不同类型的厄尔尼诺对厄尔尼诺与印度洋偶极子之间关系的影响外文翻译资料

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不同类型的厄尔尼诺对厄尔尼诺与印度洋偶极子之间关系的影响

张文军1，Yalan Wang1, Fei-Fei Jin2, Malte F. Stuecker2, and Andrew G. Turner3

（1南京大学气象灾害预测与评价协同创新中心；2美国夏威夷檀香山夏威夷大学海洋科学系；3英国雷丁大学NCAS气候与气象系）

摘要：根据之前的研究，在北半球秋季，印度洋偶极子（IOD）的正相位往往伴随着厄尔尼诺现象。这表明，当考虑到两种不同的尔尼诺现象时，厄尔尼诺和印度洋偶极子的关系可以更好地理解。东太平洋厄尔尼诺事件与IOD的强度表现出强烈的相关性。相反，中太平洋厄尔尼诺事件与印度洋偶极子之间的关系主要取决于海面温度异常的纬向位置而不是其大小。CP厄尔尼诺现象发生于比正常位置更西边的地方，而在东印度洋的爪哇岛-苏门答腊海岸东部并没有明显的异常现象，这种现象不利于当地皮耶克尼斯反馈，也不利于印度洋偶极子的发展。由于近十几年来厄尔尼诺现象的变化厄尔尼诺和印度洋偶极子的关系发生了重大的变化，这对季节预测具有重要意义。

关键词：在厄尔尼诺事件振幅控制下EP厄尔尼诺事件和IOD之间的关系；依据厄尔尼诺区域位置时CP厄尔尼诺事件和IOD之间的关系；由于ENSO事件厄尔尼诺和印度洋偶极子之间的关系发生了显著变化。

1.引言

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是热带太平洋海气耦合作用的主要低频气候现象（例如：Philander，1990；Wallace等，1998）。ENSO虽然起源于热带太平洋，但它的影响可以通过所谓的大气桥机制在遥远的海洋中检测到（Klein等，1999，Alexander等，2002，刘和拿，2003）。特别是在厄尔尼诺的成熟期（北方冬季）和衰亡期（北方春季）由于ENSO诱导的地表热流异常，热带印度洋（IO）出现了盆宽海温（basinwide sea surface temperature,SST）变暖（Klein等，1999）。相比之下，在之前的寒带夏秋季节，海温异常的偶极结构往往发生在热带IO，被描述为印度洋偶极子（IOD）（Saji等，1999；Webeter等，1999）。一个正相位的印度洋偶极子时间的特征是爪哇-苏门答腊海岸的海温下降和西部热带IO的海温变暖。北方秋季ENSO与IOD呈正相关，说明IOD时间与ENSO密切相关（IOD事件正相位与IOD事件负相位通常分别于厄尔尼诺事件和拉尼娜事件同时发生）[17.Allan等，2001；Baquero-Bernal等，2002；谢等，2002；Annamalai等，2003]然而这一观点受到了其他研究的挑战[Saji等，1999；Webeter等，1999；Saji和Yamagate，2003；Meyers等，2007]认为IOD是热带IO中海洋-大气耦合气候变化的独立模式。尽管ENSO和IOD之间的关系仍然存在争议，但观察和建模的结果表明，IOD似乎是一种可以被ENSO可变型等外部作用激发的相对较弱的自然模式。[例如：李等，2003；Scott等，2009]

ENSO的纬向海温异常结构具有相当的复杂性。近几十年来，中太平洋或CP厄尔尼诺现象发生的更为频繁，这与传统的厄尔尼诺现象（东太平洋或EP厄尔尼诺现象）有很大的不同，后者的特征是赤道东太平洋的海温异常最大[Ashok等，2007；Kao and Yu，2009；Kug等，2009]。自上世纪90年代以来，CP型厄尔尼诺现象已经变得更为普遍，而EP型尔尼诺现象则不那么频繁[叶等，2009；项等，2013；张等，2014]。IOD是否会随着厄尔尼诺现象的变化而发生变化值得关注，因为IOD会在亚澳季风地区造成大量的气候异常[Saji and Yamagata.2003;Meyers等，2007；Cai等，2009]。另一项研究根据亚热带东北太平洋海温异常的不同，进一步将CP厄尔尼诺分为两个不同的类型，认为这两个CP亚型与IOD的关系不同[Wang and Wang ,2014]。目前IOD与两种厄尔尼诺现象（EP和CP）之间的确切关系尚不清楚，在这里，我们讨论这两种类型之间的不用的动力学联系。

图1所示，在1952年至2013年的所有厄尔尼诺北方秋季（SON）季节中，EPI（红色）和CPI（绿色）均为标准化（请注意，仅显示厄尔尼诺事件，而非所有年份）。误差条便是0.5个标准差的误差估计EPI和CPI。EP和CP在文章中表示不同类型的厄尔尼诺现象，MIX表示不能被明确划分为两种类型的混合厄尔尼诺事件，单位是℃。我们认为，厄尔尼诺事件和IOD之间的关系主要受厄尔尼诺事件振幅的控制，相反，CP厄尔尼诺和IOD的关系主要受厄尔尼诺海温异常的纬向位置控制。

