董璐，周天軍

（1.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室（LASG），北京 100029；2.中國科學院研究生院，北京 100049）

20世紀太平洋海溫變化中人為因子與自然因子貢獻的模擬研究

董璐1，2，周天軍1

（1.中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數(shù)值模擬國家重點實驗室（LASG），北京 100029；2.中國科學院研究生院，北京 100049）

基于中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學國家重點實驗室（LASG／IAP）發(fā)展的氣候系統(tǒng)模式FGOALS_gl對20世紀太平洋海溫變化的模擬，討論了自然因子和人為因子對20世紀太平洋海溫變化的相對貢獻。觀測資料表明，20世紀太平洋平均的SST變化主要分為3個時段：20世紀上半葉的增暖，40—70年代的微弱變冷，70年代之后的迅速增暖。20世紀太平洋SST變化的主導模態(tài)是全海盆尺度的振蕩上升模態(tài)，其次為PDO振蕩型，在70年代末PDO存在明顯的年代際轉型。通過全強迫試驗、自然強迫試驗、控制試驗對上述現(xiàn)象進行歸因分析，結果表明，人為因子和內部變率都對第一次增暖有貢獻，而人類活動（主要是溫室氣體的增加）是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分區(qū)域來看，在兩個增暖時段中，影響黑潮延伸體區(qū)SST變化的主要是自然因子和內部變率，影響其它海域SST變化的則主要是人為因子。全強迫試驗可以較好的模擬出前兩個模態(tài)的空間分布及時間序列。在沒有人為因子的影響下，PDO成為太平洋海溫變化的主導模態(tài)，其年代際轉變發(fā)生在60年代中期，意味著人為因子是全海盆振蕩增暖的主導原因，并且它使得年代際轉型滯后了10 a。因此，自然因子是導致SST年代際轉型中的主導因子，人為因子有“調諧”作用。

氣候系統(tǒng)模式；20世紀太平洋海溫變化；自然因子；人為因子；內部變率

1 引言

全球變暖是20世紀氣候變化的主要特征。觀測表明，20世紀的全球變暖主要發(fā)生在兩個階段：10—40年代（上升0.35℃），70年代末—20世紀末（上升0.55℃）［1］。1906—2005年全球年平均的地表氣溫上升了（0.74±0.18）℃，并且后半段的增溫速率幾乎為整個時段的1倍［2］。理解20世紀氣候變化的機理，是氣候學研究的熱點話題。伴隨全球增暖，全球海溫在年代際尺度上也表現(xiàn)出了明顯的增暖趨勢，對這種變暖的機理分析，對于理解氣候變化的成因以及預估未來氣候變化都有重要意義。

氣候變化涉及多種過程，首先是人類活動影響，主要是人為溫室氣體和硫酸鹽等氣溶膠的排放、土地變化等；其次是自然因素作用，除地球軌道參數(shù)等的變化外，主要包括太陽輻射和火山氣溶膠等的影響；最后是氣候系統(tǒng)內部變率的影響，如大洋熱鹽環(huán)流的自然振蕩等［3］。關于在20世紀溫度變化的不同時期中起主導作用的因子，前人已經(jīng)有大量的研究。20世紀氣候的數(shù)值模擬，既是檢驗氣候模式性能的重要標準，又是評價模式預估未來氣候變化情景可信度的基礎［4—5］。Stott等［6］通過比較觀測與模式集合平均的全球溫度的變化，認為自然因子和人為因子對20世紀溫度變化都有貢獻。僅有自然強迫的試驗無法重現(xiàn)觀測中溫度的變化，而加上人為因子強迫（包括溫室氣體和氣溶膠的變化）的試驗可以較好地解釋觀測中溫度的變化［1］。Thomas［7］通過觀測與能量平衡模式結果的比較，認為在工業(yè)革命前，年代際尺度的溫度變化主要由太陽輻射和火山爆發(fā)等自然因子所控制，而在工業(yè)革命后，人類排放的溫室氣體超過了自然因子的作用，成為了20世紀增暖的主要原因。針對20世紀前期的增暖，Delworth和Knutson［8］利用海氣耦合模式進行了歸因分析，認為這一時期的增暖是溫室氣體強迫、硫酸鹽氣溶膠強迫以及異常強烈的內部多年代際變率共同作用產(chǎn)生的。一般太陽輻射強迫表現(xiàn)為空間分布不一致性，溫室氣體的作用則趨于空間分布一致性［1］；耦合模式集合平均的結果表明，20世紀前期的增暖主要由自然強迫引起（以太陽輻射為主），后期的增暖主要由人為強迫引起（以溫室氣體為主）［9］。Knutson等［10］利用GFDL耦合模式CM2.0和CM2.1證明，人為強迫對20世紀后期的增暖起主要作用，并且指出該模式在全強迫和人為強迫試驗中會高估低緯度的增暖而低估了高緯度的增暖。李立娟等［11］利用LASG格點大氣模式GAMIL檢驗了外強迫對20世紀氣溫演變的綜合影響，結果表明，20世紀40年代和自70年代開始的增暖，均由外強迫所致，第一次主要受自然外強迫影響，第二次主要是由于人為外強迫導致。針對太平洋地區(qū)溫度的變化，Meehl等［12］利用氣候模式PCM考察了20世紀前期太陽輻射增加的作用，結果表明除赤道東太平洋表現(xiàn)為變冷之外，太平洋其他地區(qū)都是變暖的。

