ENSO強度模擬差異對全球變暖下熱帶太平洋大氣變化預估結果的影響?

丁 芊， 鄭小童

(中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

氣候變化是人類社會面臨的重要挑戰。在這其中人類活動造成的溫室氣體上升所帶來的全球變暖是過去100多年最強的氣候變化信號，也對未來的氣候有重要影響[1]。如何準確預估未來全球變暖背景下全球氣候的變化特征，是氣候變化領域的熱點問題。需要注意的是，氣候系統對全球變暖的響應不是全球一致的，而是具有顯著的區域響應特征：例如全球海表面溫度的增暖空間分布特征就在很大程度上會決定全球降水的變化，導致大氣環流的改變進而影響區域氣候[2]。如何理解全球變暖下氣候系統變化的空間分布特征，是氣候變化領域的重要問題[3]。

熱帶海洋-大氣耦合系統是全球氣候重要的組成部分，尤其是熱帶太平洋海氣系統，在不同時間尺度上都是全球氣候的重要驅動力量，其對全球變暖的響應一直是氣候變化的熱點問題。針對熱帶太平洋海洋大氣場對全球變暖的空間響應特征，國際上有截然不同的兩種觀點：一種觀點從海洋出發，認為海洋的上升運動會抵消溫室氣體增加帶來的輻射強迫對SST的增溫效果[4]。由于赤道東太平洋具有較強的海洋上升運動，因此這里在全球變暖下的增溫是極小值，熱帶太平洋整體上會出現西高東低的增暖型，也就是所謂的類拉尼娜增暖特征[5]。而另一種觀點從大氣動力學角度出發，發現全球變暖后全球水循環會有減緩[6]，在熱帶太平洋表現為Walker環流減弱，減弱的Walker環流會抑制赤道東太平洋的上升運動，從而在這里呈現出海溫增暖的極大值，即所謂的類厄爾尼諾增暖型[7]。在觀測中不同的數據資料會得到不同的結果，有的呈現為類厄爾尼諾增暖型并伴隨著Walker環流的減弱，有的呈現出類拉尼娜增暖型并伴隨著Walker環流的加強[8-9]。而在氣候模式的未來預估結果中，大部分模式都呈現出Walker環流的減弱以及類厄爾尼諾增暖型[7-8]，但模式間依然存在巨大的差異[10-11]。最近的研究發現，全球變暖下熱帶太平洋海洋大氣場的空間變化特征對厄爾尼諾-南方濤動(El Nio - Southern Oscillation，ENSO)和臺風等極端天氣氣候事件的變化都有重要的影響[12-13]。因此，正確預測全球變暖下熱帶海洋，特別是熱帶太平洋海氣系統的長期變化趨勢，理解模氣候未來預測模式間存在差異的物理機制，具有重要的科學意義。

為了準確理解上面提到的觀測數據和模式預測的不一致問題，前人已經開展了一系列研究：在觀測方面，訂正了由于觀測手段的改變帶來的大氣(如表面風場[14])和海洋(如SST[15])的變化之后，熱帶太平洋的氣候平均態在過去60年間呈現出Walker環流減弱以及偏向類厄爾尼諾增暖型的變化特征[15-16]。在模式未來預測中，研究發現模式誤差對未來熱帶太平洋海溫變化的空間分布特征具有重要的影響：在氣候模式中，由于熱帶太平洋冷舌模擬誤差以及由此帶來的海溫-對流反饋的弱化，導致全球變暖下熱帶太平洋產生虛假的類拉尼娜的增暖分布型，在根據觀測結果使用“觀測約束”方法對氣候模式的預估結果校正后，大部分模式中的熱帶太平洋海溫的變化都呈現類厄爾尼諾型特征，其不確定性大大降低[10-11]。

值得注意的是，氣候模式中熱帶太平洋的模擬誤差除了平均態(如冷舌模擬過強、暖池范圍較小等)之外，其年際變化的模擬也存在很大的偏差。在耦合模式比較計劃第五階段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5)的22個氣候模式的歷史試驗(1850—2005)中(見圖1)，盡管熱帶太平洋的主要年際耦合模態ENSO的振幅(1.06 ℃)與觀測結果(1.09 ℃)相差不大，但模式的最小值(0.42 ℃)與最大值(1.62 ℃)之間相差四倍左右。而目前對由SST年際變化信號的模擬偏差造成的未來熱帶太平洋氣候預估的影響還沒有清晰的認識。

