西风爆发对El Nino多样性的强烈影响外文翻译资料

 2022-12-26 07:12

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西风爆发对El Nino多样性的强烈影响

尽管在过去三十年间对于El Nino的理论、观测和预测上面有巨大的进步，但是El Nino多样性的分类以及这种多样性的起源仍然是被人们所辩论的。这种不确定性使El Nino的预测成为一个持续性的具有挑战的任务，显现在2014年被许多人所预料的大范围变暖事件的并未发生上面。我们打算建立一个对于El Nino多样性以及其成因的统一的思考方法并且用模糊的分析和模型实验来为我们的观点提供依据。具体地热带太平洋海表温度年际间的变化能被分为三个暖模式和一个冷模式，这四个模式一起构成El Nino/La Nina及其不同特色的典型循环。虽然典型循环的起源能容易地用经典理论来解释，但我们提议El Nino的不对称，不规则及极端性是起因于西风爆发，一种在太平洋赤道处的大气扰动的类型。但是由于它们单向性的性质西风爆发强烈地影响El Nino但是并不影响La Nina。我们的结论是适当的传统循环和西风爆发之间的相互影响可能会提高El Nino的预测。

我们对于El Nino动力学的理解是从认识到这是一种热带太平洋大气系统的耦合变化开始的。目前的理论大致可以分为两个不同的框架，考虑到El Nino/La Nina作为一个常规的自我维持的振荡有着自己的赤道上层海洋热含量的补给与排放的时间表，和其他关于它作为由大气噪声触发的每个事件的高阻尼振荡，特别是西风爆发在热带西太平洋。前者的框架可以很容易的运用到基本的El Nino/La Nina循环中，并且和 El Nino的高度潜在预测性是一致的，然而后者似乎解释El Nino的不规律性，但是却提出实际上在很长的一段时间内这都是不可预测的。为了更好的描述El Nino的多样性以及提供这种多样性动态一致的解释，我们需要一个统一的观点来认为El Nino多样性分类的不同看法，并协调现有理论来解释低频充放电振荡和随机大气强迫之间的相互作用。

El Nino多样性的分类

每一个El Nino事件都与其他的不同，但是根据它们每种类型的共同表现、机制和影响将不同的事件分类成几个独特的类型往往是很有用的。在早期，主要以复合形式来研究El Nino事件，比如由Rasmusson and Carpenter所在1960-1970年间七个事件的基础上所构造的“典型El Nino”，这个“典型El Nino”在赤道中东太平洋有着最大方差并且保持着把过去150年间所有已知的事件都考虑进去的一个平均模式。接着他们建议El Nino能被分成两个或三个基础类型。本着同样的精神，最近一系列研究着重于El Nino的不同特色，特别注意了一种类型，由以赤道中西部太平洋为中心的暖事件所组成的。相比发生在东太平洋冷舌的强烈El Nino事件，我们把这类弱暖类型的事件命名为“El Nino Modoki”，“El Nino暖池”或者“中太平洋El Nino”。它表明El Nino Modoki的空间格局是经验正交函数分析的产物。进一步说明这个模式和经典El Nino并不是有特殊的不同，而是被主要考虑成广泛的中太平洋现象加上一些极强的东太平洋事件。

作为EOF和复合分析的一种替代，我们把模糊聚类方法应用于从HadISST过去五十年热带太平洋海表温度距平资料中。这自然地揭示了三个温暖的模式，本质上只有一个冷模式。第一个温暖的模式包括极强的在南美洲海岸附近有最大的变暖El Nino事件。第二个温暖的模式是以日界线附近为中心的的一系列弱暖事件，和最近引起了人们极大的兴趣的“El Nino暖池”很相似。第三基本上是典型的El Nino与赤道中东太平洋温和的气候变暖，和唯一的冷模式识别完全对称。因此，似乎在赤道中东太平洋有一种对称，典型的周期，代表了大部分的El Nino和La Nina事件。叠加在这个基本周期上的是在东太平洋的罕见的极端El Nino事件和日界线附近的弱但更频繁的暖事件，共同给了El Nino不同的特性。

原则上，由于高度多样化的El Nino特性，应该有一个SST模式的非离散连续区，并根据具体的聚类方法，有可能有El Nino和La Nina事件的不同分类。如前所述，目前有两种不同的分类之间的辩论，这两种都倾向于将El Nino事件分为两组，包括冷舌或暖池事件，或规范和极端事件。图1所示的画面，虽然还简化了，超越了以往的分类与和解的不同观点之间的争论。值得注意的另一点是在这个模糊聚类分析明显缺乏的La Nina多样性，而其他研究显示不同的La Nina模式和不同的区域和全球的影响。目前有一种普遍的共识是La Nina事件之间的区别是比El Nino更微妙的多，从而对El Nino和La Nina周期不同特性的出现主要是从不同类型的El Nino而不是La Nina。人们必须注意，任何分类，包括这里提出的，在一定程度上是主观的，往往是基于实用的方便，而不是严格的数学选择。一个有效的分类的最小标准是它的一致性，从我们目前了解的El Nino动力学的物理图像上来看。

