韓元元，雒佳麗，王飛洋，李申濤

（1.紡織化學(xué)工程助劑重點實驗室，西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.蘭州大學(xué)半干旱氣候變化教育部重點實驗室，蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.河海大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 南京 210098）

引言

大氣和海洋是氣候系統(tǒng)的兩個重要組成部分，兩者相互制約相互影響［1-2］。占地球面積約71%的海洋通過湍流通量（潛熱和感熱）和輻射通量（長波輻射和短波輻射）將能量輸送給大氣［3］，進(jìn)而成為驅(qū)動大氣運動最主要的能量來源。TRENBERTH等［4］指出在北半球25°N—45°N之間，海洋會將其70%的熱量輸送至大氣中，這些熱量通過改變大氣的熱通量等物理參數(shù)進(jìn)一步影響大氣環(huán)流。此外，海洋還是大氣中水汽的首要來源，不僅直接影響局地氣候，還能通過影響其他海區(qū)的海表溫度（sea surface temperature，SST）從而影響其他海區(qū)的氣候。

SST是與大氣運動相互作用最為緊密的海洋因子，SST異常主要通過沃克環(huán)流和哈德來環(huán)流影響全球氣候異常［5］。作為SST異常對大氣影響最為活躍的地帶之一，熱帶太平洋SST的微小變化將影響大氣環(huán)流、降水、ENSO、季風(fēng)爆發(fā)、臺風(fēng)活動，甚至影響平流層的物理、動力學(xué)過程［6-9］。例如，黎鑫等［10］指出兩類El Ni?o與赤道西太平洋次表層海溫異常都有明顯的負(fù)相關(guān)，但在不同相位階段相關(guān)性的變化明顯不同。隨后，陳永利等［11］發(fā)現(xiàn)ENSO循環(huán)期間的上層海洋環(huán)流異常受熱帶太平洋溫躍層深度異常產(chǎn)生的壓強梯度力異常調(diào)控。同時，馬振鋒等［12］研究發(fā)現(xiàn)春季西太平洋暖池附近海表增溫配合赤道東太平洋降溫，有利于高原夏季風(fēng)發(fā)展。

熱帶太平洋SST變化亦能夠?qū)ξ覈鴼夂虍a(chǎn)生重要影響。黃榮輝等［13］發(fā)現(xiàn)夏季西太平洋海域SST對西太平洋副熱帶高壓（簡稱“副高”）兩次北跳具有重要影響，當(dāng)西太平洋海域SST偏高時，副高北跳明顯，長江流域降水偏少；反之北跳則不明顯，長江流域降水偏多。李琰等［14］進(jìn)一步證實了熱帶太平洋前期SST異常對長江流域及以南地區(qū)6月降水有重要影響。熱帶太平洋SST偏高，菲律賓周圍經(jīng)南海到中印半島的對流活動偏強，長江中下游地區(qū)和淮河流域的降水偏少［15-16］；反之亦然。

