亚洲北方夏季季风区域的季节内震荡实时多元指数外文翻译资料

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亚洲北方夏季季风区域的季节内震荡实时多元指数

June-Yi Lee bull; Bin Wang bull; Matthew C. Wheeler bull;
Xiouhua Fu bull; Duane E. Waliser bull; In-Sik Kang

摘要： 亚洲夏季季风(ASM)的北方夏季季节内振荡(BSISO)是全球季风系统中短期气候变化中最突出的来源之一。相比有关的热带季节内振荡（MJO），其在本质上是更复杂的,它是显著向北传播和其变化从赤道进一步延伸传播。为了方便检测、监测和预测BSISO，我们建议用两个实时指标:BSISO1和 BSISO2，它是基于多元经验正交函数(MV-EOF)分析从1981 – 2010年的30年间北方夏季(5月-10月)10°S-40°N,40°-160°E地区逐日异常的向外长波辐射(OLR)和850 hPa纬向风 (U850)。BSISO1的定义是通过MV-EOF分析的前两个主成分(PCs)定义的,共同代表规则地向北传播的变化量通常发生在准振荡周期为 30 - 60天的东传的MJO。BSISO2通过第三和第四个PCs定义，它主要显示在季风前时期和季风爆发的季节时的周期为10 - 30天的向北方/西北方传播变化。BSISO1的环流圈更像是从西北到东南倾斜的罗斯贝波,而相关的BSISO2环流更细长,更向西南到东北倾斜。BSISO2显示印度和南海季风的爆发的时机。在一起看来,这两个BSISO指数能够描述一大部分在ASM地区全部的季节内的变化,以及比起惠勒和亨顿的实时多元MJO(RMM)的指数，它更好的代表北方和西北方。

关键词 北方夏天季节内振荡；热带季节内振荡；实时多元指数；向北传播；亚洲夏季季风爆发

1 、介绍

众所周知，热带季节性振荡(ISO)显示出突出的季节性变化。相比北方的冬天，北方夏季的主要中心对流可变性与ISO相关，从赤道转移至10°- 20°N，并且传播模式复杂得多。而北方冬季ISO(也称为MJO）表现出明显的向东传播, 通常就像MJO沿着赤道传播，(北方夏季ISO(BSISO)在印度夏天季风(ISM)地区也向北/东北传播，在西北太平洋东的亚洲区域(WNP-EA)向北和西北传播。而MJO一直被视为可适用于所有的季节,尽管通常在北方夏天只有较弱的变化,但是BSSO一直被视为盛行的热带ISO在北方夏天的一个特定模式。因此,对于许多程序,把热带ISO描述为两种模式：BSISO和 MJO，这种分类是是很有意义的。MJO在北方冬季(12月到4月)和BSISO北方夏季占据主导(6月到10月)，5月和11月是过渡月期间，在这期间甚至其它模式可能占上风。

重要的是,BSISO是亚洲夏季风和全球季风短期气候变化的主要来源。众所周知，它也影响季风起始、打破季风阶段,和季风的季平均。这也是季节气候预测的降水和温带大气环流可能的原因。所述BSISO的两个不同的周期性已经确定：30-60天和10-20天周期。该BSISO的潮湿和干旱严重影响的极端水文气象事件，它是自然灾害的主要驱动力，因此，社会经济活动在世界上人口最多的季风区。

鉴于BSISO的重要性，它有实时指数可以监测和预测应用极大帮助。由惠勒和亨顿在2004年为MJO制定的实时多元MJO的（RMM）指数被广泛的应用。它是由前两个主成分的时间序列的多元经验正交函数（MV-EOF）的赤道平均值的模式的定义的向外的长波辐射（15° S~15 °N之间，OLR是对流旺盛的表现）、在850的纬向风（U850）和200百帕的纬向风（U200）。该指数RMM的赤道对称性质使得它的赤道向东传播模式中衡量MJO的优良措施。然而，由于RMM指数旨在描绘全年MJO活动，预计不会完全代表ISO的季节性，尤其是在北半球夏季时期在ISO的活跃区域距离赤道最远的时间断内。图1显示了除去气候缓慢的年变化和年际变率后的OLR的分别对北半球冬季（十一月到四月）和夏季（五月至十月）的平均，由双组分RMM索引说明连同的分数方差两个季节异常。值得注意的是，RMM指数能够在除了北半球冬季还能在南太平洋辐合带各大对流区中捕获很大一部分的季节内变化OLR。在另一方面，BSISO在被定义为为北半球夏季被RMM捕获的差异主要是在5S和18N之间的地区，它没有向北远达到进入亚洲夏季风（ASM）区域。在改进了RMM指数上提出BSISO的实时监控和预测指数是本文的目标。