北太平洋海溫的變化原因，是氣候學研究重點關注的話題。Mantua等［13］提出北太平洋在1976／77年前后經(jīng)歷了一次氣候突變，在海溫場上，它表現(xiàn)為北太平洋中部、黑潮及其延伸體附近變冷，而在加利福尼亞沿岸和熱帶中東太平洋則表現(xiàn)為變暖，該現(xiàn)象被稱為太平洋年代際振蕩（PDO）。PDO有正負兩個位相，其中正位相表現(xiàn)為熱帶中東太平洋海溫正異常，北太平洋中部海溫負異常，負位相則相反，1947—1976年為PDO的負位相，1977年至90年代中期為PDO的正位相，1976／1977為PDO的轉型期［14］。Chang等［15］以及Bratcher和Giese［16］都指出赤道西、中太平洋地區(qū)（15°～20°S，170°～130°W）次表層海溫存在年代際尺度上的變冷；副熱帶南太平洋風應力旋度場、海洋表層溫度（SST）和次表層海溫也存在年代際變化。關于PDO的氣候影響，已有大量研究表明，它既是疊加在長期氣候趨勢變化上的擾動，可直接造成太平洋及其周邊地區(qū)（包括我國）氣候的年代際變化；它又是年際變率的重要背景，對年際變化（如ENSO及其影響）具有重要的調制作用，可影響ENSO事件頻率和強度，同時也可導致年際ENSO——季風異常關系的不穩(wěn)定性［17］。而圍繞內、外強迫因子在PDO轉型中的貢獻，Meehl等［18］利用耦合模式研究了在20世紀70年代末這次太平洋SST年代際變化中外強迫和內部固有變率的貢獻，認為年代際轉型是由于外部強迫疊加在太平洋固有的年代際變率上形成的。為了考察海表風應力和熱通量在北太平洋年代際變率中的貢獻，吳春強等［19］利用一個大洋環(huán)流模式LICOM分別做了在風應力和熱通量驅動下的兩組模擬試驗，結果表明，北太平洋SST的年際和年代際異常主要受熱通量異常的影響，合理考慮熱通量強迫的年代際變化，能夠改善模式對北太平洋年代際變率的模擬效果?；谝粋€海氣耦合模式的研究表明，在決定北太平洋SST變化主導模態(tài)的海氣熱通量的各項中，短波輻射和長波輻射占主導作用，而潛熱通量的貢獻則基本可以忽略［20］。

綜上所述，自然變率和人為影響在北太平洋海溫變化中的作用問題，已經(jīng)引起學術界的高度重視。在自然和人為因子的強迫下，耦合模式對太平洋海溫變化的模擬能力問題值得進一步研究。本文擬利用FGOALS_gl模擬的20世紀氣候變化，來分析20世紀太平洋SST的變化情況，考察在3段時期以及70年代末的年代際轉型中外強迫，包括人為因子（以溫室氣體為主）和自然因子，以及內部變率的作用。

2 模式和方法介紹

本文所用的模式是LASG／IAP快速耦合版本的氣候系統(tǒng)模式FGOALS_gl，該耦合模式采用模塊化結構，采用NCAR CCSM2的耦合器CPL5將大氣模式、海洋模式、陸面模式和海冰模式等4個模塊進行耦合。FGOALS_gl的大氣部分為LASG／IAP發(fā)展的格點大氣模式GAMIL的低分辨率版本，水平分辨率相當于5.0°（經(jīng)度）×4.0°（緯度），垂直方向采用σ -p混合坐標系，分為26層。海洋模式為LICOM，它是對LASG／IAP第3代全球大洋環(huán)流模式L30T63的水平分辨率進行提高而形成的新版本，水平分辨率為1.0°（經(jīng)度）×1.0°（緯度），垂直方向為30層。耦合模式的陸面和海冰分量分別采用NCAR發(fā)展的通用陸面模式CLM和海冰模式CSIM。關于該耦合模式的介紹，詳見文獻［21］。

本文所用的有3組試驗的結果：20世紀全強迫試驗（ALL）、自然因子強迫試驗（NAT）、無外強迫變化的控制實驗（CTRL）（表1），具體說明如下：

全強迫試驗采用的是“國際耦合模式比較計劃”CMIP3為20C3M模擬試驗（簡稱IPCC AR4的20世紀氣候模擬試驗）提供的歷史大氣輻射強迫場，包括自然因子（太陽輻射、火山氣溶膠）和人為因子（溫室氣體、硫酸鹽氣溶膠等）。

