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厄尔尼诺/南方涛动和年循环的组合模态

Malte F.Stuecke,Axel Timmerman,Fei-Fei Ji,Shayne McGrego and Hong-Li Re

厄尔尼诺/南方涛动可以通过两种状态来描述：通过热带太平洋上正海表温度正距平定义的厄尔尼诺事件和相同区域海表温度负距平标记的拉尼娜事件。ENSO与季节循环紧密相关性，它被广泛地认为是热带太平洋中海气耦合系统的振荡不稳定。厄尔尼诺事件通常在北半球冬季达到峰值，但控制这种相位同步的机制尚不清楚。在这里，我们使用观测数据和气候模型实验表明，非线性大气对组合的季节和年际海表温度变化的反应会产生一个近年度的组合气候模式，周期为10个月和15个月。具体来说，我们发现北半球冬季和春季相关的西风异常的向南偏移触发了大型厄尔尼诺事件的终止。 我们得出结论，组合模式动力和热带西太平洋降水型的相关转变在强烈的厄尔尼诺事件期间最为显著。

目前的ENSO理论，如充放电模型，尽管非常成功地解释了ENSO的一些观测特征，但没有解释年际和季节时间尺度之间的相互作用。特别是，他们没有深入研究为什么强厄尔尼诺事件在日历年末（十二月-一月-二月）发展达到顶峰并且在随后的几个月中终止。这些理论的先前延伸依赖于非线性概念，例如次谐波频率锁定和频率夹带，非线性共振，准周期性跃迁到混沌或参量耦合激发，捕捉到ENSO/年循环相互作用的一些方面。

观测结果表明，赤道上西风距平的弱化和南移伴随着强厄尔尼诺事件的终止，然而，这些扩展的动力系统的概念都没有描述出来。许多模式研究已经证实了这一观测证据，因此支持强年循环/ ENSO相互作用源自热带西太平洋这一概念。在这里，

我们开始提供一个简单的统一动力框架，

以了解ENSO的各个方面，如季节性节奏的厄尔尼诺转变物理学，光谱特性和ENSO的水文气候影响。

西风异常的季节性减弱和南移导致厄尔尼诺和拉尼娜之间过渡，它很容易就可以根据1958 - 2001年观测期的热带风距平场的经验正交函数（EOF）分解描述。EOF第一模态是与ENSO相关的赤道准对称10m高度风型（图1a），显示异常沃克循环的特征，如同厄尔尼诺事件期间西太平洋赤道西风异常这一特征（第一主成分的正位相)。PC1与常用的Nintilde;o3.4指数（海平面温度（SST）距平在120°W-170°W和 5°S-5°N区域内的平均值）有很好的相关性（r = 0.86)。

EOF第二模态（图1b）结合PC2的正相（强ElNintilde;o事件的终止位相，图1f），捕获异常菲律宾反气旋的发展，以及异常纬向风的强经向切边 风横过赤道和南移西风异常。它在终止厄尔尼诺事件中发挥重要作用，通过在赤道东太平洋重建上升流区域（赤道西风异常的迅速减弱触发上升的开尔文波)以及将热量从赤道散发到北半球，这些都归功于赤道外风应力旋度型。这被突出显示，由于PC1和PC2在强ElNintilde;o事件的峰值位相期间的紧密相关（图1e，f和补充图S3）。

通过计算观察到的PC序列的功率谱（图2a和补充图S1a和S2）来进一步阐明PC1和PC2之间的这种关系。PC1谱显示了主要是2 - 8年的年际周期带内的变率显着水平，相比PC2序列，PC2在周期15个月处显示出显著的谱峰，在周期10个月处显示出较弱的峰。将PC1谱（以下用f表示）的频率轴变换为1-f和1 f，其中1表示年频率，我们发现PC2的峰值与PC1的转变的1-

图1|热带太平洋地表风型。a-d,由观测到的(a)-(b)和模拟的(c)-(d)10m风距平的EOF分解得到热带太平洋风变率(纬向风为阴影)的主要型。e,f,观测(OBS)和实验()的标准化主成分()。蓝色矩形表示四个最强的厄尔尼诺事件(由最大PC1 OBS幅度确定)的持续时间(PC1 OBS的0.5阈值)。蓝色垂直线突出显示事件峰值时间.灰色矩形表示四个最强的拉尼娜事件(由最小PC1 OBS幅度确定)的持续时间(PC1 OBS的0.5阈值)。g,与e,f相同，但对于PC2 OBS(黑色)和PC2SIMPLE(橙色)。

