全球温度变化中的ENSO分量

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1、近百年全球温度变化中的 ENSO分量龚道溢王绍武（北京大学 地球物理系，北京 100871 ）摘要 首先利用Nino C区海温、Nino3区海温及两个不同的 SOI序列，建立了 1867年春到 1998年春期间的ENSO指数序列。近百年来 ENSO对热带、热带外地区年际尺度的温度变 化有显著影响，热带地区温度变化滞后 ENSO约1个季，热带外地区滞后约 2-3个季。ENSO 能解释同期全球年平均温度方差的14% 46%左右；如果考虑ENSO对温度影响的滞后特征，则能解释的部分提高到 20.6% o ENSO对温度的影响主要是在年际时间尺度上，对近百年来 全球温度变化的长期趋势和年代际变率贡献不

2、大。关键词全球温度 ENSO1刖H在全球气候系统中，ENSO占有重要地位，因此，很早人们就注意到 ENSO对许多区域、 半球或全球平均温度都有不同程度的影响1,2。不过，以往分析ENSO对温度的影响往往限制在某些季节，如对冬季气温，而且更偏重于考虑特定的区域34。近来对ENSO对半球及全球行星尺度温度的可能影响也逐渐开始重视起来，因为人们认识到，近百年来观测到的全球 温度变化中既包含了气候的自然变化，也有人类活动等外部因子的影响，研究气候系统的自 然变化的贡献有多大对于我们正确估计和理解全球变暖的原因和趋势有重要的意义5。Diaz6发现卫星观测的全球月平均对流层下层温度（MSU-2）距平的EO

3、F1的时间系数反映的是ENSO,而其对全球对流层下层温度场的方差解释率是15.1%。而且，MSU-2的对流层下层温度与 ENSO的关系还表现出一定的纬度间的差别：ENSO信号在20芍-20刊平均温度序列中最为突出，而且其变化还有3个月左右的滞后，而对于20代-90 cN及20毛-90芍地区平均温度，ENSO信号并不明显，就全球平均来看，ENSO信号也比较明显，Yulaeva和Wallace7认为这主要是热带地区面积过大造成的。但是，卫星反演温度资料仅仅是近20多年的长度，ENSO事件少。利用60多年的实际地面气温观测资料，Hurrell8研究了南方涛动等因子对北半球中、高纬度地区温度的影响。发

4、现南方涛动和北大西洋涛动两者可以解释 20 N90 N冬季平均温度方差的 44% ,排除北大西洋涛动而计算冬季平均温度与南方涛动指 数的偏相关，则偏相关系数也可达-0.43,如果再刨去北太平洋涛动的影响，则南方涛动对20 N90 N冬季平均温度方差的贡献约在16%左右。本文将在季分辨率基础上， 利用1880年以来一百多年的 ENSO和全球温度资料，对ENSO 对各季节热带、热带外地区及半球和全球平均温度影响的特点等进行分析。2 ENSO指数研究ENSO与温度的关系需要相应的ENSO指标，以往人们多用南方涛动指数（ SOI）或Nino区海表温度（SST）来表示ENSO的强弱。这样做可能有两个方面

5、的问题，一是南方涛动指数本质上反映的是热带大气的状况，而 Nino区海温反映的是赤道太平洋某些区域的海洋环境变化，二者的持续性、变率等特性都有各自的特点，如果仅仅根据某一方来判定日自然科学基金重点项目20世纪中国与全球气候变率研究”（编号:49635190）及博士后基金资助第一作者简介：龚道溢，男,1969年1月生，博士后，从事气候变化及影响和全球变化研究.Nino或La Nina事件结果会有所不同。当然，一般情况下，海温与 SOI有很好的对应关系， 如果单独使用海温或 SOI,也的确能较好地反映热带太平洋地区海-气系统的状态。但是，有很多时候Nino区SST与SOI的变化并不一致，如 194

