大气对北太平洋海表温度日变化的响应外文翻译资料

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大气对北太平洋海表温度日变化的响应

Guidi Zhou¹, Mojib Latif^1,2, Richard J. Greatbatch^1,2, and Wonsun Park¹

¹GEOMAR, Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel, Kiel, Germany, ²Excellence Cluster The Future Ocean, University of

Kiel, Kiel, Germany

摘要：年际至年代际乃至更长时间尺度的气候变化，海气相互作用起着关键的作用。年代际和更长的时间尺度，温带海洋被认为会对大气产生明显的反馈，但大规模的大气反应异常与温带海表温度(SST)异常的关系仍存在争论。在这里，我们通过专用的高分辨率大气模型实验表明，迫使统计意义上显著的大规模大气响应与太平洋年代际振荡相关的北太平洋SST异常 ，需要考虑温带背景SST的日变化，这与观察结果一致。大范围的响应与大气涡漩相联系。这意味着温带海表温度异常的日变化必须由海洋和全球气候模式共同决定，以现实的模拟北太平洋年代际气候变化。

1 引言

北太平洋海表温度(SST)存在各种时间尺度的变化。例如北太平洋海温变化的主要模式——太平洋年代际振荡(PDO),它强烈地影响着北太平洋周围的地表气候和生态系统，[Mantua et al., 1997; Deser et al., 2004]。大气强迫和一些海洋过程，如重新出现机制[Alexander et al., 1999]已被提出对北太平洋SST有影响。独立于ori-gin，SST的变化改变了大气的下边界条件，并且具有推动大规模大气环流变化的潜力[Czaja and Frankignoul, 1999, 2002; Rodwell and Folland, 2002]。虽然对赤道太平洋SST异常的大气响应是很好理解的，但对中纬度SST异常仍然是高度有争议的[Peng and Whitaker，1999; Kushnir等，2002]。使用观测来解决热带海洋对大气的影响是困难的，因为任何可观测的海洋 - 大气状态是大气和海洋之间的相互作用的最终产物，并且所采用的方法受到统计和动力学约束。直到现在，许多观察[Liu et al。，2006; Frankignoul和Senneacute;chael，2007; Wen等人，2010; Liu等人，2012]，理论[例如Frankignoul，1985]，强制大气环流模式（AGCM）[Palmer和Sun，1985; Latif和Barnett，1994; Kushnir和Held，1996; Peng等人，1997; Liu和Wu，2004]和耦合气候模式[Saravanan，1998; 刘和吴，2004; Kwon和Deser，2007; Liu等人，2007; Lee et al。，2008; Zhong和Liu，2008]研究提出了关于中纬度SST异常的大气响应的垂直结构和符号的复杂和有时有争议的结果。然而，通常建议由大气涡流驱动的浅（斜压）线性响应和深（正压）响应[Kushnir等，2002]。

虽然斜压涡的反馈已被认为在塑造大气层对热带SST异常的反应中很重要[Ting and Peng，1995; Peng和Whitaker，1999; Kushnir等人，2002]，但是对影响大气涡流的产生和演化的潜在因素的敏感性尚且知之甚少。最近的研究表明，与墨西哥湾流和黑潮/亲潮延伸相关的显著的SST前锋的存在和变化是影响风暴轨道的重要因素，因此影响大规模的海气相互作用[Nakamura et al., 2004; Minobe et al., 2008; Taguchi et al., 2009; Kelly et al., 2010; Kwon et al., 2010; Frankignoul et al., 2011; Ogawa et al., 2012; Taguchi et al., 2012; Small et al., 2014; Smirnov et al., 2015]。小尺度海洋表面结构如海洋中尺度涡流可以影响大气边界层[Frenger等，2013]，但是影响是否延伸到边界层之外的大规模大气环流仍不清楚。在这里通过统计分析和专门的数值实验，我们调查了温带背景SST的日变化对大规模大气对PDO形式的温带海温异常响应的影响。

图1. ENSO去除的PDO指数上的（a，c）观测SST（℃）和（b，d）SLP（hPa）异常的回归模式。 图1a和1b显示了同时回归（滞后0）。 图1c和1d显示了PDO指数超前1年（滞后1年）时的回归。 在计算回归之前去除长期线性趋势。 颜色阴影表示幅度（回归系数），而轮廓显示解释的方差（轮廓间隔0.1）。 根据F测试，图1b和1d中的0.1轮廓在99％显着性水平是显着的。