隨著氣候變暖，全球平均SST呈顯著增加趨勢。政府間專門氣候變化委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）報告稱，全球平均SST將以每10 a約0.2℃的趨勢增加［17］。KHALIL等［18］模擬發(fā)現(xiàn)，至2100年熱帶海洋的SST增溫率為0.004℃·a-1。李揚等［19］采用4套SST資料研究全球變暖背景下熱帶太平洋SST的長期變化趨勢，發(fā)現(xiàn)整個熱帶太平洋海域呈現(xiàn)一致增暖趨勢。BJERKNES［20］指出隨著熱帶地區(qū)SST的升高，深對流活動出現(xiàn)的頻率更高、強度更大。隨后，越來越多的研究指出當(dāng)SST超過某臨界值時，熱帶海域的深對流活動與SST的相關(guān)性將發(fā)生明顯變化［21-23］。例如，GUTZLER等［22］在研究熱帶太平洋海域地表風(fēng)散度在SST與向外長波輻射（OLR）相關(guān)關(guān)系中所起的作用時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SST小于28℃時，地表輻散風(fēng)對對流活動的影響不顯著，SST在對流活動的發(fā)展中占主導(dǎo)作用。而當(dāng)SST超過28℃后，地表風(fēng)散度與OLR的相關(guān)性急劇增加。因此，當(dāng)SST在27.5℃附近變化時，SST增加導(dǎo)致深對流活動加強，而當(dāng)SST超過28℃時，SST的增加對深對流活動的影響變小。對流潛熱釋放作為熱帶大尺度大氣環(huán)流的主要驅(qū)動機制［24］，伴隨著未來熱帶太平洋SST增加，深對流活動以及大氣對SST異常的響應(yīng)將如何變化？本文主要利用第五次國際耦合模式比較計劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）的GFDLESM2G（Geophysical Fluid Dynamics Laboratory Earth Science Model 2 with Generalized Ocean Layer Dynamics component）和CMCC-CESM（Centro Euro Mediterrano sui Cambiamenti Climatici Community Earth System Model）模 式 研 究 未 來RCP8.5（representative concentration pathways 8.5）排放情景下，熱帶太平洋海域大氣對SST異常的響應(yīng)特征。

1 數(shù)據(jù)和模式

2006—2100年月平均SST、向外長波輻射（outgoing longwave radiation，OLR）、位勢高度和垂直速度資料均來自于CMIP5模式輸出結(jié)果（http://cmippcmdi.llnl.gov/cmip5/availity.html）。CMIP5預(yù)估了歷史氣候模擬和未來不同溫室氣體排放情景下的氣候變化，為IPCC第五次評估報告提供數(shù)據(jù)支持。與CMIP3模式相比，CMIP5的模式更多，分辨率更高，且耦合了更多的物理過程［25］，其模擬結(jié)果代表當(dāng)前氣候模擬的國際最高水平。此外，本文重點分析RCP 8.5排放情景下未來熱帶太平洋海域大氣對SST的響應(yīng)。RCP 8.5排放情景在一定程度上代表人類未來可能面臨的最惡劣氣候狀態(tài)。以RCP 8.5排放情景下的SST作為研究對象，旨在揭示最惡劣氣候狀態(tài)下熱帶太平洋海域大氣對SST的響應(yīng)，為應(yīng)對未來氣候變化提供“底線”。

為了選取可用的CMIP5模式，表1計算了2006—2019年CMIP5 32個模式在熱帶太平洋海域SST和OLR的相關(guān)系數(shù)（relation coefficient，RC）。同美國國家海洋大氣管理局（NOAA）提供的ERSST（extended reconstructed sea surface temperature）資料計算的同期RC（-0.58）進(jìn)行對比，CMIP5中|RC|≥0.55的模式有11個，表明這些模式能很好地模擬SST與對流活動的關(guān)系。進(jìn)一步分析可知，CMIP5 GFDLESM2G模式的SST分布與ERSST資料的SST分布較為一致［圖1（a）、圖1（b）］，表明該模式能夠很好地模擬SST變化。從SST氣候態(tài)分 布［圖1（c）、圖1（d）］看出，隨著時間變化，熱帶太平洋SST明顯增加，平均SST從2006—2030年的27.4℃增加至2080—2100年的29.4℃（平均區(qū)域150°E—120°W，20°N—20°S），表明GFDL-ESM2G模式能很好地模擬未來SST增加的現(xiàn)象。此外，黃傳江等［26］指出CMIP5 GFDL-ESM2G模式模擬的20世紀(jì)70年代以后SST的升溫趨勢與觀測不存在偏差過大現(xiàn)象?；诖耍疚闹饕捎肅MIP5的GFDL-ESM2G模式分析熱帶太平洋海域大氣對SST異常的響應(yīng)。CMIP5 GFDL-ESM2G由NOAA的地球物理流體動力學(xué)實驗室運行，水平分辨率為2.5°（緯度）×2.0°（經(jīng)度）［27］。為了與CMIP5 GFDL-ESM2G結(jié)果進(jìn)行比較，還使用了CMIP5的CMCC-CESM的模式結(jié)果。

