熱帶印度洋和太平洋增暖對東亞夏季風(fēng)趨勢的相反影響

陳小婷,李雙林,李國平

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都 610225;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心,北京 100029;3.陜西省氣象臺,陜西西安 710014)

熱帶印度洋和太平洋增暖對東亞夏季風(fēng)趨勢的相反影響

陳小婷1,2,3,李雙林2,李國平1

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都 610225;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心,北京 100029;3.陜西省氣象臺,陜西西安 710014)

利用多成員集合試驗結(jié)果,比較分析了熱帶印度洋和太平洋增暖各自對東亞夏季風(fēng)趨勢變化的影響。試驗所用模式是GFDL AM2大氣環(huán)流模式,增暖是通過在氣候平均海洋表面溫度(SST)基礎(chǔ)上,疊加隨時間線性增加的、相當(dāng)于實際50 a左右達到的SST異常來實現(xiàn)的。結(jié)果表明:熱帶印度洋和太平洋共同增暖有使東亞夏季風(fēng)減弱的趨勢。相比較而言,單獨印度洋增暖有使東亞夏季風(fēng)增強、華北降水增多的趨勢,而單獨太平洋增暖有使東亞夏季風(fēng)減弱的趨勢,即印度洋增暖與太平洋增暖對東亞夏季風(fēng)存在相反的、競爭性影響。進一步分析指出,熱帶太平洋特別是熱帶中東太平洋的增溫可能對20世紀70年代末期開始的夏季風(fēng)年代際減弱有更重要的貢獻;在未來熱帶印度洋和太平洋持續(xù)增暖、但增暖強度緯向差異減小的新情況下,東亞夏季風(fēng)減弱的趨勢可能還將持續(xù)。

熱帶印度洋增暖;熱帶太平洋增暖;東亞夏季風(fēng);年代際變化

0 引言

東亞夏季風(fēng)(East Asian summer monsoon,EASM)異常引起的干旱和洪澇等自然災(zāi)害對我國有重要影響。EASM不僅具有顯著的年際變化[1],還具有明顯的年代際變化。20世紀70年代中后期EASM經(jīng)歷了一次系統(tǒng)性的年代際減弱[2-3],表現(xiàn)為長江中下游降水增多、洪澇災(zāi)害頻發(fā),華北降水減少、持續(xù)干旱,我國東部進入一個“南澇北旱”的氣候狀態(tài)[2,4-5]。20世紀90年代末EASM可能經(jīng)歷了另一次轉(zhuǎn)折,表現(xiàn)為雨帶向淮河流域移動[6]。正確預(yù)測EASM的年代際變化及未來走向,對準(zhǔn)確預(yù)測年際尺度上夏季風(fēng)及其降水有重要意義,同時關(guān)系到國民經(jīng)濟未來布局安排和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施。

EASM的變異,除了受氣候系統(tǒng)自身內(nèi)部振蕩的影響,還受外強迫的影響。研究表明,海洋表面溫度(SST)與EASM環(huán)流及其降水有密切關(guān)系[7-8]。由于海水具有比大氣大得多的熱容量,所以海洋儲存了大部分地球能量,尤其是熱帶海洋儲存了全球變暖的主要信號。研究表明,最近幾十年觀測到的熱帶大洋增暖趨勢主要是人類外強迫,特別是溫室氣體排放引起的[9]。通過研究熱帶海洋增暖來間接了解人類溫室氣體排放對EASM的影響是認識EASM未來走向的一個重要方面。因此,人們在關(guān)于SST趨勢變化對EASM年代際變化的影響方面開展了不少的工作[4,10-14]。

第一種情況是以政策需要代替正當(dāng)利益?！掇r(nóng)村資金互助社管理暫行規(guī)定》和《關(guān)于小額貸款公司試點的指導(dǎo)意見》中明確把“改善農(nóng)村地區(qū)金融服務(wù)”作為目標(biāo)，這雖然在客觀上有利于農(nóng)村資金互助社和小額貸款公司設(shè)立、運行，一定程度上保護了融資主體的利益，但利益的保護本身不是目的，而只是實現(xiàn)政策目標(biāo)的手段。也正因為如此，監(jiān)管者對這些融資組織的準(zhǔn)入進行嚴格限制，融資主體的正當(dāng)利益保護不充分。

