印度洋偶极子经由印度尼西亚贯穿流对ENSO的影响：敏感性实验结果外文翻译资料

 2022-12-03 11:36:15

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印度洋偶极子经由印度尼西亚贯穿流对ENSO的影响：敏感性实验结果

摘要

使用平行海洋计划（POP2）海洋大气循环模型的版本2来研究印度尼西亚通流（ITF）在印度洋偶极子（IOD）对ENSO的影响中的作用。我们通过观察以及耦合循环模型的模拟证明了正负IOD敏感性试验中的结果。通过关闭大气桥，同时保持热带海洋通道，证实了IOD强制对次年ENSO事件的影响，并强调ITF的作用。在IOD正位时，印度洋东部出现负海面高度异常（SSHAs），表明存在上升流。这些上升流异常通过印度尼西亚海域进入西热带太平洋，导致那里出现冷异常。如同模式中次年一样，这些温度的负异常进一步蔓延到赤道东太平洋，最终导致一个拉尼娜产生。相比之下，在IOD负位相时，印度东部出现正海面高度异常（SSHAs），导致下沉流异常，也可以传播到西太平洋的次表层并进一步向东传播。 这些下流异常引起了ITF的负异常，并如同模式中一样，在赤道东太平洋产生了一个持续到次年的厄尔尼诺事件。 正负位相IOD事件经由ITF对ENSO的影响是对称的。 最后，我们还估计了，通过ITF，IOD强制在解释与ENSO相关的太平洋变率方面的贡献。

  1. 引言

厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）是热带太平洋地区最重要的海-气相互作用现象。ENSO的发生导致全球极端天气和气候事件，导致严重的自然灾害(Wang et al., 2000; Diaz et al., 2001; Alexander et al.,2002)。 因此，为准确预报，研究ENSO的动态就非常重要(Latif et al., 1998; Chen et al., 2004; Jin et al., 2008; Luo et al., 2008;Tippett et al., 2011)。

印度洋偶极子（IOD）是一种海-气耦合现象。一些研究认为，IOD依赖于太平洋海-气相互作用（Allan et al.，2001; Nicholls et al.，2001; Baquero-Bernal et al.，2002; Lau and Nath，2003），而另一些人则认为它是独立于ENSO的固有物理实体（Saji and Yamagata，2003; Behera et al.，2006; Luo et al.，2010）。 无论如何，IOD可以受到ENSO事件的影响（Nagura and Konda，2007; Schott et al.，2009; Luo et al.，2010; Roxy et al.，2011）。

有研究表明，ENSO的统计学预测(Clarke and Van Gorder, 2003; Izumo et al., 2010;Izumo et al., 2014)和动力学模型(Luo et al., 2010)通过加入印度洋信息得到改善。例如，Izumo et al.（2010）通过采用相应的北方秋季偶极子模式指数（DMI）和温水量（WWV）作为预测因子，以14个月为前置时间，预测了1981 - 2009年期间的ENSO峰值。他们还将这一结论延伸到了1872-2008年期间的ENSO预测（Izumo et al.，2014），并且发现与印度洋流域模式（印度季风）或ENSO指数本身相比，DMI对提高ENSO预报能力有更大的帮助。这些结果意味着IOD可能会显著影响ENSO的可预测性。此外，大气桥被认为是IOD对ENSO影响的主要贡献者（Alexander et al.，2002; Annamalai et al.，2005; Kug and Kang，2006）。印度洋与太平洋之间的齿轮式耦合（GIP）是解释热带印度和太平洋气候系统之间相互作用的另一种机制（Wu and Meng，1998）。敏感性实验表明，通过GIP，由区域风应力异常强迫的一个海盆的海-气相互作用可能导致另一个海洋中的海-气相互作用，最终导致SST异常（Meng and Wu，2000）。

通过计算观测时间序列滞后相关性，Yuan et al.（2013）最近表明，IOD对ENSO的影响可能是通过印度尼西亚通流（ITF）发生的，这是热带印度洋与太平洋之间唯一的海洋通道。早些时候，他们也用封闭的大气桥进行了GCM敏感性实验，连同观测事实一起证实了他们的假设（Yuan et al.，2011）。结果表明，ITF可以在下一年将IOD事件强迫传入赤道太平洋。然而，值得注意的是，Yuan et al.（2011）仅研究了一次IOD事件（1997年）对次年太平洋海-气耦合系统的影响，并利用LASG（大气科学与地球物理流体力学数值模拟国家重点实验室）IAP、气候海洋模型（LICOM）和耦合模型。此外，1997年IOD活动是一个强的正位相事件。在本文中，我们想知道海洋计划（POP2）海洋大气循环模式（OGCM）的另一个海洋模式 - 版本2是否显示正IOD事件和随后的拉尼娜状态之间类似的关系。像ENSO事件一样，IOD事件也具有显着的不对称性（Hong et al.，2008a; 2008b）。因此，我们还想知道负IOD事件如何影响太平洋的ENSO：它是否与正IOD相反？还有，IOD强制在多大程度上有助于与ENSO相关的太平洋变率？这些问题将在本研究中得到解决。

