ENSO強(qiáng)度模擬差異對(duì)全球變暖下熱帶太平洋大氣變化預(yù)估結(jié)果的影響?

丁 芊， 鄭小童

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100)

氣候變化是人類(lèi)社會(huì)面臨的重要挑戰(zhàn)。在這其中人類(lèi)活動(dòng)造成的溫室氣體上升所帶來(lái)的全球變暖是過(guò)去100多年最強(qiáng)的氣候變化信號(hào)，也對(duì)未來(lái)的氣候有重要影響[1]。如何準(zhǔn)確預(yù)估未來(lái)全球變暖背景下全球氣候的變化特征，是氣候變化領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。需要注意的是，氣候系統(tǒng)對(duì)全球變暖的響應(yīng)不是全球一致的，而是具有顯著的區(qū)域響應(yīng)特征：例如全球海表面溫度的增暖空間分布特征就在很大程度上會(huì)決定全球降水的變化，導(dǎo)致大氣環(huán)流的改變進(jìn)而影響區(qū)域氣候[2]。如何理解全球變暖下氣候系統(tǒng)變化的空間分布特征，是氣候變化領(lǐng)域的重要問(wèn)題[3]。

熱帶海洋-大氣耦合系統(tǒng)是全球氣候重要的組成部分，尤其是熱帶太平洋海氣系統(tǒng)，在不同時(shí)間尺度上都是全球氣候的重要驅(qū)動(dòng)力量，其對(duì)全球變暖的響應(yīng)一直是氣候變化的熱點(diǎn)問(wèn)題。針對(duì)熱帶太平洋海洋大氣場(chǎng)對(duì)全球變暖的空間響應(yīng)特征，國(guó)際上有截然不同的兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)從海洋出發(fā)，認(rèn)為海洋的上升運(yùn)動(dòng)會(huì)抵消溫室氣體增加帶來(lái)的輻射強(qiáng)迫對(duì)SST的增溫效果[4]。由于赤道東太平洋具有較強(qiáng)的海洋上升運(yùn)動(dòng)，因此這里在全球變暖下的增溫是極小值，熱帶太平洋整體上會(huì)出現(xiàn)西高東低的增暖型，也就是所謂的類(lèi)拉尼娜增暖特征[5]。而另一種觀點(diǎn)從大氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)全球變暖后全球水循環(huán)會(huì)有減緩[6]，在熱帶太平洋表現(xiàn)為Walker環(huán)流減弱，減弱的Walker環(huán)流會(huì)抑制赤道東太平洋的上升運(yùn)動(dòng)，從而在這里呈現(xiàn)出海溫增暖的極大值，即所謂的類(lèi)厄爾尼諾增暖型[7]。在觀測(cè)中不同的數(shù)據(jù)資料會(huì)得到不同的結(jié)果，有的呈現(xiàn)為類(lèi)厄爾尼諾增暖型并伴隨著Walker環(huán)流的減弱，有的呈現(xiàn)出類(lèi)拉尼娜增暖型并伴隨著Walker環(huán)流的加強(qiáng)[8-9]。而在氣候模式的未來(lái)預(yù)估結(jié)果中，大部分模式都呈現(xiàn)出Walker環(huán)流的減弱以及類(lèi)厄爾尼諾增暖型[7-8]，但模式間依然存在巨大的差異[10-11]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，全球變暖下熱帶太平洋海洋大氣場(chǎng)的空間變化特征對(duì)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nio - Southern Oscillation，ENSO)和臺(tái)風(fēng)等極端天氣氣候事件的變化都有重要的影響[12-13]。因此，正確預(yù)測(cè)全球變暖下熱帶海洋，特別是熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，理解模氣候未來(lái)預(yù)測(cè)模式間存在差異的物理機(jī)制，具有重要的科學(xué)意義。

為了準(zhǔn)確理解上面提到的觀測(cè)數(shù)據(jù)和模式預(yù)測(cè)的不一致問(wèn)題，前人已經(jīng)開(kāi)展了一系列研究：在觀測(cè)方面，訂正了由于觀測(cè)手段的改變帶來(lái)的大氣(如表面風(fēng)場(chǎng)[14])和海洋(如SST[15])的變化之后，熱帶太平洋的氣候平均態(tài)在過(guò)去60年間呈現(xiàn)出Walker環(huán)流減弱以及偏向類(lèi)厄爾尼諾增暖型的變化特征[15-16]。在模式未來(lái)預(yù)測(cè)中，研究發(fā)現(xiàn)模式誤差對(duì)未來(lái)熱帶太平洋海溫變化的空間分布特征具有重要的影響：在氣候模式中，由于熱帶太平洋冷舌模擬誤差以及由此帶來(lái)的海溫-對(duì)流反饋的弱化，導(dǎo)致全球變暖下熱帶太平洋產(chǎn)生虛假的類(lèi)拉尼娜的增暖分布型，在根據(jù)觀測(cè)結(jié)果使用“觀測(cè)約束”方法對(duì)氣候模式的預(yù)估結(jié)果校正后，大部分模式中的熱帶太平洋海溫的變化都呈現(xiàn)類(lèi)厄爾尼諾型特征，其不確定性大大降低[10-11]。