圖1 1979—2019年ERSST資料的SST氣候態(tài)分布（a）及1979—2005年CMIP5 GFDL-ESM2G歷史模擬的SST分布（b），CMIP5 GFDL-ESM2G模擬的2006—2030年（c）及2080—2100年（d）SST氣候態(tài)分布（單位：℃）Fig.1 The distribution of climate states of SST from 1979 to 2019 based on ERSST（a）and from 1979 to 2005 based on CMIP5 GFDL-ESM2G historical simulations（b），and SST from 2006 to 2030（c）and from 2080 to 2100（d）simulated by the CMIP5 GFDL-ESM2G model（Unit：℃）

表1 CMIP5 32個模式熱帶太平洋區(qū)域2006—2019年SST和OLR的相關(guān)系數(shù)Tab.1 The correlation coefficients between SST and OLR averaged over the Tropical Pacific Ocean region for the period 2006-2019 based on CMIP5 model simulations

需要指出的是，根據(jù)t檢驗，當(dāng)2006—2030年SST與OLR、位勢高度及垂直速度異常的|RC|＞0.11（樣本數(shù)n=300月）時，則RC通過95%的置信水平；當(dāng)2080—2100年SST與OLR、位勢高度及垂直速度異常的|RC|＞0.12（樣本數(shù)n=252月）時，則RC通過95%的置信水平，當(dāng)2006—2100年SST與OLR的20 a滑動|RC|＞0.12（樣本數(shù)n=240月）時，則RC通過95%的置信水平。此外，SST、OLR、位勢高度和垂直速度的趨勢變化對結(jié)果的影響較小，后文均采用原始變量（即未剔除趨勢變化的變量）進(jìn)行分析。

為了驗證不同SST背景下大氣對SST異常的不同響應(yīng)，進(jìn)一步使用CAM5（Community Atmosphere Model version 5）模式模擬不同SST背景下，深對流活動、位勢高度和垂直速度的變化。CAM5模式能夠較好地模擬SST、深對流活動以及大氣和SST異常的相互作用，與CAM4相比，CAM5中更新了幾個重要模塊（有關(guān)CAM5的更多細(xì)節(jié)詳見文獻(xiàn)［28］）。該模式的動力核心采用有限體積元法，所有試驗的水平分辨率為1.9°（緯度）×2.5°（經(jīng)度），時間步長為30 min，具體試驗描述見表2。對照試驗E1、E3中，初始SST驅(qū)動場來自英國哈德萊中心觀測的1980—2015年 月 平 均 氣 候 態(tài) 的SST［29］（http://hadobs.metoffice.com/），初始溫室氣體驅(qū)動場采用IPCC AR4 A1B場景1980—2015年的氣候態(tài)［17］；熱帶太平洋的背景SST分別統(tǒng)一設(shè)置為27、29°C，E1、E3模式結(jié)果分別用以表征2000年、2100年的背景態(tài)；敏感性試驗E2、E4分別在對照試驗E1、E3基礎(chǔ)上，在熱帶太平洋的背景SST上疊加SST異常。4組試驗均運行48 a，其中前3 a作為模式的spin-up時間，剩余45 a的輸出數(shù)據(jù)用于分析。