本文的其余部分安排如下。 第2节描述了本研究中使用的模式和数据。 第3节中介绍了实验方法。第4部分对ITF在向太平洋输送IOD强制的作用在进行了调查。第5节估计了经由ITF，IOD强制对与ENSO相关的太平洋变率的贡献。 第6节，总结和讨论。

  1. 模式与数据

POP2 OGCM（Danabasoglu等，2011）最初在洛斯阿拉莫斯国家实验室开发，但是随着近来参更多数化研究工作被国家大气研究中心加入，这也被用于本研究。 它是一个具有60个级别的z级静水压原始方程模型。 垂直间距在表层为10米，并随深度而变化。 赤道地区的标称水平分辨率为1°times;1°，热带地区的纬度为（1/3）◦经度为1°，经度为高度分辨率。

图. 1.在CESM1.0.3控制运行模拟ENSO和IOD（年份0051-0150）。 （a）Nitilde;no3指数和（b）DMI。 （c）来自耦合模式的14个正/负IOD事件（虚线）（粗体显示）。 （d）每月平均气候ITF运输量。

所使用的观测数据来自协调海洋研究实验（COREv2）的版本2，水平分辨率为1.9◦（lat）times;1.875◦（lon）。 相关变量包括：大气强迫降水;空气绝对湿度;海平面压力;空气温度;风速; 长波向下，短波向下，短波向上辐射。 所有这些强制数据来自地球物理流体力学实验室（GFDL）网站（http://data1.gfdl.noaa.gov/nomads/forms/mom4/COREv2.html）。 也使用TOPEX / Poseidon卫星任务的观测海面高度（SSH）。

由于观察记录较少，我们还使用从耦合的大气循环模式长期运行中提取的强制数据。 由于CESM（CESM1.0.3）（CESM1.0.3）的1.0.3版本（使用POP2作为其海洋部件），模拟了ENSO（Deser et al.，2012）和IOD，并提供了可接受的ITF模拟(Large and Danabasoglu，2006; Jochum等，2009），采用该耦合模型的输出来验证观察结果.ESM1.0.3已经整合了150年，前50年（0001-0050年） ）由于模型的初始调整而被丢弃。耦合模型中的模拟ENSO具有3-6年的时间（图1a）异常赤道纬向风应力的合理幅度和纬度宽度。由CESM1.0.3建模的厄尔尼诺事件，和观察到的ENSO事件一样，也在历年末期达到顶峰。模拟的IOD具有1-2年的时间（图1b），通常在北方的秋天达到峰值，在北方冬天衰减（图1c），并且粗略地捕获观察到的IOD事件的特征。因为6◦S部分经历了三个主要渠道 - 龙目海峡，Ombai海峡(阿洛-东帝汶之间)和帝汶海 - 这项研究中的ITF被定义为从115°E到130°E印度尼西亚海上700米6°S区间的流量。 ITF运输量的气候态月平均资料（图1d）也具有重要的季节性信号，夏季达到高峰，冬季衰落。该功能与其他OGCM仿真产品（Lee et al.，2010）和观察结果（Wyrtki，1987; Meyers et al.,1995; Shinoda et al.,2012）相一致。基于这一分析，我们承认模拟的ENSO，IOD和ITF适用于调查ITF在连接印度洋和太平洋海洋中的作用。

图. 2.OGCM模拟中，在印度洋（等值线间隔：2厘米）和太平洋（等值线间隔：等距离：2厘米）的七月（0）至四月（1）期间，观察到的正IOD事件带来的大气压强迫主导的敏感性试验和控制实验之间的SSHA 。

  1. 敏感性试验设计

我们使用POP2 OGCM进行数值实验。该模式首先与60年的气候强迫整合，以下称为“控制实验”。然后，敏感性实验在57年底进行，用IOD年的日常风应力和热通量取代印度洋强迫。 因此敏感性实验和OGCM控制实验之间的差异代表了非耦合配置中IOD风和热通量异常强迫的印度洋循环的年际变化，即IOD通过印尼通道对太平洋的影响 在这项研究中，我们将重点放在敏感性实验和OGCM控制实验之间的差异，以探索ITF在正负IOD事件影响与ENSO相关的太平洋SST期间发挥的作用。 为了简单起见，我们使用术语“异常”来表示这些差异。