峰值很好地对齐，其中表示ENSO的频带(到1/8)。具有ENSO解析耦合气候模型的多世纪长的模拟捕获EOF2模式，PC2时间演化，其与PC1的相位关系和关键频谱特性（补充图S6-S10）。ENSO分辨耦合气候模式下的多世纪长度的模拟捕获EOF第二模态型，PC2时间演变，其与PC1的位相关系和关键频谱特性（补充图S6-S10）。

近年度组合频率（分别为差音和和音）的特征：年频率任一侧的频率1-和/或1 处的频谱峰值是由于ENSO引起的年循环的调幅产生的，或者在数学上来自ENSO和年循环周期之间的乘积，或者更多的复杂的变形。在十八和十九世纪，声学理论首先描述了组合频率。后来，它们被用来理解冰川周期和ENSO的各方面。近年光谱功率已经在海洋和大气观测中被确定。然而，这些近年光谱峰值和相关的物理模型的确切物理起源和气候相关性以及相应的物理模式在热带气候研究中至今未被注意到。

在风PC2序列的这些光谱特征的基础上，我们提出导致厄尔尼诺季节性调整终止的机制由热带太平洋气候的新的组合模式（C模式）提供。它源于季节循环和年际ENSO变率之间的非线性相互作用，主要通过大气非线性，例如与南太平洋辐合区（SPCZ）的季节性发展或者底层湿度平流相关的行星边界层中动量的频散。

为了测试这个假设，我们用大气环流模式（AGCM）进行了一个10因子集合的敏感性实验，仅用SST季节循环和随时间演变ENSO相关SST异常（EXPA）强迫，它们与风PC1序列相联系。 此外，我们使用相同的ENSO SST强迫进行单一因子实验，但是没有使用SST（永久秋季平分实验PERP）的季节循环。

图2 |使用了Blackman–Tukey方法的PC1和PC2的功率谱。频率缩写为f。 说明PC2组合音频率，PC1移动到1-f(蓝色虚线)和1 f(绿色虚线),并缩放1/3倍。灰色矩形表示近一年组合音频带1-和1 。a和b中PC2s的AR(1)空值假设用粗灰色线表示，95％的置信区间（CI）由细灰色线表示。 a，观测PC1和PC2。 b，平均实验EXPA PC1和PC2。 c，观察PC1和PC2SIMPLE。

AGCM模拟集合平均风EOF第一模态（图1c）显示出和观测EOF（图1a）第一模态很近的相似性以及对应PC序列之间的高相关性(r = 0.95）。模拟和观测到的EOF第二

模态风型（图1b，d）的显著相关以及相应的厄尔尼诺事件（图1.f）期间的主成分证实EOF第二模态是一个组合模态，是由于ENSO和年循环之间的非线性相互作用产生的。此外，该实验大量再现了EOF第二模态的空间结构的事实进一步证明了冬季菲律宾反气旋的发生和异常赤道西风的向南移动以及它们随后几个月的演变都是非线性组合模式的表现 。模拟PC2的演变（图1f和补充图3）表明在强厄尔尼诺事件期间的日历年年底从负值到正值的迅速转变，与观察到的PC2非常相似。永久平分点实验没有显示与组合模相关的独特的大气环流响应（补充图S3和S4），因此证明SST的年循环是大气组合模响应的关键因素。

我们的结果证实并扩展早期的模拟研究，发现固定ENSO SST异常型连同SST季节循环足以模拟北半球冬季和春季ENSO相关风异常的南移。

来自EXPA（图2b和补充图S1b）模拟集合PC2平均值的功率谱揭示了1-（15个月）和1 （10个月）处的组合音频率峰值。如ENSO和年循环之间的组合模所期望的，我们发现年频率的频谱间隙。此外，我们用从长度为500年的耦合前期工业控制模拟（PICTRL）的EOF第一模态中获得的年循环和ENSO相关的SST距平，对AGCM进行了长达150年的积分。结果（补充图S6-S10）显示出在组合音频率中风的PC2序列的两个非常显著的频谱峰值。这两个峰与那些来自完全耦合模拟（来自PICTRL的PC2）和来自EXPB（补充图S9）移动PC1光谱的峰值相匹配。AGCM实验（EXPA和EXPB）、完全耦合模型运行PICTRL以及观测都显示与EOF第二模态非常相似的风结构（图1b，d和补充图S6b，d);然而，在1-和1 频带中，光谱功率的显着性存在微小差异。这些差异可能与大气非线性的不同表示和海气耦合的变暖效应有关，这可能有利于出现相对于1 更强的1-峰值。 永久秋分AGCM实验的功率谱在PC2谱中没有显示1-和1 组合音特有的频率峰值（补充图S5），因此证实SST的年循环是EOF第二模态的主要影响因子。