值得注意的是，氣候模式中熱帶太平洋的模擬誤差除了平均態(tài)(如冷舌模擬過(guò)強(qiáng)、暖池范圍較小等)之外，其年際變化的模擬也存在很大的偏差。在耦合模式比較計(jì)劃第五階段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5)的22個(gè)氣候模式的歷史試驗(yàn)(1850—2005)中(見(jiàn)圖1)，盡管熱帶太平洋的主要年際耦合模態(tài)ENSO的振幅(1.06 ℃)與觀測(cè)結(jié)果(1.09 ℃)相差不大，但模式的最小值(0.42 ℃)與最大值(1.62 ℃)之間相差四倍左右。而目前對(duì)由SST年際變化信號(hào)的模擬偏差造成的未來(lái)熱帶太平洋氣候預(yù)估的影響還沒(méi)有清晰的認(rèn)識(shí)。

由于ENSO具有顯著的非線(xiàn)性過(guò)程和非對(duì)稱(chēng)性[17-18]，因此其振幅的變化會(huì)反映在熱帶海洋-大氣平均態(tài)場(chǎng)上[19-21]。在全球變暖背景下，氣候模式對(duì)熱帶海洋年際變化(如ENSO)的模擬能夠在多大程度上影響熱帶海洋-大氣場(chǎng)的平均態(tài)變化，目前還沒(méi)有明確的答案。

由于耦合模式的復(fù)雜性，我們很難通過(guò)其氣候長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)區(qū)分并評(píng)估平均態(tài)模擬和耦合模態(tài)模擬偏差對(duì)未來(lái)氣候變化的貢獻(xiàn)?；诖耍狙芯渴褂么髿饽Ｊ絹?lái)設(shè)計(jì)數(shù)值試驗(yàn)，分析熱帶海洋耦合模態(tài)模擬差異對(duì)未來(lái)氣候變化的影響。本文定量考查同樣的平均態(tài)海溫增暖狀態(tài)下，改變海溫的年際變化強(qiáng)度會(huì)對(duì)熱帶海洋的降水、環(huán)流等大氣場(chǎng)有何影響。并探討這種影響與熱帶耦合模態(tài)如ENSO的非線(xiàn)性特征之間的關(guān)系。

圖1 CMIP5 中22個(gè)模式1850—2005年中的ENSO振幅Fig.1 The ENSO Amplitudes of 22 CMIP5 models from 1850 to 2005

1 模式及試驗(yàn)介紹

為研究SST年際變化對(duì)未來(lái)熱帶太平洋氣候變化造成的影響，本文利用美國(guó)大氣研究中心(The National Center for Atmospheric Research, NCAR)發(fā)布的通用地球系統(tǒng)模式(The Community Earth System Model, CESM)中的公共大氣模式(Community Atmosphere Model，CAM)5.0版本，設(shè)計(jì)了控制試驗(yàn)。試驗(yàn)的基本構(gòu)思為：在保持熱帶太平洋增暖型不變的情況下，改變其SST強(qiáng)迫場(chǎng)的年際變化強(qiáng)度，比較分析在SST增暖型相同而年際變化強(qiáng)度不同的情況下，熱帶太平洋氣候會(huì)有怎樣的變化。

1.1 SST現(xiàn)在氣候態(tài)

試驗(yàn)中要以SST作為強(qiáng)迫場(chǎng)，本文選用哈德來(lái)中心海冰以及海表面溫度(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature，HadISST)1850—2010年的氣候態(tài)海溫場(chǎng)作為大氣的強(qiáng)迫場(chǎng)，數(shù)據(jù)分辨率為1.9°×2.5°。

1.2 SST增暖型

試驗(yàn)選用通用氣候系統(tǒng)模式(The Community Climate System Model，CCSM)第四版本rcp8.5試驗(yàn)2081—2100階段的SST平均態(tài)與historical試驗(yàn)1986—2005階段的SST平均態(tài)之差作為試驗(yàn)的增暖型(見(jiàn)圖2)。在熱帶太平洋，赤道東部增暖明顯，西部增暖幅度略弱。這種赤道東太平洋增暖強(qiáng)赤道西太平洋增暖較弱的SST增暖分布特征我們稱(chēng)之為類(lèi)厄爾尼諾增暖型。

圖2 CCSM4模式rcp8.5試驗(yàn)的2081—2100年SST(℃)平均態(tài)與historical試驗(yàn)1986—2005年SST平均態(tài)之差，即熱帶太平洋的增暖型

1.3 SST年際變化

試驗(yàn)將HadISST數(shù)據(jù)中1979—2005年SST與其平均值之差，也就是SST的距平作為1倍的SST年際變化，其氣候平均態(tài)加上2倍SST距平即為2倍強(qiáng)度的SST年際變化。

