ENSO对西北太平洋夏季季节内振荡的调制作用外文翻译资料

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ENSO对西北太平洋夏季季节内振荡的调制作用

FEI LIU

南京信息科学大学气象灾害预报与评价合作创新中心、地球系统建模中心和气候动力学研究技术中心，中国南京

TIM LI

夏威夷檀香山夏威夷大学国际太平洋研究中心和气象系

HUI WANG AND LI DENG

南京信息科学大学气象灾害预报与评价合作创新中心、地球系统建模中心和气候动力学研究技术中心，中国南京

YUANWEN ZHANG

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球物理流体力学数值模拟国家重点实验室，北京

(手稿于2015年11月20日收到，定稿为2016年7月7日)

摘要

作者研究了在西北太平洋地区（WNP）厄尔尼诺和拉尼娜北半球夏季（5 - 10月）季节内振荡（ISO）的影响。结果发现，在厄尔尼诺夏季，ISO主要表现为20-40天左右周期的高频振荡，而在拉尼娜夏季期间，ISO主要表现为40-70天左右周期的低频振荡。前者的特点是西北向传播的西北太平洋对流异常信号，后者的特点是在热带印度洋/海洋大陆上向北和向东方向传播对流信号。通过理想化的数值试验进行研究厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）诱发的背景平均状态变化对ISO行为的影响的可能机制。结果表明ElNintilde;o（LaNintilde;a）期间WNP中的平均湿度和东风（西风）垂直风切变增强（减弱）是20-40天西北向传播ISO增强（减弱）的主要原因，而以起源于印度洋的40-70天的ISO只能在La Nintilde;a年份影响WNP，这是因为ElNintilde;o（LaNintilde;a）期间海洋大陆附近的干燥（潮湿）背景湿度会抑制（增强）ISO海洋大陆和ISO的活动，在厄尔尼诺年期间在海洋大陆上的传播少于在LaNintilde;a年。

1 引言

西北太平洋（WNP）是北半球夏季（5 - 10月）季节内振荡强烈的地区（Li Wang 2005; Wang et al 2009）。该区域的最大ISO变化从初夏的印度洋北部转移到夏末的南中国海和菲律宾海（Li and Wang 2005; Liu and Wang 2014）。夏季印度—太平洋暖池区出现两种明显的ISO模态。第一种模态主要是在热带印度洋上向北和东传播的对流信号（Yasunari 1979; Sikka and Gadgil 1980; Krishnamurti and Subrahmanyam 1982; Li and Wang 1994; Wang et al.2006），与此模态相关的异常雨带具有西北 - 东南向的结构（Annamalai and Slingo 2001）。这种ISO的向北传播是南亚夏季风爆发活动和休止周期的主要原因（Yasunari 1980,1981; Jiang et al.2004）。第二种模态为西北太平洋上的向西或向西传播的对流信号（Murakami 1984; Wang and Xie 1997; Hsu and Weng 2001; Kemball-Cook and Wang 2001）。这种模态与南海季风的发生，活动和减弱有关（Nitta 1987; Zhang et al.2002; Kajikawa et al.2003; Li 2010）。最近Lee等人在印度—太平洋暖池区进行了多变量经验正交函数（MV-EOF）分析（2013年）确定了两种模态。第一种EOF模态主要是30-60天的周期，具有向东传播的特征。第二种模态的周期小于30天，主要在WNP中活跃。研究也发现了南海的ISO与1979 - 1993年期间的北向和西向传播模态有关，而与1994 - 2007年期间则与向东北传播模式有关（Kajikawa et al 2009）。

在西北太平洋上ISO的强度具有年际变化。许多以前的研究强调了厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）对北方冬季ISOs或Madden-Julian振荡（MJO）的影响(Anyamba and Weare 1995; Fink and Speth 1997; Gualdi et al. 1999; Hendon et al. 1999; Kessler 2001; Moon et al. 2011)。 很少有研究集中在夏季ISO的年际变化上。有研究发现夏季ISO强度与ENSO相关。 在厄尔尼诺衰减的夏季，WNP的ISO强度显著减弱，而在厄尔尼诺发展的夏季赤道西太平洋的ISO得到加强(Teng and Wang 2003; Lin and Li 2008)。中赤道太平洋ISO与当地海表温度（SST）异常之间也存在显著的关系(Liu et al. 2016)。

