RQL's Blog 菜鸟成长记

季风与ENSO的选择性相互作用

2019-06-08
renql

Webster&Yang 1992,Monsoon and ENSO selectively interactive systems

三读该文的一些想法:

  1. 后续是否有文章研究Walker环流的年变化。为什么夏季Walker环流会减弱,赤道纬向气压梯度力可能反向?是否因为夏季Walker环流的位置发生变化?这个问题或许可以画一下海平面气压梯度分布图来看一下(纬向or矢量)

abstract

为解密耦合气候系统中年际变化的物理过程,本文希望构建一个合乎逻辑的框架。 最感兴趣的则是北半球的春季预报障碍SPB——即观测与预报的相关系数在春季急剧下降。 很多模式都会出现该障碍,无论预报的初始时间从何时开始。 很多用于年际预报的模式都会通过封装ENSO结构来强调太平洋的耦合作用。

猜测造成春季预报障碍的因素有: (question:这个预报障碍,是针对什么得预报障碍呢?)

  1. 海气耦合模式中的计算误差在春季急剧增长;
  2. 海气耦合模式未包含一些我们目前还没有想到的其他系统的影响

相关系数急剧下降时期,赤道气压梯度最小(question:是经向气压梯度还是纬向气压梯度呢?且为什么气压梯度弱海气相互作用就弱呢?),表明此时海气间的相互作用最弱从而受误差的影响增加。且此时南亚夏季风快速发展。由于季风环流在位相和强度上存在明显的年际变化,故海气系统在春季可能受任意变化的外力驱动。

夏季风指数的变化与大尺度的向外长波辐射场变化一致。值得注意的是,强季风时期,夏季信风也增强(question:但这里不能说谁先谁后,谁影响谁),从而改变太平洋海表面的风应力。因此可以在太平洋检测到异常季风的信号。
基于夏季风指数,将强季风年和弱季风年环境场做合成。

观测中季风与walker环流存在正交性,表明两者可能存在选择性相互作用。春夏季,季风控制了近赤道地区的walker环流。秋冬季,季风减弱,对流靠近赤道地区,随后Walker环流增强同时控制冬季风。(question:秋冬季,对流靠近赤道地区,这应该不是季风的影响吧,不应该是太阳直射点移动使赤道地区加热增强的原因吗?)

1 Introduction

科学问题

  1. 热带春季有何特殊之处,为何会有预报障碍
  2. 预报障碍的产生究竟是由于模式精确度低或过于简化造成,还是自然界本身就存在
  3. 大尺度季风系统与ENSO的相关性究竟怎样
  4. 季风的振幅和位相如何变化?其变化是否可以定量化?这需要定义一个大尺度季风强度指数
  5. 大尺度季风变化的可预报性,是否还有其他预报因子
  6. ENSO的高频信号来自哪里?这些高频分量是否预示年循环可能对ENSO有调制作用

文章结构

  • 第二部分考察了春季环流的特征,提出了两种预报障碍存在的假设
  • 第三部分,提出了大尺度季风强度指数
  • 第四部分,考察了季风指数与SOI间的同时相关,第五部分则考察了滞后、超前相关
  • 第六部分,查看了季风强年和弱年的环流年循环
  • 第七部分,提出了选择性相互作用的概念,并提出系列数值实验以验证猜想

2 Aspects of the Annual Cycle in the Tropics

存在预报障碍的原因可能有:

  1. 在每年的特定时刻存在异常强迫,该异常强迫与季风爆发有关,即季风的变化预示着全球其他区域环流的变化
  2. 在每年的特定时刻,系统变得异常脆弱(赤道纬向气压梯度力减弱),使得误差或噪音得以发展,这个噪音可能是季风的变化、中高纬大气的天气尺度扰动。

如果这个噪音是季风环流的变化或者是其他大尺度的确定现象,且可以证明有一个确定的关系在季风和ENSO的周期之间,那么可以寻求一个物理过程来解释它,从而提高可预报性。
然而,如果不能证明季风位相、振幅与ENSO特征之间存在线性关系,或者似乎不可预测的事件(例如温带天气噪声)是ENSO周期的主要摄动因子,那么春季预报障碍就是一个自然存在的现象,不管模式越来愈好,也无法克服这个年际预报障碍。也就是说年际变化的预测会被年循环限制。

季风与 ENSO 的选择性相互作用:年循环和春季预报障碍的影响

很奇怪,这篇文章中DKQ竟然是通讯作者。问了其本人,才知道原来综述类文章一般都是由导师为一作。

文章先是介绍了提高季风可预报性的重要性。随后又讲了发现ENSO的历史,此处很有意思,罗列如下:

  1. 1924年,Walker首次提出南方涛动SO的概念,即澳大利亚与阿根廷两地气压存在反向变化的关系
  2. 与此同时,人们发现太平洋东部的海水每隔几年会突然变暖(EI Nino)
  3. 1966年,Berlag发现SO的位相改变经常伴随着 EI Nino 与 La Nina 的转换
  4. 1969年,Bjerkenes首次提出Walker环流,并建立大尺度海气相互作用理论,成功解释SO和 EI Nino 的关系

接着论述了季风与ENSO相互作用研究的历史。

  • 这类研究主要集中于20世纪末期,有认为ENSO与印度季风关系在近几十年因Walker环流西移而减弱,也有解释相互作用的物理机制(如齿轮式耦合机制、西北太平洋反气旋)
  • 其中印度洋道印度洋-太平洋地区海气系统的齿轮式耦合机制是基于Walker环流提出的,多数学者认为Walker环流作为一个赤道太平洋的大气遥相关型,是ENSO影响亚洲季风的主要渠道。亚洲季风的异常信号也可以通过这种耦合模对中东太平洋的海-气相互作用施加影响并激发ENSO事件。
  • BinWang 2000 年认为ENSO通过海气相互作用的方式能够激发一个向西传播的赤道Rossby波,最终导致菲律宾反气旋的建立。他们认为该西北太平洋反气旋是西太副高增强和西移的重要原因

为什么SPB出现在春季而不是秋季?SPB是一种自然现象还是模式误差导致的结果?关于 SPB 物理机制的研究大致可以分为三类。

  1. 第一类强调热带太平洋的气候背景态以及来自热带太平洋之外的天气或气候现象的影响。即Webster&Yang1992文章中提出的
  2. 第二类观点强调 ENSO 事件本身的特征对于 SPB 的作用。采用一个阻尼概念模型进一步表明,只有在模型中包含ENSO事件本身的季节增长率的年循环信息,ENSO预测才能够发生SPB现象。
  3. 第三类观点强调初始误差在 SPB 发生中的重要作用。如果能够滤掉实际预报中的该类初始误差,ENSO的SPB可能会被大大减弱,ENSO预报技巧可能会有效提高

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