RQL's Blog 菜鸟成长记

东亚急流与亚洲-太平洋-北美冬季气候异常的关系

2018-07-31
renql

师兄建议要多看老板的文章,这才发现自己好像没怎么读过老板的文章,除了那篇非常著名的《Monsoon and ENSO: selectively interactive》(1992)外就没有看过其他文章。于是上网去搜了老板有哪些文章。
老板简历,从中挑选高引用文章看。

先看了下面这一篇讲亚洲-太平洋-北美冬季风的文章,感觉格局非常的大。且该文是2002年发表的,看到那时老板的归属部门还是 NOAA/NWS/NCEP Climate Prediction Center, Camp Springs, Maryland

Yang, S., et al. (2002). “Variations of the East Asian jet stream and Asian-Pacific-American winter climate anomalies.” Journal of Climate 15(3): 306-325.

链接:https://journals.ametsoc.org/doi/full/10.1175/1520-0442%282002%29015%3C0306%3AVOTEAJ%3E2.0.CO%3B2

因为文章比较长,因此下面主要记录了我认为比较有意思的内容,至于具体的图片可以上官网查看。

abstract

利用NCEP-NCAR再分析资料和其他观测资料,通过东亚急流来描述亚洲-太平洋-美洲的气候关系,主要强调北半球冬季及年际变化
分析了EAJS的变化及其与ENSO、中高纬度北太平洋海温的关系,评估了EAJS及ENSO与异常大气环流、表面温度、降水的相对关系。

发现东亚急流与一个横跨亚洲-太平洋-北美洲的遥相关模态关联。该遥相关的最强信号位于亚洲和西太平洋。该模态与和ENSO相关的模态显著不同,因为与ENSO相关的模态主要影响中东太平洋。

强的东亚急流通过加深东亚槽、阿留申低压、加强东亚冬季风使得亚洲天气和气候变得剧烈。
同时,他还与东亚的更干冷状态及赤道亚洲澳洲的强对流有关。
此外,他还通过静止波的变化与北美温度及降水相关联

虽然EAJS与赤道中东部海温的关系不大,但与中高纬度北太平洋海温显著相关。更确切地说,它与太平洋SST地EOF第二模态显著相关。当东亚急流强时,西太平洋SST的径向温度梯度也增强,即热带副热带海温增暖,热带外海温变冷。

1. Introduction

东亚急流(EAJS)是亚洲-太平洋区域的而主要环流系统,与很多天气尺度现象密切相关,例如气旋生成、锋生、季风、阻塞和风暴轴活动。

以往的研究都主要关注于东亚急流的季节循环、年际变率或更长时间尺度的变化,及其于亚洲-太平洋气候的关系。很长时间以来都认为东亚急流的季节变化标志着亚洲大气环流的季节突变。东亚急流的变化伴随着很多气候信号,包括东亚季风异常。有很多研究东亚急流与地表边界层强迫的关系以及试图理解东亚急流与其他气候系统的遥相关。一般认为山地和海陆热力对比是作用于东亚急流的基本强迫。亦有证据表明东亚急流的变率于Hadley环流、热带非绝热加热(尤其是海洋性大陆和西太平洋地区)有关。也有很多研究表明EINino冬季急流强度会增强并东移。

尽管关于东亚急流变率及其对天气气候的影响的研究已很广泛,但依然有很多未解的问题:

  1. EAJS与气候异常(例如ENSO)在年际尺度上的关系未被揭示,尤其是东亚急流的影响与ENSO的影响的相对关系。事实上,我们对东亚急流及其与其他气候系统的联系的理解很大程度上受以往研究的限制,而以往的研究又受到长期观测资料缺乏的限制。自从1980s年代中期意识到EINino事件的重要性后,以往对亚洲-太平洋气候的研究兴趣都转移到理解ENSO的影响。因此,研究东亚急流对气候变率的影响的工作越来越少。
  2. 造成EAJS年际变化的物理机制还不清晰。大气环流模式的集合实验表明热带外气候的预测能力一般低于热带,尤其在非ENSO年。特别的,东亚急流变化的特征是具有很强的自然变率。然而,其变化是否完全与地表强迫无关呢?如果有关系,这个关系有多强?而这个强迫可能是局地的,也可能是遥相关的,可能是SST的变率或陆地过程的变化,可能与ENSO关系不密切。一系列工作研究了北太平洋热带外SST与其上大气环流(不止东亚急流)的关系,然而目前并没有统一的结论。一部分研究认为北太平洋热带外SST的变率是对其上大气的响应,而其他学者则认为SST可以强迫或至少反馈大气环流。Robinson(2000)年回顾到大气对热带外SSTA的响应很弱但不可忽略。

