由AMO调制引起的ENSO-NAO间不稳定关系外文翻译资料

 2022-11-11 11:44:51

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由AMO调制引起的ENSO-NAO间不稳定关系

摘要

以往的许多研究表明，厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和北大西洋涛动(NAO)之间的关系存在很大的不确定性。本文在观测和再分析的基础上，研究了大西洋多年代际振荡(AMO)的年代际调制可能是造成ENSO-NAO关系非平稳的原因。研究发现，只有当ENSO和AMO处于同相(AMO /El Nino和AMO-/La Nina)时，冬末ENSO- NAO负相关才显著。然而，当ENSO和AMO处于非相位(AMO-/El Nino和AMO /La Nina)时，北大西洋上空没有明显的ENSO驱动的大气异常。进一步分析表明，热带北大西洋（TNA）海表温度异常(SSTA)在这种调节作用中起着至关重要的作用。由于广泛类似热带北大西洋海表温度异常对ENSO和AMO在冬末的响应， 当厄尔尼诺现象发生在一个正的AMO阶段,在热带北大西洋有一个正的海表温度异常,导致NAO显著减弱,反之亦然拉尼娜现象发生时AMO处于负阶段。相比之下，无论是热带北大西洋海表温度异常还是NAO，在ENSO和AMO的非相位组合下都没有明显的变化。对HadCM3耦合模型的历史模拟表明，AMO 调制和热带北大西洋海表温度异常的相关效应得到了很好的再现，并通过使用大气环流模型的强迫实验进一步验证了这一点。这些提供了希望，类似的模型将能够在适当初始化时为NAO做出预测。

1. 介绍

北大西洋涛动(NAO)作为温带北半球的主导低频大气环流变率，在全球范围内具有广泛而显著的气候影响。NAO解释了欧亚大陆和北美观测到的温度变化的主要原因 ,其年代际变化也在最近北极海冰浓度下降中发挥了作用 。到目前为止，人们越来越重视对NAO变化及其驱动因素的理解，以便改进对NAO本身的季节-年际预测及其相关影响。在年际尺度上，厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO)对NAO的可能影响进行了广泛的研究，因为ENSO是耦合地球系统中最大的年际变化模式之一。

ENSO对全球气候的影响主要通过所谓的大气桥梁机制。虽然北太平洋和北美地区对ENSO的气候响应已经被很好地理解,北大西洋-欧洲地区气候变化之间的物理联系仍然不清楚。早期的研究认为, ENSO的信号在北大西洋/欧洲的气候变化中几乎是缺失的 。随后的研究对这一观点提出了挑战，这些研究表明欧洲的ENSO信号虽然具有较大的事件间多样性 ，可能由于存在两种类型的 ENSO 和显著的次季节变化 。各种观测和建模研究表明，厄尔尼诺事件通常在冬季末与负的NAO大气异常模式同时发生，在北欧地区，厄尔尼诺现象比正常气候更冷、更干燥 。对拉尼娜现象的反应在信号上与厄尔尼诺现象大致相反。然而，关于ENSO相关的热带海洋表面温度异常如何影响NAO变化的动力学机制仍存在争议。有人提出，北太平洋上空的大气可作为连接热带太平洋ENSO相关非绝热加热和北大西洋上空大气环流异常的桥梁 。东太平洋和北美上空的ENSO强迫天气涡旋可以调节子午线天气波包在北大西洋的传播，有利于不同NAO阶段的发生。平流层也可作为连接太平洋盆地和大西洋盆地间的信号 。另外，已有研究报道ENSO峰后延迟的热带大西洋海表温度异常也会影响北大西洋的大气环流。

许多研究表明，NAO也表现出显著的年代际变化，可能与潜在的低频海温强迫有关。 NAO与大西洋数十年振荡之间的联系 已经被广泛探索，因为AMO被认为是北半球气候变化的一个重要驱动因素。一个正的AMO阶段通常伴随着频繁的负NAO的出现，因此欧洲和北美地区会出现更多的寒冷天气。因此，有必要假设AMO可能以某种方式调节ENSO-NAO关系。

由于在上述研究中，AMO对ENSO-NAO关系的任何调节都没有得到充分的阐明，因此在本研究中，我们基于长期观测数据集和模型模拟，研究了ENSO和AMO相位组合对NAO的影响。结果表明，AMO对ENSO-NAO关系有显著的调节作用。此外，还提出了AMO调制效应背后的物理机制。在本文剩余的文章中，第2节介绍了观测数据集、模型模拟和方法。第3节说明了AMO对ENSO-NAO 关系的调制影响。在第4节中，我们提出了可能的调制机制，并进一步利用历史上的HadCM3模型模拟以及基于地球物理流体动力学实验室(GFDL)全球大气模型2.1版的大气环流模型(AGCM)实验来验证我们的假设。最后，第五部分对研究结果进行了总结和讨论。

