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  气候变化研究进展   2017, Vol. 13 Issue (1): 1-10.  DOI: 10.12006/j.issn.1673-1719.2016.117
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气候系统变化

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史珩瑜, 张祖强, 任宏利. 近百年来ENSO强度的变化特征[J]. 气候变化研究进展, 2017, 13(1): 1-10. DOI: 10.12006/j.issn.1673-1719.2016.117.
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Shi Hengyu, Zhang Zuqiang, Ren Hongli. Observed ENSO Intensity Changes During 1900-2015[J]. Climate Change Research, 2017, 13(1): 1-10. DOI: 10.12006/j.issn.1673-1719.2016.117.
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资助项目

国家重点基础研究发展规划(973)项目(2013CB430203);公益类行业(气象)科研专项(GYHY201506013)

作者简介

史珩瑜,女,硕士研究生,shihy0909@163.com

通信作者

张祖强,男,副研究员,zhangzq@cma.gov.cn

文章历史

收稿日期:2016-06-12
修回日期:2016-08-08
近百年来ENSO强度的变化特征
史珩瑜 1,2, 张祖强 2, 任宏利 2    
1. 南京信息工程大学,南京 210044;
2. 中国气象局国家气候中心,北京 100081
摘要:利用美国NOAA提供的月平均海表温度资料和英国Hadley中心提供的全球逐月海温格点资料,研究了1900— 2015年间厄尔尼诺-南方涛动现象(ENSO)的强度变化。结果发现,1900—2015年中ENSO事件强度发生了明显变化:20世纪初期至50年代ENSO强度为近百年来最弱时期,而从50年代以后其强度显著增强,特别是70年代至90年代末期ENSO强度达到近百年来最强,但在2000年以后其强度又有所减弱。进一步分析表明,在20世纪20—50年代的强度偏弱期,ENSO空间型的南北宽度为近百年来最窄,伴随着最大海温异常中心位置偏西;相比之下,在20世纪70年代以来的强度偏强期,ENSO空间型的南北宽度达到最宽,对应着最大海温异常中心位置偏东,而2000年以后的情形有向相反方向发展的趋势。
关键词近百年    ENSO    强度变化    
引言

ENSO是年际气候变化的最强信号,它的发生对全球气候和生态都有重大的影响,一直以来都是学者们关注和研究的热点。Bjerknes[1]最早把El Niño和南方涛动联系起来,指出这两者事实上是热带太平洋大尺度海-气相互作用的一个现象的两个方面,El Niño和La Niña事件是ENSO循环中的正、负两个位相,表现为热带太平洋海温的暖、冷异常。

发生在1982—1983年、1997—1998年的El Niño事件是有历史记录以来最强的两次事件,使世界各地都遭受了巨大的人员伤亡和财产损失[2]。IPCC一直都非常关注全球变暖背景下ENSO的变化。IPCC第三次评估报告[2]发现在20世纪ENSO的年际变率存在大幅波动,在1920—1960年间变率明显降低,但从20世纪70年代中期到2000年,ENSO的频率和强度都有增加。IPCC第四次评估报告[3]认为,与过去的100年相比,在最近的二三十年里El Niño事件的频率增加、持续性增加和强度增强。IPCC第五次评估报告[4]指出气候系统的变暖是毋庸置疑的。而且现已确认,全球地表温度变化和赤道太平洋海面温度变化之间存在着密切联系。目前,全球变暖对El Niño和La Niña事件的强度会产生什么样的影响是气候变化研究的热点问题。

国内外已经有一些学者围绕这一问题进行了相关研究。闻新宇等[5]通过对古ENSO的研究指出,历史上ENSO的强度并不稳定。Kim等[6]通过计算Niño3.4标准差的滑动平均发现ENSO的海温变化幅度在1980—2000年达到最强,在20世纪90年代末期略有减弱趋势。吕俊梅等[7]研究发现由于太平洋年代际振荡(PDO)的影响,在1909—1924年和1946—1976年这两个时段内La Niña事件强度较强,而在1925—1945年及1977—1999年El Niño事件强度较强。Nitta等[8]以及Zhang等[9]研究指出在20世纪70年代后期海表温度发生类ENSO变化。Yeh等[10]进一步研究认为这种低频变化在赤道太平洋地区会影响ENSO的振幅等特征。Hu等[11]研究关注在1999—2000年发生ENSO的转变,指出2000年之后ENSO振幅减弱。胡博等[12]利用MIROC3.2模式,发现全球变暖下ENSO事件强度增大。Cai等[13-15]通过CMIP3和CMIP5耦合模式模拟发现,在气候变暖的背景下,更易发生极端ENSO事件。