對于20世紀70年代末EASM年代際減弱,許多工作利用觀測資料進行了分析[10,12,15],結(jié)果較一致認為該變化與熱帶SST異常有密切聯(lián)系。在模式試驗方面,曾剛等[16]利用NCAR最新的第5代大氣環(huán)流模式,通過給定隨時間演變的全球觀測SST強迫進行試驗,模擬出了這次年代際減弱。Zhou等[17]用5個AGCM的試驗結(jié)果表明,印度洋—西太平洋增暖可以模擬出西太平洋副熱帶高壓的西伸,而西太平洋副熱帶高壓的西伸對東亞氣候系統(tǒng)發(fā)生年代際轉(zhuǎn)變有重要貢獻。Fu等[14]用GFDL AM2模式,給定70年代末之前和之后兩種不同氣候態(tài)SST強迫,試驗結(jié)果表明SST背景態(tài)改變能引起EASM年代際減弱?？傊?是否SST變化能解釋70年代末EASM年代際減弱,除個別模式[13]外,大多數(shù)模式都得到肯定的結(jié)論。但是,哪些海域SST異常的作用更重要,已有結(jié)果還存在很大的不確定性。付建建[18]的工作顯示,熱帶SST的貢獻要大于熱帶外SST。Gong和Ho[10]認為東太平洋及印度洋的增暖起主要作用。黃榮輝等[15]認為,中東太平洋類似厄爾尼諾的增暖是主要原因。Zhou等[17]強調(diào)印度洋和西太平洋的共同作用的重要性。曾剛等[16]則認為北印度洋和南海附近SST年代際增暖是主要的原因。但Yang等[19]和Li等[20]分別用不同模式得到的結(jié)果均顯示印度洋增暖可以使EASM增強,說明單獨的印度洋年代際增暖不能解釋EASM年代際減弱。

政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告(簡稱IPCC AR4)[21]中,幾乎所有氣候系統(tǒng)模式均預(yù)估,在溫室氣體排放持續(xù)的未來情景下,熱帶海洋增暖的趨勢還將持續(xù),并表現(xiàn)出顯著不同于過去幾十年的新特點,即緯向上增暖差異減小,與過去的增暖在印度洋最明顯的結(jié)論形成對比。這一新特點會對EASM的趨勢變化產(chǎn)生什么影響還不清楚,因此有必要比較研究不同海區(qū)增暖的影響。同時,這樣的研究也有助于了解哪一海域的增暖是70年代末夏季風(fēng)年代際減弱的主要推動者。

1.2 無菌苗的獲取 將種子放到無菌水中浸泡15～20 min；取出種子，用75%的酒精處理40 s，無菌水沖洗3次；最后放到30%雙氧水中浸泡15 min，再用無菌水沖洗5次，無菌濾紙吸干表面水分等待播種。將種子接種于MS培養(yǎng)基中。25 ℃下黑暗中萌發(fā)2 d，然后移至16 h/d光照,3 000 lx 光強條件下培養(yǎng)。

考慮到Li等[20]只研究了熱帶印度洋增暖的影響,沒有研究太平洋增暖的影響,而以前工作說明太平洋的影響可能更為重要,本文將在該工作基礎(chǔ)上,利用另外完成的熱帶印度洋—太平洋共同增暖的試驗結(jié)果[22],比較分析熱帶印度洋增暖和太平洋增暖各自對東亞夏季風(fēng)的影響。

1 模式與試驗

季風(fēng)指數(shù)可以用來定量地分析季風(fēng)活動。根據(jù)所研究的問題,選擇適當(dāng)?shù)募撅L(fēng)指數(shù)很重要。本文在比較學(xué)習(xí)前人定義的指數(shù)基礎(chǔ)上[27-28],根據(jù)所關(guān)注區(qū)域氣候態(tài)風(fēng)場的特征,選取了兩個季風(fēng)指數(shù),從不同角度來了解SST變化對EASM的影響。圖5顯示東亞地區(qū)氣候態(tài)風(fēng)場分布特征是:在850 hPa的110～140°E范圍內(nèi),30～40°N之間為偏西風(fēng),20～30°N之間為偏東風(fēng),存在明顯的緯向風(fēng)切變。因此,利用850 hPa緯向風(fēng)不同區(qū)域間切變定義指數(shù)1,其計算公式為:u850hPa[30～40°N,110～140°E]-u850hPa[20～30°N,110～140°E]。該指數(shù)可以反映低層的副高強度,指數(shù)越大說明季風(fēng)越強。另外一個氣候態(tài)風(fēng)場分布特征是:110～140°E、20～40°N范圍內(nèi),850 hPa和200 hPa之間存在明顯的經(jīng)向風(fēng)切變,200 hPa該區(qū)域為一致的北風(fēng),850 hPa該區(qū)域為一致的南風(fēng)。因此,利用850 hPa和200 hPa高度層之間經(jīng)向風(fēng)的垂直切變定義指數(shù)2,其計算公式為:v850hPa[25～45°N,110～140°E]-v200hPa[25～45°N,110～140°E]。該指數(shù)反映了季風(fēng)系統(tǒng)高低層之間的配置,指數(shù)越大說明季風(fēng)越強。