2. 数据与方法和实验设计

2.1数据与方法

本研究使用的月度数据集包括来自国家海洋和大气管理局(NOAA)扩展重建的海温分析，版本3 从1950年到2016年的全球海温。基于1950年至2016年的国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR) 月再分析数据和1900年至2012年的20世纪再分析月数据，对大气环流进行了研究。为了描述NAO相关的大气活动，NAO指数定义为北大西洋区(80°W-30°E) 35°N到65°N之间的归一化带平均海平面压差。AMO 指数是按北大西洋地区的平均海温异常来计算的(0°-60°N, 0°-80°W) 。

ENSO事件通常在北方冬季达到高峰，而NAO对ENSO 相对稳定的响应主要出现在冬末 。因此，我们使用12月、1月、2月(DJF) Nino3.4指数(SSTA averaged over 5°S-5°N 和120°-170°W)作为ENSO事件的度量，使用一月、二月、三月的NAO指数来表征NAO变化。还使用了12月、1月、2月 (DJF)AMO(对AMO指数计算的其他季节平均值，如1月、2月、3月(JFM)或12月、1月、2月、3月(DJFM)，不改变结论)。为了更好地分离AMO固有的十年信号，我们使用一个10年低通快速傅里叶变换(FFT)滤波器提取其低频变化性(AMO指数的其他滤波器，如9年和11年低通滤波器，不改变结论)。所有数据的线性趋势被删除，以避免可能的影响与全球变暖有关。定义ENSO事件的阈值为Nino3.4指数plusmn;0.5个标准差。利用该方法，我们识别了20个El Nino和24个La Nina winters(表1)，表1中的年份对应年(0)/年(1)，分别表示ENSO的发展和衰减年份。所有统计显著性检验均采用双尾学生 t检验。

我们还分析了Hadley中心耦合模型第三版(HadCM3)输出(1860-2005)，进一步验证了AMO调制对ENSO-NAO关系的影响。模型模拟被称为“历史实验”，由规定的历史气候强迫驱动，其中包括大气成分的变化、太阳能的强迫和土地利用。在研究中，我们选择了HadCM3模拟，因为该模型能够同时模拟AMO和ENSO。由于HadCM3是一个耦合模型，我们并不期望AMO和ENSO的相位与20世纪观测值相一致;在一体化开始的几年内，任何对最初状态的记忆都将消失。

2.2实验设计

为了检验AMO-调制对ENSO-NAO关系的影响，我们基于水平分辨率为2.5°经度times;2°纬度的GFDL AM2.1 ( The GFDL Global Atmospheric Model Development Team 2004 )进行了几次建模实验。作为参考状态，利用全球气候(月变化)海温强迫大气模型(CTRL)。此外,一群敏感性实验(PAEL、NAEL PALA and NALA)被设计(表2)。为了检查ENSO和AMO的结合影响, 在PAEL实验我们为 例子添加复合海表温度异常在从12月到3月的逐月气候态的海温在热带太平洋(30°S-30°N, 120°E- 90°W)和热带大西洋地区 (0 -30°N, 80°W -0)(表2)。其他三个实验(PALA,NAEL,NALA)和PAEL实验一样,除SSTA分别为AMO /La Nina、AMO-/El Nino和AMO-/La 167 Nina例子的复合材料外。每一项实验都进行了55年的集成，只有最后45年的集成被用来避免初始条件的任何影响。将各灵敏度实验值与CTRL平均值之间的差异作为特定的SSTA强迫效应。

3.观测到AMO 对ENSO-NAO关系的调制

图1显示了DJF Nino3.4和JMF NAO指数的时间演变。显著的年际变化性存在于这两个指数中，它们之间存在微弱的非相位关系(R=-0.15，在95% 置信水平下不显著)。有趣的是，负的NAO期通常对应于在正的AMO期的厄尔尼诺事件。大多数拉尼娜事件伴随着正的NAO期在一个负的AMO阶段。相反，在负的AMO期的厄尔尼诺事件和正的AMO期的拉尼娜事件中，NAO的反应是不一致的。看来ENSO-NAO关系依赖于AMO的阶段。

我们下一个根据AMO阶段把ENSO事件分为四种类型:也就是说,厄尔尼诺事件在一个正的AMO阶段(AMO /EI Nino)和厄尔尼诺事件发生在负的AMO阶段(AMO - /EI nino),拉尼娜事件发生在正AMO阶段(AMO /La Nina)和拉尼娜事件发生在负AMO阶段(AMO - /La Nina)(见表2)。图2显示了这样的组合在异常冬季SLP和850 hPa纬向风在北大西洋地区关于这四种例子。在北大西洋上空，AMO /EI Nino和AMO - /La Nina组合分别出现了明显的负向和正向的类NAO大气环流模式 (图2a和图2d)，尽管与常规的NAO模式相比，异常中心略有向西移动。尽管如此，对于 AMO-/El Nino和AMO /La Nina组合，北大西洋上空没有明显的类似于NAO的大气环流异常(图2b和2c)。可以看出，当ENSO和AMO 作为同相(非同相)组合时，NAO响应显著增强(减弱)。基于NCEP/NCAR 20CR再分析数据，结合其较长的数据周期，对AMO和ENSO的这种综合效应进一步进行了检验。同样，在ENSO和AMO的同相(非同相)组合中，我们也可以观察到显著的(非显著的)NAO样大气环流模式(图3)