選定本地區(qū)40歲以上的常年居住居民2 000 例，研究時(shí)間段從2015年5月—2018年5月，女性869例，男性1 131例，年齡在48～62歲，平均年齡為（55.11±5.26）歲；其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)1 286例，城鎮(zhèn)714例。

試驗(yàn)中，本文固定全球SST增暖型保持不變，定量改變SST年際變化強(qiáng)度。這里共設(shè)計(jì)6個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別將相同SST年際變化強(qiáng)度的現(xiàn)在和未來(lái)氣候態(tài)下的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分為一組，共3組(見(jiàn)表1)。三組試驗(yàn)?zāi)Ｊ椒e分時(shí)間段皆為1979—2005年，在未來(lái)氣候態(tài)的試驗(yàn)中我們對(duì)該時(shí)間段的熱帶太平洋SST疊加了類(lèi)厄爾尼諾的增暖型。在第一組試驗(yàn)中，選取HadISST中1979—2005年的海溫年平均值作為現(xiàn)在的全球SST的氣候平均態(tài)(Climatology)，通過(guò)SST現(xiàn)在氣候平均態(tài)加上SST增暖型(Warming Pattern)，得到全球SST未來(lái)的氣候平均態(tài)(Climatology + Warming Pattern)，分別將現(xiàn)在和未來(lái)的兩個(gè)SST氣候平均態(tài)作為強(qiáng)迫場(chǎng)，通過(guò)模式模擬得到這兩個(gè)SST氣候平均態(tài)擾動(dòng)下的大氣變量場(chǎng)，在這組試驗(yàn)中SST年際變化強(qiáng)度為零。第二組試驗(yàn)中，在現(xiàn)在和未來(lái)氣候平均態(tài)的基礎(chǔ)上分別加上1倍的SST距平(Anomalies)場(chǎng)作為強(qiáng)迫場(chǎng)，通過(guò)模式模擬得到現(xiàn)在和未來(lái)的大氣場(chǎng)變量，這組試驗(yàn)中SST的年際變化強(qiáng)度為1倍。在第三組試驗(yàn)中，在現(xiàn)在和未來(lái)SST氣候平均態(tài)的基礎(chǔ)上加上2倍的SST距平(2×Anomalies)場(chǎng)，通過(guò)模式模擬得到現(xiàn)在和未來(lái)的大氣場(chǎng)變量，這組試驗(yàn)中SST的年際變化強(qiáng)度為2倍。為比較不同SST年際變化強(qiáng)度下未來(lái)與現(xiàn)在大氣氣候態(tài)之差的不同，本文用每組實(shí)驗(yàn)得到的未來(lái)氣候態(tài)的大氣變量減去現(xiàn)在氣候態(tài)下的大氣變量，將其氣候態(tài)的變化進(jìn)行對(duì)比。另外試驗(yàn)水平方向上分辨率設(shè)置為1.9°×2.5°(“f19_f19”)，垂直方向?yàn)?0層的σ坐標(biāo)系。

表1 試驗(yàn)介紹Table 1 Experiment Settings

注：Climatology代表1979—2005年SST氣候平均態(tài)；Warming Pattern代表SST增暖型；Anomalies代表1979—2005年間SST的距平。Climatology represents SST mean state during 1979-2005; Warming Pattern represents the SST warming pattern in tropical Pacific Ocean; Anomalies represents the SST anomalies from 1979 to 2005.

根據(jù)以上的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，三組試驗(yàn)現(xiàn)在的氣候和全球變暖后的氣候態(tài)海溫分別是相同的，所不同的僅僅是海溫的年際變化振幅(無(wú)年際變化、1倍觀測(cè)的年際變化振幅以及2倍觀測(cè)的年際變化振幅)。因此在不同試驗(yàn)中大氣場(chǎng)未來(lái)變化的差異，可以認(rèn)為是海溫年際變化強(qiáng)度差異對(duì)未來(lái)氣候預(yù)估的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)CAM5的模擬能力，本文首先考察3組試驗(yàn)對(duì)熱帶太平洋氣候態(tài)降水與風(fēng)場(chǎng)的模擬情況。將三組試驗(yàn)現(xiàn)在氣候態(tài)(1979—2005)下熱帶太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)的空間分布特征與NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖3)，可以發(fā)現(xiàn)三組試驗(yàn)的氣候態(tài)模擬與觀測(cè)基本相似，但仍有細(xì)微的差別。與觀測(cè)值相比，三組試驗(yàn)中熱帶太平洋在ITCZ附近以及海洋大陸區(qū)域降水較多，部分區(qū)域降水可達(dá)到10 mm/d以上；赤道太平洋上空東風(fēng)偏強(qiáng)，說(shuō)明模式中沃克環(huán)流強(qiáng)度強(qiáng)于觀測(cè)中的強(qiáng)度。

((a)氣候態(tài)SST強(qiáng)迫；(b)1倍年際變化SST強(qiáng)迫；(c)2倍年際變化SST強(qiáng)迫；(d)NCEP/NCAR。填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風(fēng)場(chǎng)(m/s)。(a) SST mean state forcing experiment；(b)1×SST Anomalies forcing experiment；(c)2×SST Anomalies forcing experiment；(d)NCEP/NCAR reanalyzes data.Precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s).)