以上研究都涉及ENSO事件的强度变化,但有些研究的资料时间长度相对较短,海温资料使用单一,且没有对ENSO属性进行更全面的研究,甚至不同文章间的结论还存在相互矛盾之处。此外,虽然基于模式模拟的研究较常见,但当代气候模式对历史上ENSO现象的模拟能力仍然有限。比如模式在模拟气候背景场和年际变率时存在系统性误差[16],会影响ENSO的振幅[17]等其他属性的模拟。因此用模式去研究全球变暖情况下ENSO的变化问题还有很大的不确定性和局限性,并且多数研究是面向未来气候变化预估。那么,作为一个首要问题,过去百余年在全球变暖的大背景下,ENSO强度发生变化的基本事实是什么?这是一个值得深入研究的重要问题。本文将利用两套国际上公认的长时间序列海温资料,对近百年来ENSO事件强度的变化特征进行全面细致的分析,揭示过去百余年历史上ENSO强度变化的基本事实和主要特征,希望能为ENSO在气候变化条件下的模拟和预估提供参考。

1 资料介绍

本研究采用了两套海温资料。一套是美国大气海洋局(NOAA)气候数据中心提供的海表温度扩展重建资料V3b版本[18-20](NOAA Extended Reconstructed SST V3b)。该资料是水平分辨率2.0°×2.0°的月平均格点数据,水平空间范围为全球区域(88°S~88°N,180°W ~180°E),时间序列为1854年1月至2015年12月。ERSST.V3b在重建过程中使用了最新的COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)中的海表温度数据,并改进了统计方法使稀疏的数据可以稳定重建,但没有使用卫星数据。另一套是Hadley中心提供的全球海冰和海温的逐月格点资料[21](Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature Data,HadISST),空间分辨率为1.0°×1.0°,水平空间范围为全球区域(89.5°S~89.5°N,179.5°W ~179.5°E),时间序列为1870年1月至2015年12月。HadISST利用RSOI(Reduced Space Optimal Inter-polation)和方差校正混合技术对实测资料以及偏差校正后的星载红外仪器(AVHRR)的海温反演结果(仅1981年后)进行重构后得到的一套资料。其中最主要的实测海温数据来源于MDB(Met Office Marine Data Bank),在MDB缺少数据的地方,则利用另一套实测海温资料COADS进行补充。由此可见,两套海表温度分析场资料在很多方面是较独立的,可为本文研究提供较全面的信息。

本文旨在根据观测资料研究近百年来ENSO事件的强度变化特征并运用多种方法来展现和阐释。为去除海表温度升高的影响,对所有参加计算的数据先进行去趋势处理。

2 ENSO强度变化特征 2.1 Niño3.4指数的变化分析

衡量ENSO事件的强度变化一直是学者们关注的问题,并提出了许多确定ENSO事件的表征指数。Trenberth[22]曾提出将Niño3.4区(5°N~5°S,170°~120°W)的海表温度异常超过0.4℃作为一次厄尔尼诺事件发生的指标(目前国际上一般将Niño3.4指数超过0.5℃作为一次厄尔尼诺事件发生的指标),这种方法不仅简单易行,而且Niño3.4区兼顾到了Niño3区(5°N~5°S,150°~90°W)和Niño4区(5°N~5°S,160°E~150°W),对热带太平洋具有更好的代表性,得到了国际科研和业务领域的广泛认可。

图 1展示的是近百年来的Niño3.4指数的变化情况,图 1(a)图 1(b)分别使用的是ERSST资料和HadISST资料(下同)。由图可知,ENSO活动有很强的不规则性[23],在过去的100多年中ENSO事件强度存在明显的变化。1920—1950年是ENSO事件强度较弱的一段时期。此前Webster等[24]提出1920—1950年出现了一个ENSO活动减弱的时期。而20世纪80年代以来,强度有明显的增加,发生了1982年和1997年两次极端El Niño事件,Niño3.4指数甚至超过了3℃。21世纪初强度又有减弱的趋势,直到2015年超强El Niño事件的出现。闻新宇等[5]曾通过Niño3.4指数发现,在近100年的时期内ENSO最显著的特征是,1920—1950年是强度明显减弱的时段,而1980年之后进入了一个活跃阶段,强度加强。本文利用更丰富的海温资料得到了与之总体上一致的结论。这里,我们发现一个值得关注的问题是,21世纪以来ENSO减弱趋势是否是一个长期行为?