上述分析表明，AMO在允许或拒绝ENSO-NAO关系中发挥了重要作用。为了阐明在不同AMO阶段不同NAO对ENSO响应的可能机制，在图4中，我们分别对AMO和ENSO指数的大气环流异常进行了回归，以确定是否存在相似性。根据AMO指数回归的大气环流模式类似于典型的负NAO样模式(图4a)，与之前的研究一致 。与此同时，与Nino3.4指数相比的海平面气压（SLP）和风异常在北大西洋上空也表现出相似的负NAO样特征。相比之下，50°N以北与ENSO相关的大气异常较弱，负NAO样格局不能向东延伸到更远处。ENSO相关的NAO异常仅由热带太平洋SSTA强迫的实验支持。与ENSO和大西洋北部AMO的大气响应大致相似，大西洋显示出ENSO和AMO对NAO变化的潜在综合影响。当ENSO和AMO发生同相组合时，NAO样 大气环流模式应该是强而显著的。然而，如果ENSO 和AMO以非相位组合的形式出现 ，则NAO的响应是不一致的，这是由于彼此的抵消作用造成的。

4.与AMO可能的调制机制

现在我们来探讨AMO 调制效应对ENSO-NAO关系的可能机制。图5显示了上述四种JFM海温和1000 hPa水平风的综合异常。厄尔尼诺期间SSTA在正的和负的AMO阶段在太平洋热带地区有类似的模式,展示在东太平洋变暖且周围的地区变冷，他们基本有相同的强度和中心(图5 a和c)。在正的或负的 AMO阶段拉尼娜事件也显示了相同的情况(图5 b和d)。因此,AMO 调制对ENSO模式和强度的影响似乎是可以忽略的，在本研究中没有考虑到AMO 调制对ENSO模式和强度的影响。然而，图5显示了北太平洋、热带和北大西洋中非常不同的SSTAs。考虑到SST的高背景，热带SSTA很容易激发局部对流异常，从而通过“大气桥”机制产生了热带外大气异常和更进一步的海洋异常。相比之下，中纬度地区的SSTA在海气相互作用过程中通常是被动的。因此，热带北大西洋可能是与ENSO相关大气异常AMO调制的关键区域。在这里，我们将热带北大西洋地区(5°N-25°N, 15°W-55°W)的区域平均SSTA定义为TNA指数，在图6中，我们将回归的SLP异常模式的空间格局显示在TNA指数上。我们发现了一个明显的SLP异常的南北偶极子，其中一个中心位于冰岛附近，另一个中心符号相反，横跨北大西洋中纬度20°N到40°N之间，类似于负的NAO型模式。这一结果与之前的许多研究一致 。Li等人(2007)提出的一种可能的机制是，TNA SSTA可以激发热带北大西洋上空的异常加热，这导致了一个Rossby波列向东北方向传播。然后，该波列导致在北大西洋急流出口区出现异常的瞬态涡旋活动。这异常的瞬态涡旋强迫作用与类NAO大气模式的时间平均流呈线性关系。因此，在AMO /El Nino和AMO-/La Nina组合中发生相对较强的TNA SSTA倾向于支持较强的NAO 响应。然而，在AMO-/El Nino和AMO /La Nina组合期间，TNA SSTA的缺失导致了NAO反应的不一致，且不强。

下一个有待回答的科学问题是，这种不同的TNA SSTA是如何产生的。许多先前的研究表明，由于热带东太平洋和大西洋之间的大气桥，在厄尔尼诺(拉尼娜)高峰之后，TNA SSTA趋于增加(减少)。因此，TNA SSTA被观察到滞后ENSO几个月。北大西洋JFM SSTA对DJF 260 Nino3.4指数的回归也证实了这一著名的ENSO遥相关效应(图中未显示)。同时，在北大西洋海域，AMO是一个盆域主导的海温模式，具有数十年的时间尺度。因此，当AMO和ENSO在同相阶段,这两个SSTA在叠加在TNA，因此有异常强劲的强信号(图7)。例如, 在与正AMO阶段相关的长期变暖的海温背景下,与厄尔尼诺相关的热带太平洋海温变暖进一步增强了已经温暖TNA SSTA(图5)。这个强大的TNA SSTA将导致一个显著的NAO响应在大气中。相反，当AMO和EN

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