图1 | 通过模糊聚类方法确定的第三个厄尔尼诺和拉尼娜群集a-f，热带太平洋SST变率的这些温暖（a-c）和冷（d-f）群集的鉴定是基于1961-2010 的HadISST数据。轮廓间隔为0.3°C，负轮廓用点表示出来。三种厄尔尼诺模式是截然不同的，而三种拉尼娜模式基本相同。以模式a，b，c为主的厄尔尼诺现象的数量分别为3,6,8，而拉尼娜事件数量则由模式d，e，f平分。

El Nino多样性的起源

现在的问题是什么物理过程负责的多元化El Nino行为的起源，包括典型的周期，以及向东的极端El Nino事件和向西的弱El Nino事件。在图2中，明显也在以前的研究中，在过去的50年里每个El尼诺事件都伴随着WWB活动。此外，这些风暴在大型暖事件中趋向于更强以及更频繁，这表明WWB并不是纯粹的随机的——它有一个确定的部分，进而影响El Nino事件的低频发展。基本上，WWB在赤道海洋动力学中有两种不同不同的效果：第一，造成地表水汇聚，下压赤道跃温层，从而刺激向东下降Kelvin波产生赤道东太平洋表面变暖；第二，它们产生强烈的赤道海流，其中用平流输送暖水向赤道和东面去，延长暖池东部边缘。因此，我们可以合理假设作为作用在一个普通的El Nino/La Nina循环事件的顶部，WWB可以通过赤道波动力学与地表暖水平流在赤道中东太平洋产生一个极端的El Nino事件，也会在日界线附近产生暖池El Nino事件，当基本充放电振荡阶段是不利于强事件的发生。

为了测试这个假设，我们将SST调制的WWB类扰动添加到中间海洋 - 大气耦合模型中（见方法）。该模型本身是不含噪声的，并调节到产生一个仅限于太平洋中东部的规则的振荡与海温异常，和典型El Nino/La Nina循环非常相似。当WWB包含在内时，年际振荡变得高度不规则并且该模型再现了El Nino的不同特性。强暖事件偶尔发生在东太平洋，伴随着聚集的穿越日界线的WWB。也有相对较弱但是更为频繁的暖事件发生在日界线附近，伴随着局限于西太平洋的WWB。类似于图2所示的观测值，表明WWB可能是极端El Nino和暖池El Nino形成的原因，也同样是El Nino的不规则性和多样性的成因。在其他研究中已经执行了类似的实验，已被证明在爆发中是否会产生一种类型的El Nino或者其他类型取决于其发生的时间相对于赤道上层海洋热含量的补给-放电周期的相位。这提供了一个重新聚焦状态相关大气扰动的监测和预测，特别和当结合放电起始的基本方面可能与El Nino的特性无关的最近发现结合起来。

同样的模糊聚类方法应用于WWB强制模型运行的SST异常，以检验模型变异性的主导模式（图4a-d）。类似于图2所示的基于观察的分类，模型SST变异性可分为三种截然不同的厄尔尼诺模式和一种拉尼娜模式。这些模式一起描述了一个对称的规范循环（图4c，d），其上叠加了相对罕见的极端El Nino现象（图4a）和更频繁的温水El Nino事件（图4b）。请注意，WWBs的效果是单向的，因为它们产生额外类型的El Nino而不是La Nina，从而大大有助于El Nino/ La Nina循环的不对称性。为了阐明涉及不同温暖和事件发生的物理过程， 4e-h显示了这些事件生长阶段的平均地层热预算。其他调查人员进行类似的预算分析，其重点不同。对于极端的厄尔尼诺（图4e），垂直平流（主要是由于温跃层深化）显然是主要的参与者，尽管水平对流也有所贡献。然而，对于暖池El Nino（图4f），纬向和子午对流是最重要的，垂直平流的作用可以忽略不计。对于规范循环（图4g，h），暖冷阶段的预算基本上是对称的，所有平流项都有重大贡献。这些结果与我们提出的动力推理一致。

图2 | 1961年1月至2010年12月沿着赤道观测的SST异常和WWB的演变。颜色和轮廓为SST异常，水平黑线为WWB。 轮廓间隔为1°C，粗绿色曲线为28.5°C SST等温线，表示暖池的东缘。右边的红色，绿色，橙色和蓝色的柱状分别标记了由极端厄尔尼诺，暖池厄尔尼诺现象，典型厄尔尼诺现象和拉尼娜（La Nina）主导的事件。

