20世纪太平洋海温变化中人为因子与自然因子贡献的模拟研究

董璐，周天军

（1.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG），北京 100029；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

20世纪太平洋海温变化中人为因子与自然因子贡献的模拟研究

董璐1，2，周天军1

（1.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG），北京 100029；2.中国科学院研究生院，北京 100049）

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室（LASG／IAP）发展的气候系统模式FGOALS_gl对20世纪太平洋海温变化的模拟，讨论了自然因子和人为因子对20世纪太平洋海温变化的相对贡献。观测资料表明，20世纪太平洋平均的SST变化主要分为3个时段：20世纪上半叶的增暖，40—70年代的微弱变冷，70年代之后的迅速增暖。20世纪太平洋SST变化的主导模态是全海盆尺度的振荡上升模态，其次为PDO振荡型，在70年代末PDO存在明显的年代际转型。通过全强迫试验、自然强迫试验、控制试验对上述现象进行归因分析，结果表明，人为因子和内部变率都对第一次增暖有贡献，而人类活动（主要是温室气体的增加）是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分区域来看，在两个增暖时段中，影响黑潮延伸体区SST变化的主要是自然因子和内部变率，影响其它海域SST变化的则主要是人为因子。全强迫试验可以较好的模拟出前两个模态的空间分布及时间序列。在没有人为因子的影响下，PDO成为太平洋海温变化的主导模态，其年代际转变发生在60年代中期，意味着人为因子是全海盆振荡增暖的主导原因，并且它使得年代际转型滞后了10 a。因此，自然因子是导致SST年代际转型中的主导因子，人为因子有“调谐”作用。

气候系统模式；20世纪太平洋海温变化；自然因子；人为因子；内部变率

1 引言

全球变暖是20世纪气候变化的主要特征。观测表明，20世纪的全球变暖主要发生在两个阶段：10—40年代（上升0.35℃），70年代末—20世纪末（上升0.55℃）［1］。1906—2005年全球年平均的地表气温上升了（0.74±0.18）℃，并且后半段的增温速率几乎为整个时段的1倍［2］。理解20世纪气候变化的机理，是气候学研究的热点话题。伴随全球增暖，全球海温在年代际尺度上也表现出了明显的增暖趋势，对这种变暖的机理分析，对于理解气候变化的成因以及预估未来气候变化都有重要意义。

气候变化涉及多种过程，首先是人类活动影响，主要是人为温室气体和硫酸盐等气溶胶的排放、土地变化等；其次是自然因素作用，除地球轨道参数等的变化外，主要包括太阳辐射和火山气溶胶等的影响；最后是气候系统内部变率的影响，如大洋热盐环流的自然振荡等［3］。关于在20世纪温度变化的不同时期中起主导作用的因子，前人已经有大量的研究。20世纪气候的数值模拟，既是检验气候模式性能的重要标准，又是评价模式预估未来气候变化情景可信度的基础［4—5］。Stott等［6］通过比较观测与模式集合平均的全球温度的变化，认为自然因子和人为因子对20世纪温度变化都有贡献。仅有自然强迫的试验无法重现观测中温度的变化，而加上人为因子强迫（包括温室气体和气溶胶的变化）的试验可以较好地解释观测中温度的变化［1］。Thomas［7］通过观测与能量平衡模式结果的比较，认为在工业革命前，年代际尺度的温度变化主要由太阳辐射和火山爆发等自然因子所控制，而在工业革命后，人类排放的温室气体超过了自然因子的作用，成为了20世纪增暖的主要原因。针对20世纪前期的增暖，Delworth和Knutson［8］利用海气耦合模式进行了归因分析，认为这一时期的增暖是温室气体强迫、硫酸盐气溶胶强迫以及异常强烈的内部多年代际变率共同作用产生的。一般太阳辐射强迫表现为空间分布不一致性，温室气体的作用则趋于空间分布一致性［1］；耦合模式集合平均的结果表明，20世纪前期的增暖主要由自然强迫引起（以太阳辐射为主），后期的增暖主要由人为强迫引起（以温室气体为主）［9］。Knutson等［10］利用GFDL耦合模式CM2.0和CM2.1证明，人为强迫对20世纪后期的增暖起主要作用，并且指出该模式在全强迫和人为强迫试验中会高估低纬度的增暖而低估了高纬度的增暖。李立娟等［11］利用LASG格点大气模式GAMIL检验了外强迫对20世纪气温演变的综合影响，结果表明，20世纪40年代和自70年代开始的增暖，均由外强迫所致，第一次主要受自然外强迫影响，第二次主要是由于人为外强迫导致。针对太平洋地区温度的变化，Meehl等［12］利用气候模式PCM考察了20世纪前期太阳辐射增加的作用，结果表明除赤道东太平洋表现为变冷之外，太平洋其他地区都是变暖的。