從圖1c可以看出,太平洋增暖引起的降水響應(yīng)和印度洋截然相反。熱帶印度洋大部降水減少,南海和西太平洋降水增加,華北東部存在一個降水顯著減少的區(qū)域。850 hPa風(fēng)場上,在副熱帶西太平洋以臺灣東部海域為中心存在一個氣旋式氣流,從日本島沿著我國東部沿海一直到中南半島一帶存在一支大于2 m/s的東北風(fēng)異常。該異常減弱夏季盛行的西南風(fēng),使得夏季風(fēng)減弱,解釋了華北的降水減少。對應(yīng)圖1d上850 hPa高度場,在副熱帶西太平洋區(qū)域存在負變高,在熱帶印度洋和南半球熱帶西太平洋為顯著的正變高。比較圖1a、b和圖1c、d可以看出,在印度洋大部和海洋性大陸附近,太平洋增暖和印度洋增暖二者引起的異常風(fēng)場和變高場分布大致相反,這與其大致相反的降水異常分布對應(yīng)。

2 模擬結(jié)果及其與觀測的對比分析

2.1 降水和低層環(huán)流的響應(yīng)

對比印度洋增暖的試驗結(jié)果(圖3a、b)與觀測趨勢(圖4),顯然二者之間差異很大甚至相反。觀測結(jié)果在我國東北及日本海附近為負距平(反映副高減弱了),模擬結(jié)果則為正異常。這說明印度洋增暖引起的中上層環(huán)流不能解釋觀測到的趨勢,與低層結(jié)果一致。

4月20日考察結(jié)果詳見表2，分析可知施磷處理小麥的單株次生根17.1條，比未施用磷肥小麥單株次生根14.7條多2.4條。磷肥用量在0-60 kg范圍內(nèi)，小麥單株次生根數(shù)則隨著磷肥的用量增加而增加，呈顯著線性關(guān)系。磷肥的施用量與小麥的次生根顯著相關(guān)。

將模擬的印度洋增暖結(jié)果與通過歐洲中期天氣預(yù)報中心再分析資料(ERA40)計算得到的最近幾十年觀測的趨勢變化進行對比(比較圖1a、b與圖2),可以看到二者在熱帶西太平洋區(qū)域(110°E以東)基本上是相反的。如20°N以南觀測趨勢表現(xiàn)出降水增加、西風(fēng)異常,在模擬結(jié)果中副熱帶西太平洋、日本島南端的反氣旋式氣流區(qū),觀測趨勢表現(xiàn)為一氣旋性環(huán)流異常,我國東部為其后部的異常東北風(fēng)控制,盛行西南季風(fēng)減弱。這說明印度洋增暖不能解釋最近幾十年觀測到的EASM年代際減弱。其他大氣環(huán)流模式試驗也得到類似結(jié)果[20],說明這一結(jié)論存在一定的可信度。

信息經(jīng)濟改變了社會生產(chǎn)組織方式，產(chǎn)生了一系列新興經(jīng)濟領(lǐng)域和新業(yè)態(tài)，促進了生產(chǎn)要素更大范圍的重新配置，釋放了巨大消費潛力，極大影響了空間區(qū)位對經(jīng)濟活動和產(chǎn)業(yè)布局。信息經(jīng)濟為我國西部大開發(fā)提供了新的發(fā)展契機，西部地區(qū)既面臨區(qū)位限制減小、市場距離拉近的重大機遇，也面臨競爭門檻提高、要素流失加劇的嚴峻挑戰(zhàn)。如何實現(xiàn)信息經(jīng)濟跨越式發(fā)展，是西部省區(qū)迫切需要解決的重要問題。

所分析的試驗結(jié)果來自三組試驗。第一組試驗:選擇4個不同的初始場,用氣候態(tài)的SST和隨著歷史演變的化學(xué)物理過程驅(qū)動;第二組試驗:同第一組,但選擇10個不同的初始場,在熱帶印度洋—太平洋區(qū)域疊加隨時間線性增長的SST異常,其他海域用氣候態(tài)SST;第三組試驗:同第二組試驗,但是只在熱帶印度洋疊加隨時間線性增長的SST異常。每組試驗都積分12 a,提交的SST異常的分布形態(tài)固定不變,在赤道地區(qū)最大,向南北緯逐漸減小,到30°N和30°S減小到0℃。線性增溫幅度為每年0.2℃。起始溫度為-0.2℃,積分最后一年的12月底達到2.2℃?？紤]到初始場和模式協(xié)調(diào)需要足夠的時間,我們把模式運行的第1年作為協(xié)調(diào)所用時間不加分析。提交的SST異常第7—11年平均值相對于第2—6年的平均值升溫1℃,與觀測到的過去50 a SST增長幅度相當(dāng),因此用模式積分的第7—11年結(jié)果減去模式積分的第2—6年結(jié)果代表大氣對1℃海洋變暖的響應(yīng)(關(guān)于模式設(shè)計可參考文獻[20,22]中的相應(yīng)部分)。在線性假設(shè)下,用第三組試驗的結(jié)果減去第一組試驗的結(jié)果可以得到印度洋增暖的影響,用第二組試驗減去第一組試驗可以得到印度洋太平洋共同增暖的影響,第二組試驗減去第三組試驗可以得到太平洋增暖的影響。值得注意的是,這里給定的熱帶海洋增暖是緯向均一的,這種試驗設(shè)計更多地考慮了IPCC AR4預(yù)估的未來熱帶SST增溫緯向差異減小的新情形[21]。