表2 CAM5試驗描述Tab.2 Description of the CAM5 experiments

2 結(jié)果分析

對流潛熱釋放是熱帶大尺度大氣環(huán)流的主要驅(qū)動機制［24］。因此，對流活動對SST異常的響應(yīng)可用來評估大氣對SST異常的響應(yīng)。圖2為基于GFDL-ESM2G模式的熱帶太平洋（150°E—120°W，20°N—20°S）SST和OLR的相關(guān)系數(shù)分布。OLR值越小表征深對流活動越強，因此，OLR負(fù)異常表征對流活動加強。為便于分析，統(tǒng)一將OLR異常乘以負(fù)號，采用OLR正異常表征對流活動加強。圖2（a）為熱帶太平洋SST與OLR的20 a滑動相關(guān)，可以看出，熱帶太平洋SST與OLR的20 a滑動相關(guān)呈現(xiàn)明顯的年代際變化，可能與SST和OLR自身的年代際變化有關(guān)。且自2006年以來，SST和OLR的相關(guān)性逐年減弱，相關(guān)系數(shù)從21世紀(jì)初的0.7減小至世紀(jì)末的0.2。該特征在熱帶太平洋SST和OLR相關(guān)系數(shù)的空間分布圖［圖2（b）和圖2（c）］中更明顯。對比2006—2030年和2080—2100年熱帶太平洋SST和OLR的相關(guān)性分布發(fā)現(xiàn)，2080—2100年SST和OLR的相關(guān)性明顯弱于2006—2030年。表明隨著未來熱帶太平洋SST增加，對流活動對SST的響應(yīng)趨于減弱。

圖2 CMIP5 GFDL-ESM2G模式模擬的2006—2100年熱帶太平洋區(qū)域SST和OLR的20 a滑動相關(guān)（a），2006—2030年（b）與2080—2100年（c）熱帶太平洋SST和OLR相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.2 The 20-year sliding correlation between SST and OLR averaged over the Tropical Pacific Ocean region for the period 2006-2100（a），and correlation coefficients between SST and OLR during 2006-2030（b）and 2080-2100（c）based on simulations of CMIP5 GFDL-ESM2G model

圖3為CMIP5 11個模式的熱帶太平洋海域SST和OLR的20 a滑動相關(guān)。可以看出，11個CMIP5模式中，除CanESM2和GISS-E2-H模式SST和OLR的相關(guān)系數(shù)有微弱增加，其余9個模式兩者相關(guān)系數(shù)均存在不同程度減弱。多模式集合平均結(jié)果亦顯示，SST和OLR的相關(guān)性在逐年減弱，表明大部分模式均能模擬出伴隨著未來熱帶太平洋SST增加，對流活動對SST的響應(yīng)趨于減弱。

圖3 CMIP5 11個模式2006—2100年熱帶太平洋區(qū)域SST和OLR的20 a滑動相關(guān)Fig.3 The 20-year sliding correlation between SST and OLR averaged over the Tropical Pacific Ocean region for the period of 2006-2100 based on simulations of CMIP5 11 models

為了進(jìn)一步證實對流活動對未來熱帶太平洋SST增加的響應(yīng)減弱，圖4（a）和圖4（b）分別繪出CMIP5 GFDL-ESM2G模式模擬的2006—2030年和2080—2100年熱帶太平洋SST和垂直速度異常的相關(guān)性。由于在熱帶地區(qū)上升運動占主導(dǎo)，熱帶外地區(qū)下沉運動占主導(dǎo)，因此熱帶太平洋SST異常與熱帶地區(qū)的垂直速度異常呈顯著正相關(guān)，與熱帶外地區(qū)的垂直速度異常呈顯著負(fù)相關(guān)。對比2006—2030年和2080—2100年熱帶太平洋SST異常和垂直速度異常的相關(guān)性可以看出，2080—2100年熱帶太平洋SST異常和垂直速度異常的相關(guān)性較2006—2030年明顯減弱，表明隨著未來熱帶太平洋SST增加，垂直速度對SST的響應(yīng)不斷減弱。圖4（c）和圖4（d）進(jìn)一步給出熱帶太平洋SST和200 hPa位勢高度異常的相關(guān)性?？芍?，熱帶太平洋SST與200 hPa位勢高度異常呈顯著正相關(guān)，表明熱帶太平洋SST增加，位勢高度增加。與前述結(jié)果一致，2080—2100年熱帶太平洋SST和200 hPa位勢高度異常的相關(guān)性明顯弱于2006—2030年間兩者的相關(guān)性，表明隨著熱帶太平洋SST增加，200 hPa位勢高度對SST的響應(yīng)亦不斷減弱。

