极锋急流和哈德里环流位置变化的比例外文翻译资料

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

极锋急流和哈德里环流位置变化的比例

Paul W.Staten Thomas Reichler

摘要：本课题探讨模型和再分析中描述的极锋急流和哈德里环流纬度变化之间的关系。通过南半球的夏天模型数据，我们计算出极锋急流和哈德里环流之间年际变化的比例约为1.5:1。我们进一步发现,比例因季节而异,每个半球与对应的季节之间有着相似之处。在这项研究中，模型之间的比例是基本一致的，相比于再分析而言模型似乎更加现实。热带平均海表温度和纬向风在热带强度是确定比例的关键，而不是海表面温度变化。我们认为热带地区的条件对哈德里环流圈中纬度涡流的影响进行调整，反过来，涡流的活动解释了大部分的逐年相关变化。相反，无论是再分析中观测到的趋势的比例还是模型的外部强迫移动的比例，从热带的平均状态中都是无法观察到的。我们表明模型的变化的比例是依赖于外部强制的类型。

关键词：大气环流；基本环流；高低纬度的相互作用；气候变化；哈德里环流；费雷尔环流

1 引言

通过更强大的气候预测，在IPCC第四次评估中关于主要环流特征和相关的表面气候模式的描述是向极地方向转变的(Solomon et al,2007)。观测和模型模拟揭示了一个与热带表面的气候和极圈地区干空气下沉相绑定的扩大的哈德里环流(Rosenlof,2002;Hu and Fu,2007; Seidel et al.,2008;Davis and Rosenlof,2011)。例如，当哈德里环流边缘的局部下沉区侵占到地中海地区时，该地区的降水量预计就会相应的减少。温带的费雷尔环流也会向极锋方向移动(Chen and Held,2007; Lu et al.,2008, 2010; Perlwitz,2011; Staten et al.,2011)。这种转变经常被认为是积极的环流模式（AM），在两极气流下沉，相应的中纬度急流位置向极锋方向移动(Kushner et al. 2001)。

虽然环流在纬度方向上移动是显然的，但是移动多少、为什么移动还不能确定。例如，观测和基础模型中哈德里环流的扩张变化的估计值是通过数量级来表示的（Reichler,2009; Seidel et al.,2008; Stachnik and Schumacher,2011），然而Davis and Rosenlof（2011）认为这种变化是不同的用法，主观阈值。在不同研究中温带气旋的变化的计算值也是不同的。这种不确定性的来源包括观测记录的缺失、在中纬度环流结构的变化（Schneider et al. 2010）和模式不同。

评估气候变化预测需要了解相关的物理气候过程或机制。虽然已经提出的各种机制，研究低或高纬度环流的变化，没有一般公认的机制证明哈德里环流和极锋急流间的变化存在。这些机制包括Held and Hou（1980）提出的，它认为热风平衡，能量和角动量守恒决定了哈德里环流的宽度。其他机制包括涡流在一定程度上的影响（Walker and Schneider 2006; Korty and Schneider 2008;Lu et al. 2007, 2008; Held et al. 2000; Kang and Lu 2012）。温带环流拓宽的假设机制（Chen and Held 2007; Lu et al. 2010;McLandress et al. 2010; Rivire 2011）引用线性和非线性波理论。这些机制试图解释在哈德里环流或者费雷尔环流中涡动应力的贡献和角动量到动量的非线性平流。然而，值得注意的是任意一种环流的动力机制是不完整的，不包含其他环流产生的影响（Schneider et al. 2010）。

为了更好地理解这两种细胞的变化背后的机制，检查哈德里环流边缘纬度变化的比例，和极锋急流的速度和纬度或者相关的经向环流是有用的（在当前的研究中）。了解导致每年在每个环流变化的机制有希望帮助一个关于全球通量变化的在开发理论。一方面，短期(年际的或年代际的)变化比率可能和长期（气候趋势）变化比率无关。另一方面，如果环流变换间的比率和时间尺度相似或者至少直接相关，这可能表面逐年的变化可能反向解释长期变化。

Kang and Polvani（2012）研究两个环流间的相互作用通过检验极锋急流纬度变化和哈德里环流靠极锋一侧边缘的纬度变化之间的比例。他们发现（1）在南半球夏季它们各自的逐年变化的比例约为2:1，并且与极锋急流和哈德里环流间的比例趋势是不一致的。如此一来，虽然2:1的比例描述逐年变化更好，但是它不能准确地描述气候趋势。对于这种矛盾两个合适的解释分别是Kang和Polvani(2010)用到的环流指数在环流结构中是易改变的，和两种变化间的用到的线性相关方法是灵敏的。

