论文:ERA-临时再分析数据中SST分辨率的改变对冬季湾流前海气作用的影响


     《现代气候学进展》 课程论文 英文题目 The impact of SST resolution change in the ERA-Interim reanalysis on wintertime Gulf Stream frontal air-sea interaction 中文题目 ERA-临时再分析数据中SST分辨率的改变对冬季湾流前海气作用的影响 学生姓名 *** 学 号 20161212298 学 院 应用气象学院 专 业 应用气象学 指导教师 *** 二O一七 年 六 月 十三 日 ERA-临时再分析数据中SST分辨率的改变 对冬季湾流前海气作用的影响 Rhys Parfitt 1,2 , Arnaud Czaja 2 , and Young-Oh Kwon 1 1Physical Oceanography Department, Woods HoleOceanographic Institution, Falmouth, Massachusetts, USA, 2Department of Physics, Imperial College London, London, UK 摘要:本文研究了海湾流域的海气相互作用对于ERA临时再分析数据中海面温度(SST)分辨率的敏感性。选取了1979年1月至2001年12月(SST分辨率1°×1°)和2010年12月至2016年2月(SST分辨率0.05°×0.05°)的两个时期。从后6年的高分辨率SST的冬季与低SST分辨率随机选取的六个冬季进行对比,以评估结果对自然气候变率的鲁棒性。在所有比较中,发现湾流前空气-海的显热通量交换的变化与平均SST梯度的变化高度相关。这导致大气锋面的增加和平均降水量的减少高达30%。这些结果强调高SST分辨率在海洋锋对天气和气候影响的重要性。 1 引言 在中等纬度气候系统中,海面温度强海洋条件(SST)在不同分辨率的重要作用已经有很多人研究(例如,Chelton et al., 2004;Sampe and Xie, 2007; Minobe et al., 2008; Nakamura et al., 2008; Kwon et al., 2010; Booth et al., 2012]。然而,它的重要性仍是一个受到争议的问题。最近有一篇文章表明海洋正面带发挥其影响的关键物理机制是通过与迁移天气系统相关的大气中温度的作用[Parfitt et al.,2016 ]。在这项研究中,海湾流(GS)SST梯度(类似于分辨率降低)的幅度减少导致大多数GS前沿的冷锋减少了30%。提出了“热阻尼加强(TDS)”机制来解释观察到的变化(参见图S1)。这些大气条件嵌入在已知在正面区域如GS的时间平均大气状态的偏压系统中[O'Neill等人,2015; Parfitt和Czaja,2016]。至关重要的是,TDS不仅高度依赖于SST的解决方案,而且还有一些建议可能会出现一个阈值解决方案,此机制不能解决[Smirnov et al。,2015; Willison等人,2013]。事实上,一般来说,海洋与大气耦合的代表性不足一直与SST梯度代表不足有关[Chelton,2005]。鉴于此,在重新分析数据集中识别任何相关的伪像是至关重要的,因为它们的粗糙SST分辨率或SST分辨率在时间上的变化。 进一步的动机是从近期的敏感性研究提供给不同解决的黑潮扩展(KE),由欧洲中程天气预报中心(ECMWF) - 再分析(ERA) - 中期数据集SST变化[Masunaga等,2015 ,2016]。 这些系列研究发现,只有在规定的SST分辨率足够高的情况下,KE对大气边界层存在可观的中尺度印记才能进行再分析。 本文的目的是调查这个变化的SST分辨率对海洋和大气前沿相互作用的ERA中期数据集的影响。 重点将是冬季GS部门,SST梯度大面积,中等大气压力频率最大的地区[Berry等,2011a]。 在第2节中,介绍了使用的数据和方法。 结果见第3节,第4节提供了总结和讨论。 