基于CMIP5资料的热带太平洋和印度洋海温变化与降水变化的关系及其成因分析

杜美芳,徐海明,邓洁淳

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;2.东台市气象局,江苏 盐城 224200)



基于CMIP5资料的热带太平洋和印度洋海温变化与降水变化的关系及其成因分析

杜美芳1,2,徐海明1,邓洁淳1

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;2.东台市气象局,江苏 盐城 224200)

摘要：利用第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)月平均资料,从季节变化角度,对热带太平洋、印度洋海温变化与降水变化的关系及其成因进行了初步分析。20个模式集合平均结果表明:在全球增暖背景下,热带太平洋年平均的海温变化与降水变化符合“warmer-get-wetter”型特征,而季节平均与年平均存在明显的差异;冬季和春季,海温增暖最大区和降水增加区之间存在东西向和南北向的位置偏差;夏季和秋季,二者只存在明显的南北位置偏差,且与冬季和春季的情况相反。热带印度洋的冬季和春季海温变化与降水变化也存在位置偏差。两个热带大洋季节平均的降水变化均是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果。

关键词：全球变暖;热带太平洋;热带印度洋;海温增暖;降水

0引言

20世纪80年代以来,全球气候持续变暖(张楠等,2009),这不仅引起气象学家的注意,政府部门及公众对气候变化的关注也与日俱增。对于这一问题,各国学者从不同角度作了大量研究,并取得了许多有意义的成果(姚洁等,2010)。IPCC第四次评估报告指出,近100 a(1906—2005年)内全球平均气温升高0.74 ℃,且近50 a的平均气温是过去500 a和1 300a中的最高值(IPCC,2007)。全球增暖不仅仅是指全球平均气温的变化,也表现在海表面温度的变化上(李忠贤等,2011)。观测表明,1961年以来,全球海洋平均温度的上升已延伸到至少3 000 m深度,海洋吸收了80%以上被增添到气候系统的热量,且海洋区域的变暖速率比陆地快(廖宏和朱懿旦,2010)。

大量的研究发现,海表温度的增暖表现出明显的不均匀性。热带地区海温增暖的形态表现出赤道加强响应(Knutson and Manabe,1995;Meehl et al.,2000)。Liu et al.(2005)研究了纬向平均的海温结构特征,发现海温增暖最大区出现在赤道地区,并且赤道北侧的海温增暖速率要快于赤道南侧。Meehl et al.(2007)利用IPCC多模式集合资料发现,赤道太平洋地区海温增暖最大,而赤道南侧的副热带地区海温增暖最小。Ma and Xie(2013)也发现了“赤道增暖峰值”和“跨越赤道的增暖梯度”这两种较为突出的海温增暖型。针对海温增暖的这些特征,Seager and Murtugudde(1997)认为,风场的减弱会引起热阻尼变弱,从而导致赤道地区的增暖强于副热带地区。Xie et al.(2010)发现海洋环流和表面通量的调整对海温增暖型的形成起了极其重要的作用,其中上翻阻尼、热力反馈、水平平流和蒸发阻尼是赤道增暖最快的原因。Xie and Philander(1994)提出风蒸发(Wind-Evaporation-SST,简称WES)反馈机制,并以此解释了北半球副热带海温增暖强于南半球副热带地区的原因。Ma and Xie(2013)发现赤道南侧增强的东南信风减弱了海温增暖,尤其是赤道南侧的太平洋地区,而赤道北侧减弱的东北信风则增强了海温增暖,即两半球非对称的信风变化导致北半球副热带海温增暖强于南半球副热带,并可以很好地用WES反馈机制来解释。

于此同时,许多观测事实和模式模拟的结果表明,随着全球变暖,降水强度在加强,而降水的频率在减小(Wilby and Wigley,2002;Trenberth and Stepaniak,2003;Kharin and Zwiers,2005;Meehl et al.,2005;Barnett et al.,2006;Sun et al.,2007;Trenberth and Dai,2007;张文君和谭桂容,2012),气候模式普遍表现出高纬度地区降水增加,而副热带地区降水减少。就年平均而言,热带地区的降水增加(Meehl et al.,2007),干湿季节的季节性降水范围扩大(Chou et al.,2007)。

