熱帶季節內振蕩的年際變化與增暖的耦合

1氣候變化對帶頭氣候的影響由于mad-ulan的隨機性，它通常也被稱為mad-ulan風場和壓縮場，以便首先在熱帶大氣中發現風場和壓縮場。ISO是熱帶大氣在7~90天時間尺度的最強振蕩信號,有明顯的區域分布特征,熱帶印度洋和熱帶西太平洋最強;時域上,ISO強度有明顯的季節變化,冬春季強,夏季最弱。由于其時間尺度介于月、季之間,因而與長期天氣變化和短期氣候異常均有密切關聯,一直受到氣象學界的廣泛重視。一些研究還表明,季節內振蕩既有明顯的季節變化也存在明顯的年際變化,許多研究將ISO的年際變化與ENSO現象建立了聯系,最近有研究還注意到了熱帶ISO的年代際變化。全球氣候正在并且將繼續變暖已逐漸成為世界上大多數科學家的共識,令人感興趣的問題是這種氣候變暖趨勢會對海洋和大氣環流系統產生什么影響?許多研究發現,20世紀70年代中期氣候系統出現了一次躍變(這與全球地面氣溫的再度增暖是對應的),導致ENSO事件演變、青藏高原熱量源匯及夏季風活動均產生了大的變化。Slingo等在研究熱帶ISO與熱帶海洋SST之間的關聯時也發現,在年際變化上二者顯示了一個弱的并不顯著的關系,但在年代際變化上二者似乎存在更好的關聯。這給予我們一個提示,是否熱帶ISO的較長尺度的變化與增暖有關?考慮到中國科學院大氣物理研究所發展的耦合模式已經成功地用于氣候研究的許多方面,在本文我們將利用該耦合模式進行數值模擬并從以下二方面進行研究:一是自然變率(無人類活動影響)下熱帶ISO的變化特征;二是氣候增暖背景(有人類活動影響)下熱帶ISO的可能變化。這是因為任何實際的氣候變化都是由氣候自然變化與人類活動、其他外部強迫因子引起的變化疊加而成的,而目前普遍認為,過去100年的全球增暖可能主要是由人類活動向大氣排放溫室氣體造成的,理論研究和模式模擬也證實了大氣溫室氣體增加能引起全球平均地面氣溫升高。通過對上述兩個方面的對比分析研究,就可以區分出熱帶ISO的哪些變化是由人類活動(溫室氣體增加)引起?哪些變化可能是自然的變化?由于只有用模式才能產生自然變率,因此,數值模擬研究是開展上述兩方面研究的唯一手段。Slingo等利用大氣模式比較計劃(AMIP)中15個AGCM模擬ISO的結果顯示,大氣環流模式模擬ISO普遍存在以下不足:低估了ISO振蕩強度,未能體現出ISO的季節性特點,模擬的季節內振蕩周期偏短等。根據簡單海-氣耦合模式能較好地模擬ISO這一特點,李薇等利用完全耦合模式對ISO模擬效果開展了一些敏感性試驗和評估,研究結果表明,利用完全耦合模式再現ISO的季節性特征更真實,反映了海氣耦合對ISO的調制作用,這也表明耦合模式較單純大氣環流模式優越,再考慮到研究的時間尺度較長,因此,采用耦合氣候模式進行熱帶大氣季節內振蕩的模擬將是較好的選擇。本文的研究目的是利用FGOALS1.0_g耦合模式控制試驗模擬結果探討在工業革命以前(忽略人類活動影響)熱帶季節內振蕩年際以上尺度的變化特征,也就是在自然變化下熱帶季節內振蕩年際以上時間尺度的變化特征,一方面了解無人類活動影響情形下熱帶季節內振蕩在較長時間尺度上的變化特性,另一方面也為進一步研究人類活動對季節內振蕩的影響(將另文討論)奠定基礎。2模型總結、數據和方法2.1海洋分量模式本文中所使用的耦合氣候系統模式是中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室(LASG)最新發展的第四代耦合氣候系統模式FGOALS1.0_g(FlexibleGlobalOcean-Atmosphere-LandSystemModel,Version1.0_g),該耦合模式利用一個通量耦合器,將海洋、大氣、陸面和海冰四個分量模式耦合在一起,在模式界面上考慮了熱量、動量和淡水通量的耦合,并且沒有使用任何形式的通量訂正技術。