对于观测运行，1970 - 2000年期间的平均大气状态（见第2节）被用作气候强制。使用与1982年，1983年，1991年，1994年和2006年的正IOD事件年度相关的大气日强迫以及1975年，1980年，1981年，1989年和1992年的负IOD事件年。对于模式数据，使用CESM1.0.3（如图1c）所示的连续长期运行的14个正IOD事件和14个负IOD事件的大气数据和对照运行的100年的平均值分别作为日强迫和气候强迫。

  1. ITF在传递IOD强迫到太平洋方面的作用

首先，我们比较了POP2模拟与Yuan等人的模拟结果.（2011）在描述1997年正IOD事件活动期间ITF的作用。 与1997年正IOD事件相关的敏感性实验表明，通过ITF可以在次年导致拉尼娜样模式，与Yuan等人的结果非常一致。 （2011）（简而言之，这里省略细节）。 在建立了这一良好共识之后，我们继续通过对IOD强迫使用POP2进行更敏感的实验来模拟ITF在传递正IOD事件对太平洋SST影响方面的作用。 特别是，我们研究了ITF在传递负IOD强迫在太平洋SST方面的作用。

4.1. ITF在传递正IOD强制到太平洋上方面的作用

4.1.1. 在正IOD事件期间观察到的大气强迫敏感性实验

首先，我们使用观测到的大气气候态强迫POP2模式，产生控制实验。 然后，使用观测到的逐日热通量和正IOD年（1982,1983,1991和2006年）及其随后的几年作为印度洋的外部强迫而得到两年灵敏度实验，同时保持大气气候态对其他海盆的强迫。敏感性实验和控制实验之间的差异是所谓的异常，包括SSH异常（SSHAs）和海面温度异常（SSTAs），以确定ITF在IOD对与ENSO相关的太平洋SST的影响中的作用。

图2显示了印度洋和印度洋太平洋地区从7月（0）到4月（1）的观察到的正IOD强迫期的复合SSH异常（“0”和“1”分别表示IOD年份和随后的一年）正IOD的发生带有西印度洋的正SSHA，东部负SSHA; 印度洋东部的负异常表示有一个下沉的温跃层和上升流。 8月（0），上升流异常扩大并运送到太平洋，并在次年坚持赤道太平洋。SSHAs表明，敏感性实验和控制之间的差异源于大气桥关闭而ITF仍然存在。 从印度洋到太平洋的负SSHA的传播证明了ITF在连接印度洋和太平洋年际异常方面的作用。

图. 3. ITF异常（a）体积运输和（b）观测到的正IOD强迫的敏感性实验与OGCM对照运行（虚线）之间的热通量运输差异。 实线粗体代表平均值。

6°S下ITF体积和热传递异常情况如图3所示。如果ITF的异常是正的（负），那意味着温暖的水池就会向（从）印度洋消耗（得到）更多的热量和WWV，这意味着将印度洋的冷（暖）温度异常传播到太平洋 。 在正IOD活动期间，ITF的异常在8月（0）开始，在12月（0）达到高峰期，在冬季衰减，并在3月（1）逆转为负。 ITF的正运输异常导致印度洋东部到太平洋的冷海温异常，从而在太平洋引起了一个类似拉尼娜的状态。

图4绘制了太平洋赤道垂直剖面的地下温度异常情况。清楚地显示，由于ITF异常，8月（0），西太平洋地区冷的次表层海温异常首次出现。 这些冷的异常然后传播到东太平洋，维持一个拉尼娜般的冷状态，直到次年。 这些冷的次表层温度异常的传播也表明ITF在正IOD强迫期间发挥作用，从而对下一年的太平洋拉尼娜事件产生影响。

图. 4.在2月（0）至6月（1）期间，通过观测的正IOD强迫的敏感性实验和控制实验，得到太平洋赤道垂直剖面中的复合OGCM模拟海温异常（单位：◦C）。

4.1.2.正IOD事件期间，CESM1.0.3大气强迫下的敏感性实验

与IOD事件相关的观测历史较短。 因此，为了进一步验证4.1.1节的结果，我们使用耦合模型CESM1.0.3的输出来重复实验。 基于耦合模型输出中的100年时间序列SSTAs，并提取大气强迫场，共选择14个正IOD事件（见图1c）。除了从CESM1.0.3的长期运行的100年时间序列中提取气候强迫和正IOD大气强迫， 所有敏感性实验都使用4.1.1节描述的相同实验方法完成。

类似于4.1.1节的结果，夏季东部印度洋建立了负的SSHAs，表明引起了冷异常的异常上升流。 这些上升流异常和SSHA通过印度尼西亚海域传播，导致热带西太平洋次表层温度异常（图5）。 这些寒冷的异常传播到热

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