大西洋多年代际振荡对厄尔尼诺和拉尼娜特征的不对称影响外文翻译资料

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大西洋多年代际振荡对厄尔尼诺和拉尼娜特征的不对称影响

Mi-Kyung Sung, Soon-Il An, Baek-Min Kim, and Jong-Seong Kug

摘要：北大西洋长时间的寒冷地表情况，即大西洋多时代振荡（AMO）的负位相，可以通过增强的中海-热带中东部太平洋平均线的海表温度来增强空气-海洋耦合来加强厄尔尼诺-南方涛动。然而，温暖的海表平均温度对厄尔尼诺的影响比拉尼娜更大，这是因为大气对流对海表平均温度变化的指数级增长的性质。此外，负AMO期间大气对流的更加的向东偏移导致了更强的厄尔尼诺现象，这是由于海浪延迟了较长时间的负反馈。因此，AMO主要影响厄尔尼诺的强度，而不是拉尼娜的强度。

1. 引言

年代际振荡（AMO）是北大西洋区域最主要的长期气候变率现象之一。正AMO阶段包括北大西洋的整体变暖，负AMO阶段具有相反的特征。AMO的起源尚未完全了解；然而，各种研究表明，它可能与大西洋的经向翻转环流（AMOC,又名大西洋温盐环流）[Delworth and Mann, 2000; Knight等,2005]，区域空气-海洋相互作用或相邻的陆地/冰过程有关[Cheng 等, 2004; Dima and Lohmann, 2007]。AMO / AMOC对气候的影响到达邻近地区以及东部热带太平洋地区。Dong等 [2006]认为，与正位相AMO相关的大西洋海面温度（海表温度）主要通过大气遥相关（大西洋到太平洋的大气桥梁）来减少厄尔尼诺 - 南方涛动（ENSO）变率。这导致贸易风减弱，导致温跃层的深化和减少赤道太平洋的垂直分层，这抑制了ENSO。相反地，Timmermann等 [2005]认为，AMOC的弱化是由大西洋的淡水流入而导致的，通过全球温跃层的调整（所谓的“seiching机制”）导致区域平均热带太平洋温跃层的深化，这反过来又抑制了ENSO变化。在随后的研究中，Timmermann等 [2007]认为，AMOC的减弱（即AMO的负位相）导致赤道太平洋年度周期的减弱，这通过非线性相互作用（包括所谓的“频率夹带”机制）加强了ENSO变率。

在这项研究中，我们提出了另一个进程，强调在对应于与AMO相关的平均值热带太平洋海温变化对大气 - 海洋耦合强度的变化。特别是由于热带大气环流主要受深层对流驱动，深层对流与海表温度之间的关系对于ENSO的变异性至关重要。在本研究中，我们研究了海表温度与背景海表温度变化相关的大气对流之间的非线性关系，确定了AMO的影响。虽然以前的研究强调了AMO / AMOC对ENSO的影响主要是基于数值模拟实验，但是在这项研究中，我们主要分析观测资料，尽管抽样大小有限，这使我们能够识别以前由于模型偏差而被忽视的过程。此外，我们分析了长期气候模式模拟，以更好地评论我们的观测结果。

图1（a）哈得来海温和（b）CM2.1中相对于AMO位相（灰色： AMO，黑色：-AMO）的赤道区域（5°S-5°N）海表温度异常的标准偏差。（c和d）与图1a和1b相同，除了海表温度的偏度。（e和f）十月至十二月期间分别属于 AMO和-AMO期间的厄尔尼诺年份的哈得来海温异常的复合值（°C）。在复合分析之前，从海表温度异常中去除了与AMO的平均海表温度协变量。（g和h）与拉尼娜年（厄尔尼诺：10（ AMO）和22（-AMO）年）不同，拉尼娜年：15（ AMO）和20（-AMO）与图1e和1f相同 ））。在t检验的基础上， 95％置信水平显示出显着异常。

1. 数据和方法

我们分析了观测数据和长期模拟输出，以了解与AMO相关的海洋和大气变率。海表温度的观测数据来自哈得来中心 [Rayner等，2003]。根据Trenberth和Shea [2006]给出的定义，AMO指数是根据北大西洋每年的海表温度异常（0-60°N，0-80°W）计算的，平滑了10年的平均值。这个AMO指数与以前研究的其他指数相符，除了1900年之前的时期（Knight 等，2005; Trenberth and Shea，2006]。由于缺乏历史资料，本研究的重点是1900年至2012年，其中包括48年（1927 - 1964年和1999-2008年）的正位相的AMO（ AMO）和为期61年（1900-1926年和1965年至1998年）的负位相AMO（-AMO）。在分析期间，哈得来中心全球海冰和海面温度（HadI海表温度）数据的线性趋势被删除，选定的ENSO年份的标准是Nintilde;o3指数（海表温度异常平均超过5°S-5°N， 90-150°W）高于或低于plusmn;0.5标准偏差。