以前的研究主要集中在ENSO对ISO强度的影响上，但很少研究ENSO对ISO周期和时空演变的影响。在南海（10°N-20°N,110°E-120°E）的10-25天和30-60天周期的年际变率已经被深入研究，在6月，7月和9月(Kajikawa and Yasunari 2005)30-60天（10-25天）的变化受到抑制时，10-25天（30-60天）变化相对活跃。Yang和Wang（2008）发现了这种反相关关系。这些结果意味着南海周期性的年际变化很强，有些年份以10-25天的准周期振荡为主，其余年份为30-60天的振荡。 这些作品只关注ISO的每年的变化，厄尔尼诺年和拉尼娜年不能分开（Kajikawa and Yasunari 2005）。

此次研究的主要目标是通过分析观测资料，探讨ENSO对西北太平洋夏季ISO的周期性和时空演变的影响。 通过进行一系列理想化的数值模式实验，还对ENSO影响ISO周期和演化的可能机制进行了研究。 在本文的其余部分安排如下。 在第2节中，给出了数据，方法和模型的概述。在第3节中，介绍了ENSO相位对北半球夏季ISO在WNP上的周期变化和演变的影响。通过理想化的数值实验，在第4节中研究了与ENSO相关的动态（风）和热力学（湿度）平均状态变化的影响。 第5节总结了主要结果。

2 数据和模型

本文研究中使用的数据包括欧洲中期天气预报中心（ECMWF）中期再分析（ERA-Interim; Dee et al.2011）的月平均风速和比湿，以及扩展重建SST的月平均SST，版本3b（ERSST.v3b），由美国国家海洋和大气管理局（NOAA）开发的数据集（Smith et al.2008）。外出长波辐射（OLR）是对流的一个很好的代表，并且常用于研究ISO（Wheeler and Hendon 2004; Lee et al.2013）。每日高级甚高分辨率辐射计（AVHRR）OLR是从NOAA极轨道卫星（Liebmann and Smith，1996）。 NCEP-NCAR再分析（Kalnay et al.1996）在1960 - 2014年期间的850hPa每日横向风被用来表示ISO的风向涡度。

对于带有带通滤波器的两个时间序列（X和Y），应该使用有效自由度。继Livezey和Chen（1983）之后，可以从两个时间序列的自回归特性估计独立样本之间的有效时间的度量：

其中Dt是采样时间，N是样本数量，C是时间序列滞后iDt的自相关。从t开始，可以确定时间序列t5NDt / t中的独立样本的有效数量（或有效自由度）。 学生的t检验评估重要性是

其中r是皮尔逊相关系数。

一个中间模型用于调查与ENSO相关的不同平均状态变化在调节ISO中的相对作用。这个模型是一个简单的具有特定平均状态的两层半模型 (Wang and Xie 1997)。这个模型虽然简单，但能够模拟北夏夏季ISO的主要观测特征，包括热带印度洋的东北方向传播和西北太平洋西北方向的传播。假设中间模型中的非绝热加热发生在对流层中，而动力学方程则写在对流层上层和低层。对低对流层压力异常实施稳定，良好混合的边界层响应。这个中间模型是一个线性模型，根据空间变化的季节均值以及背景平均状态的异常情况制定。发现背景东向切变对ISO向北传播非常重要（Jiang et al.2004; Liu et al.2015）。东风切变倾向于在对流层低层捕捉能量（Wang and Xie 1996），并通过增强水分收敛来加强Rossby波（Li 2006; Ge et al.2007）。背景湿度与SST成正比，并以2.2km的电子折叠比例向上衰减（Wang，1988），为ISO的发展提供了潜在的热源。通过分别比较它们的相对作用，人们可以观察背景垂直切变和与ENSO相关的水汽异常在ISO行为中的相对作用。这个中间模型的细节参考Wang and Xie（1997）。这个线性系统是数值求解的，具有一个带状周期性域;纬度2.5经度2.5的空间格网;并且在40°N和40°S的横向边界处没有质量，动量和热量的通量。进行了不同空间网格尺寸的灵敏度测试，结果表明模型解决方案对水平分辨率不敏感。时间和空间均采用有限差分法，时间积分方案中心时差2.5min，时间平均系数0.125。经过几个小时的整合后，夏季初始扰动发展成类似ISO的结构。

3 厄尔尼诺和拉尼娜年夏季ISO特征

首先，我们说明在厄尔尼诺和拉尼娜夏季ISO的周期是如何变化的，厄尔尼诺和拉尼娜事件将在下面进行定义。为了挑选出季节内信号，使用具有121个因子的20-80天Lanczos滤波器（Duchon 1979）在整个时段（1979-2012）执行带通滤波器。这里我们将重点放在五月到十月的夏季。 图1a显示了夏季北半球过滤OLR的变化。OLR以南中国海和菲律宾海为中心在WNP（15°N~25°N、110°E~140°E）有较强的ISO年际变率（图1a）。

