高模式层顶的CMIP5气候模式模拟的平流层极涡分裂和移动外文翻译资料

 2022-12-06 03:12

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高模式层顶的CMIP5气候模式模拟的平流层极涡分裂和移动

William J. M. Seviour 1 ， Lesley J. Gray 1，2 ， and Daniel M. Mitchell 1，2

1 Department of Physics， University of Oxford， Oxford， UK， 2 National Centre for Atmospheric Science， University of Oxford，

Oxford， UK

摘要；平流层爆发性增温( SSW )事件可能是平流层极涡分裂或移位的结果。最近的观测研究对这两种SSW对地表气候的相对影响得出了不同的结论。更清楚地了解它们对对流层的影响将有助于中期天气预报，并能更好地了解平流层-对流层耦合的物理机制。本文首次对平流层极涡分裂和位移进行了多模式比较，分析了第五个耦合模式相互比较项目( CMIP5 )集合中的13个平流层分辨率模式。在涡的平均状态以及涡分裂和位移的频率上，我们发现模型之间存在很大的偏差，尽管这些偏差是密切相关的。与观测结果一致的是，几乎所有的模式都显示在平流层的整个深度发生斜压涡旋分裂，而涡旋位移则更加斜压。涡分裂在开始后的一个月显示出稍强的北大西洋表面信号。然而，地表响应的最显著差异是，涡旋位移在西伯利亚上空表现出较强的负压异常。这一区域与对流层顶高度的差异共存，表明对流层低层位涡异常的局部响应。

  1. 引言

冬季极地平流层变化通常先于地球表面的显著环流和温度异常。平流层极涡崩溃后，这种影响特别强烈；平流层爆发性增温事件，如Baldwin和Dunkelton[2001]；Thompson等人。[2002]；Kingston等[2015]。最近的研究，如Nakagawa和Yamazaki[2006]；Charlton和Polvani[2007]；Mitchell等人[2013]。评估了两种固态水的表面效应；极涡分裂，其中极涡分为两个独立的极涡。其中，它远非极限运动。更好地了解涡分裂和位移的相对影响，将有助于改善这些事件发生后的中期天气预报，并有助于深入了解平流层影响对流层的物理机制。本文首次对极涡分裂和极涡位移及其表面影响进行了多模态分析。

Charlton和Polvani [ 2007 ]从40年的再分析数据中确定了涡分裂和位移，他们得出的结论是，它们的表面影响没有统计上的显著差异。另一方面，Mitchell等[2013]使用相同的数据，但使用不同的方法对事件进行分类，得出结论，极涡分裂产生的表面影响明显更大。Mitchell[2013]讨论了两种方法的差异和导致这些矛盾结果的可能性。然而，这两项研究都有较大的统计不确定性，因为观测记录中SSWs很少；当将事件细分为极涡分裂和位移时，不确定性进一步放大。

Mitchell等人[2013]，针对随机选择的冬季周期，测试了极涡分裂和位移后地表北环流模式的显著性，发现极涡分裂后的差异显著，但位移后的差异不显著(见图5 )。然而，他们没有测试旋极涡分裂和位移之后的异常是否显著不同。这种测试如图1所示，它使用Seviour等人计算的方法。[2013] (其中大部分与Mitchell[2013]等人的报告一致。)。可以看出，虽然分离之后的北半球环状模信号大于位移，差异不显著，到达95%水平。这进一步说明了不确定性分析了所有数量的观测设备。模型化研究可以将观测结果相结合，从而为这些事件提供更大的样本量。

图1 涡分裂和位移之间的表面北半球环状模在它们开始后30天内的差异。用bootstrap方法计算了这种差异的概率密度函数，从裂缝和位移的联合分布中随机抽取104个组分。95 %显著性区域(根据双尾试验；即amp;lt; 2。5 %和amp;gt; 97。5 % )被阴影化，并且实际复合差异(圆)处于第94百分位。数据如下取自40年代和40年代中期再分析。

在本研究中，我们从耦合模式相互比较项目( CMIP5 )集合[Taylor等人[2012]的13个气候模式模拟中识别了900多个涡旋分裂和位移。。Charlton - Perez等人[2013]先前分析了CMIP5系综中的SSW事件。，他发现在“高层”模型(那些盖子高度高于平流层顶的模型)中，事件发生的频率更大、更现实。受这些结果和比较高和低顶部模型的其他研究的激励，，如Ignazzo和Manzini[2009] osprey等[2013 ]。我们仅将此分析限于高级模型。Charlton，perez等人[2013]。使用了SSW事件的常规纬向平均定义( 60°N，10 hPa的纬向平均纬向风向东风的逆转)。他们的分析在此扩展到使用极涡矩(或“椭圆”)诊断, 例如Waugh[1997] 来考虑极涡的二维可变性，参见第2。2节中的进一步细节

