在导致厄尔尼诺和拉尼娜现象间演化不对称中动力学和热力学过程的相关作用外文翻译资料

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在导致厄尔尼诺和拉尼娜现象间演化不对称中动力学和热力学过程的相关作用

摘要

观测海温异常（SSTA）在赤道东太平洋的厄尔尼诺和拉尼娜之间呈现出非对称演化特征。而厄尔尼诺的特征是快速的衰减在接下来的冬天会在一个峰值后和快速的相变后过渡到一个寒冷的插曲，拉尼娜的特征是峰值后衰减较弱并且在第二年冷的海温异常重建。通过混合层热预算分析研究动态（风场）和热力学（热流）过程在引起不对称进化中的相对作用。结果表明动态和热力学过程有助于进化不对称。 前者与西太平洋的不对称风响应有关，而后者与不对称云辐射SST和蒸发SST反馈有关。在厄尔尼诺衰变阶段期间出现强烈的负SSTA趋势，而在拉尼娜衰变期期间出现强烈的正SSTA趋势。 这种差异导致厄尔尼诺现象的SSTA符号变化，但是在第二年夏天结束时，拉尼娜没有符号变化。在北方坠落期间，季节依赖性耦合不稳定性开始，导致厄尔尼诺在第二年年底前发展拉尼娜，但在拉尼娜的第二年年底再次发生拉尼娜事件。在整个ENSO演变期间的整体热预算分析表明热力学过程与引起厄尔尼诺 - 拉尼娜演化不对称的动态过程同样重要。进一步讨论了当前结果与先前理论的根本区别。

1. 介绍

厄尔尼诺—南方涛动（ENSO）是热带地区最大的年际变化，其根本动力（包括其结构和演化特点）在过去的几十年里已被研究过很多次。(e.g.,RasmussonandCarpenter1982; Caneand Zebiak 1985; Philander 1990; Neelin et al. 1998; Chang et al. 2006).现在人们普遍认为ENSO是海洋耦合大气不稳定性的放大结果(Bjerknes 1969; Philander et al. 1984; Hirst 1986, 1988), 和它的来自海浪中延迟振荡动力学产生的震荡功能发挥了至关重要的作用(e.g., Suarez and Schopf 1988; Battisti and Hirst 1989)，或者纬向平均温跃层深度的变化引起的一个充放电场景起到关键作用(Jin 1997; Li 1997).

一个重要的与ENSO有关动力学问题是什么导致了厄尔尼诺和拉尼娜之间振幅不对称，正偏态的海温异常（SSTA）发生于赤道东太平洋地区(EP; BurgersandStephenson1999;AnandJin 2004).最新的一项由Su et al. (2010)做的观察性研究，采用三份海洋再分析数据，表明正偏度的ENSO海温异常在赤道EP是由于非线性的纬向和经向平流产生而非线性垂直对流起反作用。这个结果相反于An and Jin(2004)，他强调线性垂直平流的作用，上述两个作品之间的差异是由于海洋再分析数据的使用，An and Jin (2004)用了一个简单的海洋数据同化的测试版本，数据在垂直速度区域上有误差。(Su et al. 2010).

相比较于振幅不对称，很少注意厄尔尼诺和拉尼娜之间的时空演化的不对称性，是从拉尼娜到厄尔尼诺相比于厄尔尼诺到拉尼娜要慢一些(Kessler 2002; Larkin and Harrison 2002; McPhaden and Zhang 2009; Kim et al. 2011). Kessler (2002)图1显示的是在1980至2013年Nintilde;o-3.4 (58N– 58S, 1708–1208W)区域观测到的平均海温异常的时间序列。值得注意的是几乎所有的厄尔尼诺事件（除了1986-87的厄尔尼诺）在北半球冬季高峰阶段后迅速终止，几乎所有的拉尼娜事件（除了1988和2005的拉尼娜）在随后的北方冬季重新发展成另一个拉尼娜事件。

各种研究都致力于理解这ntilde;El Ni o和La Nintilde;进化不对称机制。从在一个全球耦合环流模式下(GCM)指定的热带印度洋（IO）海温异常，Ohba and Ueda (2007)，看出在厄尔尼诺高峰的冬季热带印度洋盆地变暖会导致在遥远的赤道西太平洋表面吹异常东风(WP)，这加速了一个过渡从厄尔尼诺到拉尼娜。基于这一建模结果，Okumura and Deser (2010)，假设厄尔尼诺和拉尼娜的进化不对称是由于和厄尔尼诺与拉尼娜有关的组合效应，这种效应是热带印度洋面上的强迫和纵向移动产生加热异常。即，由热带印度洋盆地气候变暖引起的赤道赤道西太平洋东风异常消失于由于厄尔尼诺加热引起的西风异常，西风异常的印度洋盆地冷诱导只有部分是由拉尼娜加热引起的-东风异常是因为海温中心的变化拉尼娜相比于厄尔尼诺要向西偏移。强迫一个大气全球耦合环流模式和具体的海温Okumura et al. (2011)，表明印度洋和西太平洋海温强迫是重要的在遥远的赤道西太平洋产生不对称的纬向风响应。