已经有一些研究主要尝试利用Eigen技术来定义的BSISO指数。最近，Kikuchi等人（2012年）审查了现有的方法和建议定义了一些双模式ISO指数，其中包括与BSISO模式的著名向北传播并在离赤道季风槽区发生一些大的变化和MJO模式沿赤道区主要东传的特征。他们的指标成功表示了热带ISO的夏季和冬季组成，但是在孟加拉湾和WNP-EA区仍然有一些限制，特别是在捕捉BSISO的时候。此外，如在Kikuchi等人（2012）提出的指数是由使用25至90天的过滤数据所定义的，应用它做实时和全球数值预测模型的输出时的综合应用有所增加。理想情况下，我们想找到一种指数或任何不涉及时间滤波并且没有因为在不同的观察天数或不同的预测的滞后时间产生变化的BSISO的指标。

第2节描述了在这项研究中提出的定义BSISO指数的方法。基于第3节中展示的捕捉BSISO的指数的基本特征，第4节介绍了指数捕捉BSISO模式和OLR的分数方差和U850异常的综合生命周期。如何应用实时监控指数将在第5节中讨论。第6节将给出总结和讨论。

图1. a.分别为除去年循环和年际变化后的十一至四月（NDJFMA）和五月至十月（MJJASO）的OLR异常（W² m^-4）的候平均的方差, b.考虑了双组分RMM指数的OLR异常的5天平均的分数方差（％）,a右侧蓝色虚线表示亚洲夏季风（ASM）域,b中红色的轮廓代表了a中方差距OLR变化中心大于800 W² M^-4 的区域

2、BSISO指数的定义

2.1数据

使用的数据包括日常的先进高分辨率辐射仪（AVHRR）OLR，它是来自于国家海洋和大气管理局（NOAA）极地轨道卫星，并200和850百帕的日常水平风资料是来自于NCEP /能源部（DOE）水平分辨率为2.5的再分析资料II。

2.2定义BSISO指数的过程

在这项研究中提出的BSISO指数旨在整个ASM区域比RMM指数更好地代表分数方差和观测的向北传播ISO。经过相当的敏感性测试，我们来定义新的BSISO指数的选择在ASM区域（10 °S-40°N，40°-160°E）把1981-2010的30年从5月1日至10月31日的日平均OLR和850 hPa纬向风（U850）做MV-EOF分析。在惠勒和亨登（2004）的方法中在OLR和U850异常除去缓慢年周期（平均值和气候年变化的前三谐波）以及减去的最后120天运行平均值来除去年代际变化。我们不应用任何其他时间过滤。在这之后，在ASM区域这两个异常地带分别通过求它们区域内的时间的标准差的平均使其标准化。所用的归​​一化因子分别为OLR 是33.04 Wm^-2和U850是4.01ms ^-1。通过把标准化异常OLR和U850做MV-EOF后，我们确定了前四个MV-EOF模式作为在ASM地区BSISO的重要代表。如图2、图3所示每个模式的方差占的比例分别是7.2，4.9，3.8和3.5％。因此，第一四种模式可占异常OLR和U850综合在ASM区域的日总方差中占19.4％。虽然每种模式变化的百分比很小，但它们彼此之间有统计学区别并且是根据Livezey和Chen（1983）总样本大小为5,520，有效自由度为1,520的按一定North等人的方法从更高模式得出来的。其四种主要模式的主要成分的时间序列或投影系数（PC）被用于定义BSISO指数。

我们使用这个分析OLR和U850的MV-EOF原因是基于理论和实践两个方面的考虑。从理论的角度来看，我们包含U850和OLR是因为次级大气环流和主要季风对流热源之间的相互作用暗示了BSISO。从实际情况来看，敏感性测试表明把OLR和U850的组合进行比对用来确定BSISO。表1从这些敏感试验结果更好总结了其他变量的组合，用于解释从各种EOF分析中得到的前两个EOF模态的PCs方差和光谱特性分析。该OLR和U850的MV-EOF最大程度上解释了综合实验的方差（相比于9.3，9.6，和10.4％占了12.1％）。在30至60天的带通也最接近于OLR和U850的综合（相比于0.52，0.46，和0.49，它是0.50）。从OLR和U850的选择组​​合得到的PC的相干性也是在30至60天的带（0.48）上可接受性很高，这暗示了在分析中应该捕获了季节内传播的现象。进一步的分析和在四个MV-EOF模式和衍生BSISO指数的细节将在下面的章节中提供。

