气候增暖对热带大气季节内振荡能量传播的影响研究

蒋国荣，罗坚，陈奕德，沈春，俞永强

（1.解放军理工大学气象海洋学院，江苏南京211101;2.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拟国家重点实验室，北京100029）

1 引言

大气季节内振荡，通常是指显著周期范围在30—60天的大气低频振荡[1-2]。许多研究表明[3-4]，大气季节内振荡是全球大气运动广泛存在的一种重要时变现象，并具有如下几个特征：大气季节内振荡以热带地区最为显著；热带大气季节内振荡主要发生在东半球，其纬向传播以东向传播为主；热带大气季节内振荡的强度具有冬春季较强、夏秋季较弱的季节变化等。由于大气季节内振荡的时间尺度介于月、季尺度之间，因而与短期气候预测有着密切联系，一直是大气科学领域前沿研究课题之一。大气季节内振荡自20 世纪70年代由Madden和Julian[5-6]首先发现，20世纪80年代国内也开始了相关领域的研究[7-9]，并在许多方面作出了贡献[4,9-13]。

全球气候正在变暖已逐渐成为世界上许多科学家的共识[14]，目前普遍认为，过去100年的全球增暖可能是由于人类活动向大气排放温室气体造成的[15]，理论研究和模式模拟也证实了[15]大气温室气体增加能引起全球平均地面气温的升高。其中，二氧化碳（CO2）是影响最大的大气温室气体，它的增加对目前气候增暖的贡献大约为70%[16]。

问题是这种气候变暖趋势会不会对海洋或大气系统产生什么影响？一些研究发现[17-19]，对应于20世纪70年代中期全球地面气温的再度增暖，亚洲地区夏季风活动、青藏高原热量源汇及ENSO 事件的演变出现了大的变化。那么，需要提出的问题是：在气候变暖趋势背景下，作为全球大气运动中广泛存在的季节内振荡的特性是否也会发生一些变化？如果气候变暖趋势会使热带季节内振荡的某些特性发生变化，这种变化必然对短期气候预测准确率产生重要影响，因此，这是一个值得探讨的问题。以往人们往往关注海温等外强迫场对热带大气季节内振荡的影响[13,20]，而探讨气候变化趋势背景下热带季节内振荡特征变化的研究不多，近年来，蒋国荣等[21]、俞永强等[22]利用数值模式模拟方法探讨了相关问题，得出了自然变率下和人类活动影响下热带大气季节内振荡的一些特征变化，如强度特征变化、周期特征及传播特征变化，本文主要针对气候增暖影响热带大气季节内振荡能量传播趋势变化的问题做进一步的系统探讨。

本文首先分析全球变暖特征，然后利用NCAR/NCEP再分析资料（作为实测资料）诊断分析54年的实测热带大气季节内振荡能量传播特性趋势的变化，最后分别利用有、无人类活动影响状况下的耦合气候模式模拟结果做进一步的分析研究。

2 耦合气候系统模式简介和试验结果选择

本文所使用的耦合气候系统模式是由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）近年来发展的耦合气候系统模式FGOALS1.0_g（Flexible Global Ocean- Atmosphere- Land System Model, Version 1.0_g），关于该耦合模式的详细介绍请参考文献[21]，我们利用该耦合模式完成了多个长期数值模拟试验，其中包括了控制试验以及一些CO2浓度增加试验。控制试验，是指大气中CO2浓度保持工业革命前的280 ppm 不变的持续积分，它实质是代表了自然变率下气候变化状况；CO2浓度增加试验中本文选用了CO2浓度从280 ppm 以每年1%速率等比增加到560 ppm 的试验（以下简称加倍实验），加倍实验代表了人类活动影响状况下的一种气候变化状况，这两个试验可以较好地反映有、无人类活动对气候状况变化的影响。本文将分别利用这两个试验的模拟结果，探讨CO2浓度增加导致全球变暖后对热带大气季节内振荡的可能影响。

由于本文研究的主要是热带大气季节内振荡，需要对该耦合气候模式模拟大气季节内振荡的能力进行检验，蒋国荣等[21]的检验结果表明，除周期特征模拟效果较差外，热带季节内振荡强度的空间分布、季节变化及传播特征都较好地模拟出来了，因此，使用FGOALS1.0_g耦合气候模式的模拟结果进行相关的研究分析是可行的。

