近百年全球溫度變化中的ENSO分量

1、近百年全球溫度變化中的ENSO分量* 自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“20世紀(jì)中國(guó)與全球氣候變率研究”(編號(hào):49635190)及博士后基金資助. 第一作者簡(jiǎn)介: 龔道溢,男,1969年1月生,博士后,從事氣候變化及影響和全球變化研究.龔道溢 王紹武（北京大學(xué) 地球物理系，北京100871）摘要 首先利用Nino C區(qū)海溫、Nino3區(qū)海溫及兩個(gè)不同的SOI序列，建立了1867年春到1998年春期間的ENSO指數(shù)序列。近百年來(lái)ENSO對(duì)熱帶、熱帶外地區(qū)年際尺度的溫度變化有顯著影響，熱帶地區(qū)溫度變化滯后ENSO約1個(gè)季，熱帶外地區(qū)滯后約23個(gè)季。ENSO能解釋同期全球年平均溫度方差的14%16%左右；如果

2、考慮ENSO對(duì)溫度影響的滯后特征，則能解釋的部分提高到20.6%。ENSO對(duì)溫度的影響主要是在年際時(shí)間尺度上，對(duì)近百年來(lái)全球溫度變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)和年代際變率貢獻(xiàn)不大。關(guān)鍵詞 全球 溫度 ENSO1 前 言在全球氣候系統(tǒng)中，ENSO占有重要地位，因此，很早人們就注意到ENSO對(duì)許多區(qū)域、半球或全球平均溫度都有不同程度的影響1,2。不過，以往分析ENSO對(duì)溫度的影響往往限制在某些季節(jié)，如對(duì)冬季氣溫，而且更偏重于考慮特定的區(qū)域34。近來(lái)對(duì)ENSO對(duì)半球及全球行星尺度溫度的可能影響也逐漸開始重視起來(lái)，因?yàn)槿藗冋J(rèn)識(shí)到，近百年來(lái)觀測(cè)到的全球溫度變化中既包含了氣候的自然變化，也有人類活動(dòng)等外部因子的影響，研究

3、氣候系統(tǒng)的自然變化的貢獻(xiàn)有多大對(duì)于我們正確估計(jì)和理解全球變暖的原因和趨勢(shì)有重要的意義5。Diaz6發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)的全球月平均對(duì)流層下層溫度（MSU-2）距平的EOF1的時(shí)間系數(shù)反映的是ENSO，而其對(duì)全球?qū)α鲗酉聦訙囟葓?chǎng)的方差解釋率是15.1%。而且，MSU-2的對(duì)流層下層溫度與ENSO的關(guān)系還表現(xiàn)出一定的緯度間的差別：ENSO信號(hào)在20S-20N平均溫度序列中最為突出，而且其變化還有3個(gè)月左右的滯后，而對(duì)于20N-90N及20S-90S地區(qū)平均溫度，ENSO信號(hào)并不明顯，就全球平均來(lái)看，ENSO信號(hào)也比較明顯，Yulaeva和Wallace7認(rèn)為這主要是熱帶地區(qū)面積過大造成的。但是，衛(wèi)星反演溫

4、度資料僅僅是近20多年的長(zhǎng)度，ENSO事件少。利用60多年的實(shí)際地面氣溫觀測(cè)資料，Hurrell8研究了南方濤動(dòng)等因子對(duì)北半球中、高緯度地區(qū)溫度的影響。發(fā)現(xiàn)南方濤動(dòng)和北大西洋濤動(dòng)兩者可以解釋20N90N冬季平均溫度方差的44%，排除北大西洋濤動(dòng)而計(jì)算冬季平均溫度與南方濤動(dòng)指數(shù)的偏相關(guān)，則偏相關(guān)系數(shù)也可達(dá)-0.43，如果再刨去北太平洋濤動(dòng)的影響，則南方濤動(dòng)對(duì)20N90N冬季平均溫度方差的貢獻(xiàn)約在16%左右。本文將在季分辨率基礎(chǔ)上，利用1880年以來(lái)一百多年的ENSO和全球溫度資料，對(duì)ENSO對(duì)各季節(jié)熱帶、熱帶外地區(qū)及半球和全球平均溫度影響的特點(diǎn)等進(jìn)行分析。2 ENSO指數(shù)研究ENSO與溫度的關(guān)系

