刘芸芸1,2 俞永强2 何金海1 张振国3
1南京信息工程大学大气科学系，南京,210044
2中国科学院大气物理研究所大气科学和数值模拟国家重点实验室(LASG)，北京,100029
3江苏省兴化市气象局，兴化,225700
摘 要
利用欧洲中期数值预报中心的ERA40再分析逐日的200hPa风场资料，选取1958—1977年和1980—1999年各20年，对比分析了在全球变暖背景下前后两个时段热带大气季节内振荡(ISO)的特征及其变化。研究表明：近20a来，原来在赤道中太平洋上活跃的ISO减弱，而在中印度洋、孟加拉湾地区ISO变得活跃；全球变暖背景下, ISO的强度变化幅度加大，表明ISO更加活跃，且季节变化明显，冬、春季强，夏、秋季弱；对流层上层的纬向风能量更集中于1—3波,ISO的频率有加大的趋势。还利用中国科学院大气物理研究所LASG发展的耦合气候系统模式FG OAL S21.0g中的控制试验及其二氧化碳浓 度加倍试验结果，分别对应实测资料的前后20年进行对比分析。发现模式对ISO的空间结构模拟较好，但低估了ISO的强度；时空谱分析表明模式结果中包含有更多的纬向风的高频成分，由于能量的分散，导致对ISO活动强度的低估。但通过对模式的控制试验和温室气体增加试验结果的对比分析，发现耦合模式还是较好地反映出在全球变暖背景下ISO在中印度洋、孟加拉湾地区变得活跃、频率加大等变化特征。
关键词：全球变暖，热带大气季节内振荡(ISO)，耦合模式。
1 引 言
大气季节内振荡(ISO)是大尺度热带大气活动最显著的振荡信号之一，也被视为是一种重要的大气环流系统之一。自Madden等[122]发现ISO以来，国际上众多科学家对其进行了广泛的研究，对ISO 的结构特征和基本活动规律有了比较清楚的认识[327]。ISO是发生在全球范围内的大气现象，其中以热带地区更为显著，且有明显的区域分布特征[8]，热带印度洋和热带西太平洋最强。ISO具有纬向1波为主的行星尺度空间结构，在热带地区最为显著，主要以向东传播为主，但也存在西传情况; ISO表现为30—90d的宽频带振荡周期，在50—60天有强谱峰[9];ISO的垂直结构通常表现为对流层上、下反相的“斜压”性;ISO本身存在显著的季节变化和年际变化[10211]，一般在冬春季达到最强；此外，热带ISO强度也存在明显的年际变化，甚至年代际变化。
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[12]，目前普遍认为，过去50a 的全球增暖可能主要是人类活动向大气排放温室气体造成的[13]，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。在近50 a里，仅仅由于增加的温室气体引起的增暖的速率和幅度估计值与观测到的升温值相当，或比后者略大[14]。那么全球变暖的气候趋势会对大气环流及海洋系统产生怎样的影响呢?已有研究发现[15218], 20世纪70年代中后期气候系统出现了一次突变,
第64卷第6期2006年12月
气 象 学 报
ACTA METEOROLO GICA SIN ICA
Vol.64,No.6
December2006
Ξ初稿时间:2005年10月13日；修改稿时间:2006年1月10日。
资助课题：国家自然科学基金项目(90211011)、国家自然科学基金项目(40231004)、科技部“十一五”攻关项目(2001BA611B01)和中国科学院创新团队国际合作伙伴计划项目“气候系统模式研发及应用研究”。
作者简介：刘芸芸，女,1981年生，江西南昌人，硕士，主要从事季风、气候变化研究。Email:liuyy@mail.iap.ac
导致ENSO事件演变、青藏高原热量源汇及夏季风活动均产生了大的变化。利用全球大气环流模式(A GCM)模拟ISO的效果不能令人满意。大气模式比较计划(AM IP)中15个A GCM模拟ISO的结果显示[19]，虽然大多数模式能够反映大气季节内时间尺度的振荡信号，体现对流层上层速度势异常场的东向传播，但严格来讲，尚无一个模式真正再现了观测发现的季节内时间尺度上ISO的最显著振荡信号。作为对比，利用海洋2大气耦合模式模拟ISO要比A GCM好许多[20221]，即使仅考虑大气模式与简化、平板的混和层海洋模式相互作用，也使海气耦合模式对ISO的模拟效果显著提高。
近期蒋国荣等利用NCEP资料计算速度势等来研究热带大气季节内振荡的变化特征，而本文则利用欧洲中期数值预报中心(ECMWF)ERA40中的200hPa逐日风场资料[22223]，考虑到近几十年来全球温度的增暖是从70年代后期开始到现在(图1)[14]，因而选取了1958—1977年和1980—1999年各20年，前20年定义为相对冷期，气温值相对较低，后20年则为全球气温持续上升期，定义为增暖期，对比分析这两个时段季节内振荡(ISO)的不同特征。由于有研究表明[14]，过去50年观察到的大部分增暖可以归咎于人类活动，因此本文仅仅考虑由于人类活动使得二氧化碳浓度加大所导致的全球变暖背景下，利用LASG发展的耦合气候系统模式F G OAL S21.0g中的两个试验结果，工业革命前的控制试验和大气中二氧化碳浓度从工业革命前的280×10-6以1%等比增加到560×10-6的加倍试验，分别对应上述两个
不同的时段，进行模拟研究ISO现象，讨论在全球变暖背景下ISO可能发生的变化
