CMIP5模式对太阳活动准11年周期激发类拉尼娜型海温的评估

罗无边,刘飞*,陶丽

① 南京信息工程大学 气候动力学中心,江苏 南京 210044; ② 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044

46亿年来,太阳强迫对地球气候的形成和演变有着重要影响,但在相对较短的时间尺度上,太阳强迫对气候的影响一直存在争议(Rind,2002;Lean,2010)。其中一个重要问题是气候系统如何对太阳变率响应及气候系统如何放大此响应。太阳活动的年代际周期是准11 a。在准11 a太阳强迫的影响下,全球气候的变化具有不均匀性(Gray et al.,2010;赵亮等,2011;Mitchell et al.,2015;孙一等,2015;吴玲玲等,2018)。众多研究针对太阳强迫在准11 a周期的峰年对气候系统的影响展开了讨论,并提出了气候系统的响应机制。

太阳准11 a周期变化影响热带气候系统的可能机制有两个。1)“自上而下(top-down)”机制:受太阳直接加热影响的部分平流层区域在峰值年产生了更多的臭氧,这增强了经向的温度梯度,激发出了行星波,又通过波的传播作用于对流层(Kodera and Kuroda,2002;Haigh et al.,2005;陆晏等,2017;施春华等,2018)。不过本文分析时不考虑该机制。因为与观测相比,第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)的平流层年代际变率没有得到很好的模拟(Charlton-Perez et al.,2013;Cai et al.,2017)。不仅如此,对于所有气候模型而言,模拟实际的平流层动力学仍然是一个挑战,模拟平流层变率的缺失也会影响平流层-对流层的耦合(Matthes et al.,2006;赵立龙和徐建军,2015)。2)“自下而上(bottom-up)”机制:亚热带地区相对少云,太阳强迫在峰值年能将更多的能量输送到该地区的海洋表面,使得海表蒸发更多的水分。水分被东北信风带到热带西太平洋,带去更强的降水,使Walker环流增强(Rind,2002;Meehl et al.,2003;van Loon et al.,2007;Roy and Haigh,2010)。Walker环流的增强又使得东北信风和哈德莱(Hadley)环流增强。一方面,热带东太平洋海面下冷水上翻增强,使东太平洋海表温度(Sea Surface Temperature,SST)降低,东西SST梯度增加,信风增强,进一步使得更多的冷水上翻到海表(Meehl et al.,2003)。另一方面,Hadley环流的加强导致副热带的云量减少,这使得更多的太阳辐射能够到达地表,并进一步增强了这些地区的太阳强迫(Meehl et al.,2003;van Loon et al.,2004;van Loon et al.,2007)。为了便于准确分析模式中是否模拟出了上述过程,本文将“bottom-up”机制分为thermostat过程(Clement et al.,1996)和蒸发过程(Haigh,1996)。简而言之,thermostat过程为:赤道接收了均一增加的太阳辐射,但由于东太平洋有冷水上翻抑制增暖,实际上东太平洋比西太平洋增温弱。蒸发过程为:因为副热带的云量少,强的太阳辐射更多地到达副热带地区,使Hadley环流加强,导致副热带的云量更少,更多的太阳辐射到达副热带,形成正反馈。

前人的研究大多基于单模式的模拟结果,目前并不清楚模拟信号是否具有模式依赖性(Meehl et al.,2009;Misios and Schmidt,2012)。多模式研究可以帮助减少不确定性,消除内部变率可能造成的混叠效应,从而更好地表征气候系统对太阳周期的响应(Misios et al.,2016)。本文选取的CMIP5模式汇集了国际上的主流模式,这些模式的模拟结果可为研究提供重要的参考依据。

已有众多学者研究了观测及单个模式中热带太平洋对太阳强迫的响应,但基本聚焦于峰值年及后1～2 a的变化。本文基于多模式评估,拟通过分析再分析资料,得到年代际尺度上太阳强迫峰值年与谷值年的气候系统对太阳活动的响应的差异以及海气耦合过程中对响应的放大作用,并评估CMIP5模式中能否呈现出上述信号以及可能影响的机制。

1 资料与方法

1.1 资料

1.1.1 观测及再分析资料

本文采用SSN来表征太阳活动(徐克红等,2007;袁建刚等,2017)。这是因为早期TSI的重建资料质量较低(Matthes et al.,2006;Gray et al.,2010),而SSN是观测资料,可靠性高。数据由比利时皇家天文台太阳影响数据分析中心(SIDC)提供,资料下载的网站为http://www.sidc.be/silso/datafiles。

本文使用的再分析资料包括:1)美国国家海洋和大气局(NOAA)提供的延伸重建的逐月海表温度(Extended Reconstructed SST V5)(Huang et al.,2017);2)美国国家海洋和大气局-环境科学协作研究所(NOAA-CIRES)的月平均20世纪再分析资料(20th Century Reanalysis V2c)(Compo et al.,2006),包括地表降水、850 hPa的和风场;3)美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的地表潜热通量(Surface Latent Heat net Flux,SLHF,Reanalysis 1)(Kalnay et al.,1996)。以上资料除地表潜热通量的时段为1950年1月—2014年12月外,其余变量的时段均为1870年1月—2004年12月,水平分辨率均采用线性插值方法插值为2.5°×2.5°。

