与两类印度洋偶极子相关的异常沃克环流外文翻译资料

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与两类印度洋偶极子相关的异常沃克环流

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¹Department of Earth and Planetary Science, Graduate School of Science, University of Tokyo, Tokyo, Japan,

² Application Laboratory, JAMSTEC, Yokohama, Japan

摘要：沃克环流是热带大气纬向环流的关键组成部分。本研究发现，两类印度洋偶极子（IOD）事件下的异常沃克环流存在明显差异。在一次典型正IOD事件（热带东印度洋呈现出负的海表温度异常，而热带西印度洋至中印度洋为正异常）下，单圈的异常沃克环流会在印度洋上建立；在一次IOD Modoki事件（类似典型IOD事件但略有不同，正海表温度异常出现在热带中印度洋，热带西印度洋及东印度洋为负异常）下，具有一个上升支的双圈沃克环流异常会在印度洋中部建立。研究发现上述异常沃克环流会作为正向海-气反馈的一部分而发展。此外，该异常沃克环流的差异还可能对IOD事件的两年期趋势造成影响。

关键点：

• 两类IOD事件分别与不同的沃克环流相联系
• 只有典型的IOD事件下存在显著的SSH异常
• IOD的两年期趋势可能受不同沃克环流的不同影响

1、引言

印度洋偶极子（IOD）是一种发生在热带印度洋的海-气耦合现象（Saji et al., 1999）。最近，Endo和Tozuka （2016）通过一种基于海表温度（SST）异常的新分类方法揭示了两类IOD事件的存在（图1a和1b）。第一类IOD事件被称为典型IOD事件，它和Saji等（1999）最初发现的海温合成分布非常相似，即负（正）SST异常出现在热带印度洋东部（中至西部）。而另一类IOD事件下正SST异常出现在热带中印度洋，该类IOD事件被称作“IOD Modoki”。本文认为，既然这两类IOD事件对降水，特别是非洲东部的降水（Endo and Tozuka, 2016），具有不同的作用，那么对这两类事件进行进一步的探究是具有重要意义的。

图1 由ORAS4数据得到的9月（0）典型正印度洋海温偶极子（IOD）事件与8月（0）正IOD Modoki事件对应的海表温度（SST）异常（a，b）、降水异常（c，d）、200hPa水平纬向风异常（e，f）合成（a，b：等值线间隔为0.2，填色区表示通过显著性水平为0.05的双边t检验；c，d：等值线间隔为1毫米/天，填色区表示通过显著性水平为0.2的双边t检验；e，f：等值线间隔为0.2米/秒，填色区表示通过显著性水平为0.05的双边t检验）

两类IOD事件是否对应不同的异常沃克环流，这是一个关于气候模态的重要问题，而Endo和 Tozuka的研究（2016）并没有对此进行讨论。在热带太平洋，与两类ENSO相联系的异常沃克环流之间存在明显差异（Ashok et al., 2007; Ashok and Yamagata, 2009）。与典型El Nintilde;o事件（正SST异常从南美延伸到中太平洋）相联系的是一个单圈的沃克环流异常，而与El Nintilde;o Modoki事件（正SST异常出现在中太平洋，负SST异常出现在东、西太平洋）相联系的则是一个双圈的沃克环流异常。虽然印度洋海域更小，但考虑到沃克环流是热带纬向大气环流的关键组成部分，检验两类IOD是否和不同的沃克环流异常相对应具有重要意义。

本文将按照如下顺序展开：第二节为简短的数据描述；第三节给出纬向异常环流的合成分析结果，研究分别与两类IOD事件对应的异常沃克环流；IOD事件的两年期趋势的含义将在第四节进行讨论；最后一节对主要研究进行了总结。

2、数据

本文使用了Hadley中心1950年至2014年的海冰和SST（HadISST）数据资料（Rayner et al., 2003）来区分典型正IOD事件与正IOD Modoki事件。此外，还使用了欧洲中心为中尺度天气预报（ECMWF）服务的海洋再分析系统4（ORAS4）提供的温度和海表高度（SSH）数据。以上数据的时段为1958至2014年，水平分辨率均为1゜times;1゜。对于风场，本文将1958-1988年的ERA-40（Uppala et al., 2005）数据和1989-2014年的ERA-Interim （Dee et al., 2011）数据与ORAS4数据结合使用，所有再分析数据的纬向分辨率都为2.5゜times;2.5゜。本文还使用了气候预报中心对降水的合并分析(CMAP)数据集（Xie and Arkin, 1997），其时段为1979-2014年，纬向分辨率为2.5゜times;2.5゜。