Mitchell等人[2012]。以前比较了第二个化学-气候模型验证( CCMVal - 2 )项目气候模型模拟中的极涡矩诊断，但由于CCMVal - 2中18个模型中只有3个提供了计算矩诊断所需的日位涡量( PV )，因此其分析受到限制。他们也没有对极涡分裂和位移本身进行分类，而是侧重于极涡的平均状态。Callaghan等人[2014]从那时起，使用应用于PV场的极涡矩诊断，在原始方程模型中识别极涡分裂和位移。他们发现，与Mitchell等人[2013]的观点一致，在极涡分裂后30天内，正表面北半球环状模异常明显强于极涡位移后。本研究采用Seviour等方法。计算基于位势高度(所有CMIP5模型输出的量)的力矩诊断，并且我们使用简单的阈值方法来区分极涡分裂和位移。

这项调查有三个主要目标。首先，我们希望评估模型对平流层极涡和平流层-对流层耦合的表示的现状，包括模型之间是否存在任何一致的偏差。其次，我们的目的是确定模型参数和涡变率表示中的偏差之间是否存在关系，这可能激励未来模型的改进。第三，我们将研究增加的CMIP5集合样本大小是否可以用来更好地理解表面对涡分裂和位移的响应。

2.数据和方法;

2.1 CMIP5模式

本文的分析仅考虑了CMIP5系综的覆盖高度高于平流层顶的气候模式。总共有13个这样的模型(列于表1 )可从8个不同的建模中心获得。虽然CMIP5集成中还列出了另外两个模型( cesm 1 - WACCM和MIROC - ESM )，但在CMIP5归档中没有找到这些模型的适当数据。在13个模式中，有12个模式的最高层位于中上层( 70 - 80公里)，但CanESM2模式的盖子明显较低，靠近平流层顶。

整个分析中使用了历史模拟。其中包括观测到的气候强迫，如温室气体、臭氧消耗、土地利用变化、对流层和平流层气溶胶以及太阳变异性Taylor[2012]。所考虑的模拟周期限于1958 - 2005年，因此与历史再分析周期( CMIP5历史模拟于2005年结束)一致。

限制模型与再分析同期的模拟分析可能很重要，因为若干研究表明，火山爆发和太阳变率等外部强迫对[平流层变率有重大影响，例如Robock，2000年；Gray等人。2010年]。为了获得尽可能大的集成规模，每个模型都使用了所有可用的集成成员，这导致从不同模型进入集成的年数不同。然而，这确实需要检查出现在集合装置中的任何结果在模型之间的一致性，以确保其不被特定模型偏置。

下面是一个例子。模型模拟与欧洲中期天气预报ERA - 40再分析Uppsala等[2005]进行了比较。 1958 - 1979年及更近的时代-临时[Di等人。，2011 ] 1979年至2005年( ERA - terminal不包括售前ERA，因此1979年之前没有可用数据)。选择这种组合是为了最大化所分析的历史时期的长度，以下称为“ERA - 40 / I”

2.2 矩量诊断

分布f ( x，y )的二维矩诊断( M nm )以笛卡尔坐标给出，其中S表示分布的范围，n和M分别给出在x和y方向上的矩的顺序。这些应用于平流层极涡，用“等效椭圆”来描述涡的二维(经度-纬度)形状Wau[1997]。这里我们集中讨论这两个时刻诊断；极涡质心的纬度(通过设置n m = 1计算)和纵横比(长轴与短轴的比率；通过设置n m = 2 )计算。有关这些诊断计算的全部数学细节，请参阅Matthewman等[ 2009 ]。

以往计算平流层极涡矩诊断的研究都是在等熵面上使用PV，这个量对于绝热过程是守恒的。然而，气候模型通常不会输出这种数据，而且计算成本很高，导致大多数模型被排除在以前的研究之外，如Mitchell[2012]。出于这种动机，Seviour等人[2013]，开发了一种利用等压面上的位势高度计算矩诊断的方法，几乎所有气候模型都存档了这一数量。他们发现这与PV诊断高度相关，因此本研究使用位势高度。为了计算力矩诊断，必须定义一个代表极涡边缘的轮廓。对于每一个模式，取12月至3月60°N和10 hPa的纬向平均位势高度值。这允许不同模型之间的平均位势高度任何偏差。

