近30年来沃克环流变化的观测证据与GCM结果对比外文翻译资料

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近30年来沃克环流变化的观测证据与GCM结果对比

B. J. Sohn

Sang-Wook Yeh

Johannes Schmetz

Hwan-Jin Song

收到日期:2012年1月13日/接受日期:2012年8月2日/在线发表日期:2012年8月14日本文在Springerlink.com上以开放访问的方式发布。

摘要

为了研究近几十年来Walker环流的变化，我们分析了1979-2008年30年间的海表温度(SST)、深层对流活动、对流层上层湿润、海平面压力(SLP)和边界层的有效风。分析表明，近30年来，热带东太平洋经历了降温过程，西太平洋经历了变暖过程，从而导致东西向海温梯度增大。结果表明，热带大气对海温的变化有一定的响应;西太平洋上升区深层输送带活动增加，对流层上层水汽增加，东太平洋下降区SLP增加，西太平洋上升区SLP减少，边界层东风增强，响应SLP变化。这些变化是由不同的数据集重新记录的，它们是相互串联发生的，有力地支持了热带太平洋上加强的Walker环流。在最近几十年，海温趋势归因于更频繁出现的中央太平洋型El Niño，这表明了在过去30年El Niño的年代际变化导致了沃克环流的加剧。对现有气候模型的分析表明，模型结果与观测到的沃克环流增强有较大的偏离。目前气候模型的不确定性可能是由于过去三十年热带太平洋强迫信号的自然变异性造成的。

关键词：Walker环流;厄尔尼诺;年代际变化

1、引言

自工业革命(IPCC ，2007)以来，人为温室气体排放增加导致的全球变暖一直在发生，近几十年来，热带海洋的海表温度(SST)和热含量显著增加(例如，Orsquo;carroll 等， 2006;Levitus等，2009)。因此，可以预测非绝热加热的地学分布将随相关的海温变化而变化，从而引起大气环流的变化。此外，有证据表明，在气候模型和海平面压力观测(SLP) (Vecchi 和Soden 2007)中，有一种长期趋势表明，沃克环流在20世纪的过程中减弱，这与气候模型和海平面压力观测(SLP 2007)的预测一致，即在地球-大气系统变暖的情况下，由于热力和水文约束，沃克环流将减弱(Held and Soden 2006)。

然而，即使环流减缓被认为是贯穿二十世纪和二十一世纪的一种长期趋势，我们也不能排除水文限制或环流减缓可能不会在局部或在短期气候变化期间发生的可能性。事实上，已经有研究表明，热带太平洋盆地的东西海温梯度可以通过海洋动力学的贡献而增加(Clement等， 1996；孙、刘1996；Cane等，1997；Seager和Murtugudde ，1997)；而不是在GCM模拟中经常显示的更均匀的海温增加(如Vecchi等，2008)。因此，尽管全球变暖，东-西沃克环流仍有望增强，以应对热带海温的变化。

事实上，卫星观测和再分析已经证实了沃克环流的加强(Sohn和Park 2010；孟等，2011；Zahn和Allan 2011；周等，2011)。特别是基于微波的特殊传感器微波成像仪(SSM/I)对水平衡参数的测量表明，在1988年至2005年的18年观测期间(Sohn和Park 2010)， 沃克环流增强。在这项研究中，我们寻找更多的观察证据来支持近三十年来沃克循环的加强。在热带太平洋平均气候学沃克环流中，一个广泛的上升支位于西太平洋-印度洋暖池区，该暖池区与东太平洋冷水区的下沉支相联系。如果沃克环流增强，则西太平洋上升区的深层对流活动将增强。由于深对流云是热带对流区对流层上层湿润的主要贡献者(如Sohn等，2008；Chung等，2009)，对流层上层湿度(UTH)的增加与西太平洋对流的增加是一致的。另一方面，东太平洋下沉支可能会变得越来越干燥。由于上升支向上运动加剧引起的质量翻转，东太平洋下沉区SLP应增加，与西太平洋上升区SLP下降相结合，形成较强的东西向SLP梯度。因此，在沃克环流单元较低的分支中，东风信风应该增加。

在这项研究中，我们研究了大气变量的长期变化，这些变量可能对沃克环流的变化很敏感;我们使用卫星和地面观测来检验这些观测是否符合沃克环流增强的机制假设。我们进一步研究了热带海温的年代际变化，认为这可能是沃克环流增强的一个原因。这些结果应该与我们目前通过气候模型对全球气候变化模拟的理解水平有关。

