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1、专业好文档增暖背景下亚洲季风区 ISO 经向传播特征分析黄应喜 蒋国荣 汪晓娇(解放军理工大学气象学院二系,南京 )详细摘要本文基于全球地面气温资料、近六十年（19482003）NCEP/NCAR 逐日再分析资料（代表自然界状况）和中科院大气所 LASG 研制的 FGOALS1.0_g 耦合气候模式控制试验（代表自然变率状况）及加倍试验（考虑人类活动影响）模拟的 60 年模式结果资料，利用时空谱分析、小波分析等多种诊断分析方法，主要探讨了自然界状况下、有无人类活动影响状况下，亚洲季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的可能变化情况，目的是研究与人类活动影响有关的全球增暖背景下季风区大气季节
2、内振荡(ISO)经向传播特征的变化特点。研究得出：从百年多的全球地面气温资料分析来看，全球地面气温呈现一个明显的上升趋势，近六十年来，上升趋势仍在继续，就所研究的时段而言，1948 年至今，全球气候的变化大致分为二个不同阶段，上个世纪四十年代至七十年代中后期的相对平稳期，上个世纪七十年代中后期至今的增暖期。利用 NCEP/NCAR 观测资料分析发现，在自然界状况下，对应近六十年的全球气候变暖这一背景，无论是高空还是低空，无论是印度洋区域还是西太平洋区域，亚洲季风区的大气季节内振荡的经向北传波的大气季节内振荡能量比值是逐渐增加的，而南传波的大气季节内振荡能量比值则是逐渐减少的；从区域来看，印度洋
3、地区的变化幅度要比西太平洋地区的大，反映出一定的区域性差异。利用 FGOALS1.0_g 耦合气候模式控制试验六十年的模拟结果分析表明，在自然变率下，无论是高空还是低空，无论是印度洋区域还是西太平洋区域，亚洲季风区大气经向北传或南传的季节内振荡能量虽然存在年际与年代际变化，但从长期来看基本也是维持一种平衡状态，无明显的上升或下降趋势。进一步利用 FGOALS1.0_g 耦合气候模式加倍试验六十年的模拟结果分析发现，在考虑人类活动影响后，全球气候变暖，无论是高空还是低空，无论是印度洋区域还是西太平洋区域，亚洲季风区北传波的季节内振荡能量相对减弱，而南传波的季节内振荡能量相对增强，对比自然变率下的
4、模拟结果，表明人类活动影响导致温室气体增加使得全球地面平均气温增暖对亚洲大气季节内振荡经向传播是有影响的，它改变了季风区大气季节内振荡经向传播特征。但模拟结果与实测结果不一致，则可能与模式本身具有守恒特性而自然界为开放系统有关。关键词：全球增暖，季节内振荡，时空谱分析，自然变率，人类活动影响。专业好文档增暖背景下亚洲季风区 ISO 经向传播特征分析黄应喜 蒋国荣 汪晓娇(解放军理工大学气象学院二系,南京 )摘 要本文基于全球地面气温资料、近六十年（19482003）NCEP/NCAR 逐日再分析资料（代表自然界状况）和中科院大气所 LASG 研制的 FGOALS1.0_g 耦合气候模式控制试验
5、（代表自然变率状况）及加倍试验（考虑人类活动影响）模拟的 60 年逐日资料，利用时空谱分析、小波分析等多种诊断分析方法，探讨了自然界状况下、有无人类活动影响状况下亚洲季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的可能变化情况，目的是研究与人类活动影响有关的全球增暖背景下季风区大气季节内振荡(ISO)经向传播特征的变化特点。研究得出：人类影响导致温室气体增加促使全球地面平均气温增暖会使亚洲季风区 ISO 经向传播特征发生变化。关键词：全球增暖，季节内振荡，时空谱分析，自然变率，人类活动影响。1 引言季节内振荡，是指显著周期范围在 3060 天的大气低频振荡。研究指出，大气季节内振荡是全球 大气运动