圖3 再分析資料下熱帶太平洋降水場(chǎng)以及風(fēng)場(chǎng)在1979—2005年氣候平均態(tài)的空間分布
Fig.3 The precipitation mean state over tropical Pacific Ocean from 1979 to 2005

2.1 熱帶太平洋未來(lái)與現(xiàn)在氣候平均態(tài)的變化

為了比較全球變暖后不同SST年際變化強(qiáng)度對(duì)熱帶太平洋氣候態(tài)降水以及風(fēng)場(chǎng)變化的影響，本文將SST氣候態(tài)強(qiáng)迫、1倍SST年際變化強(qiáng)迫以及2倍SST年際變化強(qiáng)迫三組試驗(yàn)中的未來(lái)氣候平均態(tài)減去現(xiàn)在試驗(yàn)氣候平均態(tài)，得到全球變暖后不同SST年際變化強(qiáng)度下熱帶太平洋氣候變化的空間分布特征(見(jiàn)圖4)。在SST氣候態(tài)強(qiáng)迫的試驗(yàn)中，全球變暖后熱帶太平洋赤道附近降水增加明顯，西側(cè)降水增加幅度較強(qiáng)，而東側(cè)較弱，降水增加的最大值位于暖池區(qū)域160°E附近，降水變化有明顯的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象；在風(fēng)場(chǎng)上，赤道太平洋上空風(fēng)場(chǎng)有向暖池區(qū)域降水增加最大值160°E附近輻合的特點(diǎn)。隨著SST年際變化強(qiáng)度的增加(見(jiàn)圖4(b))，赤道太平洋西側(cè)暖池區(qū)域降水的增加量減少，而赤道太平洋東側(cè)冷舌區(qū)域降水的增加，同時(shí)向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)力也有所減弱。當(dāng)SST年際變化增加到2倍時(shí)(見(jiàn)圖4(c))，赤道降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象基本消失，赤道東太平洋向暖池區(qū)域輻合的東風(fēng)分量也逐漸減弱。也就是說(shuō)，隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，赤道太平洋氣候態(tài)下降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)性減弱，向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)變化減弱。

為了更直觀地比較不同SST年際變化強(qiáng)度下，全球變暖后赤道太平洋降水氣候態(tài)的變化，本文對(duì)三組試驗(yàn)中赤道太平洋(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W)的降水變化做緯向平均(見(jiàn)圖5)。在無(wú)SST年際變化試驗(yàn)中(藍(lán)色線(xiàn))，全球變暖后赤道太平洋西側(cè)暖池區(qū)域降水增強(qiáng)明顯，降水增強(qiáng)的最大值位于160°E附近，增加量為2.5 mm/d；而赤道東太平洋150°W～100°W冷舌附近降水增加幅度較弱，其增加量?jī)H為0.6 mm/d，東西降水變化量的差值在1.9 mm/d左右，赤道太平洋降水氣候態(tài)變化的東西不對(duì)稱(chēng)性明顯。與無(wú)SST年際變化試驗(yàn)相比，1倍SST年際變化強(qiáng)度試驗(yàn)中(綠色線(xiàn))全球變暖后赤道太平洋西部降水增加量減小，赤道太平洋東部降水變化量增加，赤道太平洋降水氣候態(tài)變化的東西不對(duì)稱(chēng)性減弱。當(dāng)SST年際變化強(qiáng)度達(dá)到2倍時(shí)(黃色線(xiàn))，赤道太平洋西部降水增加量減少至2.2 mm/d，比無(wú)SST年際變化時(shí)減少了0.3 mm/d；赤道太平洋東部降水增加至1.5 mm/d,比無(wú)SST年際變化時(shí)增加了0.9 mm/d，赤道太平洋降水氣候態(tài)變化的東西不對(duì)稱(chēng)特征減弱的現(xiàn)象更加明顯。也就是說(shuō)，隨著SST年際變化強(qiáng)度的增大，全球變暖后赤道太平洋降水氣候態(tài)變化東西不對(duì)稱(chēng)的分布特征在減弱。這與在圖3中看到的降水變化的空間分布特征相同。

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風(fēng)場(chǎng)(m/s)。Precipitation color(Shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s).)