5、需要相應(yīng)的ENSO指標(biāo)，以往人們多用南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）或Nino區(qū)海表溫度（SST）來(lái)表示ENSO的強(qiáng)弱。這樣做可能有兩個(gè)方面的問題，一是南方濤動(dòng)指數(shù)本質(zhì)上反映的是熱帶大氣的狀況，而Nino區(qū)海溫反映的是赤道太平洋某些區(qū)域的海洋環(huán)境變化，二者的持續(xù)性、變率等特性都有各自的特點(diǎn)，如果僅僅根據(jù)某一方來(lái)判定El Nino或La Nina事件結(jié)果會(huì)有所不同。當(dāng)然，一般情況下，海溫與SOI有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果單獨(dú)使用海溫或SOI，也的確能較好地反映熱帶太平洋地區(qū)海-氣系統(tǒng)的狀態(tài)。但是，有很多時(shí)候Nino區(qū)SST與SOI的變化并不一致，如1946年Nino區(qū)SST都為負(fù)距平，但同時(shí)SOI也是負(fù)距平，

6、1984年及1985年SST為明顯負(fù)距平，但SOI也是負(fù)距平，這反映了大氣與海洋狀況的不協(xié)調(diào)，如Trenberth和Hoar9就曾指出許多高頻或局地因素會(huì)對(duì)Tahiti和Darwin氣壓產(chǎn)生影響，所以有時(shí)SOI的變化并不真正反映大尺度的現(xiàn)象。因此，這二者并不能彼此代替，據(jù)計(jì)算，兩者的季平均值只能彼此說(shuō)明約42%的方差10。所以，如果僅僅只用Nino區(qū)SST或者只用SOI，并不能很好代表ENSO這一熱帶太平洋海-氣系統(tǒng)的變化特征。另一方面，不管是SOI還是Nino區(qū)SST，早期的記錄或多或少有缺失，一些作者用各種方法進(jìn)行了插補(bǔ)，其代表性和可靠性都不如近期的完整觀測(cè)資料。所以，如果綜合考慮SST和

7、SOI，能更為真實(shí)地反映熱帶太平洋海-氣系統(tǒng)的狀態(tài)，降低單獨(dú)使用某一種資料可能帶來(lái)的誤差。建立ENSO綜合指數(shù)所使用的SST和SOI資料包括4種。第一是Nino3區(qū)SST序列，這是目前最為系統(tǒng)的海面溫度序列。資料來(lái)源見Kaplan等11及Cane等12。序列開始于1856年春、到1991年秋，從1991年冬開始用CPC（美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心）的資料續(xù)補(bǔ)。第二是NinoC區(qū)SST序列13，序列開始于1867年夏，到1987年冬。王紹武與石偉10曾根據(jù)COADS資料，也建立了1854年以來(lái)Nino C區(qū)的SST序列。因此，可以對(duì)Angell序列中的缺測(cè)作補(bǔ)充，剔除Angell序列中的明顯錯(cuò)誤。王紹武與

8、石偉的序列到1989年冬為止。以后的資料用國(guó)家氣候中心的SST資料續(xù)補(bǔ)。第三是Jones 等的SOI序列，資料來(lái)源見Allan等14、Ropelewski 與Jones15。序列從1866年春開始，到1997年秋。1997年冬及1998年春用CPC資料續(xù)補(bǔ)。第四是石偉與王紹武的SOI序列。根據(jù)與Jones大體相同的資料來(lái)源，但早期用了不同的站插補(bǔ)，使序列向前延長(zhǎng)到1856年冬16。這個(gè)序列采用了CPC的最新規(guī)定，對(duì)塔希提與達(dá)爾文兩個(gè)站的氣壓先分別標(biāo)準(zhǔn)化，然后對(duì)其差值再作標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)采用對(duì)全年統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化而不是分月標(biāo)準(zhǔn)化，所以1989年后就直接用CPC每月公報(bào)的資料續(xù)補(bǔ)。將這4個(gè)序列中為月的原始資