。
图1 1850—2000年全球平均气温距平变化曲线(引自IPCC第三次科学评估报告[14])
Fig.1 Time series of the observed global mean surface air
temperature from1850to2000(from IPCC TAR)
需要特别指出的是,1958—1977年与1980—格兰杰检验
1999年前后两段时间ISO特征的变化，其原因可能
不仅仅是CO2浓度的增加，也许还存在其他的原
唐荣海因。在本文中，我们通过分析一个耦合模式CO2倍
增数值模拟试验结果，试图讨论在耦合模式中全球
变暖是如何影响ISO的时间和空间特征变化的；进
而将模式模拟的ISO在全球变暖背景下的变化与
观测前后20年之间ISO变化特征相比较，分析它
们之间的异同，如果两者相似程度比较大，则非常可
能意味着1958—1977年和1980—1999年两段时间
ISO特征的变化应该主要归因于CO2增加引起的
全球变暖。当然，在最近50年CO2变化幅度不至
于加倍，远小于模式中考虑的CO2浓度变化。我们
这样做，是考虑到目前因为耦合模式对ISO的模拟
返校节皇后能力还十分有限，特别是模拟的ISO强度普遍偏
弱，因此如果仅仅考虑实测的CO2浓度变化，耦合
模式模拟的ISO变化的信号肯定会更加弱。因此
在本研究中我们有意夸大了CO2浓度的实际变化
情形，以利于更清楚地看到在耦合模式中ISO对全
球增暖的响应。当然这样做的结果，使得我们只能
定性地分析ISO在全球变暖背景下的变化特征，而
不能给出定量的描述，我们将在后续的研究工作中427
气 象 学 报 64卷
寻更为妥善的办法解决此问题。
2 模式介绍
1区212漫画本文所使用的耦合气候系统模式是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)最新发展的第4代耦合气候系统模式FG OALS1.02g(Flexible G lobal Ocean2Atmo2 sphere2Land System Model,Version1.02g)，该耦合模式利用了一个通量耦合器将海洋、大气、陆面和海冰4个分量模式耦合在一起，在模式界面上考虑了热量、动量和淡水通量的耦合，并且没有使用任何形式的通量订正技术。其中的海洋分量模式是在L ICOM1.0[25226]的基础上改动而来的，主要变化是将模式的水平范围从65°N扩展到北极，同时还因受计算机能力的限制，将模式的水平分辨率由0.5°×0.5°降为1°×1°。改变以后的海洋模式计算速度大为提高，而模式的基本性能与原来差别不大。该耦合模式的大气分量模式是G AMIL1.0，该模式是Wang等[27]将NCAR的大气环流模式CAM2中的物理过程引进到一个新发展的格点大气动力框架中形成的。
G AMIL1.0的水平分辨率大约为2.8°×2.8°，模式可以比较成功地模拟大气的基本型式。FG OALS1.02
g 中的海冰分量模式是一个热力2动力学海冰模式[28]。该海冰模式在垂直方向上有5层，其动力学过程是基于弹性2塑性流变学原理，而热力过程则采用了一种能量守恒的处理办法。鉴于耦合器要求海洋和海冰模式的格点必须完全一致，在本文中将海冰模式的水平分辨率提高到与海洋环流模式L ICOM完全一致的1°×1°的经纬网格，而不是原先的将北极点旋转到大陆上的正交曲线坐标，同时海冰模式也采用与L I2 COM完全一致的海陆分布。关于该耦合模式的进一步说明可以参见Y u等[29230]的研究工作。
利用该耦合模式已完成了多个长期气候变化数值模拟试验[30]，其中包括工业革命前控制试验(以下简称控制试验)和大气中CO2浓度从工业革命前的280×10-6以每年1%等比增加，大约到第70模式年模式中CO2浓度增加到560×10-6，即CO2浓度加倍(以下简称加倍试验)，然后模式中CO2浓度保持在560×10-6不变继续向前积分150a。从图2可见，由于大气中CO2浓度的加倍，该耦合模式模拟的全球平均气温最终增加大约1.7℃，这个结果和大多数耦合模式的模拟结果基本一致[14]。本文选取了以上两个试验的第200到220模式年各20个模式年的200hPa纬向风，分别对应ECMWF逐日再分析资料的1958—1977和1980—1999年，评估试验模拟ISO的基本能力，利用对比控制试验和加倍试验模拟的ISO现象，探讨在全球变暖背景下ISO可能发生的变化
。
图2 耦合模式CO2加倍试验模拟的全球
平均气温变化曲线
Fig.2 Time series of the simulated global mean surface air temperature a CO2doubling experiment with
the coupled GCM(unit:℃)
3 气候背景场分析
ISO对基本气候态的变化十分敏感，对基本气候态的准确描述是模式能够较好地刻划出实际的大气季节内振荡的先决条件[19]，考虑文章的篇幅，因此仅给出模式加倍试验的20年气候平均之冬季(12,1,2月)和夏季(6—8月)200hPa纬向风及相应的1980—1999年的ECMWF再分析资料结果(图3)。由图可以看到，无论冬夏，模式得到的风场基本型都与实际观测资料相当一致。在热带，对流层上层基本为东风控制。由冬季到夏季，东风中心略向北移，中心强度加强，范围加大。