北太平洋海温的变化原因，是气候学研究重点关注的话题。Mantua等［13］提出北太平洋在1976／77年前后经历了一次气候突变，在海温场上，它表现为北太平洋中部、黑潮及其延伸体附近变冷，而在加利福尼亚沿岸和热带中东太平洋则表现为变暖，该现象被称为太平洋年代际振荡（PDO）。PDO有正负两个位相，其中正位相表现为热带中东太平洋海温正异常，北太平洋中部海温负异常，负位相则相反，1947—1976年为PDO的负位相，1977年至90年代中期为PDO的正位相，1976／1977为PDO的转型期［14］。Chang等［15］以及Bratcher和Giese［16］都指出赤道西、中太平洋地区（15°～20°S，170°～130°W）次表层海温存在年代际尺度上的变冷；副热带南太平洋风应力旋度场、海洋表层温度（SST）和次表层海温也存在年代际变化。关于PDO的气候影响，已有大量研究表明，它既是叠加在长期气候趋势变化上的扰动，可直接造成太平洋及其周边地区（包括我国）气候的年代际变化；它又是年际变率的重要背景，对年际变化（如ENSO及其影响）具有重要的调制作用，可影响ENSO事件频率和强度，同时也可导致年际ENSO——季风异常关系的不稳定性［17］。而围绕内、外强迫因子在PDO转型中的贡献，Meehl等［18］利用耦合模式研究了在20世纪70年代末这次太平洋SST年代际变化中外强迫和内部固有变率的贡献，认为年代际转型是由于外部强迫叠加在太平洋固有的年代际变率上形成的。为了考察海表风应力和热通量在北太平洋年代际变率中的贡献，吴春强等［19］利用一个大洋环流模式LICOM分别做了在风应力和热通量驱动下的两组模拟试验，结果表明，北太平洋SST的年际和年代际异常主要受热通量异常的影响，合理考虑热通量强迫的年代际变化，能够改善模式对北太平洋年代际变率的模拟效果。基于一个海气耦合模式的研究表明，在决定北太平洋SST变化主导模态的海气热通量的各项中，短波辐射和长波辐射占主导作用，而潜热通量的贡献则基本可以忽略［20］。

综上所述，自然变率和人为影响在北太平洋海温变化中的作用问题，已经引起学术界的高度重视。在自然和人为因子的强迫下，耦合模式对太平洋海温变化的模拟能力问题值得进一步研究。本文拟利用FGOALS_gl模拟的20世纪气候变化，来分析20世纪太平洋SST的变化情况，考察在3段时期以及70年代末的年代际转型中外强迫，包括人为因子（以温室气体为主）和自然因子，以及内部变率的作用。

2 模式和方法介绍

本文所用的模式是LASG／IAP快速耦合版本的气候系统模式FGOALS_gl，该耦合模式采用模块化结构，采用NCAR CCSM2的耦合器CPL5将大气模式、海洋模式、陆面模式和海冰模式等4个模块进行耦合。FGOALS_gl的大气部分为LASG／IAP发展的格点大气模式GAMIL的低分辨率版本，水平分辨率相当于5.0°（经度）×4.0°（纬度），垂直方向采用σ -p混合坐标系，分为26层。海洋模式为LICOM，它是对LASG／IAP第3代全球大洋环流模式L30T63的水平分辨率进行提高而形成的新版本，水平分辨率为1.0°（经度）×1.0°（纬度），垂直方向为30层。耦合模式的陆面和海冰分量分别采用NCAR发展的通用陆面模式CLM和海冰模式CSIM。关于该耦合模式的介绍，详见文献［21］。

本文所用的有3组试验的结果：20世纪全强迫试验（ALL）、自然因子强迫试验（NAT）、无外强迫变化的控制实验（CTRL）（表1），具体说明如下：

全强迫试验采用的是“国际耦合模式比较计划”CMIP3为20C3M模拟试验（简称IPCC AR4的20世纪气候模拟试验）提供的历史大气辐射强迫场，包括自然因子（太阳辐射、火山气溶胶）和人为因子（温室气体、硫酸盐气溶胶等）。

自然因子试验的太阳辐射和火山气溶胶资料与全强迫试验相同，但不包括人为因子的影响。这两组试验耦合积分的初始场，均采用1860控制试验第30年1月1日的瞬时场。1860控制试验是指将太阳辐照度、温室气体浓度等外强迫场固定为工业革命前水平而进行的耦合积分［22—23］。控制试验由于未加任何外强迫变化，是模式自由积分的结果，故代表模式内部的固有变率。

