全球变暖对北太平洋年代际振荡的影响及可能机制研究外文翻译资料

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全球变暖对北太平洋年代际振荡的影响及可能机制研究

方长芳* 1,2，吴立新1，张祥2

1中国海洋大学物理海洋学实验室，青岛26600

中国人民解放军海洋水文气象中心北京100161

（收到2012年10月31日; 2013年1月27日修订; 2013年3月4日接受）

摘要：太平洋年代际振荡对全球变暖的响应，根据快速海气模式和11 IPCC AR4模式的全球变暖对比实验已经被研究。结果表明，它的主模式（即APO），和大气的年代际变化，在全球变暖的影响下变弱，但PDO振荡频率变高。海温年代际变化的减小值的最大值区显示在北太平洋近极地地区和西北太平洋（PDO中心所在区域）。大气年代际变化减小的大值区在PDO中心。同时还发现海洋的斜压性罗斯贝波在PDO的动力学过程中发挥重要作用，尤其是在近极地的海洋上。由于海洋浮力的频率在更温暖的气候条件下会加大，海洋斜压罗斯贝波波速会加快，而且高纬地区的速度增长率比地位地区大得多。波速更大的斜压罗斯贝会导致PDO以更快的频率振荡，并且使得北太平洋年代际变化和太平洋年代际振荡减弱。

关键词：太平洋、年代际变化、太平洋年代际振荡、全球变暖、斜压罗斯贝波

1. 介绍

太平洋年代际震荡（PDO），作为北太平洋年代际变化的主要模式，被定义为马蹄形的海温异常，在北太平洋中部和西部有负的海温异常，而在赤道太平洋的东部和中部，以及北美海岸沿岸，沿阿拉斯加海湾，有正的海温异常。PDO包括两种模式，即年代际的（约15-25年）和数十年的（约50-70年），通过PDO指数、20世纪的北太平洋海平面气压指数和模式的模拟结果来表示。除此之外，哈德来中心全球海冰和海表面温度，PDO指数显示了十年到数十年的功率谱，结果表明谱峰在大约50-70年以及15-25年。

据报道，PDO有许多不同的被强迫机制。举个例子，通过热带地区的大气遥相关，热带和中纬度的相互作用，中纬度的本地海气相互作用，中纬度和极地的相互作用。无论如何，在所有这些PDO机制中，海洋的斜压罗斯贝波的调整起着至关重要的作用，并且决定了PDO的时间尺度。

PDO对于年代际尺度的全球气候，海洋生态系统和渔业都产生了广泛的影响。此外，作为年代际的背景，它可以调节季节和年际气候变化，对短期和长期气候预测都很重要。PDO影响ENSO的开始和频率，并且当它们在（不在）阶段，可以增强（或取消）ENSO气候遥相关。PDO也对中国和美国的夏季降雨模式施加影响。总而言之，PDO是影响短期和长期气候预测，海洋生态和渔业的一个重要的因素。

自19世纪70年代第二次工业革命以来的全球变暖导致了持续和不可逆转的气候变化。全球变暖对气候变化（平均气候变化）的影响成为了一个关键性的科学问题，通过CLIVAR（气候变率和可预测性）和IPCC这些组织的建立和结果来体现。迄今为止的工作通过集成模式模拟预测了一个较弱的大西洋经向翻转环流（AMOC），但是还没有充足可信的观测资料来证明这些结果。ENSO的周期可能会缩短5%，但它的振幅变化还无法得出定论。

在改善全球变暖的气候评价和短期和长期气候变化的背景下，研究PDO的响应和可能的基础机制是必要的。在气候变暖的趋势上叠加年代际和年际变化，使用历史的有帮助的资料只能追溯到100年前，所以从变暖趋势中分离出年代际变化是很困难的。因此，这些数据对于研究PDO对全球变暖的响应来说还不充分，意味着我们反而还要转去更深入地研究古气候数据和全球变暖模式模拟。在古气候研究中，自公元1700年后的东北太平洋年轮序列和重建的PDO指数中发现的证据，在19世纪50年代后年代际变化更为不显著。但是，基于另外的古气候数据得出的结果是不同的，甚至是相反的。Drsquo;Orgeville和Peltier（2009）使用了低分辨率版本的集合气候模式3版（CCSM 3）研究了PDO对全球变暖的响应。在1870年的控制运行下，PDO显示出典型的20年周期，通过盐度在副极地海洋中起的积极作用来确认。当每年CO2浓度升高1%，使用200年作为积分长度，典型的20年周期就不能被检测到了，并且会有一个更大的数十年的功率谱。20年周期的消失是因为北极冰盖的完全融化，并且可以得出全球变暖会使PDO调整为一个更低的频率（几十年的周期）的推论。但是，它们的结果是值得怀疑的。它们的全球变暖的自旋而上的运行时间只有200年，随着CO2浓度每年升高1%，并且全球气候并没有达到平衡。因此，更大的几十年的功率谱可能是移除线性增暖趋势导致的全球变暖的残余。