由于ENSO具有顯著的非線性過程和非對稱性[17-18]，因此其振幅的變化會反映在熱帶海洋-大氣平均態場上[19-21]。在全球變暖背景下，氣候模式對熱帶海洋年際變化(如ENSO)的模擬能夠在多大程度上影響熱帶海洋-大氣場的平均態變化，目前還沒有明確的答案。

由于耦合模式的復雜性，我們很難通過其氣候長期預測結果來區分并評估平均態模擬和耦合模態模擬偏差對未來氣候變化的貢獻?；诖?，本研究使用大氣模式來設計數值試驗，分析熱帶海洋耦合模態模擬差異對未來氣候變化的影響。本文定量考查同樣的平均態海溫增暖狀態下，改變海溫的年際變化強度會對熱帶海洋的降水、環流等大氣場有何影響。并探討這種影響與熱帶耦合模態如ENSO的非線性特征之間的關系。

圖1 CMIP5 中22個模式1850—2005年中的ENSO振幅Fig.1 The ENSO Amplitudes of 22 CMIP5 models from 1850 to 2005

1 模式及試驗介紹

為研究SST年際變化對未來熱帶太平洋氣候變化造成的影響，本文利用美國大氣研究中心(The National Center for Atmospheric Research, NCAR)發布的通用地球系統模式(The Community Earth System Model, CESM)中的公共大氣模式(Community Atmosphere Model，CAM)5.0版本，設計了控制試驗。試驗的基本構思為：在保持熱帶太平洋增暖型不變的情況下，改變其SST強迫場的年際變化強度，比較分析在SST增暖型相同而年際變化強度不同的情況下，熱帶太平洋氣候會有怎樣的變化。

1.1 SST現在氣候態

試驗中要以SST作為強迫場，本文選用哈德來中心海冰以及海表面溫度(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature，HadISST)1850—2010年的氣候態海溫場作為大氣的強迫場，數據分辨率為1.9°×2.5°。

1.2 SST增暖型

試驗選用通用氣候系統模式(The Community Climate System Model，CCSM)第四版本rcp8.5試驗2081—2100階段的SST平均態與historical試驗1986—2005階段的SST平均態之差作為試驗的增暖型(見圖2)。在熱帶太平洋，赤道東部增暖明顯，西部增暖幅度略弱。這種赤道東太平洋增暖強赤道西太平洋增暖較弱的SST增暖分布特征我們稱之為類厄爾尼諾增暖型。

圖2 CCSM4模式rcp8.5試驗的2081—2100年SST(℃)平均態與historical試驗1986—2005年SST平均態之差，即熱帶太平洋的增暖型

1.3 SST年際變化

試驗將HadISST數據中1979—2005年SST與其平均值之差，也就是SST的距平作為1倍的SST年際變化，其氣候平均態加上2倍SST距平即為2倍強度的SST年際變化。

試驗中，本文固定全球SST增暖型保持不變，定量改變SST年際變化強度。這里共設計6個實驗，分別將相同SST年際變化強度的現在和未來氣候態下的兩個實驗分為一組，共3組(見表1)。三組試驗模式積分時間段皆為1979—2005年，在未來氣候態的試驗中我們對該時間段的熱帶太平洋SST疊加了類厄爾尼諾的增暖型。在第一組試驗中，選取HadISST中1979—2005年的海溫年平均值作為現在的全球SST的氣候平均態(Climatology)，通過SST現在氣候平均態加上SST增暖型(Warming Pattern)，得到全球SST未來的氣候平均態(Climatology + Warming Pattern)，分別將現在和未來的兩個SST氣候平均態作為強迫場，通過模式模擬得到這兩個SST氣候平均態擾動下的大氣變量場，在這組試驗中SST年際變化強度為零。第二組試驗中，在現在和未來氣候平均態的基礎上分別加上1倍的SST距平(Anomalies)場作為強迫場，通過模式模擬得到現在和未來的大氣場變量，這組試驗中SST的年際變化強度為1倍。在第三組試驗中，在現在和未來SST氣候平均態的基礎上加上2倍的SST距平(2×Anomalies)場，通過模式模擬得到現在和未來的大氣場變量，這組試驗中SST的年際變化強度為2倍。為比較不同SST年際變化強度下未來與現在大氣氣候態之差的不同，本文用每組實驗得到的未來氣候態的大氣變量減去現在氣候態下的大氣變量，將其氣候態的變化進行對比。另外試驗水平方向上分辨率設置為1.9°×2.5°(“f19_f19”)，垂直方向為30層的σ坐標系。

表1 試驗介紹Table 1 Experiment Settings

注：Climatology代表1979—2005年SST氣候平均態；Warming Pattern代表SST增暖型；Anomalies代表1979—2005年間SST的距平。Climatology represents SST mean state during 1979-2005; Warming Pattern represents the SST warming pattern in tropical Pacific Ocean; Anomalies represents the SST anomalies from 1979 to 2005.

