北半球暖季季节变率和气候极值：稳定的Rossby波的作用外文翻译资料

 2022-12-05 16:44:57

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北半球暖季季节变率和气候极值：稳定的Rossby波的作用

齐格菲·舒伯特

全球建模与同化办公室，美国国家航空航天局戈达德航天中心，格林贝尔特，马里兰州

王海兰

全球建模与同化办公室，美国国家航空航天局戈达德航天中心，格林贝尔特和戈达德地球科学和技术中心，马里兰大学在马里兰州的巴尔的摩市的巴尔的摩县

马克思· 苏亚雷斯

全球建模与同化办公室，美国国家航空航天局戈达德航天中心，格林贝尔特，马里兰州

（2010年12月23日收到的稿件，2011年4月4日最终版）

摘要

本研究基于1979 - 2010年期间新的NASA现代时代研究与应用回顾性分析（MERRA），研究了北半球夏季亚季节大气变率的性质。 6月，7月和8月的季节性250 hPa经线y-风异常的分析显示不同的罗斯贝波状结构似乎由平均急流引导。在每月的季节性时间尺度上，主导波[250 hPa y风的前10个旋转的经验正交函数（REOF）]解释了北半球y轴上风变化的约50％，并且占30％（60％ ）在北部中高纬度地区的许多地区，包括美国北部大平原，加拿大，欧洲和俄罗斯的部分地区的降水（地表温度）变率。特别是第一个REOF包括延伸穿过北欧亚大陆的罗斯贝波，它是月表面温度和降水变率的主要贡献者，并在2003年欧洲和2010年俄罗斯热浪中发挥了重要作用。虽然主要是季节性的，但罗斯贝波有时具有大量的季节性平均组成部分。这通过REOF 4举例说明，其在美国1988年干旱（6月期间）和1993年洪水（7月期间）的最强烈的异常的发展中发挥了重要作用，尽管通过对季节性平均异常作出了重要贡献在后一种情况下有所不同。静态波模型（SWM）用于再现观测波的一些基本特征，并提供对强迫性质的洞察。特别地，对一组理想化的强制函数的响应被用于映射前导波的最佳强制模式。此外，利用基于MERRA的强迫估计来用SWM再现观测波的实验表明，波浪强迫由亚月涡度瞬变占主导。

1.介绍

北半球夏季的热带外环流缺乏强烈的急流和大幅度的驻波，代表了北半球的冬季气候。以及广泛的热带东风的存在，从而阻止热带地区的远程强迫，倾向于将北方夏季中纬度变异性限制到更多的局部/区域过程，在中尺度对流天气系统和陆地 - 大气耦合发挥重要作用（例如， Parker和Johnson 2000; Koster等人2000）。无论如何，夏季在月度时间尺度上表现出显著的变化性，包括极端热和洪水的时期，其有时似乎作为大陆 - 甚至行星尺度循环变化的一部分发展（例如，Carril等人。2007）。这种大规模夏季环流变化的性质，包括使它们的时间尺度远远超过当地天气过程的机制，目前尚不清楚。一个潜在的重要机制是Rossby波的传播，其中急流充当波导 - 已知是冬季环形远程连接的重要来源的过程（例如，Hoskins和Ambrizzi，1993; Branstator 2002）。

虽然对流层上部的夏季急流比典型的冬季急流弱，但现在有相当多的证据表明，夏季急流的经线梯度和近乎圆形的范围可能成为对于罗斯贝波的重要指南。 Ambrizzi et al. （1995）总结了与北方夏季波导相关的电气连接性以及朝向和远离波导的优选传播模式。 Newman和Sardeshmukh（1998）研究了太平洋 - 北美对远程低频强迫的响应的季节性，并表明这些变化与Rossby波导的形状和位置的季节变化有关。他们进一步表明，美国在西太平洋上空强迫反应的幅度在6月份可能比其他月份所反映的幅度更大。

在这项研究中，我们重新审视了冬季夏季[6月，7月和8月（JJA）]大面积对季节性季节（30-90天）时间尺度的地表温度和降水变化， 通过使用研究与应用现代回顾分析（MERRA）的结果（Rienecker et al。2011）。这项研究建立在一些早期研究的结果，这些研究结果发现夏季Rossby波在夏季极端气候中发挥了重要作用。例如，Namias（1983; 1991）发现，美国大平原上的一些温暖季节里的干旱，如1988年发生的干旱，往往与和罗斯贝波浪模式有关的上层反气旋相关。里昂和多尔（1995年）表明，1980年和1988年的干旱都与异常的平稳波浪模式相关，在北太平洋的明显的源区。 Chen和Newman（1998）认为与1988年干旱相关的强烈异常反气旋与来自西太平洋的传播性的Rossby波有关。Liu et al.（1998）使用线性稳定波模型来表明绝热加热和瞬变在与1988年干旱相关的季节性平均环流异常的发展中发挥了重要作用，而涡度瞬变主导着与1993年洪水相关的气候异常的强迫。 Lau和Weng（2002）和Lau et al.（2004）发现，北美和亚洲季风地区的夏季降水异常似乎与季节到年际时间尺度上复现的波列模式有联系。