在当前的研究中，PDO对全球变暖的响应，在国家大气研究中心气候系统模型3版(NCAR CCSM 3.0IPCC第四次评估报告（AR4）picntrl和A1B实验进行了研究，在4.2中报告的结果显示，PDO在更温暖的气候下变得更弱并且以更高的频率振荡。我们研究了PDO对全球变暖的响应，在400年运行周期（2CO2）的2倍浓度的CO2平衡下和相应的400年控制周期(Ctrl) (表格 1)，所以我们的结果更加可信。另外IPCC Picntrl和A1B被用来验证结果。对于大多数的PDO机制，PDO的时间尺度是由斜压罗斯贝波（海洋调整过程）决定的。Saenko（2006）认为，在全球变暖背景下，海洋分层会增强，罗斯贝波会加速，年际和年代际变化会周期会变短。在这里，我们报告称全球变暖确实减弱了PDO并且使它调整为一个更高的频率。

本文的其余部分按照以下方式组织。第2节介绍使用的模式，实验和分析程序。第3节和第4节介绍北太平洋年代际变化和PDO对全球变暖的响应的结果，通过快速海气模式（FOAM）和第11次IPCC AR4 模式模拟的全球变暖模式来模拟的。第5节论述了PDO可能的响应机制，然后第6节提供一个最终的讨论和结论。

1. 方法

2.1 观测数据、模式和全球变暖实验

从1870年到2010年分辨率为1°times;1°分辨率的HadISST数据被用来显示观察到的PDO空间分布和功率谱。研究中用到的模式和实验的细节列在表格1中。使用到的主要模式是快速的海气模式1.5版本（FOAM1.5），这是一个没有流量调节完全耦合的海气GCM，由大气、海洋、陆地、冰和连接部分组成。FOAM在北太平洋年代际变化，气候变化和古气候的研究中有很好的表现，比如http://www.mcs.anl.gov/research/projects/foam/publications.html。在400年控制运行的FOAM模式下，温室气体的浓度固定在1990年的水平，CO2浓度为355ppm。在双倍的CO2浓度平衡（2CO2）模拟下，只有CO2浓度和Ctrl相比是两倍的。2CO2模拟整合了760年的数据，过去400年间气候达到平衡，用于分析。

IPCC的Picntrl（前工业实验）和A1B方案（全球变暖实验）由气候模式诊断和比对的程序(PCMDI)提供和存档。CO2浓度固定在Picntel中的280 ppm。在A1B方案中，CO2浓度从2000年的365 ppm，到2100年增长到720 ppm ，在此之后保持不变。A1B方案的11种模式延续到2300年被选来研究北太平洋年代际标准偏差（第3节）和PDO对全球变暖的响应特征。它们是NCAR CCSM 3.0, CCCMA CGCM3 1, CCMA CGCM3 1 T63, CNRM CM3, CSIRO MK3 5, GFDL CM2 0, GFDL CM2 1, GISS MODEL E R, MIROC3 2 MEDRES, MIUB ECHO G和MRI CGCM2 3 2A。这些模式和实验的细节在PCMDI网站有详细介绍(http://www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/model documentation/ipcc model documentation.php)。

为了排除全球变暖趋势的影响，最好在稳定的气候平衡中研究PDO对全球变暖的响应。CO2浓度固定在Ctrl，2CO2（过去的400年间），Picntrl和A1B（从2100年后）实验，所以北太平洋年代际变化和PDO对全球变暖的响应被研究（在第3和4节），通过FAOM Ctrl和2CO2实验（二者都是400年气候平衡），和通过Picntrl 和A1B实验。IPCC AR4实验（A1B减去Picntrl）的增暖幅度（CO2浓度的增长）是440 ppm，比FOAM实验（2CO2减去Ctrl）的（355ppm）要大，所以斜压罗斯贝的增长比率在IPCC AR4模式也更为显著，稍后在5.3节显示。

2.2部分阻断实验

两个部分阻断（PB）实验，即PBnp和PBstp（表格1），通过与Ctrl比较，研究了海洋斜压罗斯贝波的调整在PDO中的作用。PBnp（PBstp）实验的设计如下。经纬度为从10°N到60°N（10°N到35°N），从175°到185°E，深度为100米，海温和盐度永久固定在气候学。北太平洋（单指亚热带北太平洋）向西的斜压罗斯贝波在PBnp（PBstp）的部分阻塞区域阻塞和消失。副极地的斜压罗斯贝波在PBstp中仍起作用。