圖4 氣候態(tài)SST強(qiáng)迫(a) 1倍年際變化SST強(qiáng)迫(b)
2倍年際變化SST強(qiáng)迫(c)試驗(yàn)中變暖后熱帶太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)之差的空間分布

Fig.4 The differences of precipitation between future and present mean state over tropical Pacific Ocean in (a) SST mean state forcing experiment (b)1×SST Anomalies forcing experiment (c)2×SST Anomalies forcing experiment

圖5 三組試驗(yàn)中赤道太平洋降水未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W區(qū)域緯向平均Fig.5 The differences of zonal precipitation between future and present mean state over tropical Pacific Ocean(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W) in three experiments

2.2 不同季節(jié)熱帶太平洋未來(lái)與現(xiàn)在氣候平均態(tài)的變化

為了進(jìn)一步分析SST年際變化強(qiáng)度不同造成的全球變暖后熱帶太平洋降水和風(fēng)場(chǎng)變化差異，本文分別對(duì)四個(gè)季節(jié)的熱帶太平洋氣候態(tài)降水以及風(fēng)場(chǎng)的變化進(jìn)行了對(duì)比分析。從圖7可以看出，隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，全球變暖后熱帶太平洋四個(gè)季節(jié)降水與風(fēng)場(chǎng)變化的空間分布也出現(xiàn)不同的變化特征。在春季，降水變化沿赤道方向并沒(méi)有表現(xiàn)出東西不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，并且三組試驗(yàn)中降水與風(fēng)場(chǎng)變化隨SST年際變化強(qiáng)度增強(qiáng)而出現(xiàn)的改變并不明顯。在夏季與秋季，雖然在沿赤道方向降水變化有東西不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象，但隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，赤道太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)變化也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的改變。而冬季三組試驗(yàn)的結(jié)果則有明顯差異：在氣候態(tài)SST強(qiáng)迫的試驗(yàn)中(見(jiàn)圖7(j))，全球變暖后赤道太平洋的降水變化有明顯的西側(cè)增加多東側(cè)增加少的不對(duì)稱(chēng)特征，降水增加量的最大值在160°E以東的暖池區(qū)域；隨著SST年際變化強(qiáng)度的增加，赤道太平洋降水增加的最大值逐漸向東擴(kuò)展，在1倍SST年際變化強(qiáng)迫下(見(jiàn)圖7(k))，降水變化的最大值移動(dòng)到160°E～160°W之間的區(qū)域，當(dāng)SST年際變化強(qiáng)度達(dá)到2倍時(shí)(見(jiàn)圖7(j))，降水變化最大值的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展，從暖池一直延伸至赤道太平洋120°W冷舌區(qū)域附近，降水變化沿赤道東西不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象基本消失，并且向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)變化減弱，這與年平均下赤道太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)氣候態(tài)變化隨SST年際變化強(qiáng)度增強(qiáng)而改變的特征相吻合。這說(shuō)明，年平均狀態(tài)下隨著SST年際變化強(qiáng)度增強(qiáng)赤道太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)變化的改變，主要是由冬季降水與風(fēng)場(chǎng)變化隨SST年際變化強(qiáng)度改變的不同特征引起的。

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風(fēng)場(chǎng)(m/s)。Precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind (Vectors; m/s).)

圖6 1倍SST年際變化試驗(yàn)的大氣未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)之差(a)、2倍SST年際變化試驗(yàn)的大氣未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)之差(b)與SST氣候態(tài)試驗(yàn)下的大氣未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)之差分別做差得到的熱帶太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)的空間分布特征
Fig.6 The differences of the precipitation space distribution between (a) the atmospheric change in 1×SST Anomalies forcing experiment after warming and the atmospheric change in SST mean state forcing experiment after warming (b) the atmospheric change in 1×SST Anomalies forcing experiment after warming and the atmospheric change in SST mean state forcing experiment after warming over the Tropical Pacific Ocean

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風(fēng)場(chǎng)(m/s)。Precipitation(Color shaded;mm/d)and 925 hpa wind(Vectors;m/s).)圖7 氣候態(tài)SST強(qiáng)迫試驗(yàn)、1倍年際變化SST強(qiáng)迫試驗(yàn)與2倍年際變化SST試驗(yàn)分別對(duì)應(yīng)的(a)、(b)、(c)春季(d)、(e)、(f)夏季(g)、(h)、(i)秋季和(j)、(k)、(l)冬季熱帶太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)之差的空間分布特征。

圖8 三組試驗(yàn)(a)春季、(b)夏季、(c)秋季和(d)冬季赤道太平洋未來(lái)與現(xiàn)在氣候態(tài)降水之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W區(qū)域緯向平均

為了進(jìn)一步分析這一現(xiàn)象，本文對(duì)全球變暖后不同SST年際變化強(qiáng)度下，赤道太平洋春夏秋冬四個(gè)季節(jié)的降水變化做了緯向平均(見(jiàn)圖8)。發(fā)現(xiàn)隨著赤道太平洋SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，在春季赤道太平洋西側(cè)降水變化略微減少東側(cè)降水變化略微增加，但東西降水變化的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象并不明顯。而在夏季與秋季，隨著SST年際變化強(qiáng)度的增加，赤道太平洋東部降水的增加量有所增強(qiáng)，但在西部降水變化沒(méi)有明顯的改變。在夏、秋季 SST年際變化強(qiáng)度增加后，赤道太平洋降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象依然明顯。