2.数据和方法

基于哈德来中心海冰的海温数据集（HadlSST），利用对热带印度洋海温异常的分析来论证ENSO和IOD关系[Rayner等，2003]。利用国家环境预测中心，国家大气研究中心再分析数据对相关大气环流进行研究[Kalnay,1996]，还使用了来自简单的海洋数据同化（SODA2.2.4）再分析的海平面高度读数据[Carton等，2000]。这些异常被定义为所有数据集（除了1951-2010年间的SODAdata数据集）偏离了整个研究期间（1951-2013年）的气候。由于年际变化是我们关注的焦点，希望消除季节内变化（如Madden-Julian振荡）以及多年时间尺度上的变化影响，因此对每个数据集应用6-120个月的巴特沃斯带通滤波器。对北方秋季（9-11月SON）的数据进行了分析，通常当IOD达到峰值时，厄尔尼诺现象仍然在向峰值发展。EP和CP厄尔尼诺指数（EPI和CPI）的计算基于一个简单的转换[Ren and Jin,2011]，这种转换利用来自气候预测中心的（CPC）Nino3（SST异常平均在5°S-5°N，90-180°w）和Nino4（SST异常平均在5°S-5°N和160°E-150°W）。当在EPI和CPI超过0.6标准差时厄尔尼诺事件能被识别（图1）。所有这些被选择的事件也被CPC定义为厄尔尼诺事件，除了1990年被许多研究定义为厄尔尼诺现象的气候变暖事件[Ashok等，2007；Kug等，2009]。此外EPI显著大于CPI的厄尔尼诺事件被认为是EP厄尔尼诺事件，而EPI显著小于CPI的厄尔尼诺事件被定义为CP厄尔尼诺事件，在此“意义”是指一个明确各自的误差分离为两个厄尔尼诺特征（图1），因此有八个EP的尔尼诺现象（1951,1957,1965,1972,1976,1979,1982和1997年）和八个CP厄尔尼诺现象（1977,1986,1990,1991,1994,2002,2004和2009年），这与之前的研究一致[Ashok等，2007；Zhang 等，2011]。其他5年（1963,1969,1987,2003和2006年）被划分为混合型厄尔尼诺事件，考虑到分类的不确定性，本文的其余部分将不讨论这些事件，如果使用其他CP厄尔尼诺指数，如Ashok等人[2007]定义的指数，我们的定性结论是相同的。

3.结果

我们首先在北方秋季研究厄尔尼诺和印度洋偶极子的联系（如图2a）。这里的Nino3.4指数（SST异常平均在5°S-5°N，120°-170°W）是用来测量厄尔尼诺现象强度的，IOD的强度是用秋季厄尔尼诺现象来定义的。

图2 散点图表示DMI（℃）与（a）Nin03.4(℃)，EP（圆圈表示）和CP（方块表示）厄尔尼诺事件，（b）EP厄尔尼诺事件的强度，（c）CP厄尔尼诺事件的强度，和（d）秋季CP厄尔尼诺事件的经度。纵坐标被定义为最大的经度地带性梯度的赤道（5°S-5°N）意味着海温异常。图2a、2b、2d的相关系数均超过99%的置信水平，而图2c的相关系数在80%的置信水平下无统计学意义。

偶极子模式指数（DMI）（Saji等，1999）代表了西赤道（10°S-10°N和50°-70°E）和赤道东南部IO（10°S-0°和90°-110°E）之间的海温纬向区域位置异常，强正相关（r=0.67）表明，正向IOD通常与厄尔尼诺事件同时发生，且伴随厄尔尼诺强度的增加而增强。然而，这种关系似乎是EP厄尔尼诺事件引起的，而不是CP厄尔尼诺事件（图2a），这将证实了厄尔尼诺分为的两种不同类型（图2b和2c）。在厄尔尼诺事件中，EPI和IOD之间的相关系数高达0.96（虽然只有八个样本，但在99%的水平上具有统计学意义），显示出近乎完美的线性关系。相反，CP厄尔尼诺事件没有显著的线性相关（r=0.16）

前期研究表明，由于西太平洋的气候学基本状态，大气对CP厄尔尼诺海温异常区域位置的响应非常敏感[Zhang 等，2013,2015]，受这些工作的启发，检验了CP厄尔尼诺海温异常区域位置对IOD的可能影响。赤道纬向位置的最大梯度处（5°S-5°N）海温异常是根据张等的定义来测量的CP厄尔尼诺现象的纬向位置。这一定义很好的捕捉到了在偏暖海温异常中心以西位置的大气中异常上升运动的位置。我们发现CP厄尔尼诺纬向位置与IOD强度之间存在很强的线性关系（r=0.93），这种关系在99%置信水平下显著。随着CP厄尔尼诺向西移动，IOD趋于减弱。我们还测试了EP厄尔尼诺现象的纬向位置是否对IOD产生了影响，但没有发现有力的证据（S1证明了这个信息，r=0.17）。如上所述，不同的厄尔尼诺现象表现出与IOD非常不同的联系：EP事件的关系取决于海温异常强度，而CP事件的关系取决于海温异常区域的位置。

