大西洋热带气旋在GFDL的HiRAM模式下的可预测性外文翻译资料

英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

大西洋热带气旋在GFDL的HiRAM模式下的可预测性

Zhuo Wang¹, Gan Zhang¹, Melinda S. Peng², Jan-Huey Chen³, and Shian-Jiann Lin⁴

¹Department of Atmospheric Sciences, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois, USA, ²Naval Research Laboratory,Monterey, California, USA, ³University Corporation for Atmospheric Research, Geophysical Fluid DynamicsLaboratory, Princeton, New Jersey, USA, ⁴National Oceanic and Atmospheric Administration, Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, Princeton, New Jersey, USA

摘要：地球物理流体动力学实验室（GFDL）的高分辨率大气模式（HiRAM）可很好的预报大西洋热带气旋（TC）频数的年际变率，其后报结果用于研究模式为了能够有效预报TCs所必须捕捉到的关键环流系统。 HiRAM再现了大西洋哈德莱环流的年际变化的主导经验正交函数模式（M1）及其对环境条件的影响。 M1表征了热带辐合带（ITCZ）的强度和宽度的变化，而且大西洋TC的可预测性也能够被由前几个月的SST与M1模型之间的滞后相关性所解释。尽管高分辨率大气模式并不能够很好的预测ITCZ的变化，但这并不影响其对区域飓风数目的预测。本文分析表明，主导模式中局地哈德莱环流的变化可以作为评估全球模式下TC季节性预测效果的有效指标。

1.引言

大西洋热带气旋活动具有强烈的年际变化。 在活跃的年份，有超过30个热带气旋在该海域发展（例如，2005年），而在一个不活跃的年份，热带风暴的数目可以减少到6个或更少（例如，1983年）。 了解热带气旋活动的变化性和可预测性的来源有助于提高热带气旋的季节内到季节间的预报。

以前的研究表明，大西洋热带气旋活动的年际变率与厄尔尼诺南方涛动（ENSO）和大西洋经向模式有关。ENSO，以赤道东中太平洋的海面温度（SST）异常为特征，主要通过调节上层流量和大西洋上的垂直风切变来影响大西洋热带气旋[Gray，1984; Goldenberg和Shapiro，1996]。 AMM以热带大西洋上的越赤道SST梯度变化为特征，并且与赤道辐合带（ITCZ）北部春季的纬向位移有关[例如xie和Carton，2004]。 [Vimont和Kossin2007]和[Kossin和Vimont [2007]表明，AMM调节低水平涡度和对流层垂直风切变，对热带气旋频率，轨迹和强度有显着影响。最近研究还表明，大西洋气旋主要发展区SST相对热带平均SST的异常，对大西洋热带气旋有着强有力的控制[例如，Latif等人，2007; Vecchi和Soden，2007;Swanson，2008]。与大西洋热带气旋活动相关的其他气候因素在年际上时间尺度包括撒哈拉西部的降雨和北大西洋涛动[例如，Elsner，2003; Kossin等，2010; Kozar等，2012]。

作为热带大气环流的主要大型组成部分，哈德莱环流与垂直风切变，水汽，低水平涡度，发散和降水的变化紧密相关。张和王[2013，以下简称ZW13]使用经验正交函数（EOF）分析检查了大西洋哈德莱环流的年际变异性。飓风季节的主要EOF模式（以下称M1）的特点是ITCZ的强度和宽度的变化。它与大规模环境条件的变化有关，并调整了西非和大西洋的热带东风（TEW）活动。因此，M1对大西洋热带气旋活动有很大的影响。包括ENSO和AMM在内的不同气候因素可以在北方夏季引起ITCZ强度（即M1）的类似变化，并调整大西洋热带气旋频率，轨迹和强度。因此，ZW13建议区域Hadley循环可用于了解和整合基于大西洋统计关系的动态和热力学机制热带气旋和不同气候因素。

由于SST的强大控制，大西洋热带气旋活动似乎在季节时间尺度上比其他海域具有更高的可预测性[例如Zhao等，2010; Chen和Lin，2011，2013，以下CL13]。 观测SST强迫的数值模拟在再现大西洋热带气旋（TC）活动的年际和年代际变化时表现出卓越的技巧[例如，Knutsonet al.，2007; LaRow et al.，2008; Zhao et al.，2009]。 CL13显示，早期夏季观测得到的固定SST异常模型（SSTA）展现出，地球物理流体力学实验室（GFDL）高分辨率大气模型（HiRAM）能够巧妙地预测大西洋热带气旋频率（后期相关性 1990 - 2010年间观察到的TC频率为0.88）。