针对降水的这些变化特征,很多研究者从降水的气候背景场和海温增暖的分布型出发分析其成因,最早提出用来解释降水变化的机制是“rich-get-richer”机制(Manabe and Wetherald,1975;Knutson and Manabe,1995;Wetherald and Manabe,2002),即原本有较强水汽辐合(辐散)和降水多(少)的地区降水将增加(减少)。Chou et al.(2009)利用10个全球气候模式对全球变暖背景下热带地区降水变化的“rich-get-richer”机制进行了评估,发现此机制基本上可以用来解释热带地区的降水变化。较早的Cess试验(Cess et al.,1990)表明,均匀增加的海温会导致降水变化的空间非均匀性,主要气候雨带的降水增加,在此基础之上,不少学者研究了海温的均匀增暖对降水变化的影响(Neelin et al.,2003;Chou and Neelin,2004;Held and Soden,2006;Seager et al.,2010),发现年平均的降水变化具有“wet-get-wetter”型特征,即热带地区主要雨带中心降水将增加,而其两侧及副热带地区降水将减少,这与水汽梯度的增加以及雨带中心以外的干对流有关。Xie et al.(2010)对比了CMIP3多模式与Cess试验的结果发现年平均的降水变化具有“warmer-get-wetter”型特征,且CMIP3模式反映的降水变化与理想海温增暖试验的结果存在明显差异,进一步证明了在全球增暖背景下,海温变化对降水有着重要的作用。此外,Ma and Xie(2013)利用CMIP3的多模式集合研究了海温增暖型与降水变化的关系,发现海温增暖分布的不均匀性是降水变化分布不均匀性的决定性因素。由此可见,目前有关全球变暖背景下年平均的降水变化的机制主要有“wet-get-wetter”和“warmer-get-wetter”这两个机制。

纵观前人对海温变化与降水变化关系的研究,多数是从年平均的角度出发,而没有考虑不同季节中海温变化与降水变化之间的关系。不同季节的海温增暖型与年平均是否存在差异,各个季节的海温变化与降水变化是否仍有一致的配置关系,以及年平均降水变化的两个机制是否能解释不同季节的降水变化都是亟待解决的问题。因此,本文对四个季节分别进行分析,发现各个季节的海温增暖型与年平均情况不同,并且海温增暖与降水增加之间的配置关系也发生了改变。此外,造成四个季节降水变化的机制并不仅仅是上述两个机制的其中之一。

1资料与方法

1.1CMIP5和观测资料

本文使用第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,简称CMIP5)中31个气候模式的历史长期模拟试验数据,选用其中1979年1月—2005年12月的逐月平均海温、降水和风场资料。对于未来预估试验,本文选用中等排放的RCP4.5情景(到2100年温室气体浓度达到的辐射强迫为4.5 W/m2),包括了2041年1月—2050年12月的逐月平均海温、降水和风场资料。

为了与实际观测进行对比分析,选取的观测资料包括:1)1979年1月—2005年12月美国气候预测中心(Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation,简称CMAP)的月平均降水资料,水平分辨率为2.5°×2.5°;2)1979年1月—2005年12月英国Hadley中心(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature data set,简称HadISST)的海表温度资料,水平分辨率为1°×1°。

此外,由于CMIP5各模式资料的分辨率不一致,为了便于分析,利用线性插值的方法将各模式的输出资料与观测资料统一插值到1°×1°的经纬度网格上。

1.2方法

热带局地的降水变化与海温增暖型紧密相关,而局地的海温变化不会明显地影响局地降水,因此这里所指的海温增暖并非简单的局地海温增暖,而是局地海温相对于热带平均海温的变化(Johnson and Xie,2010;Xie et al.,2010;Ma and Xie,2013)。因此,将1991—2000年作为当前气候,2041—2050年作为未来气候,计算了各模式中两个阶段之间的海温差值,而后对热带(20°S～20°N)地区进行区域平均。那么,本文研究的海温变化即为各模式中两个阶段的海温差值减去热带海温差值的区域平均值,最后进行模式平均的结果(模式的选取见第二节)。此外,文中的降水变化和海表面风场变化则直接用这两个阶段的差值表示,并取模式的等权平均。此外,还用到奇偶对称分析方法(管兆勇等,1994)。

