热带高可预报性为季风和热带风暴的预测创造了一个前景外文翻译资料

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热带高可预报性为季风和热带风暴的预测创造了一个前景

Bin Wang，Baoqiang Xiang和June-Yi Lee

夏威夷大学马诺阿分校气象学系和国际太平洋研究中心，檀香山，HI96822

由WA西雅图华盛顿大学的John M. Wallace编辑，并于2012年12月12日获得批准（2012年8月22日接受审查）

摘要:季风性降水和热带风暴（TS）对社会产生了很大的影响，但是他们的季节性预测还远没有成功。西太平洋副热带高压（WPSH）是影响东亚夏季风（EASM）和北太平洋西部海域TS活动的主要环流系统，但其变化性和可预报性的来源尚未确定。我们在这里展示了WPSH变化，真实地代表了EASM波动的强度（r = -0.92），亚热带北太平洋西部总的TS天数（r = -0.81），以及1979 - 2009年期间影响东亚海岸的TS总数（r = -0.76）。我们的数值实验结果表明，WPSH变化主要受太平洋中部降温/升温以及WPSH和印度太平洋暖池海洋之间大气 - 海洋正反馈的控制。通过基于物理学的经验模型和最先进的动力学模型，我们证明WPSH具有高度可预测性;这种可预测性为预报季风和TS创造了一个前景。使用WPSH可预测性的预测不仅可以大大提高EASM降雨预报的技巧，而且能够在动态模型失败时熟练预测的TS活动。我们的研究结果表明，WPSH-海洋积极的相互作用可以提供气候可预报性的来源，并强调了亚热带动力学在理解季风和TS可预报性方面的重要性。

1. 引言

夏季季风和热带风暴影响了东亚数十亿人的生计，包括中国，日本，韩国，中南半岛和菲律宾。东亚夏季风（EASM）降水的预报和的北太平洋西部的TS（WNP）是具有重大社会重要性和经济价值的前沿科学挑战。对世界级气候模型的最新评估清楚地表明模型在预报季风降水方面的能力很差，并且无法预测WNP TS变化^[1]。

西太平洋副热带高压（WPSH）对EASM和WNP TS活动有深远的影响（并与之相互作用）^[2-6];它也通过大气遥相关对美国大平原上的夏季降水产生了深远的影响^[7,8]。理解WPSH的机制和可预测性是更好地预测EASM和WNP TS的先决条件。

十年前就已经注意到了增强型WPSH发生在厄尔尼诺衰变的夏季，但物理解释直到进入21世纪后才提供^[9-11]。最近，影响印度洋（IO）变暖已经恢复以解释为什么在厄尔尼诺峰值后WPSH异常的强^[12-17]。但是，请注意，大约有一半的WPSH强烈的异常年份不符合厄尔尼诺衰减（图S1）或IO变暖（图S2）。因此，有必要重新对WPSH年际变化的原因进行重新思考。

在这里，我们揭示了控制WPSH每年变化的两个基本机制，并展示了WPSH的高度可预测性，这为预测季风和TS活动提供了一种有前景的方法。

1. EASM和WNP TS变率的WPSH指数指标

虽然WPSH和EASM / WNP TS之间的普遍联系已经被发现了几十年，但它们之间的定量关系还没有确定。这个问题的部分原因在于，各种相互关联的WPSH指数和EASM指数已被用来分别描述各自的变化，这使得很难确定它们之间有明确的定量联系^[18-21]。为了取得进展，我们在此建议测量WPSH强度，通过北半球夏季（6月 - 7月 - 8月; JJA）定义的单一客观指数，就是在最大年际变率中心的850 hPa位势高度（H850）异常平均（15°N-25°N，115°E-150°E）（图S3A）。EASM强度可以客观的由EASM系统的主要组成部分测量^[21]。图1A显示，WPSH指数对1979-2009年期间的EASM强度具有高度指示性，相关系数（r）为-0.92。此外，WPSH的变化性高度反映了TS发生和运动的变化（图1B和C）。增强型WPSH表明副热带西北太平洋副热带高压日数减少r = -0.81，影响东亚（日本，韩国和华东）沿海地区的台风数量减少，r = -0.76（图S3B）。与以前使用的指数相比，这里定义的WPSH指数与EASM和WNP TS活动有较高的相关性（表S1）^[18-20]。总之，了解WPSH变率的来源和可预测性可能为预测季风和TS活动铺平道路。