注:红色填充表示超过0.5 ℃,蓝色填充表示低于0.5 ℃。 图 1 不同海温资料1900—2015年Niño3.4海温异常指数的时间变化曲线 Figure 1 Time series of Niño3.4 sea surface temperature (SST) anomaly indices from 1900 to 2015

为了直观展示ENSO强度在过去百余年的变化特征,图 2给出了Niño3.4指数的标准差随时间的变化情况。由于窗口选择的长度不同,Niño3.4指数的标准差随时间的变化在细节上有些差异,但反映的整体变化趋势还是比较一致的。20世纪初期ENSO强度较强,之后逐渐减弱,20世纪20年代至50年代是其强度最弱的一段时期,随后ENSO的强度在振荡中增加,于20世纪70年代后期至90年代后期达到峰值,2000年以后强度又呈下降趋势。尽管在2015年发生了一次超强的El Niño事件,但由于2000—2015年并没有发生过强El Niño,21世纪前15年的ENSO强度相比之前仍略有下降。Kim等[6]曾对1950—2012年Niño3.4的标准差分别进行20、30、40、50年的滑动平均,显示ENSO的海温变化幅度在过去的几十年里一直加强,1980—2000年达到最强,在20世纪90年代末期表现出稍微减弱的趋势。本文得到的结论与其较为一致。

图 2 不同海温资料1900—2015年Niño3.4指数的标准差随时间的变化曲线 Figure 2 Time series of standard deviations of Niño3.4 index from 1900 to 2015

使用ERSST和HadISST资料得到的ENSO强度的变化趋势十分相似,但是显示的变化幅度有些许差异。在1900—1925年,使用HadISST计算得到的Niño3.4的标准差小于使用ERSST计算得到的标准差;在20世纪70年代以后,前者的值大于后者。与使用ERSST资料得到的结果相比,HadISST资料结果显示在这近100多年中,ENSO强度的变化趋势更剧烈。

考虑到31年的窗口得出的数据与图 1反映的事实最接近,即能最好地反映ENSO强度随时间的变化特征,并且在气候特征分析中常用30年作为气候态,本文后面研究中都将窗口选为31年。

2.2 ENSO空间型变化分析

这里,进一步从ENSO空间型角度分析其强度变化规律。首先,利用Niño3.4指数对热带太平洋区域(20°N~20°S,120°E~80°W)的海表温度异常进行回归分析,得到ENSO空间型。然后,为了获取ENSO空间型近百年来不同时期连续变化情况,采用滑动窗口进行指数回归计算,这里窗口长度取31年(1980—2015年为36年),以得到稳定空间型。这样的计算每隔10年进行一次,结果如图 3所示。图 3中清晰地反映了ENSO的空间形态及其中心强度在过去一百多年里的变化。在分辨率为0.1℃/月的图上,9个窗口的最大海温异常中心值如表 1所示。表 1中某些窗口的最大异常值是一样的,但结合图 3会发现最大异常值的空间分布范围有很大差异,说明不同时段的ENSO强度也是不同的。从图 3中可知,1900—1930年、1910—1940年和1920—1950年这3个窗口显示出ENSO的强度逐渐减弱。ENSO的强度在1920—1950年达到最弱,随后强度逐渐加强,在1970—2000年达到最强,之后又呈下降趋势。

表 1 Niño3.4指数回归得到的海表温度异常场的最大海温异常中心值 Table 1 Maximum SST anomaly (SSTA) center of SSTA patterns as regressed with Niño3.4 index

图 3 不同海温资料1900—2015年Niño3.4指数回归得到的海表温度异常场 Figure 3 SSTA patterns as regressed with Niño3.4 index from 1900 to 2015

计算ENSO空间型的海表温度异常的最大值,使用两套资料得到的结果略有差别,不过显示ENSO强度的变化趋势非常一致。结果都显示,ENSO强度在20世纪初至50年代逐渐减弱并在1920—1950年强度达到最弱;在50年代以后强度逐渐增强并在90年代末达到最强;2000年之后的强度相比之前表现出略有下降。

为了更客观和细致地观察到ENSO型的中心强度变化情况,我们进一步对Niño3.4指数的回归分析每年滑动1次,窗口仍为31年,从而得到更连续的ENSO空间型演变,并且分别做了5˚N~5˚S和180˚~90˚W的纬向和经向平均,结果如图 4所示。可以清楚地看到,这两幅图更明显地反映出近百年来ENSO强度和宽度的变化,当然由于回归方法得到的结果依赖于Niño3.4指数的经度位置,此处暂不考虑最大异常值中心位置的变化。

图 4 不同海温资料1900—2015年Niño3.4指数回归得到的海表温度异常场的剖面图 Figure 4 Cross-sections of the Niño3.4 index regressed SSTAs as averaged from 1900 to 2015

