从CMIP3到CMIP5热带太平洋海温趋势的变化及其对ENSO的启示外文翻译资料

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从CMIP3到CMIP5热带太平洋海温趋势的变化及其对ENSO的启示

S ANG -W OOK Y EH

Department of Environmental Marine Science, Hanyang University, Ansan, South Korea

Y OO -G EUN H AM

Global Modeling and Assimilation Office, NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt,

and Goddard Earth Sciences Technology and Research Studies and Investigations,

Universities Space Research Association, Columbia, Maryland

J UNE -Y I L EE

Department of Meteorology, and International Pacific Researc h Center, University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii

(Manuscript received 15 May 2012, in final form 23 July 2012)

Yeh, S.-W., Y.-G. Ham, and J.-Y. Lee, 2012: Changes in thetropical Pacific SST trend from CMIP3 to CMIP5 and its im-plication of ENSO.J. Climate,25, 7764–7771,doi:10.1175/JCLI-D-12

-00304.1

摘要：本研究通过世界气候研究计划耦合模式比较计划（CMIP）第5阶段多模式集合的数据集（CMIP5）和CMIP第3阶段数据集（CMIP3），对历史气候（20世纪）的模拟，评估热带太平洋海表面温度（SST）趋势的变化和ENSO振幅。结果表明，热带太平洋海温趋势振幅从CMIP3到CMIP5已有明显减少，这可能与CMIP5模式中的地球系统模式对自然强迫和气溶胶作用的高估有关。此外，在二十世纪下半叶热带气候变暖模式已经从CMIP3模式的拉尼娜状结构变更为CMIP5模式的厄尔尼诺状结构。进一步分析表明，在以热带太平洋为背景场的这些变化以及大气对东部热带太平洋海温变化响应灵敏度的增加影响了ENSO性质。特别是，从CMIP3到CMIP5，东部和西部的热带太平洋海温异常变化的比率有所增加，表明与ENSO振幅相关的作用中心已经转移到东部。

1.引言

厄尔尼诺–南方涛动（ENSO）是地球上最显著的年际变化。ENSO的振幅和频率的变化可以影响全球极端气候事件的发生(McPhaden et al. 2006)。

2007年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布第四次评估报（Solomonetal.2007），它的结论是地球变暖是明确的。此外，最近的研究表明全球变暖可能通过改变热带太平洋海洋这一背景场从而明显影响ENSO特性(Timmermann et al. 1999; Fedorov and Philander 2000; Koutavas et al. 2002; Li et al. 2011)。因此，全球气候变暖引起的热带太平洋海表温度（SSTs）演变的微妙格局可能对世界许多地区的气候造成不均衡的影响(Xie et al. 2010; Shin and Sardeshmukh 2011)。因此，关键的是要正确地模拟响应于外部强迫的海洋SST变化的结构，以了解ENSO性质的变化。因此，这个问题已经被世界气候研究计划署（WCRP）模式比较计划第3阶段（CMIP3）多模型数据库(Meehl et al. 2007) 全面审查；在全球气候变暖下平均SST变化结构是趋于拉尼娜状结构还是厄尔尼诺状结构尚未有定论(Collins 2005; Collins et al. 2010; Vecchi et al. 2008)。此外，目前还不清楚是否ENSO振幅有所增强，还是减少，或是处于平均状态下的变化，没有明显改变。

同样，在超过100年时期的海温观测表明变化结构多样（Deseret.2010）。例如，一个变暖的趋势即厄尔尼诺状结构已经在最近数十年来确定(Graham 1995; Trenberth and Hoar 1996)。但也有一些证据表明，整个热带太平洋纬向SST梯度增加(Cane et al. 1997; Karnauskas et al. 2009; An et al. 2012)。尽管有这些信息，一些研究结果一致表明，在二十世纪下半叶热带西太平洋的线性趋势大于热带东太平洋。表1显示了1950–2010时期来自各种观测SST数据集的热带西太平洋（5⁰N–5⁰S，120⁰E–170^OW）和热带东太平洋（50^ON–50^OS，150^OW–90^OW）的平均线性趋势。

表1 1950-2010时期热带西太平洋（WP,5⁰N–5⁰S，120⁰E–170^OW）和热带东太平洋（EP,5⁰N–5⁰S，150–90^OW）不同观测趋势

显然，在所有数据集中西太平洋的海温线性趋势均大于东太平洋，表明整个热带太平洋纬向SST梯度变强。因此，WCRP CMIP5（阶段5）多模式集合的数据集(Taylor et al. 2012) 最近已经公布，与使用CMIP3和CMIP5数据集相比，它在相似的时间周期（例如，1950年后）中模拟热带太平洋海温变化的结构更为有效。此外，有趣的是，从CMIP3到CMIP5，研究在全球变暖下的海洋SST结构如何变化可能与ENSO振幅变化有关。

因此，本文的目的是通过使用CMIP3耦合环流模式（CGCMs）和CMIP5耦合环流模式比较热带太平洋海温趋势，以及研究海温趋势变化如何与ENSO振幅变化相联系。我们直接比较CMIP3耦合环流模式（CGCMs）和CMIP5耦合环流模式，注意到CMIP5已在CMIP3基础上有所改善，遵循推荐的CMIP5s。(online at http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/forcing.

html)