2模式的选取与检验

CMIP5模式输出结果较CMIP3更接近历史近期的真实气候平均状况,因为模式的误差是不可避免的,所以理想化模式结果还应得到观测结果的检验。因此将31个模式输出资料与观测资料进行对比,包括热带地区的海温和降水,主要考虑不同模式结果模拟的气候场与实际观测场的相关程度以及标准偏差,从而挑选出所用的模式资料。

图1分别给出了31个模式模拟的热带地区(20°S～20°N)海温和降水与相应的观测场之间的相关系数和标准偏差。从图1a中看到,31个模式的海温模拟场与观测场的相关系数大都超过0.8,但是存在一些相关系数较小的,如HadCM3和bcc-csm1-1-m所模拟的热带地区的海温场与实际观测场相关程度较小。此外,海温场的标准偏差基本都在0.8～1.2之间,但GISS-E2-H、MRI-CGCM3、CNRM-CM5、GISS-E2-H-CC等均小于0.8,说明这四个模式对热带地区海温的模拟相比于观测场偏差较大。降水场相关系数(图1b)大都超过0.7,但GISS-E2-H、GISS-E2-H-CC、inmcm4、bcc-csm1-1-m所模拟的热带地区的降水场与实际观测场相关程度较小,均小于0.7。此外,CSIRO-Mk3-6-0、HadCM3、ACCESS1-3、ACCESS1-0模式所模拟的热带地区降水场与观测场偏差较大,标准偏差均大于1.2。为了更好的表现真实气候平均状况,选取了海温相关系数大于0.8,降水相关系数大于0.7,且标准偏差均位于0.8～1.2的20个模式(表1)。

3年平均情况

Xie et al.(2010)利用CMIP3的模式资料,对比分析不同的多模式集合,发现年平均的降水和海温变化遵循“warmer-get-wetter”型,即降水增加(减少)与局地最大(小)海温增暖基本一致。Ma and Xie(2013)也利用CMIP3的多模式集合资料得到了同样的结果,即海温增暖空间型在决定降水变化中起关键作用,大多数热带降水空间变化对温室气体的响应可以用“warmer-get-wetter”机制来解释。下面利用CMIP5模式输出资料,分别分析热带太平洋和印度洋年平均的海温变化与降水变化是否仍存在这样的关系。

3.1热带太平洋

图1　CMIP5中31个模式模拟的热带地区海温场(a)、降水场(b)与观测场的相关系数及标准偏差(31个字母分别表示31个模式,其顺序与表1一致)Fig.1　Correlation coefficients and standard deviations of (a)sea surface temperature and (b)precipitation over tropical Pacific between observations and 31 models results from CMIP5(Letters represent 31 models that are consistent with the order in Table 1)

