摘要
北半球夏季，沿墨西哥西海岸延伸1000多公里的强降雨带构成了北美季风的核心1，2。与其他热带季风一样，这种最大降雨量通常被认为是由陆地和高地向其上的大气排放热量造成的3.，4，5，但对控制季风的基本机制缺乏清晰的认识。在这里，我们展示了当墨西哥的马德雷山脉使温带急流转向赤道时，北美季风的核心产生了，机械地迫使东，上坡气流抬升温暖潮湿的空气，产生对流降雨。这些发现是基于对观测资料中的动力和热力学结构、全球气候模式积分和绝热驻波解的分析。地表热通量确实是大气对流的先决条件，特别是在夏季的下午，但仅靠地表热通量不足以产生观测到的最大降雨量。我们的研究结果表明，北美季风的核心应该被理解为在机械强迫驻波中对流增强的地形降雨，而不是经典的热强迫热带季风。这对北美季风对过去和未来全球气候变化的响应具有启示意义，使得急流与地形相互作用的趋势具有核心重要性。
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ERA5按小时的月平均数据从哥白尼气候变化服务气候数据存储下载(标识符引用于方法)。MERRA-2和GPM数据是从NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心下载的(标识符引用于方法)。ETOPO1数据是从国家海洋和大气管理局的国家环境信息中心下载的(标识符引用于方法)。David K. Adams提供了2017年GPS Hydromet数据;跨界、陆地和大气长期观测和协同网络数据;和GPS样带实验2013年数据。GCM的时均夏季气候学资料和驻波模式的时均输出资料存档于https://doi.org/10.5281/zenodo.5076509。
代码的可用性
社区地球系统模型是由美国国家科学基金会资助的https://www.cesm.ucar.edu。Isla Simpson提供了驻波模型的代码，其原始版本由Ting Mingfang和Yu Linhai编写。
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致谢
本材料基于美国能源部、科学办公室、生物和环境研究办公室、气候和环境科学部、区域和全球模型分析计划支持的工作，根据DE-SC0019367奖。它使用了国家能源研究科学计算中心的资源，该中心是能源部科学用户设施办公室。W.R.B.感谢加州大学伯克利分校米勒科学基础研究所的支持。本文得益于与D. Adams, Q. Nicolas, I. Fung和J. c.h. Chiang的讨论。我们感谢M. Wehner关于在0.25°分辨率下运行CAM5的旧配置的建议。
作者信息
作者及单位
贡献
W.R.B.构思了这项研究，设计并执行了GCM和驻波模型的集成，并分析了模型输出。S.P.评估了GCM偏差。两位作者都分析了观察结果，并为撰写手稿做出了贡献。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益冲突。
额外的信息
同行评议信息自然感谢Jane Baldwin和其他匿名审稿人对本文同行评议的贡献。同行评审报告是可用的。
出版商的注意b施普林格《自然》杂志对已出版的地图和机构的管辖权要求保持中立。
扩展数据图和表
图2高分辨率GCM模拟的加利福尼亚湾(GoC) NAM降水和沿岸水分通量的季节周期基本上落在观测到的年际变率范围内。
a)线表示北美季风陆域月平均降水的季节周期(见扩展数据图)。1)和1980-2009年期间的两个观测数据集(蓝色的CRU和紫色的GPCC)和对照GCM (CESM);黑色)。遮阳限制了GPCC年际变率的第5和第95百分位数。低分辨率海洋-大气耦合GCM中常见的秋季降水正偏压较大。b)线条表示1980-2009年两次再分析(MERRA2为蓝色，ERA5为紫色)中GoC 10 m水分通量的海岸平行分量，以及控制GCM (CESM)中最低模式水平水分通量;黑色，地表以上约7千帕)。遮荫限制了ERA5年际变化的第5和第95百分位数。沿海岸平行方向(自北逆时针34°)投影矢量场，然后在扩展数据图中对加利福尼亚湾区域进行平均，得到海岸平行湿度通量。1。