表1 试验设计基本说明

满文敏等［24］利用该模式的全强迫和自然强迫试验证明，在自然和人为因子的共同强迫作用下，耦合模式能够合理再现20世纪全球平均气温随时间的演变；仅在自然因子作用下，模式不能再现1970年以后的全球变暖。自然因子对20世纪第一次变暖的作用是显著的，但温室气体是20世纪后期变暖的主要原因（见图1a）。鉴于该组试验对20世纪全球平均气温的模拟技巧，本文进一步对20世纪太平洋海温变化的影响因子进行分析。

为了与模拟结果进行比较，本文用到如下观测资料：（1）Hadley Centre Sea Ice and SST dataset（HadISST）月平均海温资料，水平分辨率为1.0°（经度）×1.0°（纬度），时间跨度为1870年1月至2006年12月［25］。（2）Twentieth Century Reanalysis Version 2（20CR_v2）的海表热通量资料［26］。

为了突出年代际变化特点，本文中的数据均利用Lanczos滤波器［27］进行了13 a低通滤波的处理。文中利用全强迫和自然强迫两组试验分别与观测序列的相关系数的平方，代表其各自的方差贡献。Meehl等［9］证明模式中各种外强迫的作用是可以线性叠加的，因此本文利用全强迫与自然强迫试验之差来代表人为因子的影响，自然强迫试验结果表示自然因子的影响，控制试验代表模式内部固有变率的影响。参考Meehl等［18］的文章，本文中的SST距平都是针对1890—1919年的平均值计算的。

3 结果分析

3.1 太平洋平均的SST距平随时间的演变

图1b，c给出1870—2004年太平洋海域（40°S—60°N，100°E—70°W）平均的海表面温度距平随时间的演变。在求区域平均时，对数据进行了面积加权。在自然和人为因子的共同强迫下，全强迫试验能够较好地再现20世纪太平洋SST的演变情况，模拟和观测的相关系数为0.5，统计显著性水平为0.05。观测中，20世纪太平洋海域平均的SSTA变化主要分为3个时段：20世纪初至40年代变暖，40—70年代微弱变冷，70年代以后迅速变暖（见图1c）。在自然因子强迫下，第一段变暖期大约滞后了15 a左右，微弱变冷和迅速增暖期都未能再现，而全强迫试验基本可以再现两段增暖期的变化，这表明人为因子的重要作用。

图1 全球平均气温距平随时间的演变（a），太平洋平均SSTA随时间的演变（b），13 a低通滤波的太平洋平均SSTA的时间序列（c）

在原始时间序列中（图1b），全强迫试验与观测结果的相关系数为0.50，自然强迫试验与观测结果的相关系数为0.06，控制试验与观测结果的相关系数为-0.02；进行13 a的Lanczos低通滤波后（图1c），全强迫试验与观测结果的相关系数达到0.86，自然强迫试验与观测结果的相关系数为0.11，控制试验与观测结果的相关系数为-0.23。可见，在滤波后相关系数比滤波前显著增加，说明模式对年代际变化的模拟能力较强。方差分析表明，滤波后的全强迫试验可以解释20世纪太平洋SST变化的74.0%，而自然强迫只能解释1.2%，而来自“海-陆-气-冰”耦合系统内部变率的贡献则可以忽略。

表2给出对应于20世纪太平洋SSTA变化的3个特征时段的SSTA线性趋势。观测中，1910—1942年的增暖趋势为（0.25±0.027）℃／（30 a），自然强迫试验的结果为（-0.08±0.057）℃／（30 a），全强迫试验的结果为（0.22±0.039）℃／（30 a），控制试验结果为（0.09±0.023）℃／（30 a）。因此，对于20世纪第一次增暖，全强迫试验和控制试验都显示出技巧，而自然强迫试验则没有，因此，人为因子和内部变率对该时段的增暖都有贡献，其中人类活动居主导地位。关于1975—2000年的变暖趋势，观测结果为（0.41± 0.032）℃／（30 a），自然强迫试验为（-0.15± 0.062）℃／（30 a），全强迫试验为（0.30±0.080）℃／（30 a），控制试验为（-0.11±0.060）℃／（30 a）。可见，在迅速增暖阶段，人为因子贡献占主导，达到0.45℃／（30 a），但全强迫试验的模拟结果依然较观测偏弱。

