中纬度海洋锋区域对平均态和对流层循环的主要变化的重要性外文翻译资料

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中纬度海洋锋区域对平均态和对流层循环的主要变化的重要性

作者：Hisashi Nakamura,¹ Takeaki Sampe,² Atsushi Goto,³ Wataru Ohfuchi,⁴

and Shang-Ping Xie²

摘要：观测表明，中纬度天气系统受到海洋前沿附近的“风暴轴”的影响，海表温度呈现出明显的梯度。一系列具有规定的均匀SST剖面的大气循环模式实验表明观察到的搭配不是偶然的。在一个实验中，一个风暴轨道围绕着一个中等纬度的SST锋面，保持近地面的热梯度并激发漩涡。靠涡旋传播的西风动量产生了一个明确的极锋喷流，即使在亚热带气流加剧的冬天也是如此。在另一个实验中，SST锋面的去除导致涡流活动和PFJ的显著减弱，特别是在冬季。它也导致了环形模式的减弱和冬季显著的结构扭曲，这是西风急流变化的主要模式。虽然是理想化的实验，但我们的实验表明，中纬度海洋锋对对流层循环及其变化的重要性。

1、介绍:

引起日常天气变化的中纬度迁徙气旋和反气旋是对流层大气环流和气候系统的重要组成部分。移动的冷暖气团将热量从亚热带运送到更高的纬度，以帮助保持对流层热结构抵抗差分辐射加热。他们从亚热带迎送的西风动量维持了一个在中纬度的很深的西风急流，被称为极锋喷流。记录到的风暴期的中纬度海洋有很强烈的表面西风驱动着洋流，其热量运输将海表温度梯度限制在一个狭窄的锋区内。

尽管除了赤道温差之外，热带大气环流的概念模型没有特别关注表面热条件，中纬度风暴已经被认为是与黑潮相关的SST锋面和与墨西哥湾流相关的SST锋面迅速向亚洲东海岸和北美迅速扩张的预告。事实上，最近的观察结果表明，主要的风暴轴和随之而来的极锋喷流都是沿着主要的海洋锋或者在海洋锋的下方。图1展示了南印度洋的典型例子，南印度洋有一个明显的海洋锋，被称为南极锋区，它形成于南纬45度附近的南极绕极流的较暖一侧，在卫星探测上表现为SST梯度很大的区域。图1中大气再分析的气候学领域和卫星数据表明，南半球的风暴轴的核心，它是降水区域最大值和每周一次的扰动导致的极向热涌来标记的，沿着SST锋面锚定，这与循环天气分析相一致。风暴轴中心与表面西风急流共同驱使着南极绕极流。

以往的研究和图1表明了SST分布对风暴轴活动和平均西风的潜在重要性。Hoskins和Valdes提出了中纬度风暴轴的自我维持机制，其重点在于将温暖的洋流流入个别涡旋和与之相关的潜热释放作为西风的强迫。Brayshaw等人最近的数值实验表明西风急流和风暴轴对热带SST剖面很敏感。在这项研究中，我们使用大气环流模型（AGCM）评估中纬度海洋正面带对对流层循环的平均状态和低频变异性的影响。我们可以看到图1中观测到的SST锋，风暴轴和表面西风急流的配置是由海洋锋两边的海洋供热的对比所维持的高斜压性的结果。

2、实验设计：

我们使用的大气环流模型是AFES。其水平分辨率对应于具有48个垂直水平的150公里网格间距（T79）。 将分辨率降低一半会导致风暴轨迹活动显着减弱。在Brayshaw等人的工作中，我们进行一个理想化的大气环流模式实验，将模式大气放在假想的统一SST的被水覆盖的地球上。这个“水球”的设置简化了这个问题，消除了在北半球观察到的海陆热对比和地形强迫的行星尺度的大气静止波。因此，我们的实验更适用于南半球。在我们的控制实验中，在南美洲夏季（12月-2月）的南印度洋（60-80E）观测到的气候SST剖面对应北半球模型，冬季（6月-8月）观测到的对应南半球模型。在得到的剖面图（图2）中，SST在北半球热带地区达到峰值，这也是hadley环流的上升分支模拟南半球中更强的亚热带沉降，通常可以观察到冬季夏季的明显不对称。因此，北半球和南半球模式分别对应夏半球和冬半球。在每个半球中，SST曲线的特点是与APFZ相关的45°处有很大的梯度，这与Brayshaw等人的观点相反，他们提出了无锋面的SST剖面的假想。在另一个实验（NF）中，SST锋的极值被人为地升以放宽梯度。为了突出PFJ的敏感性，没有对亚热带SST进行修改，副热带气旋（STJ）的强度它很敏感。因此，SST剖面的锋面特征被消除，两个实验中的赤道极地差保持相同，每个实验是在北半球夏至日的条件下日晒60个月的稳健性统计进行的。

