增暖背景下亚洲季风区ISO经向传播特征分析

黄应喜 蒋国荣 汪晓娇

(解放军理工大学气象学院二系,南京 211101)

详细摘要

本文基于全球地面气温资料、近六十年（1948－2003）NCEP/NCAR逐日再分析资料（代表自然界状况）和中科院大气所LASG研制的FGOALS—1.0_g耦合气候模式控制试验（代表自然变率状况）及加倍试验（考虑人类活动影响）模拟的60年模式结果资料，利用时空谱分析、小波分析等多种诊断分析方法，主要探讨了自然界状况下、有无人类活动影响状况下，亚洲季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的可能变化情况，目的是研究与人类活动影响有关的全球增暖背景下季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的变化特点。研究得出：

从百年多的全球地面气温资料分析来看，全球地面气温呈现一个明显的上升趋势，近六十年来，上升趋势仍在继续，就所研究的时段而言，1948年至今，全球气候的变化大致分为二个不同阶段，上个世纪四十年代至七十年代中后期的相对平稳期，上个世纪七十年代中后期至今的增暖期。

利用NCEP/NCAR观测资料分析发现，在自然界状况下，对应近六十年的全球气候变暖这一背景，无论是高空还是低空，无论是印度洋区域还是西太平洋区域，亚洲季风区的大气季节内振荡的经向北传波的大气季节内振荡能量比值是逐渐增加的，而南传波的大气季节内振荡能量比值则是逐渐减少的；从区域来看，印度洋地区的变化幅度要比西太平洋地区的大，反映出一定的区域性差异。

利用FGOALS—1.0_g耦合气候模式控制试验六十年的模拟结果分析表明，在自然变率下，无论是高空还是低空，无论是印度洋区域还是西太平洋区域，亚洲季风区大气经向北传或南传的季节内振荡能量虽然存在年际与年代际变化，但从长期来看基本也是维持一种平衡状态，无明显的上升或下降趋势。 进一步利用FGOALS—1.0_g耦合气候模式加倍试验六十年的模拟结果分析发现，在考虑人类活动影响后，全球气候变暖，无论是高空还是低空，无论是印度洋区域还是西太平洋区域，亚洲季风区北传波的季节内振荡能量相对减弱，而南传波的季节内振荡能量相对增强，对比自然变率下的模拟结果，表明人类活动影响导致温室气体增加使得全球地面平均气温增暖对亚洲大气季节内振荡经向传播是有影响的，它改变了季风区大气季节内振荡经向传播特征。但模拟结果与实测结果不一致，则可能与模式本身具有守恒特性而自然界为开放系统有关。

关键词：全球增暖，季节内振荡，时空谱分析，自然变率，人类活动影响。

黄应喜 蒋国荣 汪晓娇

(解放军理工大学气象学院二系,南京 211101)

摘 要

本文基于全球地面气温资料、近六十年（1948－2003）NCEP/NCAR逐日再分析资料（代表自然界状况）和中科院大气所LASG研制的FGOALS—1.0_g耦合气候模式控制试验（代表自然变率状况）及加倍试验（考虑人类活动影响）模拟的60年逐日资料，利用时空谱分析、小波分析等多种诊断分析方法，探讨了自然界状况下、有无人类活动影响状况下亚洲季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的可能变化情况，目的是研究与人类活动影响有关的全球增暖背景下季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的变化特点。研究得出：人类影响导致温室气体增加促使全球地面平均气温增暖会使亚洲季风区ISO经向传播特征发生变化。

关键词：全球增暖，季节内振荡，时空谱分析，自然变率，人类活动影响。

1 引言

季节内振荡，是指显著周期范围在30～60天的大气低频振荡。研究指出，大气季节内振荡是全球大气运动广泛存在的一种重要时间变化现象，它具有如下几个特征：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，其纬向传播以东传为主；热带大气季节内振荡强度具有冬春季强、夏秋季弱的季节变化等。由于季节内振荡的时间尺度介于月季之间，因此与短期气候预测有着密切联系，一直是大气科学前沿研究课题之一。季节内振荡自上个世纪七十年代由Madden和Julian首先发现，八十年代国内也开始了相关领域的研究，并在许多方面作出了贡献。