6、6年Nino区SST都为负距平，但同时 SOI也是负距平，1984年及1985年SST为明显负距平，但 SOI也是负距平，这反映了大气 与海洋状况的不协调，如Trenberth和Hoar9就曾指出许多高频或局地因素会对Tahiti和Darwin气压产生影响，所以有时SOI的变化并不真正反映大尺度的现象。因此，这二者并不能彼此代替，据计算，两者的季平均值只能彼此说明约42%的方差10。所以，如果仅仅只用Nino区SST或者只用SOI,并不能很好代表 ENSO这一热带太平洋海-气系统的变化特征。 另一方面，不管是 SOI还是Nino区SST,早期的记录或多或少有缺失，一些作者用各种方 法进行了插补

7、，其代表性和可靠性都不如近期的完整观测资料。所以，如果综合考虑SST和SOI,能更为真实地反映热带太平洋海-气系统的状态，降低单独使用某一种资料可能带来的误差。建立ENSO综合指数所使用的 SST和SOI资料包括4种。第一是Nino3区SST序列， 这是目前最为系统的海面温度序列。资料来源见Kaplan等11及Cane等12。序列开始于1856年春、到1991年秋，从1991年冬开始用 CPC （美国气候预测中心）的资料续补。第二是 NinoC区SST序列13,序列开始于1867年夏，到1987年冬。王绍武与石伟10曾根据COADS 资料，也建立了 1854年以来Nino C区的SST序列。因

8、此，可以对Angell序列中的缺测作补 充，剔除Angell序列中的明显错误。王绍武与石伟的序列到1989年冬为止。以后的资料用国家气候中心的 SST资料续补。第三是 Jones等的SOI序列，资料来源见Allan等14、Ropelewski与Jones15。序列从1866年春开始，到1997年秋。1997年冬及1998年春用CPC 资料续补。第四是石伟与王绍武的SOI序列。根据与Jones大体相同的资料来源，但早期用了不同的站插补，使序列向前延长到1856年冬16。这个序列采用了 CPC的最新规定，对塔希提与达尔文两个站的气压先分别标准化，然后对其差值再作标准化。同时采用对全年统一 标准化而

9、不是分月标准化，所以1989年后就直接用 CPC每月公报的资料续补。将这4个序列中为月的原始资料都处理为季平均，再把这四个季平均序列分别标准化， 然后再取平均，就得到一个序列即 ENSO指数序列。在相加时取-SOI,这样当SST为正，SOI 为负时指数高。SST为负，SOI为正时指数低，见图 1。根据这个ENSO指数序列，也可以 对近百年来的ENSO事件和强度进行确认17,从1867年春到1998年春，共有32次暖事件 （正SST、负SOI）及32次冷事件（负SST、正SOI）,其中最强的暖事件是 1997/1998年的 这次，季平均 ENSO指数达到2.21,其次为1982/1983年为2.

10、02,其余各次暖事件的 ENSO 指数均在2.0以下。最强的冷事件是1915/1917年这次，ENSO指数为-1.40,其次为1975年及 1988/1989 年，分别为-1.31 及-1.27。3210-1-2-31870188018901900191019201930194019501960197019801990图1 ENSO指数序列(阴影为暖事件，涂黑部分代表冷事件)Fig.1 ENSO index from 1867 (warm events shaded, cold events shown in black.)3全球温度变化与ENSO分析使用的温度资料为 Jones等整编和发表的

11、全球范围月平均陆地气温和表层海温混合 温度距平数据集，5%5吸纬度格点，资料最早从 1856年开始18,最近续补到了 1997年19。 分析之前，统一将各点温度也都处理成季平均值，考虑到早期缺失较多，分析中只用1880年以来资料。首先，从全球平均来看（取80虫60S范围，约占地球表面积的93%,计算时取面积加权平均，下同），1880-1997年，全球季平均温度与季 ENSO指数的相关系数r=0.38，温度落后 ENSO指数一个季的相关系数最大，达0.41,即近百年来全球季平均温度方差的14%-16%左右可以由ENSO来解释。当然，温度的变化不仅有突出的年际变化，而且还有显著的年代际变化和长期趋