表1本文所用的CMIP5中31个模式

Table 1The 31 models from CMIP5 used in this paper

序号模式名称国家大气模式水平分辨率海洋模式水平分辨率AACCESS1-0Australia1.241°×1.875°0.6°×1°BACCESS1-3Australia1.241°×1.875°0.6°×1°Cbcc-csm1-1-mChina0.6°×1°0.776°×1°DCanCM41)Canada2.813°×2.813°0.938°×1.406°ECCSM41)USA0.938°×1.25°0.469°×1.125°FCESM1-BGC1)USA0.938°×1.25°0.469°×1.125°GCESM1-CAM51)USA0.938°×1.25°0.469°×1.125°HCMCC-CM1)Italy0.75°×0.75°1.208°×1.978°ICMCC-CMS1)Italy1.875°×1.25°1.208°×1.978°JCNRM-CM5France1.406°×1.406°0.616°×0.995°KCSIRO-Mk3-6-0Australia1.875°×1.875°0.952°×1.875°LFIO-ESM1)China2.813°×2.813°0.469°×1.125°MGFDL-CM31)UnitedStates2°×2.5°0.9°×1°NGFDL-ESM2G1)UnitedStates2°×2.5°0.857°×1°OGFDL-ESM2M1)UnitedStates2°×2.5°0.9°×1°PGISS-E2-HUSA2°×2.5°2°×2.5°QGISS-E2-H-CCUSA2°×2.5°2°×2.5°RGISS-E2-R1)USA2°×2.5°2°×2.5°SGISS-E2-R-CC1)USA2°×2.5°2°×2.5°THadCM3UnitedKingdom2.466°×3.75°1.25°×1.25°UHadGEM2-CC1)UnitedKingdom1.241°×1.875°0.833°×1°VHadGEM2-ES1)UnitedKingdom1.241°×1.875°0.833°×1°Winmcm4Russia1.5°×2°0.529°×1°XIPSL-CM5A-LR1)France1.875°×3.75°1.208°×1.978°YIPSL-CM5A-MR1)France1.259°×2.5°1.208°×1.978°ZIPSL-CM5B-LRFrance1.875°×3.75°1.208°×1.978°aMPI-ESM-LR1)Germany/Korea1.208°×1.875°1.818°×1.406°bMPI-ESM-MR1)Germany/Korea1.875°×1.875°0.446°×0.449°cMRI-CGCM3Japan1.125°×1.125°0.489°×1°dNorESM1-M1)Norway1.875°×2.5°0.469°×1.125°eNorESM1-ME1)Norway1.875°×2.5°0.469°×1.125°

图2　热带太平洋地区年平均的表面风速(箭矢;单位:m/s)、海温(阴影;单位:℃)和降水(等值线;单位:mm/mon)的变化Fig.2　Annual mean changes in surface wind speed(arrows;units:m/s),sea surface temperature(shadings;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) over tropical Pacific

注：1)为本文选取的20个模式.均表面风场变化、海温变化和降水变化的分布,可以看出,海温增暖区沿赤道分布,其中高值区位于热带东太平洋,海温增暖最大值超过0.5 ℃,且对应有明显的降水增加,增幅最大值超过20 mm/mon。赤道以北的太平洋海温增暖相对较小,而赤道以南的太平洋海温明显下降,尤其是东南太平洋有一个“冷片”,向西北方向延伸,海温增暖最小值超过-0.6 ℃,对应降水明显减少。

图2是20个模式集合平均的热带太平洋年平海表面风场的变化是海温变化的一个重要因素,Xie and Philander(1994)提出的WES(wind-evaporation-SST)反馈机制可以很好地解释赤道南北侧海温增暖的不对称性。从图2中可以看到,赤道以南的南太平洋东南信风明显加强,产生海温增暖最小值,赤道北侧东北信风减弱,使得海温增暖超过0.3 ℃。赤道南北两侧非对称的信风变化导致赤道北侧增暖强于南侧,符合WES反馈机制。此外,赤道地区存在西风异常,使得赤道中东太平洋的冷水上翻减弱,导致海温大幅度增暖。

由此可见,本文得到的热带太平洋年平均海温变化与降水变化之间的关系与前人的研究结果一致,即降水增加区基本对应海温增暖最大区,降水减少区基本对应海温增暖最小区,符合“warmer-get-wetter”机制。

3.2热带印度洋

图3是20个模式集合平均的热带印度洋年平均表面风场变化、海温变化和降水变化的分布,可以看出,热带印度洋海温增暖的大值中心位于阿拉伯海西北部,对应的降水增加,且降水增加值达15 mm/mon,而海温下降的大值中心位于赤道以南的东南印度洋,对应的降水减少值达12 mm/mon,即热带印度洋的海温变化与降水变化均呈东北—西南方向的对称分布,符合“warmer-get-wetter”机制。由此可见,在全球增暖情况下,热带印度洋的海温增暖的不均匀性是造成降水变化不均匀分布的重要原因。