根據以上的試驗設計，三組試驗現在的氣候和全球變暖后的氣候態海溫分別是相同的，所不同的僅僅是海溫的年際變化振幅(無年際變化、1倍觀測的年際變化振幅以及2倍觀測的年際變化振幅)。因此在不同試驗中大氣場未來變化的差異，可以認為是海溫年際變化強度差異對未來氣候預估的影響。

2 試驗結果分析

為了檢驗CAM5的模擬能力，本文首先考察3組試驗對熱帶太平洋氣候態降水與風場的模擬情況。將三組試驗現在氣候態(1979—2005)下熱帶太平洋降水與風場的空間分布特征與NCEP/NCAR再分析數據進行對比(見圖3)，可以發現三組試驗的氣候態模擬與觀測基本相似，但仍有細微的差別。與觀測值相比，三組試驗中熱帶太平洋在ITCZ附近以及海洋大陸區域降水較多，部分區域降水可達到10 mm/d以上；赤道太平洋上空東風偏強，說明模式中沃克環流強度強于觀測中的強度。

((a)氣候態SST強迫；(b)1倍年際變化SST強迫；(c)2倍年際變化SST強迫；(d)NCEP/NCAR。填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風場(m/s)。(a) SST mean state forcing experiment；(b)1×SST Anomalies forcing experiment；(c)2×SST Anomalies forcing experiment；(d)NCEP/NCAR reanalyzes data.Precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s).)

圖3 再分析資料下熱帶太平洋降水場以及風場在1979—2005年氣候平均態的空間分布
Fig.3 The precipitation mean state over tropical Pacific Ocean from 1979 to 2005

2.1 熱帶太平洋未來與現在氣候平均態的變化

為了比較全球變暖后不同SST年際變化強度對熱帶太平洋氣候態降水以及風場變化的影響，本文將SST氣候態強迫、1倍SST年際變化強迫以及2倍SST年際變化強迫三組試驗中的未來氣候平均態減去現在試驗氣候平均態，得到全球變暖后不同SST年際變化強度下熱帶太平洋氣候變化的空間分布特征(見圖4)。在SST氣候態強迫的試驗中，全球變暖后熱帶太平洋赤道附近降水增加明顯，西側降水增加幅度較強，而東側較弱，降水增加的最大值位于暖池區域160°E附近，降水變化有明顯的東西不對稱現象；在風場上，赤道太平洋上空風場有向暖池區域降水增加最大值160°E附近輻合的特點。隨著SST年際變化強度的增加(見圖4(b))，赤道太平洋西側暖池區域降水的增加量減少，而赤道太平洋東側冷舌區域降水的增加，同時向暖池區域輻合的風場風力也有所減弱。當SST年際變化增加到2倍時(見圖4(c))，赤道降水變化的東西不對稱現象基本消失，赤道東太平洋向暖池區域輻合的東風分量也逐漸減弱。也就是說，隨著SST年際變化強度的增強，赤道太平洋氣候態下降水變化的東西不對稱性減弱，向暖池區域輻合的風場變化減弱。

為了更直觀地比較不同SST年際變化強度下，全球變暖后赤道太平洋降水氣候態的變化，本文對三組試驗中赤道太平洋(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W)的降水變化做緯向平均(見圖5)。在無SST年際變化試驗中(藍色線)，全球變暖后赤道太平洋西側暖池區域降水增強明顯，降水增強的最大值位于160°E附近，增加量為2.5 mm/d；而赤道東太平洋150°W～100°W冷舌附近降水增加幅度較弱，其增加量僅為0.6 mm/d，東西降水變化量的差值在1.9 mm/d左右，赤道太平洋降水氣候態變化的東西不對稱性明顯。與無SST年際變化試驗相比，1倍SST年際變化強度試驗中(綠色線)全球變暖后赤道太平洋西部降水增加量減小，赤道太平洋東部降水變化量增加，赤道太平洋降水氣候態變化的東西不對稱性減弱。當SST年際變化強度達到2倍時(黃色線)，赤道太平洋西部降水增加量減少至2.2 mm/d，比無SST年際變化時減少了0.3 mm/d；赤道太平洋東部降水增加至1.5 mm/d,比無SST年際變化時增加了0.9 mm/d，赤道太平洋降水氣候態變化的東西不對稱特征減弱的現象更加明顯。也就是說，隨著SST年際變化強度的增大，全球變暖后赤道太平洋降水氣候態變化東西不對稱的分布特征在減弱。這與在圖3中看到的降水變化的空間分布特征相同。

