Tropical Intraseasonal Modes of the Atmosphere

热带季节内变率 Tropical intraseasonal variability (TISV)

在过去的几十年里，卫星遥感技术已经从仅仅提供全球可见光和红外图像扩展到提供全球降水、总柱状水汽场(total column water vapor fields)、垂直湿度和温度廓线以及云光学特性和深度的估计(66–70)。

这些卫星观测，加上改进的现场观测（71，72）和全球再分析数据集（73），导致我们对TISV模式及其相互作用的理解不断进步。

关于CCEWs的研究review：

• Kiladis GN,Wheeler MC,Haertel PT, Straub KH, Roundy PE. 2009. Convectively coupled equatorial waves. Rev. Geophys. 47(2):RG2003

关于MJO的研究review：

• Lau WKM, Waliser DE, eds. 2012. Intraseasonal Variability in the Atmosphere-Ocean Climate System. Heidelberg, Ger.: Springer. 2nd ed.
• Zhang C. 2013. Madden-Julian oscillation: bridging weather and climate. Bull. Am. Meteorol. Soc. 94(12):1849–70

本文回顾了与MJO和CCEW的多尺度性质有关的TISV的经验研究。

Indo-Pacific

2.1 MJO - Madden-Julian oscillation.

利用卫星发出的长波辐射（OLR）对印度洋-太平洋地区的MJO对流包络进行目视检查和光谱分析表明，该地区的MJO由在中尺度（100-500 km）到行星尺度上组织的较小尺度云元素组成，这些云元素在总体向东传播的MJO包络内向东和向西传播

此外，在向东移动的超级云团中，伴随向西移动的中尺度对流系统MCS，而这些向西移动的MCSs与对流耦合赤道波动CCEWs有关，包括向西IG（WIG）波、MRG波和TD型扰动； 但是，尽管印度洋-太平洋MJO对流包层包含CCEW，但其初始生成显示出由特定CCEW扰动引起的影响很少（89，90）。主要的MJO事件，定义为没有先前的MJO循环的事件，似乎在没有中纬度横向强迫的证据的情况下就地开始;全球传播的赤道捕获环流;或边界层辐合、对流层湿度或SST的局部异常。

总的来说，印度洋-太平洋MJO事件影响深远，跨太平洋Rossby波列从其大型对流中心发出，与热带年际模态相关的观测结果相似（93）。在太平洋中部和东部的北方冬季，这些波列调制大气河事件，给美国西部带来强降雨（94）。印度洋-太平洋波列也会在北方夏季调制北美季风（NAM）降水，在墨西哥观测到的影响最大（21）。在北方冬季和春季，观测到MJO信号从印度洋-太平洋向东传播到大西洋，穿过巴拿马和加勒比海，影响热带和亚热带大西洋（95）。MJO-厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）相互作用超出了本综述的范围，在全球天气模式中也发挥着潜在的重要作用。

2.2 Northward-propagating mode - boreal summer intraseasonal oscillation （BSISO）

虽然印度-太平洋的冬季MJO主要向东传播，但夏季季节内振荡（BSISO），MJO的一种版本，有一个主要的北向分量，这是 由于与背景季风环流的复杂反馈过程造成的，但尚未完全了解。 BSISO与亚洲季风的活跃期和中断期有关（97），因此其可预测性对世界该地区具有重要的社会经济意义（98）。在北方夏季，TC与BSISO活动相关的可能性也是MJO的四倍（23），增加了它们对该地区的重要性。

一个主要的假设：这种模态的北向传播是由于在季风期间背景平均态的不稳定造成的

• 首先，一个纬向对称的云带嵌入在一个平均东风纬向切变，像在亚洲季风期间观察到的，在对流北部产生一个正压气旋涡度异常。由此产生的对流驱动的边界层水汽辐合有利于北部涡度异常内的新对流（99）。第二，由平均和扰动纬向流的平流引起的扰动水汽在对流中心以北（99，100）有一个最大值，有利于对流中心以北的对流，前一个过程在远离赤道方向占主导地位，后一个过程在赤道附近占主导地位。