图3　热带印度洋地区年平均的表面风速(箭矢;单位:m/s)、海温(阴影;单位:℃)和降水(等值线;单位:mm/mon)的变化Fig.3　Annual mean changes in surface wind speed(arrows;units:m/s),sea surface temperature(shadings;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) over tropical Indian Ocean

热带印度洋海表面风场的异常造成了海温增暖的不均匀分布,从而进一步影响降水变化的分布。从图3中可以看到,热带印度洋赤道附近存在显著的东风异常,使得赤道以南的东南印度洋温跃层变浅,冷水上翻运动加强,印度尼西亚沿岸的海温降低。而赤道以北的西北印度洋受赤道地区异常东风的影响,温跃层加深,冷水上翻运动减弱,形成了海温增暖的大值区,增暖值达0.25 ℃。

由此可见,热带印度洋赤道地区的异常东风使得印度尼西亚沿岸海温下降,而阿拉伯海海温增暖,两地形成较大的海温梯度,从而使得赤道以南的东南印度洋降水减少,赤道以北的西北印度洋降水增加。

图4　热带太平洋地区季节平均的海温(阴影;单位:℃)和降水(等值线;单位:mm/mon)的变化　　a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.4　Seasonal mean changes in sea surface temperature(shadings;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) over tropical Pacific　　a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn

4季节平均情况

4.1热带太平洋

图4是热带太平洋地区各季节平均的海温变化与降水变化,可见,热带太平洋地区在四个季节总体上均表现出赤道地区海温增暖大值区的降水增加,而赤道两侧海温增暖小的地区降水减少,但与年平均的情况存在显著的差异。冬季,海温增暖大值区位于赤道东太平洋,增暖值超过0.3 ℃,而降水增加区的中心位于赤道中太平洋(160°W附近),降水变化的最大值达35 mm/mon,且偏向赤道南侧,两者存在一定东西向和南北向的位置偏差。此外,赤道以北的东北太平洋海温增暖相对较小,对应降水明显减少(图4a)。春季,海温增暖大值中心移向赤道东太平洋,且强度增强,海温增暖最大值超过0.5 ℃,而降水增加区主要位于赤道中太平洋(145°W附近),相对赤道位置偏南,且强度增强,降水变化的最大值达45 mm/mon,可见两者仍存在一定的位置偏差。此时赤道以北的东北太平洋海温的降低相比冬季进一步增强,范围西伸,对应的降水减少(图4b)。到了夏季,两者间的不一致性更加明显,赤道东太平洋的海温增暖大值区向南、向东移动,最大增暖值仍达到0.5 ℃,而此时降水增加区明显向东北方向移动至赤道东太平洋北侧地区,且降水增加强度变化较小,两者位置存在明显的南北向偏差。此外,赤道以北的东北太平洋的海温增暖强度开始增强,降水也逐渐增加(图4c)。秋季的情况与夏季相似,海温增暖大值区位于赤道南侧的东太平洋,降水增加区偏向赤道北侧,但强度有所减弱,且此时赤道以北的东北太平洋的海温增暖明显增强,对应的降水明显增加(图4d)。

由此可见,热带太平洋季节平均的海温变化和降水变化与年平均相比较,存在明显的差异。冬季和春季,海温增暖大值区与降水增加区中心不仅存在东西向的位置偏差,还存在南北位置偏差,而夏季和秋季,只存在明显的南北位置偏差,且与冬季和春季相反。热带太平洋季节平均的海温变化与降水变化并不遵循“warmer-get-wetter”机制。因此,不能单纯地从年平均的角度研究热带太平洋海温变化和降水变化的关系,还要关注其季节间的差异。

4.2热带印度洋

图5　热带印度洋地区季节平均的海温(阴影;单位:℃)和降水(等值线;单位:mm/mon)的变化　　a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.5　Seasonal mean changes in sea surface temperature(shadings;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) over tropical Indian Ocean　　a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn

