Monsoon Gyres of the Northwest Pacific： Influences of ENSO, the MJO, and the Pacific-Japan Pattern
Journal of Climate?紐約州立大學阿爾巴尼分校 J. Molinari & D. Vollaro
ENSO, MJO和PJ模態(tài)對WNP MG的影響
研究背景和研究目的：
Lander第一次在WNP識別出了季風渦旋并將其確定為一個單獨的擾動類型，MG是直徑可達2500km以上并具有閉合等壓線的大尺度環(huán)流系統(tǒng)。如此大的尺度帶來的問題是它一定會對周圍的TC產(chǎn)生影響。MG與約10%的TC有關(guān)，TC趨向于在MG的東南部生成，并且當其接近MG時，會旋轉(zhuǎn)并且由于和MG的非線性相互作用常常會發(fā)生北折。這會加大JTWC船運預(yù)報的復(fù)雜度，鑒于MG生成的復(fù)雜性，我們需要深入了解其形成和演變。
Holland（1995）和Molinari（2007）研究了Lander（1994）文章中提到的1991年MG的情況，他們發(fā)現(xiàn)MG的生成可能與中緯度的波破碎有關(guān)，Molinari認為MG代表著持續(xù)三個月的赤道羅斯貝波波包中的第一個低壓，MG生成于厄爾尼諾的活躍階段。
Molonari還研究了三個在拉尼娜期間生成的MG，它們在1991年生成MG的西部和北部。這些MG發(fā)展于MJO前緣附近，MJO對流向西發(fā)展引起的波破碎在MG的生成中起到了重要的作用。
WNP存在熱帶擾動的復(fù)雜組合，Hurley和Boos研究了一個這樣的季風低壓，這些熱帶擾動的水平尺度通常只有300km，并且更多的生成于陸地上，并不伴隨TC的生成。Wu等人（2013）已經(jīng)對MG有了系統(tǒng)的研究，本研究的目的是，擴展Wu等的研究，并給出MG的客觀定義，并探討其與ENSO, MJO和PJP的關(guān)系。
數(shù)據(jù)與方法：
環(huán)境場資料使用一天兩次的ERA-I分析數(shù)據(jù)，結(jié)合了SST和表面感熱以及潛熱通量的ERA-I數(shù)據(jù)。表面通量是“累計”變量，代表模型6小時積分的平均值，這是可接受的，并且暫時沒有更好的辦法。
日降水數(shù)據(jù)從PERSIANN數(shù)據(jù)中獲?。ㄒ?2:00 UTC為中心）。
計算了全球的流函數(shù)和速度勢函數(shù)。
每年6-11月的Nino 3.4指數(shù)大于/小于0.25℃則認為是厄爾尼諾和拉尼娜年，更小的則為ENSO中性年。TC-JTWC，MJO使用RMM指數(shù)。
1983-2013年
所有場的異常代表了每個點相對于MG中心的31年日平均值的偏差。
季風渦旋定義：
本文使用了MG存在的客觀的，可重復(fù)的定義
1. 850hPa環(huán)流必須在100-2000km的每100km處都為氣旋性的；這確保了前人所描述的巨大氣旋環(huán)流的存在
2. 900-1200km半徑范圍內(nèi)平均850hPa環(huán)流超過臨界值Cmin；這將有助于消除范圍大但強度較弱的氣旋環(huán)流，如季風槽，它還消除了普通的熱帶氣旋（在這些半徑范圍內(nèi)，環(huán)流接近為0）
3. 最短時間為4天，這將避免計算產(chǎn)生短暫環(huán)流的短暫相互作用；
4. 熱帶氣旋必須隨時間圍繞環(huán)流中心進行氣旋性旋轉(zhuǎn)，如果沒有，環(huán)流就不能與熱帶氣旋分離，也不算為MG。
研究結(jié)論：