12、势。而ENSO指数的功率谱分析表明，主要是2-7年左右的准周期变化。所以为了检测温度中的这种ENSO高频部分信号，分别对温度和 ENSO指数做带通滤波处理， 将包括从准两年振荡到 7年左右周期的部分保留下来。滤波后的高频部分两者的同时相关系数达到了0.58,而且是温度落后ENSO指数2个季相关最大，提高到了0.77,见图2。-0.80.80.40.0-0.4-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 ? 6 3?e ?o o /? C y图2全球平均温度与 ENSO指数的交叉相关系数(实线为根据原始数据计算，虚线为带通滤波后计算结果)Fig.2 Correlatio

13、n between the global mean temperature and the ENSO index calculated by using ofthe original (shown in solid line) and the filtered data (shown in dotted line).表1温度与ENSO指数间相关系数Table 1 Correlation between temperature and ENSO index.原始序列值r 0maxlag带通滤波序列值r 0r maxlag80 N -20 N0.150.17320 N 20 S0.630.681-

14、0.050.2530.770.90120 S 0 S0.180.1920.120.23280 N、00.320.3410.450.6620、60 S0.410.4310.630.76180 N、60 S0.380.4110.580.772r0为同时相关，rmax为最大落后相关,lag为最大相关出现时温度滞后ENSO的季数其次，热带地区与热带外地区也表现出一定的差别。从表 1中可以发现，ENSO指数与 热带地区（20N20 5）温度相关系数最高，原始序列同期相关达0.63,而热带外地区则仅为0.15和0.18。从最大相关的滞后时间看，热带地区温度落后 ENSO变化1个季，而热带外地区则落后23个

15、季。在27年周期段上，北半球中高纬度地区的温度与ENSO指数的相关从同时的-0.05到落后3个季的0.23,提高非常明显。99%信度水平下的相关检验阈值在0.11左右，所以ENSO对热带、热带外地区、半球及全球温度的影响在统计上也是显著的。以往考虑ENSO对全球温度影响时，包括 EOF分析及相关分析大多考虑二者的同期关系，但从前面的分析发现，温度对ENSO的响应有13个季的滞后，如果考虑到这种滞后关系，则ENSO在全球温度变化中所占的份量就可能不仅仅是14%16%左右的比重了。用年平均ENSO指数来拟合全球年平均温度，即建立二者间的线性回归方程，其中ENSO指数为变化因子，把全球年平均温度当作

16、预报量。那么，回归方差的大小就说明ENSO对全球温度变化方差解释的好坏。结果发现ENSO对当年全球温度方差的解释率为13%。因为一次ENSO事件通常都持续一年以上，年平均温度中也必然包含了上年ENSO的影响。所以用当年和上一年的ENSO指数来解释全球年平均温度，则方差解释率提高到20.6%。以往考虑ENSO对季节温度的影响也仅限于考虑同期的关系，如果考虑温度与ENSO的滞后关系，那么对各季温度的解释也会更加合理。对 4个季节同时考虑同期到超前 13个季 的ENSO指数，那么近百年来 122月全球平均温度方差的27.8%能由ENSO解释，这在4个季节中解释率是最高的，其次是35月，解释率为23.

17、8%, 68月及911月较低，分别为18.1% 和 15.8%。0.40.20.0-0.2-0.40.4C 0.2P 0.0 ? 6-0.2 ?-0.40.40.20.0-0.2-0.41880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000图3近百年观测及ENSO拟合的全球年平均温度(a:观测值；b: ENSO指数模拟的温度，即用当年及前一年年平均ENSO指数对温度的拟合值；c:观测温度减掉 ENSO解释的那部分温度之后的剩余值，虚线为线性趋势)Fig.3 global mean temperature, (a) obs

18、erved, (b) computed using ENSO index and (c) the residue by subtracting the computed temperature from the observations. Dotted line in the bottom panel is the linear trend of the residue.一些研究表明ENSO的年代际变率对行星尺度的温度变化可能有影响20,但从近百年来拟合的结果看，虽然观测全球年平均温度的年代际序列与由ENSO指数拟合温度的年代际序列间的相关系数有 0.63,但拟合的温度值比观测值变化幅度要小许

