（物理海洋学专业论文）印度洋偶极子状增暖趋势及其形成机制.pdf

印度洋偶极子状增暖趋势及其形成机制 摘要 越来越多的研究表明e i j 度洋在全球气候系统中起着重要的作用，而且) | ! l l 测表 明印度洋在全球海洋f ，表现出最突出的增暖趋势。本文综合利j 1 】观测资料、i p c c 模式输出以及系统的海一气耦合模式敏感性实验来研究印度洋增暖趋势的空间分 布形态及其形成机制。观测资料分析显示二十世纪热带印度洋产生了类似于止偶 极子状增暖趋势，表现为赤道西印度洋增暖多，赤道东南印度洋增暖少。i p c c a r 4 多模式模拟表明这种偶极子状的增暖趋势将在2 l 世纪持续下去。已有的一些研 究猜想认为这是由于仝球变暖导致水循环改变而使得w a l k e r 环流减弱所导致。 本论文利用海一气耦合模式f o a m 来进行全球变暖背景下一系列敏感性实验， 提出了新的不同观点：伴随全球变暖，印度洋与亚洲大陆之间的海陆热力差异增 大，引起了热带印度洋强对流中心北移，产生反气旋异常风场，诱发了赤道东风 异常，从而导致了正偶极子状增暖趋势，局地的海气祸合萨反馈机制维持了此增 暖趋势，从而调节了热带大气环流对全球变暖的响应，而w a l k e r 环流的减弱主 要是由于热带海一气耦合产生的结果，而不是直接由全球增暖水循环改变所导致。 本文还利用i p c 争a r 4 多模式和f o a m 模式模来研究全球变暖场景之后亚洲夏 季风环流和降水的改变存在着一种对寺现象的机制。利用f o a m 模式，通过系统 改变海洋增暖信号，表明季风坏流的减弱是南于日j 度洋的变暖加强了中上层大气 的变暖从而降低了印度洋和业洲大陆中上层大气的经向热梯度而引起的：季风降 水的增强是由于印度洋的变暖增加了海洋上空的水汽量，通过夏季风的输送增多 了东南亚大陆的水汽含量，从而加强了亚洲夏季风的降水，研究还发现人平洋的 增暖在亚洲夏季风对全球变暖的响应中起到了抑制的作用。 关键词：热带印度洋：全球变暖；偶极子增暖趋势；亚洲夏季风；海一陆热力差 异 a d i p o l e l i k ew a r m i n gt r e n do fi n d i a no c e a ns s t a n di t sf o r m a t i o nm e c h a n ；s m s ab s t r a c t m a n ys t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h ei m p o r t a n tr o l e so fi n d i a no c e a ni ng i o b a i c l i m a t es y s t e m o b s e r v a t i o n a id a t ar e v e a it h a tt h ei n d i a no c e a nd i s pj a y st h em o s t s i g n i n c a n tw ar i m i n gt r e n do v e rt h eg l o b a lo c e a n s i nt h i sp a p e r t h es p a t i a ip a n e r no f i n d i a n0 c e a nw a r m i n gt r c n da n di t sf o r m a t i o nm e c h a n i s ma r es t u d i e du s i n g o b s e r v a t i o n s ，j p c cm o d e lo u t p u ta n das e r i e so fs e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t sw i t ht h ef a s t o c e a n - a t m o s p h e r em o d e i ( f o a m ) o b s e r v a t i o n sr e v e a l t h a tt h ew a m l i n gt r e n do f i n d i a n0 c e a ni n “v e n i e t hc e n t u r yr e s e m b l e s 出ep o s i i v ed i p o i ez o n a im o d e ( p i ) z m ) ，c h a r a c t e r i z e db ys t r o n g e r ( w e a k e r ) 、 ，a n l l i n gt r e n di nw e s t e m ( s o u t h e a s t e m ) e q u a t o r i a l i n d i a no c e a n i p c c a r 4m o d e i ss i m u i a t i o ns h o wt h ep o s i t i v ed i p o l e i i k e w a m li n gt r e n dw i l ip e r s i s ti nt h et w