同时在Ohba and Ueda (2007)和Okumura et al. (2011)，在热带印度洋还问异常是指定的。应对全流域的印度洋海温异常强迫，一个海盆上升或沉淀（对流加热）产生异常（看Ohba and Ueda (2007), their Fig. 2c and Okumura et al. (2011), their Fig. 3, left]，不同于在热带印度洋观测到的降水异常模式。观测表明在热带印度洋是一个带状偶极子而不是一个统一的模式。这意味着由Ohba and Ueda (2007), Okumura and Deser (2010),和Okumura et al. (2011)阐释的热带印度洋海温异常强迫影响实际上是错误的。这次的失败归根于模型环境设计因为一个强迫大气模型实验是在用一个指定的海温异常环境下，这个海温异常起着积极作用。然而，事实上在厄尔尼诺成熟的冬季，仅仅在西热带印度洋的海温异常起着积极作用，而在东热带印度洋的海温异常起着消极作用。因此东热带印度洋变暖是大气强迫的作用，因为降水的减少，因此表面短波辐射强迫增加。

McGregor et al. (2013)表明在ENSO成熟时期会有南移的西风异常，这会更明显在强的厄尔尼诺并且更少在弱的厄尔尼诺和拉尼娜，可能导致它们的进化不对称。这纬向风移在之前被Harrison and Vecchi (1999)指出，他发现了一个纬向风的转变异常从在早期发展阶段的赤道对称状态到不对称的状态在厄尔尼诺成熟时期。据推测在中太平洋的纬向风异常南移可能会加速厄尔尼诺至拉尼娜的过渡通过增强延迟振荡器的海洋波效应。风移的原因可能与平均状态的季节变化有关或者由于减少边界层摩擦系数而导致的纬向风加速。

一个McGregor et al. (2013)所做假设的问题是从一个温暖到一个寒冷插曲的过渡阶段不仅发生在超级厄尔尼诺事件也发生于常规厄尔尼诺事件。另外，在McGregor et al. (2013)的浅水模型环境中包含的影响不仅仅是热带印度洋的不对称风还有西太平洋上的非对称循环例如在厄尔尼诺年的菲律宾海异常反气旋，后者已经被以往的文献强调因为它的重要作用在厄尔尼诺转变和厄尔尼诺至拉尼娜的进化不对称。因此，尚不清楚在中太平洋不对称纬向风移动对于造成厄尔尼诺和拉尼娜之间生命演化不对称有多么重要。

在所有以前的厄尔尼诺至拉尼娜演化不对称的研究中，重点研究了表面风不对称的动态效果。正如大气建模研究所示，有一个明显的不对称（非线性）在全流域对于厄尔尼诺和拉尼娜的强制循环反应。这种风的不对称不仅影响海洋动力学过程（例如温跃层变化和温度平流），还影响表面热变化领域。本研究的目的是揭示动态的相对作用（风场）和热力学强制作用对于造成厄尔尼诺和拉尼娜的进化不对称。为了达到这个目的，每一个动态和热力学术语的定量分析是必要的。在这研究中，进行了一个混合层热收支分析为了测查具体的动力学和热力学过程造成的厄尔尼诺和拉尼娜的不对称演变。特别的是，我们打算解决接下来的科学问题：为什么在北边春季和夏季厄尔尼诺比拉尼娜衰减快在它们的成熟阶段以后？在厄尔尼诺和拉尼娜衰减时期是什么基本动力学和热力学过程负责非对称阻尼率。是什么造成在第二年厄尔尼诺至拉尼娜的快速转变晚了一些，反之拉尼娜趋于重新建立？本文的其余部分组织如下。在第2部分我们描述数据和分析方法。第3部分描述混合的厄尔尼诺和拉尼娜的不对称演化特征。厄尔尼诺和拉尼娜之间演化不对称的物理原因会在第4部分探讨，基于一个混合层热收支的分析和相关的动力学和热力学诊断。一个讨论如何并且何种程度的热带印度洋海温异常影响西太平洋循环会在第5部分给出。最后，结论会在最后部分给出。

1. 数据和方法

在这项研究中使用的主要数据集是来自国家环境预测中心（NCEP）全球海洋数据同化系统(GODAS; Saha et al. 2006)的海洋再分析数据和马里兰州苏打大学，2.1.6版本的产品(SODAv2.1.6)。GODAS产品有平均水平和40级垂直分辨率和径向分辨率在提高到，并且它包含的时期是从1980年到现在。然而这SODA数据有水平方向平均和40级垂直分辨率在上层海洋上10米的间距，可获得1958至2008时期的数据。