2、资料和分析方法

本研究使用的海温数据集为哈德利中心海冰和海面温度(HadISST；(从http://hadobs.metoffice.com/hadisst/data/download.html下载))。从1850年起，每月平均值可用，在本研究中，使用了过去30年(1979-2008)的数据。值得注意的是，我们还在同一时期分析了扩展重建的SST版本3 (ERSST v3, Smith等.，2008)。并发现尽管使用了不同的海温数据集，但结果几乎没有变化。这是因为我们的主要兴趣在于上世纪70年代末以来的30年。热带太平洋多个海温数据集的线性趋势存在一定差异(Deser 等，2010；L Heureux 等， 2012)；然而，当考虑长期的SST数据集时，这种差异通常会出现(如Park 等， 2012)。因此，本文的所有结果都是基于HadISST数据集进行预测的。

利用国际卫星云气气候学项目(ISCCP)云数据(Jakob 和Tselioudis，2003)的气象状态分析，对热带地区深部环流活动的时间和空间变化进行了挖掘，得出了深部对流云发生的频率(Rossow等人，2005)。将k -均值聚类方法应用于云顶压力(CTP)-云光学厚度(COT)直方图中，定义了各种WS相关的云状态(如深对流云、砧云和卷云)。已有研究表明，WS分析在很大程度上反映了云的形态，对卫星定标或采样方法不太敏感，因此更适合检验对流活动的长期趋势(Tselioudis 等，2010)。在每个格点计算每日的深对流天气状况(下载自http://isccp.giss.nasa.gov/etcluster.html)，并累积热带和亚热带地区(35°N-35°S)在1983年7月至2008年6月的25年间的日频率，得到月频率。

众所周知，热带上空对流层上层的湿润主要是由深层对流造成的(Sohn 等，2008)。然而，由于与高纬度空气横向混合，下降区上方的润湿机理较为复杂(Roca 等，2012)。为了将UTH的变化与暖池区域的对流活动联系起来，我们使用了NOAA近30年的HIRS通道亮度温度(TB)，它位于6.7 lm水汽吸收带附近(Shi和Bates，2011)，其中通道的权重函数位于200-500 hPa层附近。没有将HIRS通道亮度温度(TB)转化为相对湿度，只研究TB趋势，因为其变化主要受UTH变化的调节(Soden和Bretherton ，1993，表1)。平均条件下的阳性(阴性)TB异常表示比正常条件更干燥(更潮湿)。HIRS水汽通道的月平均TBs跨度为30年(1979-2008)，为2.5°网格格式，从ftp://eclipse.ncdc.noaa.gov / pub / hirs / hirsch12monthlygrid下载。

哈德利中心数据第2版每月平均SLP数据(HadSLP2；艾伦和安塞尔，2006；可从http://www.hadobs.metoffice.com/hadslp2获得)用于研究东太平洋和西太平洋沃克环流分支中心之间SLP梯度的变化。在SLP数据的收集中，只使用了以2° 2°网格格式给出的30年(1979-2008)数据。

为了检验表面风的变化是否与假设的沃克环流增加或其他变量相一致，将水汽输送按总柱水汽(即， VE = Q/TPW，其中Q为柱积分水汽通量)。这是因为水汽主要通过沃克环流单元的下回流支输送，因此有效风可以表示为环流强度。另一方面，由于太平洋盆地边界层深度的变化，平均边界层风很难作为一个指标。关于有效边界层风(VE)的详细讨论见于Sohn 和Park(2010)。有人指出，重新分析的结果与SSM/I措施所建议的结果非常相似。由于SSMI的观测数据只在1988年到2005年之间可用，因此我们使用年代中期（ERA-Interim）再分析数据(Simmons 等， 2006)计算水汽通量，然后使用VE，假设趋势分析结果无法从卫星观测中看出。事实上，值得注意的是，ERA-Interim再分析的有效风的东西分量的趋势，平均在热带太平洋上空(150°E-165°W, 15°N - 7.5°N)，似乎比SSM/ I建议值小(即， -0.046 m vs. -0.062 m / 10年)。年代中期再分析数据提供的湿度和风的信息从1000至1百帕在37个水平；然而，只有最低的23个水平，从1000至200 hPa被用于柱集成水汽通量的计算。

3、结论

为了研究气候变量中被认为是沃克环流变化方面的时间变化的空间相干模式，对海温、深对流(DC)、HIRS 6.7-lm水汽通道TB(以下简称TBWV)、SLP和水汽输送(WVP)有效风(VE)进行了经验正交函数(EOF)分析。EOF分析被认为是分析特定区域内任何感兴趣领域的时间变化空间模式的有效方法。对主成分(PC)时间序列进行趋势分析，如果t检验满足99%置信水平(tgt;2.58, 360个月)，则考虑对得到的线性趋势进行讨论。结果如图1所示。

