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一次MJO事件远程加速海洋向上涌，从而突然终止了1997/1998年的超级厄尔尼诺现象

T. Miyakawa1 , H. Yashiro2 , T. Suzuki3 , H. Tatebe3 , and M. Satoh1

摘要：1997/1998年的超级厄尔尼诺事件的终止是异常突然的。1998年5月的Madden-Julian振荡（MJO）是暴发性热带云的一个巨大的复合物，这可能是导致突然终止的原因之一。尽管这个原因在18年前就已经被提出，但MJO在整个事件中的作用仍然具有争议，还存在很多推测，因为需要同时模拟厄尔尼诺和MJO，这是很大的困难。使用新开发的完整的海洋耦合全球云系统数值模型的集合仿真系列，以前的细节复制了1998年5月的特殊大气和海洋条件，将MJO的预测能力扩展到46天。在海陆之间具有较强MJO活动的模拟集合成员在东太平洋海平面上经历了更快的海面温度下降，这表明与远距离MJO相关的东风加速了海洋向上涌，从而突然终止厄尔尼诺现象。

明文总结：用最新的全球高分辨率大气海洋数值模式在最精密的计算机上复制了前所未有的最强烈的厄尔尼诺事件的海洋和大气条件。结果表明，一个巨大的风暴活动中心在印度尼西亚群岛上，在东太平洋上远程地增强了东风，推动了冷水向上的运动，突然结束了厄尔尼诺现象。新开发的模型可以在亚季节到季节的时间范围内改善天气趋势和热带气旋的预测情况。

1、介绍

记录在案的有三个异常强烈的厄尔尼诺事件：1982/1983、1997/1998和2015/2016。偶尔被称为“超级厄尔尼诺”或“哥斯拉厄尔尼诺”事件[Hansen等人，2006；Kimisth，2016 ]，他们在世界各地造成了创纪录的，破坏性的极端天气。1997/1998次厄尔尼诺事件的终止是特别突然的，在30天内，在东太平洋（0°，125°W）[McPhaden,1999]的海面温度（SST）下降了8°C,这个突然的变化没有被任何关于厄尔尼诺的预报预测到，这个事情引起了很大争议。Picautetal（2002）提出突然终止是两个上升的海洋波重叠的结果：向东的凯文波和向西的罗斯贝波。另一方面，许多其他研究[Takayabu等人，1999；施特劳等人，2006；VECKI和哈里森，2006；VECKI，2006 ]认为突然的终结与1998年5月在赤道东部太平洋上增加的东风截断有关。由于Corioli效应的影响，赤道上的迹象受到改变，驱使发散（收敛）的海洋表面电流，并补偿冷水（暖水）向海表面（深层）的上升（下沉）流。这些其他的研究认为，上升流在赤道东部的太平洋中发生了爆炸性的爆发，在此之前该地区的低频海浪已经减少了与厄尔尼诺（McPHADEN，1999）相关的异常温暖的表面水层的厚度。他们为东风的原因提供了不同的解释，进一步复杂化了这个问题。Takayabu等人〔1999〕和Straub等人〔2006〕指出，这些被称为“风暴王”的东风，是被Madden-Julian振荡（MJO）所增强的[Hand，2015 ]，MJO是一个巨大的东传播大气脉冲，可视化为5000公里宽的风暴赤道对流活动的壳层，典型的寿命为30至60天[MADEN和Julian，1972；张等人，2013）。在典型的MJO事件中，对流包络线从印度洋向西太平洋传播，传播速度约为约5°/天。与凯文波响应和罗斯贝波响应的对流波包被称为Matsuno Gill模式[Matsuno，1966；Gill，1980 ]的组合相关，随后在中央太平洋海C衰减。由对流包络驱动的循环残余信号加速为干开尔文波，因为它与对流脱钩，循环地球，并偶尔启动下一个MJO事件[Kikuchi和TKayayu，2003 ]。1998年5月MJO在卫星观测的降水数据中显得不寻常：降水信号似乎在整个地球上循环，并且以几乎恒定的东向速度约为10°/天[Takayabu等人，1999 ]。根据实时多变量MJO指数（RMM），这是在2004（Wheeler和Hendon，2004）中引入的，并且目前被公认为识别MJOs的标准方法，MJO的中心在1998年5月下旬在海洋大陆地区徘徊在130°E附近。今天普遍接受的是到达东太平洋Pac C的对流包络线的更快的东向分支，该气象群落在当时称为MJO[Takayabu等人，1999 ]，更可能是从MJO主体分离的湿欧凯文波，例如Straub等人（2006），Takayabu等人（1999）从卫星观测中发现，与此分支相关联的东风和另一个前湿润欧凯文波可能直接触发海洋的上升流，从而加速厄尔尼诺的终止。与此相反，Straub等人〔2006〕利用同化观测资料，表明在典型的MJO事件中，Matsuno-Gill对对流加热的东风可能在MJO的对流包络位于海洋边界附近时扩散到东太平洋。Vecchi和Harrison（2006）和VECKI（2006）提出了一个与MJO无关的原因。他们认为，1997/1998厄尔尼诺异常赤道东部太平洋SST有助于季节性变化的太阳日射，使热带对流活动的最大值向南移动，通常在东太平洋C区保持在8°N附近。从而取代了赤道东风带罕见的西风，西风驱使海洋下沉，延长了厄尔尼诺，直到5月逆转，当对流活动区向北撤退。赤道东风返回并推动海洋向上流动，将较冷的水移动到地表，迅速终止厄尔尼诺现象。