为了进一步验证我们的组合模假设，我们将C-模式理论上近似为：的形式，其来自大气非线性的最低阶项。这里代表年循环的角频率，表示一个月的位相移动。 这时间序列，通过其数学本质展现了1-和1 处明显的谱峰（图2c和补充图S1c）。此外，它与观测的PC2显着一致，特别是在厄尔尼诺事件期间（图1g和补充图S3）。和观测的PC2之间的相关系数为0.51，并且和EXPA实验中平均

图3 | 降水变化。1979-2000年期间气候态DJF-平均6mm 降水等值线表明DJF(a-c)期间的SPCZ强度.a,三个最强的PC2异常事件的降水合成平均值：1982/1983，1991/1992和1997/1998。b，气候降水加上与这些事件观察到的PC1相关的降水合成。c，气候态降水加上与观察到的PC1和PC2相关的降水合成。 d，相对于a-c的160(实线)和120(虚线)降水：DJF合成(黑色)，DJF气候态加PC1降水(蓝灰色)和DJF气候态加PC1和PC2降水(红色)。

PC2之间的相关系数为0.67。观察到的PC2因此可以被视为叠加在大气白噪声（图2b和补充图S11）上的（图2c），并且通过海气耦合（图2a）进一步变红。

先前已经证明在强非线性厄尔尼诺事件期间产生观测到的风异常南移的关键要素是冬季SPCZ的季节性发展。在1982 / 1983,1991 / 1992和1997/1998年厄尔尼诺事件期间，SPCZ奔溃为带状赤道雨带，赤道上的降水强烈增加，热带西北太平洋异常干燥（图3a）。这些区域SPCZ事件在南太平洋岛屿国家造成严重的降水影响，并通过改变非绝热加热的空间分布影响亚洲季风系统。我们发现C模式动力学调控这些事件期间的空间降水型（图3c，d）。

在本研究中，我们证明了在大型厄尔尼诺事件的峰值和终止阶段期间发生的一系列气候特征可以由以前忽略的年度组合模式解释，它由季节和年际SST强迫的非线性相互作用产生。这些特征包括菲律宾反气旋（图1b），区域SPCZ事件（图3）以及日历年年末西风异常的南移，它们强烈促进了大型厄尔尼诺事件的终止。

值得注意的是，以风异常（图1e）的PC2为代表的组合模动力学在强厄尔尼诺事件中显着地出现，但是对于弱厄尔尼诺事件和拉尼娜事件不太明显。这种幅度不对称可以解释为什么拉尼娜事件的特征不是与季节循环的强相位同步，以及为什么它们可以比上面讨论的强ElNintilde;o事件持续更长的时间（图1e）。一旦厄尔尼诺事件达到一定幅度，其在冬季后的消亡变得高度可预测（图1g），并且主要由C模式控制。这与厄尔尼诺发生位相的可预测性相反，其特征是西风爆发的随机发生以及其它短期现象。 因此，研究C模式可以帮助改善气候模型中的ENSO模拟并增加季节性气候预测的能力。

方法
降水分析。使用全球降水气候学项(GPCV2.2）1979 - 2000年期间的降水产品，我们重建了三个最强风速PC2异常事件（1982 / 1983,1991 / 1992，1997/1998）的异常南半球夏季降水场，通过将它们各自的降水回归模式乘以相应PCs的冬季平均值(图3)。将在这些事件期间仅与PC1相关的异常降雨添加到冬季平均气候态降雨中导致一些区域的降水增强（图3b），但不是在纬向SPCZ事件期间观察到的强赤道降水增强（图3a）。用一种类似于合成的方法（图3a）把分别与风PC1和PC2（图3c）相关的降雨异常都加到冬季平均气候态上，导致纬向SPCZ事件特有的纬向方向和向东延伸以及西北太平洋干旱。这说明风速P

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