图5是热带印度洋季节平均海温变化与降水变化,可以看出,冬季,阿拉伯海地区存在一个海温增暖的大值区,对应的降水增加,而赤道南侧的大部分地区海温也是增暖的,虽然增暖强度较弱,但其对应的降水却显著增加。此外,孟加拉湾东部的海温下降,降水减少。与年平均的情况相比,海温变化与降水变化之间的关系基本符合“warmer-get-wetter”型特征,但是赤道印度洋南侧的80°E附近不符合这个机制,且冬季赤道以南的东南印度洋的海温是增暖、降水是增加的(图5a)。春季,海温增暖的分布情况发生改变,阿拉伯海地区的海温增暖强度有所减弱,而阿拉伯海东南部—斯里兰卡岛沿岸—孟加拉湾一带的海温上升,对应的降水却显著减少,不符合“warmer-get-wetter”型特征。此外,赤道南侧地区的海温增暖加强,对应的降水增加也更加明显。与年平均的情况相比,海温增暖与降水增加的分布仍存在明显的差异(图5b)。夏季,热带印度洋的海温变化与降水变化均发生了显著的改变,海温增暖的大值区向东、向北移至赤道北侧附近,且强度加强,而降水增加大值区从赤道南侧北移到赤道北侧,与海温变化形成较好的位置对应关系。同时,赤道以南的东南印度洋的海温下降,并伴有一个较强的降水减少中心。因此,夏季热带印度洋的海温变化与降水变化符合“warmer-get-wetter”型特征,这与年平均的情况相似,基本符合印度洋偶极子的分布型特征,但仍存在一定的差异(图5c)。秋季,赤道北侧的海温增暖大值区变化较小,但对应的降水增加强度却明显加强。此外,赤道以南的东南印度洋的海温增暖强度进一步减弱,对应的降水减少,即秋季热带印度洋的海温变化与降水变化符合“warmer-get-wetter”型特征(图5d)。

由此可见,热带印度洋季节平均的海温变化和降水变化与年平均相比较,存在明显的差异。冬季和春季,海温变化与年平均分布不同,主要表现在赤道以南的东南印度洋地区,而降水变化则呈现出赤道南北的对称分布,且部分地区海温变化与降水变化并不符合“warmer-get-wetter”型特征。夏季和秋季,海温增暖与降水增加的分布与年平均的情况类似,符合“warmer-get-wetter”型特征,但仍存在一定的差异。因此,季节间的差异也是在研究热带印度洋海温变化和降水变化的关系时需要考虑的一个重要因素。

图6　热带太平洋纬向平均海温变化(阴影;单位:℃)与降水变化(等值线;单位:mm/mon)偶分量(a,b)和奇分量(c,d)的时间演变,以及热带太平洋纬向平均海温(阴影;单位:℃)与降水(等值线;单位:mm/mon)的气候背景场的时间演变(e,f) a,c,e.东太平洋(120°E～160°W);b,d,f.西太平洋(80～160°W)Fig.6　Latitude-time cross sections of (a,b)even component and (c,d)odd component of zonal mean sea surface temperature(shadingds;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) changes over tropical Pacific,together with latitude-time cross sections of (e,f)climatological zonal mean sea surface temperature(shadingds;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) over tropical Pacific a,c,e.eastern Pacific(120°E—160°W);b,d,f.western Pacific(80—160°W)

5季节平均的海温变化与降水变化位置偏差的原因探究

模式中的降水变化有“wet-get-wetter”型特征,即热带主要雨带中心降水增加,其两侧和干的副热带地区降水减少。Chou et al.(2009)认为原本有很强的水汽辐合及降水的地区降水增加,即“rich-get-richer”机制。Ma and Xie(2013)也指出原本降水区降水增加,原本干区降水减少。由此推测,热带太平洋、印度洋季节平均的海温变化与降水变化位置偏差可能与各自的气候背景场的季节变化有关,并且热带太平洋与印度洋之间还存在一定的差异。下面将初步分析导致降水变化的机制。

5.1热带太平洋

根据奇偶分量的分解方式(管兆勇等,1994),将热带太平洋海温变化与降水变化分解为关于赤道对称的奇偶分量,并与海温和降水的气候背景场进行比较,找出二者存在位置偏差的原因,结果如图6所示。