直到最近，MJO在终止厄尔尼诺过程中的确切作用还不清楚，因为数值模型不能同时重现这两个事件。本研究的范围是产生一个集合模拟系列，它紧密复制1998年5月的情况和在超级厄尔尼诺的突然终止中MJO的作用。我们使用非静力二十面体大气模型（NICAM）[Tomita和SATOH，2004；SATOH等]。，2014，下一代数值全球模型在显式解析云的概念下发展起来。这是已知的成功再现MJO对流包络线及其东移的模式（Miura等人，2007；Miayakaa等人，2012）。使用NICAM所需的大量计算能力长期以来限制了它的使用，但在大规模标量计算方面的最新进展在很大程度上克服了这些限制，Miyakawa等人〔2014〕最近在世界顶级超级计算机之一的K计算机〔HaseGaWaA.A.，2011〕上进行了一系列MJO模拟，证明NICAM可以精确地预测MJOs的提前时间为27天，但是，他们使用了一个简单的1-D混合层海洋模型。作为初始异常和气候年际循环之和的规定SST。该理论的弱点在于，在海洋异常快速变化的情况下，该模型的预测能力大大降低，并且它不能充分考虑大气和海洋动力学之间的重要相互作用[ Dimot等人，2015 ]。NICAM与全球海洋环流模式COCO[HasuMi，2006 ]（图1）。一个通用的耦合器，JCLA[ARKAWAA等，2011 ]，被用作两个模型之间的接口。此后，我们将NICAM的三维全动态海洋耦合版本称为NICCOO（NICAMCOCO耦合天气/气候模型）。

2、数据与方法

我们使用NICOCO进行了四天100天的模拟，使用了Miyakaa等人使用的一组初始日期。〔2014〕评估海洋耦合对MJO预报能力的一般影响。接下来，我们进行平行系列的100天模拟使用NICAM和NICOCO，每个被初始的日期都处于1998年4月20日和28日之间。

图1，新开发的海洋耦合全球云系统解决模型NICOCO。NICAM的二十面体网格系统和COCO的三极网格系统通过耦合器JCUP进行通信以产生NICOCO。下面板：NICOCO模拟快照（2011年11月27日）的长波辐射（灰度；较小的值对应于较高的云顶高度）、降水（蓝色尺度）和海表面温度（颜色尺度）。粉红方框区域表示MJO向东传播的对流包络。

2.1。模型描述与协调

我们使用了2014版本的NICAM（NICAM 14.2），这是MyakaWa等人使用的版本（NICAM。12）的一个小升级〔2014〕，我们采用相同的网格系统，动态核，物理方案，和参数，而不打开任何新实施的实验方案。因此，大气组分与Miyakaa等人所用的大气成分相同〔2014〕，除了改进的计算EF和MyOrbug，X.O.NICAMISALSONSON的海洋分量（1-DMixEdE层），Miyakaa等人〔2014〕利用相同的程序和ERA中期再分析数据集[DE等人，2011 ]，导出了大气的初始条件和一维混合层海洋的初始和外部SST。尼科科的海洋成分是海洋环流模式COCO[HasuMi，2006年]的4.9版本。在63°N的北极区和63°N以南的球坐标系组成的三极坐标系上离散控制方程，纵向网格间距约为1°，子午线网格间距从赤道附近的约0.5°变化，在中纬度达到1°。有63个垂直水平下降到6300米深度。

2.2。海洋分量的自旋上升过程

独立的COCO通过6小时2米的空气温度、风速和湿度数据和230小时的风应力、净短波、向下长波和淡水的UX数据的ERA中期再分析数据集被旋转了整整一年。1980年到1989年间的再分析在230年的整合过程中被反复使用，然后，从1990年1月1日开始，NICOCO的开始日期开始，以获得初始的海洋条件。