e n t y f i r s tc e n t u 叫p r e v i o u ss t u d i e ss u g g e s t e dt h a t t h ew a m i n gp a t t e mj sg e n e r a t e db yt h ew e a k e n i n go f t h ew a i k e rc i r c u i a t i o nd u et o h y d r o i o wc i r c u i a t i o nv a r i a b i i i t yi ng i o b a lw a r m i n g b a s eo ni n - h o u s ec i i m a t em o d e if o a m 。w ec o n d u c tas e r i e so f s e n s i t i v i t y e x p e r j m e n t sj 力w a 册c j j m a t ea n dn n dan e wm e c h a n j s m ：t h ep d z m i i k ew a f l l l i n g t r e n dp r e d o m i n a n t i yo r i g i n a t e sf o ma ni n t e n s i 6 c a t i o no fl a n d s e at h e 咖a lc o n t r a s t b e t w e e ni n d i a n0 c e a na n da d i a c e n ta s i a nj a n d m a s si ng l o b a lw a 呻i n g ，w h i c hi n d u c e s a na n t i c y c i o n ew i n da n o m a i yi nn o r t h e mi n d i a no c e a na n dt h e nt r i e g e r st h e e q u a t o r i a ie a s t e r i yw i n da n o m a i y t h ew a r mi n gt 他n di sf u r t h e rs u b s t a n t i a t e db vi o c a i c o u p i e do c e a n a t m o s p h e 代佗e d b a c k ，a n dr e g u i a t e st h er e s p o n s eo f t h et r o p i c a i a t m o s p h e r i co v e n u m i n gc i r c u i a t i o nt og i o b a lw a r m i n g t h ew e a k e n i n go f w a l k e r c i r c u l a t i o ni sp r o m i n e n t i yg e n e r a t e db yt h et r o p i c a ia i 卜s e ai n t e r a c t i o n ，b u tn o t d i r e c t l yi n d u c e db yt h eh y d r o i o g i c a lc i r c u i a t i o ni ng l o b a lw a n n i n g t h er e s p o n s eo fa s i a ns u m m e rm o n s o o n ( a s m ) t og i o b a lw a r n li n gi sf u r c h e r s t u d i e db yu s i n gb o t hi p c c a r 4m o d e i so u t p u t sa n df o a mm o d e is i m u i a t i o n t h e 陀 i sap a f a d o xo fc h ea s mp r e c i p i t a t i o na n dc i f i c u l a t i o ni ng l o b a lw a r m i n ga sd e s c r i b e d i n p r e v i o u sm o d e ii n gs t u d i e s s e v e r a ls e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t sw i t hf o a ma r e c o n d u c t e d ，i nw h i c hs s tw a r m i n ga n o m a i i e sa r ev a r i e ds v s t e m a t i c a l i y t h er e s u i t s e x p l i c i t i yd e m o n s t r a t et h a tt h ea s m 陀i n f a j i - c i r c u i a t i o np a r