6、广泛存在的一种重要时间变化现象，它具有如下几个特征：大气季节内振荡以热带地区最为 显著；热带大气季节内振荡主要发生在东半球，其纬向传播以东传为主；热带大气季节内振荡强度具 有冬春季强、夏秋季弱的季节变化等。由于季节内振荡的时间尺度介于月季之间，因此与短期气候预 测有着密切联系，一直是大气科学前沿研究课题之一。季节内振荡自上个世纪七十年代由 Madden 和 Julian 首先发现，八十年代国内也开始了相关领域的研究，并在许多方面作出了贡献。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，目前普遍认为，过去 100 年的全球增暖可能主要是由人类活动向大气排放温室气体造成的，理论研究
7、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。其中，二氧化碳（CO2）是最重要的大气温室气体，它的 增加对目前气候增暖的贡献大约为 70%。虽然过去对热带大气季节内振荡的传播特征分析已经开展了很多研究工作，关于 ISO 的研究已经 取得了一系列的成果，如 ISO 的基本特征、ISO 的纬际和半球际传播及相互作用，动力学机制等。人们 对于全球 ISO 的基本属性认识已经比较清楚。但是，有关 ISO 各方面的研究并不平衡，总体趋势是， 热带区域的研究多一些，中纬度相对少一些；纬向传播的研究多一些，经向传播相对少一些；南亚地 区的研究多一些，东亚地区的研究少一些。本文首先分析近六十
8、年来全球变暖特征，然后利用 NCAR/NCEP 再分析资料（作为实测资料）诊断分析近六十年来亚洲地区大气季节内振荡经向传播特征的 变化，最后分别利用有、无人类活动影响状况下的耦合气候模式模拟结果做进一步的分析研究。 2 资料和分析方法本文研究所使用的实测资料主要是 56 年 NCAR/NCEP 逐日再分析资料，资料的时段为 1948-2003 年。 其中，1958-1997 年的 40 年资料由南京气象学院大气资料服务中心提供，1998-2003 年与 1948-1957 年资料由美国国家环境预报中心（National Center for Environment Prediction）和美国
9、国家大气 科学研究中心（National Center for Atmospheric Reseach）提供（网上获取） 。 NCEP/NCAR 再分析资料，是由美国国家环境预报中心（National Center for Environment Prediction）和美国国家大气科学研究中心（National Center for Atmospheric Research）自 1991 年开始联合进行的 40 年（1958-1997）大气资料再分析研究项目。NCEP/NCAR 再分析系统采用了当今最 先进的全球资料同化系统和完善的数据库，对各种来源的观测资料（包括地基观测、船舶观测、气球
10、观测、无线电探空测风观测、飞机观测，卫星观测等） ，用统一的资料同化系统进行质量控制和同化。 NCEP/NCAR 再分析计划有两个独特之处：即覆盖的时段长度和非常综合的观测资料集，该资料集自专业好文档 1996 年公开发行 CD-ROM 以来，已在全世界大气科学研究、教育和业务机构得到广泛的应用， NCEP/NCAR 大气再分析研究项目的成果提供了迄今最完整、最系统和使用最方便的大气资料数据库。本文研究所使用的模拟资料为中科院大气所 LASG 研制的 FGOALS1.0_g 耦合气候系统模式模拟的 控制试验（保持工业革命前 CO2含量不变的耦合气候模式结果）和加倍试验（CO2浓度以以 1等比增
11、 加到 2 倍工业革命前 CO2含量的气候耦合模式结果）相对应的六十年模式大气逐日资料。通常描述大气季节内振荡的传播特征的方法是时空谱。由于本文研究的是大气季节内振荡传播特 征年际以上尺度的长期变化，为了研究这种长期变化并有效提高时间分辨率，在时空谱方法中加入了 滑动窗口技术，窗口宽度是 365 天（1 年） ，滑动步长为 1 个日历月份。本文研究主要使用风场资料， 经纬网格距是 2.52.5，全球为 14473 个格点。本文研究的区域主要是热带区域，范围是30S30N，用时空谱方法分析自然变率下热带大气季节内振荡经向传播特征的变化，我们选取的区域 是两个季风区所在的热带印度洋地区（65E95