3 资料和分析方法

文中进行大气季节内振荡诊断分析使用的资料是56年NCAR/NCEP逐日再分析资料，资料的时段为1948—2003年。上述资料均来源于美国国家环境预报中心（National Center for Environment Prediction）和美国国家大气科学研究中心（National Center for Atmospheric Reseach）（可直接从网上获取，网址:http://www.cdc.noaa.gov/cdc/reanalysis/）。由于缺少全球地面气温相关资料，相对应时段的全球气候变化状况的分析结果将直接引用较为公认的IPCC第四次科学评估报告给出的结果。耦合气候系统模式模拟结果资料选择控制试验和加倍试验相对应时段的60年模式大气逐日资料。

描述大气季节内振荡的传播特征的方法通常采用时空谱[2,20]，有关时空谱方法的详细介绍可参考文献[2,23]。由于本文研究的是大气季节内振荡传播特征年际以上尺度的长期变化，为了研究这种长期变化并有效提高时间分辨率，类似文献[2]，在时空谱方法中加入了滑动窗口技术，选择的窗口宽度是365天（1年），滑动步长为1个日历月份。本文研究的区域主要是热带区域，范围是30°S—30°N，为便于比较，时空谱计算中将热带区域划分成了三个纬圈带区域，赤道区域：10°S—10°N；赤道外北热带区域：10°—30°N；赤道外南热带区域：30°—10°S。为滤去高频变化以突出较长时间尺度的变化，本文还采用小波分解方法[24,26]来分析时空谱的长时间尺度的变化趋势。

4 一百多年来全球气候变化状况

图1 是IPCC 第四次科学评估报告给出的研究结果[25]，它给出了1860—2006年这一时间段的全球气温距平值的变化曲线。由图可以明显看出，1850—2006年，这157年时间全球地面气温呈现出明显的增加趋势，共增加了大约0.8°C，并且自20世纪70年代中后期以来的增暖趋势仍在继续。近60年来，即从20世纪40年代末至今，也即对应于后面时空谱分析所选择的时段，全球地面气温在经历了短暂的休整后，在20 世纪70年代中后期开始继续增暖，并且这种增暖趋势似乎仍未停止。目前普遍认为，这一百多年来的全球增暖可能主要是由人类活动向大气排放温室气体造成的［15］。

5 热带大气季节内振荡传播特性的变化

利用时空谱方法对1948—2003年共56年NCAR/NCEP 逐日再分析资料进行了时空谱分析，要素选择速度势，并选择了850 hPa和200 hPa 分别代表高、低层情况。由于采用了滑动窗口技术，实际分析用的资料为1949—2002年共54年。

诊断结果分析表明，利用850 hPa 和200 hPa 速度势资料计算出的54年热带大气所有波数（包括东传和西传分量）的季节内振荡的总能量随时间变化并呈现出增加趋势（图略），为了突出各个波数季节内振荡能量在季节内振荡总能量中的贡献大小，后面对热带大气季节内振荡东、西传特性变化的分析中，采用相对比值，即分析大气某一波数季节内振荡东传或西传分量的时空谱值与季节内振荡的总时空谱值的比值变化，该比值代表了该波数东传或西传分量的季节内振荡能量在季节内振荡总能量中所占的比例。

图2 和图3 分别给出利用时空谱方法计算的1949—2002年赤道地区200 hPa 速度势和850 速度势纬向东传（a）、西传（b）1—6波之和的季节内振荡能量比值随时间变化的曲线。图中曲线经过了小波分解，滤去了高频变化以突出年代际尺度的变化。分析图2和图3可以得出，由于前6个波的季节内振荡能量（东传分量与西传分量之和）占据了季节内振荡总能量的大约98%，采用前6 个波具有代表意义，无论是高层（200 hPa）还是低层（850 hPa）东传波的能量强于西传波；在1949—2002年这54年期间东传波能量呈增长趋势，相反，西传波能量却呈减少趋势。计算结果的更进一步分析表明，无论是赤道外北热带区域和赤道外南热带区域高、低层的时空谱分析也有相同的结果（图略）。上述分析结果表明，自1949年以来的近60年，实际热带大气季节内振荡东传波能量是增长的，而西传波能量相对而言是减少的。那么造成这一变化的可能原因是什么呢？联系到上节分析的气候增暖特征似乎可以推断，可能是气候增暖导致了热带大气季节内振荡的东传波能量的增强，西传波能量的相对减弱。为了证实我们的这一推断，下面将利用耦合气候模式模拟结果，通过对比分析自然变率下和人类活动影响下的热带大气季节内振荡能量传播特性的变化的差异来说明。