1.1.2 CMIP5资料

模式资料均来自CMIP5的30个全球气候模式历史试验的模拟结果,因为历史实验加入了观测的自然强迫(太阳辐射以及火山强迫等),所以本文的重点仅在于历史试验(historical_r1i1p1)。表1给出了相关模式的基本信息,选取的时间范围为1870年1月—2003年12月。选取的环流场包括海表面温度场、850 hPa风场、地表降水场和地表潜热通量场。由于各模式资料的水平分辨率不一致,所以将所有模式的输出资料统一插值成与再分析资料一致的分辨率。虽然本文只采用了r1i1p1设置的资料,但因为太阳强迫共有十几个周期,所以有足够多的样本去除内部模态。有关CMIP5模式的更多详细内容另请参阅Taylor et al.(2012)。

表1 本文使用的CMIP5模式、所属机构、所用太阳强迫的来源和分类Table 1 CMIP5 models used in the paper,along with their institution，solar forcing and classification

1.2 方法

1.2.1 太阳强迫峰谷年的确定

由于太阳黑子数值的波动较快,峰谷年难以界定,又为了滤除高频变化及ENSO本身的年际变率,对太阳黑子逐月序列做去趋势和3 a滑动平均处理。相应地,其他所用资料均做相同的处理。滤除高频噪声后的太阳黑子数(图1a)清楚地显示了准11 a周期,因此可以确定太阳活动峰值和谷值的年份。所有时段共有12个准11 a周期,挑选的年份如下，太阳峰年:1883,1893,1906,1918,1928,1938,1948,1958,1969,1980,1990,2001年;太阳谷年:1878,1889,1901,1912,1923,1933,1943,1953,1964,1976,1986,1996年。本文所指的太阳活动峰(谷)年均为太阳黑子数序列经滑动平均处理后的一个周期中最高(低)值所在的年份,意味着此年及前后1 a的太阳黑子数较多(少)。

图1 1870—2016年太阳黑子数(SSN)逐月序列(a,灰线;单位:个)以及3 a滑动平均后的序列(黑线)。12个周期的太阳黑子谷值年至之后4 a的SSN合成序列(b,粗黑线),Nio3指数合成序列(c,粗黑线;单位:K);灰色阴影均表示0.5个标准差;4根虚线分别为99%、95%的自举法检验(细灰线)Fig.1 Monthly data of the (a) SSN (gray line;unit:number) from 1870 to 2016,and the sequence of the 3-year running mean (black line).(b) Ensemble SSN from the solar valley year to the next 4 years in 12 cycles.(c) Ensemble Nio3 index (thick black line;unit:K).The gray shading indicates that the ensemble anomaly is smaller than 0.5 standard deviation,and the four thin gray lines are the bootstrap tests of 99% and 95%

2 太平洋对太阳强迫响应的观测结果

“Bottom-up”机制涉及在相对少云的亚热带地区与入射太阳辐射的相互作用以及海-气耦合(Rind,2002;Meehl et al.,2003;van Loon et al.,2004,2007;Roy and Haigh,2010)。本文将讨论此机制在观测中的响应过程,并将此机制分为thermostat过程和蒸发过程,然后展开分析。

在北半球冬季,因为亚热带地区相对少云,太阳峰年相比于谷年,对太平洋的加热增加,所以峰年的太阳强迫能将更多的能量输送到亚热带太平洋的海洋表面,使得向上的海表潜热通量(Latent Heat Net Flux,LHNF)增加(图2a),在对应的区域蒸发了更多的水分。这些水分被东北信风带到赤道西太平洋和赤道辐合区(Intertropical Convergence Zone,ITCZ)以北(图2a),给ITCZ以北、南太平洋辐合带(South Pacific Convergence Zone,SPCZ)和印度尼西亚以东带去了更多的降水(图2b)(van Loon et al.,2004,2007)。在印度尼西亚以东增强的降水使得Walker环流东移并增强,这能从图2c得到验证。从图2c可以看出太阳峰年比谷年,热带太平洋地区海表面气压(Sea Level Pressure,SLP)东高西低,热带东风显著增强。然而,增强的热带东风带从东太平洋只延伸到中太平洋,这意味着Walker环流增强并东移。Walker环流的增强和东移引发了热带中西太平洋上升运动增强,而热带东太平洋下沉运动增强(Gleisner and Thejll,2003)。这个过程即称为蒸发过程。

图2 对12个周期中北半球冬季(12月—次年2月)太阳峰年与谷年的气象要素差进行合成,包括LHNF(阴影;向上的方向为正)和850 hPa气候态风场(箭矢)(a),SST(阴影)和地表降水(黑色等值线,正值为实线,负值为虚线)(b)及SLP(阴影)和850 hPa差值风场(箭矢,超过95%置信水平为黑色)(c),打点区均为超过95%置信水平的区域Fig.2 Ensemble difference of meteorological elements on the Northern Hemisphere winter (December to February,DJF) between the solar peak year and solar valley year in 12 cycles.This includes (a) LHNF (contour;the upward variable is positive) and 850 hPa wind speed (climatology value;vector arrow);(b) SST (contour) and surface precipitation (black contour;the positive value is solid and the negative value is dashed);and (c) SLP (contour) and 850 hPa wind speed (difference value;vector arrow;the black vector exceeds the 95% confidence level from the bootstrap test described in the paper).The dotted areas are significant at the 95% confidence level