其中的海洋分量模式是在LICOM1.0的基礎上改動而來的,主要變化將模式的水平范圍從65°N擴展到北極,同時因受計算機能力的限制,還將模式的水平分辨率由0.5°×0.5°降為1°×1°。改變以后的海洋模式計算速度大為提高,而模式的基本性能與原來差別不大。關于該耦合模式的進一步說明可以參見Yu等的研究工作。該耦合模式的大氣分量模式是GAMIL1.0,該模式是Wang等將NCAR的大氣環流模式CAM2中的物理過程引進到一個新發展的格點大氣動力框架中發展而成的。GAMIL1.0的水平分辨率大約為2.8°×2.8°,模式可以比較成功地模擬大氣的基本型式。FGOALS1.0_g中的海冰分量模式是一個熱力-動力學海冰模式。該海冰模式在垂直方向有5層,其動力學過程是基于彈性-塑性流變學原理,而熱力過程則采用了一種能量守恒的處理辦法。鑒于耦合器要求海洋和海冰模式的格點必須完全一致,在本文中作者將海冰模式的水平分辨率提高到與海洋環流模式LICOM完全一致的1°×1°的經緯網格,而不是原先的將北極點旋轉到大陸上的正交曲線坐標,同時海冰模式也采用LICOM完全一樣的海陸分布。關于該耦合模式的具體描述可以參見Yu等的研究工作。利用該耦合模式,我們完成了多個長期數值模擬試驗,其中包括工業革命前控制試驗以及大氣中二氧化碳濃度從工業革命前的280×10-6以1%等比增加到560×10-6的加倍試驗。本文的第I部分主要利用工業革命前控制試驗(簡稱控制試驗,即模擬的自然變率)模擬結果研究模擬的自然變率下大氣ISO的一些變化特征;第II部分則利用對比控制試驗和加倍試驗模擬的ISO現象,探討全球變暖對ISO的可能影響。2.2與實測資料的對比本文所用資料主要有二類:一類資料是作為實測資料的56年NCEP/NCAR逐日再分析資料,資料的時段為1948~2003年,該類資料主要用于對模式模擬結果評估對比時使用。另一類資料就是利用上述耦合氣候模式模擬的模式結果資料,我們選取了與二氧化碳濃度從工業革命前的280×10-6以1%等比增加到560×10-6的加倍試驗(共70年)所對應的控制試驗中60年逐日模擬結果資料,包括高層(200hPa)和低層(850hPa)經、緯向風,下墊面海表水溫、降水等要素資料,取60年主要是與實測資料的56年NCEP/NCAR資料近似等長,以方便對比。本文所使用的診斷方法主要有ISO指標場方法、時空譜方法、小波分析方法等。3對比各階段的實際應用結果—模擬的自然變率下大氣季節內振蕩的基本特征在進行自然變率下熱帶ISO年際與年代際變化特征的研究之前,首先分析用FGOALS1.0_g耦合模式控制試驗模擬結果模擬的季節內振蕩的一些基本特征,如活躍區位置、季節變化及ISO周期等。Slingo等在利用大氣模式比較計劃(AMIP)中15個模式檢驗AGCM模擬ISO的能力后指出,對氣候基本態的準確描述是模式能夠刻畫出實際的大氣季節內振蕩的先決條件。我們將FGOALS1.0_g耦合模式模擬的氣候基本態與實際的氣候基本態(由NCEP/NCAR資料計算)進行了比較(圖略),發現FGOALS1.0_g耦合模式能很好再現實際的氣候基本態,這為FGOALS1.0_g耦合模式能較好地模擬季節內振蕩奠定了-定基礎。為較好地描述ISO的區域特征、季節變化以及年際、年代際變化特征,本文通過創建一個ISO強度指標場來實現,并借助這個ISO強度指標場,通過對比模擬結果與實際結果(NCEP/NCAR資料得到)來檢驗在季節內尺度上模式的性能。ISO強度指標場的計算過程大致如下:首先,對選定的區域(既可以是全球也可以是整個熱帶區域)的每一點逐日時間序列進行20~100天帶通濾波;然后,利用滑動窗口技術,取滑動步長為1個日歷月份,并以100天為窗口寬度來計算其方差以代表該日歷月份的方差即ISO強度;最后,為消除局地方差的影響,同時計算該點的總方差(用濾波前的時間序列),并取季節內方差與總方差的比值代表所選點的ISO強度。