2.数据和方法

表1中使用观测海温信息来自：哈德莱中心全球海冰和海洋表面温度（HadISST）数据集(Rayner et al. 2003)；扩展重建SST，版本3（ERSST V3）数据集(Smith and Reynolds 2004)；美国国家海洋和大气管理局（NOAA）气候诊断中心的数据集被称为卡普兰SST集 (Kaplan et al. 1998);与欧洲中期天气预报中心（ECMWF）海洋再分析资料，版本S3（ORA-3），SST数据集(Balmaseda et al. 2008)。

我们使用12个海气耦合模式进行模拟，从选定的历史时期开始运行（如从20世纪运行）。这些模式的海温数据集来自CMIP3和CMIP5多模式数据库。表2显示了官方CMIP3和CMIP5模式的建模中心。一些CMIP5海气耦合模式包括地球系统模式（如.,CanESM2,

GFDL-ESM2G,HadGEM2-CC,HadGEM2-ES, and MIROC-ESM，注意在文中的任何位置提到的所有模式和机构缩写在表2的脚注材料中已经完全说明），它们与特定时间变化的各种大气成分如温室气体和其他大气成分的浓度、海洋、海冰有响应。这些耦合模式包括生物地球化学成分，说明海洋、大气中的碳、陆地生物圈碳库的交换。此外，在一些模拟结果，这些模式包含如交互式预后气溶胶，化学元素，和动态植被(Taylor et al. 2012)。例如，CanESM2 是最新一代的加拿大海气耦合模式，它起源于加拿大气候模拟和分析中心（CCCma）CMIP3计划中的CGCM3.1（T63）模型，它包括一个交互式碳循环、硫循环，硫酸盐气溶胶对云亮度的影响 (Gillett et al. 2012)。此外，我们发现一些CMIP5海气耦合模式进行模拟时，与CMIP3模式相比具有更高的分辨率和更完整的大气化学处理方法。每个海气耦合模式的详细解释可以在网上找到(at http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/experiment_ design.html)以及各种相关文件(Taylor et al. 2009, 2012)。

表2 本研究使用的CMIP计划模式的机构及描述

3.结果

为了说明二十世纪下半叶热带太平洋海温对全球变暖的响应，特别突出CMIP3与CMIP5区别，图1a和1b显示12个CMIP3和CMIP5模式模拟1950-2000历史时期的的集合平均线性趋势。

CMIP3海气耦合模式的模拟（图1a）展现了热带中部/近赤道太平洋地区最大海温趋势。太平洋中部是最强暖区，然而太平洋东南部预计暖区较弱。有趣的是，这种估计与二十一世纪初所观测到的海温空间分布相一致，这是在一个中期排放情景（IPCC特别报告排放场景 A1B；见Clement et al. 2010图1）下22个CMIP3海气耦合模式的平均结果。此外，尽管在一些地区CMIP3模拟的线性趋势的总体格局偏离观测（并未在本文显示），但是模拟出热带太平洋西部海温趋势强于东部，与观测是一致的，这表明二十世纪下半叶热带太平洋区域海温梯度变强。

与CMIP3（图1a）相比，CMIP5模拟热带太平洋海温线性趋势的量级明显减小，这是惊人的。热带太平洋西部和中部CMIP3海温线性趋势约为1.0⁰-1.2⁰C，而CMIP5中约0.4⁰-0.6⁰C。此外，目前尚不清楚为什么发生该减少，特别是CMIP3和CMIP5数据集均在相同的历史时期获得。

图1 1950到2000年CMIP3（a）、CMIP5（b）多模式集合海温异常[⁰C (100 yr) ^-1 ]线性趋势

然而，可能是因为CMIP5计划中一些海气耦合模式包括地球系统模型，高估了自然强迫和气溶胶的响应。例如，在先前的研究中(Gillett et al. 2012)，使用CMIP5 CanESM2模式模拟时对瞬时气候响应估计得相对低，约束较紧，以及二十一世纪的变暖的代表性浓度途径下预测相对较低。CMIP5 CanESM2从CMIP3 CCCma CGCM3.1（T63）采用了一个地球系统模式。这一结果揭示需要研究更多的模式，并在他们的详细物理过程中找出CMIP3到CMIP5的变化。理想情况下，这些研究将也能更好地使用各种地球系统模式。

图1还表明，从CMIP3到CMIP5，最大的SST趋势位置已经向东转移，导致CMIP5模拟的东部热带太平洋变暖的趋势比热带西太平洋大。CMIP5多模式集合模拟的东、西热带太平洋的海温趋势（即热带西太平洋减热带东太平洋 )相差-0.11⁰C (100 yr)^-1 ，而CMIP3则为0.07⁰C (100 yr)^-1 。这一转变表明，CMIP5模拟结果中整个热带太平洋纬向SST梯度已经减弱。注意到这个特性在CMIP3中近30年模拟结果中有弱的增加（如0.15⁰C (100 yr) ^-1）。然而这些年的观测数据显示拉尼娜状海温变化趋势明显。但是这个特性与CMIP5模拟的结果（如0.41⁰C (100 yr) ^-1）相比仍然较弱，这也就意味着CMIP3模拟结果比CMIP5更接近观测结果，即使在CMIP模式中均存在模拟全球变暖趋势的系统性偏差。

或许有人会问CMIP模式中为什么对于模拟拉尼娜状海温变化趋势存在系统性误差。这可能是因为热带太平洋气候模式的误差。最近, An et al. (2012)认为存在两个相互矛

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