从国家海洋和大气局网站获得的全球降水气候学项目（GPCP）每月降水资料http://www.esrl.noaa.gov/psd/ [Adler等，2003]。GPCP数据始于1979年。我们还使用国家环境预测中心/国家大气研究中心的大气再分析数据，该资料可追溯到1948年[Kalnay 等，1996]。

由于现有的观测结果相对较短，处理多时代的时间尺度现象，我们还分析了地球物理流体力学实验室CM2.1耦合的500年输出模型。从气候模型诊断和比较档案库中下载了基于1860年数据的固定大气碳组成的“工业前控制实验”输出模型[Delworth 等，2006; Wittenberg 等，2006]。这些数据涵盖了270年的AMO正位相和221年的AMO负位相。为了评估AMO正负位相间的差异，我们使用与两个AMO期相同大小的1000个随机样本组进行了蒙特卡罗检验。

图2（a）阴性和阳性AMO期间（a）哈得来海表温度（℃）和（b）GPCP降水（mm /d）的年平均值差异。（c和d）除了使用CM2.1仿真输出外，与图2a和2b相同。突出区域分别显示90％和95％的观察和CM2.1置信水平的差异。

1. 结果

如前所述，已知AMO通过调节东部热带太平洋的平均状态来促进ENSO变化[Dong等，2006; Timmermann等，2007]。具体而言，厄尔尼诺3 海表温度每月标准偏差相比于AMO的暖相位，在AMO的冷位相阶段增加了22％[Dong等，2006]。东太平洋赤道海表温度异常的标准差在AMO负位相期间增加（图1a和1b）。从所述观测数据和模型来看，对于厄尔尼诺3区域，在AMO正位相期间，每月海表温度异常的标准偏差增加了31％，并且在AMO负位相期间，每月海表温度异常的标准偏差增加了21％。

有趣的是，厄尔尼诺现象和拉尼娜事件的加强有明显的差异。在AMO负位相期间，厄尔尼诺现象的海表温度异常较强; 然而，对于AMO负位相期间的拉尼娜事件的强度与AMO正位相期间的强度相当（图1e-1h）。在分析之前，我们从海表温度异常中去除了AMO的平均海表温度协变量。如图2a和2c所示，AMO负位相期间往往伴随着中东 - 东部赤道太平洋的更温暖的平均海表温度条件，平均状态呈现季节变化[Hong 等, 2013; Koutavas 等, 2002; Stott 等, 2002; Sutton and Hodson, 2007]。为了从异常中去除与AMO相关的季节性变化的平均海表温度差异，我们首先计算了每个月的海表温度相对于AMO指数的线性回归系数。我们随后使用AMO指数对海表温度异常进行加权后减去回归系数。因此，图1中海表温度异常的差异表明ENSO变率的年际差异，其中排除了由-AMO诱导的更温暖平均状态。

厄尔尼诺和拉尼娜事件之间的不对称增强在偏态模式（图1c和1d）中也更清楚地看到，使得海表温度异常在AMO负位相期间在东部热带太平洋地区处于正偏。东部热带太平洋海表温度的正偏度表明，与拉尼娜事件相比，厄尔尼诺现象的发展更有可能在AMO负位相期间。相干特征也在CM2.1中显示。这表明，负位相期间厄尔尼诺 - 拉尼娜事件的不对称增强不是抽样问题; 相反，有一个支持这种现象的物理过程。AMO对厄尔尼诺现象和拉尼娜事件的不对称影响也表明底层物理过程不是线性的。

虽然我们忽略了与AMO相关的赤道太平洋的平均状态差异作为我们的初步分析，但我们认为残余平均状态的变化仍然是ENSO不对称发展的原因，因为热带海洋大气平均状态是 是控制厄尔尼诺现象特征的关键因素[e.g., An and Wang, 2000; Fedorov and Philander, 2001]。图2b和2d显示了在AMO负位相期间的降水变化。降水沿着赤道增加，这与观测和模型输出中常见的增强降水区北部出现的抑制降水形成对比。这些特征与早期研究中确定的AMO负位相期间的热带辐合带（ITCZ）向南移动一致[Dong 等, 2006; Zhang and Delworth, 2005]。各种物理平均变量的变化彼此密切相关。在气候学上，由于赤道上升流，东部热带太平洋地区的特征是寒冷的表面温度。平均状态下的冷海表温度抑制大气对流，并迫使最大对流区域（即ITCZ）远离赤道[Li, 1997; Xie and Philander,1994]。因此，在AMO负位相期间，在太平洋东部区域的偏暖情况可以把ITCZ南部的气候位置拉近赤道。温暖的平均状态不仅对于对流的气候分布，还对ENSO的年际发展具有重要的意义。我们还研究了厄尔尼诺现象和拉尼娜事件中大气对流的非线性响应与底层海表温度变化的关系，这种关系导致了ENSO的增长不均匀。以前的研究确定大气对流与东热带太平洋地区的并列海表温度显着相关[Gutzler andWood, 1990; Lau 等, 1997]，大气对流随着海表温度的增加呈指数增长而不是线性增加（见支持信息图S1）。例如，26-27°C 海表温度范围的降水量明显大于26°C以下，降水量越高，更高的海表温度的范围越大。海表温度与降水之间的非线性关系意味着对相同海表温度异常的大气响应可以根据总海表温度而不同。海表温度与降水之间的这种关系随着AMO阶段的变化（未显示）的变化不会很大。