图 4反映出20世纪初至20世纪50年代是ENSO强度较弱的一段时期,最大海温异常值在ERSST资料中不超过0.75℃/月,在HadISST中不超过0.70℃/月。由于此时段内ENSO强度弱,赤道区域海水热量累积少,南北宽度最窄;20世纪70年代至90年代末是ENSO强度较强的一段时期,且南北宽度最宽。在变化趋势方面,20世纪初至50年代表现为ENSO强度减弱,20世纪50年代至90年代末表现为强度增强,其中70年代至90年代末,ENSO强度增加很快。虽然减弱或增强在某些年份里有间断,但减弱或增强的趋势并没有改变。2000年之后ENSO强度虽有所降低,但强度依然较强。不过,Zhang等[25-26]研究指出ENSO空间型南北向宽度受到ENSO周期性的影响,与其强度并无关系,他们认为ENSO周期较长(短),在位相改变前,海温异常就会有相对较长(短)的时间通过经向平流向远离赤道的方向传播,其南北向宽度就会越宽(窄)。有关周期性改变的研究将在后续工作中加以深入开展。

自20世纪70年代后期以来,越来越多的研究[27-30]显示有一种空间型不同于传统型El Niño和中部型El Niño存在。这种类型的El Niño主要表现为其增温首先出现在赤道中太平洋,然后向东传播至赤道东太平洋南美沿岸。Yeh等[29]曾用Niño3指数和Niño4指数来区别传统型El Niño和中部型El Niño,本文又尝试用这两个指数对热带太平洋海温异常进行回归和剖面分析,得到的ENSO强度变化特征如上所述。

2.3 热带太平洋年际变率强度变化

考虑到利用Niño3.4指数与热带太平洋的海表温度异常回归处理得到ENSO的空间型,其结果很大程度上取决于选取的指数,空间型大值区依赖于所选指数的纬向位置,代表性会有空间局限性。而且两套资料都是基于近几十年的观测资料,用EOF模态分解方式来倒推缺测海区的海温,对于分析ENSO的空间型会带来一定不确定性。这里尝试用海表温度异常的标准差来反映ENSO强度的变化。图 5为海表温度异常的标准差随时间的变化,窗口依然为31年(1980—2015年为36年),每隔10年滑动。此方法得到的最大异常值区明显靠近南美沿岸,也就是Niño(1+2)区(0˚~10˚S,90˚~80˚W),这是因为东太平洋海温本身变率大。但Niño(1+2)区的海温异常对全球的影响不及Niño3区和Niño4区,所以在讨论ENSO强度的时候,本文更多地关注Niño3区和Niño4区的海温异常。

图 5 不同海温资料1900—2015年海表温度异常的标准差场 Figure 5 Standard deviations of SSTAs from 1900 to 2015

图 5中可以看出ENSO强度在近100年里有明显的变化。在分辨率为0.1℃/月的图上,9个窗口的最大海温异常中心值如表 2所示。虽然某些窗口的最大异常值是一样的,但最大异常值的空间分布范围有很大差异。图 5(a)中,1910—1940年、1920—1950年、1930—1960年和1950—1980年这4个窗口的值都超过了0.9℃/月,但明显1920—1950年超过0.9℃/月的区域范围远不及其他3个时段,说明此时段内ENSO强度也较其他3个时段弱。图 5显示,1900—1930年、1910—1940年和1920—1950年这3个窗口显示出ENSO的强度逐渐减弱,1920—1950年ENSO强度达到最弱,随后强度逐渐加强,在1970—2000年ENSO强度达到最强。可能由于此期间内包含1972—1973年、1982—1983年及1997—1998年3次强ENSO事件,造成其是唯一Niño3区海温异常超过1.3℃/月的窗口。1980—2015年ENSO强度较之前又有所下降。

表 2 海表温度异常标准差场的最大海温异常中心值 Table 2 Maximum SSTA center of standard deviations of SSTAs

此方法得到的结论和回归分析得到的结论一致。第一,在计算结果方面结论一致。当ENSO强度较弱时,HadISST计算得到的最大海温异常中心值较ERSST的偏小;当ENSO强度较强时,HadISST计算得到的值较ERSST的偏大。HadISST的计算结果显示在这近100多年中ENSO强度的变化趋势更剧烈。第二,在近百年来ENSO强度的变化趋势方面结论一致。20世纪初至50年代,ENSO强度逐渐减弱;20世纪50年代至90年代末,ENSO强度逐渐增强;进入21世纪的ENSO强度略有下降。