Kidston et al.(2013)证明哈德里环流边缘的纬度和在年际时间尺度上的高空西风带之间存在相关关系。此外，用一个理想化的水球框架，他们发现这种相关关系是依赖哈德里环流边缘和高空西风急流的平均纬度。特别地，在模式中近极地一侧的哈德里环流边缘和高空西风急流相关关系减弱甚至呈负相关。

Ceppi and Hartmann(2013)证明的是中纬度急流的速度而不是检查急流的位置。他们对每个季节执行一个线性回归分析，并且将比率的季节性变化归因于沿哈德里环流向极一侧的风速变化，在Chen and Held(2007)之后发现在关键纬度中纬度波的吸收也由此产生变化。另外，他们认为哈德里环流边缘纬度变化间的比率是趋向与中纬度急流速度的改变成正比的在一个给定季节的CMIP5历史集成数据中。

在当前的研究中，我们用EOF分析方法而不是线性回归分析方法去研究极锋急流和哈德里环流边缘间的关系。在急流结构的细微变化方面，我们还假设低灵敏度的环流指数相比于Kang and Lu(2012)的研究，并且仍然检验各环流的纬度。特别地，我们用一个集成的经向翻转环流计算极锋急流的纬度，或费雷尔环流中心位置而不是用当地的最大风速。

我们探索热带地区在设置年际的FC:HC比例中起到的作用，并且发现该比例依赖热带地区的平均纬向风结构，这个结论与Robinson(2002)，Seager et al.(2003)，Bordoni and Schneider(2009)，Schneider and Bordoni(2008)，和Kang and Lu(2012)研究结论相同。虽然建模比不是完全依赖于热带海洋表面温度的变化 ，但是它依赖海表面温度的时间平均。这种依赖表现在FC:HC比例和哈德里环流边缘时间平均间有着着很强的关联性。

本文安排如下。在第二部分，我们描述我们的模型框架和方法论。在第三部分，我们证明FC:HC的比例和FC:HC方向性的关系。在第四部分，我们总结我们的结论，并且讨论FC和HC间可能的关系，除了直接涡流的作用和热带环流调节的影响，这是本文的研究重点。

2 数据和算法

我们运用GFDL模式、CM2.1模式和AM2.1这种单一大气模式进行耦合，对单一大气进行长期控制模拟。在我们未耦合的实验中，我们规定海温的季节变化年复一年，就如同Staten等人（2011b）的假设。

AM2.1模式拥有水平分辨率为2纬度乘2.5经度、垂直24层的动态有限核心。我们也用垂直具有48层的AM2.1的改进版进行这项研究，这种模式增加了平流层的其他层次。为更完全的描述这种模式，我们引用Delworth（2006）和 Anderson 等人（2004）的成果。

表1 研究中所用的模式

上述耦合模式框架包括海洋储存的热量和海洋动力作用。为描述两者在分配FC、HC比例的作用，我们也用耦合混合海洋模式、WCRP和CMIP3模拟的数据，对比之前的GFDL模式。这让我们得以直接检验海洋储热能力的作用，能通过比较这些结果和那些全部耦合的结果来实现对海洋动力作用重要性的评估。

我们大量应用工业化之前4000年的控制模拟产品，这种产品是由CM2.1模式得来。我们也试验用AM2.1进行几种未耦合时间分段模拟，每段500年以上，并且设定温室气体、平流层臭氧浓度，海冰覆盖面积海表温度均连续。为了在模式中保持海表温度合理，我们从工业化之前二十世纪和A1B和CM2.1的方案综合中取多年平均值。所有未耦合的试验均在24层和48层模式下进行。

为了了解外部气候强迫因子对整体环流的影响，我们比较几种时间分段模式和表格二中的各种模式，表格二中模式的区别在于三分之一的强迫因子不同。例如，我们把1870年海表温度试验和1870年二氧化碳-海表温度试验之间的区别归属为“由二氧化碳造成的”。我们检验24层这些组，每组只有一个强迫，每组之间的强迫各有不同。这些试验中对强迫的响应是均衡的。而不是暂时的。

我们大部分的工作是由GFDL模式来支撑。为了确认我们正确使用GFDL模式，我们将GFDL的结果和NCAR发展的耦合、非耦合模式进行比较。我们试验的NCAR模式包括一个单一大气版本，如CAM3，和两个耦合模式版本，如CCSM4。