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風場(m/s)。Precipitation color(Shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s).)

圖4 氣候態SST強迫(a) 1倍年際變化SST強迫(b)
2倍年際變化SST強迫(c)試驗中變暖后熱帶太平洋降水與風場未來與現在氣候態之差的空間分布

Fig.4 The differences of precipitation between future and present mean state over tropical Pacific Ocean in (a) SST mean state forcing experiment (b)1×SST Anomalies forcing experiment (c)2×SST Anomalies forcing experiment

圖5 三組試驗中赤道太平洋降水未來與現在氣候態之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W區域緯向平均Fig.5 The differences of zonal precipitation between future and present mean state over tropical Pacific Ocean(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W) in three experiments

分別將1倍SST年際變化強迫、2倍SST年際變化強迫與SST氣候態強迫下全球變暖后熱帶太平洋降水與風場的變化做差(見圖6)，可以看出，與使用氣候態SST強迫的大氣試驗相比，在1倍SST年際變化強迫試驗中，赤道太平洋西部降水的變化明顯減弱，而赤道太平洋東部的降水變化有所增加，風場表現出向暖池區域輻散的特征。并且該現象在2倍SST年際變化強度減掉無SST年際變化強度的空間分布中更為明顯(見圖6(b))。這進一步證實了，隨著SST年際變化強度的增加，全球變暖后赤道太平洋降水變化量西多東少的不對稱特征減弱，同時由赤道向外輻散的風場的強度也更加明顯，意味著Walker流強度減弱。

2.2 不同季節熱帶太平洋未來與現在氣候平均態的變化

為了進一步分析SST年際變化強度不同造成的全球變暖后熱帶太平洋降水和風場變化差異，本文分別對四個季節的熱帶太平洋氣候態降水以及風場的變化進行了對比分析。從圖7可以看出，隨著SST年際變化強度的增強，全球變暖后熱帶太平洋四個季節降水與風場變化的空間分布也出現不同的變化特征。在春季，降水變化沿赤道方向并沒有表現出東西不對稱的特點，并且三組試驗中降水與風場變化隨SST年際變化強度增強而出現的改變并不明顯。在夏季與秋季，雖然在沿赤道方向降水變化有東西不對稱的現象，但隨著SST年際變化強度的增強，赤道太平洋降水與風場變化也沒有出現明顯的改變。而冬季三組試驗的結果則有明顯差異：在氣候態SST強迫的試驗中(見圖7(j))，全球變暖后赤道太平洋的降水變化有明顯的西側增加多東側增加少的不對稱特征，降水增加量的最大值在160°E以東的暖池區域；隨著SST年際變化強度的增加，赤道太平洋降水增加的最大值逐漸向東擴展，在1倍SST年際變化強迫下(見圖7(k))，降水變化的最大值移動到160°E～160°W之間的區域，當SST年際變化強度達到2倍時(見圖7(j))，降水變化最大值的區域進一步擴展，從暖池一直延伸至赤道太平洋120°W冷舌區域附近，降水變化沿赤道東西不對稱的現象基本消失，并且向暖池區域輻合的風場變化減弱，這與年平均下赤道太平洋降水與風場氣候態變化隨SST年際變化強度增強而改變的特征相吻合。這說明，年平均狀態下隨著SST年際變化強度增強赤道太平洋降水與風場變化的改變，主要是由冬季降水與風場變化隨SST年際變化強度改變的不同特征引起的。

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風場(m/s)。Precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind (Vectors; m/s).)