虽然我们力求通过全球模式实现更加熟练的预测和更可靠的气候预测，但是提出以下问题是有启发性的：什么是模型必须捕捉的为了巧妙地预测热带气旋缓慢变化的大气环流系统的关键方面或组成部分?缓慢变化的SST如何在季节或更长的时间尺度上影响热带气旋的可预测性？这些问题是大多数统计和动力学预测系统的基础，其中，热带海温（SST）被认为是主要强迫调节热带气旋活动的力量。这样的假设是一个合理和实际的第一近似，因为真实的大气环境更加复杂，大气环流，热带影响和空气 - 海洋相互作用的内部变异性也不可忽视。对上述问题的调查将有助于我们更好地了解热带气旋的可预测性并改善热带气旋预报。

在本研究中，我们将重点使用ZW13中描述的方法介绍HiRAM模型（CL13）在大西洋海域的热带气旋的回顾性预测。 我们将测试以下假设：（i）由固定SSTA驱动的HiRAM捕获年际变率的主要模式的哈德莱循环（M1），和（ii）M1的可预测性有助于解释大西洋TC的可预测性季节性时间尺度上的活动。

本文的剩余部分组织如下。 第2节简要介绍了通过HiRAM模型的回顾性预测和方法论。 第3节介绍了分析和讨论，第4节是一个总结。

2.数据与方法

在此次研究中，我们分析了CL13进行的HiRAM回顾性预测。 地球流体物理实验室高分辨率的大气后报模式GFDL HiRAM模式是一种全球大气模式，用于扩展范围预测和气候变化评估。该模型运行水平网格间距为25公里，垂直方向32个层次延伸至1 hPa。采用非侵入式浅层对流方案和六级散堆云微物理方案来表示对流和云过程。整体后报对象涵盖21年（1990 - 2010年），并有五组组成。五个集合成员被初始化为不同的大气条件，从6月27日的 0000 UTC 到7月1日 0000 UTC，UTC间隔1天，运行5个月至12月1日。回顾性预测中使用的SST是每月变化的气候SST加上预测初始时间观测到的SST异常。SST异常在整个5个月的预测期间被“冻结”。 我们的分析侧重于大西洋飓风季节主要时期的7月至10月期间（JASO）。根据ERA临时再分析（以下简称ERAI）对HiRAM后期进行评估[Dee et al.，2011]。HiRAM数据和ERAI都被内插到1°纬度网格，并将HiRAM插值输出到与ERAI相同的压力水平，以便于直接比较。除了ERAI，我们还使用HURDAT2 [Landsea和Franklin，2013]的最佳轨道数据来推导飓风数量指数。

根据ZW13中所述，基于区域经向型作用（平均为20°W-70°W），对HiRAM后报的大西洋哈德莱环流的特征进行评估。该方法将大规模辐散环流分为两部分：哈德莱环流和沃克环流。 前者与非旋转流的纬向分量相关，后者与纬向分量相关：

其中下标H和W分别表示Hadley循环和Walker循环。 垂直速度分量omega;_H和omega;_W满足以下等式：

值得注意的是，方程（1）中的分割不要求哈德利循环和沃克循环彼此独立。 事实上，两个循环的变化是密切相关的[例如，Chiang et al.，2002;ZW13.]。

子午线函数是从非旋转流动V_chi;（ZW13）的纬向分量得出的。然后应用经验正交函数（EOF）分析来提取年际变异性的主要模式。还使用HiRAM预测和ERAI数据的2.5-9天带通滤波的6小时风[Doblas-Reyes和Deacute;queacute;，1998]检查TEW活动。 用大多数变量（如子午线函数），使用HiRAM后报的综合平均值构建混合或相关性。一个例外是涡流动能（EKE），定义为（u² v²）/ 2。 由于EKE是u和v的非线性函数，因此是先从来自各个集合成员的带通滤波风场得出，然后在五个整体对象之间求平均值。

图1.（a和b）来自HiRAM后报的大西洋（20 ̐W-70°W）的子午线质量流函数（1990-2010;单位：1011 kg s^-1）的平均值和（c和d）标准偏差 (图1a和1c）和ERA临时（图1b和1d）。

3.结果

3.1年际变异主导模式

图1显示了大西洋哈德莱循环与HiRAM系统平均值的季节均值和标准偏差以及来自ERAI（1990-2010，JASO）的季节均值和标准偏差。 HiRAM整体体现了在冬季（南）半球显示强大的哈德莱循环，夏季则呈现不断减少的循环（北半球）。