这种机制与向东传播模式无关，因此可以解释在区域（99）中观察到的独立的向北传播事件，这些事件发生在很大一部分情况（101）中。

还应该注意的是，开尔文波活动似乎与向北传播模式解耦，而 MRG波，ER波和TD型扰动在向北传播时仍然与BSISO包络耦合（59） 。除了其他提出的机制外，海气相互作用，以及对流中心以北较高的季节内SST异常，也可能在向北传播中发挥作用（102，103）。

2.3 The 10–30-day mode.

除了30-90天时间尺度上的东向和北向传播模式外，印度-太平洋地区北部夏季也观察到10-30天的振荡，它们显著地调制了印度和亚洲季风降水型(104-108)和西太平洋TC活动(109)。

• 该模态由一对反Rossby环流组成，它们起始于西太平洋上空，沿着赤道和15 ° N-20 ° N向西传播，北方路径对应于印度季风槽的南部边缘（104，110）

Rossby环流经常形成于赤道附近并以赤道对称;随着季风季节的进行，背景东风切变、温暖的SST和赤道以北增强的水汽供应有利于北方环流的发展（103，110）

北部气旋性Rossby环流内的水汽边界层摩擦辐合也可能有助于与前一节（103，110，111）所述背景气流不稳定性相关的BSISO向北传播，尽管连接这些变率尺度的每个过程的相对重要性尚不清楚（103）。

也有证据表明，10-30天模态是由热带外Rossby波进入热带东亚上空的而引发的（105，107）。

与印度洋-太平洋MJO一样，西北太平洋上空的10-30天模态也通过一个显著的跨太平洋Rossby波列与NAM（NorthAmerican monsoon）相关（80）。NAM的变化主要由10-30天的模式控制，MJO具有次要作用（21）。

虽然这些研究表明，10-30天的西向传播模式可能有助于耦合的30-90天的东向和北向传播模式，这些低频模式的独立性也存在证据。

• 特别是，弱印度季风（即，BSISO）年对应于强烈的向东传播的MJO活动，其振幅与冬季相当（112）。远离赤道辐散产生一个Rossby环流，在印度上空向西北传播，加强了BSISO的抑制阶段。
• 相反，强印度季风年伴随着极端洪水，对应弱东传播的MJO活动

强有力的证据也存在于MJO、开尔文波和印度（113）和南中国海（114）季风爆发之间的联系，一个统一的理论，描述与亚洲季风相关的TISV的多尺度变化必须考虑这些模式的独立和协变。它还必须考虑这些模式与下文描述的高频变异性的相互作用。

2.4 Higher-frequency variability

西传播的CCEW通过纬向风辐合区域的波能积累机制（115）而受到青睐，正如在西太平洋季风西风与信风相遇的地方所观察到的那样（51，116）。 这些条件在西太平洋MJO的活跃（抑制）阶段得到增强（抑制）（51，58）。低层纬向辐合区也有利于TC的增长（57），这些扰动可能成为该地区TD型扰动的来源（51）。

• 从MRG波到TD型扰动的转变也有利于西太平洋辐合区，在那里长波变得更短并增强（51）。

对北半球夏季西太平洋次月气流的能量学分析表明，在MJO（22）活跃期，正压能量转换增强。

• 这些转换的主要贡献与纬向平均风的辐合和切变有关，这表明波能的积累和正压转换对该地区的涡旋增长很重要。

然而，这些动力增长机制是否足以促进TC的形成仍不清楚。研究表明，西太平洋的大多数热带气旋与季风辐合区有关，其中MCS似乎在其形成中发挥重要作用（57，60）。可能是MJO创造了有利的条件，使涡旋的生长达到一定的有限幅度，而由于对流过程，涡的进一步生长是可能的（51，58）。其他研究表明，当较小尺度的结构和波谷以相似的速度行进时，与中尺度对流相关的涡旋可以在较大的TD波谷内形成并增长，从而形成所谓的临界层（60）。