图6a为热带东太平洋海温变化与降水变化的偶对称分量,海温增暖与降水增加均表现为沿赤道的大值带,二者随时间较一致,是“warmer-get-wetter”机制作用的结果。图6c为相应的奇对称分量,可见,1—5月,赤道南侧的海温增暖并不明显,却对应较大的降水增加中心。6月,海温增暖与降水增加都发生转变,降水增加中心移到赤道北侧(10°N附近),而海温增暖大值区相对降水位置偏北,二者并不一致。从气候背景场(图6e)来看,1—5月,赤道南侧有一个明显的海温与降水的大值区,与奇对称分量中的降水增加大值区较一致。6—12月,海温与降水的大值区北移至赤道北侧(10°N附近),与另外一个降水增加大值区一致。因此,对于奇对称分量,降水增加的大值区并不对应海温增暖的大值区,存在明显的位置偏差,而此时降水变化的分布受海温和降水的气候背景场的影响非常明显,即降水的气候背景场使得1—5月的降水增加中心相对于海温增暖的大值区偏南,而6—12月的降水增加中心相对于海温增暖的大值区偏北,主要是“wet-get-wetter”机制作用的结果。至于海温气候背景场的作用,这里不做讨论。

热带西太平洋类似热带东太平洋,偶对称分量的海温增暖与降水增加的大值区均位于赤道附近,且1—7月表现明显,是“warmer-get-wetter”机制作用的结果。奇对称分量的降水增加大值区与海温增暖大值区并不一致,尤其是1—6月,赤道南侧地区的海温增暖强度较弱,而降水却明显增加,此时受其气候背景场的影响明显,即降水的气候背景场使得1—6月的降水增加中心相对于海温增暖的大值区偏南,而7—12月的降水增加中心相对于海温增暖的大值区偏北,主要是“wet-get-wetter”机制作用的结果(图6b、d、f)。

因此,热带太平洋海温的增暖型在一定程度上决定了降水变化的空间分布,主要是降水变化的偶对称分量,符合“warmer-get-wetter”型特征。而奇对称分量随季节存在明显的位置偏差,造成这种现象的原因与海温和降水的气候场紧密相关,主要是“wet-get-wetter”机制作用的结果。对比热带太平洋的年平均与季节平均发现,年平均的海温增暖和降水增加,符合“warmer-get-wetter”型特征,而季节平均与年平均存在不一致性,海温变化与降水变化随时间存在明显的位置偏差,是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果,即二者共同作用形成了全球变暖背景下降水的变化。

5.2热带印度洋

图7给出了热带印度洋海温和降水的气候背景场。对比图5可以看出,冬季,赤道南侧存在一个海温和降水的大值区,解释了赤道南侧较弱的海温增暖却对应较强的降水增加,降水的气候场为降水的增加提供了重要的条件,符合“wet-get-wetter”型特征(图7a)。春季,赤道南侧的海温和降水的大值区向南移动,且强度加强,降水增加的强度也随之加强,而阿拉伯海东南部—斯里兰卡岛沿岸—孟加拉湾一带的降水减少,可能与降水的气候场偏小有关,同样符合“wet-get-wetter”型特征(图7b)。夏季,海温和降水的大值区北移至赤道北部的斯里兰卡岛沿岸—孟加拉湾一带,且强度明显减弱,此时海温增暖和降水增加的大值区均北移至赤道北侧,且降水增加的强度也明显减弱,即降水的变化一方面受海温增暖的影响,一方面也受降水气候背景场的影响,是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果(图7c)。秋季,降水的气候场有所增强,而海温增暖和降水增加的强度也都增强,即降水的变化受海温变化与降水气候场共同的影响,是两个机制的共同作用的结果(图7d)。

热带印度洋降水的变化不仅受海温增暖的影响,还与降水的气候背景场紧密联系,降水的气候场造成了季节平均的海温变化与降水变化存在的位置偏差,即降水变化是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果。

图7　热带印度洋海温(阴影;单位:℃)与降水(等值线;单位:mm/mon)的气候背景场　　a.冬季;b.春季;c.夏季;d.秋季Fig.7　Climatological mean sea surface temperature(shadings;units:℃) and precipitation(contours;units:mm/mon) over tropical Indian Ocean　　a.winter;b.spring;c.summer;d.autumn.