在冬季，無(wú)SST年際變化強(qiáng)度的情況下(藍(lán)色線(xiàn))，赤道西太平洋160°E附近降水增加達(dá)到2.0 mm/d以上，而在赤道東太平洋160°W～120°W區(qū)域降水增加量則在0.5 mm/d左右，降水變化東部與西部相差4倍，赤道太平洋降水變化存在明顯的東西不對(duì)稱(chēng)分布特征。當(dāng)SST年際變化強(qiáng)度增加到1倍時(shí)(綠色線(xiàn))，赤道西太平洋160°E附近降水變化減少，而東太平洋冷舌區(qū)域降水變化增加，雖然赤道太平洋降水變化仍然存在西多東少的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，但與無(wú)SST年際變化的情況相比，降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)特征明顯減弱。隨著SST年際變化強(qiáng)度進(jìn)一步的增加，當(dāng)年際變化強(qiáng)度達(dá)到2倍時(shí)，赤道西太平洋的降水雖然變化不大，仍然維持在2 mm/d附近，但赤道東太平洋170°W～140°W區(qū)域降水變化同樣增至2 mm/d?？梢悦黠@地看出SST年際變化強(qiáng)度達(dá)到2倍時(shí)，赤道太平洋東西降水變化量基本達(dá)到一致，東西降水不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象消失。因此本文得出結(jié)論，當(dāng)SST年際變化強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，春季與冬季赤道太平洋西側(cè)的降水變化逐漸減弱，冬季赤道太平洋東側(cè)的降水變化逐漸增強(qiáng)。這進(jìn)一步證實(shí)了全球變暖后赤道太平洋年平均降水變化隨SST年際變化強(qiáng)度而改變的特征主要受冬季降水變化的影響。

盡管本文對(duì)比了不同SST年際變化強(qiáng)度下全球變暖后熱帶太平洋降水以及風(fēng)場(chǎng)變化的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)隨著SST年際變化強(qiáng)度的增加其降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)分布特征減弱，向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)同時(shí)減弱，但并不能確定該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。在進(jìn)一步的分析中發(fā)現(xiàn)，在四個(gè)季節(jié)中冬季赤道太平洋降水變化的特征在年平均的變化特征中占主要的位置，而冬季正是太平洋最主要的年際變化信號(hào)ENSO發(fā)生的季節(jié)，另外，SST年際變化強(qiáng)度的改變對(duì)熱帶太平洋最直接的影響就是ENSO振幅隨之改變，因此我們推斷這一現(xiàn)象可能與ENSO有關(guān)。

2.3 ENSO強(qiáng)度差異對(duì)全球變暖下熱帶太平洋大氣變化的影響和機(jī)制

在熱帶太平洋ENSO是最為主要的年際變化信號(hào)，試驗(yàn)中本文改變了SST年際變化的強(qiáng)度，也就是改變了ENSO的振幅。在上一節(jié)的分析中發(fā)現(xiàn)，在全球變暖后隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，赤道太平洋降水變化東西不對(duì)稱(chēng)分布現(xiàn)象減弱的特征主要出現(xiàn)在冬季，而冬季一般是ENSO的強(qiáng)盛季節(jié)。在熱帶太平洋ENSO是最為主要的年際變化信號(hào)，試驗(yàn)中作者改變了SST年際變化的強(qiáng)度，也就是改變了ENSO的振幅，因此本文考慮是否由于ENSO強(qiáng)度的改變從而導(dǎo)致赤道太平洋降水變化出現(xiàn)東西不對(duì)稱(chēng)性減弱的現(xiàn)象。