使用客觀方法在31年間識別出了53個季風渦旋，平均生成位置為16.5°N 135°E，超過80%在7-9月生成。超過一半的季風渦旋在厄爾尼諾期間生成，并且它們的平均位置叫拉尼娜期間生成的在東南偏東1200公里處，850hPa氣旋風直徑可延伸至4000公里以上，最大切向風接近100km。向西延伸的最大降水量可到達環(huán)流以南幾千公里。臺風更容易生成于MG的東部和北部。70%以上的MG事件是在較大振幅MJO事件期間形成的，并傾向于用RMM指數(shù)衡量的5-7位相。在北半球夏季，這些階段包含環(huán)流和對流異常，這些異常與氣候態(tài)季風槽的異常最為符合。當活躍的大振幅MJO事件與季風槽疊加并且海面溫度較高的情況下，最有可能形成渦旋。MG有著與PJ模態(tài)緊密聯(lián)系的850hPa風，位勢高度，渦度異常和地表潛熱通量異常。這在拉尼娜期間尤其明顯，甚至在不隔離PJP的情況下。于是我們提出假設(shè)，MJO的活躍狀態(tài)調(diào)制MG生成，PJP的活躍階段對應(yīng)MGs的西移。
ENSO的影響
圖1給出了三種ENSO位相期間季風渦旋的移動路徑。
MG更易在厄爾尼諾年生成（MG）。每個厄爾尼諾MG都在22°N以南，有86%的MG生成于平均季風槽中，兩個平均位置都在拉尼娜年的東南部1200km以外。
除了兩個以外所有的渦旋都生成于北緯15°以北；除了一個以外，都生成于140°E以西。接近一半的MG生成于平均季風槽的向極一側(cè)，這可能存在中緯度的影響。
ENSO中性年的MG生成則偏向于厄爾尼諾和拉尼娜的中間狀態(tài)。
厄爾尼諾年MG生成位置半徑1000km海域的溫度較拉尼娜年高0.2℃，也就是說MG總是傾向于在溫暖但不是異常溫暖的海域形成。
總體而言，與TC類似的，在厄爾尼諾期間MG傾向于在東南部生成并且有著更長的移動路徑；而與TC不同的是，厄爾尼諾期間MG總頻數(shù)增加但強度不變。
MJO的影響
MJO對MG的影響與ENSO一樣顯著，73%的MG持續(xù)時間（以及74%的生成時刻）生成于RMM的5-7位相，4和8階段出現(xiàn)的頻數(shù)減少，在1-3位相極少出現(xiàn)。70%的MG伴隨著超過一個單位的RMM振幅。MG在RMM不同位相下的分布與ENSO類似。這反映了從RMM的定義中有效地去除了長時間尺度現(xiàn)象。
MJO對MG位置和頻數(shù)的影響和對TC的影響相當?？偟膩碚f，ENSO和MJO對MG分布路徑影響和對TC的影響相當，但對強度的影響而言不同。
MG特征
MG的中心似乎對強TC的位置有著重要影響。36次臺風強度的擾動出現(xiàn)在MG中心1000km以內(nèi)，并且大多出現(xiàn)在東部和北部。
與前人研究一致，TC傾向于在MG東部加強，而后圍繞其旋轉(zhuǎn)，接著減弱到臺風強度以下或在MG的北/西北方向逃逸。風暴分布位置的明顯不對稱表明MG可能以赤道羅斯貝波的形式開始初始化的。
此外，在1000km內(nèi)還有45個熱帶風暴和熱帶低壓，但沒有標識出來，因為JTWC有時會將環(huán)流本身標記為熱帶低壓（很少有熱帶風暴）?？傊?1個TC在53個MG的1000km半徑以內(nèi)，大約每個MG有1.5個。這與Wu等人的結(jié)果大致相等，他們發(fā)現(xiàn)每個MG有1.1個TC。約占TC總數(shù)的10%，是Wu等人的一半，這與他們的定義一致，因為他們識別出的MG多了一倍。TC經(jīng)常在MG附近停留1~2天的時間。結(jié)果就是，在本研究12小時間隔的環(huán)流中，87%的MG中心范圍內(nèi)都有TC。
MG生命史的平均時間為5天，這低于Wu等人的8天，最高可達兩周。時間偏短是因為我們的定義只考慮了MG環(huán)流超過Cmin標準的日期。而大尺度環(huán)流在MG存在前后一段時間往往是不滿足的。如果追蹤到MG到消失，生命史長度將會更長。MG最長的時間為1991年的8月11日到22日。
本節(jié)將只顯示環(huán)流初始時刻的水平結(jié)構(gòu)，并結(jié)合所有ENSO狀態(tài)，存在于900-1000km半徑附近850hPa的最大切向渦度，結(jié)果幾乎與Wu等人確定的平均結(jié)構(gòu)相同。季風槽從孟加拉灣渦旋向西和西北延伸到10-20°N。降水在季風槽和赤道附近達到峰值。在環(huán)流東北方向，降水出現(xiàn)了極小值，估計為副高反氣旋環(huán)流的影響。赤道脊存在于空氣從南方穿過赤道的地方，它可能代表了來自南半球的越赤道氣流所攜帶的相反絕對渦度的影響。前人將非對稱降水作為MG定義的一部分，本研究定義中并未考慮該點，但是仍然在合成圖中顯示出了非對稱降水，這說明我們的定義成功的隔離了MG中擾動的典型結(jié)構(gòu)。