• 在这个缓慢移动的框架中， TD槽为一个或多个中尺度系统的加强提供了有利的和孤立的环境，这些系统组织、加强、脱离较大的TD槽，并最终发展成TC。虽然这一理论考虑到通过较小涡旋的聚集而使高强度增强的重要性，但初始涡旋的形成和发展依赖于从天气尺度到中尺度的支持。

Eastern Pacific

北半球的热带东太平洋与亚洲季风相比相对较小的NAM系统相连，并且 在南部与沿着赤道的冷SST和东部的陆地接壤，将其与大西洋分开。

这些因素极大地影响了海盆的TISV（117），这与印度太平洋地区的TISV有很大不同。特别是在这个区域，MJO对流耦合显著较弱，TC不太频繁，由于主要是偏东气流，大西洋变率有一个显着的影响，东太平洋的时间尺度范围内，从季节内到年际。

• 该流域的TISV在文献中受到的关注明显少于印度洋-太平洋地区，尽管最近的研究发现该地区的TISV模式与印度洋-太平洋地区的TISV模式一样，对北美和中美洲的人口具有潜在的重要社会经济影响。

3.1 The 30–90-day mode.

与印度洋-太平洋不同，热带东太平洋（118）30-90天时间尺度上的季节内变化在北半球夏季（40）具有最大振幅。30-90天模式的空间结构与印度-太平洋MJO相似，被称为东太平洋MJO。

东太平洋MJO的起源尚不清楚。

• 早期的研究使用全球MJO指数来研究东太平洋扰动的性质，从而表明它至少部分地与印度洋-太平洋模态相位锁定（20，22，75），但最近的研究在东太平洋降雨观测（118，119）模拟研究表明，东太平洋MJO可能独立于印度洋-太平洋MJO存在，但两者也可能相位锁定（120）。该海盆赤道以北较暖的SST将表面辐合最大值移离赤道（121，122），可能导致此处的离赤道对流最大值（75，121）。

东太平洋MJO,表现向北和向东的传播，与印太MJO类似。

• 与该模态相关的水汽和风场明显存在南北向结构（75，122），但高层风与向东传播的模态更为一致（122）
• 平均东风垂直切变也支持一种传播机制，类似于与亚洲季风相关的BSISO假设的传播机制，即对流北部正涡度和湿度异常的产生是由平均状态的不稳定模态造成的（119）。

如Jiang & Waliser（119）所述，正压不稳定气流下游的陆地障碍物对该盆地模态的纬向传播有何影响，还有待发现。

3.2 The 10–30-day modes

除了30-90天的模态外，东太平洋还表现出10-30天时间尺度的变率（118，124）。东太平洋降水的主导模态在进入东太平洋后向东传播，然后向北传播.

西-东模态可能是与非洲季风（124）相关的ER波模态的延伸，将在下面的2.4.2节中讨论。

南北模态在NAM区域有一些特征，但与亚利桑那州-新墨西哥州（AZNM）降水中发现的10-30天TISV无关（21，80），也与AZNM模态观测到的跨太平洋Rossby波列无关（80，118）

需要进一步的研究来确定AZNM 20天模式是否是南北模式的局部表现，或者这些是单独的现象。东太平洋的南北模态是否是本地起源（118），或者它是否与西太平洋的对流有关，这也有待于发现。

• 当30-90天的模式被抑制时，东太平洋10-30天向北传播的模式通常更活跃（118）。这些模态之间的这种相互关系似乎与海温的年际变率（如ENSO）无关（118）。应探讨背景流可能的尺度选择。

