Nature Climate Change | 气候变暖下MJO的变化

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导读

热带大气存在许多不同时间-空间尺度的活动信号。在次季节尺度，Madden–Julian Oscillation（MJO）是热带大气季节内振荡最活跃的信号。

图1. MJO活动示意图

MJO是一个行星尺度的对流-环流耦合系统，表现为沿赤道向东传播的深对流系统，周期约为20~90天。在东传过程中，MJO不仅与热带地区的天气和气候系统产生相互作用，也可通过遥相关影响热带外的天气和气候系统，比如季风系统、热带气旋等。

图2. MJO向东传播示意图

MJO在对流生成阶段，低层大气辐合上升，高层大气辐散，低层水汽在抬升过程中凝结并形成降水，深对流系统沿赤道向东传播，成为热带最活跃的季节内振荡信号。目前对于MJO物理机制及其在全球气候模式中的模拟是气候领域的研究热点之一。MJO通过遥相关影响热带外的各种天气和气候系统，但是在气候变暖背景下，MJO及其遥相关如何变化仍然不清楚。因此，本文作者利用CMIP5 和CMIP6的模拟结果，研究了未来变暖背景下MJO的变化及其对北美地区的影响。

正文

图3. 历史和RCP8.5试验模拟的MJO

作者首先分析了CMIP5和CMIP6中历史模拟和RCP8.5情景下，北半球冬季（12月~3月）MJO的变化。为了表示MJO的变化，热带地区选择500hPa的垂直速度场，热带外则选取滞后6天的降水、500hPa垂直速度和250hPa位势高度进行合成分析。MJO第3位相的结果表明，热带地区的对流中心在马来西亚和印尼附近；热带外则为一个典型的PNA遥相关型，北美西岸降水呈现出负异常，250hPa的位势高度异常中心位于副热带急流的出口区域。RCP8.5的结果呈现出于历史试验类似的环流异常，但是未来气候变暖背景下，MJO及其遥相关的中心都呈现出东移的特征，而MJO所有位相造成大气环流变率的中心以及30° N–40° N纬向平均降水也都进一步东移。

图4. 热带地区加热场以及热带外的平均态的环流场对于MJO的影响

作者也分析了气候变暖造成MJO的遥相关中心东移的原因。MJO的遥相关型是由于热带地区的MJO以及热带外的平均态的环流场决定的。在气候变暖背景下，MJO的中心东移，同时副热带急流的出口也向东移动。作者进一步利用一个简单的斜压模型（LBM）研究了以上两点在MJO的遥相关中心东移过程中的相对重要性，利用RCP8.5中MJO加热场和平均的环流场驱动的LBM，遥相关中心相比于历史试验东移8°，其中平均的环流场贡献较大，而MJO加热场贡献相对较小。

图5. 副热带急流出口的东移机制

作者进一步分析了造成MJO和副热带急流出口东移的原因，MJO的东移主要是由于热带地区表明温度的变化造成的；而副热带急流出口东移则与定常涡动的变化密切相关。

最后，作者指出未来变暖背景下MJO及其遥相关的变化对北美西海岸，特别是美国加州地区的降水有很大的影响。同时作者也指出，未来还需要继续关注MJO的变化对其他地区的影响。