表2 20世纪SST变化的3个时段太平洋海域平均的线性趋势［（℃／（30a）］

模拟和观测差异较大的时间段是1943—1974年，观测结果呈微弱变冷趋势（-0.03±0.040）℃／（30 a），统计显著性水平仅为0.2，因此变化不显著。自然强迫试验中变化趋势为（0.04±0.065）℃／（30 a），全强迫试验为（0.11±0.033）℃／（30 a），控制试验为（-0.05±0.018）℃／（30 a），从数值上来看，控制试验结果与观测最为接近，而加入自然因子和人为因子之后，趋势均与观测相差较远，可见，微弱变冷可能主要是由于模式内部变率所致。另外，这段时期观测数据本身也可能存在问题，由于这段时期的观测数据主要来源于船测资料，并且是通过多种测量技术得到的，由于不同的测量技术具有自身不同的缺陷［28］，因此观测事实的可靠性也是一个需要注意的问题。

上述分析表明，人为因子和内部变率都对第一次增暖有贡献，而人类活动（主要是温室气体的增加）是1975年之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。而关于1943—1974年间的变化，所有试验结果均与观测差别较大，资料本身的可靠性亦存在不确定性。

3.2 太平洋不同海域SST变化的影响因子探究

图2给出了太平洋纬向平均的SST距平随时间的演变。观测结果显示增暖发生在两个阶段：20世纪初至40年代、70年代之后，前者主要集中在北半球，后者则是全海盆性质的；变冷的时段在40—70年代（见图2a）。全强迫试验结果可以较好地再现观测结果，两段变暖期都可以得到显著体现，前者主要集中在北半球，后者则贯穿全海盆（见图2b）。在自然强迫试验中，只在北半球中高纬度表现出70年代之后的增暖，对第一阶段的增暖没有表现出技巧（见图2c）。控制试验结果显示，内部变率仅对北半球中高纬度海域的20世纪初至40年代的变暖有贡献（见图2d）。综上所述，纬向平均的SST距平结果表明，第一阶段的增暖主要集中在北半球，人为因子和内部变率均对此有贡献；第二阶段的增暖表现为全海盆性质，人为因子起主导作用，自然变率在北半球中高纬度也有所贡献。

图3给出对应于1910—1942年、1975—2000年的两段增暖期的SST变化趋势分布图。观测中，第一段的增暖表现为海盆不一致的变化，在黑潮延伸体区有一个变冷中心，其他海域为变暖趋势（见图3a）；全强迫试验中基本为全海盆增暖（见图3c）；自然强迫试验以变冷为主（见图3e）。因此，人为因子使整个海盆变暖（见图3g）；而控制试验则表现为北太平洋中高纬度及赤道太平洋微弱变暖，黑潮延伸体区域微弱变冷（见图3i）。因此，人为因子是造成1910—1942年增暖的主要原因，而自然因子和内部变率对于黑潮延伸体区域的变冷有显著贡献，其中内部变率的贡献可能来源于PDO的影响。

1975—2000年的SST增暖表现为全海盆一致的变化（见图3b）；全强迫试验在黑潮延伸体区表现为变冷，其他海域为变暖（见图3d）；自然强迫则与全强迫恰好相反，即黑潮延伸体区表现为变暖，其他海域为变冷（见图3f）；因此，人为因子使黑潮延伸体区变冷，其他海域增暖（见图3h）；而控制试验基本为全海盆变冷（见图3j）。因此，在第二个增暖时段，黑潮延伸体区的增暖主要是由于自然因子强迫所致，其他海域的增暖则主要是人为因子的影响。

综上所述，在两个增暖时段中，从海温的变化趋势来看，黑潮延伸体区的变化主要受到自然因子和内部变率的影响，其他海域则主要受到人为因子影响。

由于黑潮延伸体区域是PDO振荡信号最强的区域之一，从以上结论来看，其SST的影响因子在不同时段亦与整个太平洋海域有所不同，因此将黑潮延伸体区域的SST在20世纪的变化做进一步分析，如图4所示。观测中，黑潮延伸体SST在20世纪的增暖趋势为（0.34±0.064）℃／（100 a），并且存在年代际振荡现象。全强迫试验可以较好地模拟出增暖趋势和年代际振荡现象，与观测的相关系数达到0.77，可见，在人为因子、自然因子和内部变率共同作用下，模式可以再现黑潮延伸体海温的变化情况。而在控制试验中，海温的年代际振荡现象仍然存在，并且在70年代末由正异常转变为负异常，这恰好对应PDO由负位相转变为正位相，因此黑潮延伸体区SST年代际振荡主要是由气候系统内部变率，即PDO主导的。对比3组试验的曲线，发现只有全强迫试验能够表现出20世纪的增暖趋势，自然强迫试验和控制试验中均未再现这一现象，因此可以推断黑潮延伸体区域SST在20世纪的增暖趋势主要是由于人为因子导致的。因此，在不同时间尺度上考察海温的变化，其主导因子可能不同。

