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Nino C區(qū)海溫、Nino3區(qū)海溫及兩個不同的 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 ENSO對熱帶、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個季，熱帶外地區(qū)滯后約 2-3個季。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對溫度影響的滯后特征，則能解釋的部分提高到 20.6% o ENSO對溫度的影響主要是在年際時間尺度上，對近百年來 全球溫度變化的長期趨勢和年代際變率貢獻不

2、大。關(guān)鍵詞全球溫度 ENSO1刖H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對溫度的影響往往限制在某些季節(jié)，如對冬季氣溫，而且更偏重于考慮特定的區(qū)域34。近來對ENSO對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，因為人們認(rèn)識到，近百年來觀測到的全球 溫度變化中既包含了氣候的自然變化，也有人類活動等外部因子的影響，研究氣候系統(tǒng)的自 然變化的貢獻有多大對于我們正確估計和理解全球變暖的原因和趨勢有重要的意義5。Diaz6發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星觀測的全球月平均對流層下層溫度（MSU-2）距平的EO

3、F1的時間系數(shù)反映的是ENSO,而其對全球?qū)α鲗酉聦訙囟葓龅姆讲罱忉屄适?5.1%。而且，MSU-2的對流層下層溫度與 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個月左右的滯后，而對于20代-90 cN及20毛-90芍地區(qū)平均溫度，ENSO信號并不明顯，就全球平均來看，ENSO信號也比較明顯，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)星反演溫度資料僅僅是近20多年的長度，ENSO事件少。利用60多年的實際地面氣溫觀測資料，Hurrell8研究了南方濤動等因子對北半球中、高緯度地區(qū)溫度的影響。發(fā)

4、現(xiàn)南方濤動和北大西洋濤動兩者可以解釋 20 N90 N冬季平均溫度方差的 44% ,排除北大西洋濤動而計算冬季平均溫度與南方濤動指 數(shù)的偏相關(guān)，則偏相關(guān)系數(shù)也可達-0.43,如果再刨去北太平洋濤動的影響，則南方濤動對20 N90 N冬季平均溫度方差的貢獻約在16%左右。本文將在季分辨率基礎(chǔ)上， 利用1880年以來一百多年的 ENSO和全球溫度資料，對ENSO 對各季節(jié)熱帶、熱帶外地區(qū)及半球和全球平均溫度影響的特點等進行分析。2 ENSO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指數(shù)（ SOI）或Nino區(qū)海表溫度（SST）來表示ENSO的強弱。這樣做可能有兩個方面

5、的問題，一是南方濤動指數(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，如果僅僅根據(jù)某一方來判定日自然科學(xué)基金重點項目20世紀(jì)中國與全球氣候變率研究”（編號:49635190）及博士后基金資助第一作者簡介：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La Nina事件結(jié)果會有所不同。當(dāng)然，一般情況下，海溫與 SOI有很好的對應(yīng)關(guān)系， 如果單獨使用海溫或 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，有很多時候Nino區(qū)SST與SOI的變化并不一致，如 194

6、6年Nino區(qū)SST都為負距平，但同時 SOI也是負距平，1984年及1985年SST為明顯負距平，但 SOI也是負距平，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對Tahiti和Darwin氣壓產(chǎn)生影響，所以有時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)計算，兩者的季平均值只能彼此說明約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 法進行了插補

7、，其代表性和可靠性都不如近期的完整觀測資料。所以，如果綜合考慮SST和SOI,能更為真實地反映熱帶太平洋海-氣系統(tǒng)的狀態(tài)，降低單獨使用某一種資料可能帶來的誤差。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 （美國氣候預(yù)測中心）的資料續(xù)補。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Nino C區(qū)的SST序列。因

8、此，可以對Angell序列中的缺測作補 充，剔除Angell序列中的明顯錯誤。王紹武與石偉的序列到1989年冬為止。以后的資料用國家氣候中心的 SST資料續(xù)補。第三是 Jones等的SOI序列，資料來源見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。第四是石偉與王紹武的SOI序列。根據(jù)與Jones大體相同的資料來源，但早期用了不同的站插補，使序列向前延長到1856年冬16。這個序列采用了 CPC的最新規(guī)定，對塔希提與達爾文兩個站的氣壓先分別標(biāo)準(zhǔn)化，然后對其差值再作標(biāo)準(zhǔn)化。同時采用對全年統(tǒng)一 標(biāo)準(zhǔn)化而