本文將三組試驗(yàn)1979—2005年中厄爾尼諾年(1980、1983、1987、1988、1992、1995、1998、2003、2005)、拉尼娜年(1984、1985、1986、1989、1996、1999、2000、2001)以及既沒(méi)有發(fā)生厄爾尼諾又沒(méi)有發(fā)生拉尼娜的中性年(1981、1982、1990、1991、1993、1994、1997、2002、2004)冬季(12、1、2月)降水以及風(fēng)場(chǎng)變化平均態(tài)的空間分布特征進(jìn)行分析比較(見(jiàn)圖9)。在無(wú)SST年際變化強(qiáng)迫試驗(yàn)中，所有年份的海溫場(chǎng)均為氣候態(tài)海溫，為了與1倍以及2倍SST年際變化強(qiáng)度的情況做對(duì)比，在該實(shí)驗(yàn)中也挑選了1979—2005年間實(shí)際觀測(cè)中發(fā)生厄爾尼諾、拉尼娜以及中性年的年份進(jìn)行合成比較。由于其所有年份的SST都相同，因此全球變暖后赤道太平洋厄爾尼諾年、拉尼娜年以及中性年的降水與風(fēng)場(chǎng)變化基本相同，降水都在暖池區(qū)域有明顯的增加，而赤道中部與東部太平洋的冷舌區(qū)域降水幾乎沒(méi)有變化，赤道太平洋降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象明顯；風(fēng)場(chǎng)變化主要為偏東風(fēng)，向暖池區(qū)域輻合，其降水與風(fēng)場(chǎng)的細(xì)微差別主要是由于模式中大氣的內(nèi)部變率造成的。隨著SST年際變化振幅的增加，全球變暖后厄爾尼諾年、拉尼娜年和中性年的赤道太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)變化出現(xiàn)了不同的空間特征。在厄爾尼諾年，在1倍SST 年際變化試驗(yàn)中(見(jiàn)圖9(b))，雖然降水增加的最大值依然位于赤道太平洋西部的暖池區(qū)域，但可以明顯看出赤道東太平洋降水變化有所增加。隨著SST年際變化強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，在2倍SST年際變化強(qiáng)迫試驗(yàn)中(見(jiàn)圖9(c))，赤道太平洋降水變化的中心東移至赤道太平洋中部160°W附近，東西降水變化的不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象基本消失?？偟膩?lái)視頻在厄爾尼諾年，隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，降水變化的東西不對(duì)稱(chēng)性在逐漸消失，風(fēng)場(chǎng)變化也在隨著降水變化中心的移動(dòng)而向東輻合。然而在拉尼娜年以及中性年，赤道太平洋無(wú)SST年際變化與1倍以及2倍SST年際變化強(qiáng)度情況下全球變暖后的降水與風(fēng)場(chǎng)變化的空間分布基本類(lèi)似，都存在西部降水多東部降水少的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象以及向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)。這說(shuō)明全球變暖下降水與風(fēng)場(chǎng)的變化在厄爾尼諾年和拉尼娜年存在不對(duì)稱(chēng)性。在不同SST年際變化強(qiáng)度下，這種不對(duì)稱(chēng)性的作用有所不同，導(dǎo)致了赤道太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)變化的空間分布特征有所差異。

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風(fēng)場(chǎng)(m/s)。Precipitation(Color shaded;mm/d)and 925 hpa wind(Vectors;m/s).)圖9 氣候態(tài)SST強(qiáng)迫試驗(yàn)、1倍年際變化SST強(qiáng)迫試驗(yàn)與2倍年際變化SST試驗(yàn)分別對(duì)應(yīng)的(a)、(b)、(c)厄爾尼諾年、(d)、(e)、(f)拉尼娜年與(g)、(h)、(i)中性年冬季(DJF)熱帶太平洋未來(lái)與現(xiàn)在降水與風(fēng)場(chǎng)之差的空間分布。Fig.9 The differences of the precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s) between future and present mean state in SST mean state forcing experiment，1×SST Anomalies forcing experiment and 2×SST Anomalies forcing experiment in (a)、(b)、(c) El Nio years (d)、(e)、(f) La Nia years and (g)、(h)、(i) normal years respectively over Tropical Pacific Ocean during winter

通過(guò)對(duì)比赤道太平洋(2.8°S～2.8°N平均)厄爾尼諾年、強(qiáng)厄爾尼諾年(1983和1998年)拉尼娜年以及中性年冬季降水變化的緯向平均圖(見(jiàn)圖10)，可進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)，在赤道太平洋無(wú)SST年際變化的試驗(yàn)中(藍(lán)色線(xiàn))，在實(shí)際觀測(cè)中發(fā)生厄爾尼諾事件、強(qiáng)厄爾尼諾事件、拉尼娜事件以及中性事件的年份其緯向平均的降水變化特征相似，都是在暖池區(qū)域降水增加明顯，增加量大約在2.5 mm/d，而冷舌區(qū)域降水增加較少，增加量?jī)H為0.5 mm/d左右，降水變化沿赤道方向有明顯的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象。在1倍SST年際變化強(qiáng)迫試驗(yàn)中，在厄爾尼諾年赤道東太平洋冷舌區(qū)域的降水有明顯的增加，降水變化增加量的最大值東移，赤道太平洋東西不對(duì)稱(chēng)的降水變化分布特征減弱；而在強(qiáng)厄爾尼諾年赤道太平洋降水變化東西不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象已經(jīng)完全消失。在SST年際變化強(qiáng)度增加至2倍時(shí)(黃色線(xiàn))，厄爾尼諾年赤道太平洋降水中心已經(jīng)移至太平洋中部偏東海區(qū)，并且該區(qū)域的降水增長(zhǎng)量已經(jīng)超過(guò)5 mm/d，赤道太平洋降水的東西不對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象完全消失；此時(shí)在強(qiáng)厄爾尼諾年赤道太平洋降水增加量最大值東移至150°W，其量值達(dá)到10 mm/d，其降水變化已經(jīng)出現(xiàn)微弱的西多東少的現(xiàn)象。而在拉尼娜年與中性年，隨著SST年際變化強(qiáng)度的增加，赤道太平洋降水變化的空間分布與無(wú)SST年際變化的情況相比并沒(méi)有顯著的改變，沿赤道方向降水變化東西不對(duì)稱(chēng)依然明顯。這進(jìn)一步證實(shí)了上面圖9中的發(fā)現(xiàn)，并且可以看出與普通厄爾尼諾年相比，在強(qiáng)厄爾尼諾年中降水變化對(duì)SST年際變化強(qiáng)度的響應(yīng)也更加明顯。