19、多，拟合温度的标准差仅 有0.10C左右，而实际温度的标准差则有0.22。，这说明由ENSO拟合的温度方差只有实际观测值的20.6%,其中年代及以上时间尺度的变率就更小了。所以 ENSO对全球温度变化 的影响主要还是在年际尺度上。这在图3中也非常明显。图 3b是ENSO指数模拟的温度，即用当年及前一年年平均ENSO指数拟合的全球年平均温度，可见还是年际尺度上的变率最突出；图3c是观测温度减掉 ENSO解释的那部分温度之后的剩余值，有显著的上升趋势， 上升速率为+0.45电/100年，这与近百年来的观测温度的增暖幅度十分接近。将观测的全球温度和扣除ENSO贡献后的全球温度序列分别进行低通滤波，剩

20、下的是二者的低频部分，标准 差分别为0.20七和0.18七，这说明扣除了 ENSO的影响后，在年代及更长时间尺度上仍然 有超过80%的方差被保留了下来。因此，单纯考虑ENSO 一个因子并不能很好解释近百年来全球温度的增暖趋势及其年代际变率。4 ENSO影响温度的机制Angell21曾指出ENSO对对流层大气的加热作用可能是通过加强热带地区水份循环实现 的，即当赤道太平洋海表温度升高时，对流活动也将加强，因此大量潜热的释放造成热带对 流层温度的升高。Graham22用数值模式对此进行了模拟研究，用观测的热带海表温度做为边条件来强迫大气环流模式，结果表明能很好模拟出最近几十年来的全球气温增暖趋势，

21、而且 潜热的变化最为明显，自70年代以来全球平均潜热通量大约上升了1Wm-2,而且几次峰值也都与日Nino事件相对应。但是，观测事实显示与ENSO事件密切相关的降水变化主要是热带太平洋地区，而并无证据说明热带太平洋地区对流层中的热量如何存储数个季节之久， 且转移到中、高纬地区。ENSO对温度的影响可能有多种途径，而 ENSO对热带和热带外地区温度影响的不同时滞关系就可能与影响的机制不同有关，热带地区是通过 Walker环流直接影响气候，所以信号强烈，最大滞后时间短。ENSO对热带外地区的影响，一是可以通过 Hadley 环流影响全球的副热带高压23,进而影响气温，另一方面也可以通过遥相关来传播

22、其影响，这些都是间接的影响，所以最大滞后时间也长。而且同时热带外地区温度的变化受其它环流 因素如NAO等的影响很大8,所以ENSO的影响不如热带地区明显。Yulaeva和 Wallace7指出的20 N-90 N平均气温变化中 ENSO信号不明显可能与这种信号较弱及没有考虑ENSO对温度影响的滞后有关。5结论用Nino区海温和SOI建立的ENSO指数能较好地代表赤道太平洋地区的海洋-大气系统状况及描述ENSO变化特征。根据近百年来温度和 ENSO指数资料，发现ENSO对热带、热带外地区及全球温度有显著影响，但主要是年际时间尺度上变率的影响。ENSO能解释同期全球年平均温度方差的14%M6%左右

23、。热带地区温度变化滞后ENSO约1个季，热带外地区滞后约2入3个季。如果考虑ENSO对温度影响滞后1人3个季的特征后，则ENSO对全球年平均温度方差的解释率能 达到20.6%。ENSO对全球温度的影响还有明显的季节差别，122月和35月的影响最大，能解释温度变化的27.8%和23.8%, 68月及911月则较低，分别只能解释18.1%和15.8%。近百年来全球温度变化的长期趋势和年代际变率并不能单纯用ENSO得到解释，要研究近百年来全球温度低频变化的原因还必须考虑其他因子，如人类活动、气候系统内部变率、 火山及太阳活动等因子。参考文献1 Kiladis G N, Diaz H. Global

24、climatic anomalies associated with extremes in the southern Oscillation. J Climate, 1989, 2:10691090.2 Jones P D. The influence of ENSO on global temperatures. Climate Monitor,1988,17(3):8089.3 Halpert M S, Ropelewski C F. Surface temperature patterns associated with the Southern Oscillation. J Clim

25、ate,1992, 5: 577593.4 Glantz M H, Katz R W, Nicholls N, eds. Teleconnections linking worldwide climate anomalies. Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1991. 1535.5 Latif M, Kleeman R, Eckert C. Greenhouse warming, decadal variability or El Nino? An attempt to understand the anomalous 1990s. J