利用上述方法得到的是一個隨時間、空間變化的場,由于它描述的是ISO強度(相對值),故稱之為ISO指標場。圖1給出了利用NCEP/NCAR再分析資料由上述指標場(要素取200hPa速度勢)計算的1月、4月、7月、10月(分別代表冬、春、夏、秋四季)1949~2002年多年平均的全球ISO強度空間分布。此圖代表了全球ISO強度季節變化的平均特征。因20~100天濾波因素,丟掉了兩頭部分信息,為保持完整性,我們采用去掉頭尾兩年不完整結果(以下處理類似)。由圖1可以看出,ISO指標較好地描述了季節內振蕩的空間分布和季節變化特征:ISO活躍區(強度高值區)主要位于熱帶印度洋和熱帶西太平洋;有明顯季節變化,冬春季強,夏秋季弱;冬季,ISO活躍區位置偏南,夏季,ISO活躍區位置偏北。圖2是由FGOALS1.0_g耦合模式控制試驗模擬結果分析得到的不同季節200hPa速度勢的全球ISO強度空間分布圖(58年平均)。由圖2可以發現,首先,模擬的自然變率下的ISO活躍區主要位于印度洋與西太平洋,這與近六十年來的觀測分析結果基本接近,雖然自然變率下的分析結果由于不包括人類活動影響,因而與實測結果不完全具有可比性,但此結果表明,大氣ISO活躍區的位置主要位于印度洋與西太平洋是其基本特征之一;其次,模擬的自然變率下的ISO冬季主要活躍區的位置偏南,夏季偏北的特征也很明顯,這與觀測分析結果的變動趨勢完全一致;第三,模擬的自然變率下的ISO冬春強、夏季弱的季節變化也較明顯;這與實測分析結果一致。但也可以看出,模擬的ISO強度要比觀測結果弱,這可能有兩方面的原因,其一可能是模式本身的問題,因為模擬的ISO強度偏弱是單純大氣環流模式的一個較為普遍的現象,耦合模式可能同樣不能完全避免,這與大氣模式中所取的對流參數化方案有一定關系;其二可能就是自然變率狀況下ISO的特征,關于這一問題可以通過對比考慮人類活動影響的加倍試驗(模擬結果將在第II部分進行討論)。圖3進一步給出了用NCEP/NCAR再分析資料以及海氣耦合控制試驗模擬結果資料對赤道海區(10°S~10°N)200hPa速度勢進行時空譜分析得到的結果,時空譜計算是對每一年資料逐年計算,最后計算多年平均。其中,圖3a為NCEP/NCAR再分析資料計算結果(56年平均),圖3b為海氣耦合控制試驗模擬結果(60年平均)。與NCEP/NCAR結果(圖3a)相比,耦合模式模擬的ISO周期(圖3b)明顯偏弱,且僅在高頻段有一小峰值,表明模擬的自然變率下的ISO周期偏弱。這同樣可能有兩方面原因,其一是數值模式模擬ISO結果的一個較為普遍現象,Slingo等在AMIP比較計劃中所使用的15個模式大多都有這樣的特點,FGOALS1.0_g耦合模式同樣也未能避免;其二可能與自然變率本身有關。是哪方面的原因將在本研究的第II部分作進一步的探討。4模擬的自然變率帶為了探討熱帶ISO強度的年際與年代際變化特征,我們定義一個用以描述熱帶ISO強度隨時間變化的指標。對上面獲得的ISO強度指標場,我們取整個熱帶區域(30°S~30°N,0°~360°E),對該區域的ISO強度指標場進行EOF展開,將所獲得的空間第一特征向量(占總方差的26.54%)對應的時間系數作為熱帶ISO強度指數,由于熱帶ISO強度的季節變化明顯,計算前進行了消除季節變化的處理以便突出年際與年代際變化。空間第一特征向量的空間分布顯示出(圖略),熱帶印度洋與熱帶西太平洋是ISO強度高值區,表明空間第一特征向量代表了熱帶ISO的主要空間分布特征。圖4給出了對應空間第一特征向量的時間系數,即熱帶ISO強度指數的年際與年代際變化曲線,圖中的年際與年代際變化曲線系利用小波的濾波特性由小波分解重構方法計算得出,此圖反映了模擬的自然變率下熱帶ISO強度的年際與年代際變化。