9、料都處理為季平均，再把這四個(gè)季平均序列分別標(biāo)準(zhǔn)化，然后再取平均，就得到一個(gè)序列即ENSO指數(shù)序列。在相加時(shí)取-SOI，這樣當(dāng)SST為正，SOI為負(fù)時(shí)指數(shù)高。SST為負(fù)，SOI為正時(shí)指數(shù)低，見圖1。根據(jù)這個(gè)ENSO指數(shù)序列，也可以對(duì)近百年來(lái)的ENSO事件和強(qiáng)度進(jìn)行確認(rèn)17，從1867年春到1998年春，共有32次暖事件（正SST、負(fù)SOI）及32次冷事件（負(fù)SST、正SOI），其中最強(qiáng)的暖事件是1997/1998年的這次，季平均ENSO指數(shù)達(dá)到2.21，其次為1982/1983年為2.02，其余各次暖事件的ENSO指數(shù)均在2.0以下。最強(qiáng)的冷事件是1915/1917年這次，ENSO指數(shù)為-1.4

10、0，其次為1975年及1988/1989年，分別為-1.31及-1.27。圖1 ENSO指數(shù)序列（陰影為暖事件，涂黑部分代表冷事件）Fig.1 ENSO index from 1867 (warm events shaded, cold events shown in black.)3 全球溫度變化與ENSO分析使用的溫度資料為Jones等整編和發(fā)表的全球范圍月平均陸地氣溫和表層海溫混合溫度距平數(shù)據(jù)集，55經(jīng)緯度格點(diǎn)，資料最早從1856年開始18，最近續(xù)補(bǔ)到了1997年19。分析之前，統(tǒng)一將各點(diǎn)溫度也都處理成季平均值，考慮到早期缺失較多，分析中只用1880年以來(lái)資料。首先，從全球平均來(lái)看(取8

11、0N60S范圍，約占地球表面積的93%，計(jì)算時(shí)取面積加權(quán)平均，下同)，1880-1997年，全球季平均溫度與季ENSO指數(shù)的相關(guān)系數(shù)r=0.38,溫度落后ENSO指數(shù)一個(gè)季的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)0.41，即近百年來(lái)全球季平均溫度方差的14%-16%左右可以由ENSO來(lái)解釋。當(dāng)然，溫度的變化不僅有突出的年際變化，而且還有顯著的年代際變化和長(zhǎng)期趨勢(shì)。而ENSO指數(shù)的功率譜分析表明，主要是2-7年左右的準(zhǔn)周期變化。所以為了檢測(cè)溫度中的這種ENSO高頻部分信號(hào)，分別對(duì)溫度和ENSO指數(shù)做帶通濾波處理，將包括從準(zhǔn)兩年振蕩到7年左右周期的部分保留下來(lái)。濾波后的高頻部分兩者的同時(shí)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.58，而且是溫

12、度落后ENSO指數(shù)2個(gè)季相關(guān)最大，提高到了0.77，見圖2。圖2 全球平均溫度與ENSO指數(shù)的交叉相關(guān)系數(shù)（實(shí)線為根據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算，虛線為帶通濾波后計(jì)算結(jié)果）Fig.2 Correlation between the global mean temperature and the ENSO index calculated by using of the original (shown in solid line) and the filtered data (shown in dotted line).表1 溫度與ENSO指數(shù)間相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation between

13、temperature and ENSO index.原始序列值帶通濾波序列值r0rmaxlagr 0rmaxlag80N20N0.150.173-0.050.25320N20S0.630.6810.770.90120S60S0.180.1920.120.23280N00.320.3410.450.662060S0.410.4310.630.76180N60S0.380.4110.580.772r0為同時(shí)相關(guān), rmax為最大落后相關(guān), lag為最大相關(guān)出現(xiàn)時(shí)溫度滯后ENSO的季數(shù)其次，熱帶地區(qū)與熱帶外地區(qū)也表現(xiàn)出一定的差別。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，ENSO指數(shù)與熱帶地區(qū)（20N20S）溫度相關(guān)系數(shù)