圖6 1倍SST年際變化試驗的大氣未來與現在氣候態之差(a)、2倍SST年際變化試驗的大氣未來與現在氣候態之差(b)與SST氣候態試驗下的大氣未來與現在氣候態之差分別做差得到的熱帶太平洋降水與風場的空間分布特征
Fig.6 The differences of the precipitation space distribution between (a) the atmospheric change in 1×SST Anomalies forcing experiment after warming and the atmospheric change in SST mean state forcing experiment after warming (b) the atmospheric change in 1×SST Anomalies forcing experiment after warming and the atmospheric change in SST mean state forcing experiment after warming over the Tropical Pacific Ocean

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風場(m/s)。Precipitation(Color shaded;mm/d)and 925 hpa wind(Vectors;m/s).)圖7 氣候態SST強迫試驗、1倍年際變化SST強迫試驗與2倍年際變化SST試驗分別對應的(a)、(b)、(c)春季(d)、(e)、(f)夏季(g)、(h)、(i)秋季和(j)、(k)、(l)冬季熱帶太平洋降水與風場未來與現在氣候態之差的空間分布特征。

圖8 三組試驗(a)春季、(b)夏季、(c)秋季和(d)冬季赤道太平洋未來與現在氣候態降水之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W區域緯向平均

為了進一步分析這一現象，本文對全球變暖后不同SST年際變化強度下，赤道太平洋春夏秋冬四個季節的降水變化做了緯向平均(見圖8)。發現隨著赤道太平洋SST年際變化強度的增強，在春季赤道太平洋西側降水變化略微減少東側降水變化略微增加，但東西降水變化的不對稱現象并不明顯。而在夏季與秋季，隨著SST年際變化強度的增加，赤道太平洋東部降水的增加量有所增強，但在西部降水變化沒有明顯的改變。在夏、秋季 SST年際變化強度增加后，赤道太平洋降水變化的東西不對稱現象依然明顯。

在冬季，無SST年際變化強度的情況下(藍色線)，赤道西太平洋160°E附近降水增加達到2.0 mm/d以上，而在赤道東太平洋160°W～120°W區域降水增加量則在0.5 mm/d左右，降水變化東部與西部相差4倍，赤道太平洋降水變化存在明顯的東西不對稱分布特征。當SST年際變化強度增加到1倍時(綠色線)，赤道西太平洋160°E附近降水變化減少，而東太平洋冷舌區域降水變化增加，雖然赤道太平洋降水變化仍然存在西多東少的不對稱現象，但與無SST年際變化的情況相比，降水變化的東西不對稱特征明顯減弱。隨著SST年際變化強度進一步的增加，當年際變化強度達到2倍時，赤道西太平洋的降水雖然變化不大，仍然維持在2 mm/d附近，但赤道東太平洋170°W～140°W區域降水變化同樣增至2 mm/d?？梢悦黠@地看出SST年際變化強度達到2倍時，赤道太平洋東西降水變化量基本達到一致，東西降水不對稱現象消失。因此本文得出結論，當SST年際變化強度增強時，春季與冬季赤道太平洋西側的降水變化逐漸減弱，冬季赤道太平洋東側的降水變化逐漸增強。這進一步證實了全球變暖后赤道太平洋年平均降水變化隨SST年際變化強度而改變的特征主要受冬季降水變化的影響。

盡管本文對比了不同SST年際變化強度下全球變暖后熱帶太平洋降水以及風場變化的空間分布特征，發現隨著SST年際變化強度的增加其降水變化的東西不對稱分布特征減弱，向暖池區域輻合的風場同時減弱，但并不能確定該現象出現的原因。在進一步的分析中發現，在四個季節中冬季赤道太平洋降水變化的特征在年平均的變化特征中占主要的位置，而冬季正是太平洋最主要的年際變化信號ENSO發生的季節，另外，SST年際變化強度的改變對熱帶太平洋最直接的影響就是ENSO振幅隨之改變，因此我們推斷這一現象可能與ENSO有關。

2.3 ENSO強度差異對全球變暖下熱帶太平洋大氣變化的影響和機制

在熱帶太平洋ENSO是最為主要的年際變化信號，試驗中本文改變了SST年際變化的強度，也就是改變了ENSO的振幅。在上一節的分析中發現，在全球變暖后隨著SST年際變化強度的增強，赤道太平洋降水變化東西不對稱分布現象減弱的特征主要出現在冬季，而冬季一般是ENSO的強盛季節。在熱帶太平洋ENSO是最為主要的年際變化信號，試驗中作者改變了SST年際變化的強度，也就是改變了ENSO的振幅，因此本文考慮是否由于ENSO強度的改變從而導致赤道太平洋降水變化出現東西不對稱性減弱的現象。