我们注意到，即使使用1950-2014 年的NCEP- NCAR再分析资料（Kalnayet al., 1996）作为风场数据，1958-2010年的简单海洋资料同化 (SODA) 资料（Carton andGiese, 2008）作为SSH数据进行计算，其结论与本文得到的结果在本质上还是相同的。此外，本文中所有数据都通过最小二乘法进行了趋势拟合，并去掉月气候影响得到异常场。同时本文还使用了三月滑动平均来滤除高频变异。

3、异常沃克环流

在研究中，本文用Endo和Tozuka （2016）的方法来区别典型正IOD年（1961、1972、 1982、1987、1997、2011、2012）和正IOD Modoki年（1963、1967、1976、1991、1994、2003、2008）。简单来说，如果中部（65°E-85°E, 15°S-0°）和东部（90°E-110°E, 10°S-0°）的SST平均矩平之差（前者减去后者），在七月到十二月之间至少连续两个月超过1倍标准差，那么定义该年为正的IOD年。接下来，如果中部和西部（40°E-55°E, 10°S-15°N）的SST平均矩平之差（前者减去后者）在同一时期至少连续两个月超过1倍标准差，那么这个正的IOD事件被称作“IOD Modoki”。而一个中部和西部的矩平差小于0.5 倍标准差的正IOD事件被称为“典型IOD”。当差值在0.5 和1倍标准差之间时，该事件被Endo和Tozuka （2016）称作“弱IOD Modoki”，但这种事件在本研究中不做过多讨论，更多的细节读者可以查阅Endo and Tozuka的研究（2016）。此外，本文将第0年定义为正IOD发展年，而第1年定义为次年。我们发现负IOD事件也可以被区分成两类，它们在整体上十分像正IOD的镜像（Endo and Tozuka, 2016），但其振幅较弱，本文对此不做讨论。

首先，我们在正典型IOD和IOD Modoki峰值阶段对10°S到赤道的异常沃克环流平均流线进行合成（图2）。可知典型IOD事件与印度洋上空的一个单圈异常沃克环流相联系，其中心大约在纬向80°E，垂直向400hPa附近（图2a）。在这个中心的西部到非洲海岸存在一个上升支，同时在中心的东部可以发现一个延伸至赤道西太平洋140°E附近的下沉支。类似沃克环流异常分布，正（负）的降水异常出现在热带西（东）太平洋（图1c）。同样的，可以发现显著的西风异常出现在中印度洋对流层上部（图1e）。而与IOD Modoki事件对应的是双圈的异常沃克环流（图2b），类似典型IOD事件，其中一个中心出现在80°E附近，另一个中心则在50°E附近出现。据此，可以观察到在两个中心之间出现了一个上升支，其伴随着对流层上层200hPa的显著东风异常（图1f），以及分别位于第一个中心的东部和第二个中心的西部的两个下沉支。与典型IOD事件相反，可知正的降水异常仅出现在热带印度洋中心地区。因此，两类IOD分别对应的沃克环流异常是显著不同的，且这些沃克环流的结构与太平洋上的沃克环流相似（Ashok et al., 2007）。

图2 9月（0）典型正IOD事件（a）与8月（0）正IOD Modoki事件（b）对应的异常沃克环流合成（-10°S-EQ区域平均值；绘图时流线由纬向速度与增大100倍的垂直速度合成）

为了检验上述异常沃克环流的发展是否与IOD影响下的SST异常相一致，我们对SST和纬向风异常散度进行合成分析（图3）。可知在典型正IOD事件中，印度洋中西部（东部）超过 0.15°C（低于-0.15°C）的正（负）SST异常从5月开始发展，并在9月左右达到最大振幅。沃克环流低层的东风异常在6月开始发展，并在8月左右于正负SST异常之间达到最强。另一方面，在正IOD Modoki事件中，低于-0.3°C 的负海温异常则于2月在东印度洋开始建立，同时高于 0.15°C (低于-0.15°C)的正（负）海温异常在4月（7月）出现在中（西）印度洋。SST异常伴随着沃克环流低层的东风（西风）异常，边界能够向西（东）延伸至65°E并在8月达到峰值，然而西部的异常沃克环流似乎比东部的更早衰亡。因此，上述结果表明异常的沃克环流是两种IOD事件以及正向海-气反馈的重要的组成。

图3典型正IOD事件（a）与正IOD Modoki事件（b）对应的SST异常（填色表示，单位：）、1000hPa水平纬向风异常（等值线表示，单位：米/秒）合成（-10°S-EQ区域平均值；等值线间隔为0.2米/秒，且粗实线表示零线，细实线表示正异常，细虚线表示负异常）