1. 西太平洋副热带高压的年际变率机制

请注意，由WPSH指数测量的WPSH强度逐年变化与北半球夏季厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）不同时相关（Fig.S4A；1979-2009年为r = -0.12）。为了揭示WPSH起伏的原因，我们转而研究夏季平均H850变化的主导模式，因为H850的前两个经验正交函数（EOF）模式在整个亚洲季风区占总变化的53％（EOF-1为31.0％，EOF-2为22.2％）和WNP地区总变异的74％（10°N-30°N，100°E-180°E）。H850的主成分（PC）-1和PC-2与WPSH指数（r = 0.60和r = 0.73）明显相关。令人惊讶的是，基于多元回归方法，与两个EOF相关联的PC可以很好地重建WPSH强度的逐年波动：（1.289times;PC-1 1.099times;PC-2），观测和重建的WPSH指数之间的相关系数为0.93（图S4D）。因此，理解这两种EOF模式的基本动态对于挖掘WPSH的可预测性来源至关重要。

图1. WPSH及其与EASM强度和TS活动的关系。 （A）北半球夏季（JJA）西太平洋副热带高压强度指数的年际变化，EASM强度（逆转）以及亚热带西北太平洋地区（B和C中的黑框）的TS天数（逆转）。括号中的数字表示与WPSH指数的相关系数。（B）TS追踪四个极强的WPSH年份。C和B一样，但是WPSH的四年极其微弱。A中的的紫色（绿色）点表示其极端WPSH年的异常超出标准偏差（SD）的120％。绿线代表最大风速高于17.5米/秒但低于32.5米/秒的TS，红线代表最高风速在33米/秒以上的台风。

EOF-1的特点是强烈的西南 - 东北方向的WPSH，这与其东南侧的降水受到抑制以及朝鲜，日本和赤道太平洋降水增强相一致（图2A）。考虑到大气运动的混沌特性，这个WPSH异常如何维持？我们认为，WPSH与印度洋 - 太平洋暖池中不规则的基础偶极海表温度（SST）之间的正反馈起着关键作用。首先，在WPSH异常的东南部，海温偏冷，因为异常东北风加强意味着季风槽东边的东风，从而增强了蒸发/夹带（图S5）。相反，由此产生的海洋冷却反过来会减少原地沉淀加热（图2A），因此产生下降的Rossby波，在西向衰减的路上加强WPSH^[9]。这种积极的热力学反馈可以通过耦合模型的数值实验得到证实（图S6），这表明WNP中的初始SST冷却确实可以在随后的夏季维持异常的WPSH（图2C）^[22]。其次，在增强型西太平洋副热带高压西南部，北部印度洋变暖，因为与西太平洋副热带高压相关的东风异常削弱了西南季风（图2B），从而降低表面潜热通量^[23]。相反，北方的IO变暖将有助于维持WPSH（图S7）^[13-17]。因此，西太平洋副热带高压与北印度洋副热带高压的相互作用也有助于西太平洋副热带高压的维持。总之，EOF-1可以被看作是大气 - 海洋相互作用模式，在图7中总结了EOF-1的机制。

EOF-2模式具有强烈的异常WPSH和弱IO低（图3A）。异常WPSH脊和相关的抑制对流从菲律宾海洋向东南延伸至赤道西太平洋。增强的WPSH与赤道中部太平洋冷却同时发生（图3B）; 相应的主成分与Nintilde;o3.4指数负相关[SST异常（SSTA）平均在5°S-5°N，170°W-120°W（r = -0.68），图S4C]。这表明EOF-2模式反映了一个发展中（或持续）的拉尼娜事件，意味着比正常的WPSH更强，反之亦然。与EOF-2相关的增强型WPSH可被太平洋中部冷却所控制，这可以改变东 - 西环流（沃克），其上升的支流向西移动，因此可以减少160°E附近的对流并增加海洋大陆的对流（图3A）。受到抑制的对流可以通过发射下降的罗斯波直接加强WPSH。 ECHAM大气环流模式通过太平洋中部SST冷却强迫的数值实验证实了这一说法^[24]，该模式再现了真实的降水和H850异常（图3C）。同时，加强海洋大陆对流也可以通过在西太平洋上引发赤道东太平洋来加强西太平洋副热带高压^[25]，这会在菲律宾海上产生非赤道反气旋性涡旋。

1. WPSH较高的可预测性

为了估计WPSH可预测性的下限，我们建立了一个经验模型来预测WPSH强度，基于多元回归的三个预测因子，这些预测因子与前两种EOF模式紧密相关（图S8）：

其中SSTA（IO-WNP）代表IO之间的4 - 5月平均偶极SSTA差异（10°S-10°N，50°E-110°E）和WNP（0°-15°N，120°E-160°E），其作为EOF-1的预报因子（r = 0.76）。 表示中太平洋地区的5月份减3月SSTA（15°S-5°N，170°W-130°W）这是EOF-2（r = -0.47）的预测值。此外，4 - 5月的北大西洋涛动（NAO）指数（NAOI）被用作EOF-2的预测因子（r = -0.38），因为NAOI被发现作为EASM的补充预测因子^[26-29]。从物理上看，4月 - 5月与SSTA相关的异常NAO可能导致夏季以后的赤道太平洋SSTA（图S8C），从而为EOF-2提供了一个预报因子。因此，所有三个预测因子都是基于管理两个可预测的EOF模式的物理过程来选择的。