14、最高，原始序列同期相關(guān)達(dá)0.63，而熱帶外地區(qū)則僅為0.15和0.18。從最大相關(guān)的滯后時(shí)間看，熱帶地區(qū)溫度落后ENSO變化1個(gè)季，而熱帶外地區(qū)則落后23個(gè)季。在27年周期段上，北半球中高緯度地區(qū)的溫度與ENSO指數(shù)的相關(guān)從同時(shí)的-0.05到落后3個(gè)季的0.23，提高非常明顯。99%信度水平下的相關(guān)檢驗(yàn)閾值在0.11左右，所以ENSO對(duì)熱帶、熱帶外地區(qū)、半球及全球溫度的影響在統(tǒng)計(jì)上也是顯著的。以往考慮ENSO對(duì)全球溫度影響時(shí)，包括EOF分析及相關(guān)分析大多考慮二者的同期關(guān)系，但從前面的分析發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)ENSO的響應(yīng)有13個(gè)季的滯后，如果考慮到這種滯后關(guān)系，則ENSO在全球溫度變化中所占的份量就可

15、能不僅僅是14%16%左右的比重了。用年平均ENSO指數(shù)來(lái)擬合全球年平均溫度，即建立二者間的線性回歸方程，其中ENSO指數(shù)為變化因子，把全球年平均溫度當(dāng)作預(yù)報(bào)量。那么，回歸方差的大小就說(shuō)明ENSO對(duì)全球溫度變化方差解釋的好壞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ENSO對(duì)當(dāng)年全球溫度方差的解釋率為13%。因?yàn)橐淮蜤NSO事件通常都持續(xù)一年以上，年平均溫度中也必然包含了上年ENSO的影響。所以用當(dāng)年和上一年的ENSO指數(shù)來(lái)解釋全球年平均溫度，則方差解釋率提高到20.6%。以往考慮ENSO對(duì)季節(jié)溫度的影響也僅限于考慮同期的關(guān)系，如果考慮溫度與ENSO的滯后關(guān)系，那么對(duì)各季溫度的解釋也會(huì)更加合理。對(duì)4個(gè)季節(jié)同時(shí)考慮同期到超前1

16、3個(gè)季的ENSO指數(shù)，那么近百年來(lái)122月全球平均溫度方差的27.8%能由ENSO解釋，這在4個(gè)季節(jié)中解釋率是最高的，其次是35月，解釋率為23.8%，68月及911月較低，分別為18.1%和15.8%。圖3 近百年觀測(cè)及ENSO擬合的全球年平均溫度（a: 觀測(cè)值; b: ENSO指數(shù)模擬的溫度,即用當(dāng)年及前一年年平均ENSO指數(shù)對(duì)溫度的擬合值; c:觀測(cè)溫度減掉ENSO解釋的那部分溫度之后的剩余值，虛線為線性趨勢(shì)）Fig.3 global mean temperature, (a) observed, (b) computed using ENSO index and (c) the res

17、idue by subtracting the computed temperature from the observations. Dotted line in the bottom panel is the linear trend of the residue.一些研究表明ENSO的年代際變率對(duì)行星尺度的溫度變化可能有影響20，但從近百年來(lái)擬合的結(jié)果看，雖然觀測(cè)全球年平均溫度的年代際序列與由ENSO指數(shù)擬合溫度的年代際序列間的相關(guān)系數(shù)有0.63，但擬合的溫度值比觀測(cè)值變化幅度要小許多，擬合溫度的標(biāo)準(zhǔn)差僅有0.10C左右，而實(shí)際溫度的標(biāo)準(zhǔn)差則有0.22C，這說(shuō)明由ENSO擬合的溫度方差只

18、有實(shí)際觀測(cè)值的20.6%，其中年代及以上時(shí)間尺度的變率就更小了。所以ENSO對(duì)全球溫度變化的影響主要還是在年際尺度上。這在圖3中也非常明顯。圖3b是ENSO指數(shù)模擬的溫度，即用當(dāng)年及前一年年平均ENSO指數(shù)擬合的全球年平均溫度，可見還是年際尺度上的變率最突出；圖3c是觀測(cè)溫度減掉ENSO解釋的那部分溫度之后的剩余值，有顯著的上升趨勢(shì)，上升速率為+0.45C/100年，這與近百年來(lái)的觀測(cè)溫度的增暖幅度十分接近。將觀測(cè)的全球溫度和扣除ENSO貢獻(xiàn)后的全球溫度序列分別進(jìn)行低通濾波，剩下的是二者的低頻部分，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.20C和0.18C，這說(shuō)明扣除了ENSO的影響后，在年代及更長(zhǎng)時(shí)間尺度上仍然有超

