近期海表温度趋势对北极平流层极涡的影响外文翻译资料

 2022-12-05 16:45:33

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近期海表温度趋势对北极平流层极涡的影响

C. I. Garfinkel , M. M. Hurwitz , and L. D. Oman

摘要

综合利用化学---气候模式试验和观测资料研究发现，卫星资料结果显示北半球低平流层早春降温趋势一半是由海表温度（SST）变化造成的。本文设计了两组数值试验，其中一组是仅改变SST的试验集，另一组是改变了SST以及化学和辐射活性痕量物质变化的试验集。通过比较这两个试验集可以看出，印度洋、北太平洋和北大西洋海温的升温以及热带太平洋的降温对近期冬季和初春的极地平流层降温作出了强有力的贡献。当臭氧损耗物质和温室气体的浓度固定，由于SST的变化，极地臭氧浓度呈现出小幅但显著的下降趋势。在臭氧损耗物质和温室气体浓度不断变化的情况下，臭氧损耗更大。通过检查异常SST产生的对流层高度和热流异常，可以理解平流层的变化。最后，近期SST的变化导致冬季平流层爆发性增温的频率减少。

  1. 引言

近年来的研究表明，海温(以下简称SST)异常会影响进入北极极地平流层的波通量强度，进而影响极涡的强度。El Nino（Manzini等，2006；Garfinkel和Hartmann，2007；Garfinkel等，2012）北大西洋较暖的SSTs（Omrani等，2014），北太平洋较冷的SSTs（Jadin等，2010；Hurwitz等，2012）和印度洋较冷的SSTs（Fletcher和Kushner，2011）都与北半球极涡减弱有联系。

图1. 1980年1月至2009年12月海温趋势，其中（a）10月和11月以及（b）1月至3月SST趋势。等值线间隔为0.1 K/10年。截至2013年底的SST趋势图相似(未显示)。

这些地区的SST在年代际时间尺度上和时间尺度上有所不同，本文的目标是了解最近SST趋势在1980-2009年间北半球冬季北极低平流层温度变化中发挥作用。图1给出了30年来的SST线性趋势。在此期间，北大西洋和北太平洋海温升高。热带印度洋一直在变暖。秋季热带太平洋中部海温没有任何趋势，晚冬/春季有降温趋势反映了向更加频繁的拉尼娜条件过渡。如果结束年份延长到2013年或者开始年份发生变化（未显示），SST趋势类似。这些SST趋势与全球气候变化以及海洋模式的年代际变化之间的关系将在第6节讨论。上述地区较短时间尺度上的SST变率与极地极涡的异常波动以及随后的减弱有关或加强极涡。我们感兴趣的是这些变化在年代际时间尺度上对极涡的净的影响效应。

在卫星时期，冬季早期的极涡已经升温，而冬末则显著降温（Fu et al，2010；Young等，2012； Bohlinger等，2014； Ivy等，2014）。北极平流层中的这些趋势可能与（至少）两个可预测的来源有关：（1）由于温室气体，臭氧或臭氧损耗物质（以下称为臭氧损耗物质）浓度改变而引起的辐射效应（2）由于地面边界条件变化通过直接影响对流层波活动引起的动力变化。这项工作的目的是通过评估SST趋势对极地平流层温度趋势的贡献来评估第二种可预测的趋势的相对重要性。

除了3月份显著的月平均降温趋势外，最近的一些研究集中研究可以形成极地平流层云（PSC）的极端寒冷的极涡频率可能增加上。 Rex等 （2004，2006）发现最寒冷、动态不受干扰的冬天进行研究时，降温趋势是最强的时候，这表明一些类型的反馈机制正在发挥作用。 他们认为观察到的趋势是由于气候变化造成的，尽管Hitchcock等 （2009）在模型中只发现了一个弱的趋势，Rieder和Polvani（2013）没有发现增加温室气体对北极臭氧的强大作用，Rieder等（2014）发现，只有将日益增加的臭氧层物质损耗限制纳入3月份才会导致臭氧损耗增加。我们将证明，不断变化的SST对极地温度的变化以及臭氧的影响较小，因此可能解释一些极端寒冷的冬季的趋势原因。

在介绍了本研究中使用的数据源和建模试验（第2节）后，我们研究了这些SST趋势对极地平流层条件的影响。具体来说，我们将展示这些SST趋势的净影响是冬季末期极涡的降温，这个时间段内极涡冷却了一半多。这些试验的新颖之处在于，我们可以将SST的贡献与所经历的全面变化区分开来，从而确定从辐射贡献到最近趋势的动态贡献（在这种分离具有一定程度上的物理意义，如第6节所述）。我们将会证明，只有SST发生变化的试验趋势可以达到所有强迫试验所模拟变化的一半。如果我们假设线性，这意味着温室气体和臭氧损耗物质浓度的影响等同于SST的影响。然后我们讨论发生这种情况的动态路径（第4节）。最后，我们分离了在最冷的冬季期间改变温室气体浓度和臭氧损耗物质对极地温度的影响，并讨论平流层爆发性增温（第5节）。