图2，数值模型的预测能力：（a）NICOCO的MJO预测能力，蓝色实线表示所有54个系综成员计算的能力，虚线表示从不同阶段初始化的成员计算能力，第8阶段（紫色；位于南美洲上空的MJO），第1阶段（黄色；大西洋非洲），第2阶段（红色；西印度洋）。（b）与图2a相同，但1998模拟的九个成员由NICOCO（蓝线）和NICAM（橙色线）表示。（c）1998 MJO观察（黑线）和模拟成员（彩色线）的NINO3.4指数（海平面温度异常在NINO3.4区域的平均）。

2.3。漂移消除过程与异常识别

NICOCO的漂移是引领日期的函数，对于54天100天模拟序列，模型数据与参考数据的偏差平均每天，并且它与初始状态的差异（可以稍微偏离由于初始化过程的观测）被认为是漂移。对于外向长波辐射（OLR），我们使用插值的NOAA-OLR〔LieBeman和Smith，1996〕的观测数据集作为参考。对于水平风和SST，我们使用ERA中期再分析数据集作为参考。SST、OLR和850 HPA水平风的漂移和NIONO3.4指数的平均漂移在支持信息图S1和S2中示出。本文从原始模型输出值中减去漂移和气候年周期，导出异常。气候周期年周期是以37年（1979—2015）的ERA中期再分析数据为基础计算的。

3、结果

3.1、模型性能

我们应用Gottschalck等人引入的MJO能力度量〔2010〕，通过观测和模拟RMM指标之间的二元相关关系进行检验。注意，虽然RMM是一种被广泛使用的标准化方法，但它指向的是风分量（Straub，2013；Kialdas等人，2014），与对流活动相比，通常是更持久和可预测的成分。在有必要将焦点集中在对流活动上的情况下，另一种选择可能是应用基于OLR的MJO指数[KiaLi等人，2014 ]。NICOCO（图2A）的MJO预测技巧与MikaWaA等人估计的NICAM的高MJ估计技巧相匹配（2014），NICOCO的预测技能不高于NICAM的预测技能，这是因为模拟系列包括具有微妙海洋信号的条件。在这种情况下，基于观测到的初始状态和气候季节周期锚定到指定SST的简单混合层海洋模型比COCO具有优势，它既有代表海洋信号的真实演变的潜力，又有漂移的自由。在1998年5月MJO的模拟中，海洋信号很大，NICOCO在预测MJO（图2b）方面远远优于NICAM。NICAM和NICOCO预测技能的初始下降是由于四月MJO振幅小的误差（支持信息图S3）引起的。NICAM和NICOCO都在5月份捕获了MJO的发展和随后缓慢的东移。NICAM在第24天迅速失去MJO预报技能，因为SST偏离了现实，倾向于将MJO向东传播到PACI C（未示出），被限制到有利于东部对流的厄尔尼诺状态。NICOCO维持有效的MJO预测技能更长（30天为大于0.7，39天为大于0.6，46天为大于0.5）。NICCOO模拟集成成员捕获El Ni Ni O阱的终止（图2C）。

图3，在1997/1998 厄尔尼诺的最后阶段海面温度（SST）异常的演变（NICOCO模拟）在4月20日20时开始，模拟显示了SST（颜色）和975 hPa水平风场（矢量）（左柱）和海洋温度（颜色）赤道垂直剖面的异常，横向和纵向电流（矢量），975 hPa和850 hPa水平风场（上面方形中的矢量）（右列），其中（a）为5月1月，（b）为5月15日，（c）为5月29日，洋流的垂直分量乘以100倍。

3.2。MJO在超级厄尔尼诺事件终止过程中的作用

1998年4月20日初始化的NICOCO模拟显示了第四纪太平洋表层以下层和表面条件的演变（图3）。5月1日，在NIONO3.4区域（5°N—5°S），SST异常（漂移偏离平均年周期；详见第2节）；170°W - 120°W是正常的，在底层近地表的地方纬向电流较弱，26°C海层的深度在30m左右已相当浅，该层上升形成东风，使从西向南赤道水流增强，到5月15日，该层到达地表，在NIONO3.4地区出现SST异常，随后向西传播。总体而言，模型模拟与观测相符（McPHADEN，1999；Takayabu等人，1999；Straub等人，2006），但有一个例外：在模拟中，负SST异常出现的位置比实际位置偏西约5°左右，海洋上升流清晰可见（图3）。

图4，MJO相关风与海表面温度趋势之间的联系，（a）5月1日～20日的观测（黑色）和模拟集合成员（颜色）的图。（b）MJO 850HPA纬向风（左柱）和SST异常（右柱）的经度时间图，分别为4月20日（上排）和25日（下排）。方形区域显示的是5月8日~19日141°W - 1

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