全球气候正在并且将继续变暖已逐渐成为世界上大多数科学家的共识，目前普遍认为，过去100年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，理论研究和模式模拟也证实了大气温室气体增加能引起全球平均地面气温升高。其中，二氧化碳（CO2）是最重要的大气温室气体，它的增加对目前气候增暖的贡献大约为70%。

虽然过去对热带大气季节内振荡的传播特征分析已经开展了很多研究工作，关于ISO的研究已经取得了一系列的成果，如ISO的基本特征、ISO的纬际和半球际传播及相互作用，动力学机制等。人们对于全球ISO的基本属性认识已经比较清楚。但是，有关ISO各方面的研究并不平衡，总体趋势是，热带区域的研究多一些，中纬度相对少一些；纬向传播的研究多一些，经向传播相对少一些；南亚地区的研究多一些，东亚地区的研究少一些。本文首先分析近六十年来全球变暖特征，然后利用NCAR/NCEP再分析资料（作为实测资料）诊断分析近六十年来亚洲地区大气季节内振荡经向传播特征的变化，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 资料和分析方法

本文研究所使用的实测资料主要是56年NCAR/NCEP逐日再分析资料，资料的时段为1948-2003年。其中，1958-1997年的40年资料由南京气象学院大气资料服务中心提供，1998-2003年与1948-1957年资料由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）提供（网上获取）。

NCEP/NCAR再分析资料，是由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 Research）自1991年开始联合进行的40年（1958-1997）大气资料再分析研究项目。NCEP/NCAR再分析系统采用了当今最先进的全球资料同化系统和完善的数据库，对各种来源的观测资料（包括地基观测、船舶观测、气球观测、无线电探空测风观测、飞机观测，卫星观测等），用统一的资料同化系统进行质量控制和同化。NCEP/NCAR再分析计划有两个独特之处：即覆盖的时段长度和非常综合的观测资料集，该资料集自1996年公开发行CD-ROM以来，已在全世界大气科学研究、教育和业务机构得到广泛的应用，NCEP/NCAR大气再分析研究项目的成果提供了迄今最完整、最系统和使用最方便的大气资料数据库。

本文研究所使用的模拟资料为中科院大气所LASG研制的FGOALS—1.0_g耦合气候系统模式模拟的控制试验（保持工业革命前CO2含量不变的耦合气候模式结果）和加倍试验（CO2浓度以以1％等比增加到2倍工业革命前CO2含量的气候耦合模式结果）相对应的六十年模式大气逐日资料。

通常描述大气季节内振荡的传播特征的方法是时空谱。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，在时空谱方法中加入了滑动窗口技术，窗口宽度是365天（1年），滑动步长为1个日历月份。本文研究主要使用风场资料，经纬网格距是2.5Χ2.5，全球为144Χ73个格点。本文研究的区域主要是热带区域，范围是30S～30N，用时空谱方法分析自然变率下热带大气季节内振荡经向传播特征的变化，我们选取的区域是两个季风区所在的热带印度洋地区（65°E～95°E）和热带西太平洋地区（105°E～135°E）。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来分析时空谱的长时间尺度的变化趋势。 3 全球增暖现象

对全球及两半球气温和三大洋海温资料的分析中，我们得出，全球增暖现象是十分明显的，总体而言，全球、两半球气温甚至三大洋海温都反映出近百年来存在增暖趋势（图略）。当然，研究也发现，这种增暖趋势并不是一个单调上升的过程，而是经历了不同的阶段，气候阶段的划分与时间尺度的选取有关。就年代际时间尺度而言，近六十年来（1948-2003年）的气候状态大致可分为二个阶段，1948-1976年是一个相对平稳的气候阶段，1977年左右气候出现了一次较明显的突变，相对于前一个平稳时期的气候阶段而言，1977-2004年气候进入了一个增暖的气候阶段。

4 亚洲大气季节内振荡的经向传播特征分析

季节内振荡在靠近150hpa高度上有最大振幅，因此使用200hPa速度势来考察对流层上层季节内振荡的规律。由于前六个波在大气季节内振荡总能量中所占的比例相当高，如果将前六个波的南、北传波按传播方向分类求和则可以分析北传波与南传波的整体特征。为分析方便起见，本文主要使用经向北、南传波的季节内振荡能量相对季节内振荡总能量的比值变化用来分析热带ISO的经向传播特征。