图2 观测和模拟的太平洋纬向平均SST距平随时间的演变

3.3 SST变化主导模态比较

图5a—d给出了观测SST的EOF前两个模态的空间分布和时间序列。从空间型来看，第一模态表现为全海盆尺度的变化，且方差贡献达到了47.8%（见图5a）；第二模态表现为PDO分布形态，赤道中东太平洋增暖，北太平洋变冷，方差贡献为21.2%（见图5c）。从时间序列来看，PC1表明出20世纪太平洋SST变化有3个阶段，即20世纪初至40年代增暖期，40—70年代微弱变冷期，70年代以后的迅速增暖期（见图5b）；PC2揭示了太平洋SST的年代际振荡现象，在70年代末PDO由负位相变为正位相，即北太平洋中部、黑潮及其延伸体附近变冷，而在加利福尼亚沿岸和热带中东太平洋变暖（见图5d），这与Mantua等［13］的结论相一致。因此，观测中的第一模态为全海盆尺度的震荡上升模态，PC1反映了20世纪太平洋平均的SST的3个时段的变化特点；第二模态为PDO型，在70年代末存在一次明显的年代际转型。D'Orgeville和Peltier［29］指出EOF方法不能完全区分PC1和PC2中关于年代际振荡的部分，这主要是由于该文中对太平洋SST进行了去趋势处理，并且EOF的区域为北太平洋海域；而本文主要关注20世纪太平洋海温的增暖现象，因此并未进行去趋势处理，并且所选择的EOF分析的区域也有所不同，因此得到的前两个主导模态的空间分布和时间序列都与文献［29］文中的有所不同。

图3 观测和模拟的两段增暖时期中太平洋SST变化趋势分布

图4 13 a低通滤波的黑潮延伸体区域SSTA的时间序列

图5e—h给出了全强迫试验的EOF前两个模态的空间分布和时间序列。从空间型来看，第一模态对应全海盆尺度的震荡变暖型，但黑潮延伸体区有微弱的冷异常，该模态的方差贡献为61.4%，比观测大（见图5e）；第二模态为PDO分布型，赤道中东太平洋与北太平洋SST反位相振荡，方差贡献为15.9%，与观测中EOF2的空间相关达到0.72（见图5g）。从时间序列来看，PC1可以较好地模拟出两段增暖期（见图5f）；PC2可以再现PDO的年代际振荡现象，并且在70年代末恰好存在年代际转变，由负位相转到正位相（见图5h）。从时间序列的演变来看，全强迫试验结果与观测的结果基本对应。因此，全强迫试验基本可以模拟出20世纪太平洋SST的变化情况，对于前两个模态的空间分布和时间序列都模拟的较好，只是方差贡献略有偏差。

图5i—j给出自然强迫试验EOF第一模态的空间分布和时间序列。从空间型来看，第一模态表现为类似PDO的形态，但在高纬度有正异常出现，方差贡献为44.4%，与观测的EOF2的空间相关为0.59（见图5i），表明在没有人为影响的情况下，20世纪太平洋海温的主要模态是PDO型。从时间序列来看，自然强迫试验的PC1亦呈现出年代际振荡现象，但周期比观测偏长，在20世纪60年代存在一次明显的年代际转型，比全强迫的结果提前了10 a左右（见图5j）。

图5k—l给出控制试验EOF第一模态的空间分布和时间序列。从空间型来看，第一模态为PDO型，并且与自然强迫试验第一模态的分布十分类似，与观测的EOF2的空间相关为0.75，方差贡献为32.2%，比自然强迫试验小（见图5k）；从时间序列看，控制试验的PC1亦存在年代际振荡的现象，但在70年代附近并没有明显的年代际转型现象（见图5l）。

综上所述，全强迫试验可以很好地模拟出20世纪太平洋海温的变化情况，并且可以再现全海盆尺度的震荡上升模态，尤其是两段增暖阶段都模拟地较好，PDO海温型在70年代末发生年代际转型的特点也得以再现。自然强迫试验和控制试验结果证实，在没有人为因子作用下，PDO的海温型成为主导模态，它是由模式内部固有变率产生的，并且在自然因子作用下方差贡献加大。因此，两段增暖时期中全海盆尺度上的震荡增暖是由人为因子引起的，70年代末的年代际转型主要是由于自然因子导致的，但人为因子使得年代际转型滞后了10 a左右，亦即人为影响能够“调谐”自然变率的位相，这与Meehl等［18］的结论相符。

