1）

3. 结果

[11]总的来说，我们希望用(1)式计算得到的最大相关系数出现在用来过滤OLR的MJO光谱区域，表示为Cmax；因此，我们选择将剩下的PS相关值与最大值进行比较。由于在大多数情况下相关系数不会特别大，我们选择在相关系数振幅达到最大值一半时中和强的相关系数。中和相关系数的重要性取决于它的下限在95%置信水平下超过Cmax的一半，而相关置信区间是基于一个渐进正态分布。

3.1 相关模式

[12]由于全球功率谱是沿理论上的浅水模式频散曲线（WK99）增强的，所以我们关注增强的相关性和符合观测到的CCEW的尺度之间是否存在耦合模式。举个例子，如果C沿开尔文波频散曲线有正的平缓振幅，则可以解释为在MJO对流包层内，开尔文波系统性地增强了。然而，需要注意的是全球CCEW功率谱峰的多变的模式和特殊的地理位置有关。例如，沿MRG频散曲线的相关系数可能很弱，原因是它的地理方差在中太平洋达到峰值，而我们本地的功率谱则很可能被限制在印度洋或西太平洋。在以更高的频率分析C之前，需要注意到图2证明了相关系数在MJO谱峰范围内达到最高。使用60天时间窗口的量级远比用34天时间窗口的量级要大。这正如预料一样，因为前者更好地包括了MJO谱峰。在所有被测试的情况下，相关系数在2月有一个最高值，在8月有一个最小值。而图2表明，只有C , C50 and Crmm的最大值才相似。

[13]图3（C类似C50）呈现出相关模式C50和Crmm作为一个K和omega;的函数。总的来说，适度的正相关从DJF散布图的东支到JJA中的西分支，这尤其发生在Crmm下。理论SW色散曲线是为了帮助识别哪个模式的CCEW可能与MJO系统相关，且我们选择25米的等效深度的原因是这是最适合全球经度-时间OLR功率谱（见wk99）。和JJA（图3C和3D）相比，DJF（图3a和3b）显示更多的耦合模式中相关的色散曲线，而对于SW分布曲线，这种轻度相关更加分散。这种特定的相关模式对日期的限制有一点敏感，尤其是在高频部分。在DJF中，C50和Cmin在MJO光谱区、沿KW频散曲线、在高频部分以及沿n=1EIG频散曲线呈现轻度相关。尽管JJA相关模式看起来和理论频散曲线不相一致，但有趣的是，通过增加RMM，伴随着MJO谱峰的限制相关系数有所增长，表示RMM促进了与MJO活动相联系的OLRMINMJO的选择。DJF和JJA中，负相关系数同任何SW色散曲线都没有联系。

[14]为了进一步探讨开尔文波是否仅仅与MJO对流活跃期有关，我们使用OLRMJO的最大值来计算，以代表其对流不活跃时期（DJF C50的情况如图4）。因为正向较弱的相关和开尔文波的分布曲线不但可以从OLRMJO的极小值看出，也可以从OLRMJO的极大值中看出，所以我们不能总结得到在MJO对流包层内部的开尔文波必然会增强。开尔文波和MJO之间的正相关关系和许多先前的研究结果相一致（见[Roundy,2012]和参考文献）。和它形成对比的是，我们发现OLRMJO的最大值与DJF中n=1 EIGs的相关性为正，但是这个相关比起它和OLRminMJO的相关性要弱，这表明n=1 EIG的峰值与MJO波动阶段有更密切的联系，反之，与它不活跃的阶段联系不密切。有趣的是，全球的功率谱并没有对这个光谱区域（WK99）产生显著的影响。除了提高CCEWs的某些模式，MJO的另一个特点是更缓慢地传播开尔文波 [Roundy

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