2、数据和方法

2.1. 数据

我们评估了卫星记录，再分析资料集和戈达德地球观测系统化学 - 气候模型第2版（GEOSCCM）的整合，在北半球冬季（11月至4月）的SST趋势和较低的平流层极地温度之间的联系。（Rienecker等，2008；Hurwitz等，2010，第2.2节）。由遥感系统制作的微波探测单元（MSU）数据集用于限制观测到的历史温度趋势（可在 http://www.ssmi.com/msu/msu_{d}ata_{d}escription.html处获取）。 具体而言，我们使用平流层下层的“温度较低的平流层”（TLS）产品（Mears 等，2003； Mears和Wentz，2009）。 MSU数据与美国宇航局现代回顾分析研究与应用（MERRA）（Rienecker等，2011）再分析结果进行比较。

GEOSCCM将GEOS-5大气环流模式（Rienecker等，2008）与全球平流层化学模块（Pawson 等，2008；Oman and Douglass，2014）。 该模型具有 72个垂直层，模型顶部为0.01 hPa，这里讨论的所有模拟都是在2纬度times;2.5经度水平分辨率下进行的。早期版本的GEOSCCM所代表的较低的平流层温度与SPARC-CCMVal（2010）的观测结果和CCM集合的多模平均值相比得到了高度评价。自提交给SPARC-CCMVal （2010）以来，对模型的主要改进，Oman和Douglass（2014）和Hurwitz等（2011）进行了描述，并且包括自发性的准两年振荡。

我们特别分析了两个试验组合，每组试验由10个成员组成。第一个是GEOSCCM集合，其中1979年1月至2009年12月观测到的海温和海冰强迫每次积分（我们使用HadISST1）（Rayner等，2003）。1979年被舍弃，因为转速上升，因此我们留下具有30多年的模型输出的。否则，没有外部强制变化。人为温室气体和臭氧损耗物质的大气浓度代表了2005年他在所有集体成员中的年份。2005年的臭氧损耗物质浓度代表了几乎所有这段时间内观测到的损耗臭氧层物质值（例如1980年或前工业时间值;见世界气象组织（2014年，图1-22）），并使我们能够将模拟趋势、观察到的趋势接下来将合力介绍。不考虑与太阳循环和火山气溶胶有关的可变性。在南半球重力波中，整体中表现非常轻微。通过将这10点结合在一起，我们对GEOSCCM中SSTs(和海冰)所强迫的变化形成了更有力的评估。 因此，在我们的图片中，我们强调集体成员对反应迹象达成一致的区域。我们发现，海冰变化遵循观测值，但我们的重点是在海表温度的趋势：一些研究发现，北极海冰的下降导致了温暖的晚冬极涡（例如，Peings和Magnusdottir，2014年；Kim等，2014年），而其他人似乎发现了相反的情况（例如，Scinonia等，2009年；Screen等，2013年；Sun等，2014年）。对GEOSCCM中极地平流层海冰影响的深入分析留待未来工作。关键是这些模拟将1980年至2009年海温的变化对极地低层平流层的影响进行了分离；此系综称为仅-SST集合。

图2.每个高度和月份的极地温度变化趋势（1980年1月至2009年12月） （a）MERRA，（b和c）来自每个集合的一个试验，以及（d和e）集合的平均值。图2a - 2c中等值线间隔是0.8 K /10年，图2d和2e中等值线间隔为 0.5K /10年，等值线等于0被省略。第2.2部分定义的显著冷却（升温）趋势用三角形（菱形）表示。 左侧纵坐标标签基于对数压力高度。

在第二个集合体中，辐射活性气体浓度（例如CO2，CH4，N2O和卤素）和SST都遵循1980年1月到2009年12月观测到的那些浓度。因此，模拟是由被认为是缓慢变化的边界条件对极地平流层气候影响最大。火山气溶胶，太阳辐射以及其他微量气体也会影响极涡，但在两个集合中都没有考虑。为了简单起见，这个集合被称为完全集合。虽然将大气趋势划分为SST驱动的成分，而完全变化有些人为，但由于规定的SST变化是随着大气直接辐射强迫的变化而发生的，因此这种划分是解决导致大气趋势物理机制的有效工具（Deser和Phillips，2009)。