圖4 CMIP5 GFDL-ESM2G模式模擬的2006—2030年（a、c）和2080—2100年（b、d）熱帶太平洋區(qū)域SST與垂直速度異常（a、b）、200 hPa位勢高度異常（c、d）相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.4 Spatial distribution of correlation coefficients between SST and vertical velocity（a，b），200 hPa geopotential height（c，d）anomaly during the period 2006-2030（a，c）and 2080-2100（b，d）over the Tropical Pacific Ocean region based on simulations of CMIP5 GFDL-ESM2G model

為驗證上述結(jié)果，圖5進(jìn)一步繪出基于CMIP5 CMCC-CESM模式模擬的熱帶太平洋SST與OLR、垂直速度和200 hPa位勢高度異常的相關(guān)系數(shù)分布。與圖2和圖4的結(jié)果一致，2006—2100年，熱帶太平洋SST與OLR的相關(guān)系數(shù)呈顯著下降趨勢，滑動相關(guān)系數(shù)從21世紀(jì)初的0.8降至世紀(jì)末的0.5［圖5（a）］。此外，2080—2100年熱帶太平洋SST與OLR、垂直速度和200 hPa位勢高度異常的相關(guān)性均明顯弱于2006—2030年。

圖5 CMIP5 CMCC-CESM模式模擬的2006—2100年熱帶太平洋區(qū)域SST和OLR的20 a滑動相關(guān)系數(shù)（a），2006—2030年（b、d、f）和2080—2100年（c、e、g）熱帶太平洋區(qū)域SST分別與OLR（b、c）、垂直速度異常（d、e）、200 hPa位勢高度異常（f、g）相關(guān)系數(shù)的空間分布Fig.5 The20-year sliding correlation coefficient between SST and OLR averaged over the Tropical Pacific Ocean region during the period 2006-2100 based on the simulation of CMIP5 CMCC-CESM model（a），correlation coefficients between SST and OLR（b，c），anomaly of vertical velocity（d，e），anomaly of geopotential height at 200 hPa（f，g）during 2006-2030（b，d，f）and 2080-2100（c，e，g），respectively

上述分析表明，隨著未來熱帶太平洋SST增加，大氣對SST異常的響應(yīng)在減弱。圖6是基于CMIP5 GFDL-ESM2G模擬的2006—2100年熱帶太平洋SST時間序列。與圖1一致，2006—2100年，熱帶太平洋SST呈增加趨勢。值得注意的是，2006—2030年熱帶太平洋平均SST在27.5℃附近，2080—2100年平均SST則高于28℃。因此，根據(jù)以往研究［21-23］，2006—2030年，熱帶太平洋平均SST在27.5℃附近，對流活動隨SST增加而加強，與圖2（a）結(jié)果一致，即熱帶太平洋SST和OLR的20 a滑動相關(guān)性在2030年前增加；2080—2100年，熱帶太平洋平均SST高于28℃，熱帶太平洋SST的持續(xù)增加對對流活動的影響變小，SST和OLR的相關(guān)性逐漸減弱，即大氣對SST的響應(yīng)減弱。

圖6 CMIP5 GFDL-ESM2G模擬的2006—2100年熱帶太平洋SST的時間序列Fig.6 Time series of SST over the Tropical Pacific Ocean from 2006 to 2100 simulated by the CMIP5 GFDL-ESM2G model

上述分析均基于預(yù)測未來的瞬時試驗結(jié)果。為進(jìn)一步驗證上述結(jié)果，使用CAM5模式進(jìn)行4組試驗，具體試驗設(shè)置詳見“數(shù)據(jù)和模式”介紹。需要指出的是，E2與E1差值、E4與E3差值分別代表2000年、2100年大氣對SST異常的響應(yīng)。圖7是2000年和2100年OLR、垂直速度和位勢高度異常。可以看出，與圖2、圖4和圖5一致，2100年OLR異常、垂直速度異常和200 hPa位勢高度異常均明顯弱于2000年，表明未來熱帶太平洋海域大氣對SST異常的響應(yīng)減弱。對比CAM5和CMIP5的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2個模式中OLR、垂直速度和位勢高度異常的振幅略有差異，可能因為不同模式中使用的物理參數(shù)化方案不同。