3、平均风暴轴和西风急流：

图3a和3b比较了CTL实验和NF实验中的风暴轴活动的平均状态。这活动每天以250hPa径向速度的纵向方差和850hPa的径向速度与温度波动之间的协方差进行评估，他们都与次周涡旋相关。后者相当于图1b中的涡流通量。如图所示（图1），在每个半球的CTL实验中，被标记为一个明确定义的活动最大值的风暴轴几乎位于SST锋面的极值点。在NF实验中，对流层上层（图3a）的中纬度风暴轴活动减少了50%，对流层低层降低了70-75%。与局部时间平均温度和半球平均温度的纬度积分成比例的低水平有效位能的降低导致了半球平均时间平均涡流热流通量减少了50%。CTL实验模拟现实的急流（图3c和3d）。如图1b所示，伴随强表面西风的极锋喷流（PFJ）与主要的风暴轴在任意一半球的锋面稍微向极倾斜。强烈的极向涡流热传输作用是放宽经向空气温度梯度，这相当于热成风平衡下表面附近的西风加速度。如在南半球[Nakamura和Shimpo，2004]观察到的，即使在Hadley环流的末端的副热带急流（STJ）强化的冬季，涡旋也维持了明确定义的极锋喷流和表面西风。正如Hokins[1991]所论证的那样，在SST锋面的向极侧模拟表面西风轴线，其中被海洋冷却的空

气包裹的区域链被迫向更高的纬度收缩。所得的西风加速度维持了有表面摩擦的西风。在NF实验中，减少的风暴轴活动导致中纬度西风带明显减弱。在对流层上方，夏季极锋喷流核心向赤道方向位移10°，在冬季却远离赤道。表面西风轴也向赤道方向移动10°或更多，这可能会改变洋流。尽管亚热带或热带SST没有变化，但中纬度SST锋面的移除导致副热带高压带的不切实际的向赤道位移，纬向上没有近地面风和热带东风弱化的趋势。与地球相关的角动量交换的相关削弱与由于去除SST锋面导致的涡流的动量混合的减少是一致的。

正如图3f所示，主要风暴轴牢固的固定在每个半球的SST锋面的向极侧，但是如果没有锋面，它将变得更加摇摆不定。锋面保持了周期性的风暴发展所必须的较大的表面空气温度的经向梯度。如图1所示，海洋通过锋面较暖一侧的向上的湍流热通量，较冷一侧的向下的湍流热通量加热上覆的大气。通量与局部SST-SAT差异成正比，在锋区特别大。对45°的850hPa极向涡流热通量，每个SAT和42°-48°之间的显热通量的横向差值进行滞后相关分析。它揭示了通过涡流热传输放宽之后，SAT梯度可以在2-3天内通过海洋增强的横向差分供热恢复，这可以称为“海洋压力调节”。

4．西风环流的环形变异性：

我们的实验还表明，中纬度SST锋可以显著影响大气变化。我们专注于环形模态，被认为是在区域平均西风风速的经向涛动的低频率变化率的主要模式。环状模态模式作为250hPa北纬20°和南纬20°向两极的11天平均异常（作为60个月平均值的偏差）的第一个经验正交函数（EOF）统计提取。第一个EOF定义了U的异常的轮廓占据了半球方差的最大部分，图4复合了幅度时间序列来定义异常。在CTL实验中，环状模态占主导地位，占任一半球总体U方差的一半左右。在南半球观察到的，冬季和夏季模式代表了55°S到37°S和60°S到42°S之间的上下扰动，他们的节点围绕极锋喷流和风暴轴的平均关节轴线锚定[Thompson and Wallace, 2000]。正如在南半球冬季观察到的，虽然夏季模式代表极锋喷流的经向迁移（图4b），冬季模式的正相和负相分别对应于PFJ-STJ双急流和STJ主导状态。经过观察，环形模态模式基本上是PFJ和风暴轴之间的耦合变化。例如，在冬季，中纬度涡流活动和相关的动量传递的增加导致西风加速和极锋喷流的向极和向赤道分量减速。