對比太平洋增暖的模擬結(jié)果(圖1c、d)與觀測趨勢(圖2)可以看到:在西太平洋區(qū)域,降水、低層水平風(fēng)場和變高場的模式結(jié)果都與觀測基本一致,特別是華北東部的少雨、明顯增溫,也定性一致。說明太平洋增暖對觀測到的東亞年代際變化趨勢的形成起了一定的作用。

湖北省人民政府辦公廳印發(fā)《關(guān)于創(chuàng)新建立貧困縣資金整合機制實施精準(zhǔn)扶貧的意見》（鄂政辦發(fā)〔2015〕63號），在國辦發(fā)22號文件的基礎(chǔ)上，進一步明確統(tǒng)籌整合的范圍為：“以財政資金統(tǒng)籌為主體，引導(dǎo)金融資金和社會資金等多種資金的參與。統(tǒng)籌中央、省到縣市的財政性資金、上級安排及本級安排，當(dāng)年安排及結(jié)轉(zhuǎn)資金、存量資金及增量資金，都要做到應(yīng)統(tǒng)盡統(tǒng)?！?016—2018年，谷城縣共統(tǒng)籌聚集各類扶貧資金32.25億元。統(tǒng)籌的扶貧資金來源主要有四個渠道：

圖1e、f是熱帶印度洋和太平洋共同增暖的響應(yīng)結(jié)果。可以看出,降水異常分布型與太平洋增暖情形接近,在熱帶地區(qū)均與觀測趨勢有一定的相似性。例如,觀測中印度洋的東南部和西太平洋存在顯著降水增多區(qū),兩者之間包圍的印度尼西亞是一塊降水減少區(qū),模擬結(jié)果有很好的再現(xiàn)。但在東亞區(qū),觀測中“南澇北旱”趨勢模式?jīng)]有很好再現(xiàn)。這點可能因為模式對季風(fēng)區(qū)降水模擬能力有限,也可能有別的因子影響著該區(qū)域的降水,最近人們認為人類活動引起的黑碳和硫酸鹽氣溶膠增加可能起著某種作用[25-26]。從低層環(huán)流場來看,觀測中我國東部沿海盛行北風(fēng)異常,西北太平洋存在氣旋式的異常風(fēng)場,850 hPa高度場上亞洲大陸有明顯的正變高,而西北太平洋存在負變高,赤道印度洋、太平洋上空盛行西風(fēng)異常,這些主要特征在現(xiàn)在的模擬結(jié)果中都有很好的再現(xiàn)。這說明,太平洋和印度洋共同增暖下的模擬結(jié)果大致能再現(xiàn)觀測到的EASM低層環(huán)流改變。

2.2 對流層中上層環(huán)流響應(yīng)

西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)和南亞高壓是EASM另外兩個重要子系統(tǒng)。副高表現(xiàn)最明顯的高度層是500 hPa,南亞高壓在100 hPa最強盛。夏季風(fēng)偏強對應(yīng)副高脊線偏北,南亞高壓主體偏東;夏季風(fēng)偏弱則相反。下面分析這兩層的高度場響應(yīng)來進一步了解EASM年代際變化對熱帶海洋增暖的響應(yīng)機制。

圖1 7月、8月平均的降水(a,c,e;陰影;單位:mm/月)、850 hPa風(fēng)場(a,c,e;箭頭;單位:m/s)以及表面溫度場(b,d,f;陰影;單位:℃)、850 hPa位勢高度場(b,d,f;等值線;單位:gpm)在熱帶印度洋增暖(a,b)、熱帶太平洋增暖(c,d)以及熱帶印度洋和太平洋共同增暖(e,f)試驗中的響應(yīng)(降水場顯示的是通過90%顯著性檢驗的區(qū)域;風(fēng)場顯示的是大于0.4的值;溫度場顯示的是絕對值大于0.5的值;這里(a,b)系基于文獻[20]中圖2復(fù)制)Fig.1 (a,c,e)July-Augustmean precipitation(shadings;units:mm/mon;only those significant at90%level are displayed)and 850 hPa wind(vector;units:m/s;only those with amplitude over 0.4 are drawn),and(b,d,f)surface air temperature(shadings;units:℃;only those with absolute value over 0.5 are drawn)and 850 hPa geopotential height(contour;units:gpm)responses to(a,b)Indian O-cean warming,(c,d)Pacific Ocean warming,and(e,f)Indo-Pacific Ocean warming experiments(Here(a,b)is reproduced based on Fig.2 in reference[20])