a d o xi nw a 姗c l i m a t ej s p r i m a r i i ya s s o c i a t e dw i t ht h ei n d i a n0 c e a nw a r m i n g ，w h i c he n h a n c e st h em i d d i et o u p p e rt r o p o s p h e r ew a r m i n g ( t h u sr e d u c em e r i d i o n a it h e m l a ig r a d i e n t ) r e s p o n s b i ef o r t h ew e a k 打e s so ft h ea s mc i r c uj a l j o na n di n t e n s i f yt h em o i s t u r ct r a n s p o r tf r o mw a 肿 t f o p i c a li n d i a n0 c e a n t oa s i a nl a n dt h f o u g ht h es u f t l m e rm o n s o o nw i n df o ii o w i n gt h e i n c r e a s eo ft h ea s mr a i n f a l i t h ef u r t h e rm o d e i i n gs t u d i e ss u g g e s tt h a tt h ep a c i n c o c e a nw a r m i n gt e n d st os u p p r e s st h ep a r a d o xc h a n g e so fa s mr a i n f a l l c i r c uj a t i o ni n w a r mc l i m a t e k e y w o r d s ：t r o p i c a i i n d i a no c e a n ；g l o b a lw a r m i n g ；d i p o i e l i k ew a 咖i n gt r e n d ；a s i a n s u m m e rm o n s o o n ；i a n d s e at h e r m a ld i f 佬r c n c e 独创声 明 本人声i ! j j 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进彳_ j ：的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地力外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也小包含未获得 l 连! 垫遗直基丝霞冀挂别童塑的! 奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毫曩嵩签字口期： 饧易不。啪 呵年 6 月f 口 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的舰定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印什和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学化论文作者签名： 、毫素司青 签字口期：例子f 占月l 口 埃；哆 签字j ；i ：h 年占月旧 印度洋偶极子状增暖趋势及其形成机制 o 引言 0 1 热带印度洋研究的意义 海洋是地球气候系统的重要组成部分，地球表面约7 0 8 为海洋所覆盖，全 球海洋吸收的太阳辐射量约占进入地球大气总太阳辐射量的7 0 ，其绝大部分 ( 8 5 左右) 被贮存在海洋表层( 混合层) 中，因此海洋特别是热带海洋是全球 海洋及大气运动的重要能源，这些能量以潜热、长波辐射和感热交换的形式来驱 动大气运动，从而引起气候变化；全球人气中约8 6 的水汽量是由热带海洋提供 的，因此热带海洋是大气中水汽的主要源地，通过蒸发和凝结过程对局地和全球 的水循环和气候变化产生重要影响；海洋大的比热使得其有热力学惯性和动力学 惯性，因此海洋对一些气候变化信号的记忆能力使得我们可以通过分析海洋的变 化对局地和全球长期气候变化的可预报性起到关键的作用；海洋还通过对c 0 2 的吸收以及对海洋和大气环流的调整，有效地缓解了人气中c 0 2 含量增加导致 的气候温室效应。综上所述，热带海洋的海气相互作用是气候变化问题的核心内 容，对未来多时间尺度的气候变化及其预测，只有在了解全球特别是热带海洋和 大气的耦合作用及其动力学的基础上才能得到解决。 热带印度洋是热带海洋的一个重要组成部分，由于印度洋特殊的地理位置， 热带印度洋的海气相互作用对局地和全球气候变化都起着特殊的重要作| = i j 。