2 数据和方法 ERA-Interim是全球大气再分析数据集[Simmons et al。,2007; Berrisford et al。,2009; Dee et al。,2011],可从1979年1月起提出,光谱分辨率T255(〜0.7°)可在0.75°×0.75°的经度纬度网格上获得。 在这项研究中,在925hPa的压力水平下使用水平风和空气温度的12小时场(在0000UTC和1200UTC)。 本研究中还使用了从0000UTC和1200UTC两种短程预报累积得出的明显的热通量,对流降水和大规模降水。 然而,尽管大气模型分辨率在整个数据集中保持不变,但规定的SST数据已经改善了两倍。 1979年1月至2001年12月间,SST分辨率为1.0°×1.0°,2002年1月至2009年1月为0.5°×0.5°。从2009年2月起,SST分辨率为0.05°×0.05°。本研究旨在通过比较6年冬季DJF(12月至2月,其中表示12月份即DJF2010为2010年12月,2011年1月和2011年2月)2010 - 2015年(“高分辨率”在1979年1月至2001年12月期间,6次随机选择的6年DJF冬季,“SST分辨率0.05°×0.05°”(“低分辨率”SST分辨率1.0°×1.0°)。使用六个不同的低SST分辨率周期重复比较,以评估独立于自然气候变率(例如北大西洋涛动)的相位的结果的鲁棒性。总结如表1所示。图1显示了低分辨率样本i的平均SST差异,SST iðÞSST low-res iðÞ SST高分辨率其他低分辨率样品的图显示在图S1的支持信息中。虽然每个这些图之间存在微妙的差异,GS前沿之后的主要信号(ΔSSTe±2K)在其中六个之间高度一致。图1b示出了平均SST梯度的幅度的相应差异,SSTlow?res ið? ? SST高分辨率对于低分辨率样本i。再次,其他低分辨率样品的图显示在图S1的支持信息中。如前所述,六种不同比较的差异的大小和模式非常相似。这说明了SST和SST梯度的相当大的永久性神器,这是由于SST分辨率的变化而导致的,与内部气候变率的相位无关。 为了评估这种神器对区域正面空气 - 海洋相互作用的影响,大气正面网格点被识别为“Fdiagnostic”[Sheldon,2015; Parfittetal。,2016]。 Fζζ925∇T925 j jζ∇T o j j> 1的区域是那些被认为是正面网格点的区域,其中|∇T925 | 是925hPa压力水平上的温度梯度的大小,ζ925是同一压力表面上的等压相对涡度,ζo是40°N时的科里奥利参数,|∇To | 是1K / 100km的温度梯度的典型尺度。 冷锋通过u 925.∇T925> 0识别,其中u 925是925hPa的水平速度,如通常建议的[例如,Hewson,1998]。 注意到,F阈值的变化优先选择更强或更弱的正面区域,但不改变本研究中得出的结论。 3 结果 3.1 冷锋频率变化 图2a和2b分别显示了2010-2015年高分辨率DJF的所有大气前沿和冷锋的频率,分别为6年冬季总时间的一小部分。从这两个数字可以看出,正面的正面频率是总额定频率的主要原因。事实上,这是正如预期的那样,因为其他研究表明,冬季墨西哥湾流区域的寒冷正面频率大约是两条频繁的温暖前沿(例如,Berry等,2011a]。为此,本研究的其余部分仅专注于冷锋。图2c描述了低分辨率样品i的冷正面频率,而其他低分辨率样品的相同曲线显示在图S3的支持信息中。对于每个样本,在GS前面的宽频率信号在相应的总共6年冬季时段的〜10%之间。然而,在大小和空间结构之间存在细微差异,因为每个样本之间可能会出现大规模的变异性。 图2d示出了高分辨率周期和低分辨率样本i之间的冷正面频率的百分比变化(即,低分辨率采样 - 高分辨率周期,使得蓝色(红色)表示较高(较低)正面频率在高分辨率期)。其他Low-res样本的相应图示于图S3的支持信息中。对于所有低分辨率样本,GS大部分地区的大幅度下降,但随着北部和南部的增加,显示出更广泛的GS地区存在三极杆变化。