质量流在10°N附近的强纬向梯度表示Hadley循环的上升分支或ITCZ。大规模模式与ERAI产生的模式一致。虽然HiRAM产生比ERAL在流函数显现出来的流哈德莱环流更强（〜20％），但差异在再分析数据集之间的不确定范围内（未显示;参见ZW13中的讨论）。显著的差异是HiRAM后报的ITCZ地区（由强流函数梯度表示）的上升运动过强，与HiRAM的降水正偏差有关（CL13中的图3）。进一步的分析显示，HiRAM在大西洋很好地捕获了总u和v的区域带平均结构（未显示;参见CL13中的图7）。

与长期平均水平相似，HiRAM重现了年际变化的广泛格局，南半球有一个强大的中心。然而，在ITCZ（〜10°N）的区域（图1c和1d），标准偏差显著过度预测。这提出了一个问题：HiRAM是否合理地捕获了大西洋哈德莱环流的变异性？

子午线功能的EOF分析揭示了HiRAM集合平均值的主导模式（图2a），解释了总方差的近60％。 类似于ERAI中的主要模式（M1）（解释总方差的54％），预测的主导模式在南半球有一个强大的环流圈，在北半球有一个弱环流圈，代表了ITCZ强度的变化。这些特征也类似于ZW13在较长时间段（1979-2010年）报道的主要模式（M1），并由所有整体对象复制。

我我们进一步检查了HiRAM和ERAI中M1的时间序列（图3）。 一个很好的ERAI模式和HiRAM模式之间的一致性被发现，预测除了前几年模拟期间，当时热带SST，特别是SST赤道大西洋，从6月至11月持续不变未显示）。ERAI中M1的时间序列与HiRAM集合均值之间的相关系数为0.78，各个集合成员与ERAI之间的相关系数从0.68变化到0.81。 HiRAM合奏预测和ERAI之间的良好协议表明，HiRAM巧妙地捕获了大西洋哈德利流通的年际变率。

ZW13发现M1与Nino3.4，大西洋经向模式和前几个季度的AMM有显着的相关性。 这些气候指数代表热带太平洋和热带大西洋的SST异常。 由于HiRAM由固定的SST异常驱动，所以HiRAM对M1的熟练预测与ZW13所示的与热带SST相关的M1的高可预测性一致。

除了M1，第二个EOF模式也与其他模式很好地分离。虽然第二模式（以下称为M2）解释的方式比第一模式少得多，但是有必要检查该模式。如图2c所示，HiRAM集合平均值中的M2的特征在于以8°N为中心的强和子午限制的单元，两侧具有相反性质的环流。 以8°N为中心的强环流在其子午侧具有向上 - 向下运动对，因此这种模式代表ITCZ的子午位移。HiRAM中的第二个EOF模式与ERAI中的第二个EOF模式大致一致，但以5°N为单位的单元格在HiRAM中比ERAI中的要窄得多，这表明HiRAM过度预测了ITCZ的子午排列。 此外，HiRAM中的M2的时间序列与ERAI中的时间序列没有显着相关。这表明，ITCZ的经向位移并不能很好地被HiRAM的后场表现出来。

图1c和2c之间的比较也表明M2的活动中心对应于HiRAM中的杂散变异中心（〜8°N）。 这个信号意味着HiRAM后场的Hadley循环的错误变化主要与M2相关联，而更突出的模式M1是相当现实的。

图2.（a，c和e）的子午线质量流函数的EOF分析，HiRAM和（b，d和f）ERA-Interim。 M1和M2的空间模式分别如图2a和2b以及图2c和2d所示。 图2e和2f显示了前10个EOF模式的解释方差。

图3.（a）M1和（b）M2的归一化时间序列。 来自ERA-Interim的系列由实线黑线表示。 HiRAM系列的系列由彩色虚线表示，并且整体装置以实线蓝线表示（见图例）。

3.2． M1，热带气旋活动和大规模环境条件

在个别整体对象（CL13）中跟踪了热带气旋，然后在五个整体对象中对风暴频率进行了平均。 来自HiRAM的飓风计数与JASO中最佳轨道数据集的高度相关，相关系数（0.83）接近于CL13中报道的数据。 接下来，我们将研究M1，大西洋热带气旋活动与HiRAM后报模式大规模环境条件之间的联系。

表1. M1与环境因素的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[28316]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word