图2 EOF-1（大气 - 海洋耦合）模式的起源。 （A）亚洲 - 澳大利亚季风区（20°S-40°N，30°E-180°E）夏季（JJA）H850的主导EOF模式的空间格局（等值线）。 印度 - 太平洋地区的降水（阴影），其相关性在90％置信度下显着（rgt; 0.3）。 （B）参照EOF-1的PC，得到相关的SSTA（阴影）和850 hPa异常风场。 （C）模拟的JJA平均降水量（以毫米每天为单位），H850（以米为单位的等值线）和1,000 hPa异常风（仅显示绝对值大于0.3 m / s的矢量），以响应WNP初始SST扰动一个耦合模型实验（图S6）。

基于物理预测模型（方程1）可以用1979 - 2009年的时间相关系数0.81再现WPSH指数（图4A）。为了测试其预测能力，使用了一种采用遗留三次方法的交叉验证方法来重新预测WPSH指数^[30,31]。 31年交叉验证重新预测技能的时间相关性系数为0.75。作为比较，我们评估了三个最先进的耦合气候模式^[32]，在每年6月1日为初始条件下预测WPSH指数的重新预测性能（图S9A）。 1981 - 2009年期间，这些动力模型的技能范围从0.72到0.76，三模式集合平均技能为0.82（图S9A）。 由于它们与WPSH有密切的关系，WPSH的高可预测性可能为改善季风和TS预测开辟了一条途径（图1A）。

窗体底端

1. EASM和WNP TS的预测

利用WPSH预报和可预报性，我们试图直接预测EASM强度，亚热带WNP TS天数和影响东亚的TS总数;结果显示这是个有前途和价值的具有确定性概率预测技能（图4）。尽管全球模式通常不能直接解决和预测热带气旋，但WPSH使 WNP TS预报具有高的可预测性。例如，副热带WNP TS天数的预测和影响东亚海岸的TS总数可以达到0.73和0.66的时间相关性（图4C和 D）。此外，利用WPSH两种主要模式的可预测性，可以建立直接预测EASM降水异常的经验模型。直接的经验预测可以为夏季季风降水提供明显高于动力模型的预报技术（图S9 B和 C）。用于预测东亚（5°N-40°N，110°E-140°E）区域降水降落的时间相关性是0.50（经验）对0.21（动力模型）。因此，WPSH变率的两种机制为预测EASM和WNP TS提供了物理基础，并且使用WPSH的预报能明显的改善季风降水和TS预测。

图3. EOF-2（强制）模式的起源。（A和B）与图2A和B相同，但是用于EOF-2模式。 （C）利用赤道中部太平洋规定的冷SSTA强迫的ECHAM模式（蓝色等值线），模拟出JJA H850（以米为单位的等值线）和降水（以毫米每天为单位的阴影）异常。

图4. WPSH，EASM和WNP TS活动的预测是物理方法为基础，通过使用WPSH可预测性经验模型。WPSH指数（A）的观察（黑色）和预测（红色）; EASM强度（B）; 副热带WNP的TS天数（C）; 以及JJA（D）期间影响EA海岸区域的总TS数量。 给出由标准预测误差测量的每个预测的不确定性（阴影）。 这三个指标的时间相关性（TCS）的确定性预测性分别达到0.81,0.78,0.73和0.66，相应的交叉验证重新预测性分别达到0.75,0.72,0.68和0.59。 在A-D的四个预测中，Brier技能评分（BSS）（1）的概率预测性分别为0.41,0.37,0.21和0.17。

1. 讨论

我们使用观测分析和数值实验来显示控制WPSH变化的基本动力学。与相对成熟的中纬度动力学（准地转理论）和动力学理论（赤道波理论）相比，亚热带动力学能进一步发展我们的理论认识。我们希望我们的工作为亚热带动力学理论的发展铺平道路。传统理论认为气候的可预测性来自缓慢变化的下边界条件的强迫，例如SST^[33,34]。其结果表明，WPSH对于SST变化不仅是被动反应，当ENSO强迫弱或不存在时，将ENSO影响延伸到上游中纬度和ENSO过渡阶段，积极的WPSH- 海洋相互作用可以为气候的可预

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