为了考察导致20世纪70年代末年代际转型的影响因子，参照Meehl等［18］，通过计算观测SST与不同海温型的空间相关系数的时间演变，来估算不同海温空间型对观测海温变化的贡献。图6a给出了HadISST资料分别与全强迫试验的前两个模态、自然强迫试验的第一模态、控制试验的第一模态的空间相关系数的时间演变序列。从结果来看，相关性最大的空间分布型是全强迫试验的前两个模态，相关系数均超过0.2，统计显著性水平为0.01，控制试验和自然强迫试验的相关系数都很低，乃至出现负相关，这表明全强迫下的全海盆一致增暖和PDO的海温分布型是20世纪太平洋海温变化的主导模态。

将观测资料对这4个主要模态做投影，即对观测资料做EOF分析时，将空间分布场分别换作这4个主要的空间模态，得到各自的时间序列，代表在观测资料中，这4个主导模态的贡献随时间的演变情况，如图6b所示。在20世纪太平洋的海温变化中，这4个主要的空间型在70年代末均存在明显的年代际转型，但对于观测中70年代末PDO由负位相转变为正位相的过程中起作用的主要是自然强迫的第一模态，其时间序列在70年代末有明显的从负位相到正位相的转变；其次是全强迫试验的第二模态；全强迫试验的第一模态也有贡献；内部变率则起到相反的作用，即从正位相变到了负位相。以上结果再次证明，70年代末的PDO转型主要是自然因子导致的，而人为因子也有贡献。

图5 13 a低通滤波后EOF的空间分布和时间序列

图6 13 a低通滤波的HadISST分别与全强迫试验的EOF1、EOF2、自然强迫试验的EOF1、控制试验的EOF1的空间相关系数的时间演变（a），HadISST对以上4个空间型作投影的时间序列（b）

4 讨论

为进一步理解SST变化的成因，下面给出混合层平均的海温诊断方程：

图7 海表面长波辐射对HadISST第一模态的回归（a）全强迫试验和（b）人为因子贡献

对于观测中第二模态PDO海温型的成因，已有研究表明，PDO是海气系统内部自然振荡，并涉及与上层海洋热力调整有关的若干慢变物理过程，如海洋Gyre输送、Rossby波传播、Subduction输送等［17］，因此混合层平均的海温诊断方程在这一现象中可能并不适用。由于20世纪气候模拟试验本质是大气辐射强迫的影响，本文重点分析大气过程的贡献。利用20CR_v2资料、全强迫、自然强迫、控制试验的海表面热通量与观测中海温的PC2作相关，来分析各项热通量对PDO海温型的贡献情况，表3分别给出了对于PDO信号最显著的两个区域，黑潮延伸体区（20°～40°N，140°E-170°W）和赤道中东太平洋海域（10°S -10°N，150°～90°W）区域平均的热通量与PC2的相关系数。在黑潮延伸体区，在再分析资料中，净热通量与PDO的相关为-0.26，统计显著性水平为0.05，这主要来自短波辐射的贡献（相关系数为-0.32）；在全强迫试验中，短波辐射的相关系数亦达到-0.48，这与Zhou等［20］认为在北太平洋SST的年代际变化中短波辐射占主导作用的结论相一致。在赤道中东太平洋海域，再分析资料和全强迫试验中海表面净热通量与PDO的相关系数都不显著，这表明在该区域动力过程起主导作用，这主要是由于该海域温跃层较浅、海洋动力过程较强所致。总的来看，海表面热通量与PDO演变的相关性都不强，这表明PDO的海温型主要是受到海洋内部动力过程的影响，大气外强迫变化所引起的热通量变化不是主要驱动因子。

表3 黑潮延伸体和赤道中东太平洋区域平均的热通量与PDO时间演变的相关系数（热通量均向下为正）

5 结论

本文利用LASG／IAP全球“海-陆-气-冰”耦合的气候系统模式FGOALS_gl，通过开展耦合模式敏感性试验，模拟了20世纪气候，讨论了外强迫对太平洋SST变化的贡献，外强迫主要包括自然因子和人为因子；另外还通过控制试验考察了内部变率的作用。主要结论如下：

在观测资料中，20世纪太平洋平均的SST变化主要分为3个时段：20世纪上半叶的增暖，40—70年代的微弱变冷，70年代之后的迅速增暖。综合考虑自然强迫因子和人为强迫因子的全强迫试验，可以较好地再现太平洋区域（40°S—60°N，100°E—70°W）平均SST在20世纪总体变化，原始序列与观测的相关系数为0.50，在年代际尺度上与观测相关达到0.86，可以解释观测变化的74.0%。在观测资料中，第1次增暖趋势为（0.25±0.027）℃／（30 a）；模拟试验结果表明，人为因子和内部变率都对其有贡献，全强迫试验的贡献趋势为（0.22±0.039）℃／（30 a），内部变率贡献为（0.09±0.023）℃／（30 a）。在观测资料中，70年代之后的增暖趋势为（0.41±0.032）℃／（30 a），模拟结果表明，人为因子贡献为0.45℃／（30 a），这表明人类活动（主要是温室气体的增加）是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分区域来看，在两个增暖时段中，从海温的变化趋势来看，影响黑潮延伸体区SST变化的主要是自然因子和内部变率，影响其它海域SST变化的则主要是人为因子。