由圖4可以看出,模擬的自然變率下的熱帶ISO既存在明顯的年際變化也存在年代際變化。對年際變化的周期特征,我們用Morlet小波進行了時頻分析,結果發現(圖略),模擬的自然變率下熱帶ISO強度存在2~10年之間的準周期變化,其中,前40年10年周期較明顯,但在有些時段也存在2~3年左右的周期變化;后20年以5~7年左右準周期為主。圖4b表明,模擬的58年自然變率下熱帶ISO強度的年代際變化也較明顯,就所研究的時段而言,總體變化趨勢是下降的。最初的15年熱帶ISO強度較強,然后逐漸減弱,在35~53年這個時段最弱,之后又有所增強。為了進一步說明年代際變化的差異,我們選取了兩個時段(如圖4b),選取第2年至第19年這18年代表熱帶ISO強度高指數時段,而35~52年這個時段代表熱帶ISO強度低指數時段。分別計算了這兩個時段模擬的全球ISO強度在不同季節的空間分布圖。在熱帶ISO強度較強時段(圖5),與平均情況相比(圖2),ISO強度與范圍有增強與擴大趨勢,但主要是春季和秋季變化稍明顯,冬季并不明顯。在熱帶ISO強度較弱時段(圖6),ISO強度與范圍則明顯減弱與縮小,但同樣也存在季節性差異,冬季變化不大。如果就高低強度指數時段之間進行對比,自然變率下的熱帶ISO強度的年代際變化是相當明顯的,但是存在季節性差異,冬季變化不大,春秋季最明顯。給出了用NCEP/NCAR資料計算得出的偏冷階段(圖7)和偏暖階段(圖8)不同季節多年平均全球大氣ISO強度的空間分布,階段的劃分是依據全球地面平均氣溫變化特征(圖略)確定的,1948~1976為偏冷階段,1977~2003為偏暖階段。通過圖7、8的對比可以發現,偏暖階段大氣ISO無論是強度還是活躍區范圍均比偏冷階段大,但存在季節性差異,夏秋季十分明顯,冬季不明顯。實測結果在兩個不同階段的變化特征與模擬的自然變率下的高/低指數階段的變化特征基本一致,但實測分析結果似乎表明增暖對應高指數階段,偏冷對應低指數階段,即增暖可能是ISO強度增強、范圍擴大的原因。5自然變率下帶能量的年際變化研究熱帶ISO的傳播特征,通常都是采用時空譜方法,本文也采用此方法。另外,為了方便研究年際與年代際變化,時空譜計算中也采用了滑動窗口技術,并取窗口寬度為365天(1年),滑動步長為1個日歷月份,這樣得到的是逐月的時空譜值。圖9給出了用FGOALS/IAP海氣耦合模式控制試驗模擬的赤道地區(10°S~10°N)大氣200hPa速度勢東傳(圖9a)和西傳(圖9b)1~6波ISO時空功率譜比值(1~6波ISO時空功率譜之和與ISO時空功率譜總和之比)的年代際變化曲線,用以描述自然變率下熱帶ISO主要的東傳和西傳波能量隨時間的變化。其中,1~6波ISO時空功率譜比值是前6個東傳(或西傳)波時空功率譜之和與季節內振蕩總時空功率譜之比,采用比值的目的是比較相對大小。由圖9可以看出,東傳1~6波季節內振蕩能量在總季節內振蕩能量中所占比例平均約為60%,比西傳(38%左右)明顯高,這與觀測中東傳占優的實際情況相似,前6個波平均季節內振蕩能量巳占季節內振蕩總能量的98%(東傳與西傳之和),表明熱帶ISO以前6個波為主,這也與實際觀測相似。由圖9還可以發現,無論是東傳波還是西傳波,雖然1~6波ISO時空功率譜比值存在明顯的年代際變化,但這種變化不存在明顯的上升或下降趨勢,它僅圍繞著平均值波動,用低層850hPa速度勢所得結果相同(圖略)。這似乎表明,自然變率下的熱帶大氣東傳或西傳的ISO能量雖然也存在年際與年代際變化,但從長期來看基本維持一種平衡狀態。作為對比,我們給出的近六十年來實際狀況下的對應結果,圖10是用1948~2003年共56年NCEP/NCAR逐日再分析資料分析得到的近六十年來赤道地區(10°S~10°N)緯向東傳或西傳1~6波之和季節內振蕩能量相對比值的年代際變化曲線。由圖1