在本文中,

  • 首先会描述ENSO与EAJS变率之间的关系,这个以往经常被ENSO和中太平洋对流层上层风场的关系所掩盖。
  • 其次,描述分别与ENSO和EAJS相关的大气及海洋特征
  • 接着,评估EAJS和ENSO在连接大尺度和区域气候中的重要性
  • 同时,调查EAJS和北太平洋海温在赤道外的关系,但没有指出具体的海气相互作用过程。

This study differs from previous studies in several aspects:

  1. 利用更长时间尺度的数据来探究EAJS年际变率及其与气候信号的关系,这在没有再分析数据的时候无法做到。
  2. 研究了EAJS和ENSO与亚洲-太平洋-北美洲气候异常的相对关系
  3. 从EAJS的角度提供有利于理解亚洲和北美洲气候异常关系的信息

2. Datasets

  1. NCEP-NCAR 1968-2000年的风场、位势高度场、温度、海平面气压。虽然该再分析数据是从1948年1月开始的,但1968年以前亚洲的数据质量比较低。
  2. NASA GISS 1968-1999年 月平均的地表温度。
  3. CPC的CMAP(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)降水数据 1979-2000
  4. 英国Climatic Research Unit (CRU)的陆地降水和陆地地表温度
  5. NCEP重构的SST和SOI指数

3. EAJS and ENSO associated teleconnection patterns

首先利用东亚急流(即冬季西风急流)大值区的分布区域,定义了一个基于区域(30–35N,130–160E)平均U200的EAJS指数,用以描述西风急流的强度fig2

  • 随后利用SOI指数及EAJS指数分别与DJF的U200空间场做相关,发现两者的相关模态显著不同。fig1,3
  • 且这两个相关模态分别与U200的EOF第一第二空间模态相对应,表面两者的正交性。 fig5
  • 利用强EAJS、弱EAJS及EINino、LaNina年做合成得到的U200异常场也与上述空间场类似。fig4

此处觉得特别神奇,用了三种不同的方法,但最后得到的结果是一致的,都表明EAJS的变化与ENSO关系不大,且SOI与EAJS核心区域U200的相关系数接近于0。

此外还发现西风急流年际变率最大处不在急流核处,而是位于中东太平洋的热带和副热带区域。而亚洲区域U200的年际变率很小,有学者认为这是因为青藏高原的作用。

4. EAJS and Asian–Pacific–American climate

4.1 Broadscale circulation patterns

对比了强EAJS、弱EAJS年和EINino、LaNina年冬季的H500差值场,发现EAJS对应的H500变化幅度更大fig6
随后还计算了准静止波通量(基于Plumb,1985),这个就完全不懂了,打算有时间学习一下,fig7

4.2 Regional-scale features

(low level circulation systems, surface temperature and precipitation)
利用回归与合成的方法研究了EAJS与底层风场、地表温度和降水的关系,期间还定义了一个东亚冬季风指数
In this study, we measure the monsoon’s variability by constructing a time series from the DJF V850 that is averaged over the domain of 20–40N, 100–140E, the core region of the monsoon.

发现冬季西伯利亚高压和EAJS的相关性较好,和ENSO的相关性不高
亚洲冬季风指数与EAJS的相关性(-0.67)比SOI的相关性(-0.32)好。EAJS强的时候,亚洲冬季风也强。EINino年,冬季风弱,但是LaNina年变化不明显
利用合成的方法,发现EAJS强年,东亚偏冷偏干,北美洲西部偏暖偏干、东部偏冷偏干,海洋性大陆对流增强

由于数据有限,相关性或许不能说明什么,但从上面这所有相关图中可以表面一个特征,即EAJS在中高纬度地区的信号要强于ENSO

dynamical:EAJS强年,亚洲大陆高压增强,冬季风环流增强,因而使得Hadly环流增强,海洋性大陆对流增强。这个似乎与我要做的Indian-Australian monsoon有关,即东亚冬季风增强时,Australian summer monsoon也增强
此外,EAJS强年,北太平洋东部异常南风使暖空气得以到达北美西部,同时组织风暴从西部入侵北美,因此北美偏暖偏干。

5. Linkage between EAJS and North Pacific SST

因为EAJS和TS的相关图中,在北太平洋区域有很好的相关性,因此猜想EAJS和北太平洋海温之间存在关系。不过不能理解的是,就算两者之间存在相关性,为什么要通过EOF来分析两者之间在模态上的相关性呢?
对北太平洋海温做EOF,发现PC1和SOI的相关性非常好,PC2和EAJS的相关性非常好,以此说明NPSST第一模态主要反映ENSO信号。
同时再用PC1和PC2分别和DJF U200做回归,发现分别与用SOI和EAJS做的回归场类似
随后又用合成方法查看了和EAJS相关的冬季DJF及前期秋季SON的NPSST变化的幅度,但是这里存在一个问题,即这样变化的海温究竟会对接下去冬季的EAJS产生怎样的影响,或许可以通过加了上述异常海温信号的GCM模拟来揭示。

6. Summary and discussions


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