本文將三組試驗1979—2005年中厄爾尼諾年(1980、1983、1987、1988、1992、1995、1998、2003、2005)、拉尼娜年(1984、1985、1986、1989、1996、1999、2000、2001)以及既沒有發生厄爾尼諾又沒有發生拉尼娜的中性年(1981、1982、1990、1991、1993、1994、1997、2002、2004)冬季(12、1、2月)降水以及風場變化平均態的空間分布特征進行分析比較(見圖9)。在無SST年際變化強迫試驗中，所有年份的海溫場均為氣候態海溫，為了與1倍以及2倍SST年際變化強度的情況做對比，在該實驗中也挑選了1979—2005年間實際觀測中發生厄爾尼諾、拉尼娜以及中性年的年份進行合成比較。由于其所有年份的SST都相同，因此全球變暖后赤道太平洋厄爾尼諾年、拉尼娜年以及中性年的降水與風場變化基本相同，降水都在暖池區域有明顯的增加，而赤道中部與東部太平洋的冷舌區域降水幾乎沒有變化，赤道太平洋降水變化的東西不對稱現象明顯；風場變化主要為偏東風，向暖池區域輻合，其降水與風場的細微差別主要是由于模式中大氣的內部變率造成的。隨著SST年際變化振幅的增加，全球變暖后厄爾尼諾年、拉尼娜年和中性年的赤道太平洋降水與風場變化出現了不同的空間特征。在厄爾尼諾年，在1倍SST 年際變化試驗中(見圖9(b))，雖然降水增加的最大值依然位于赤道太平洋西部的暖池區域，但可以明顯看出赤道東太平洋降水變化有所增加。隨著SST年際變化強度進一步增強，在2倍SST年際變化強迫試驗中(見圖9(c))，赤道太平洋降水變化的中心東移至赤道太平洋中部160°W附近，東西降水變化的不對稱現象基本消失?？偟膩硪曨l在厄爾尼諾年，隨著SST年際變化強度的增強，降水變化的東西不對稱性在逐漸消失，風場變化也在隨著降水變化中心的移動而向東輻合。然而在拉尼娜年以及中性年，赤道太平洋無SST年際變化與1倍以及2倍SST年際變化強度情況下全球變暖后的降水與風場變化的空間分布基本類似，都存在西部降水多東部降水少的東西不對稱現象以及向暖池區域輻合的風場。這說明全球變暖下降水與風場的變化在厄爾尼諾年和拉尼娜年存在不對稱性。在不同SST年際變化強度下，這種不對稱性的作用有所不同，導致了赤道太平洋降水與風場變化的空間分布特征有所差異。

(填色為降水(mm/d)，箭頭為925 hPa風場(m/s)。Precipitation(Color shaded;mm/d)and 925 hpa wind(Vectors;m/s).)圖9 氣候態SST強迫試驗、1倍年際變化SST強迫試驗與2倍年際變化SST試驗分別對應的(a)、(b)、(c)厄爾尼諾年、(d)、(e)、(f)拉尼娜年與(g)、(h)、(i)中性年冬季(DJF)熱帶太平洋未來與現在降水與風場之差的空間分布。Fig.9 The differences of the precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s) between future and present mean state in SST mean state forcing experiment，1×SST Anomalies forcing experiment and 2×SST Anomalies forcing experiment in (a)、(b)、(c) El Nio years (d)、(e)、(f) La Nia years and (g)、(h)、(i) normal years respectively over Tropical Pacific Ocean during winter