第一个EOF模式的海温，在热带印度洋和太平洋贡献40.4%的总方差超过30年(1979 - 2008),描绘了著名的厄尔尼诺/ 拉尼娜模式(图1)。注意,热带太平洋中部和东部的负异常主要是与热带太平洋意味着状态的变化有关(显示在图3)。通过结合向量与电脑相关时间序列载荷,可以找到不同的在赤道东太平洋海温正异常和马蹄周围寒冷异常温暖的异常区域在厄尔尼诺年如1982 - 1983,1987 - 1988,1997 - 1998。不突出的正异常在其他厄尔尼诺年份期间(1986 - 1987,1991 - 1992,1994 - 1995,2002 - 2003,2004 - 2005,2006 - 2007)也清晰可见。在拉尼娜年,东太平洋海温异常低和西太平洋的海温异常高。

右图PC时间序列显示，存在显著的正向趋势。最近McPhaden 等(2011)和Feng 等(2010)认为，在过去的三十年中，即1980-2010年，背景条件发生了系统性的变化 。它们还表明，在21世纪头十年，东太平洋的海表温度比20世纪最后二十年略低，西太平洋的海表温度略高；这一结果与第一个EOF PC时间序列的正趋势一致(图1a)。

第一个EOF的直流异常模式,解释大约10.2%的总直流方差,显示了一个偶极子模式的热带太平洋(图1 b),在一个在海上大陆的正异常区域与太平洋中部150°E至150°W的负异常区域。南太平洋辐合带(SPCZ)在30°S-150°W区域内由东新几内亚向南太平洋延伸，也存在明显的主导正载荷。值得注意的是，时间序列与海表温度PC1有惊人的相似之处，包括正线性趋势。

因此,在热带太平洋,深对流活动似乎与厄尔尼诺和拉尼娜事件密切相关。举个例子,在1997 - 1998年的厄尔尼诺年份,极大地抑制了西太平洋而大大增强了太平洋中部的深对流活动。此外，DC EOF模式1的PC时间序列的长期趋势(图1b)表明，近30年来印度-太平洋暖池上空的对流活动增强，而热带太平洋中部和东部上空的对流活动减弱，这与热带太平洋盆地海表温度的正趋势基本一致，如图1a所示。

图1 . a SST、b DC、c TBWV、d SLP、e VE的EOF分析得到的相关主成分的首导特征向量和时间序列。月异常的计算方法是除去基于30年气候学的平均季节周期，除了基于25年平均的DC。

TBWV的EOF模式1与赤道地区上空的DC几乎是一对一的对应关系(图1c)，表明在热带上空，深部对流活动的变化是造成纬度调制的主要原因。考虑到TBWV的正(负)异常意味着比正常情况更加干燥(湿润)，我们发现在赤道太平洋中部的厄尔尼诺年对流层上层更加湿润，印度洋上空更加干燥。同样，PC时间序列显示了与SST和DC PC时间序列几乎一一对应的关系。TBWV与直流的PC时间序列与海温的相似性表明，海温变化引起的直流异常是对流活动区上向球体水汽变化的直接原因。由于副热带对流层上层水汽后期与高纬度气团的混合显著影响(Roca 等， 2012)，与赤道地区的强相关关系相比，亚热带干旱地区的对应关系较少并不奇怪。然而，在厄尔尼诺期间，亚热带海洋的水分变化似乎在很大程度上受海温变化(和对流)的控制。

EOF的SLP第一模态解释了21.7%的总方差，在矢量加载中呈现出东西向的分离模式(图1d)。西澳大利亚海域西热带太平洋至东印度洋的最大负向负荷与东南热带太平洋的最大正向负荷形成对比，形成典型的Walker环流模式。总的来说，它与厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)与PC时间序列结合时的振荡行为非常相似(Philander ，1989)。从SST随ENSO相位变化的变化可以看出，SLP第一模态的PC时间序列与SST的时间序列具有显著的一致性。

与EOF 的SST第一模态的PC时间序列相似(图1a)，可以看出EOF 的SST第一模态的PC时间序列呈现出显著的正线性趋势(图1c)。这清楚地表明，在过去的三十年中，东、西SLP差(东SLP减去西SLP)逐渐增大，表明热带太平洋盆地的信风变得更强。不足为奇的是，卫星高度计最近对1993年至2009年期间太平洋海面高度趋势的分析也表明，相对于前40年(梅里菲尔德，2011年)，自1990年代初以来，西热带太平洋海面高度增加的主要区域趋势已经存在。这样的趋势应该表明热带太平洋东部信风加强。

第一模态的VE EOF解释了约13.7%的总方差，一般表现为热带太平洋上空的东风矢量和热带印度洋上空的西风矢量，形成了西太平洋暖池地区的辐合风场。因此，在1982-1983、1997-1998等强厄尔尼诺年，当矢量与负PC值相结合时，边界层风场异常必然是

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