Monsoon Gyres of the Northwest Pacific： Influences of ENSO, the MJO, and the Pacific-Japan Pattern
Journal of Climate 纽约州立大学阿尔巴尼分校 J. Molinari & D. Vollaro
ENSO, MJO和PJ模态对WNP MG的影响
研究背景和研究目的：
Lander第一次在WNP识别出了季风涡旋并将其确定为一个单独的扰动类型，MG是直径可达2500km以上并具有闭合等压线的大尺度环流系统。如此大的尺度带来的问题是它一定会对周围的TC产生影响。MG与约10%的TC有关，TC趋向于在MG的东南部生成，并且当其接近MG时，会旋转并且由于和MG的非线性相互作用常常会发生北折。这会加大JTWC船运预报的复杂度，鉴于MG生成的复杂性，我们需要深入了解其形成和演变。
Holland（1995）和Molinari（2007）研究了Lander（1994）文章中提到的1991年MG的情况，他们发现MG的生成可能与中纬度的波破碎有关，Molinari认为MG代表着持续三个月的赤道罗斯贝波波包中的第一个低压，MG生成于厄尔尼诺的活跃阶段。
Molonari还研究了三个在拉尼娜期间生成的MG，它们在1991年生成MG的西部和北部。这些MG发展于MJO前缘附近，MJO对流向西发展引起的波破碎在MG的生成中起到了重要的作用。
WNP存在热带扰动的复杂组合，Hurley和Boos研究了一个这样的季风低压，这些热带扰动的水平尺度通常只有300km，并且更多的生成于陆地上，并不伴随TC的生成。Wu等人（2013）已经对MG有了系统的研究，本研究的目的是，扩展Wu等的研究，并给出MG的客观定义，并探讨其与ENSO, MJO和PJP的关系。
数据与方法：
环境场资料使用一天两次的ERA-I分析数据，结合了SST和表面感热以及潜热通量的ERA-I数据。表面通量是“累计”变量，代表模型6小时积分的平均值，这是可接受的，并且暂时没有更好的办法。
日降水数据从PERSIANN数据中获取（以12:00 UTC为中心）。
计算了全球的流函数和速度势函数。
每年6-11月的Nino 3.4指数大于/小于0.25℃则认为是厄尔尼诺和拉尼娜年，更小的则为ENSO中性年。TC-JTWC，MJO使用RMM指数。
1983-2013年
所有场的异常代表了每个点相对于MG中心的31年日平均值的偏差。
季风涡旋定义：
本文使用了MG存在的客观的，可重复的定义
1. 850hPa环流必须在100-2000km的每100km处都为气旋性的；这确保了前人所描述的巨大气旋环流的存在
2. 900-1200km半径范围内平均850hPa环流超过临界值Cmin；这将有助于消除范围大但强度较弱的气旋环流，如季风槽，它还消除了普通的热带气旋（在这些半径范围内，环流接近为0）
3. 最短时间为4天，这将避免计算产生短暂环流的短暂相互作用；
4. 热带气旋必须随时间围绕环流中心进行气旋性旋转，如果没有，环流就不能与热带气旋分离，也不算为MG。
研究结论：
使用客观方法在31年间识别出了53个季风涡旋，平均生成位置为16.5°N 135°E，超过80%在7-9月生成。超过一半的季风涡旋在厄尔尼诺期间生成，并且它们的平均位置叫拉尼娜期间生成的在东南偏东1200公里处，850hPa气旋风直径可延伸至4000公里以上，最大切向风接近100km。向西延伸的最大降水量可到达环流以南几千公里。台风更容易生成于MG的东部和北部。70%以上的MG事件是在较大振幅MJO事件期间形成的，并倾向于用RMM指数衡量的5-7位相。在北半球夏季，这些阶段包含环流和对流异常，这些异常与气候态季风槽的异常最为符合。当活跃的大振幅MJO事件与季风槽叠加并且海面温度较高的情况下，最有可能形成涡旋。MG有着与PJ模态紧密联系的850hPa风，位势高度，涡度异常和地表潜热通量异常。这在拉尼娜期间尤其明显，甚至在不隔离PJP的情况下。于是我们提出假设，MJO的活跃状态调制MG生成，PJP的活跃阶段对应MGs的西移。
ENSO的影响
图1给出了三种ENSO位相期间季风涡旋的移动路径。
MG更易在厄尔尼诺年生成（MG）。每个厄尔尼诺MG都在22°N以南，有86%的MG生成于平均季风槽中，两个平均位置都在拉尼娜年的东南部1200km以外。
除了两个以外所有的涡旋都生成于北纬15°以北；除了一个以外，都生成于140°E以西。接近一半的MG生成于平均季风槽的向极一侧，这可能存在中纬度的影响。
ENSO中性年的MG生成则偏向于厄尔尼诺和拉尼娜的中间状态。