圖2 觀測的7月、8月平均降水場和850 hPa風(fēng)場(a;陰影為降水,單位:mm/mon;箭頭為風(fēng)場,單位:m/s)以及850 hPa位勢高度場和海表溫度場(b;等值線為位勢高度,單位:gpm;陰影為SST,單位:℃)的年代際變化趨勢(所用資料為歐洲中心再分析資料;趨勢用1979—1998年平均與1958—1977年平均之差代表)Fig.2 Observed interdecadal trends of(a)July-August mean precipitation(shadings;units:mm/mon;only those significant at 90%level are displayed)and 850 hPa wind(vector;units:m/s;only those with amplitude over 0.4 are drawn),and(b)surface sea temperature(shadings;units:℃;only those with absolute value over 0.5 are drawn)and 850 hPa geopotential height(contour;units:gpm)(The 40-yr ECMWF reanalysis dataset are used;Observed interdecadal trend expressed as the difference of the mean of 1978—1997 minus that of 1958—1977)

圖3給出了模擬的500和100 hPa高度場響應(yīng)。氣候態(tài)副高和南亞高壓分別用5 880 gpm線和16 720 gpm線包圍的區(qū)域表征。從印度洋增暖的試驗結(jié)果(圖3 a、b)來看,500 hPa高度場上,在40°N一帶存在一個正變高帶,變高最大值出現(xiàn)在我國東北和日本,即氣候態(tài)西太平洋副高的北部,意味著副高北抬,有利雨帶在華北建立發(fā)展;100 hPa高度場上,也在40°N以北即氣候態(tài)南亞高壓的北部,出現(xiàn)了正變高帶。在我國東北和日本海上空,存在一大值區(qū),意味著南亞高壓東伸北抬。這兩幅圖中我國東北—朝鮮半島均存在一個正變高中心,意味著高空輻散加強,有利于低層輻合發(fā)展,從而夏季風(fēng)增強,與圖1a、b中的低層環(huán)流以及降水變化匹配,以前已分析過這些環(huán)流響應(yīng)和熱帶印度洋加熱激發(fā)的Gill型的響應(yīng)相關(guān)聯(lián)[20],在物理上是合理的。

圖1給出了模擬的不同海域增溫對降水、表面氣溫和低層環(huán)流的影響。由于EASM從6月到7月存在一個轉(zhuǎn)換,而且初夏和盛夏的氣候態(tài)存在顯著差異,因此本文主要選取盛夏(7月、8月)作為分析對象,而沒有選取傳統(tǒng)意義上的6月、7月、8月3個月[24]。從圖1a可以看出,印度洋增暖使得除赤道西印度洋部分區(qū)域外的整個熱帶印度洋大部地區(qū)降水顯著增加,南海、西太平洋大部顯著減少,華北東部(115°E以東,35～45°N)至日本島南端降水增加,東南沿海顯著減少。850 hPa風(fēng)場上,在副熱帶西太平洋、日本島南端,存在一個異常反氣旋式環(huán)流,其后部的西南風(fēng)異常,將增強夏季盛行的西南季風(fēng),解釋了華北東部降水的增加。對應(yīng)圖1b中850 hPa位勢高度場,在這一反氣旋環(huán)流區(qū)域存在正變高。另外在印度洋區(qū)域,從馬達加斯加的北部一直到索馬里,沿著非洲大陸和印度洋的交界處,存在強大的異常越赤道氣流,過赤道后轉(zhuǎn)為西南風(fēng),增強了北印度洋地區(qū)夏季盛行的西南風(fēng)。增強的西南風(fēng)與西太平洋反氣旋式環(huán)流南端的異常東風(fēng)引起的增強信風(fēng)匯合,產(chǎn)生異常上升運動,解釋了印度洋區(qū)域降水的增加。在850 hPa高度場上,印度洋區(qū)域由于輻合上升存在大范圍負變高,與異常風(fēng)系一起,可以用暖SST引起的加熱異常來解釋。從表面氣溫來看,華北東部對應(yīng)降水增加,存在負的氣溫異常,華南地區(qū)對應(yīng)降水減少,存在正的氣溫異常。這與夏季由于降水云量增多(減少),更少(多)的太陽輻射到達地表是一致的。