首 先，印度洋的北部与亚欧大陆相邻，阻挡了北向的热量输出，只允许北部印度洋 温跃层的弱通风：其次，亚欧大陆与印度洋之间显著的海陆热力差异引起了明显 了季风气候，在北半球的冬季盛行东北风，天气寒冷，干燥少雨，夏季盛行西南 风，天气炎热，湿润多雨，相比大西洋和太平洋，印度洋没有固定的赤道东风带， 年平均的风场在赤道上是弱西风，此季风风场还引起了印度洋海流的季节变化， 特别是比较明显的索马里海流在冬季和夏季之间会反向，气候态弱西风也使得东 印度洋没有赤道上升流，温跃层也没有西深东浅的分布型。 1 9 9 7 年对于印度洋和周边国家来说都是异乎寻常的年，赤道西印度洋周 边国家遭受了严重的洪水灾害，而在东印度洋的沿岸国及岛屿同时遭受了罕见的 印度洋偶极j 于状增暖趋势及其形成机制 干旱，这些灾难给印度洋周边的国家带来了严重的死亡问题。这一异常的气候变 化事件使得热带印度洋的海气相互作用在局地和全球气候变化中的重要作用受 到了极大的关注。s a j i 等( 1 9 9 9 ) 利用过去四十年的观测资料分析出了热带印 度洋有着与太平洋厄尔尼诺一南方涛动( e 1n i 矗。一s o u t h e r n0 s c i l l a t i o n ，e n s 0 ) 类似的显著海气相互作用的年际变化信号，叫做赤道印度洋的偶极子模态 ( i n d i a n0 c e a nd i p o l e ，1 0 d ) ，正偶极子模态通常表现为赤道产生了显著的东 风异常，赤道东南印度洋海水异常变冷，周边印度尼西亚等国异常干旱，而在赤 道西印度洋海水异常变暖，周边的东非地区产生很大的洪水灾害。西暖东冷为正 偶极子事件，反之为负偶极子事件。1 0 d 有着显著的季节变化，在夏季开始出现， 持续到秋季最明显，冬季开始逐渐减弱。热带印度洋不仅对周边的国家及岛屿的 气候变化起到很大的影响作用，而且与东南亚大陆以及全球其他地区的气候变化 有着密切的联系，从此掀起了对热带印度洋海气相互租用的研究热潮。 0 2 热带印度洋的国内外研究现状 从1 9 9 9 年热带印度洋偶极子模态的提出开始( s a j i 等，1 9 9 9 ) ，热带印度洋的 海气相互作川在局地以及全球气候变化中的作用受到了极大的关注。w e b s t e r 等 ( 1 9 9 9 ) 详绌分析了1 9 9 7 1 9 9 8 年这一明显的偶极子事件中海洋大气相互作用机 制。印度洋偶极了模态一直受到很多学者和研究的关注( e g y a m a g a t ae ta 1 ， 2 0 0 4 ，a n n a m a i a i 和m u r t u g u d d e2 0 0 4 ，c h a n g e ta 1 2 0 0 6 ) 。 从以往的观测资料可以显著看到全球变暖，很多观测资料以及全球海气耦 合模式的结果都很好地验证了这个事实并且分析了各大洋和全球气候对全球变 暖的响应以及相关的物理机制( m a n a b ea n ds t o u f f e r1 9 9 3 ；b a k u n1 9 9 9 ；m c g r e g o r a n dm u i i t z a ；v e c c h i ，l e v i t u se ta 1 2 0 0 5 ；c i e m e n ta n ds o d e n2 0 0 8 ；v 色c c h ia n ds o d e n ， 2 0 0 7 ；b a r n e t t2 0 0 5 ；h u a n ga n dl i u2 0 0 1 ：) ，其i i 热带太平洋及其上空的大气环流 对全球变暖表现出不同的响应特征，对于这一事实，有两种对立的观点存在，一 种认为全球变暖之后沃克环流减弱，热带太平洋海表面温度异常出现东边暖西边 冷，纬向s s t 梯度减弱( v e c c h ia n ds o d e n ，2 0 0 7 ；v e c c h ia n ds o d e n ，2 0 0 6 ；z h a n g a n ds o n g ，2 0 0 6 ) ，称此变化为e ln i o 1 i k e 模态；一种认为热带太平洋s s t 纬 向梯度会增强，由于海洋对于大气温章气体增加的增暖响应，西边增暖大于东边 印度洋偶极。厂状增暖趋势及其形成机制 增暖( c a n e ，1 9 9 7 ) ，称此变化为l a n i n a l i k e 模态。 热带印度洋作为地球上最暖海洋的一个主要部分，其变化通过海洋环流与大 气环流与太平洋之间有着显著的关联，上述两种不同的观点为研究热带印度洋对 全球变暖的响应奠定了科学基础。有研究认为最近的几十年热带印度洋是全球海 洋中增暖最多的( e g a l o 叮e ta i 2 0 0 7 ；d ua n dx i e2 0 0 8 ) 。各种气候模式利用不断 增加大气中温室气体( e g c 0 2 ) 的浓度强迫全球，很好地模拟了热带印度洋的 增暖趋势( e g k n u t s o ne ta 1 2 0 0 6 ；v e c c h ia n ds o d e n2 0 0 7 ) 。相对于太平洋显著的 中部和南部增暖而北部变冷的趋势( h u a n ga n dl i u ，2 0 0 1 ) ，印度洋有着显著的 海盆尺度的增暖( y a n ge ta i 2 0 0 7 ) ，并目纬向s s t 梯度显著减弱，热带印度洋 存在着正偶极子状的增暖趋势( e g v e c c h ia n ds o d e n2 0 0 7 ；d ua n dx i e2 0 0 8 ) 。