厄尔尼诺年MG生成位置半径1000km海域的温度较拉尼娜年高0.2℃，也就是说MG总是倾向于在温暖但不是异常温暖的海域形成。
总体而言，与TC类似的，在厄尔尼诺期间MG倾向于在东南部生成并且有着更长的移动路径；而与TC不同的是，厄尔尼诺期间MG总频数增加但强度不变。
MJO的影响
MJO对MG的影响与ENSO一样显著，73%的MG持续时间（以及74%的生成时刻）生成于RMM的5-7位相，4和8阶段出现的频数减少，在1-3位相极少出现。70%的MG伴随着超过一个单位的RMM振幅。MG在RMM不同位相下的分布与ENSO类似。这反映了从RMM的定义中有效地去除了长时间尺度现象。
MJO对MG位置和频数的影响和对TC的影响相当。总的来说，ENSO和MJO对MG分布路径影响和对TC的影响相当，但对强度的影响而言不同。
MG特征
MG的中心似乎对强TC的位置有着重要影响。36次台风强度的扰动出现在MG中心1000km以内，并且大多出现在东部和北部。
与前人研究一致，TC倾向于在MG东部加强，而后围绕其旋转，接着减弱到台风强度以下或在MG的北/西北方向逃逸。风暴分布位置的明显不对称表明MG可能以赤道罗斯贝波的形式开始初始化的。
此外，在1000km内还有45个热带风暴和热带低压，但没有标识出来，因为JTWC有时会将环流本身标记为热带低压（很少有热带风暴）。总之，有81个TC在53个MG的1000km半径以内，大约每个MG有1.5个。这与Wu等人的结果大致相等，他们发现每个MG有1.1个TC。约占TC总数的10%，是Wu等人的一半，这与他们的定义一致，因为他们识别出的MG多了一倍。TC经常在MG附近停留1~2天的时间。结果就是，在本研究12小时间隔的环流中，87%的MG中心范围内都有TC。
MG生命史的平均时间为5天，这低于Wu等人的8天，最高可达两周。时间偏短是因为我们的定义只考虑了MG环流超过Cmin标准的日期。而大尺度环流在MG存在前后一段时间往往是不满足的。如果追踪到MG到消失，生命史长度将会更长。MG最长的时间为1991年的8月11日到22日。
本节将只显示环流初始时刻的水平结构，并结合所有ENSO状态，存在于900-1000km半径附近850hPa的最大切向涡度，结果几乎与Wu等人确定的平均结构相同。季风槽从孟加拉湾涡旋向西和西北延伸到10-20°N。降水在季风槽和赤道附近达到峰值。在环流东北方向，降水出现了极小值，估计为副高反气旋环流的影响。赤道脊存在于空气从南方穿过赤道的地方，它可能代表了来自南半球的越赤道气流所携带的相反绝对涡度的影响。前人将非对称降水作为MG定义的一部分，本研究定义中并未考虑该点，但是仍然在合成图中显示出了非对称降水，这说明我们的定义成功的隔离了MG中扰动的典型结构。
MG的初始位置位于季风槽的东部，该区域由于背景辐合的作用，扰动经常增强。MG经度上东西风的汇合在性质上与gill非绝热响应在赤道外的表现类似。
通过对比垂直风切变方向降水的不对称性，可以看出环流的异常性质。在MG初始时刻半径超过1000km的平均垂直风切来自东北偏东（72°），为6.5m/s。一个具有这种切变的气旋性涡旋柱，预计将会有最大的向下切变降水，因此位于中心的西南部。观测降水也展示了这样的大值，但是降水极大值的其余部分是向上切变的。这可能反映了在MG中心东侧TC的影响。也就是说MG并不会表现的像一个孤立涡旋，而是一个复杂的相互干扰系统，包括背景流的变化。
在150hPa，亚洲夏季季风高压是主导特征。它向东延伸越过了季风涡旋所在的经度。大范围的东北风吹向赤道方向的降水极大值区，并与南半球的越赤道气流在80-150°E交汇。纬向气流与850hPa相比翻转，中纬度西风急流北移。
850hPa纬向风和纬向散度是在MG南北两侧共2000km平均得到的。西风出现在MG的西部，MG东部为东风带。
背景辐合与季风槽有关作用于MG的整个直径。加上经向散度是总散度的两倍但基本上对平均贡献没有影响。总之，MG产生自己的低层辐合区，但是在远处的区域，平均季风槽贡献了额外的辐合流区域。
150hPa的辐散风可以进一步显示平均和异常的相对贡献。从90°E到日界线整个区域上最强的辐散出现在MG中心。向南的辐散风可以延伸到南半球，而向北的辐散风则较弱。这可能反映了背景惯性稳定的经向梯度。气候态季风槽其余再次大大促进了环流的辐散，尤其在MG的西部。
在图4a展示的850hPa流函数和风在图7中分离了气候态和异常场。异常场为简单的总场和气候态场的差值并且不仅仅只包含MG，也有MJO和其它偏移了平均状态的信号。
气候态区域清晰的展示了季风槽和西太副高，也有ITCZ向东伸展的情况。异常场则在MG中心的1500km范围展示出了较强的低压和降水。有趣的一点是，图7b中包含着的正流函数异常在MG的东南偏南和东北部。该模态与和PJP有关的高度场异常存在共同特征，下文将着重描述该异常。
