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NinoC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2-3個(gè)季。ENSO能解釋同期全球年平均溫度方差的14%46%左右；如果考慮ENSO對(duì)溫度影響的滯后特征，則能解釋的部分提高到20.6%oENSO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刖H在全球

2、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(guò)，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?/p>

3、下層溫度場(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20芍-20刊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20代-904及20毛-90芍地區(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(guò)大造成的。但是，衛(wèi)星反演溫度資料僅僅是近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

4、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。2ENSO指數(shù)研究ENSO與溫度的關(guān)系需要相應(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(wèn)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

5、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)判定日自然科學(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.Nino或LaNina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，1984年及1985年SST為明顯負(fù)

6、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SOI,能更為真實(shí)地反映熱帶太平洋海

7、-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)NinoC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。王紹武與石偉的序列到1989年冬為止。以后的資

8、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料都處理為季平均，再把這四個(gè)季平均序列分別

9、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-1.40,其次為1975年及1988/1989年

10、，分別為-1.31及-1.27。3210-1-2-31870188018901900191019201930194019501960197019801990圖1ENSO指數(shù)序列(陰影為暖事件，涂黑部分代表冷事件)Fig.1 ENSOindexfrom1867(warmeventsshaded,coldeventsshowninblack.)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，5%5吸緯度格點(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

11、，分析中只用1880年以來(lái)資料。首先，從全球平均來(lái)看（取80N60S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)。

12、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。-0.80.80.40.0-0.4-12-10-8-6-4-2024681012?63?°?e?oo/?Cy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 CorrelationbetweentheglobalmeantemperatureandtheENSOindexcalculatedbyusingoftheoriginal(showninsolidline)andthefiltereddata(show

13、nindottedline).表1溫度與ENSO指數(shù)間相關(guān)系數(shù)Table1CorrelationbetweentemperatureandENSOindex.原始序列值r0maxlag帶通濾波序列值r0rmaxlag80N20N0.150.17320N20S0.630.681-0.050.2530.770.90120S£0S0.180.1920.120.23280N、00.320.3410.450.6620、60S0.410.4310.630.76180N、60S0.380.4110.580.772r0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

14、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)（20N205）溫度相關(guān)系數(shù)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

15、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

16、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13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%。0.40.20.0-0.2-0.40.4C0.2P0.0?6-0.2?-0.40.40.20.0-0.2-0.41880189019001910192019301940195019601970198019902000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:ENS

17、O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.3globalmeantemperature,(a)observed,(b)computedusingENSOindexand(c)theresiduebysubtractingthecomputedtemperaturefromtheobservations.Dottedlineinthebottompanelisthelineartrendoftheresidue.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

18、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0.22。，這說(shuō)明由ENSO擬合的溫度方差只有實(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.

19、45電/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0.20七和0.18七，這說(shuō)明扣除了ENSO的影響后，在年代及更長(zhǎng)時(shí)間尺度上仍然有超過(guò)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。4ENSO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(guò)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)

20、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c日Nino事件相對(duì)應(yīng)。但是，觀測(cè)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(guò)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

21、影響，一是可以通過(guò)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(guò)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

22、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%M6%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2入3個(gè)季。如果考慮ENSO對(duì)溫度影響滯后1人3個(gè)季的特征后，則ENSO對(duì)全球年平均溫度方差的解釋率能達(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

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