扩展数据图3高分辨率GCM捕获了加利福尼亚湾上空的北上低空风和高湿静态能(MSE)空气舌。
矢量显示了来自a) ERA5和b) MERRA2的10米水平风(1980-2019年平均值)，以及c)来自控制GCM (CESM)的最低模式水平风;大约在地表以上7千帕)。所有面板上的阴影显示2米的MSE，通过干燥空气比热标准化，以k为单位投射该变量。
扩展数据图4时间平均风产生的水汽辐合平衡了控制GCM中的降水。
a)控制区夏季平均风辐合的垂直积分水汽通量，单位为mm日−1。这与夏季平均降水和地表蒸发之差(b)具有高度相似的空间格局，后者必须非常接近总垂直积分水汽通量辐合。与(b)相比，(a)的量级更大，表明瞬态涡旋使核心NAM降水最大。为了减少地形周围的谱环，用波数288截断的球谐波计算了湿度通量的收敛。绘图软件:Cartopy与自然地球形状文件。
图5线性驻波解。
通过将Control - FlatMex表面高度强迫缩放10，得到线性解−6然后将响应乘以106，从而使守恒方程中的二次项增加了10倍−6小于线性项。a) 700 hPa水平风异常流函数(遮阳，米);空气绕最大值顺时针流动)。粗橙色线是基态纬向风的零等高线，在35°N附近将西风与盛行的东温带气流分开。细蓝线表示700 hPa的位势温度(单位K)。b) 26°N的异常纬向风(阴影，单位m s)−1)，等熵用蓝色表示(5k等高线间隔);总的纬向风(基本状态加上对地形的响应)用橙色等高线表示，等高线间隔为2米秒−1，负轮廓省略，零轮廓以粗体显示。(a)中的流函数已被重力加速度和45°N的科里奥利参数归一化。绘图软件:Cartopy与自然地球形状文件。
图6基本状态等熵和纬向风，说明稳定的对流层下层绝热气流必须向南偏转以避免被地面阻挡。
夏季平均纬向风(遮阳，m−1)和在103°W下FlatMex集成的电位温度(蓝色轮廓线，间隔5 K)。地形学被白色所掩盖。
图7低分辨率驻波解。
以R30水平分辨率积分的驻波模型得到的Control - FlatMex表面高度强迫的完全非线性响应(主文本图)。2 c, d以R63分辨率显示解决方案)。a) 700 hPa水平风异常流函数(遮阳，米);空气绕最大值顺时针流动)。1.5 km的地面高度用绿色等高线表示，粗橙色线为基本状态纬向风的零等高线，在35°N附近将西向信风与盛行的东向温带气流分开。细蓝线表示700 hPa的位势温度(单位K)。b) 26°N的异常纬向风(阴影，单位m s)−1)，等熵以蓝色绘制(5 K等高线间隔)，地形以白色遮挡;总的纬向风(基本状态加上对地形的响应)用橙色等高线表示，等高线间隔为2米秒−1，负等高线省略，零等高线加粗。(a)中的流函数已被重力加速度和45°N的科里奥利参数归一化。请注意，与图中所示的高分辨率解不同，SMO以西的总近地表气流是向西的。二维。绘图软件:Cartopy与自然地球形状文件。
扩展数据图8 MSE和风的季节周期平均区域(正文)3 c。
在我们的季节周期诊断中，a)地面空气MSE和b)低层纬向风平均的区域。绘图软件:Cartopy与自然地球形状文件。
扩展数据图9纯热强迫响应的明显空间结构。
夏季平均降水距平(mm日)−1)和b) FlatMexLowAlb模式运行相对于FlatMex运行的地面空气MSE (K)。面板(c)和(d)显示与(a)和(b)相同，但相对于FlatMex的控制运行。在所有的面板中，只有在5%的学生t检验水平上具有统计显著性的异常才会显示出来。绘图软件:Cartopy与自然地球形状文件。
补充信息
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布斯，w.r.，帕斯卡尔，S.北美季风地形的机械强迫。自然599， 611-615(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-021-03978-2
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03978-2
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日离岸降雨传播的全球调查
自然通讯（2022）