本文组织如下：第2节介绍了北太平洋SST异常的中纬度大气响应的观测证据。第3节描述了实验设计。第4节阐述了响应的特征。 在第5节中，通过讨论一些灵敏度实验来证明每日SST变异性对反应的重要性。总结和讨论在第6节中给出。

2 观测证据

首先通过使用扩展重建SST第2版产品分析观察到的冬季（12月 - 2月，DJF）SST和海平面气压（SLP）异常来研究北太平洋海 - 空气相互作用的性质[Smith et al。，2008] 和扩展重建SLP [Smith and Reynolds，2004]数据，涵盖1909 - 1997年。 在局部地消除线性趋势后，回归模式计算相对于“隔代了的厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）”PDO指数。该指数是从冬季平均北太平洋SST异常（120°E-80°W，20°N-60°N）的经验正交函数（EOF）分析获得的，被定义为主导EOF的主要成分。 ENSO [Philander，1990]对PDO指数的影响通过先前消除与热带太平洋SST异常（120°E-80°W，30°S-20°N）的前两个EOF相关的SST变率而强烈地减弱。

得到的SST异常模式（图1a所示的正相位）非常类似于PDO模式，即前导EOF，沿着被负的SST异常包围的黑潮/ Oyashio扩展的负的SST异常带。当回归分析以1年的时间延迟重复时，负的SST异常再次出现，尺寸和强度减小（图1c）。与滞后0的PDO指数相关的SLP异常模式描绘了在负的SST异常（图1b）下游的阿留申低区域和稍微向北的异常低压，其也持续到下一个冬天，但是具有较弱的振幅（图1d）。这些特征在99％水平上具有统计显着性。我们的结果还表明SST和SLP异常的多年期持久性（支持信息中的图S1和S2）。 SST的持久性可以通过海洋混合层的热惯性和再萌发机理来解释[Alexander et al。，1999; Czaja和Frankignoul，1999,2002]，其中温度扰动存储在深海混合层中，并通过风混合在多个冬季重复上升到表面。记住，排除大多数ENSO强迫和短的大气调节时间[Ferreira和Frankignoul，2005]，SLP和SST之间的连锁的长期持久性可能来自SST的持续性[Kushnir等，2002]。这种观点大体上符合Frankignoul等人[1998]，Frankignoul和Senneacute;chael[2007]，以及Rodwell和Folland [2002]提出的时空“海洋桥梁”，除了在我们的研究结果中，海洋桥梁多年而不是几个月。我们的研究结果与最近的观察和模型研究很吻合，例如，Liu et al。 [2007]，Wen et al。 [2010]和Liu et al。 [2012]。

3 实验设计

为了调查大气对北太平洋SST变率的动力学，欧洲中心/汉堡版本5大气环流模型[Roeckner et al。，2003]在T213（约0.56°）网格上集成，31水平高达10 hPa。使用涵盖1981-2010的每日观测资料集NOAA-OI-SST [Reynolds et al。，2007]来推导北太平洋用于强制模型的SST异常模式。为此，使用相同的数据集，在每个相应日历月平均的SST的多年时间序列相对于ENSO去除的冬季PDO指数回归，产生12个异常模式。然后我们将12个模式定位在每个月的中间，并且线性插值时间序列以创建每日时间序列。图S3显示了日变化SST异常的冬季平均模式。这个每日SST异常时间序列与正极性和负极性叠加到观察到的高分辨率每日SST上，并用于驱动模型。该模型在1981 - 1990年期间的10个冬季中的每个冬季进行综合，其中每个实验从不同的1月初始条件开始，采用1年，除了在1981 - 1990年期间由每日观察的SST强制的连续运行。背景SST变率是实质性的，并且与影响海洋结构和显着年际变率的小规模扰动相关。因此，与以前的SST异常已经增加到每月SST气候学的研究相比，我们使用观测到的每日SST的配置（例如，Ting和Peng，1995年）。我们将10个冬季运行“DAGL”（意思是全球每天）的整体命名，并描述了正，负SST强迫极性情况下10年平均冬季差异的大气反应。垂直剖面显示北太平洋（120°E-100°W）的纬向意味着。通过使用9自由度的单样本t检验评估10年平均差异的统计学显着性。风暴轨迹定义为带通（2-8天）过滤的位势高度的标准偏差。