大气和表面热变化数据来自NCEP–DOE AMIP-II再分析资料和伍兹霍尔海洋研究所客观分析的海-气不断变动。这个NCEP-2数据包含的时期是1979年到现在，而 OAFlux数据可获得从1984至2009年的。海温异常数据来自扩展重建海面温度，版本3（ERSST.v3b)，是的分辨率。观察到的长波辐射(OLR)数据是来自国家海洋和大气管理局(NOAA)以的分辨率。

为了了解海洋动力学的相对作用和表面热变化造成海温异常的演化不对称发作于复合厄尔尼诺和拉尼娜间，我们分析了海洋混合层的热收支。这混合层温度异常(MLTA) 趋势方程可写成如下

其中T表示混合层温度：u，y和w表示三维（3D）洋流；和表示3D梯度算子；素数代表年际异常：一个栅表示气候平均状态；并且方程右侧的第一个九项是三维温度平流项。变量 表示海洋净表面热流量（带有表示海洋接收热量的正号），R表示残余项，表示水的密度（，是水的定热量，H表示混合层深度，由依赖经度的气候平均值决定（范围从20米到90米，来源于海洋再分析数据），以上方程中的所有混合项是基于混合层内的垂直平均值计算的。因为上面提到的数据集有不同的周期，以便在相同时期制备复合材料，所有复合分析都是在1980 - 2013年期间进行的。本文提出的混合层热预算分析结果是两个海洋再分析数据集的总体平均值和两个热流体产品。

1. 观测到厄尔尼诺和拉尼娜之间的不对称特征

因为与厄尔尼诺和拉尼娜相关的的海温异常主要定义在西太平洋地区，我们检查到的复合混合层温度异常范围为。图1实线表示混合层温度异常与海温异常有关。这使我们有信心去进行混合层热收支分析。1980 - 2013年期间，8次代表性厄尔尼诺案列（(1982/83, 1991/92, 1994/95, 1997/98, 2002/03, 2004/05, 2006/07, and 2009/10)和5次拉尼娜代表性案列（(1982/83, 1991/92, 1994/95, 1997/98, 2002/03, 2004/05, 2006/07, and 2009/10)被选择勇于随后的复合分析。因为SODAv2.1.6数据终止于2008年，仅仅the GODAS数据被用于2009-2010的厄尔尼诺和2010-2011的拉尼娜案列。

厄尔尼诺和拉尼娜的复合材料的混合层温度异常的时间演化在图2中显示。厄尔尼诺和拉尼娜情节有很多相似之处在发展的年份里。对于复合厄尔尼诺，正的混合层温度异常发展于4月 份，并于12月份达到高峰。对于复合拉尼娜，负的混合层温度异常开始发展于6月并且也在12月达到高峰。主要的演化不对称发生在第二年。在其峰值时期后，厄尔尼诺经历了快速衰减，7月份发生了负的混合层温度异常。相反的，拉尼娜会衰减的更慢一些，到下一年的7月，它仍然保留了MALT峰值的三分之一。在下一年的北方秋天，混合层温度冷异常迅速增加，结果拉尼娜在下一个冬季出现。

为了说明上述演变反映了ENSO的共同特征，我们还绘制了所有ENSO案例复合材料的MLTA演变，包含了典型1986-87年的厄尔尼诺事件和1988，2005的拉尼娜案例（看图2的绿线）。我们可以看到，这两个MLTA时间序列具有很大的相似性，表明厄尔尼诺和拉尼娜之间的非对称演化特征相当强大。

正如图二显示，厄尔尼诺现象和拉尼娜现象之间的主要区别在于下一年上半年的独特MLTA衰减率; 也就是说，厄尔尼诺在高峰阶段后比拉尼娜衰减得快得多。因为这个的不同，和厄尔尼诺有关的正MLTA已经在第二年的7月改变了它的标志（成为一个冷异常），然而和拉尼娜有关的MLTA保持了相同的标志。我们将讨论特殊阻尼率的动力学和热力学原因，并在第4节中检查这种结果的差异。为了清楚地演示动力学和热力学过程在导致进化不对称的作用，我们为厄尔尼诺定义了三个阶段。第一年的4月到11月是厄尔尼诺的发展阶段，下一年的1月到5月是厄尔尼诺的衰减阶段，下一年的7月到11月作为厄尔尼诺到拉尼娜的进化时期。相似的，我们也为拉尼娜定义了3个时期：第一年的6月到11月是拉尼娜的发展阶段，下一年的1月到6月是拉尼娜的衰减时期，8月到11月是拉尼娜的重建时期。在下一节中，我们将在三个发展阶段的每一个期间诊断海洋混合层热通量和相关的大气和海洋场，以了解负责厄尔尼诺和拉尼娜进化不对称的关键物理机制。

4．负责厄尔尼诺和拉尼娜之间演化不对称的机制

以前的许多研究广泛地检查了在其发育阶段控制ENSO振幅生长的过程。因为本研究的主要焦点是厄尔尼诺和拉尼娜演化不对称，我们将仅描述开发阶段的混合层温度异常（MLTA）预算分析结果。

在厄尔尼诺和拉尼娜发展阶段，MLTA增长的主要机制是三维海洋温度

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