观测资料表明，20世纪太平洋SST变化的主导模态是全海盆尺度的震荡上升模态，其次为PDO振荡型。模拟试验结果表明，人为因子是产生两个增暖时期中全海盆尺度增暖的主要原因，而自然因子是导致SST年代际转型的主导因子，但人为影响有一定的“调谐”作用，使得PDO的年代际转型滞后10 a左右。模式结果显示长波辐射有利于全海盆一致的增暖，这是由于人为因子导致温室气体增多引起的；而对于PDO的海温型，模拟结果表明它主要由海洋内部动力过程导致。

本文的结论只是基于FGOALS_gl单个模式的结果，因此可能具有模式依赖性，结论也可能存在不确定性，后续的工作将会通过对CMIP5模式进行比较来加以验证。

［1］IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis［G］／／Solomon S，Qin M，Manning Z，et al.Contribution of Working GroupⅠto the Fourth Assessment Report of the Intergovermental Panel on Climate Change.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2007：996.

［2］Trenberth K E，Jones P D，Ambenje P，et al.Observations：Surface and atmospheric climate change［G］／／Solomon S，Qin D，Manning M，et al. Climate Change 2007，The Physical Science Basis.Contribution of Working GroupⅠto the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge，United Kingdom and New York：Cambridge University Press，2007：236—336.

［3］周天军，王绍武，张学洪.大洋温盐环流与气候变率的关系研究：科学界的一个新课题［J］.地球科学进展，2000，15（6）：654—660.

［4］Zhou Tianjun，Yu Rucong.Twentieth century surface air temperature over China and the globe simulated by coupled climate models［J］.Journal of Climate，2006，19（22）：5843—5858.

［5］周天军，李立娟，李红梅，等.气候变化的归因与预估模拟研究［J］.大气科学，2008，32（4）：906—922.

［6］Stott P A，Tett S F B，Jones GS，et al.External control of 20th century temperature by natural and anthropogenic forcings［J］.Science，2000，290：2133—2137.

［7］Thomas J C.Causes of climate change over the past 1000 years［J］.Science，2000，289：270—277.

［8］Delworth T L，Knutson T R.Simulation of early 20 th century global warming［J］.Science，2000，287：2246—2250.

［9］Meehl G A，Washington W M，Ammann C M，et al.Combinations of natural and anthropogenic forcings in twentieth-century climate［J］.J Climate，2004，17：3721—3727.

［10］Knutson T R，Delworth T L，Dixon K W，et al.Assessment of twentieth-century regional surface temperature trends using the GFDL CM2 Coupled Models［J］.J Climate，2006，19：1624—1651.

［11］李立娟，王斌，周天军.外强迫因子对20世纪全球变暖的综合影响［J］.科学通报，2007，52（15）：1820—1825.

［12］Meehl G A，Arblaster J M，Branstator G，et al.A coupled air-sea response mechanism to solar forcing in the Pacific region［J］.J Climate，2008，21：2883—2897.

［13］Mantua N J，Hare S R，Zhang Y，et al.A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production［J］.Bull Amer Meteor Soc，1997，78（6）：1069—1079.

［14］Mantua N J，Hare S R.The Pacific decadal oscillation［J］.Journal of Oceanography，2002，58：35—44.

［15］Chang P，Giese BS，Ji L，et al.Decadal change in the south tropical Pacific in a global assimilation analysis［J］.Geophys Res Lett，2001，28（18）：3416—3464.

［16］Bratcher A J，Giese B.Tropical Pacific decadal variability and global warming［J］.Geophys Res Lett，2002，29（19）：24-1—24-4.

［17］杨修群，朱益民，谢倩，等.太平洋年代际振荡的研究进展［J］.大气科学，2004，28（6）：979—992.

［18］Meehl G A，Hu Aixue，Santer Benjiamin D.The Mid-1970s climate shift in the Pacific and the relative roles of forced versus inherent decadal variability.J Climate，2009，22：780—792.

［19］吴春强，周天军，宇如聪，等.热通量和风应力影响北太平洋SST年际和年代际变率的数值模拟［J］.大气科学，2009，33（2）：261—274.

［20］Zhou T J，Yu R C，Li Z X.ENSO-independent variability over the mid-latitude North Pacific：Observation and air-sea coupled model simulation［J］.Adv Atoms Sci，2002，19（6）：1128—1147.