通過(guò)比較不同SST年際變化強(qiáng)迫下現(xiàn)在氣候態(tài)與未來(lái)氣候態(tài)冬季厄爾尼諾年、拉尼娜年與中性年Nio3區(qū)平均的SST與降水散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖11)也可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似特征：在SST氣候態(tài)強(qiáng)迫下赤道東太平洋在變暖前與變暖后其降水量相差不大。當(dāng)SST年際變化強(qiáng)度為1倍時(shí)(見(jiàn)圖11(b))，無(wú)論是在變暖前還是變暖后都可以看出赤道東太平洋降水對(duì)厄爾尼諾年與拉尼娜年響應(yīng)的不對(duì)稱(chēng)性，但是變暖后(紅色點(diǎn))比變暖前(藍(lán)色點(diǎn))其不對(duì)稱(chēng)性更加明顯。另外可以看出，在兩個(gè)超強(qiáng)厄爾尼諾年(1983和1998年)，這種差異尤為顯著。并且這一現(xiàn)象在2倍SST年際變化強(qiáng)迫的試驗(yàn)中被進(jìn)一步放大。

ENSO的大氣響應(yīng)具有顯著的非對(duì)稱(chēng)性特征[14]。在厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)，東太平洋海溫升高，會(huì)造成海溫超過(guò)對(duì)流閾值而產(chǎn)生局地的降水正異常。而對(duì)于拉尼娜事件，由于東太平洋的氣候態(tài)海溫較低，降水信號(hào)很弱，因此海溫的負(fù)異常在這里無(wú)法產(chǎn)生顯著的降水負(fù)異常。這種非對(duì)稱(chēng)性是造成厄爾尼諾年與拉尼娜年和中性年相比，熱帶太平洋降水和風(fēng)場(chǎng)對(duì)全球變暖響應(yīng)不同的主要原因。全球變暖后，在厄爾尼諾年赤道東太平洋正的降水平均態(tài)變化有所增加，而拉尼娜年并沒(méi)有產(chǎn)生與厄爾尼諾年量值相同的負(fù)的降水平均態(tài)變化，因此在總的氣候平均態(tài)下赤道東太平洋降水增多。隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，這種非對(duì)稱(chēng)性的效果越來(lái)越明顯：全球變暖后赤道東太平洋的降水總量越來(lái)越多，并且隨著赤道東太平洋降水變化的增加，原本向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)變化逐漸變?yōu)橄虺嗟乐袞|部輻合，沃克環(huán)流強(qiáng)度逐漸減弱。

圖10 三組試驗(yàn)(a)厄爾尼諾年、(b)強(qiáng)厄爾尼諾年、(c)拉尼娜年與(d)中性年冬季(12、1、2月)赤道太平洋現(xiàn)在與未來(lái)降水之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W區(qū)域緯向平均Fig.10 The differences of the zonal precipitation between future and present mean state in three experiments in (a) El Nio years、(b)strong El Nio years 、(c) La Nia years and (d) normal years respectively over tropical Pacific Ocean(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W) during winter

圖11 (a)氣候態(tài)SST強(qiáng)迫試驗(yàn)、(b)1倍年際變化SST強(qiáng)迫試驗(yàn)與(c)2倍年際變化SST強(qiáng)迫試驗(yàn)中現(xiàn)在(藍(lán)點(diǎn))與未來(lái)(紅點(diǎn))26年冬季(DJF)Nio3區(qū)域平均的SST與降水散點(diǎn)圖Fig.11 The scatter plot of precipitation(mm/d) and SST(℃) regional mean at Nio3 area during winter in present(Blue dots) and future(Red dots) 26 years in (a) SST mean state forcing experiment (b)1×SST Anomalies forcing experiment (c)2×SST Anomalies forcing experiment

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，在全球變暖后隨著SST年際變化強(qiáng)度的增強(qiáng)，熱帶太平洋赤道降水變化西多東少的不對(duì)稱(chēng)性減弱，向暖池區(qū)域輻合的風(fēng)場(chǎng)變化強(qiáng)度減弱。而造成這一現(xiàn)象的主要原因是，熱帶太平洋降水與風(fēng)場(chǎng)的變化在厄爾尼諾年對(duì)SST年際變化信號(hào)有明顯的響應(yīng)，而在拉尼娜年與中性年沒(méi)有明顯變化。這凸顯了ENSO的非線(xiàn)性特征對(duì)未來(lái)氣候變化的重要影響，對(duì)未來(lái)其氣候預(yù)測(cè)具有一定的指導(dǎo)意義。