9、不是分月標(biāo)準(zhǔn)化，所以1989年后就直接用 CPC每月公報的資料續(xù)補。將這4個序列中為月的原始資料都處理為季平均，再把這四個季平均序列分別標(biāo)準(zhǔn)化， 然后再取平均，就得到一個序列即 ENSO指數(shù)序列。在相加時取-SOI,這樣當(dāng)SST為正，SOI 為負時指數(shù)高。SST為負，SOI為正時指數(shù)低，見圖 1。根據(jù)這個ENSO指數(shù)序列，也可以 對近百年來的ENSO事件和強度進行確認(rèn)17,從1867年春到1998年春，共有32次暖事件 （正SST、負SOI）及32次冷事件（負SST、正SOI）,其中最強的暖事件是 1997/1998年的 這次，季平均 ENSO指數(shù)達到2.21,其次為1982/1983年為2.

10、02,其余各次暖事件的 ENSO 指數(shù)均在2.0以下。最強的冷事件是1915/1917年這次，ENSO指數(shù)為-1.40,其次為1975年及 1988/1989 年，分別為-1.31 及-1.27。3210-1-2-31870188018901900191019201930194019501960197019801990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

11、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，資料最早從 1856年開始18,最近續(xù)補到了 1997年19。 分析之前，統(tǒng)一將各點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年以來資料。首先，從全球平均來看（取80蟲60S范圍，約占地球表面積的93%,計算時取面積加權(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)一個季的相關(guān)系數(shù)最大，達0.41,即近百年來全球季平均溫度方差的14%-16%左右可以由ENSO來解釋。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期趨

12、勢。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。所以為了檢測溫度中的這種ENSO高頻部分信號，分別對溫度和 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。濾波后的高頻部分兩者的同時相關(guān)系數(shù)達到了0.58,而且是溫度落后ENSO指數(shù)2個季相關(guān)最大，提高到了0.77,見圖2。-0.80.80.40.0-0.4-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 ? 6 3?°?e ?o o /? C y圖2全球平均溫度與 ENSO指數(shù)的交叉相關(guān)系數(shù)(實線為根據(jù)原始數(shù)據(jù)計算，虛線為帶通濾波后計算結(jié)果)Fig.2 Cor

13、relation between the global mean temperature and the ENSO index calculated by using ofthe 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 temperature and ENSO index.原始序列值r 0maxlag帶通濾波序列值r 0r maxlag80 N -20 N0.150.17320 N 20 S0.6

14、30.681-0.050.2530.770.90120 S £0 S0.180.1920.120.23280 N、00.320.3410.450.6620、60 S0.410.4310.630.76180 N、60 S0.380.4110.580.772r0為同時相關(guān)，rmax為最大落后相關(guān),lag為最大相關(guān)出現(xiàn)時溫度滯后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)（20N20 5）溫度相關(guān)系數(shù)最高，原始序列同期相關(guān)達0.63,而熱帶外地區(qū)則僅為0.15和0.18。從最大相關(guān)的滯后時間看，熱帶地區(qū)溫度落后 ENSO變化1個季

15、，而熱帶外地區(qū)則落后23個季。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)從同時的-0.05到落后3個季的0.23,提高非常明顯。99%信度水平下的相關(guān)檢驗閾值在0.11左右，所以ENSO對熱帶、熱帶外地區(qū)、半球及全球溫度的影響在統(tǒng)計上也是顯著的。以往考慮ENSO對全球溫度影響時，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ENSO的響應(yīng)有13個季的滯后，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

16、因子，把全球年平均溫度當(dāng)作預(yù)報量。那么，回歸方差的大小就說明ENSO對全球溫度變化方差解釋的好壞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)ENSO對當(dāng)年全球溫度方差的解釋率為13%。因為一次ENSO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，那么對各季溫度的解釋也會更加合理。對 4個季節(jié)同時考慮同期到超前 13個季 的ENSO指數(shù)，那么近百年來 122月全球平均溫度方差的27.8%能由ENSO解釋，這在4個季節(jié)中解釋率是最高的，其