圖6是兩個季風(fēng)指數(shù)在增暖試驗中的演變情況。從中可以更清楚地看到前面分析得到的結(jié)論:熱帶印度洋增暖使得EASM增強,熱帶太平洋增暖使得EASM減弱,而印度洋太平洋共同增暖的結(jié)果使得EASM減弱。說明熱帶太平洋對于觀測到的EASM年代際減弱起了主導(dǎo)作用。

圖3 7月、8月平均的500 hPa(a,c,e;陰影:氣候態(tài)副熱帶高壓的位置)和100 hPa(b,d,f;陰影:氣候態(tài)南亞高壓的位置)位勢高度場(等值線;單位:gpm)在熱帶印度洋增暖(a,b)、熱帶太平洋增暖(c,d)以及熱帶印度洋太平洋共同增暖(e,f)試驗中的響應(yīng)Fig.3 July-Augustmean(a,c,e)500 hPa and(b,d,f)100 hPa geopotential height(contour;units:gpm)responses to(a,b)Indian Ocean war ming,(c,d)Pacific Ocean warming,and(e,f)Indo-Pacific ocean war ming experiments(Shadings denote the cl imatological positions of Subtropical High in Fig.3a,c,e and South Asia High in Fig.3b,d,f,respectively)

印度洋和太平洋共同增暖的試驗結(jié)果:從圖3e、f分別可以看出副高和南亞高壓都有南移趨勢,模擬的副高的這一變化趨勢與觀測結(jié)果(圖4)有一定的相似性。說明,印度洋和太平洋增暖兩者共同作用的結(jié)果更接近太平洋增暖的效果,而且與觀測到的趨勢變化有較好的一致性。與文獻[18]揭示的在全球SST中,熱帶SST對70年代末夏季風(fēng)年代際減弱起主要作用的結(jié)論一致?，F(xiàn)在的結(jié)果進一步說明,在熱帶SST中太平洋增溫起了更重要的作用。

2.3 季風(fēng)指數(shù)的演變

完成的試驗所用模式是GFDL AM2大氣環(huán)流模式。該模式是美國國家海洋大氣局地球流體動力學(xué)試驗室(NOAA GFDL)為氣候研究和預(yù)測應(yīng)用而發(fā)展的氣候系統(tǒng)模式(GFDL CM2)中的大氣環(huán)流模式(包含陸面模塊)[23]。其水平分辨率為2.5°×2.0°,垂直方向使用混合坐標(biāo)系,模式頂?shù)竭_3 hPa。付建建[18]檢驗了該模式對EASM的模擬能力,結(jié)果表明其可以很好地模擬出南亞高壓、副熱帶高壓、850 hPa越赤道氣流以及我國夏季降水等夏季風(fēng)主要特征,說明該模式適合本文研究目的。

圖4 觀測的7月、8月平均的500 hPa(a;陰影:氣候態(tài)副熱帶高壓的位置)和100 hPa(b;陰影:氣候態(tài)南亞高壓的位置)位勢高度場(等值線;單位:gpm)的年代際趨勢(所用資料為歐洲中心再分析資料;趨勢用1978—1997年平均與1958—1977年平均之差代表)Fig.4 Observed interdecadal trends of July-Augustmean geopotential height(contour;units:gpm)at(a)500 hPa and(b)100 hPa(The 40-yr ECMWF reanalysis dataset are used;The observed interdecadal trend expressed as the difference of the mean of 1978—1997 minus thatof 1958—1977;Shadings denote the cl imatological positions of Subtropical High in Fig.4a and South Asia High in Fig.4b,respectively)

太平洋增暖的試驗結(jié)果表現(xiàn)為:500 hPa高度場上(圖3c),在氣候態(tài)副高的南部出現(xiàn)正變高,最大的正變高中心位于阿拉伯海,在氣候態(tài)副高的北部出現(xiàn)負變高,這樣的配置有利于副高西伸南落,不利雨帶在華北建立。在100 hPa上(圖3d)也有類似的變化,即在氣候態(tài)南亞高壓的南部出現(xiàn)正變高,北部出現(xiàn)負變高,有利于南亞高壓南落,從而EASM減弱,雨帶維持在長江流域,華北少雨。對比觀測趨勢(圖4)可以看到一定的一致性,如整個熱帶地區(qū)大范圍的正變高,在朝鮮半島及日本海附近的負距平。這說明太平洋增暖對觀測的中上層環(huán)流年代際變化趨勢的形成很重要。