在每种情况下,每个三极支路中存在的变化幅度大致相同,绝对值高达30%。六个不同比较之间的一致性表明了信号对自然大尺度变异性的鲁棒性。事实上,图2d中绘制的低分辨率样品i的GS矩形域(28.5°-78°W,31.5°-52.5°N)的百分比变化之间的空间相关性和相同的百分比变化每个其他低分辨率样品中的结构域显示出非常高的值(表1(I))。 表1 从低SST分辨率和6年冬季高SST分辨率时期的六个随机选择的冬季季节摘要 (I,II和III)三个不同对变量对(28.5°-78°W,31.5°-52.5°N)的空间模式相关性。 (I)低分辨率样品i(图2d)的频率变化与其他低分辨率样品的相同数量(图S3f-S3j)之间的相关系数。 (II)高分辨率期间(图3c和S4f-S4j)的每个低分辨率样本之间的dQ / dy变化与SST低分辨率下的相应变化之间的相关系数 (图1b和S2f-S2j)。 (III)低分辨率样品i(图4c)的总降水变化与其他低分辨率样品的相同数量之间的相关系数(图S7f-S7j)。 图1.(a)高分辨率周期和低分辨率样本i之间的平均SST差异,SST低分辨率? SST高分辨率 (b)平均SST梯度的大小相应的差异,SST low?res ið?? SST高分辨率。 低分辨率样品i的平均SST轮廓绘制为3°C至24°C,间隔3°。 图2.(a)所有大气前沿和(b)冷锋的频率,仅在高分辨率时段,作为高分辨率时段总共6年的一小部分。 高分辨率周期的平均SST轮廓绘制为3°C至24°C,间隔3°。 (c)低分辨率样品的正面频率, (d)高分辨率低分辨率样本i之间的冷正面频率的百分比变化。 差值计算为低分辨率样本减去高分辨率周期,使得蓝色(红色)表示高分辨率周期中较高(较低)的正面频率。 对于图2c和2d,低分辨率样品i的平均SST轮廓绘制为3°C至24°C,间隔3°。 图2d中的矩形黑盒子表示结构域(28.5°-78°W,31.5°-52.5°N)。 大多数GS前沿的正面频率在30%左右的广泛下降幅度与第1节中讨论的先前研究中发现的相似,即研究了冷锋面频率对SST分辨率变化的敏感性 大气总体循环模型(AGCM)跨越GS区域[Parfitt et al。,2016]。 AGGS实验的变化归因于TDS机制与SST梯度的解析有很大的关系,SST梯度主要影响通过该区域的大气前沿的空气 - 海上显热通量梯度的强度。 下一节进一步讨论这个问题。 3.2 交叉冷锋明显热通量梯度的变化 图3b示出了平均交叉正面空气 - 海上显热通量梯度,dQ / dy(在Wm2 / 100km,其中Q从热量从海洋释放到大气中将Q定义为正),由冷的大气条带 在2010 - 2015年高分辨率DJF的每个地点。 更具体地说,每当在一个位置识别出寒冷的大气前方时,建立垂直于冷扇区指向的矢量(y)。 然后计算该矢量(横跨前面)的显热通量梯度,并计算整个周期中每个位置的复合平均值。 由于梯度被定义为冷部分,无论dQ / dy为正(负),平均热敏通量梯度通过TDS(支持信息图S1)热阻(强化)冷锋。 在GS箱内但远离GS前沿的地区,空气 - 海洋热交换会轻微地阻止冷锋(约20至30Wm2 / 100km),GS前沿存在偶极子。前方北面有一个空气 - 海洋热交换中心地区(〜0Wm2 / 100km)或加强冷锋(〜10〜15Wm2 / 100km)的区域。然而,在前面的南部,有一个增强的衰减(> 40Wm2 / 100km)的区域。这种分布强烈地优先于与强GS前沿对齐的通过大气冷锋的强化模式。图3a示出了与图3b的类似的复合物,但是对于低分辨率样品i,其余的低分辨率样品显示在支持信息图4中。在图3中,在GS盒内但不远处的区域的每个低分辨率样品GS前沿趋势是空气 - 海洋热交换适度地抑制冷锋(约20-30Wm2 / 100km),而GS前沿存在偶极图。然而,不再存在沿着GS前沿的区域,空气 - 海洋热交换中立地行动或加强冷锋。而在前方的南面,仍然存在一个强化阻尼(> 40Wm2 / 100km)的区域,北部现在只有一个较弱的衰减区域(〜10Wm2 / 100km)。