12、E）和热带西太平洋地区（105E135E） 。为滤 去高频变化以突出较长时间尺度的变化，本文还采用小波分解方法来分析时空谱的长时间尺度的变化 趋势。 3 全球增暖现象对全球及两半球气温和三大洋海温资料的分析中，我们得出，全球增暖现象是十分明显的，总体而言，全球、两半球气温甚至三大洋海温都反映出近百年来存在增暖趋势（图略） 。当然，研究也发现，这种增暖趋势并不是一个单调上升的过程，而是经历了不同的阶段，气候阶段的划分与时间尺度的选取有关。就年代际时间尺度而言，近六十年来（1948-2003 年）的气候状态大致可分为二个阶段，1948-1976 年是一个相对平稳的气候阶段，1977 年左右气候出现
13、了一次较明显的突变，相对于前一个平稳时期的气候阶段而言，1977-2004 年气候进入了一个增暖的气候阶段。4 亚洲大气季节内振荡的经向传播特征分析季节内振荡在靠近 150hpa 高度上有最大振幅，因此使用 200hPa 速度势来考察对流层上层季节内振荡的规律。由于前六个波在大气季节内振荡总能量中所占的比例相当高，如果将前六个波的南、北传波按传播方向分类求和则可以分析北传波与南传波的整体特征。为分析方便起见，本文主要使用经向北、南传波的季节内振荡能量相对季节内振荡总能量的比值变化用来分析热带 ISO 的经向传播特征。4.1 自然界状态下亚洲大气季节内振荡的经向传播特征分析图 1图 2 分别是用
14、 NCAR/NCEP 逐日再分析资料计算的印度洋地区和太平洋地区 200hPa 速度势经向北传（a） 、南传（b）16 波季节内振荡能量比值之和的年代际的变化趋势。专业好文档图 1 用 NCAR/NCEP 资料计算的 200hpa 速度势印度洋地区经度带北传（a） 、南传（b）16 波季节内振荡能量比值之和年代际变化曲线图 2 用 NCAR/NCEP 资料计算的 200hpa 速度势西太平洋地区经度带北传（a） 、南传（b）16 波季节内振荡能量比值之和年代际变化曲线由图可发现这样一个事实：近六十年来，两个地区经向北传波的大气季节内振荡能量比值都是逐渐增加的，而南传波的大气季节内振荡能量比值则
15、都是逐渐减少的；二者的变化基本呈现明显的相反趋势，但存在区域性差异，印度洋地区的变化幅度要比西太平洋地区的大。低空（850hPa）也有类似结果（图略） 。以上结果表明，在自然界状况下，随着气候的变暖，热带印度洋地区和热带西太平洋地区 200hPa 速度势经向波的大气季节内振荡能量变化类似，北传波的大气季节内振荡能量相对都是增加的，而经向南传波的大气季节内振荡能量相对是减少的。4.2 自然变率下亚洲大气季节内振荡的经向传播特征分析专业好文档利用中科院大气物理研究所研制的 FGOALS1.0_g 耦合气候系统模式控制试验（相当于忽略人类活动影响）模拟结果探讨自然变率下热带季节内振荡年际以上尺度的传
16、播变化特征，了解在无人类活动影响情形下热带季节内振荡在较长时间尺度上的传播变化特性。图 3图 4 分别为用耦合气候系统模式控制试验模拟的印度洋地区（65E95E）和西太平洋地区（105E135E）大气 200hPa 速度势经向北传（a）和南传（b）16 波之和季节内振荡能量相对比值的年代际变化曲线。由图可以看出，两个地区北、南传 16 波季节内振荡能量在总季节内振荡能量中所占比例平均都约为 48%左右，这与用 NCAR/NCEP 资料分析的北、南传波占的比列相当的结论一致，前 6 个波平均季节内振荡能量巳占季节内振荡总能量的 98%（北传与南传之和） ，表明热带 ISO 的能量主要以前 6 个波为主，这也与 NCAR/NCEP 资料分析的结果相似。由图还可以发现，无论是印度洋地区还是西太平洋地区，无论是北传波还是南传波，无论是高空和低空，整体而言呈现出明显的规律性，这就是，北传波和南传波的变化是反位相的，并且虽然 16 波之和的季节内振荡能量相对比值存在明显的年代际变化，但这种变化总体而言不存在明显的上升