El Nino可预见性的影响

El Nino一直是季节性年际预测的典型，因为它是迄今为止地球气候系统中最有活力和影响力的短期变化。El Nino的潜在可预报性可能是数年，但是实时El Nino的预测仍是一个难以捉摸和艰巨的目标。这可能是因为可预见性的预测是基于由El Nino变异的单一模式主导的模型或基于比较大的El Nino事件的后报技能为主的模式，而实际上El Nino有各种各样的特性，尤其是在过去的十年。我们的观点对于El Nino多样性具有可预见性有几个影响。首先，适当考虑WWB的影响对气候模型来提高它们对El Nino的模拟和预报是有必要的。事实上，许多模型往往产生一个定期的集中在赤道中东部太平洋的年际振荡表明它们只能产生一个典型的周期，因此这会限制预测能力。其次，即使状态依赖的WWBs被模拟或参数化，在赤道中东太平洋的强暖事件本质上会比日界线附近的弱暖事件更加好预测，因为WWBs能更强烈地调整，因此在大暖期间更有确定性。最后，El Nino/La Nina基本循环（比如赤道太平洋上游海洋热含量）以及其与WWBs的相互作用的措施能作为事件发展的前提。

图3 |一个200年模式运转持续125年的沿着赤道的SST异常和WWB的进化。颜色和轮廓为SST异常，水平黑线为WWB。半自动WWB强制在第101年初开始。轮廓间隔为1°C，粗绿色曲线表示28.5°C SST等温线。右边的红色，绿色，橙色和蓝色的柱状分别标记了由极端厄尔尼诺，暖池厄尔尼诺现象，典型厄尔尼诺现象和拉尼娜（La Nina）主导的事件。

例如，尽管在2014年爆发了超级El Nino的媒体狂热，赤道热含量和WWB的春季条件正确地表明，这样的事件不太可能发生。图5显示了自1982年以来每次El Nino事件之前的WWBs和赤道上海温水量的综合强制。很明显，1997年和1982年的超级厄尔尼诺现象事件之前是非常大的热量积累和强大的（1997年）或中等（1982年）的WWBs;1994年和过去十年暖池El Nino事件之前的是负的或小的赤道上海温水量，以及弱到中等的WWB；而在1986和1991年的温和El Nino事件之前是有中等的赤道上海温水量和WWB。这些观察结果与我们目前对WWB综合效应和热含量积累的理解基本一致。2014年3月份和4月份的温水量相对较大，但前后的月份不太大；WWB在1月和2月达到巅峰，但在之后急剧下降。如果冬季和春季的赤道上海温水体积和WWB活动被视为随后El Nino现象的先兆的话，如图5所示2014年的情况会建议报一个弱到中度的事件而不是超级El Nino。进一步研究2014年春季和1997年超级El Nino现象之间的异同，图6比较了2014年至1997年间1月至5月的赤道SST和纬向风异常变化情况。两年的SST演变模式是相似的，西部和远东太平洋的异常暖发展，显然是由WWB引起的温水平流和下流开尔文波浪引起的。最明显的区别是1997年5月从西太平洋向赤道太平洋延伸的强西风，而在2014年同时没有观察到这样的风，其他调查人员也注意到。这可能是因为2014年春季在数据线附近出现了更加强劲的变暖，根据热带风向对加热异常的反应的经典理论，将限制赤道太平洋中部西风的发展。这个差异可能部分解释了2014年超级El Nino现象的缺失，因为中部赤道太平洋强风西风与东部变暖相关联的发展表明了大气反馈的积极性，这是大型厄尔尼诺现象事件重要因素。

总而言之，本文提出的分析支持了El Nino可能是由经典理论所规定的自我维持对称振荡与厄尔尼诺现象部分调制的WWB型扰动之间相互作用的结果的概念。前者提供了一个基本的动态框架，而后者则产生了不同的厄尔尼诺风格。这样的情况是具有吸引力的，因为它调停了各种厄尔尼诺现象事件的分类和成因有关的激烈辩论的问题，通过一石三鸟之计消除了多样性、对称性和极端性。但是人们不应该把目光放在这儿所显示出的的画面的简单性上。我们的目的是强调WWB对厄尔尼诺现象的多样性的强烈影响，但不能淡化可能在厄尔尼诺动态中发挥重要作用的其他过程，从而有助于其多样性的复杂性。例如，来自北太平洋和南太平洋的热带以外的其他先兆，似乎也是激发El Nino现象的重要触发因素。此外，除了WWBs，赤道太平洋地区也有东风风暴，可能会引发寒冷事件。应进一步探索所有这些进程的相对重要性和可能的相互作用，以全面了解El Nino现象的多样性。

图4 | 厄尔尼诺现象和拉尼娜模式（左列）和表层热预算（右列）来自WWB强制模式运行。a-d，三种厄尔尼诺模式和一种通过模糊聚类方法识别的拉尼娜模式。 轮廓间隔为0.3°C，负轮廓为虚线。每个面板中的绿色框表示最大SST变异性的面积。e-h，相应左图（a-d）绿色框中的表层热预算。 绿色，蓝色和红色条分别表示纬向，子午和垂直平流。黄色和紫色条分别为总趋势和阻尼项（与SST异常成正比）。

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