类似于图 4的做法,对海温标准差场也得到了纬向和经向平均的两个剖面,结果如图 6所示。从这两幅图都可以清晰地看出ENSO强度、宽度和最大异常值中心的位置的变化。

注:黑色曲线表示每个窗口的最大异常值中心的位置移动。 图 6 不同海温资料1900—2015年海表温度异常标准差场的剖面图 Figure 6 Cross-sections of standard deviations of SSTAs from 1900 to 2015

图 6反映出20世纪20—50年代是ENSO强度最弱的一段时期,最大海温异常值在ERSST资料中的纬向平均剖面图中不超过0.80℃/月,在经向平均剖面图上不超过0.85℃/月,在HadISST资料的纬向平均剖面图中不超过0.70℃/月,在经向平均剖面图上不超过0.75℃/月。在此时段内南北宽度最窄,最大海表温度异常中心偏西。20世纪70年代至90年代末是ENSO强度较强的一段时期,南北宽度最宽,最大海表温度异常中心偏东。在变化趋势方面,20世纪初至50年代表现为ENSO强度减弱,最大海表温度异常中心在图 6(a)中偏西,在图 6(c)中从偏东转为偏西。20世纪50年代至90年代末ENSO强度逐渐增强,最大海表温度异常中心逐渐向东移动,其中70年代以后ENSO强度快速加强。虽然减弱或增强在某些年份里有间断,但减弱或增强的趋势并没有改变。尽管2000年后ENSO强度在起伏中稍有回落,但强度仍较强,最大海表温度异常中心明显西移,可能与20世纪80年代以后出现的中部型El Niño有关。

图 6中大致可以看出当ENSO强度较弱时,最大海表温度异常中心偏西;当ENSO强度较强时,最大海表温度异常中心偏东。但图 6(a)6(b)图 6(c)6(d)中最大海温异常中心的位置在同时期内有较大差异,这可能是由两套资料的分辨率不同造成的。

3 结论与讨论

本文利用美国NOAA提供的月平均海表温度资料(ERSST.V3b版本)和Hadley中心的全球海冰和海温的逐月格点资料(HadISST),通过计算Niño3.4指数及其标准差,Niño3.4指数与海表温度异常回归分析以及海表温度异常的标准差场并对其进行剖面分析等来考察1900—2015年ENSO强度的变化情况。总体来看,通过不同手段和不同方面分析得出的ENSO强度变化特征较为一致。在过去的100多年中ENSO强度存在明显的变化。20世纪20年代至50年代是ENSO强度较弱的一段时期,该时期内ENSO的空间型南北宽度最窄,最大海表温度异常中心偏西。20世纪70年代后期以来是强度较强的一段时期,该时期内ENSO的空间型南北宽度最宽,最大海表温度异常中心偏东。在强度变化方面,20世纪初期至50年代表现为ENSO强度减弱,50年代以后至90年代末期强度增强,其中70年代以后ENSO强度增加迅速,2000年以后强度又有所减弱。相比ERSST资料的分析结果,基于HadISST资料得到的结果显示ENSO的强度变化在过去的百余年中更剧烈。

本文较全面地考察了观测资料中近百年来ENSO强度的变化特征,但其变化的影响因素即归因问题尚未涉及。已有很多研究[30-33]指出包括热带太平洋纬向风在内的气候平均态的改变以及ENSO内在模态的改变都会影响ENSO强度的变化,这是一个较复杂的热点研究话题。有关ENSO其他属性的变化特征及可能的影响机制将在后续研究中开展。

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Observed ENSO Intensity Changes During 1900-2015
Shi Hengyu1,2, Zhang Zuqiang2, Ren Hongli2    
1. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China;
2. National Climate Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
Abstract: NOAA Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V3b dataset (ERSST) and Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature dataset (HadISST) were used in this paper for analyzing the observed ENSO intensity changes during 1900-2015. It is demonstrated that ENSO amplitude changed clearly over the past more than 100 years. From the beginning of the 20th century to the 1950s, ENSO intensity weakened while it strengthened significantly from the 1950s to the late 1990s, especially after the 1970s. After 2000, the intensity declined slightly. The weakest ENSO intensity occurred from the 1920s to the 1950s, during which the northsouth width of ENSO spatial pattern narrowed and the maximum sea surface temperature anomaly (SSTA) center had a westward shift. In contrast, the width was the widest and the maximum SSTA center had an eastward shift after the late 1970s when ENSO intensity kept a strong magnitude. And then the width and the center had an opposite changing tendency after 2000.
Key words: the last hundred years    ENSO    intensity change