3.3 Higher-frequency variability

在印度洋-太平洋地区，向西传播的扰动嵌入在东太平洋MJO对流包层中（122，125，126）。同样，正压动力学有利于涡动活动在东太平洋MJO活跃阶段;然而，纬向风辐合与纬向风切变的相对作用是否支持这种活动仍然不清楚。

• 还有待观察的是，这些流动中的不稳定性是否能够支持TD型扰动的局部生成，或者是否需要预先存在的有限振幅扰动。在非洲上空开始的TD型扰动的一部分被观察到传播到东太平洋（41，42），但仍然不确定该盆地种子扰动的主要来源。

在东太平洋MJO的活跃期，TC也会增强（20，85，122，126- 128），一些结果还表明，在非活跃期，TC的抑制作用甚至更大（122）。TD型扰动与中美洲和墨西哥地形的相互作用也有利于TC的背风发展（54，129）。当TD型波和TC轨迹沿墨西哥西海岸向北沿着移动并进入墨西哥湾时，MJO活动阶段的地形强迫可能会增强（122，126）。

Intra-Americas Sea Region

美洲海（IAS）区域的季节性、季节内和日降水事件与TD型扰动（7）、中纬度冷锋入侵（130，131）、时间（持续数天的弱到中等降雨期）（132，133）、TC（134）和低频全球尺度调制器（如ENSO）有关。

• 季节内变化对中美洲和加勒比地区降水年周期的贡献仍然是一个开放的研究问题。

整个加勒比地区的暴雨事件与CLLJ（Caribbean low-level jet）的30-90天变化有关，CLLJ通过低层辐散场的变化与全球MJO模式相关（138）。这种调制在9月至11月的几个月里最为显著，但全年都可以观察到。MJO还与沿着太平洋海岸、墨西哥南部和中美洲以及墨西哥湾沿岸沿着的大降雨变化有关（64，139）。

• 以前的研究表明，在夏季，西加勒比海和东太平洋的位涡纬向梯度的符号会发生逆转（44，140），如果满足适当的条件，就可以在平均气流和热带扰动（如TD型波）之间进行动能交换（46，141），这与在西太平洋观察到的情况类似。强CLLJ有利于远东太平洋的正压转换（46），尽管TD型波和CLLJ之间的确切关系尚不清楚（47）。强急流也与东太平洋TC活动的增加呈正相关

Africa

The 30–90-day modes

非洲和东大西洋上空的ITCZ在30-90天的时间尺度上表现出对流活动的稳定脉冲，这与印度洋-太平洋MJO显著相关（25，27）。这种30-90天模式的特征是向东传播的干赤道kelvin波（即与对流无耦合）与向西传播的干ER波相遇，在赤道西太平洋的印度洋-太平洋MJO的抑制阶段和活跃的印度季风之后。

对流层中层负温度异常和增强的地面西风带与来自大西洋的开尔文波结合低层东风带与ER波。在赤道西太平洋（印度）上空的对流受到抑制（活跃）之后，这些机制增强了非洲上空约20天的季风降雨。

此外，30-90天的静止模态还包括一个最初沿非洲季风区北方边缘沿着向干西传播的ER波，其周期为40-45天，似乎源自印度上空的活跃对流（143，144）。

• 当罗斯贝波在非洲上空传播时，它与增强的向东水汽输送和对流有关，而ITCZ内部和南部的对流同时在西非和中非建立，作为这种模式的固定响应的一部分（143）。
• MJO强迫的Rossby波可能首先在达尔富尔高地引发对流，这是迫使西非TD波活动的敏感位置（35，84）。

30-90天模态可以调节非洲季风的爆发。在这种情况下，一个温暖的异常与开尔文波，从赤道西太平洋在6月中旬的抑制MJO事件发出向东行进，并在6月下旬在非洲遇到了向西传播的ER波，推迟到7月中旬的非洲季风的发作。