根据Seviour等人[2013]，所描述的阈值方法定义极涡分裂和位移。当展弦比保持高于2.4达7天或更长时间，并且位移要求质心纬度保持等于66N达7天或更长时间时，识别极涡分裂。选择这些阈值以给出与先前对CharltonandPolvani [ 2007 ]和Mitchell等[2013]的研究相似的涡旋分裂和位移频率。Service [2013]显示，在1958年至2009年重新分析中使用该方法确定的35个事件中，仅有两个事件未被过去的任何一项研究捕获。在计算CMIP5模型的事件时，对每个模型使用相同的阈值，以便尽可能地识别几何上等效的事件。如在sevilla。[2013]，活动限于12月至3月3 。的结果

3.1 涡旋平均状态与变率：

来自每个模型的日质心纬度和长宽比的联合分布,如图2所示，以及来自ERA - 40 / I的联合分布。对于每个模型，联合分布直方图用对数色标绘制，该对数色标根据每个模型模拟中的天数归一化。ERA - 40 / I的联合分布具有高纵横比/极向质心纬度的近似三角形分布，并且低纵横比/等向质心纬度比高纵横比/等向质心纬度相对更常见。虽然CanESM2具有显著不同的形状，但大多数模型都很好地复制了这种分布的形状，其中高纵横比/等值形心纬度更为常见。

模型之间存在一系列偏差。CanESM2的模态质心纬度比ERA - 40 / I高5∘左右，而GFDL - CM3的模态质心纬度比ERA - 40 / I高2。5∘左右。CMCC - CESM在长宽比上显示出明显的偏差，其分布向高值的偏差远小于再分析。除了canesm 2外，大多数这种偏见在整个冬季都是一致的，在初冬，赤道偏见更为强烈。每个模型的矩诊断的季节性变化平均值显示在支持信息中(图S1 )。

图2 ( a–n ) ERA - 40 / I的形心纬度( y轴)和纵横比( x轴)分布(图2a和中的灰色线图2b - 2n )和CMIP5型号(图2b - 2n；红线)。联合分布以对数标度示出使得红色正方形表示最密集的区域。

图3显示了每个模型中极涡分裂和位移的频率。每个CMIP5模型的事件组合频率与Charlton - Perez等计算的SSW频率一致。[，2013年]，世卫组织根据60°N和10 hPa纬向-平均纬向风的逆转确定了事件。他们还发现，在CMIP5系综中，HadGEM2 - CC的事件发生频率最高，而MRI - CGCM3是研究中SSWs发生频率最低的最高模型不包括GFDL - CM3和MRI - es1，Charlton - Perez等人[2013]。没有分析，从比较来看，MRI - CGCM3成为本研究中第二低频率)。Charleston·perez等人[2013]之间的这种相似性。和本研究表明，Mitchell[2013]等人所描述的矩诊断定义的事件与纬向平均纬向风定义的SSWs之间的密切关系。和Seviour等人[2013]，也适用于气候模型。

以及极涡分裂和位移的组合频率的较大差异，图3示出了极涡分裂和位移的频率比在模型之间显著变化。例如，CanESM2和CMCC - CESM几乎完全模拟极涡位移，而IPSL - CM5B - LR和GFDL - CM3几乎完全模拟极涡分裂。在多模型均值( MMM )中，这些偏差在很大程度上抵消了，给出了近似相等的分裂与位移之比，这与再分析是一致的。

这些移位和分裂涡旋事件的季节分布如图4所示。一些模式( CMCC - CMS、HadGEM2 - CC和IPSL - CM5A - LR )复制了观测到的分布，分裂涡事件更可能发生在初冬，位移涡事件发生在冬末。然而，其他模型的事件分布却截然不同。CanESM2、CMCC - CESM和MPI - ESM - LR在事件发生频率上均表现出很小的季节性变化。

图3 CMIP5模型、ERA - 40 / I和多模型平均值( MMM )中分裂涡和位移涡事件的频率。误差线表示所有事件的频率，并表示1个范围，假设事件的二项分布。灰色阴影区域表示ERA - 40 / I的1个范围以及平均值(虚线)。

ERA - 40 / I和MMM在分裂和位移开始后10天内的10 hPa位势高度的复合物如图5所示。在MMM和ERA - 40 / I中，裂缝和位移的平均形状非常相似，裂缝大致沿90°W到90°E轴发生，位移的涡旋向斯堪的纳维亚和西伯利亚移动。在大多数单个模型中也可以看到相同的功能(参见支持信息，图S2 )。这证实了此处使用的方法成功地捕获了类似于观察中看到的事件。

现考虑平流层极涡气候学中的模式偏差如何影响涡分裂和位移的频率。涡旋的气候平均状态由长宽比和质心纬度的模式(概率分布函数的峰值)定义。该量表示极涡的最可能状态，与平均值不同，不受极值的影响(纵横比和质心纬度的平均值和模式之间的关系显示在支持

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