6 自然变率下热带大气季节内振荡能量传播特性的变化

极地冰芯分析资料研究表明，18世纪以前的近20万年里，大气中CO2含量长期波动于190—280 ppm左右［15］。只是从19世纪开始，CO2含量持续增加，到1998年已经达到360 ppm，比工业革命前增加了60 ppm，表明19 世纪工业革命开始，人类活动的影响十分明显，导致大气中CO2含量已突破近20万年的变动范围。为了消除人类活动带来的影响以反映自然变率下的气候变化，设计了一个控制试验，即在耦合气候系统模式进行的该控制试验积分中，始终保持CO2含量在280ppm（工业革命前的最高量值）不变，并且不加任何外强迫的影响，所获得模拟结果将仅仅是海-陆-气耦合系统内部自然变率下的气候状况。

图4 是利用FGOALS1.0 耦合气候模式控制试验模拟结果进行时空谱分析得到的赤道地区低层（850 hPa）速度势纬向东传（a）、西传（b）1—6波之和季节内振荡能量比值随时间变化曲线，图中，横坐标是模式年，所选择的控制试验模式大气资料长度是60年，由于时空谱分析中滑动窗口作用，实际分析资料长度为58年。由图可以分析出，东传波的能量强于西传波，这与实测资料诊断分析结果一致，也说明模拟结果反映了真实热带大气季节内振荡的基本特性；进一步的分析可以发现，在控制试验所取的58 个模式年期间，虽然东传波能量比值（或西传波能量比值）存在明显的年代际变化，但它仅是围绕其平均值（平衡状态）的起伏变化，从长期趋势上看，它不存在上升或下降趋势。高层（200 hPa）速度势时空谱分析结果有完全类似的结论（图略）。控制试验代表的是自然变率下的气候状况，因此，可以得出结论：自然变率下的东传波能量比值或西传波能量基本维持的是一个平衡状态，不存在有明显的上升或下降趋势。那么自然就会提出这样一个问题：既然自然变率下的东传波和西传波热带季节内振荡能量是一个平衡状态，实际大气中的东传波和西传波季节内振荡能量的上升和下降趋势是如何产生的呢？是不是人类活动造成的？下面基于人类活动影响下耦合气候模式模拟结果来探讨这些问题。

7 人类活动影响下热带大气季节内振荡能量传播特性的变化

19 世纪的工业革命打乱了工业革命前几千年的大气CO2浓度的平衡状态，造成了大气中CO2浓度的持续增加，为了模拟大气中CO2浓度增加所导致的气候状态的变化，利用FGOALS1.0耦合气候模式设计了一个CO2浓度增加试验，即以工业革命前的大气CO2浓度280 ppm为基数，然后大气CO2浓度以每年1%速率等比增加到560 ppm（2 倍于工业革命前的大气CO2浓度，也称加倍试验），共积分了近百年。本文则选择与上述控制试验相对应的60年时段的模式大气逐日资料来分析人类活动影响下热带大气季节内振荡能量传播特性的变化。

图5 为加倍试验模拟得到的60年全球地面年平均气温与控制试验模拟得到的相对应时段全球地面年平均气温之差的时间变化曲线，它反映了由于大气CO2浓度持续增加所导致的全球地面气温的变化。结果明显显示出，全球地面年平均气温也不断增加，在所选择的60年的时间段里，全球地面平均气温增加了大约0.9°C，这表明，大气CO2浓度持续增加确实能导致全球气候变暖，换句话说，人类活动影响导致了全球气候变暖，这一结果也与许多研究结果是一致的［15］。

那么，在这种CO2浓度持续增加所导致的全球气候变暖背景下，热带大气季节内振荡能量传播特征会出现什么变化呢？图6 是用FGOALS1.0 耦合气候模式加倍试验60年模拟结果进行时空谱分析得到的赤道地区低层（850 hPa）速度势纬向东传（a）、西传（b）1—6波之和季节内振荡能量比值随时间变化曲线，图中结果明显显示出，东传1—6 波之和的季节内振荡能量比值存在一个明显的缓慢上升趋势，而西传1—6波之和的季节内振荡能量比值则存在一个明显的缓慢下降趋势。高层（200 hPa）速度势也有类似的结果（图略）。这表明，CO2浓度持续增加会导致气候变暖，同时，也导致了热带大气季节内振荡东传波和西传波能量的变化，东传波能量增强，西传波能量减少。