对 于热带印度洋的海盆尺度增暖，d u 和x i e ( 2 0 0 8 ) 认为全球变暖之后海洋吸收的 净热通量接近与零，对此模态没有贡献，而是温室气体的增加引起了到达地面的 长波辐射并且由于水蒸气的反馈作用增大了辐射，从而抑制了s s t 的降低，有研 究认为受强e n s 0 事件的影响，热带印度洋会在e n s o 之后的夏季显著增暖并 且在西北太平洋产生一个强的反气旋异常风场，印度洋通过热容器的充放电效 应，对局地及周边国家的气候异常产生重要的影响( y a n ge ta i 2 0 0 7 ；x i es pe ta i 2 0 0 8 ) 。对于其在全球变暖影响下产生的正偶极子状增暖趋势，v e c c h i 和s o d e n 在2 0 0 7 年认为全球变暖气候中整个环流通过减少强上升气流的发生频率和增加 弱上升气流的发生频率来减弱，此结果与观测到的从1 9 世纪中叶丌始海表面气 压的变化是一致的，而h e i d 和s o d e n 在2 0 0 6 年论证了变暖气候中热带沃克环 流的减弱伴随着全球大气中水汽含量的增多远大于海洋表面的降雨量现象，有研 究认为太平洋贸易风的减弱引起的印尼贯穿流( i n d o n e s i a nt h r o u g h n o w ，i t f ) 的 传输减小导致了热带印度洋次表层变冷的趋势( a l o r ye ta i 2 0 0 7 ) ，赤道东南印 度洋沿岸风引起的次表层海水上涌，减弱了东南印度洋的增暖，从而通过热带海 气耦合正反馈机制产生并维持了热带印度洋正偶极子状增暖趋势。很多研究还 指出热带印度洋的增暖在北大西洋涛动向正相位转变的趋势、非洲持续的干旱和 美国、南欧和西南的干旱等这些全球气候变异事件- 一起着关键的作用( e g h o e r i i n ge ta i 2 0 0 l ；g i a n n i n ie ta i 2 0 0 3 ；h o e r l i n ga n dk u m a r ，2 0 0 3 ) 。有观点认为全 球温室气体的增多导致的全球变暖，增强了沿岸全球显著卜升流的强度( b a k u n ， q j 度洋偶极r 状增暖趋势及其形成机制 1 9 9 0 ；m c g r e g o ra n dm u l j t z a ，2 0 0 7 ) ，减弱了东南印度洋苏门答腊岛沿岸海表面 温度的增暖。综上所述，观测及气候模式的结果都显示了热带印度洋在全球变暖 背景下产牛了显著的增暖，但是其增暖的物理机制以及产牛正偶极子状增暖趋势 的原因还不是很清楚，以及由于不同观测资料在热带太平洋增暖响应中所显示的 不同增暖趋势，热带大气环流究竟如何变化还没有得到令人信服的结果，这些科 学问题都有待进一步探索。 热带印度洋的变化对亚洲夏季风的影响是不 口j 忽视的，亚洲夏季风环流是热 带气候系统中一个非常重要的组成部分。一般而言，亚洲夏季风的生成是由于印 度洋和亚欧大陆之间的海陆热力差异所引起的( e g l ia n dy a n a i ，1 9 9 6 ；u e d aa n d y a s u n a r i ，l9 9 8 ) 。y a n ga n dl a u 在l9 9 7 年利用环流模式来理解s s t 对亚洲夏季风 环流的影响，提出了印度洋海盆尺度s s t 的增暖伴随着季风环流的减弱和大尺 度季风降水的减少。全球变暖的大背景下，亚洲夏季风环流和降水的变化出现了 一种对立，环流减弱而降水显著增强( e g m e e h la n dw a s h i n g t o n1 9 9 3 ；k i t o he t a 1 1 9 9 7 ；h ue ta 1 2 0 0 0 ；m e e h la n da r b l a s t e r2 0 0 3 ；u e d ae ta 1 2 0 0 6 ) ，热带印度洋的 增暖所增强的夏季风水汽输送和热带印度洋和亚欧大陆之间中上层大气减弱的 经向热力梯度被用来解释业洲夏季风的的变化( u e d a ，2 0 0 6 ；m e e h i ，1 9 9 7 ) 。t i m l ie ta 1 在2 0 0 1 年分析了在热带2 3 年振荡的时间尺度( t r o p i c a ib i a n n u a l o s c i l l a t i o n ，t b o ) 上印度洋夏季风降水与之前冬春季的印度洋s s t 和水汽通量 的输送有着显著的正相关性，季风变化很大程度上是被热带印度洋s s t 和热带 火气海洋相互作用影响的。 0 3 本文的研究内容和意义 在上述研究进展的基础e ，本文基于两种被广泛应用的h a d i s s t 和e r s s t 作为观测结果和i p c c a r 4 多模式模拟的2 1 世纪变暖气候场景s r e sa l b 中的 数据结果以及f o a m 海气耦合模式，一致再现了上个世纪热带印度洋对全球变 暖的响应模态，表现为赤道西印度洋增暖多而赤道东南印度洋增暖少的正偶极子 状增暖模态。并且历史观测还发现热带印度洋偶极子事件在过去1 3 0 年的发展趋 势为负偶极子事件逐渐减少，正偶极子事件逐渐盛行，与热带印度洋的增暖模态 是一致的。