通過對比赤道太平洋(2.8°S～2.8°N平均)厄爾尼諾年、強厄爾尼諾年(1983和1998年)拉尼娜年以及中性年冬季降水變化的緯向平均圖(見圖10)，可進一步的發現，在赤道太平洋無SST年際變化的試驗中(藍色線)，在實際觀測中發生厄爾尼諾事件、強厄爾尼諾事件、拉尼娜事件以及中性事件的年份其緯向平均的降水變化特征相似，都是在暖池區域降水增加明顯，增加量大約在2.5 mm/d，而冷舌區域降水增加較少，增加量僅為0.5 mm/d左右，降水變化沿赤道方向有明顯的東西不對稱現象。在1倍SST年際變化強迫試驗中，在厄爾尼諾年赤道東太平洋冷舌區域的降水有明顯的增加，降水變化增加量的最大值東移，赤道太平洋東西不對稱的降水變化分布特征減弱；而在強厄爾尼諾年赤道太平洋降水變化東西不對稱的現象已經完全消失。在SST年際變化強度增加至2倍時(黃色線)，厄爾尼諾年赤道太平洋降水中心已經移至太平洋中部偏東海區，并且該區域的降水增長量已經超過5 mm/d，赤道太平洋降水的東西不對稱現象完全消失；此時在強厄爾尼諾年赤道太平洋降水增加量最大值東移至150°W，其量值達到10 mm/d，其降水變化已經出現微弱的西多東少的現象。而在拉尼娜年與中性年，隨著SST年際變化強度的增加，赤道太平洋降水變化的空間分布與無SST年際變化的情況相比并沒有顯著的改變，沿赤道方向降水變化東西不對稱依然明顯。這進一步證實了上面圖9中的發現，并且可以看出與普通厄爾尼諾年相比，在強厄爾尼諾年中降水變化對SST年際變化強度的響應也更加明顯。

通過比較不同SST年際變化強迫下現在氣候態與未來氣候態冬季厄爾尼諾年、拉尼娜年與中性年Nio3區平均的SST與降水散點圖(見圖11)也可以發現類似特征：在SST氣候態強迫下赤道東太平洋在變暖前與變暖后其降水量相差不大。當SST年際變化強度為1倍時(見圖11(b))，無論是在變暖前還是變暖后都可以看出赤道東太平洋降水對厄爾尼諾年與拉尼娜年響應的不對稱性，但是變暖后(紅色點)比變暖前(藍色點)其不對稱性更加明顯。另外可以看出，在兩個超強厄爾尼諾年(1983和1998年)，這種差異尤為顯著。并且這一現象在2倍SST年際變化強迫的試驗中被進一步放大。

ENSO的大氣響應具有顯著的非對稱性特征[14]。在厄爾尼諾事件發生時，東太平洋海溫升高，會造成海溫超過對流閾值而產生局地的降水正異常。而對于拉尼娜事件，由于東太平洋的氣候態海溫較低，降水信號很弱，因此海溫的負異常在這里無法產生顯著的降水負異常。這種非對稱性是造成厄爾尼諾年與拉尼娜年和中性年相比，熱帶太平洋降水和風場對全球變暖響應不同的主要原因。全球變暖后，在厄爾尼諾年赤道東太平洋正的降水平均態變化有所增加，而拉尼娜年并沒有產生與厄爾尼諾年量值相同的負的降水平均態變化，因此在總的氣候平均態下赤道東太平洋降水增多。隨著SST年際變化強度的增強，這種非對稱性的效果越來越明顯：全球變暖后赤道東太平洋的降水總量越來越多，并且隨著赤道東太平洋降水變化的增加，原本向暖池區域輻合的風場變化逐漸變為向赤道中東部輻合，沃克環流強度逐漸減弱。

圖10 三組試驗(a)厄爾尼諾年、(b)強厄爾尼諾年、(c)拉尼娜年與(d)中性年冬季(12、1、2月)赤道太平洋現在與未來降水之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W區域緯向平均Fig.10 The differences of the zonal precipitation between future and present mean state in three experiments in (a) El Nio years、(b)strong El Nio years 、(c) La Nia years and (d) normal years respectively over tropical Pacific Ocean(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W) during winter

圖11 (a)氣候態SST強迫試驗、(b)1倍年際變化SST強迫試驗與(c)2倍年際變化SST強迫試驗中現在(藍點)與未來(紅點)26年冬季(DJF)Nio3區域平均的SST與降水散點圖Fig.11 The scatter plot of precipitation(mm/d) and SST(℃) regional mean at Nio3 area during winter in present(Blue dots) and future(Red dots) 26 years in (a) SST mean state forcing experiment (b)1×SST Anomalies forcing experiment (c)2×SST Anomalies forcing experiment

3 結語

通過數值試驗我們發現，在全球變暖后隨著SST年際變化強度的增強，熱帶太平洋赤道降水變化西多東少的不對稱性減弱，向暖池區域輻合的風場變化強度減弱。而造成這一現象的主要原因是，熱帶太平洋降水與風場的變化在厄爾尼諾年對SST年際變化信號有明顯的響應，而在拉尼娜年與中性年沒有明顯變化。這凸顯了ENSO的非線性特征對未來氣候變化的重要影響，對未來其氣候預測具有一定的指導意義。