MG的初始位置位于季風槽的東部，該區(qū)域由于背景輻合的作用，擾動經(jīng)常增強。MG經(jīng)度上東西風的匯合在性質(zhì)上與gill非絕熱響應(yīng)在赤道外的表現(xiàn)類似。
通過對比垂直風切變方向降水的不對稱性，可以看出環(huán)流的異常性質(zhì)。在MG初始時刻半徑超過1000km的平均垂直風切來自東北偏東（72°），為6.5m/s。一個具有這種切變的氣旋性渦旋柱，預(yù)計將會有最大的向下切變降水，因此位于中心的西南部。觀測降水也展示了這樣的大值，但是降水極大值的其余部分是向上切變的。這可能反映了在MG中心東側(cè)TC的影響。也就是說MG并不會表現(xiàn)的像一個孤立渦旋，而是一個復(fù)雜的相互干擾系統(tǒng)，包括背景流的變化。
在150hPa，亞洲夏季季風高壓是主導(dǎo)特征。它向東延伸越過了季風渦旋所在的經(jīng)度。大范圍的東北風吹向赤道方向的降水極大值區(qū)，并與南半球的越赤道氣流在80-150°E交匯。緯向氣流與850hPa相比翻轉(zhuǎn)，中緯度西風急流北移。
850hPa緯向風和緯向散度是在MG南北兩側(cè)共2000km平均得到的。西風出現(xiàn)在MG的西部，MG東部為東風帶。
背景輻合與季風槽有關(guān)作用于MG的整個直徑。加上經(jīng)向散度是總散度的兩倍但基本上對平均貢獻沒有影響。總之，MG產(chǎn)生自己的低層輻合區(qū)，但是在遠處的區(qū)域，平均季風槽貢獻了額外的輻合流區(qū)域。
150hPa的輻散風可以進一步顯示平均和異常的相對貢獻。從90°E到日界線整個區(qū)域上最強的輻散出現(xiàn)在MG中心。向南的輻散風可以延伸到南半球，而向北的輻散風則較弱。這可能反映了背景慣性穩(wěn)定的經(jīng)向梯度。氣候態(tài)季風槽其余再次大大促進了環(huán)流的輻散，尤其在MG的西部。
在圖4a展示的850hPa流函數(shù)和風在圖7中分離了氣候態(tài)和異常場。異常場為簡單的總場和氣候態(tài)場的差值并且不僅僅只包含MG，也有MJO和其它偏移了平均狀態(tài)的信號。
氣候態(tài)區(qū)域清晰的展示了季風槽和西太副高，也有ITCZ向東伸展的情況。異常場則在MG中心的1500km范圍展示出了較強的低壓和降水。有趣的一點是，圖7b中包含著的正流函數(shù)異常在MG的東南偏南和東北部。該模態(tài)與和PJP有關(guān)的高度場異常存在共同特征，下文將著重描述該異常。
太平洋-日本模態(tài)
使用月平均場、三月平均場以及10-50天濾波場隔離出PJP。Kosaka和Nakamura使用了菲律賓群島東部的異常降水定義PJP指數(shù)，Wakabayashi和Kawamura根據(jù)副熱帶和中緯度850hPa異常位勢高度差值定義了PJP指數(shù)。PJP似乎代表了西北太平洋夏季緯向非對稱斜壓平均流中可以激發(fā)的對流動力耦合模式?；钴S的PJP與異常大尺度天氣尺度變率有關(guān)并且TC生成頻數(shù)更大。PJP代表著一種次季節(jié)現(xiàn)象，為了與前人研究的時間尺度保持一致，本文使用20-100天Lanczos濾波定義PJP指數(shù)
Z是20-100天濾波的位勢高度異常。因為PJP在北半球仲夏最強，所以只展示了6-9月的數(shù)值及合成圖。然而，PJP數(shù)值和合成結(jié)構(gòu)在所有月份和只使用6-8月差別不大，只是仲夏以外的渦旋數(shù)量較少。
Lanina期間的PJP指數(shù)比Einino期間大的多，厄爾尼諾時期最大的正值存在于參考經(jīng)度的東邊，這與MG東移位置一致。
正的PJP指數(shù)代表著異常強的南低北高的低頻位勢高度梯度。表2表示在拉尼娜年的活躍渦旋時期，有著大于30m的正位勢高度異常。PJP異常伴隨著氣候態(tài)季風槽和副熱帶高壓，在兩點間伴隨著27米的位勢高度差值。