本文利用f o a m 模拟的一系列全球变暖的敏感性实验得出了与之前 4 日j 度洋偶极了状增暖趋势及其形成机制 列举的理论不一样的两点结论： ( 1 ) 海陆温差诱发的赤道东风异常是导致热带印度洋正偶极子增暖模态的 最初原因，局部的海气耦合b e j e r l m e s s 正反馈机制使得正偶极子增暖模态得以 维持； ( 2 ) 全球增暖下的沃克环流减弱是热带海气耦合的结果，水循环的改变不 是主导因子。 作为上述工作的延伸，本文还讨论了亚洲夏季风环流及降水在全球变暖中的 响应方式。u e d a 等在2 0 0 6 年利用模式资料分析了全球变暖之后亚洲夏季风环流 减弱和降水增强的结论及其简单的物理机制。基于i p c c a r 4 模拟的全球变暖场 景和f o a m 模拟的变暖实验，本文再现了亚洲夏季风环流和降水变化的对立， 并且在u e d a 等人的研究基础上更深地探讨了其物理机制，发现热带印度洋的增 暖在这种对立响应中起到重要作用，印度洋的不断增暖增大了亚洲夏季风区域的 海陆温差并减弱了中上层大气的经向热力梯度，从而减弱亚洲夏季风环流，然而 印度洋增暖增加了海洋上空的水汽量，并通过夏季风的输送作用增强了亚洲夏季 风降水。本文还发现太平洋的增暖对于这种对立响应的产生和维持起到了抑制的 作用。 本文主要分为以下几部分，第一部分是数据资料和数据分析方法的介绍，第 二部分是由观测资料和模式资料的分析结果，第三部分利用f o a m 模式模拟的 全球变暖场景及一些敏感性实验分析了热带印度洋正偶极子状增暖趋势的物理 机制，第四部分利用f o a m 模式开展一系列敏感性实验，改变海洋对大气的热 力强迫来探索亚洲夏季风对全球变暖的响应机制，第五部分是对整篇文章的总结 和一些问题的讨论及展望。 基于印度洋增暖对全球气候有重要影响，本文研究将不仅提高对印度洋增暖 机制及其气候效应的认识，而且将为正确预估未来几十年气候变化提供一定的理 论基础，具有重要的科! 学意义。另外，印度洋是影响季风变异的关键海区，印度 洋的海洋以及大气要素的变化直接影响到了沿岸国家以及其他受季风影响严重 的国家的气候变化，所以研究印度洋的海洋大气相百作用机制对于人类的牛存和 发展有着很蕈要的意义。 度洋儡掘r # 增暖趋势其j bj 籼【埘 04 附图 图0l ：一个合成的偶极子事件。扣d 是合成的海表面温度和表面风场异常从五月 份到 。二月份的发展过程。超过9 0 信度检验的s s t 和风场异常分别显示为阴 影和加粗。( 来自s a i i 等，1 9 9 9 年) f m u m0lac o m p o s i kd l p o l em o d ee v e m d ，e v o i u t l o no fc o m p o s i 靶s s ta r i d s u r 南c e w m da n o m a 】l e s 厅o mm a y _ j u n e ( a 1 吣n o v d e c ( d ) t h es t a t i s t i c a i s l 鲫1 n c a n c eo f a n a j v s e da n o m a i l e sw e r ee s t i m a t e db vt h e1 w o n i i e dt - t e s ta n o m a l i e s o fs s ta n dw m d s e x c e e d m g9 0 s i z n l 6 c a r i c ea 陀i n d i c a k db ys h a d m ga n db o i d a r 砷w s 陀s p e c t i v e i v ( 什o ms a | 1e ta l1 9 9 9 ) 图0 2 ：s s t 偶极了强度d m i 与赤道纬向风异常u 。的强耦合。偶极了模态和赤 道纬向风场异常的强度的季节发展，从前一年至典型偶扳子年的第二年，超过 9 0 信度检验的显著异常以点做标志。( 来自s q l 等，1 9 9 9 年) f i g u r e02s t r o n gc o “p i i “go f s s td i p oj ej n t e n s i 哼吣u qs h o s t h ec o e v o i u t i o n o fm t e n s l 廿。fl h ed i p o i em o d e ( d m l ，b l a c kb a r s ) a n ds l m n d 柏o f 。q u a 沁m lz o n a l w ；n d sa n o m a j i e s ( u 呻g r 。yb a r s ) f 沁mt h 。y e a r b e 陆陀，t o 山。y e a r 佑j l o w gat y p i c a l d l p o l em o d ee v e n tb a r si n d i c a t l “gs i g n l f l c a n ta n o m a i i e s ( e s t i m a k db yat w o t a i l e d t - k s t ) e x c e e d i “ga9 0 c o n n d e n c el e v e ia mm a r k e dw i c h 。