图3.集合平均值（1980年1月至2009年12月）中极地臭氧的趋势。（a）显示等值线，plusmn;0.1，plusmn;0.2，plusmn;0.3，plusmn;0.4，plusmn;0.5，plusmn;0.6，plusmn;0.8和plusmn;1ppmv /10年。（b）等值线间隔乘以2（即plusmn;0.2，plusmn;0.4，plusmn;0.6，plusmn;0.8，plusmn;1，plusmn;1.2，plusmn;1.6和plusmn;2ppmv /10年）。等值线间隔的差异是由于集合中极地低平流层温度趋势相差近50％造成。零等值线被省略。集合成员之间趋势显著的区域用三角形表示。左侧纵坐标标签基于对数压力高度。

2.2方法

从1980年1月到2009年12月的趋势是使用月平均值的线性最小二乘拟合来计算的，除非另有说明。对于GEOSCCM目标集合，统计的稳定性是通过评估符合趋势的集合成员的比例来确定的。当10个集成中有8个集中符合趋势时，即会出现假象（Solomon等，2007）。 MERRA趋势，GEOSCCM单个集合成员以及MSU数据的趋势的统计显着性是使用双项t检验，并且考虑到因残差自相关引起的自由度减少，如Santer等（2008）。

我们将总热通量分解为波数分量，如Garfinkel和Hartmann（2008），并将其分解为（Va Tc），（Vc Ta）和（Va Ta）的单独贡献，下标c代表气候态，a是时间异常，括号表示纬向平均值，而星号表示纬向偏差。（Va Tc）和（Vc Ta）项表示时间平均波与异常（时间）波之间相互作用，而（Va Ta）表示波包的异常瞬时贡献。更多细节请见Nishii等（2009,2010）Smith和Kushner（2012）。

为了便于与以前的工作进行比较，Vpsc被定义为在Rieder和Polvani（2013）中的定义Vpsc = [0.8times;Apsc50hpa km2 0.2times;Apsc30hPa km2]times;5.06其中Apsc为30 hPa时193.61 K以下和50 hPa时195.59 K时的面积。尤其Rex等（2004）使用12月中旬到3月底Vpsc，而我们在冬季关注Vpsc，如Hurwitz等（2012）做的那样。

我们使用Charlton和Polvani （2007）的方法来定义GEOSCCM中的平流层突然暖空间（SSWs）。该模型能够再现观测到的SSW频率：在1980年至2009年期间，SSW观测频率为每10年6.9次，而20个全体成员平均为每10年6.3次。

  1. 北极温度和臭氧趋势

我们现在表明，在卫星时代，不断变化的SST一直是极地平流层趋势的重要贡献者。 图2a显示了MERRA的极地温度（70 N和极地面积加权面积）。 通过双项t检验，MERRA的春季降温趋势在95％的水平具有统计学意义（Bohlinger等（2014）发现）。 图2b和2c显示了来自GEOSCCM综合体的选定集合成分的类似趋势。选定的集合成分几乎捕捉到了MERRA中所看到的几乎所有的趋势。MERRA（观测）以及单个集合成分的趋势包含强迫变率和非强迫变率，并且由于我们的主要兴趣是分离变率的强迫分量，因此我们将重点放在本文余下部分的集合平均响应上。

在整体平均值中，晚冬/春季极涡冷却（图2d和2e）。 3月中旬的降温趋势在全强迫合奏中超过2 K / 10年，接近MERRA变化的幅度。SSTs似乎驱动了在整个强迫集合中看到的冬季末期极涡的较低平流层冷却的一半。虽然只含SST集合的冷却时间比一年前的一个月时间偏移，但是只含SST集合成分在春季表现出强烈的响应（图2b和2c）。最后，CCMVal2模型的历史Ref-B1积分的集合平均值（即使用历史观测强迫的瞬态积分）显示了冬季晚期的降温，但比这里显示的降低得多（未显示）。

表1. 基于现有观测的每个GEOSCCM集合和NIWA网格内插臭氧数据集极盖(70N以北)臭氧柱总量的年代际趋势(1980-2009年) （Dobson单位）。

a每个集合的均值以粗体显示；对于每个GEOSCCM集合，每个成分的趋势进行排名，并显示第二和第九排名趋势，以包含不确定性。

在整个集合强迫中看到的晚冬极涡的冷却，虽然只含SST的集合的冷却时间比一年前的一个月时间偏移，但是只含SST的集合组合的成员在春季表现出强烈的响应（图2b和2c）。最后，CCMVal2模型的历史Ref-B1积分的集合平均值（即使用历史观测强迫的瞬态积分）显示了冬季晚期的降温，

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