圖7 CAM5試驗?zāi)M的2000年（a、c、e）和2100年（b、d、f）背景SST下OLR異常（a、b，單位：W·m-2），垂直速度異常（c、d，單位：m·s-1），200 hPa位勢高度異常（e、f，單位：gpm）的空間分布Fig.7 The anomalies of OLR（a，b，Unit：W·m-2），vertical velocity（c，d，Unit：m·s-1）and geopotential height at 200 hPa（e，f，Unit：gpm）from simulations of CAM5 experiments in the context of 2000（a，c，e）and 2100（b，d，f）background SST

熱帶太平洋海域的SST變化能夠影響平流層溫度和環(huán)流的變化，熱帶太平洋SST增加，熱帶平流層下部趨于寒冷，極地渦旋趨于溫暖和減弱［7］。從CMIP5 CMCC-CESM模式2006—2030年和2080—2100年熱帶太平洋SST與平流層溫度的回歸分布［圖8（a）、圖8（b）］可以看出，與2006—2030年相比，2080—2100年熱帶太平洋SST與平流層溫度的回歸系數(shù)顯著減弱，表明未來熱帶太平洋海域大氣對SST異常的響應(yīng)減弱將導(dǎo)致平流層溫度對SST增加的響應(yīng)減弱。CAM5試驗的模擬結(jié)果亦顯示2100年平流層溫度異常明顯弱于2000年［圖8（c）、圖8（d）］，進(jìn)一步證實平流層溫度對未來熱帶太平洋SST增加的響應(yīng)減弱。

圖8 CMIP5 CMCC-CESM模擬的2006—2030年（a）和2080—2100年（b）熱帶太平洋SST與平流層溫度異常的回歸系數(shù)分布（打點區(qū)代表回歸系數(shù)通過95%的置信水平）及CAM5試驗?zāi)M的2000年（c）和2100年（d）背景SST下的平流層溫度異常（單位：K）Fig.8 Regression coefficient of SST over the Tropical Pacific Ocean simulated by CMIP5 CMCC-CESM model on stratospheric temperature anomaly during the period of 2006-2030（a）and 2080-2100（b）（the dotted for regression coefficients passing the significance test at the 95%confidence level），and anomalies of stratospheric temperature simulated by CAM5 experiments in the context of 2000（c）and 2100（d）background SST（Unit：K）

3 結(jié)論

本文采用CMIP5模式模擬結(jié)果和CAM5氣候模式試驗，分析2006—2100年熱帶太平洋上空大氣對SST異常的響應(yīng)變化，得到以下結(jié)論：

（1）2006—2100年，熱帶太平洋SST持續(xù)上升，然而2080—2100年熱帶太平洋SST與對流活動、垂直速度異常和200 hPa位勢高度異常之間的相關(guān)性均明顯弱于2006—2030年，表明未來熱帶太平洋海域大氣對SST異常的響應(yīng)減弱。

（2）2080—2100年熱帶太平洋SST與平流層溫度異常的回歸系數(shù)明顯弱于2006—2030年，表明未來熱帶太平洋海域大氣對SST異常的響應(yīng)減弱進(jìn)一步導(dǎo)致平流層溫度對未來熱帶太平洋SST增加的響應(yīng)減弱。

（3）熱帶太平洋平均SST從2006—2030年的27.4℃增加至2080—2100年的29.4℃。2006—2030年，熱帶太平洋SST增加伴隨著深對流活動的增強以及大氣對SST異常的響應(yīng)增強；2080—2100年，熱帶太平洋SST持續(xù)增加將對對流活動產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而導(dǎo)致大氣對SST異常的響應(yīng)減弱。