p o t s ( 仔。ms 却i e ta 】 1 9 9 9 ) 0 # 儡f 状增崾趋势h 成机 日五巴 诗睁 图o3 ：气候态的夏季风场( 左) 和降水场( 右) ，分别由观测资料e r ( 上) 、 n c e p n c a r ( 中) 和气候模式f 0 川( 下) 三种资料得到。降雨量大于4r 州d a y 的 数据以阴影束表示。( e r a 和n c e pn c a r 的结果来自于a n na 】【l a l a l 和s l i n g o 等， 1 9 9 9 年) f l g u r eo3 ：c l i m a t 0 1 0 9 yo ft h es e a s o n a lm e a n ( j u n s e p ) 8 5 0 h p a ( 1 e f t ) w l n d s “s 1 ) a n d ( r l g h t ) p r e c l p i t a t l o n ( 棚d a y 叫) f r o m ( t o p ) e r ，( m l d d l e ) n c e p n c a ra n d ( b o t t o m ) f o a mc o n t o u fi n t e r v a li s4 帅d a y a n dv a l u e s l ne x c e s so f4m md a y a r es h a d e d ( t h er e s u l t so fe r aa n dn c e pn c a ra r e f r o ma n n a m a l a l a n ds ll n z oe ta l 1 9 9 9 ) 印度洋偶极7 状增暖趋势及其形成机制 y e a r 。f。j-l。i 。l 1。 | i 卯i 1 5 02 0 0瑚蛳 y ， 图o 4 ：伞球平均的表面气温6 t 、降雨的变化率6 p p 和整层人气的水汽变化率6 q q 的时间序列( 左) ，全球平均的对流质量通量的变化率6 m m 和相应的6 p p 仅6 t ( p = m q ) 的时间序列( 右) 。所有结果来自于g f d lc m 2 1 模拟的全球变暖场景， 时间序列被进行 r 5 年滑动平均。( 来自于h e l d 和s o d e n ，2 0 0 6 ) f i g u r e0 4 ：( 1 e r ) t h ec h a n g ei ng l o b a l - m e a ns l i r 亿c ea i rt e m p e r a t u r e ，6 t ( s oj d ) ， f a c t i o n a lc h a n g ei np r e c i p i t a t i o n ，6 p p ( d a s h e d ) ，a n dc o l u m n i n t e g r a t e dw a t e rv a p o r ， 6 q q ( d o n e d ) ( r i g h t ) 1 h ef i a c t i o n a lc h a n g ei n 窖l o b a l m e a nc o n v e c t i v em a s sf l u x 6 m m ( s o l i d ) a n dt h ec o r r e s d o n d j n gc h a n g ei n6 p p - 0 c 6 t ( p = m q ) ( d a s h e d ) a l lr e s u l t s a r ef r o mt h eg f d lc m 2 1 ，a n dt h et i m es e r i e sa r es m o o t h e du s j n ga5 一y rr u n n i n g m e a n ( f r o mh e i da n ds o d e n ，2 0 0 6 ) 叭 o 刚 仉ldi=州口8，4s ul舭挈g y 一卜婚 吐 _l-e_q_id 印度洋偶极子状增暖趋势及其形成机制 t 数据资料和处理方法 1 1 数据来源 1 1 1 观测数据 我们利用了两种被广泛应用的全球海表面温度资料，h a d l e yc e n t e rs e ai c e a n ds s td a t as e t ( h a d i ss t ) 和n o a a n c d ce x t e n d e dr e c o n s t r u c t e ds s t ( e r s s t ) 。h a d i s s t 是h a d l e y 中心提供的海冰和海表面温度数据集，我们用了 其中月平均的s s t 资料，是h a d l e y 中心g i s s t 资料的新版本，时间范围是1 8 7 0 年至2 0 0 0 年，格点分辨率为1 。x1 。( r a y n e re ta 1 2 0 0 3 ) ；e r s s t 是美国海洋 与大气局的国家气候中心( n o a a m c d c ) 提供的e r s s t 月平均分析资料，时 间范围取了其中1 8 7 0 年至2 0 0 0 年，格点分辨率为2 。