表2 检查AM2.1模式中时间尺度实验，通过它们指定的背景

要素二氧化碳浓度、臭氧损耗和指定年份的SST平均

我们通过重复计算以下四种再分析数据进一步检验模式结果，NNR、ECMWF、ERA、20CR。为了保证连续性，我们在全部四个模式中只运行1979-2001年资料。

2.1 环流指数的计算

我们分析的核心内容是计算哈德来环流北侧边界的纬度和费雷尔环流中心位置。我们在全球范围内计算两个环流。由于这些环流范围和中心用阈值表示，这些计算结果对环流的结构很敏感。从连续性和稳定性考虑，在计算环流指数之前，我们将年际和年代际数据作四个季节的平均。在我们计算阈值之后，我们去除了由于模式漂移和缓慢气候变化造成的慢变部分。在计算逐日指数时，我们通过截断周期为180天的高斯滤波器（等同于高通滤波器）排除季节循环的影响。在计算年际指数时，相似地，我们排除年代际和更长期变化的影响。在计算年代际指数时，我们排除世纪际和更长时间尺度的变化。

我们用500hpa高度场上的经向流函数来分析环流结构。我们通过计算发现，南半球的哈德来环流呈现由正到负的形势，零值线穿过热带辐合带，而且用500hPa流函数表示的费雷尔环表现为哈德来环流南部的流函数正值区域。除了标记和方向相反，北半球环流的计算也是如此。

或

Staten等人（2011b）用局地500hPa流函数的最大值和最小值来估计极锋急流的纬度，假设两者动力想联系，但是这种方法对极锋急流的年际变化特别在南半球JJA时期尤为敏感。本篇文章所用指数在逐日，逐年，年平均值资料上是不够细致的。

2.2 比例估计

之前的研究着重表示极锋急流和哈德来环流纬向移动比例的年际关系。这个比例是通过极锋急流和哈德来环流分散场的最优最小平方值线的斜率来表示。可是，独立和非独立变量的最优斜率是不变的。也就是说，当分散范围增加，斜率减小。这也表示最优线的斜率依赖于两个变量被认为是互相独立的。因此，线性回归能表示费雷尔环流如何随哈德来环流变动，反之亦然，但是不能说明一个两个环流互相影响。我们假象，从两者变化中寻找一个更合适的统计量来表示哈德来环流和费雷尔环流的最大异常。形象地讲，这费雷尔环流相对哈德来环流散点图最长轴的斜率。为得到这个斜率，我们将费雷尔环流和哈德来环流的时间序列结合为2times;时间序列，而且进行EOF分析。这个结果指出了最大异常的的放下。我们定义EOF第一模态场的斜率为费雷尔环流和哈得来环流的比例，或者简称为“比例”。

EOF分析方法主要应用于表示年际异常、年代际异常、日异常比例。可是，在表示外强迫影响的费雷尔环流和哈德来环流平均移动时效果较差。我们计算强迫比例为（FC2 -FC）/(HC2 - HC1),线条之上的部分表示时间平均值，下标为1和2的数据从控制实验中获得。两个环流的趋势被认为是费雷尔环流被哈德来环流分开的趋势。在三种比例计算方法中，信度间隔是通过bootsstrapping计算。对每个比例估计，我们不重复随机采样1000次，用上述方法计算每次抽样比例。我们取中值作为费雷尔环流和哈德来环流的比例，2.5%和97.5%计算比例来保证95%信度。

3 结果

在这个部分，首先，我们根据第二部分描述的CM2.1资料证明年际的和年代际的FC:HC比例。然后，在讨论比例的趋势和强迫移动之前，我们用回归分析研究比例的意义。最后，我们研究热带地区在影响年际比例中起到的作用。

3.1 计算年际和年代际的FC:HC比例

像以前一直所做的工作一样，我们检查我们的方法中描述逐年的FC和HC的比例的异常在南半球冬季。这些异常主要表现在非耦合控制模拟的年代际时间尺度中出现红色光谱（见图1），和在时间尺度之外的白色光谱。从耦合控制模拟得到的光谱表明在第三到第十年有更大的振幅并且在大约第三十年有一个额外的峰值。模型的时间尺度与ENSO的时间尺度相一致，而后者的峰值表明影响来自年代际海洋的变化，也许与太平洋十年涛动或大西洋年代际震荡有关。根据时间尺度，在耦合和非耦合模拟中FC异常通常是HC异常的1.5-2倍。因为时间序列的关系，FC:HC比例应该在这个范围之内。

图1 南半球夏季（SH DJF）CM2.1耦合模拟和AM2.1

非耦合模拟24层的光谱

用第二部分所讲的EOF分析方法，我们计算出一个年际平均比率为1.48这是以前记录估计范围的最低值（Kang and Polvani,2010;Staten et al.,2011b）,并且仅仅是被描述的范围。如果我们在计算之前不过滤慢变风场，我们得到的比例约为1.7，这个比例与之前的研究更加吻合。

由于=0.75，HC和FC是极度相关的。我们还证明

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[30438]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word