4、对两年期趋势的影响

IOD最重要的特征之一是它的两年期趋势，即正IOD 事件发生后，次年倾向于跟随一个负的IOD 事件（Saji et al., 1999; Feng and Meyers, 2003; Tozuka et al.,2007）。然而，并不是所有的正IOD 事件都会伴随负IOD 事件。由于两类正IOD事件下的风异常明显不同，本文认为检验两类事件出现后次年状况是否存在不同是很有意义的。

图4a–4d展示了两种IOD事件下沿6°S和赤道的 SSH异常合成分析图。虽然负SSH异常在两种IOD事件下通常都出现在印度尼西亚海湾，但正SSH异常的位置呈现出明显的不同。在典型IOD事件中，统计上显著的正SSH异常首先出现在第0年秋季的80°E附近，此后向西传播，最大异常约0.1 m。这种SSH变化和Rao et al. （2002）的研究结论相一致。然而，在IOD Modoki事件中第0年只有较弱的正SSH异常出现，此后正异常向东传播，在第1年的早期沿赤道穿过海盆，此时的正异常并不显著。

图4 典型IOD事件、IOD Modoki事件对应的6°S（a，c）与赤道（b，d）地区海面高度（SSH）异常的合成时间-经度图（等值线间隔为0.02米，填色区表示通过显著性水平为0.05的双边t检验）；典型IOD事件（红线表示）、IOD Modoki事件（蓝线表示）对应的东印度洋（90゜E -110゜E，10゜S-0゜）SST异常平均值合成（e；闭合圆圈表示通过显著性水平为0.05的双边t检验）

考虑到与温跃层深度异常联系紧密的SSH异常的不同分布，可能会对SST异常造成影响，本文进一步对IOD事件东部（90°E–110°E, 10°S–0°）的平均SST异常进行合成分析 （图4e）。可知，典型IOD年6月（0）到8月（0）出现了统计显著的负SST异常，而IOD Modoki年其出现在4月（0）到10月（0）。相反，在负SST异常衰减后，可以发现典型IOD年4月（1）到6月（1）出现了统计显著的正SST异常，但IOD Modoki年却没有显著的正异常发展。

然而，在此我们还需指出只有1972 年和1997年的典型正IOD 事件以及1967年的正IOD Modoki事件后伴随着负IOD事件。这也许是因为IOD事件的发生还会被许多其他因素影响，比如Madden-Julian震荡（Rao et al., 2007）、ENSO（Fischeretal.,2005;Tozukaetal.,2008）、Wyrtki急流 （Vinayachandranetal.,1999）、印度尼西亚贯穿流 （Tozuka et al., 2007）等，而本研究中揭示的海洋异常只是其中之一。此外，考虑到赤道印度洋东部的气候温跃层相对较深，本文认为SST对温跃层的异常加深感应敏感度可能并不高 （cf. Zheng et al., 2010）。

5、结论

在这项研究中，我们检验了与典型IOD事件及IOD Modoki事件相联系的异常沃克环流，以及它们可能对IOD两年期趋势造成的影响。在典型正IOD事件下，一个单圈的异常沃克环流出现，伴随着延伸至整个海盆的海表东风异常，并由此产生了赤道下沉罗斯贝波。罗斯贝波在向西传播的过程中变强，当其到达西边界时，会进一步反射产生下沉的开尔文波并沿赤道向东传播。而下沉的开尔文波加深了东赤道印度洋的温跃层深度，并为负IOD事件的产生提供了更有利的条件。另一方面，在IOD Modoki事件中，赤道东风异常仅出现在中印度洋，其西侧则为赤道西风异常，这种风的辐合是由于热带印度洋中部正SST异常上空增强的大气对流，以及双圈的异常沃克环流导致的。因此，由东部海盆的赤道东风异常产生的下沉罗斯贝波被西赤道印度洋的赤道西风异常所抵消，导致只有较弱的反射下沉开尔文波产生，且此时海洋的状况对次年负IOD事件的出现并不十分有利。

虽然前人已对IOD事件下的异常沃克环流进行了讨论（e.g., Ashok et al.,2003），但本研究首次指出两类IOD事件下的异常沃克环流存在显著不同。由于两类IOD事件下的沃克环流上升支的位置不同，类似El Nintilde;o和El Nintilde;o Modoki 事件（Ashok et al., 2007; Weng et al., 2007），本文进一步预期IOD事件带来的间接影响可能也存

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