## The 10–30-day modes.

几内亚或准双周纬向偶极子（QBZD）模态是一种与ITCZ同处一地的固定模式，其活动中心沿着几内亚海岸和南美洲海岸附近40 W（146）相对。提出了一种机制，即低地面气压异常与强地面加热在一个抑制期的对流在西非诱导向东输送从大西洋东部的水分。在某些情况下，赤道开尔文波的到来进一步增强了这种水汽输送，有利于该地区的对流并启动QBZD（146）的循环。

• 需要更多的研究来充分了解QBZD，开尔文波和非洲季风爆发之间的关系。

中非和西非上空10-30天过滤OLR中的第二个主要模态是向西传播模态（147），由于向西传播的罗斯比环流（148）的纬度，被称为萨赫勒模态（Sahelian mode）。该模态出现在非洲中部，向北传播到萨赫勒，然后向西进入大西洋东部。它也可能与IAS（124）上观测到的东西向模态有关。研究表明，降雨调节地表热通量的反馈可以在10-30天的时间尺度上产生降雨的季节内变化（149）。 萨赫勒模式似乎是由局部非绝热加热和陆地表面相互作用强迫的对流模式1和2 ER波的组合（144）。与天气瞬变相关的高尺度反馈也可能在西非建立这些时间尺度上的西向传播对流异常中发挥作用（150，151），并在下面进行讨论。

## Higher-frequency variability

北半球夏季非洲季风降雨的天气变化主要由非洲东风波（AEW）控制（32，33，40）。这种活动被发现对非洲东风急流（AEJ）的强度、垂直切变和位涡反转的空间范围敏感，位涡反转是波的能量来源（34，35，151，152）。

最近对AEW的一些研究表明，西非上空气流的动力不稳定性不足以解释AEW的产生和增长，需要有限振幅的初始扰动（153）。

在季节内时间尺度上，中非和东非上空对流变率与西非上空对流变率的纬向差异（144）表明，AEW活动的增强是AEJ的季节内变率与达尔富尔上空MCS发展之间复杂相互作用的结果（35）

• 这种相互作用可能在季节内时间尺度上具有内部变率模式（151），这有助于非洲季风降雨的10-30天周期性。

6-7天时间尺度上的开尔文波活动与非洲上空的QBZD和30-90天模式相关。

• 这些扰动的大纬向波长（8，000公里）调制整个西非的降雨量，其幅度与该区域的TD型扰动相当（155）。然而，虽然TD型活动在7月和8月达到最大值，但开尔文波活动往往在北方夏季以外的ITCZ最接近赤道时达到最大值（155，156）。
• 此外，当这一地区出现与MJO对流相关的东风垂直风切变和增强的潮湿异常时，开尔文波往往特别活跃（157）。开尔文波和AEW的相互作用也与气旋生成有关（158）。非洲上空的大部分开尔文波活动似乎始于东太平洋和亚马逊河流域，由波包而不是波列组成（155，159）。

其原因在很大程度上是未探索的，不稳定性，与这些扰动不是非洲季风降水变率主导模式而是而是对主导低频模式起支持作用，是一致的

Atmospheric Transport

除了对全球天气和气候的影响（19，160），MJO还可以影响大气化学成分，如臭氧，气溶胶，一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2），如最近的综述所总结的（161）。本小节主要讨论自那次审查以来的新发现。

• MJO主要通过影响对流层顶的垂直运动来影响TCO（total column ozone）（162）。部分臭氧季节内异常在平流层下部或附近30至200 hPa之间最大，占TCO异常的50%以上（163）。TCO的季节内异常主要出现在太平洋和东半球，并从副热带延伸到北方热带外（30 ° N以北）和北极（162，164）。

• MJO还调节对流层臭氧，约占TCO的10%，特别是在赤道附近（165，166）。结果表明，在MJO事件的增强阶段，赤道对流层臭氧柱（165）和赤道对流层上层臭氧（166）均减少，这表明MJO相关对流可以通过直接对流混合直接影响赤道对流层臭氧柱和对流层上层臭氧。也就是说，对流将对流层低层臭氧含量低的空气提升到对流层高层，并减少对流层高层臭氧和整个对流层臭氧柱。