换句话说,一个较不解决的GS前锋平均在各地通过空气 - 海上明智的热通量交换来衰减通过的大气冷锋。这种现象与Parfitt等人发现的一致。 [2016]。 图3.(a)低分辨率样品i和(b)高分辨率样品i的每个位置处的冷大气条带经历的平均横向正面空气 - 海上显热通量梯度dQ / dy(文中定义) Res期。 (c)高分辨率期与6年低分辨率样本i之间的幅度差异,以高分辨率周期减去低分辨率样本(注意符号约定与图1和图2相反)计算, 使得负(正)差异意味着低分辨率样本中的大气冷锋平均平均衰减(低)高于高分辨率时段。 来自Low-res样品i的平均SST轮廓在图3a和3c中以3℃间隔从3℃至24℃绘制,并且来自高分辨率时间段的SST轮廓在图3b中绘制。 图3c显示了高分辨率周期和低分辨率样本i(即高分辨率周期低分辨率采样)之间的幅度差异,其他低分辨率样本的曲线显示在支持信息中图S4 。在这个差异为负(正)的情况下,低分辨率样本中的大气寒冷平均平均衰减较少(低于高分辨率时段)。在非洲大陆之外,存在一个负面差异的地区,沿着海岸的程度蜿蜒与GS前沿。因此,通过该区域大陆传播的所有大气寒冷的前线,在低分辨率样品中都会比高分辨率时段更强劲的衰减。由于这些风暴在10ms左右的时间内行进[1] [Neu et al。,2013],时间尺度上高达1天的任何热正面空气 - 海洋相互作用可能会转化为大约10°的差异。因此,图2d所示的38°和50°N之间的略微偏移的空间位置和较冷的正面频率的稍宽的区域因此不是意想不到的。图S5中的支持信息中明确地显示了这种偏移的空间关系。支持信息图S6还显示了低分辨率样本中较弱的衰减和正面频率增加之间相应的偏移空间关系。在这些区域之外,由于dQ / dy的变化的复杂结构,这种一致性难以突显。然而,在高分辨率周期的每个低分辨率样本之间的dQ / dy差异的GS矩形域(28.5°-78°W,31.5°-52.5°N)中的空间相关性与∇相关联的差异SST低?显示出非常高的相关性(表1(II))。换句话说,似乎正在调整该区域大气冷正面频率变化的大气寒冷前沿的空气 - 海上显热通量的梯度变化可能主要由低分辨率的平均SST梯度的变化所解释样本和高分辨率时段。 图4.(a)高分辨率时段的平均总降水量和(b)低分辨率样品i。 (c)高分辨率期与低分辨率样本之间的差异百分比i。 该差值计算为100×(低分辨率高分辨率)/(高分辨率),使得负(正)值意味着高分辨率期间的降水更多(较少)。 来自Low-res样品i的平均SST轮廓在3℃至24℃下以3℃间隔绘制,如图4b和4c所示。 高分辨率周期的平均SST轮廓绘制在图4a中。 3.3 总降水变化 观察到的SST梯度变化对大气冷额定频率的影响将自然地影响相关变量。一个明显的例子是区域降水;在墨西哥湾流域,极端降水事件严重偏向正面系统[Parfitt和Czaja,2016]。图4a示出了高分辨率时段的平均总降水量(对流和大尺度),单位为mmd?1,而图4b显示了低分辨率样品i的平均总降水量。每个其他低分辨率样本的平均降水量显示在支持信息图S7中。虽然每个低分辨率样本中都存在与GS前沿相悖的一般空间结构,但它们之间的分布和幅度之间存在微妙的差异,因为可以预期自然变率。然而,图4c说明了高分辨率周期和低分辨率样本i之间的百分比差异,表明在整个前沿的总降水量中存在高达30%的广泛降低,这是在每个低分辨率样本中回显的信号(支持信息图S7)。值得注意的是,在大小和一般空间结构方面,这一百分比的下降在对流和大规模降水中都分别看到(未显示)。实际上,降水总量的这个下降幅度与GS前沿图2所观察到的大气冷面大幅度下降几乎相同。这种关系也许并不完全是意料之外的,因为高达90%的降水量与温带气旋有关[Hawcroft et al。,2012]。再次,六种不同比较之间的一致性说明了该信号对大规模可变性的鲁棒性(表1(III))。要强调的是,在这个广泛的减少区域的北部和南部是降水实际增加的地区,与图2中观察到的正面频率变化的三极杆模式一致。 4 总结与讨论 本文研究了冬季海湾流域地区大气和海洋相互作用对ERA中期再分析数据集中SST分辨率的相互作用的敏感程度。