比如在教學(xué)《阿長與〈山海經(jīng)〉》時，這篇課文和《從百草園到三味書屋》以及《藤野先生》都選自魯迅的《朝花夕拾》，而《朝花夕拾》是作者的回憶性散文集，反映的都是作者青少年時期的生活，體現(xiàn)了作者的性格和志趣的形成過程。教師可以讓學(xué)生結(jié)合《朝花夕拾》這部文集的寫作特點對三篇文章進行比較分析，尋找共同點和不同點，一方面加深學(xué)生對課文的理解，一方面從整體上把握作者的青年時光，對青少年魯迅的思想演變有一個豐富的認識。這樣的教學(xué)方法能夠有效提升學(xué)生的視野。

3 總結(jié)和討論

考慮未來溫室氣體排放持續(xù)增多、熱帶海洋繼續(xù)增暖,特別是增暖的緯向差異減小這一新特點,利用以前完成的、通過在GFDL AM2大氣環(huán)流模式中設(shè)計緯向均一的SST增暖強迫的多成員集合試驗結(jié)果,研究了熱帶印度洋和熱帶太平洋共同及單獨作用對東亞夏季風(fēng)的影響,重點分析了熱帶印度洋增暖和熱帶太平洋增暖對EASM影響的差異。結(jié)果顯示:

(1)熱帶印度洋增暖和太平洋增暖兩者的共同作用有使EASM減弱的趨勢,可以大體解釋最近幾十年來觀測到的年代際趨勢變化。

(2)熱帶印度洋增暖和太平洋增暖對EASM存在相反的、競爭性影響,單獨印度洋增暖使EASM增強,而單獨太平洋增暖使EASM減弱。

文中印度洋和太平洋共同增暖試驗?zāi)M結(jié)果與再分析資料基本一致,也與以前基于實際SST演變、對20世紀70年代末的夏季風(fēng)年代際減弱的模擬結(jié)果具有一致性[18]。由于最近觀測到的熱帶海洋變暖主要是人類溫室氣體排放引起的[9],這種一致性暗示溫室氣體強迫可能對夏季風(fēng)年代際減弱起了主導(dǎo)作用。意味著這一情況如果持續(xù),未來EASM減弱、華北干旱的趨勢還將維持。

圖5 200 hPa(a)和850 hPa(b)風(fēng)場(箭頭;單位:m/s)及位勢高度場(等值線;單位:dagpm)的氣候態(tài)分布Fig.5 Climatological distributions of wind(vector;units:m/s)and geopotential height(contour;units:dagpm)at(a)200 hPa and(b)850 hPa

印度洋和太平洋存在競爭性影響,說明在影響20世紀70年代末夏季風(fēng)年代際減弱中,熱帶太平洋的作用更重要。有研究指出,不同類型的厄爾尼諾事件對EASM及其降水有不同的影響[29]。在年際尺度上,中東太平洋異常暖的年份(ENSO),EASM減弱,華北夏季降水減少[30]。對比現(xiàn)在試驗的降水響應(yīng)(圖1)與ENSO暖位相時的情形(文獻[31]中圖2)不難看出,太平洋增暖引起的降水響應(yīng)分布與厄爾尼諾情形有很大的相似性。這說明熱帶太平洋增暖中,來自中東太平洋的部分更為顯著。這支持黃榮輝等[15]所認為的厄爾尼諾型年代際異常增溫是EASM年代際減弱的主要原因的觀點。

鑒于本研究得到的結(jié)果,可以認為在全球變暖的大背景下,未來熱帶地區(qū)SST如何變化,特別是印度洋和太平洋各自的增暖幅度相對大小如何,很大程度上決定了南澇北旱的趨勢走向。Li[32]基于IPCC A1B排放情景下兩個基本氣候系統(tǒng)模式(GFDL CM2及NCAR CCS M3)預(yù)估的未來SST,用AM2模擬了未來東亞的氣候趨勢,結(jié)果表明:在21世紀前50 a,我國大部分地區(qū)會持續(xù)變暖,西北新疆地區(qū)和西南青藏高原南側(cè)降水增多,華北東部降水減少,干旱持續(xù)。這一結(jié)果與過去30 a的觀測大體一致。最近,司東等[6]揭示,南澇北旱的降水形勢可能已于世紀之交發(fā)生了改變,表現(xiàn)為淮河流域降水增加,其形成可能與副熱帶擴張有關(guān)。進一步地,這一夏季風(fēng)的新趨勢是否與印度洋、太平洋增暖速度不一致有關(guān)?這一問題還不清楚。

網(wǎng)絡(luò)初中數(shù)學(xué)原創(chuàng)精品資源基地的建立，旨在構(gòu)建符合素質(zhì)教育要求、變革教與學(xué)行為方式、融合數(shù)學(xué)文化的課程體系，提升學(xué)生學(xué)習(xí)快樂感和教師的職業(yè)幸福感.同時體現(xiàn)先行先為與分析共享結(jié)合，圍繞解決做什么、怎么做的問題，先行試驗、總結(jié)提升，通過各種形式建立便于向其他中小學(xué)和社區(qū)開放的資源共享平臺.