MJO还可以影响气溶胶浓度及其空间和时间分布（167-173）。

• 在一项相关研究中（170），观测和再分析数据集表明，TD型扰动主导着热带大西洋上空的气溶胶空间分布。在海洋大陆上，当可见燃烧被检测到时，MJO会调节（171）。在印度洋上的遥远海洋边界层中，MJO相关对流强烈影响当地气溶胶浓度，因为增加的垂直混合将新的颗粒引入海洋边界层，降雨清除了亚微米气溶胶颗粒的大气，强风增强了当地大气中海盐气溶胶颗粒的浓度（172）

数值模式中多尺度相互作用的研究

在区域模式模拟中，对热带波的评估研究有限。

1、Tulich等人（176）使用天气研究和预报（WRF）模式在全球热带模拟中研究了对流耦合开尔文波和TD型扰动。

• 与网格观测相比，TD型扰动在印度洋和西太平洋暖池地区通常过于活跃，这种扰动可能是这些地区过于频繁的TC成因的原因。相比之下，在这个模型中，开尔文波活动的振幅在很大程度上被低估了。作者指出，WRF模式中的对流与旋转环流异常的耦合过于强烈，这似乎与该模式在非赤道纬度产生过多降雨的趋势有关，并导致气候模式中常见的双ITCZ问题。类似的模型偏差在其他模型中也很明显（5）。

利用Wang等人（177，178）开发的区域海洋-大气耦合模式，Rydbeck等人（120）和Small等人（179）研究了与印度洋-太平洋MJO和局地反馈相关的远程强迫作用，包括在北半球夏季调节东太平洋MJO的海气相互作用。

Hagos等人（180）使用了一个水汽推动的区域模型来证明一个现实的MJO加热结构，包括层状成分的发展，只能伴随真实水汽场演变

特别是，低层增湿在发病阶段的MJO和上层增湿后的MJO对流的峰值是一个现实的MJO模拟的关键。

Global models

Lin等人（181）举例说明，对流触发强度的增加可以导致模拟TISV的总体改进，包括MJO向东传播的更连贯性和CCEW传播速度的降低。一种假设是，模拟CCEW中相速度的变化与大气总湿稳定性的变化有关（181，182）。还发现，在质量通量对流方案中添加水分触发也可能对模拟开尔文波的垂直倾斜产生积极影响（182）。

增加对流对自由对流层水汽的敏感性会导致更真实的MJO。具有更强变率的模式往往会降低总的湿稳定性。这一点和其他证据表明水分对MJO至关重要，导致最近的建模研究假设MJO是一类称为水分模式的扰动（189-191）。其他新的全球模拟研究进一步表明，MJO，天气和中尺度扰动之间的多尺度相互作用对MJO的水汽和动量收支很重要（190，192，193）。

Lin et al.（175）.温度和湿度的第二垂直斜压结构可能是产生开尔文波的关键，正如层状不稳定机制所提出的那样（63，195，196）。Straub等人（194）还认为，采用对流调整型积云方案的模式在表示开尔文波方面通常不太成功。一般来说，大多数CMIP3模型模拟TD型波向西传播的效果相对较好，但MJO向东传播的效果相对较差，并且TD型波或MJO的方差太弱（181）。

Jiang等人（197）的一个值得注意的发现是，尽管观测结果表明西太平洋向东传播的MJO信号与东太平洋MJO模态之间存在很强的联系，这种联系在几个表现出东太平洋上空真实MJO模态的GCM中并不明显，在这些模式中与MJO模态相关的对流信号往往起源于赤道中心上空太平洋在东经150度和西经150度之间。这可能表明，在东太平洋的MJO模式可以自我维持没有强迫从东传播的MJO。最近的模型研究进一步证实了这一观点（120，198）。