6结论

1)洋年平均表面风场变化、海温变化和降水变化的分布符合WES反馈机制,且降水增加区对应海温增暖最大区,降水减少区对应海温增暖最小区,符合“warmer-get-wetter”型特征。而季节平均的海温变化和降水变化与年平均的情况存在明显差异。冬、春季海温增暖大值区与降水增加区同时存在东西向和南北向的位置偏差,而夏、秋季只存在明显的南北位置偏差,且与冬季和春季的情况相反。

2)热带太平洋海温的增暖型在一定程度上决定了降水变化的空间分布,主要是降水变化的偶对称分量,符合“warmer-get-wetter”型特征。而奇对称分量随季节存在明显的位置偏差,与海温和降水的气候场紧密相关,主要是“wet-get-wetter”机制作用的结果。因此,季节平均是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果。

3)热带印度洋年平均海温变化与降水变化呈东北—西南方向的对称分布,符合“warmer-get-wetter”机制。而季节平均的海温变化和降水变化与年平均情况相比较,也存在明显的差异,尤其是春季阿拉伯海东南部—斯里兰卡岛沿岸—孟加拉湾一带的海温变化与降水变化不符合“warmer-get-wetter”型特征。

4)热带印度洋降水的变化不仅受海温增暖的影响,还与降水的气候背景场紧密联系,降水的气候场解释了季节平均的海温变化与降水变化存在的位置偏差,即降水变化是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果。

此外,本文仅从海温和降水气候背景场的角度分析了热带太平洋降水的变化机制,而没有考虑海洋环流和风应力等因素。热带印度洋降水变化是“warmer-get-wetter”和“wet-get-wetter”两个机制共同作用的结果,文中没有进一步探究这两个机制各自作用和贡献。值得注意的是,在分析热带太平洋和印度洋气候背景场时发现,海温与降水的强度及位置变化较一致,且降水气候场对降水的变化有着重要的影响,那么海温气候场对降水变化的影响及其可能机制也有待进一步的研究。

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(责任编辑：张福颖)

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Relationship between sea surface temperature variation and

precipitation variation over tropical Pacific and Indian

Ocean and its cause analysis based on CMIP5 data

DU Mei-fang1,2,XU Hai-ming1,DENG Jie-chun1

(1.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Dongtai Meteorological Bureau,Yancheng 224200,China)

Abstract:Based on the monthly mean global data from CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5),this paper studies relationship between sea surface temperature(SST) variation and precipitation variation over tropical Pacific and Indian Ocean along with its possible causes from the point of seasonal variation.The ensemble mean results of 20 models show that,under the background of global warming,annual spatial distributions of SST and precipitation variations over tropical Pacific Ocean accord with the “warmer-get-wetter” mechanism.However,the differences between seasonal mean and annual mean are obvious.Both zonal and meridional positional deviations between the local maximum enhanced SST and increased precipitation are detected in winter and spring,but only opposite meridional deviation is detected in summer and autumn.Meanwhile,the similar positional deviation between SST and precipitation exits over tropical Indian Ocean in winter and spring as well.Moreover,seasonal changes of precipitation over two tropical oceans accord with both the “warmer-get-wetter” mechanism and the “wet-get-wetter” mechanism.

Key words:global warming;tropical Pacific Ocean;tropical Indian Ocean;SST warming;precipitation

通信作者：李丽平,博士,副教授,研究方向为区域气候与海气相互作用及低频振荡,li.liping@163.com.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB453200;2013CB430202);国家自然科学基金重点资助项目(41330425);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406024);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

收稿日期：2013-07-23;改回日期:2014-05-08

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20131009001

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)06-0742-11P47

文献标志码：A