太平洋-日本模态
使用月平均场、三月平均场以及10-50天滤波场隔离出PJP。Kosaka和Nakamura使用了菲律宾群岛东部的异常降水定义PJP指数，Wakabayashi和Kawamura根据副热带和中纬度850hPa异常位势高度差值定义了PJP指数。PJP似乎代表了西北太平洋夏季纬向非对称斜压平均流中可以激发的对流动力耦合模式。活跃的PJP与异常大尺度天气尺度变率有关并且TC生成频数更大。PJP代表着一种次季节现象，为了与前人研究的时间尺度保持一致，本文使用20-100天Lanczos滤波定义PJP指数
Z是20-100天滤波的位势高度异常。因为PJP在北半球仲夏最强，所以只展示了6-9月的数值及合成图。然而，PJP数值和合成结构在所有月份和只使用6-8月差别不大，只是仲夏以外的涡旋数量较少。
Lanina期间的PJP指数比Einino期间大的多，厄尔尼诺时期最大的正值存在于参考经度的东边，这与MG东移位置一致。
正的PJP指数代表着异常强的南低北高的低频位势高度梯度。表2表示在拉尼娜年的活跃涡旋时期，有着大于30m的正位势高度异常。PJP异常伴随着气候态季风槽和副热带高压，在两点间伴随着27米的位势高度差值。
如图1所示，两种主要的ENSO状态都包含着向西的涡旋位置。为了仅凭经度分离PJP的值，表2最后两行只考虑了涡旋在140°E以东和以西的时刻。当涡旋在140°E以东时，最大的位势高度异常向东移动了20个经度。表2表明了拉尼娜期间，MG投射到PJP指数上的结果，看起来厄尔尼诺期间出现了投射到更东的PJP状态。后者与K&N一致，他们发现PJP指数的符号在式（1）中点的东边保持不变，但数值较小。拉尼娜的合成场与西部环流的合成场非常类似，厄尔尼诺与东部合成场类似。因此，只展示了ENSO的合成结果。
图8a展示了拉尼娜期间所有MG的850hPa流函数异常、风和降水，如图7b所示，这个区域包含了所有气候态的变化，包括MG和MJO。PJP比图7b的初始涡旋时刻展示的更加明显。图8展示了与前人研究类似的PJP活跃模态的结构，尽管本研究没有尝试分离PJP。尤其是在MG南部的正的流函数异常，MG内部的负异常、靠近40°N150°E的正异常和在较远东-东北部的负异常都与Li等人展示的PJP异常一致。850hPa的涡度异常区域也与K&N的类似。但是150hPa对应的不是很类似，这可能因为在MG东北部频繁的TC产生导致了局地幅散环流。
拉尼娜年6-9月的MG地表潜热通量异常与K&N的最大PJP潜热通量点（黑色X）一起显示。基于MG异常的X点的量级也大于前人显示的最强PJP事件。基于850hPa风、流函数、涡度、降水和表面潜热通量异常，我们可以得出结论，MG在PJP上投射的非常好。
研究结论和讨论
1. 对MG进行了客观定义，发现WNP每年形成1.7个MG，平均寿命为5天，与WNP约10%的TC有关。环流表现出强烈的非对称降水模式，极大区位于中心的东部和南部，后者从环流向西延伸数千公里，不管ENSO位相如何，都是在29.8℃以上的SST上形成环流。MG受到ENSO的强烈调节，超过一半的环流形成于厄尔尼诺，中心位置比拉尼娜时期偏东-东南方向1200km。
风和降水的不对称与环流的四个组成部分有关：环流本身(图7b)、MJO(图2)、PJP(图8和9)和频繁的热带气旋(图3)
2. RMM指数的5-7位相最有利于形成MG，简单来看，MG的形成可能只是代表了一个强大的RMM 5-7位相涡旋在足够温暖的水域上，足够远离南部以及与季风槽叠加产生大规模的相互作用。
但是随后MG的西北向移动不能用上述推理来解释，因为二者移动方向不一致。一旦MJO影响的环流增强，其将与行星涡度梯度耦合并向西北移动。这种耦合将有利于大尺度环流，这在整个环流中产生了很大的科里奥利参数差异。经向风的hovmoller图提供了这一系列事件的间接证据。MG在形成前期存在一个大的气旋环流，这种环流强度随时间增加，只有在接近时间零点时才开始向西北移动。
3. 此外，本文发现，在MG存在的时刻，出现了清晰的PJP模式，即使没有分离PJP，并且振幅与强PJP振幅量级一致。
我们推测环流所代表的事件的顺序。首先，环流最常在MJO RMM 5-7相形成，此时MJO非绝热加热和环流异常与气候季风槽的异常叠加。当环流与行星涡度梯度相互作用时，它会增强，向西北移动，病投射到PJP上。虽然MG似乎代表不同的现象，但它们与低频事件强烈耦合。
体会
经向风的hovmoller图可以显示系统的东西移动，同理纬向风的hovmoller图可以显示系统的南北移动。