圖6 兩種季風(fēng)指數(shù)在印度洋增暖(帶圈虛線)、太平洋增暖(帶三角斷線)以及印度洋太平洋共同增暖(帶方塊實線)試驗中隨時間的演變 a.季風(fēng)指數(shù)1(u850hPa[30～40°N,110～140°E]-u850hPa[20～30°N,110～140°E]);b.季風(fēng)指數(shù)2(v850hPa[25～45°N,110～140°E]-v200hPa[25～45°N,110～140°E])Fig.6 Evolutions of EASM index in Indian Ocean war ming(dotted line with circle),Pacific Ocean warming(dashed line with triangle),and Indo-Pacific Ocean warming(solid line with diamonds)experiments a.EASM index 1(u850hPa[30—40°N,110—140°E]-u850hPa[20—30°N,110—140°E]);b.EASM index2(v850hPa[25—45°N,110—140°E]-v200hPa[25—45°N,110—140°E])

需要指出的是,這里給定了10 a里線性增溫2℃的強度,比實際增溫要快得多,主要是出于節(jié)省計算資源的考慮。鄒立堯和劉宣飛[33]從年際尺度上研究熱帶印度洋和太平洋暖異常對EASM的影響,其結(jié)果顯示兩者的共同作用并非各自單獨影響的線性疊加,因此,本文在線性假設(shè)下得到的結(jié)果還有待于下一步工作的檢驗。本文采用了線性增暖的試驗方案,考慮到SST還受氣候系統(tǒng)自然振蕩的影響,比如北大西洋長周期年代際振蕩(AMO)的影響[34],以及IPCC AR4預(yù)估未來熱帶外SST也將表現(xiàn)為明顯的增暖趨勢,與過去幾十年趨勢較小甚至相反(如北太平洋)差異明顯(見文獻[32]圖1),說明只考慮熱帶SST增暖來預(yù)估未來氣候可能還不夠。最后,熱帶SST和東亞夏季降水之間也并非一個簡單的因果關(guān)系,它們之間存在很強的相互作用及反饋[35]。有必要利用對EASM有很強模擬能力的海氣耦合模式來進一步研究這一問題。

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The Opposite Impact of Tropical Indian Ocean and Pacific Ocean Warming on the East As ian Summer Monsoon

CHEN Xiao-ting1,2,3,L I Shuang-lin2,LI Guo-ping1

(1.College of Atmospheric Sciences,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China;2.Nansen-Zhu International Research Centre,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China;3.Shaanxi Meteorological Observatory,Xi'an 710014,China)

Results of ensemble experiments are used to investigate the influence of separated tropical Indian Ocean and Pacific Ocean warming on East Asian summer monsoon(EASM).The model used is an atmospheric general circulation model(AGCM),the GFDL AM2,and the warming is realized by prescribing an idealized and temporally ramping warm anomaly over climatological sea surface temperature(SST)in the tropical Indian Ocean and the combined Indo-Pacific Ocean,respectively.The results suggest that the combined Indo-Pacific Ocean war ming makes EASM have a weakened trend.Singled Pacific Ocean warming favors the weakening of EASM,in contrast with Indian Ocean warming which favors the enhancing of EASM and more rainfall in North China.A further analysis reveals that warming in the tropical Pacific O-cean,especially in the central-eastern Pacific Ocean,may play an important role in shaping the decadal shift of EASM beginning since late 1970s.Under the future case that the tropical Indian Ocean and Pacific Ocean warming persists and their zonal contrast decreases,the weakened trend of EASM may continue in the future.

tropical Indian Ocean warming;tropical Pacific Ocean warming;East Asian summer monsoon(EASM);inter decadal variability

P461.2

A

1674-7097(2010)05-0624-10

2010-02-06;改回日期:2010-03-30

國家自然科學(xué)基金資助項目(90711004);中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(KZCX2-Y W-BR-14)

陳小婷(1984—),女,陜西寶雞人,碩士,研究方向為氣候診斷分析,tsing_508@126.com.

陳小婷,李雙林,李國平.熱帶印度洋和太平洋增暖對東亞夏季風(fēng)趨勢的相反影響[J].大氣科學(xué)學(xué)報,2010,33(5):624-633.Chen Xiao-ting,Li Shuang-lin,Li Guo-ping.The opposite impact of tropical Indian Ocean and Pacific Ocean war ming on the East Asian summer monsoon[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):624-633.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)