然而，在NF实验中，风暴轴没有了在SST锋面上的锚定因此变得摇摆不定（图3f），同时他们的活动和相关的极向动量传输也明显减弱。因此，环形模态在任一半球的空间结构中变得较弱而不太明确（图4）。特别是冬季模式是不切实际的，基本上代表了副热带急流（STJ）的变异性，在中纬度U异常没有明确的中心，这与Eichelberger和Hartmann的观点一致。在这种情况下，双急流是不存在的。去除了SST锋面在每个半球中削弱U的波动，在U方向上损失了两个明显的中纬度峰值，这显示了环形模态的优势和全面。

5.总结与讨论：

在这项研究中，我们的具有区域均匀SST的AGCM实验和具有和不具有锋面梯度的对比表明，海洋锋区在维持对流层循环（包括PFJ和Trades）可能发挥潜在的重要作用，通过增强低水平APE触发风暴轴活动并通过海洋斜压调整恢复很大的跨锋面SAT梯度来锚定风暴轴活动。正如在南半球观察到的，SST锋面也有助于保持全年涡旋驱动环形模式的强度和结构。全年稳健性可能对从冬季到初夏的对流层-平流层联动的循环异常很重要，其中包括南极臭氧消耗的消极下行影响[Gillett and Thompson, 2003]。我们的结果对今后的气候变暖也能有一定意义。在近期观察[Nakamura and Sampe, 2002]以及全球变暖的AGCM模拟[Inatsu and Kimoto, 2005]中，它们对解释远东季风风暴轴活动的增长和30°N西风的减弱趋势是有用的。尽管我们的NF剖面中的SST梯度伴随着非实际的温暖的亚极海洋可能被过度放宽了，但是我们的结果应该被认为是SST锋面潜在影响的上限。

中纬度海洋经常被视为对大气变化的无源反应，没有太多反馈。然而，Minobe等人和现在的研究表明，中纬度SST锋面可能在形成对流层总体循环方面发挥重要作用。由涡旋传输动量维持，表面西风风应力在海洋锋附近特别强烈，驱使这些洋流通过穿越锋面的热平流微分产生哪些锋面，但是维持锋面的机制还需要进一步研究。Thomas和Lee [2005]指出，越锋Ekman流的强冷平流和相应的对流导致二次循环以维持锋面。在Hadley环流和STJ的影响比较弱的南印度洋和北大西洋全年观察的SST锋面，风暴轴和PFJ的配置，暗示着他们之间的相互作用。鉴于上述可能的反馈，我们的研究要求建立一个新的框架，将这些特征作为热带耦合大气 - 海洋系统的交互式组件。尽管我们的框架中干燥的动力学是至关重要的，但正如Hoskins和Valdes [1990]所强调的，暖流中的水汽供应对于激发风暴轴活动是很重要的，因为与海洋的热交换可以减轻与个别天气系统相关的热异常。

6．参考文献：

Aoki, H., M. Shiotani, and I. Hirota (1996), Interannual variability of the tropospheric circulation in relation to the stratosphere in the Southern Hemisphere, J. Meteorol. Soc. Jpn., 74, 509– 523.

Brayshaw, D., B. J. Hoskins, and M. J. Blackburn (2008), The storm track response to idealised SST perturbations in an aquaplanet GCM, J. Atmos.Sci., 65, in press.

Colling, A. (2001), Ocean Circulation, 2nd ed., 286 pp., Butterworth-Heinemann, Oxford, U. K.

Eichelberger, S. J., and D. L. Hartmann (2007), Zonal jet structure and the leading mode o

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