17、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%。0.40.20.0-0.2-0.40.4C 0.2P 0.0 ? 6-0.2 ?-0.40.40.20.0-0.2-0.41880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000圖3近百年觀測及ENSO擬合的全球年平均溫度(a:觀測值；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)對溫度的擬合值；c:觀測溫度減掉 ENSO解釋的那部分溫度之后的剩余值，虛線為線性趨勢)Fig.3 global mean tempera

18、ture, (a) observed, (b) computed using ENSO index and (c) the residue 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的年代際變率對行星尺度的溫度變化可能有影響20,但從近百年來擬合的結(jié)果看，雖然觀測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

19、度值比觀測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，而實際溫度的標(biāo)準(zhǔn)差則有0.22。，這說明由ENSO擬合的溫度方差只有實際觀測值的20.6%,其中年代及以上時間尺度的變率就更小了。所以 ENSO對全球溫度變化 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， 上升速率為+0.45電/100年，這與近百年來的觀測溫度的增暖幅度十分接近。將觀測的全球溫度和扣除ENSO貢獻后的全球溫

20、度序列分別進行低通濾波，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，這說明扣除了 ENSO的影響后，在年代及更長時間尺度上仍然 有超過80%的方差被保留了下來。因此，單純考慮ENSO 一個因子并不能很好解釋近百年來全球溫度的增暖趨勢及其年代際變率。4 ENSO影響溫度的機制Angell21曾指出ENSO對對流層大氣的加熱作用可能是通過加強熱帶地區(qū)水份循環(huán)實現(xiàn) 的，即當(dāng)赤道太平洋海表溫度升高時，對流活動也將加強，因此大量潛熱的釋放造成熱帶對 流層溫度的升高。Graham22用數(shù)值模式對此進行了模擬研究，用觀測的熱帶海表溫度做為邊條件來強迫大氣環(huán)流模式，結(jié)果表明能很好模擬出最近幾

21、十年來的全球氣溫增暖趨勢，而且 潛熱的變化最為明顯，自70年代以來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事件相對應(yīng)。但是，觀測事實顯示與ENSO事件密切相關(guān)的降水變化主要是熱帶太平洋地區(qū)，而并無證據(jù)說明熱帶太平洋地區(qū)對流層中的熱量如何存儲數(shù)個季節(jié)之久， 且轉(zhuǎn)移到中、高緯地區(qū)。ENSO對溫度的影響可能有多種途徑，而 ENSO對熱帶和熱帶外地區(qū)溫度影響的不同時滯關(guān)系就可能與影響的機制不同有關(guān)，熱帶地區(qū)是通過 Walker環(huán)流直接影響氣候，所以信號強烈，最大滯后時間短。ENSO對熱帶外地區(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,進而影響氣溫，另一

22、方面也可以通過遙相關(guān)來傳播其影響，這些都是間接的影響，所以最大滯后時間也長。而且同時熱帶外地區(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20 N-90 N平均氣溫變化中 ENSO信號不明顯可能與這種信號較弱及沒有考慮ENSO對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)近百年來溫度和 ENSO指數(shù)資料，發(fā)現(xiàn)ENSO對熱帶、熱帶外地區(qū)及全球溫度有顯著影響，但主要是年際時間尺度上變率的影響。ENSO能解釋同期全球年平均

23、溫度方差的14%M6%左右。熱帶地區(qū)溫度變化滯后ENSO約1個季，熱帶外地區(qū)滯后約2入3個季。如果考慮ENSO對溫度影響滯后1人3個季的特征后，則ENSO對全球年平均溫度方差的解釋率能 達到20.6%。ENSO對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%。近百年來全球溫度變化的長期趨勢和年代際變率并不能單純用ENSO得到解釋，要研究近百年來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、氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率、 火山及太陽活動等因子。參考文獻1 Kiladis G N, Di

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