图3（a）观测中 AMO（灰色）和-AMO（黑色）期间，东热带太平洋地区降水在厄尔尼诺3情况下每个月的回归系数。（b）与图3a相同，CM2.1输出除外。 单位是mm/d/℃。闭合正方形表示t检验在95％置信水平下的显着系数。

降水对海表温度幅度的影响表明，海洋各个基本状态的大气敏感度不同。中东 - 东赤道太平洋地区温暖的平均表面条件在AMO负位相期间提高了大气敏感度。为了评估海洋平均状态变化对ENSO的影响，相对于AMO阶段每个月的厄尔尼诺3的海表温度异常 （图3），我们首先计算了厄尔尼诺3区域平均降水量的回归系数。这些结果使我们能够比较AMO处于正负位相时的大气敏感度和单位海表温度。在观察和模型输出中，回归系数在 - AMO期间表现出较大的总体值，特别是6月至11月的月份。在AMO负位相期间，较大的回归系数表明相同海表温度异常的降水增加，意味着大气敏感度增加。由于这些季节被认为是包括了ENSO生长阶段，这些季节的增加的大气敏感性对ENSO强度很重要。上述结果验证了在AMO负位相期间大气对海表温度异常的响应是增强的; 然而，这并不意味着它对ENSO的温暖阶段更有利。因此，为了评估每个AMO阶段厄尔尼诺现象和拉尼娜事件对大气对海表温度异常的敏感性差异，我们进一步计算了海气耦合强度，其定义为每月纬向风的线性回归系数对厄尔尼诺3指数的应力异常（图4）。为了比较厄尔尼诺现象和拉尼娜事件，回归系数只计算出厄尔尼诺和拉尼娜事件发生的年份。我们分别定义7和10（11和13）厄尔尼诺（拉尼娜）事件为AMO正位相和AMO负位相期间。对于模型输出，我们应用了与观测资料相同的标准，58和58（82和71）厄尔尼诺（拉尼娜）事件分别发生于AMO正位相期间和AMO负位相期间。

图4（a）厄尔尼诺和（b）拉尼娜发展年份属于正值的月均纬度（5°S-5°N）线性回归系数与1月至12月的每月厄尔尼诺3指数 （灰色实线）和负（黑色虚线）AMO期间观察。（c和d）除了CM2.1外，与图4a和4b相同。90％和95％置信水平的显着差异区域分别用红色表示，CM2.1输出。

如图4所示，在中太平洋地区，在观测和模型数据中都发现了纬向风应力异常的正峰值，这意味着风应力与厄尔尼诺3 海表温度之间强烈的海气耦合。如图3所示的降水异常所推断。在厄尔尼诺期间（图4a），峰值在AMO负位相期间向东延伸，这与AMO负位相期间的大气灵敏度增加相一致。随着风应力向东移动，赤道太平洋的海表温度异常变强，ENSO事件持续时间也延长[An and Wang, 2000; Kang and Kug,2002]。CM2.1模型再现了在太平洋中东太平洋期间的风应力异常特征（图4c）。对于拉尼娜年份，纬向风应力异常在AMO正位相与AMO负位相周期之间没有显示出有意义的对比（图4b和4d）。此外，在AMO正位相和AMO负位相期间风应力异常的强度几乎相同，其区域结构中也发现了类似的特征。因此，对厄尔尼诺现象和拉尼娜事件的不对称大气响应证实了不同AMO相对海气耦合强度的不对称影响，这可归因于对流与海表温度的非线性关系。

1. 总结与讨论

当北大西洋处于冷平均状态时，ENSO活动往往会被放大[Dong 等, 2006;Timmermann 等, 2007]。在本研究中，使用观测数据和耦合通用循环模型（CGCM）输出，我们根据AMO阶段检查了ENSO特征的变化，发现厄尔尼诺事件在AMO负位相期间比拉尼娜事件有更显著的增强。在不同的AMO阶段，ENSO的不对称发展与中东 - 热带太平洋的增温加湿的基本状态有关，如观察和CM2.1模型输出所示。由于海表温度对流关系中的非线性特征，中东至东部热带太平洋海表温度的暖暖平均状态提高了大气对流对同一海表温度异常的敏感性; 因此，这加强了海气耦合反馈过程。在AMO负位相期间，增强的海气耦合强度比拉尼娜事件更有利于厄尔尼诺现象的发展。特别的，在厄尔尼诺生长季节期间，大气对海表温度异常的响应向东转移。

到目前为止，如其他数值模拟研究所示，热带太平洋对大西洋环流变化的反应相当多样[Cessi 等, 2004; Dong 等,

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