从低分辨率期间选择了六个冬季(DJF)的随机选择1979年1月至2001年12月,与2010 - 2015年高分辨率DJFF 6年。在所有六次比较中,GS前沿的低分辨率时段,大气寒冷的频率降低了30%。在最强的SST梯度的北部和南部,存在高达30%的增加。每六个比较的变化之间的高度相关性表明信号对自然变率的鲁棒性。这些变化幅度也明显大于任何长期趋势的预期值[例如Berry et al。,2011b]。随后分析这些冷锋前空气 - 海上显热通量梯度的变化,显示频率变化与机械热阻尼和强化相一致[Parfitt et al。,2016]。这种机制高度依赖于大气和海洋前沿的解决程度,空气 - 海上显热通量梯度的变化与SST梯度指数相关变化之间的空间分析表明两者高度相关。然而,适当地指出,其他因素,如分辨率的影响对边界层内的垂直风的影响,也可能有助于正面频率变化的幅度和模式。正如人们所期望的那样,冷锋频率的变化伴随着表面风暴轨迹活动的相应变化(根据Wallace等人[1988]的定义,图S8)。这些结果与其他最近的研究[例如Parfittetal。,2016]一起表明,SST梯度的影响可能会比绝对SST在调控暴风雨中的影响更大,尽管SST的作用仍然非常重要[Booth等。,2012]。此外,对于总降水量的六次比较中,每个比例中也发现高达30%的强劲变化,这与冷额定频率变化的结构和幅度一致。这是预期的,鉴于大气冷锋与中纬度风暴轨迹之间的降水高度相关,特别是在冬季墨西哥湾流域(Catto等,2012)。 本研究的所有结果都转载了六个额外的低分辨率期,其中每个期间连续(而不是随机),以及20个更明显的6个随机年期(未显示); 在每种情况下,结论都保持稳健。 值得注意的是,6年高分辨率时段的平均值为12月 - 3月北大西洋涛动指数[Hurrell,1995],与所有可能的6年低分辨率样本的分布中位数大致相同, 这些结果的大量年际变异性(支持信息图S9)。... 最近的几项研究进一步暗示了SST梯度在海洋战线在影响中纬度天气和气候方面的作用的重要性。例如,Kwon和Joyce [2013]显示,墨西哥湾流道的年代际变化对大尺度气候变率具有显着影响,SST梯度具有相关的异常模式。此外,Parfitt [2014]表明,湾流SST梯度的变化导致通过大气前沿的“转向”,其显着改变了其传播方向高达10°。本研究结果进一步表明,SST梯度对海洋天气如何影响中纬度天气和气候具有重要作用。目前正在探索的一个途径是专门根据SST梯度(例如,Frankignoul等人[2011]和Kwon和Joyce [2013]使用的Oyashio扩展指数)或表面开发西部边界流的海洋指数的可能性热通量交换梯度,而不是其他更传​​统使用的变量,如海面高度[例如,邱等人,2014]。 再次指出,与SST梯度一样重要的是SST数据本身的分辨率。两者密切相关,因为分辨率的任何改变将自动影响渐变。考虑到由于SST分辨率(随后的SST梯度变化)的变化,在本研究中观察到的正面频率和降水中的人造物的大小,在分析长期趋势时,必须小心,无法进行再分析,其中SST分辨率变化与二者之间的比较SST分辨率不同的数据集。事实上,强调这些文物存在于ERA临时再分析中,尽管存在数据同化,这意味着SST分辨率增加的影响超过任何同化限制。事实上,如果制约是完全足够的,那么人们期望仅仅观察年际变率。此外,鉴于最近的研究表明,大气层与海洋之间的相互作用只能以足够高的分辨率适当考虑[Smirnov et al。,2015; Parfitt等,2016],随着气候模式的分辨率的增加,海洋正面带对大尺度变异性的影响可能越来越大。然而,这种增加的确切幅度,程度和机制仍然是一个悬而未决的问题,作者目前正在进行进一步的研究,使用高分辨率和低分辨率耦合气候模型模拟。 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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