4.1自然界状态下亚洲大气季节内振荡的经向传播特征分析

图1～图2分别是用NCAR/NCEP逐日再分析资料计算的印度洋地区和太平洋地区200hPa速度势经向北传（a）、南传（b）1～6波季节内振荡能量比值之和的年代际的变化趋势。

图1用NCAR/NCEP资料计算的200hpa速度势印度洋地区经度带北传（a）、南传（b）1~6波季节内振荡能量比值之和

年代际变化曲线

图2用NCAR/NCEP资料计算的200hpa速度势西太平洋地区经度带北传（a）、南传（b）1~6波季节内振荡能量比值之

和年代际变化曲线

由图可发现这样一个事实：近六十年来，两个地区经向北传波的大气季节内振荡能量比值都是逐渐增加的，而南传波的大气季节内振荡能量比值则都是逐渐减少的；二者的变化基本呈现明显的相反趋势，但存在区域性差异，印度洋地区的变化幅度要比西太平洋地区的大。低空（850hPa）也有类似结果（图略）。以上结果表明，在自然界状况下，随着气候的变暖，热带印度洋地区和热带西太平洋地区200hPa速度势经向波的大气季节内振荡能量变化类似，北传波的大气季节内振荡能量相对都是增加的，而经向南传波的大气季节内振荡能量相对是减少的。

4.2自然变率下亚洲大气季节内振荡的经向传播特征分析

利用中科院大气物理研究所研制的FGOALS—1.0_g耦合气候系统模式控制试验（相当于忽略人类活动影响）模拟结果探讨自然变率下热带季节内振荡年际以上尺度的传播变化特征，了解在无人类活动影响情形下热带季节内振荡在较长时间尺度上的传播变化特性。

图3～图4分别为用耦合气候系统模式控制试验模拟的印度洋地区（65ºE～95ºE）和西太平洋地区（105ºE～135ºE）大气200hPa速度势经向北传（a）和南传（b）1～6波之和季节内振荡能量相对比值的年代际变化曲线。

由图可以看出，两个地区北、南传1～6波季节内振荡能量在总季节内振荡能量中所占比例平均都约为48%左右，这与用NCAR/NCEP资料分析的北、南传波占的比列相当的结论一致，前6个波平均季节内振荡能量巳占季节内振荡总能量的98%（北传与南传之和），表明热带ISO的能量主要以前6个波为主，这也与NCAR/NCEP资料分析的结果相似。由图还可以发现，无论是印度洋地区还是西太平洋地区，无论是北传波还是南传波，无论是高空和低空，整体而言呈现出明显的规律性，这就是，北传波和南传波的变化是反位相的，并且虽然1～6波之和的季节内振荡能量相对比值存在明显的年代际变化，但这种变化总体而言不存在明显的上升或下降趋势，它仅围绕着平均值波动。这一结果表明，自然变率下的热带季风区大气经向北传或南传的季节内振荡能量虽然也存在年际与年代际变化，但从长期来看基本也是维持一种平衡状态。

图3 用FGOALS1.0耦合模式控制试验模拟的印度洋地区大气200hPa速度势经向北（a）、南（b）传1~6波之和季节内

振荡相对比值随时间变化曲线

图4 用FGOALS1.0耦合模式控制试验模拟的西太平洋洋地区大气200hPa速度势经向北（a）、南（b）传1~6波之和季

节内振荡相对比值随时间变化曲线

4.3 人类活动对亚洲大气季节内振荡经向传播的影响

大气圈由于自然和人为因素的干扰处于不断变化之中，其中全球大气成分的变化与人类活动密切相关，根据极地冰芯分析资料，18世纪以前的近20万年里，大气中的主要温室气体之一CO2含量长期波动于190ppm～280ppm左右。但从19世纪开始，CO2含量持续增加，到1998年已达360ppm，比工业革命前增加了60ppm。根据夏威夷群岛上冒纳罗亚山（Mauna Loa）观测前记录，1958年大气CO2含量为315ppm，

1998年达到360ppm，因此，在40年时间里，CO2含量增加了45ppm，平均每年增加的速率为1ppm。Houghton在《全球变暖》一书中总结了可能影响气候变化的因素后指出，到目前为止，温室气体的增加是导致气候变化的最大因子，因此，人类活动的影响主要考虑CO2的变化。