x2 。( s m i t ha n dr e y n o i d s 2 0 0 4 ) 。这两种观测资料都是时间尺度较长、可信度较高的资料，在海洋和大气 研究中得到了广泛应用。 1 1 2 模式数据 1 1 2 1 i p c c a r 4 模式数据简介 1 9 8 8 年，联合国环境署和世界气象组织( w m 0 ) 联合组成了政府间气候变 化专门委员会( i p c c ) 。政府间气候变化专门委员会实际上是联合国所属的一个 机构，它本身不是一个研究机构，它的主要职责是在对全球各地的科研人员所提 供的各种信息进行分析的基础卜向各国政府提m 建议。政府间气候变化专门委员 会分为三个小组，第一小组的工作任务是对有关气候变化的各种情况进行评估： 第二小组的工作则是对气候变化引起的环境问题和社会经济发展问题进行评估； 第三小组的任务是负责制定有关处理气候变化问题的响应策略。三个小组工作的 最终目的为全球各国政府首脑签订气候条约提供基本信息，自从联合国气候变 化框架公约签署以来，政府间气候变化专门委员会还承担了为联合同气候变化 框架公约( u n f c c c ) 成员国会议( c o p ) 提供科学、技术和社会经济建设的工 印度洋偶极子状增暖趋势及其形成机制 作。迄今为止，它已经分别于1 9 9 0 年、1 9 9 6 年、2 0 0 1 年和2 0 0 7 年编写和出版 了4 个评估报告。文中所用l p c c 模式数据是来自于为了第四次评估报告模拟的 全球变暖场景的数据资料。 i p c c a r 4 模式数据，是气候模式诊断与对比分析的组织( p c m d i ) ，为政府 间气候变化专q k 委员会( i p c c ) 对未来气候的第四次评估报告( a r 4 ) 提供的世界 气候研究计划活动中的耦合模式相互比较的项目方案( w c r p c m i p 3 ) 多模式数 据集。此次项目的模式来自世界1 0 多个国家2 4 个先进的海洋与大气耦合的全球气 候模式，参考一卜个世纪的实际观测的空气中各种温室气体含量、太刚辐射以及火 山爆发等模拟了2 0 世纪的全球气候，很好地反映出全球变暖的现象，并且在此基 础上模拟了未来2 1 世纪以及以后2 0 0 多年的气候变化，文中主要利用s p e c i a l r e p o r to ne m i s s i o n ss c e n a r i o s ( s r e s ) a 1 b 实验模拟的2 l 世纪场景作为全球变暖 的实验，来分析热带印度洋在全球变暖背景下产生的正偶极子状增暖趋势的模态 以及其形成机制。用到的数据变量包括海表面温度( s s t ) ，海洋次表层温度 t ( 0 m ) t ( 5 0 0 m ) ，整层大气的温度( t a i r ) 海气界面的风场( u ，v ) ，海气界面气压场 ( p s l ) 。 1 1 2 2 f o a m 模式简介 我们所刷的海气耦合模式是f a s to c e a n a t m o s p h e r em o d e l ( f o a m ) 1 5 ，由威 斯康辛大学的j a c o b 在19 9 7 年发展的海一气完全耦合全球模式。当前，海气耦 合模式能够细致描述气候系统的平均态及其变化特征，但运行效率普遍较低；中 等复杂程度的地球系统模式的运行效率较高，但模拟的气候系统平均态过于粗 糙。f o a m 融合了二者的优点，既保持了较高的运行效率又细致地描述了大气一 海洋系统的内部结构。f o a m 包含四个主要的动力学框架：大气模式采用n c a r c c m 2 o 的动力学框架和c c m 3 o 的大气物理过程。海洋部分采用g f d l 的 m o m 。此外，f o a m 也包含了海冰的热力学过程，对北半球格陵兰地区和南半 球高纬地区海冰的模拟和观测基本相符。f o a m l 5 的大气分辨率是1 8 层的7 5 经度+ 4 5 纬度；海洋分辨率是3 2 层的2 8 经度幸1 4 纬度。f o a m 通过采用耦合 器，避免了模式的通量订正，从而在动力学框架上更为合理。此模式很好地模拟 全球气候态的大气和海洋( j a c o b ，1 9 9 7 ；l i ue ta 1 2 0 0 3 ) ，运行1 0 0 0 年以上没有 印度洋偶极予状增暖趋势及其形成机制 明显的气候态漂移，并且成功用于e n s o ( l i ue ta 1 ，2 0 0 0 ) 、热带大西洋变率( w u a n dl i u ，2 0 0 2 ) 、北大西洋热盐环流变化( 、e ta 1 ，2 0 0 8 ) 、北太平洋( w ue ta 1 ， 2 0 0 3 ) 、印度洋偶极子和亚洲夏季风变化( l i ue ta 1 2 0 0 7 ) 的分析和研究。和大多数 的海气耦合模式( c g c m s ) 相比，f o a m 的优势在于运算效率极高，在中国海 洋大学的高性能运算平台s g l 上的运行效率平均为1 年1 5 分钟，这一效率大大 高于大多数海气耦合模式，如c c s m 、c m 2 0 、c m 2 1 等等。在全