丁和王（2005）分离了与印度季风相关的年际变化的北半球环球遥相关（CGT）模式。他们发现CGT具有优选的波数-5结构，这主要限制在与NH夏季急流相关的波导内，并且与西欧，欧洲俄罗斯，印度，东亚和北美的大陆地区的显著降雨和表面空气温度异常相关。他们认为与印度夏季风相关的热源可能在负责维持CGT。丁和王（2007）进一步表明，这样的CGT也在季节内时间尺度上运行。 蒋和刘（2008）发现了一个沿北大西洋西北部延伸到北美的一个季节性变化的波涛，这是一个将北美季风变化与北太平洋西部连接起来的巨大循环。Wang et al.（2010）发现，2009年6月美国中部西部山区的异常潮湿情况与环绕全球遥相关模式相关，他们的特点是沿着急流波导的短波罗兹波列，波数为波数-5结构。

在这项研究中，我们更一般地看待北半球罗斯贝波的特征，使用MERRA量化其结构和它们对季节性时间尺度上的表面气象的影响。静态波模型（SWM）用于表征前导波的强迫的优选区域的特征，并提供强制项性质的特征。第2节描述数据和我们的诊断方法。我们的诊断分析结果在第3节中介绍。第4节描述了SWM实验的结果与理想化的和基于MERRA的强迫估计。摘要和结论见第5节。

2.数据和诊断方法

分析基于MERRA（Rienecker et al.2011）。 MERRA是用Rienecker等人记载的戈达德地球观测系统数据同化系统版本5（GEOS-5）生成的。（2008），其中包括GEOS-5大气模型和网格点统计插值（GSI）分析系统，后者是由全球建模与同化办公室（GMAO）和国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家环境预示中心共同开发的系统。 GEOS-5同化系统包括一个增量分析更新（IAU）程序（Bloom等人，1996），它缓慢地把模型状态调整到观测状态。这有利于最小化水循环的任何不切实际的冲击（或旋转）。MERRA以1/2°纬度2/3°的分辨率运行，有72级并延伸至0.01hPa。有关MERRA的更多信息，请访问网站（http://gmao.gsfc.nasa.gov/research/merra/）。本研究使用标准月平均值（JJA）和每小时结果，在1979-2010年期间在1°纬度 times;1.25°经度的水平分辨率下提供42个压力水平。

除了MERRA，我们利用其他观测结果，其中包括Adler等人记录的月平均值（2.5°纬度到2.5°经度）全球降水气候学项目（GPCP，版本2）降水数据。 （2003年）和气候研究单位（CRU）每月平均地面气温产品（Mitchell和Jones 2005）。 CRU温度（版本TS3.0）在0.5°纬度的经度为0.5°的空间网格上。

通过使用旋转经验正交函数（REOF）来隔离每月平均值的250-hPa经线上y轴方向的风季节性变异的主要模式，其中使用varimax旋转（例如，Richman 1986）来帮助分离（地理上）前导波的结构。经过一些实验，我们发现，旋转前60个EOF产生稳定的结果（旋转过量对主导的REOF没有影响）。这些变异性模式与其他领域（例如降水和地表空气温度）之间的联系使用相关性和线性回归来确定。虽然我们选择使用y轴方向上的风是有些武断的，但我们确实发现，y轴方向上的风特别适合强调中纬度流动的波浪组合，REOF提供了一个非常清晰的描述Rossby波及其与急流的联系。事实证明，基于250hPa高度场的REOF（未示出）显示出类似的特征，尽管主要的REOF显示出一些更复杂的空间结构，其中包括一些模式的更大的纬向分量。

使用蒙特卡罗方法来确定相关性和重新加权的统计学意义，该方法模拟了用数据完成的计算。对于相关性，我们首先生成两组96个（3个月32年）具有零均值和单位变量的独立的，并且相同分布（iid）正态随机变量。然后，通过去除每组三个变量的平均值来计算“季节内”异常。接下来，计算两组异常之间的相关性。这些步骤重复1000次，所得的相关性从最小到最大排列。第25和第975值确定5％的显著性水平。对于回归，将iid变量缩放为与前导REOF相同的方差，然后将它们用作每个网格点的预先沉淀物或表面温度的预测值。执行1000次（对于每个网格点），并且值从最小到最大排序。第950（900）值是每个表面温度（降水）回归的5％（10％）显著性值。