主要的差别是冬季模式模拟的赤道印度洋向西延伸至大西洋及南美洲北部的东风中心偏强，而在赤道中东太平洋地区的西风带偏弱；夏季,ECMWF分析结果表明赤道东风带贯穿整个热带区域，而模式东风的纬向扩展不够充分，且在印度洋及孟加拉湾地区模拟的东风也明显偏弱。1958—1977年的再分析资料与模式控制试验模拟结果比较也有相似的结论(图略)。模式对纬向风场空间结构的季节变化特征的正确再现使其对ISO的真实模拟成为可能。
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6期 刘芸芸等：全球变暖背景下热带大气季节内振荡的变化特征及数值模拟
图3 模式加倍试验及ECMWF 资料20a 平均的冬、夏季200hPa 纬向风图
(a.ECMWF 资料冬季,b.ECMWF 资料夏季,c.模式资料冬季,d.模式资料夏季；等值线间隔为10m/s ，阴影区表示东风，单位:m/s )
Fig.3 202year (1980-1999)mean 200hPa zonal wind climatology for (a ,c )winter and (b ,d )summer from
the ECMWF data and the 1%/year CO 2increase experiment of FG OAL S 21.0g ,respectively
(Contour interval :10m/s ;the easterlies are shaded ;Unit :m/s )
4 ISO 的周期
分别对ECMWF 资料的前后20年及模式的两个试验的热带地区200hPa 平均纬向风(10°S —10°N 平
均)的时间序列(20a ,7300个样本)做功率谱分析，并
进行红噪音检验(图4)。为更加清楚地显示季节内时间尺度的振荡信号，图4中T 为周期,P 为功率谱值。图中实线为功率谱值，虚线为95%
信度水平
图4 沿10°S —10°N 平均的200hPa 纬向风的功率谱(实线)和95%信度检验线(虚线)
(a.ECMWF 资料1958—1977年,b.ECMWF 资料1980—1999年,c.控制试验,d.加倍试验)
Fig.4 P ower s pectra (s olid line )for the 200hPa zonal wind averaged over ,and the red 2noise spectra (dashed line )for (a.ECMWF data for 1958-1977;b.ECMWF data for l experiment ;d.1%/year CO 2increase experiment )
6结肠腺癌
27 气 象 学 报 64卷
的χ2检验曲线。可以发现,ECMWF 资料反映的20—90d 的周期振荡在95%信度水平是显著的，表现为以50d 左右的周期为峰值的宽频带振荡，其中在后20年(图4b )，周期低于30d 的较高频率峰值明显增加。模式结果也有类似的结论，体现在季节内时
间尺度有多个振荡谱峰，主要集中在30—60d 的频
带范围内，加倍试验中90d 的周期峰值显著，而低于30d 的高频峰值也明显增加，这跟实测资料中后20年的结果相对应。
5 ISO 的强度及季节变化特征
关于ISO 的季节变化，以往的观测研究已经基本确认了冬、春季强而夏、秋季弱的这一特征[12]，而在大气模式比较计划中，几乎所有的大气环流模式在观测的海温强迫下都不能体现ISO 的这一季节性特点，也是许多大气模式普遍存在的一个弱点[19]。为了定
量反映ISO 的活动强度，选择200hPa 纬向风季节内变化的方差作为ISO 指数(图5)，具体做法是计算10°S —10°N 纬向平均的200hPa 纬向风经过20—100d 的带通滤波后的方差[21]，然后做逐日的多年平均以突出其季节变化特征。由图可以看出,ECMWF 资料清楚地反映了ISO 冬春强、夏秋弱的
季节变化特征，而模式结果总体上体现了这一季节变化特征,ISO 指数的峰值基本出现在冬春季，但在夏秋季也有个别强峰值，甚至有些比冬春季时还强，并且模式模拟的ISO 强度普遍都比ECMWF 实测资料反映的ISO 要弱许多。Slingo 等[19]指出，能模拟出强的季节循环的模式就可以模拟出较强的季节内振荡；相反，对ISO 模拟较弱的模式对季节变化模拟也较弱。这也是模式模拟ISO 普遍存在的问题，本文这个模式也不例外
。
图5 ISO 指数的强度2时间序列(虚线为平滑的ISO 指数)
(a.ECMWF 资料1958—1977年,b.ECMWF 资料1980—1999年,c.控制试验,d.加倍试验)
Fig.5 Temporal series of ISO index (solid line ),and its 101days running mean
(a.ECMWF data for 1958-1977;b.ECMWF data for 1980-1999;
d.1%/year CO 2increase experiment )
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27 6期 刘芸芸等：全球变暖背景下热带大气季节内振荡的变化特征及数值模拟
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