26、Climate, 1997, 10: 22212239.6 Diaz H F. Temperature changes on long time and large spatial scales: inferences from instrumental and proxy records. In Climate variations and forcing mechanisms of the last 2000 years, edited by P D Jones, R S Bradley and J Jouzel, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 19

27、96. 585601.7 Yulaeva E, Wallace J M. The signature of ENSO in global temperature and precipitation fields derived from the microwave sounding unit. J Climate, 7: 17191736.8 Hurrell J W. Influence of variations in extratropical wintertime teleconnections on Northern Hemisphere temperature. Geophysica

28、l Research Letters, 1996, 23(6): 665668.9 Trenberth K E, Hoar T J. The 1990-1995 El Nino-Southern Oscillation event: Longest on record. Geophysic Res.Lett. 1995, 23:5760.10王绍武，石伟.两类ENSO及其对中国夏季降水的不同影响.见:国家海洋局科学技术司编.海洋对气候变化调节与控制作用学术研讨会论文集.北京：海洋出版社,1992.76 - 87.11 Kaplan A, Kushnir Y, Cane M A, et al.

29、Reduced space optimal analysis for historical datasets:136 years of Atlantic sea surface temperatures. J G R., 1997,102(C13):2783527860.12 Cane M A, Clement A C, Kaplan A et al. Twentieth-century sea surface temperature trends. Science, 1997 , 275:957960.13 Angell J K, Comparison of variations in at

30、mospheric quantities with sea surface temperature variations in the equatorial eastern Pacific. Mon Wea Rev, 1981,109(2):230241.14 Allan R J, Nicholls N, Jones P D et al. A further extension of the Tahiti-Darwin SOI, early ENSO events and Darwin pressure. J Climate, 1991,4(4):743749.15 Ropelewski C

31、F and Jones P D, An extension of the Tahiti-Darwin Southern Oscillation Index. Mon. Wea. Rev.,1987, 115(10): 21612165.16石伟,王绍武.1857-1987年南方涛动指数.气象，1989,15(5):2933.17王绍武，龚道溢.近百年来的ENSO事件及其强度.气象1999, 25(1):914.18 Jones P D. Hemispheric surface air temperature variations: a reanalysis and update to 1993

32、. J Climate, 1994, 7: 17941802.19 Jones P D, Osborn T J, Briffa K R. Estimating sampling errors in large-scale temperature averages. J Climate,1997, 10:25482568.20 Zhang Y, Wallace J M, Battisti D. ENSO-like interdecadal variability:1900-93. J. Climate, 1997, 10:10041020.21 Angell J K. Variation in

33、global tropospheric temperature after adjustment for the EL Nino influence, 1958-1989.Geo. Res. Lett. 1990, 17(8):10931096.22 Graham N E. Simulation of recent global temperature trends. Science, 1995, 267:666671.23龚道溢，王绍武.南北半球副热带高压对赤道东太平洋海温变化的响应.海洋学报,1998,20(5):4454.The Influence of ENSO on Global T

34、emperature during the Last 100 YearsGong Daoyi Wang Shaowu(Department of Geophysics, Peking University, Beijing 100871)AbstractTo explore the coupling between the atmosphere and the ocean in ENSO events, the combination of 2 SST indices and 2 SOIs back to the 1867 are used to define the ENSO index.

35、The 2 SSTs are SST of NinoC(i.e. 180W-90W,0-5S, Angell,1981) and SST of Nino3(i.e. 160E-90W,5N-5S,Cane et al,1997), 2 SOIs are SOI of Ropelewski and Jones and SOI of Shi and Wang respectively. Then 32 warm phaseENSO events and 32 cold phase ENSO events are identified from spring 1867 through spring

36、1998.Then global temperature anomalies associated with ENSO are investigated by using long-period global gridded temperature records from 1880 to 1997. The influence of ENSO on both tropical and extra-tropical temperature are significant in annual time scale. The temperature lags ENSO by one season in tropic, and by two-three seasons in extra-tropics. ENSO can account for about 20.6% global interannual temperature variance. But ENSO can not explain the warming trend and the interdecadal variability of global temperature over the past century.Keywords: global temperature, ENSO, influence