4.3.1 CO2浓度增加对全球气温变化的影响

图5给出了由FGOALS1.0_g耦合模式加倍试验、CO2浓度以1％等比增加到560ppm的加倍试验模拟的选择时段全球地面平均气温随时间变化曲线。可以看出，全球地面平均气温的年变化十分显著；从变化趋势上看，与对应时段的控制试验模拟结果已完全不同（图略），控制试验中的全球地面平均气温在选择时段存在一个缓慢的降低，而CO2浓度的逐渐增加的加倍试验模拟结果表明全球地面平均气温是缓慢升高的，平均从286.2°K上升到大约286.7°K。

图5 由FGOALS1.0_g耦合模式加倍试验（CO2含量以1%等比增加到560ppm）模拟的研究时段

全球地面平均气温随时间变化曲线

4.3.2 人类活动影响下亚洲大气季节内振荡经向传播特征的变化

图6为用耦合模式加倍试验模拟的印度洋地区（65ºE～95ºE）大气200hPa速度势经向北传（a）和南传（b）1～6波之和季节内振荡能量相对比值的年代际变化曲线。由图可以看出，北、南传1～6波季节内振荡能量在总季节内振荡能量中所占比例平均约为48%左右，这与用NCAR/NCEP资料和控制试验分析的北、南传波占的比例的结论一致，前6个波平均季节内振荡能量巳占季节内振荡总能量的98%（北传与南传之和），表明热带ISO的能量主要以前6个波为主，这也与NCAR/NCEP资料和控制试验分析的结果一致。值得注意的是，由图我们可以看出，两个地区北传1～6波之和的季节内振荡能量相对比值虽然年代际的变化存在一些差异，但总体都有明显的下降趋势，而南传1～6波之和的季节内振荡能量相对比值则存在明显的上升趋势，这与自然变率下的情况已有明显不同。西太平洋地区有类似情况（图略）。也就是说，由于人类影响导致温室气体增加并促使全球地面平均气温增暖也会使热带大气ISO经向传播特征发生了变化。

图6 用FGOALS1.0耦合模式加倍试验模拟的印度洋地区大气200hPa速度势经向北（a）、南 （b）传6波季节内振荡相

对比值随年代际变化曲线

但是，我们也注意到，虽然加倍模拟结果证实了温室气体增加所导致的气候增暖会改变季风区经向传播特征，但是所得到的变化趋势是相反的。为什么会出现相反趋势还有待进一步的仔细探讨。这里我们提供一个可能的推测，分析中我们发现，在自然界状况下的亚洲季风区的经向总时空功率谱值近六十年始终是增加的，又由于热带纬向传播的东传能量相对增加，西传能量减少（另文结果），一个增加的总时空功率谱值确保了经、纬向在东传与北传的增加。但加倍试验与控制试验的经向总时空功率谱值则维持平衡状态，由于模拟的热带纬向传播的东传能量相对增加，西传能量减少，要维持平衡，加倍试验只能以相反的变化趋势表现。因此，模式中的一些守恒特性可能与自然界的真实状况存在差异。 5 结论

本文利用全球地面气温资料、近六十年NCEP/NCAR逐日再分析资料和中科院大气所LASG研制的FGOALS—1.0_g耦合气候模式控制试验及加倍试验模拟的60年逐日资料，探讨了自然界状况下、有无人类活动影响状况下亚洲季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的可能变化情况，主要得到以下结论：

全球气候呈现出明显的增暖趋势，从1948年至今的近六十年来，全球气候的变化大致可分为二个不同阶段，上个世纪四十年代至七十年代中后期的相对平稳期，上个世纪七十年代中后期至今的增暖期。

自然变率下的亚洲地区大气季风区经向北传波和南传波同纬向波的变化相似，即虽有年际和年代际的变化，但从整体来看也基本维持一种平衡状态。

考虑人类活动影响后，经向季节内振荡能量相对比值，对于经向北、南传波的总体效果来看，气候变暖，季风区北传波的季节内振荡能量相对减弱，而南传波的季节内振荡能量相对增强，这说明人类活动影响导致温室气体增加使得全球地面平均气温增暖对亚洲大气季节内振荡经向传播是有影响的。

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