图3 合称SST（阴影℃）和表面风（向量m/s）异常（a）强和（b）弱的厄尔尼诺现象；（c、d）除垂直压力速度异常（阴影10-2/Pas），Walker环流中（向量m/s;一个系数乘以-100后，该系数即为正态性），异常垂直速度和速度势平均在5°S-5°N。只有当值在双尾学生t检验的90%显著性水平上显著时，才会显示阴影和向量。

接下来使用综合分析来探索造成厄尔尼诺和印度洋偶极子变化关系的可能物理机制，根据北半球秋季EP厄尔尼诺事件的强度来区分，综合了三个强EP事件（1972年9月、1982年9月和197年9月）和五个弱EP事件（1951年9月、1957年9月1965年9月、1976年9月和1979年9月）。SEP事件综合显示了热带太平洋上传统厄尔尼诺事件的典型海温异常模式，其特征是东部热带太平洋的强暖海温异常和西部热带太平洋的冷海温异常（图3a）。大气响应主要发生在热带太平洋上空，太平洋中部和东部的地表西风异常强烈。同时伴随着日线以东的异常大尺度上升运动和120°E附近印度-太平洋地区异常下降运动，沃克环流减弱（图3c），与异常下沉运动有关的强烈异常辐散位于对流层下部的印太地区上空有。爪哇-苏门答腊岛附近的表层偏东异常对热带东部IO海域的海洋上升流和温跃层倾斜具有明显的增强作用，使较冷的地下水进入表层，导致海温异常为负，这些冷海温异常可以通过正向“皮耶克尼斯反馈”环流进一步增强地表东风异常，有利于IOD的发展和维持。相比之下WEP事件组合显示热带太平洋上空类似的海温异常模式，但强度要弱得多（图3b）。因此，我们发现WEP复合材料的相关大气响应较弱（图3b和3d）。在印度-太平洋地区，热带IO上空下沉运动较弱，表面偏东异常，这对IOD的启动没有作用。同样CP厄尔尼诺事件也根据海温异常区带位置分为两组：东部CP厄尔尼诺事件（ECP:1991,1994,2002）和西部CP厄尔尼诺事件（WCP：1997,1986.1990.2004.2009）。

图4与图3相同，但对于东部和西部厄尔尼诺事件合成图，图4a和图4b中的绿点分别代表了东、西厄尔尼诺事件组合的纬向位置（基于最大位相海温异常梯度）

与CP厄尔尼诺事件相关的海温异常仅限于中热带太平洋（如图4a和4b）这与厄尔尼诺现象（图3a和3b）非常不同。对于CP两组的厄尔尼诺事件，WCP大约位于15°，相比于ECP位置更偏西。同样WCP对于大气的响应也比ECP更偏西。例如，ECP事件的表面西风异常出现在赤道赤道太平洋中部，而WCP事件的表面西风异常出现在赤道太平洋西部和中部（如图4c和4d）。对于沃克环流，异常上升气流中心位于ECP事件的日期线以东，而位于WCP事件的日期线以西（如图4c和4d）。两组在赤道印度洋-太平洋区域上空下沉的异常气流的位置没有太大的区别（图4c和4d）；然而，他们表现出不同的强度，这似乎与观测到的东部IO表面东风异常的差异不一致（图4a和4b）。纬向风异常通常位于赤道以南，东伊俄上空，爪哇-苏门答腊岛附近上升气流有利的地区。为了描述带状结构更清楚，我们展示表面平均纬向风异常在赤道南部IO（0°-10°S）和赤道太平洋（5°S-5°N）检查相关的大气响应（如图2）。与图4a和4b的地面风异常一直，热带太平洋WCP事件与ECP事件相比纬向风异常中心明显向西移动，IO上略有西移。然而，在赤道东南IO上空，在ECP事件，爪哇-苏门答腊海岸附近出现明显的东风异常，而WCP事件期间，该地区则出现不明显的风异常。在这个关键的上升气流区域以外，皮耶克尼斯正反馈机制较弱，不能有效的在赤道东部IO上空产生抢的负海温异常。因此对于WCP时间组合，IOD没有得到很好的发展，相反，与ECP相关的东风异常在爪哇-苏门答腊岛附近非常强烈，这有利于建立一个正向的IOD。

大气对WCP和ECP海温异常模式的响应除了纬向位置外，在振幅上也存在较大差异（图4和S2），这可能是造成IO东南部地面风异常差异的原因，与WCP事件相关的异常响应仅为ECP事件相关的振幅的一半。一个亟待解决的问题是，尽管还问差异强迫的大小相似，为什么大气响应在WCP和ECP事件之间的振幅差异如此之大，一个可能的原因是：在ECP事件期间，远西太平洋上空的负海温异常比WCP事件期间的还问异常更为强烈（图4a和4b）。海温异常梯度越大，局部大气响

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