3.基于MERRA的诊断分析

在本节中，我们研究了1979 - 2010年JJA月份季风时间尺度上对流层循环的变异性。 这包括评估循环变化的程度与表面温度和降水变化性有关。我们首先着重于250-hPa的y-风场 - 这个量可以清楚地显示对流层上部波动的活动。

图1是基于250hPa y-风相对于三个不同基点的滞后相关性的亚季风变化性的空间结构和时间演化的示例。结果基于使用对称的4极，低通切线 - 巴特沃斯滤波器（Oppenheim和Schafer 1975）进行带通（30-90天）过滤的日常场。当基点位于大平原中部时，相关性（在滞后零点处）显示出驻波的清晰特征，其横跨西半球的大部分，并且大部分嵌入具有区带波数-6的急流结构体内。对时间滞后的检查显示，能量以从西向东的速度移动，波群的速度为20-25米/秒。在没有滤波（未示出）的情况下获得类似的结果，尽管由于较高频率波的存在而使波的远场分量模糊，并且由于与较短空间尺度的混合，使其空间尺度略小于高频波。

在俄罗斯西北部（中间图）上的基点的结果显示出稍微不同的特点，虽然波再次具有固定的相位。在这种情况下，波浪能量沿着北美 - 大西洋急流移动，但随后似乎在急流出口区域分裂，大部分的波浪活动在北欧的欧亚大陆（急流以北）的一条路中,并且向东北方向移动，其中纬度波长为90度。一些波浪能量向南和向东移动（最初在南非北部的非洲），仍然有效地存储在亚洲急流中。该结果在未过滤的数据（未示出）中也是类似的。右图显示了如果基点在里海向南移动时体现的结构。在这种情况下，波浪能量几乎完全限制在急流中，波浪从欧洲横跨南部的欧亚大陆并一直延伸到太平洋。

上述结果表明，在急流中或急流附近，整个半球上不同基点所获得的结构和演变，这反映出大多数基点受限于急流的波活动（例如，图1的左图）。特例主要是在北大西洋附近的急流出口区域附近的基点，其中一些基点的（如果不是大多数）能量似乎可以传播到急流的北部（例如，图1的中间面板）

图1. 1979 - 2010年JJA的MERRA 30-90天过滤的250 hPa风的滞后相关[（从上到下）-8,-4,0,4和8天]。相关性是相对于 （左）40°N，260°E，（中）65°N，60°E和（右）40°N，50°E处的250hPa-y风指数。 深灰色轮廓显示长期JJA平均值（1979-2010）250 hPa u风15，20，25 m /s。

我们注意到，基于保留10-30天的过滤器的结果（未显示出）也给出了罗斯贝波的清楚证据，但是在这些时间尺度上，空间尺度有些更小，还有明显的向东相位传播的证据。我们将在静态波模型的上下文中进一步讨论静态Rossby波的特性。

在下面，我们将重点分析月平均量。我们对这种情况下季节变率的估计是基于每月的长期平均值和任何特定年份的季节性（JJA）平均值的月平均偏差。特别地，在夏季（JJA）季节的平均V的总月平均方差可以被分解如下：

其中划线表示特定月份的长期均值（1979-2010），主要是与长期均值的偏差。 此外，尖括号表示季节均值（JJA），星形是与季节均值的偏差。 右边（rhs）第一项是季节均值的年际变化异常，而右边（rhs）的第二项是季节方差 - 我们的主要焦点。

图2. 1979 - 2010年期间JJA月平均250 hPa y-风异常的变化。 总季节性月平均方差被分解为季节平均异常的月平均值的（上）季节内方差和（下）年际方差。有关详细信息，请参阅文本。单位是（m /s）sup2;。

图2显示了在图一的rhs上，两个项的无偏估计。结果显示了季节方差的优势（图2的上图），突出了这些时间尺度的性质，从而增加我们对北方夏季的变异性的了解。虽然这里的重点是北半球，但我们注意到，南半球也显示了在30°和60°S，特别是在太平洋地区横跨全球的广泛区域有很高的季节变率，这与Rossby波的重要作用一致（例如， Ambrizzi等人1995）。在北半球，局部最大值出现在北大西洋东部，北欧，乌拉尔山，俄罗斯东北部（仅在韦尔霍扬斯克山西部），阿留申群岛南部的一个地区，还有西部和东部北美的海岸。有一些证据表明，南部欧亚大陆有一个相对差异较高的次级航迹，局部最大值位于里海附近，位于天山山脉以西70°E和40°N附近。后者被丁和王（2005）确定为与本研究中提到的全球远程连接模式相关的年际变率的潜在重要区域。与它们的结果一致，我们还发现该区域具有显著的年际变异性（图2的下图）。一般来说，季节平均异常的年际方差是季节方差的较弱形式，然而，地理分布趋向于与季节内方差成正交（最大值倾向于落在相应的亚季节最大值的东部）。这表明年际变率不仅仅是季节内方差的统计残差。上述方差的地理

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