［21］Zhou T J，Wu B，Wen X Y，et al.A fast version of LASG／IAP climate system model and its 1 000-year control integration［J］.Adv Atmos Sci，2008，25（4）：655—672.

［22］Zhou T J，Li Bo，Man W M，et al.A comparison of the medieval warm period，little ice age and 20th century warming simulated by the FGOALS climate system model［J］.Chinese Sci Bull，2011，56：3028—3041，doi：10.1007／s11434-011-4641-6.

［23］满文敏，周天军，张丽霞，等.20世纪温度变化中自然变率和人为因素的影响：基于耦合气候模式的归因模拟［J］.地球物理学报，2012，55（2）：372—383.

［24］满文敏，周天军，张洁，等.气候系统模式FGOALS_gl模拟的20世纪温度变化［J］.气象学报，2011，69（4）：644—654.

［25］Rayner N A，Parker D E，Horton E B，et al.Global analyses of sea surface temperature，sea ice，and night marine air temperature since the late nineteenth century［J］.J Geophys Res，2003，108（D14）：4407，doi：10.1029／2002JD002670.

［26］Compo G P，Whitaker J S，Sardeshmukh P D，et al.The twentieth century reanalysis project［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，2011，137（654）：1—28.

［27］Duchon C E.Lanczos filtering in one and two dimensions［J］.Journal of Applied Meteorology，1979，18：1016—1022.

［28］Thompson D W J，Kennedy JJ，Wallace J M，et al.A large discontinuity in the mid-twentieth century in observed global-mean surface temperature［J］.Nature，2008，453：646—649.

［29］D'Orgeville M，Peltier W R.On the Pacific decadal oscillation and the Atlantic multidecadal oscillation：Might they be related？［J］.Geophys ResLett，2007，34：L23705，doi：10.1029／2007GL031584.

［30］Xie S P，Deser C，Vecchi G A，et al.Global warming pattern formation：Sea surface temperature and rainfall［J］.J Climate，2010，23：966—986.

Contributions of natural and anthropogenic forcings to the twentieth-century Pacific sea surface temperature variability simulated by a climate system model

Dong Lu1，2，Zhou Tianjun1

（1．State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2．Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Contributions of natural and anthropogenic forcings to the twentieth-century Pacific sea surface temperature（SST）decadal variability are evaluated with a climate system model named FGOALS_gl developed by LASG／IAP.The observational data shows that there are three typical periods of the twentieth-century Pacific SST variability：a warming tendency in the early twentieth-century，the weak cooling during 1940s—1970s and the strong warming trend after the 1970s.The first leading mode of the twentieth-century Pacific SST variability features an oscillatorily warming in the whole Pacific basin，and the second one appears as Pacific Decadal Oscillation（PDO）with a significant inter-decadal transition in the late-1970s.The simulations support that the early stage warming is resulted from a combination of the anthropogenic forcing and the internal variability.And the pronounced late twentieth-century warming is dominated by theincrease of greenhouse gases（GHGs）forcing.During the two warming periods of the twentieth-century，the natural forcing and internal variability dominate the changes in Kuroshio Extension（KE）region，and the anthropogenic forcing dominates the changes in other parts of Pacific.The first two leading modes of the twentieth-century Pacific SST variability can be reproduced by the all-forcing run.The PDO would become the dominant mode and theinter-decadal transition would take placein the mid-1960s if the anthropogenic forcing is not included.These results indicate that the anthropogenic forcing dominates the warming in the whole Pacific basin and leads to a 10 a delay of the inter-decadal transition.Therefore，the inter-decadal transition of PDO phase is caused by natural forcing，while the anthropogenic forcing can modulate the transition point.

climate system model；twentieth-century Pacific sea surface temperature variability；natural forcing；anthropogenic forcing；internal variability

P732.6

A

0253-4193（2014）03-0048-13

2013-01-09；

2013-05-28。

海洋公益性行业科研专项（201105019-3）；全球变化国家重大科学研究计划项目（2010CB951904）；国家重点基础研究发展计划项目（2012CB955202）。

董璐（1987—），女，山东省青岛市人，主要从事海洋年代际变率研究。E-mail：donglu＠mail.iap.ac.cn

董璐，周天军.20世纪太平洋海温变化中人为因子与自然因子贡献的模拟研究［J］.海洋学报，2014，36（3）：48-60，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.006

Dong Lu，Zhou Tianjun.Contributions of natural and anthropogenic forcings to the twentieth-century Pacific sea surface temperature variability simulated by a climate system model［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：48—60，doi：10.3969／j.issn. 0253-4193.2014.03.06.