8 结论

近百年来，全球增暖趋势已是不争的事实。许多研究表明，这100年多年来的的全球增暖可能主要是由人类活动向大气排放温室气体造成的，本文利用FGOALS1.0 耦合气候模式CO2浓度增加试验（加倍试验）模拟结果也证实了这一点。在这种全球气候增暖的背景下，通过对实测大气热带季节内振荡的传播特性进行诊断研究发现，热带大气季节内振荡的能量传播特征发生了一些变化，热带大气季节内振荡东传波的能量相对增强，而西传波的能量则相对减弱。而由耦合气候模式控制试验模拟结果分析得出，自然变率下的热带大气季节内振荡的东传或西传能量基本上维持一种平衡状态，没有增强或减弱趋势；而由考虑人类活动影响的（大气CO2浓度增加的加倍试验）耦合气候模式模拟结果可以分析得出：CO2浓度持续增加情况下，热带大气季节内振荡的东传波的能量相对增强，而西传波的能量则相对减弱。因此，归纳上述结果可以得出结论：大气CO2浓度增加可以导致全球气候增暖，而全球气候增暖会导致热带大气季节内振荡的能量传播特性发生变化，东传波的能量有增强趋势，而西传波的能量则有减弱趋势。

[1]Madden R A, Julian P R. Observations of the 40-50 day tropical oscillation-a review[J]. Monthly Weather Review, 1994, 122(5):814-837.

[2]陈兴跃,王会军,曾庆存.大气季节内振荡及其年际变化[M].北京:气象出版社,2000.

[3]叶笃正,曾庆存,郭裕福.当代气候研究[M].北京:气象出版社,1991.

[4]李崇银.大气低频振荡[M].北京:气象出版社,1991.

[5]Madden R A,Julian P R.Detection of a 40-50 day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific[J]. Journal of the Atmospheric Sciences,1971,28(5):702-708.

[6]Madden R A, Julian P R. Description of global-scale circulation cells in the tropics with a 40-50 day period[J]. Journal of the Atmospheric Sciences,1972,29(6):1109-1123.

[7]何金海,Murakami T,Nakazawa T.1979年夏季40-50天周期振荡的空间结构及其位相传播[J].南京气象学院学报,1985,(1):56-66.

[8]何金海,Murakami T,Nakazawa T.1979年夏季亚洲季风区域40-50 天周期振荡的环流及其水汽输送场的变化[J].南京气象学院学报,1985,(2):163-175.

[9]Li C Y.Actions of summer monsoon troughs (ridges) and tropical cyclones over South Asia and the moving CISK mode[J]. Scientia Sinica(B),1985,28(11):1197-1206.

[10]Li C Y, Wu P L. An observational study of the 30- 50 day atmospheric oscillations Part I: Structure and propagation[J].Advances in Atmospheric Sciences,1990,7(3):294-304.

[11]Chen L X, Xie A. Westward propagating low- frequency oscillation and its teleconnection in the eastern hemisphere[J].Acta Meteorologica Sinica,1988,2(3):300-312.

[12]巢纪平,林永辉,王斌.海表温度异常对Mddden-Julian振荡的影响[J].气象学报,1996,54(3):258-271.

[13]李崇银,李桂龙.赤道太平洋大气低频振荡与海表水温的关系[J].科学通报,1999,44(1):78-82.

[14]王绍武. 近百年气候变化与变率的诊断研究[J]. 气象学报,1994,52(3):261-273.

[15]张兰生,方修琦,任国玉.全球变化[M].北京:高等教育出版社,2000.

[16]Houghton J 著, 戴晓苏等译. 全球变暖[M]. 北京: 气象出版社,2001.

[17]Wang B. Interdecadal changes in El Niño onset in the last four decades[J].Journal of Climate,1995,8(2):267-285.

[18]赵平,陈隆勋.35年来青藏高原大气热源气候特征及其与中国降水的关系[J]. 中国科学(D 辑:地球科学), 2001, 31(4): 327-332.

[19]何金海,李峰.东亚夏季风与太平洋SSTA关系的年代际变化及其机制研究[M].ENSO 循环机理和预测研究.北京:气象出版社,2003.

[20]Slingo J M, Rowell D P, Sperber K R, et al. On the predictability of the interannual behaviour of the Madden-Julian oscillation and its relationship with El Niño[J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society,1999,125(554):583-609.

[21]蒋国荣,俞永强,何金海.季节内振荡的数值模拟I:模拟的自然变率[J].大气科学,2007,31(3):536-546.

[22]俞永强,蒋国荣,何金海.大气季节内振荡的数值模拟II:全球变暖的影响[J].大气科学,2007,31(4):577-585.

[23]黄嘉佑.气象中的谱分析[M].北京:气象出版社,1984.

[24]林振山,邓自旺.子波气候诊断技术的研究[M].北京:气象出版社,1999.

[25]IPCC.Climate Change 2001:The Scientific Basis[M]. Cambridge,U.K.:Cambridge University Press,2001:882.

[26]董敏, 张兴强, 何金海. 热带季节内振荡时空特征的诊断研究[J].气象学报,2004,62(6):821-830.