在1981 - 1990年期间对10个冬季进行了具有与上述相同的SST异常的四个灵敏度实验，以调查背景SST变异性的重要性。我们首先计算1981 - 1990年期间的每日SST clima-tology，基本上消除了叠加年周期以及小规模空间变异性的变异性（图S4-S6）。在第一敏感性实验（DANP）中，每日气候逻辑SST用作北太平洋以外的背景SST，而SST在北太平洋不变。在北太平洋的南部边界应用10°线性过渡带（10°N-20°N），以确保两个背景SST的平滑合并。在第二个实验（CLIM）中，在全球海洋上的每个地方使用每日clima-tological SST。在第三个实验（FILT）中，使用与DANP中相同的设置，除了将11天移动平均应用于北太平洋的背景SST。对于第四敏感性实验（HFCL），我们从1984/1985年冬天提取北太平洋SST的高频分量，从原始数据中减去11天运行平均SST，并将其加到每日SST气候学中。 1984/1985年的冬季，所有10个冬季的日均SST标准偏差最大。这种设置消除了背景SST的年际变率，同时保持高频率的每日变异性，并且强烈抑制小规模SST结构（图S4-S6）。

4 响应特征

在北太平洋的DAGL（图2a）中模拟了SLP的统计上显着的减少，其与观察（图1b和1d）基本上一致，因为北太平洋北部40°N的大部分描绘了较低的压力; 区域细节不同。 海平面上的异常低压是在纬度带35°N-50°N（图2b和3a）处以约250hPa为中心的等效正压响应的表面表达。 500 hPa的纬度速度描绘了北太平洋的正异常，其在150°W和30°N附近最强（图2c），表明喷流向东延伸。 我们的模型结果与以前的观察结果一致[例如，Wen等人，2010; Liu et al。，2012]和模式[例如Latif和Barnett，1994,1996; Liu和Wu，2004]关于压力反应的研究。

图2（a）海平面压力（hPa），（b）500 hPa位势高度（m），（c）500 hPa向东纬向速度（m / s）的十年平均冬季（DJF），（d）表面潜热通量（向下正）（W / m2），（e）500 hPa风暴轨道定义为带通（2-8天）过滤位势的标准偏差高度（m）和（f）通过实验

模拟的垂直速度（向下正）（Pa / s）。 在90％水平的统计显着性由阴影指示

然而，表面潜热通量响应（图2d）不同于许多以前的建模和观测研究[例如，Frankignoul和Kestenare，2002; Okajima等，2014]，因为在北太平洋的西半部，没有明显的SST异常的阻尼。 这种差异必须归因于在本研究中包括每日背景SST，如下所述。

在文献中已经注意到对中纬度SST异常的两种类型的模型响应，浅的线性响应和由涡流通量支持的深响应[Kushnir等人，2002]。前者已被证明在响应的最初阶段起作用[Ferreira和Frankignoul，2005]，而后者主要在我们的高分辨率模型中操作。特别地，东北太平洋的平均流量响应与风暴轨道中的显着的东北 - 西南偏移相关（图2e）。这种变化是由于纬向速度梯度增加引起的反常变形引起的[Chang et al。，2002]，也是平均流动响应的贡献。根据准地转涡度方程[Hoskins，1983]，在40°N附近的对流层上部（图3b）的涡流涡度通量收敛部分由平均流的分流平衡，导致上升运动在低和中层（图2f和3c）和近地表收敛。另一方面，涡流诱发的纬向动量通量的收敛（图3d）直接加速了高空的纬向流动（图3e）。所有这些特征在90％水平上具有统计显着性。

5 每日海温变化的重要性

我们的实验设置保留空间小规模和时间上高频SST波动，从而解决了SST的局部和瞬态变化。为了进一步研究背景SST变率对大气响应的影响，我们进行了一些灵敏度实验。

图3.由实验模拟的10年平均冬季（DJF）响应的垂直剖面DAGL，太平洋地区的地域平均，其中（a）位势高度（m），（b）涡流涡度通量的发散度（第2天） （c）向下垂直速度（Pa / s），（d）涡动量通量的发散度（m / s /天）和（e）纬向风速度（m / s）。 在90％水平的统计显着性由阴影指示。

在DANP中，每日SST变率限于北太平洋，其响应与上述讨论的类似（图3a），因为在中纬度北太平洋的整个对流层中存在类似振幅的位势高度降低图4a）。在CLIM中模拟没有统计学显着的响应，

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