19、過80%的方差被保留了下來(lái)。因此，單純考慮ENSO一個(gè)因子并不能很好解釋近百年來(lái)全球溫度的增暖趨勢(shì)及其年代際變率。4 ENSO影響溫度的機(jī)制Angell21曾指出ENSO對(duì)對(duì)流層大氣的加熱作用可能是通過加強(qiáng)熱帶地區(qū)水份循環(huán)實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)赤道太平洋海表溫度升高時(shí)，對(duì)流活動(dòng)也將加強(qiáng)，因此大量潛熱的釋放造成熱帶對(duì)流層溫度的升高。Graham22用數(shù)值模式對(duì)此進(jìn)行了模擬研究，用觀測(cè)的熱帶海表溫度做為邊條件來(lái)強(qiáng)迫大氣環(huán)流模式，結(jié)果表明能很好模擬出最近幾十年來(lái)的全球氣溫增暖趨勢(shì)，而且潛熱的變化最為明顯，自70年代以來(lái)全球平均潛熱通量大約上升了1Wm-2，而且?guī)状畏逯狄捕寂cEl Nino事件相對(duì)應(yīng)。但是，觀測(cè)

20、事實(shí)顯示與ENSO事件密切相關(guān)的降水變化主要是熱帶太平洋地區(qū)，而并無(wú)證據(jù)說(shuō)明熱帶太平洋地區(qū)對(duì)流層中的熱量如何存儲(chǔ)數(shù)個(gè)季節(jié)之久，且轉(zhuǎn)移到中、高緯地區(qū)。ENSO對(duì)溫度的影響可能有多種途徑，而ENSO對(duì)熱帶和熱帶外地區(qū)溫度影響的不同時(shí)滯關(guān)系就可能與影響的機(jī)制不同有關(guān)，熱帶地區(qū)是通過Walker環(huán)流直接影響氣候，所以信號(hào)強(qiáng)烈，最大滯后時(shí)間短。ENSO對(duì)熱帶外地區(qū)的影響，一是可以通過Hadley環(huán)流影響全球的副熱帶高壓23，進(jìn)而影響氣溫，另一方面也可以通過遙相關(guān)來(lái)傳播其影響，這些都是間接的影響，所以最大滯后時(shí)間也長(zhǎng)。而且同時(shí)熱帶外地區(qū)溫度的變化受其它環(huán)流因素如NAO等的影響很大8，所以ENSO的影響不如

21、熱帶地區(qū)明顯。Yulaeva和Wallace7指出的20N-90N平均氣溫變化中ENSO信號(hào)不明顯可能與這種信號(hào)較弱及沒有考慮ENSO對(duì)溫度影響的滯后有關(guān)。5結(jié)論用Nino區(qū)海溫和SOI建立的ENSO指數(shù)能較好地代表赤道太平洋地區(qū)的海洋-大氣系統(tǒng)狀況及描述ENSO變化特征。根據(jù)近百年來(lái)溫度和ENSO指數(shù)資料，發(fā)現(xiàn)ENSO對(duì)熱帶、熱帶外地區(qū)及全球溫度有顯著影響，但主要是年際時(shí)間尺度上變率的影響。ENSO能解釋同期全球年平均溫度方差的14%16%左右。熱帶地區(qū)溫度變化滯后ENSO約1個(gè)季，熱帶外地區(qū)滯后約23個(gè)季。如果考慮ENSO對(duì)溫度影響滯后13個(gè)季的特征后，則ENSO對(duì)全球年平均溫度方差的解釋

22、率能達(dá)到20.6%。ENSO對(duì)全球溫度的影響還有明顯的季節(jié)差別，122月和35月的影響最大，能解釋溫度變化的27.8%和23.8%，68月及911月則較低，分別只能解釋18.1%和15.8%。近百年來(lái)全球溫度變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)和年代際變率并不能單純用ENSO得到解釋，要研究近百年來(lái)全球溫度低頻變化的原因還必須考慮其他因子，如人類活動(dòng)、氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率、火山及太陽(yáng)活動(dòng)等因子。參考文獻(xiàn)1 Kiladis G N, Diaz H. Global climatic anomalies associated with extremes in the southern Oscillation. J Clima

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