另一个与上述过程共同作用的过程是thermostat过程。随着东北信风的增强(图2c),热带东太平洋海洋的上升流增大,海表温度降低,赤道冷舌向西延伸(图2b);赤道东西SST梯度的增加导致东西压力梯度的增加(图2c),这会增强东风和Walker环流,反过来又增强SST梯度。这个正反馈过程也称为Bjerknes反馈(Bjerknes,1969)。总之,强的太阳辐射使亚热带和热带太平洋的气候系统激发出了蒸发过程,与此同时,蒸发过程中增强的热带东风则引发了thermostat过程,这两个过程相互联系,相互补充。

3 CMIP5模式的bottom-up过程研究

评估CMIP5模式中太平洋对太阳峰/谷年响应的模拟能力,首先要确定驱动各模式的太阳强迫是否一致。30个CMIP5模式中,有28个模式是由相同的太阳总辐照度驱动的,使用了Wang et al.(2005)的重建资料,剩下2个模式ACCESS1.0和ACCESS1.3则使用了Lean(2000)的重建资料(表1)。两者只是在长期趋势中的振幅上有所不同,准11 a的太阳周期一致(Gray et al.,2010)。每个模型的大气层顶(Top of the Atmosphere,TOA)均调整过以达到能量平衡,而TOA入射短波辐射通常可以代表作用于模式中气候系统的太阳强迫 (Misios et al.,2016)。大部分CMIP5模式的TOA入射短波辐射有11 a周期(图略),然而有2个模式(IPSL-CM5A-LR和IPSL-CM5A-MR)的入射短波辐射没有11 a周期。通过合成各模式的每个准11 a周期中谷值年及之后4 a的入射短波辐射并加以比较(图3),还有4个模式(BCC-CSM1.1、BCC-CSM1.1(m)、FGOALS-g2和INMCM4.0)的入射短波辐射的振幅和周期与大多数模式有差别(图3)。因此,上述6个模式的数据不再分析。在确保外部太阳强迫一致的前提下,继续分析各模式与观测相比的模拟能力。

图3 CMIP5中30个模式的12个太阳周期从谷值年到峰值年大气层顶的全球平均入射短波辐射通量的合成(灰线代表的模式被剔除)Fig.3 Ensemble mean of incoming shortwave radiation flux at the top of the atmosphere (TOA) of 12 cycles from the solar valley year to peak year in each model (some lines have overlapped each other).The gray line indicates that the pattern has been removed

图4 CMIP5中12个太阳周期的峰年减谷年地表潜热通量(阴影,向上为正值)和冬季850 hPa气候态风场(箭矢)的多模式集合平均差值(打点区域均通过95%的自举法检验):(a)类La Nia;(b)类El NioFig.4 In CMIP5,the multi-model mean (MMM) SLHF (contour) and wind speed of climatology winter 850 hPa (vector arrow) of the difference between solar peak year and valley year of 12 solar cycles.(a) La Nia-like group,(b) El Nio-like group.The black dots are 95% significant according to the bootstrap statistic test

图5 同图4。但阴影表示海表温度,黑色等值线为降水Fig.5 Same as Fig.4,but on SST (contour) and precipitation (black contour)

图6 类拉尼娜组与类厄尔尼诺组的冬季气候态的海温及850 hPa气候态的风场之差(打点区域和黑色矢量箭头通过了95%的显著性检验)Fig.6 The ensemble mean of the DJF climatologic SST and 850 hPa wind difference between the La Nia-like group and El Nio-like group.The dotted areas and the black vector are significant at the 95% confidence level

4 结论与讨论

冬季,峰值年的太阳强迫辐射到相对少云的亚热带地区的能量较谷值年多,从而给赤道西太平洋带去了更多的降水,增强了Hadley环流和Walker环流,最终导致赤道东太平洋的海表温度降低,更多的太阳辐射到达地面,此为蒸发过程。增强的Hadley环流和Walker环流形成了更强的信风,赤道东太平洋海面下的冷上涌流更甚,使得SST降低,冷舌向西扩张。增强的SST梯度又进一步增强了信风,此为thermostat过程。

这项研究表明,太阳变率是太平洋年代际变化的一个强迫来源,需要进一步的研究来评估改善该地区年代际变率的可预测性。由于CMIP6允许世界各国专家自行组织和设计模式比较子计划,其中便有平流层和对流层的动力学比较子计划,这可能对于平流层变率和平流层-对流层交换有着比CMIP5更好地模拟能力(Gerber and Manzini,2016;周天军等,2019),所以后续可以在CMIP6模式中加入“top-down”机制进行讨论。