如圖1所示，兩種主要的ENSO狀態(tài)都包含著向西的渦旋位置。為了僅憑經(jīng)度分離PJP的值，表2最后兩行只考慮了渦旋在140°E以東和以西的時刻。當渦旋在140°E以東時，最大的位勢高度異常向東移動了20個經(jīng)度。表2表明了拉尼娜期間，MG投射到PJP指數(shù)上的結(jié)果，看起來厄爾尼諾期間出現(xiàn)了投射到更東的PJP狀態(tài)。后者與K&N一致，他們發(fā)現(xiàn)PJP指數(shù)的符號在式（1）中點的東邊保持不變，但數(shù)值較小。拉尼娜的合成場與西部環(huán)流的合成場非常類似，厄爾尼諾與東部合成場類似。因此，只展示了ENSO的合成結(jié)果。
圖8a展示了拉尼娜期間所有MG的850hPa流函數(shù)異常、風和降水，如圖7b所示，這個區(qū)域包含了所有氣候態(tài)的變化，包括MG和MJO。PJP比圖7b的初始渦旋時刻展示的更加明顯。圖8展示了與前人研究類似的PJP活躍模態(tài)的結(jié)構(gòu)，盡管本研究沒有嘗試分離PJP。尤其是在MG南部的正的流函數(shù)異常，MG內(nèi)部的負異常、靠近40°N150°E的正異常和在較遠東-東北部的負異常都與Li等人展示的PJP異常一致。850hPa的渦度異常區(qū)域也與K&N的類似。但是150hPa對應(yīng)的不是很類似，這可能因為在MG東北部頻繁的TC產(chǎn)生導(dǎo)致了局地幅散環(huán)流。
拉尼娜年6-9月的MG地表潛熱通量異常與K&N的最大PJP潛熱通量點（黑色X）一起顯示?；贛G異常的X點的量級也大于前人顯示的最強PJP事件?；?50hPa風、流函數(shù)、渦度、降水和表面潛熱通量異常，我們可以得出結(jié)論，MG在PJP上投射的非常好。
研究結(jié)論和討論
1. 對MG進行了客觀定義，發(fā)現(xiàn)WNP每年形成1.7個MG，平均壽命為5天，與WNP約10%的TC有關(guān)。環(huán)流表現(xiàn)出強烈的非對稱降水模式，極大區(qū)位于中心的東部和南部，后者從環(huán)流向西延伸數(shù)千公里，不管ENSO位相如何，都是在29.8℃以上的SST上形成環(huán)流。MG受到ENSO的強烈調(diào)節(jié)，超過一半的環(huán)流形成于厄爾尼諾，中心位置比拉尼娜時期偏東-東南方向1200km。
風和降水的不對稱與環(huán)流的四個組成部分有關(guān)：環(huán)流本身(圖7b)、MJO(圖2)、PJP(圖8和9)和頻繁的熱帶氣旋(圖3)
2. RMM指數(shù)的5-7位相最有利于形成MG，簡單來看，MG的形成可能只是代表了一個強大的RMM 5-7位相渦旋在足夠溫暖的水域上，足夠遠離南部以及與季風槽疊加產(chǎn)生大規(guī)模的相互作用。
但是隨后MG的西北向移動不能用上述推理來解釋，因為二者移動方向不一致。一旦MJO影響的環(huán)流增強，其將與行星渦度梯度耦合并向西北移動。這種耦合將有利于大尺度環(huán)流，這在整個環(huán)流中產(chǎn)生了很大的科里奧利參數(shù)差異。經(jīng)向風的hovmoller圖提供了這一系列事件的間接證據(jù)。MG在形成前期存在一個大的氣旋環(huán)流，這種環(huán)流強度隨時間增加，只有在接近時間零點時才開始向西北移動。
3. 此外，本文發(fā)現(xiàn)，在MG存在的時刻，出現(xiàn)了清晰的PJP模式，即使沒有分離PJP，并且振幅與強PJP振幅量級一致。
我們推測環(huán)流所代表的事件的順序。首先，環(huán)流最常在MJO RMM 5-7相形成，此時MJO非絕熱加熱和環(huán)流異常與氣候季風槽的異常疊加。當環(huán)流與行星渦度梯度相互作用時，它會增強，向西北移動，病投射到PJP上。雖然MG似乎代表不同的現(xiàn)象，但它們與低頻事件強烈耦合。
體會
經(jīng)向風的hovmoller圖可以顯示系統(tǒng)的東西移動，同理緯向風的hovmoller圖可以顯示系統(tǒng)的南北移動。