利用NiNo3.4（5°S~5°N、170°W~120°W）海温异常对1979-2012年ENSO事件进行了分类。由于这项研究的重点是北半球夏季，我们选择基于5月- 10月平均Nintilde;o-3.4指数的厄尔尼诺（拉尼娜）事件。如果指数高于0.5℃（低于-0.5℃)，则定义厄尔尼诺（拉尼娜）事件。根据这一标准，确定了1982年、1987年、1991年、1997年、2002年和2009年为厄尔尼诺年，1985, 1988, 1999，2000，和2010是拉尼娜年。

图1（a）代表北半球夏季ISO气候平均的强度。夏季ISO的总强度是用5-10月期间20-80天OLR的STD为标准的。选取的西北太平洋区域范围为东经110-140，北纬15-25，包括了南海和菲律宾海，在西北太平洋上北半球夏季OLR的功率谱在1979年和2012年有6个厄尔尼诺年和5个拉尼娜年。在光谱分析之前100天高通滤波器适用于OLR分析。红噪声谱及其95%置信度也用虚线表示.(C)如(B)项所述，但每个厄尔尼诺和拉尼娜夏季的功率谱。

对1979 - 2012年观测的每日OLR场进行100天的高通滤波，以消除季节周期。然后，我们计算上述厄尔尼诺和拉尼娜夏季在WNP上平均过滤的OLR异常的功率谱（如图1a所示）。在这里，六个厄尔尼诺年和五个拉尼娜年的WNP平均日时间序列用于频谱分析，而不是整体平均值。图1b表示厄尔尼诺和拉尼娜夏季计算出的ISO光谱功率。值得注意的是，厄尔尼诺期间WNP中的夏季ISO以20-40天高频振荡为周期，并且在20-40天有显著的谱峰。而在拉尼娜期间，其特征为低频振荡，周期为大约40-70天。厄尔尼诺和拉尼娜之间ISO周期的差异在统计上显着。在拉尼娜夏季期间，也发现了20–25天左右的更弱的峰值。对于每个厄尔尼诺和拉尼娜夏季，也可以获得类似的结果。ISO在厄尔尼诺夏季以高频振荡为主，在拉尼娜夏季以低频振荡为主（图1c）。

本文还使用了长期再分析数据集。 图2显示了1960 - 2014年期间厄尔尼诺和拉尼娜夏季850 hPa风涡度所代表的ISO的光谱功率。对于8个厄尔尼诺和11个拉尼娜夏季，ISO在厄尔尼诺（拉尼娜）夏季也以较高频率（较低频率）振荡为主。 初夏（5 - 7月），中夏（6 - 8月和7 - 9月）和夏末（8 - 10月）期间ENSO分离WNP的ISO的高频和低频振荡也存在。 然而，对于正常年份，当Nintilde;o-3.4振幅超过0.5℃时，谱峰值主要存在10-25天，40天以上没有明显谱图（图中未显示）。

考虑到周期性明显不同，可以进一步研究在厄尔尼诺和拉尼娜夏季年ISO随时间演变。 由于WNP上的整体ISO功率谱在20-80天内（图1b），对于异常OLR场进行了20-80天的带通滤波。然后ISO分为为不同的发展阶段。并将当日的最大对流日作为第0天。每个阶段的间隔时间为厄尔尼诺四天，拉尼娜组九天。

图2： 类似于1b，但是对于8个厄尔尼诺现象（红线：1965年，1972年，1982年，1987年，1991年，1997年，2002年和2009年）和11个拉尼娜（西北太平洋）的北半球夏季风涡度（850hPa）平均功率谱 蓝线：1964年，1970年，1971年，1973年，1974年，1975年，1985年，1988年，1999年，2000年和2010年）夏季期间1960-2014

图3分别显示了El Nintilde;o和La Nintilde;a组的主要ISO模式的时间演变模式。从图中明显看出两个组之间的ISO演变特征非常不同。在厄尔尼诺夏季，主要对流信号被限制在热带西北太平洋。与ISO有关的对流异常从第28天的150°E向第0天的120°E向西北传播（图3左）。不同之处在于厄尔尼诺夏季热带太平洋中部的ISO变率越来越高，这种西北向传播模式与许多先前的研究（Krishnamurti and Ardanuy 1980; Chen and Chen 1995; Fukutomi and Yasunari 1999; Annamalai and Slingo 2001; Wang et al. 2009）揭示的高频ISO模态相似。在印度洋

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