2.3 分析过程

图1-8中所有变量的分析过程是一样的。本次研究中的年代际变化大致被看作一个周期长于8年的变化。数据的过程包含以下四个步骤：（1）冬季年平均（从10月至次年3月）时间序列先进行线性趋势以便移除增暖趋势和小的模式偏移。（2）低通滤波（大于8年）重点在年代际变化。（3）趋势和过滤区域被用来计算标准差（STD），得到通过EOF分析和奇异值分解（SVD）后的PDO和它的时间系数序列。格点上的变量在进行EOF和SVD分析之前进行面积加权。（4）采用多谱窗方法计算了PDO的功率谱。来排除由于过滤造成的虚拟的功率峰，功率谱是基于将得出的PDO模式投影到步骤1导出的未过滤区域得到的未过滤的时间系数。

1. 北太平洋年代际变化对全球变暖的响应

趋势和低通滤波的时间序列被用来计算年代际的标准差。 海温标准差和500hPa位势高度（GPH）的标准差对全球变暖的响应分别显示在图2和图3.

3.1海温年代际标准差变化

根据观测到的HadISST资料，以及在FOAM和IPCC AR4模式控制运行下的海温年代际变化分别显示在图1a,2a和2b中，最大值在北太平洋西部和中部，标记在PDO中心（图1b,4a和7a）。从20°到50°N，FOAM中的北太平洋海温年代际变化（图2a）与观测中的结果（图1a）总体一致，年代际变化的标准差幅度大约是0.4℃。IPCC AR4模式的集合平均值远大于年代际变化，在黑潮和亲潮扩展区域（KOE）有1℃的标准差（图2b），与观察结果和FOAM结果相比（图1a和2a）。FOAM和IPCC AR4 模式中的副极地北太平洋年代际变化都比HadISST中的大。

在更温暖的气候条件下，北太平洋年代际变化（海温年代际标准差）在FOAM（图2c），集合平均（图2d），和10种IPCC AR4 （未显示）中的每一个都减弱了。北太平洋海温年代际标准差降低了0.05℃到0.2℃（图2c和d）,降低的比率是10%到40%（图2e和2f）。北太平洋年代际变化减小的最大值在北太平洋的中部和西部（PDO中心）和副极地北太平洋（特别是副极地北太平洋），意味着一个更弱的PDO。总体来看，随着在北太平洋纬度的增大，和经度的减小，海温年代际标准差减小值的幅度和减小比率都增大了，这可能与海洋增暖的幅度以及海洋斜压罗斯贝波的加速率（5.3节）有关。西部和更高纬的增暖幅度比西部低纬的要大（图9）。高纬的罗斯贝波的增速率比低纬大（图10）。

当气候变暖，在北太平洋西部，FOAM（图2c）中的海温年代际变化减小幅度与IPCC AR4模式（图2d）中的几乎一致，在KOE区域为0.1℃，在西部的副极地地区为0.2℃。由于IPCC AR4模式在KOE区域有更大的年代际变化（如上所述），海温年代际变化的减小率在FOAM中的KOE区域（北太平洋西部）比IPCC AR4模式中的略大（图2e和f）。值得一提的是，全球变暖可能会改变中纬度风暴路径并且使KOE区域北移，因此在IPCC AR4模式结果（图2d和f）中，KOE北部的海温年代际标准差增加的最小值有一个区域性的缺口。

3.2 500hPa位势高度年代际标准差变化

对于500hPa位势高度，IPCC AR4模式的结果是五种IPCC AR4模式与可获得的Pinctrl和A1B数据的集合平均，即CCCMA CGCM3 1, CCMA CGCM3 1 T63, CSIRO MK3 5, GFDL CM2 0, and GFDL CM2 1。与北太平洋海洋年代际变化相似，北太平洋大气年代际变化也在对全球变暖的响应中减弱（图3）。在FOAM和IPCC AR4模式控制运行下，500hPa位势高度年代际标准差极大值都在PDO中心（图3a和b）。北太平洋500hPa位势高度标准差在全球变暖条件下（图3c和d）减小5%-20%（图3e和f）。500hPa位势高度年代际标准差减小的最大值区域在北太平洋西部，与海温年代际标准差减小的最大值区一致。850hPa和250hPa位势高度年代际变化对全球变暖的响应与500hPa的响应相似（未显示）。

总的来说，北太平洋海洋和大气年代际变化在全球变暖下减弱。海洋年代际变化减小的最大值在北太平洋西部（PDO中心）和副极地北太平洋。大气的年代际变化减小的最大值大致在北太平洋西部（PDO中心）。以下部分进一步验证了全球变暖条件下更弱的PDO的结果。

1. PDO的振幅和频率对全球变暖的响应

本节报告了对于全球变暖给PDO的空间结构和频率（时间）带来的影响的研究结果。PDO是北太平洋海温，上层

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