图2. 在ASM区域由面积平均时间的标准偏差（OLR为33.04 W M^-2和U850为4.01ms ^-1）做了标准化的逐日OLR（阴影）和850百帕（U850）纬向风异常的空间结构（a，b）和PC的时间序列（c）的前两个主要MV-EOF模态。为了显示完整的水平风矢量，由V850回归方差得到相关的850百帕经向风（V850），对每个PC由其区域平均标准差（3.14ms ^-1）做标准化。MV-EOF模态是由在1981-2010年的30年的MJJASO期间得到的

3、BSISO指数的基本特点

根据我们的分析，两个BSISO指数在这项研究中被提出了：BSISO1包括第一和第二MV-EOF模式和BSISO2包括第三和第四模式。我们将会看到，BSISO1代表在许多以前的研究涉及了30-60天的准振荡周期在ASM地区向北传播的BSISO。另一方面，BSISO2主要捕获向北和西北传播两个大约30天和10-20天的BSISO。

3.1 BSISO1：规律北传播的BSISO组分

图2现示出了前两个MV-EOF模的空间结构和PCs。为了显示完整的水平风矢量，8​​50百帕（V850）相关的经向风场是由回归V850异常对每个PC在其区域平均时间的标准偏差（2.651ms^-1）标准化得到的。第一模态（EOF1）的空间结构显示主要是在OLR的东 - 西跷跷板型，而EOF2显示更多的特点是在ISM地区南北向偶极子四极型，以及在WNP-EA区一个相反方向的（南向北）偶极子。在EOF空间结构的U850组分与OLR组分近似正交，伴随着西风异常发生OLR正异常的北部和东部，反正为东风异常。 EOF1和EOF2之间相似的特征是他们的模式中西北到东南向的坡。正如下面进一步的讨论，这种相似性要首先被考虑，即EOF1和EOF2应被视为一起，作为一对形成我们所谓的BSISO1。

图3.除了第三和第四个模态其余和图2一样

与前两个EOF模态相关联的PCs的个例在图 2C中展示了出来。与EOF模态的顺序相一致，PC1的变化可以看作是比PC2的稍大。在所示的几年里可以通过约四分之一周期可以看出PC1和PC2主要在季节内的时间尺度不一，并且PC1常常导致PC2。这提供了进一步的证据支持我们将前两个EOF模态作为一对包含在BSISO1里。

每个PCs方差季节周期的平均值示于图4。对于出来五月至十月的一年中（这是用于EOF季节分析），“PC”数据是通过投影OLR和U850异常到同一EOF结构得到的。因此，我们在11个月至3月使用“投影系数”，五月至十月投影系数和主成分是等价的，这两个分别记为PCs。由于从EOF分析模式的顺序要求，PC1主要分布在北半球夏季的平均并伴随着PC2最大的整体差异，两者有相似的在整个五月到十月具有很强的差异的季节周期。明显的是，PC1和PC2（即BSISO1）代表的主要BSISO模态，其季节周期的相似性是进一步的证据，他们应被视为在一起。有趣的是，PC1有差异的突然四月左右月底和5月初增加，在五月和八月的变化最大，而PC2季节性周期的变化往往是被延迟半个月左右。

表1. 从不同EOF分析中所得结果的总结

所有研究区域内都除去了气候年循环和年际方差，在ASM地区由区域平均标准偏差做标准化

PCs的功率谱示于图5。对于PC1和PC2，从方差的累积中可以看出集中在30-60天季节内周期。横光谱图6进一步显示PC1和PC2具有最大的一致性在30〜60天范围内，并且具有90。的相位差表明PC2比PC1落后四分之一周期。 PC1和PC2之间的这种比较强的连贯性提供了进一步的理由使他们在BSISO1指数中的完美组合。

图 4. 1981–2010 年的30年的每个第四个PCs 方差的季节环流平均. 使用的是30天运行平均

图5. 前四个MV-EOFs的PC的功率谱。它由在MJJASO期间每年的184样本大小计算得到，然后取30年平均。在任何频带中绘制格式强制的功率曲线下的面积等于方差。通过EOF各曲线下的总面积被缩放等于解释方差（Exp Var）。显示出了每个PC在30至60天的Exp Var频带。该虚线是从滞后1的自相关计算得到的红噪声谱

PCs之间的相关性滞后在图7中介绍。PC1倾向提前PC2约13天的最大相关为0.34非滤波的数据，以及0.45的30至60天的过滤数据。它进一步指出，PC1和PC2都在RMM1和RMM2显著相关。 PC1（PC2）与RMM2（RMM1）更加显著相关，在零滞后具有-0.63（-0.48）的最大相关性。这表明规范向北传播ISO模式趋于与向东至赤道的MJO一起发生。

图6. a..在图2中的EOF分析的PC1和PC2之间的相关平方和相位。没有相关性的零假设的0.1％置信水平为0.23。对于相位，90°意味着PC1领先PC2四分之一周期。b.和a一样，除了PC3

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