自然因子試驗的太陽輻射和火山氣溶膠資料與全強迫試驗相同，但不包括人為因子的影響。這兩組試驗耦合積分的初始場，均采用1860控制試驗第30年1月1日的瞬時場。1860控制試驗是指將太陽輻照度、溫室氣體濃度等外強迫場固定為工業(yè)革命前水平而進行的耦合積分［22—23］。控制試驗由于未加任何外強迫變化，是模式自由積分的結果，故代表模式內部的固有變率。

表1 試驗設計基本說明

滿文敏等［24］利用該模式的全強迫和自然強迫試驗證明，在自然和人為因子的共同強迫作用下，耦合模式能夠合理再現(xiàn)20世紀全球平均氣溫隨時間的演變；僅在自然因子作用下，模式不能再現(xiàn)1970年以后的全球變暖。自然因子對20世紀第一次變暖的作用是顯著的，但溫室氣體是20世紀后期變暖的主要原因（見圖1a）。鑒于該組試驗對20世紀全球平均氣溫的模擬技巧，本文進一步對20世紀太平洋海溫變化的影響因子進行分析。

為了與模擬結果進行比較，本文用到如下觀測資料：（1）Hadley Centre Sea Ice and SST dataset（HadISST）月平均海溫資料，水平分辨率為1.0°（經(jīng)度）×1.0°（緯度），時間跨度為1870年1月至2006年12月［25］。（2）Twentieth Century Reanalysis Version 2（20CR_v2）的海表熱通量資料［26］。

為了突出年代際變化特點，本文中的數(shù)據(jù)均利用Lanczos濾波器［27］進行了13 a低通濾波的處理。文中利用全強迫和自然強迫兩組試驗分別與觀測序列的相關系數(shù)的平方，代表其各自的方差貢獻。Meehl等［9］證明模式中各種外強迫的作用是可以線性疊加的，因此本文利用全強迫與自然強迫試驗之差來代表人為因子的影響，自然強迫試驗結果表示自然因子的影響，控制試驗代表模式內部固有變率的影響。參考Meehl等［18］的文章，本文中的SST距平都是針對1890—1919年的平均值計算的。

3 結果分析

3.1 太平洋平均的SST距平隨時間的演變

圖1b，c給出1870—2004年太平洋海域（40°S—60°N，100°E—70°W）平均的海表面溫度距平隨時間的演變。在求區(qū)域平均時，對數(shù)據(jù)進行了面積加權。在自然和人為因子的共同強迫下，全強迫試驗能夠較好地再現(xiàn)20世紀太平洋SST的演變情況，模擬和觀測的相關系數(shù)為0.5，統(tǒng)計顯著性水平為0.05。觀測中，20世紀太平洋海域平均的SSTA變化主要分為3個時段：20世紀初至40年代變暖，40—70年代微弱變冷，70年代以后迅速變暖（見圖1c）。在自然因子強迫下，第一段變暖期大約滯后了15 a左右，微弱變冷和迅速增暖期都未能再現(xiàn)，而全強迫試驗基本可以再現(xiàn)兩段增暖期的變化，這表明人為因子的重要作用。

圖1 全球平均氣溫距平隨時間的演變（a），太平洋平均SSTA隨時間的演變（b），13 a低通濾波的太平洋平均SSTA的時間序列（c）

在原始時間序列中（圖1b），全強迫試驗與觀測結果的相關系數(shù)為0.50，自然強迫試驗與觀測結果的相關系數(shù)為0.06，控制試驗與觀測結果的相關系數(shù)為-0.02；進行13 a的Lanczos低通濾波后（圖1c），全強迫試驗與觀測結果的相關系數(shù)達到0.86，自然強迫試驗與觀測結果的相關系數(shù)為0.11，控制試驗與觀測結果的相關系數(shù)為-0.23。可見，在濾波后相關系數(shù)比濾波前顯著增加，說明模式對年代際變化的模擬能力較強。方差分析表明，濾波后的全強迫試驗可以解釋20世紀太平洋SST變化的74.0%，而自然強迫只能解釋1.2%，而來自“海-陸-氣-冰”耦合系統(tǒng)內部變率的貢獻則可以忽略。

表2給出對應于20世紀太平洋SSTA變化的3個特征時段的SSTA線性趨勢。觀測中，1910—1942年的增暖趨勢為（0.25±0.027）℃／（30 a），自然強迫試驗的結果為（-0.08±0.057）℃／（30 a），全強迫試驗的結果為（0.22±0.039）℃／（30 a），控制試驗結果為（0.09±0.023）℃／（30 a）。因此，對于20世紀第一次增暖，全強迫試驗和控制試驗都顯示出技巧，而自然強迫試驗則沒有，因此，人為因子和內部變率對該時段的增暖都有貢獻，其中人類活動居主導地位。關于1975—2000年的變暖趨勢，觀測結果為（0.41± 0.032）℃／（30 a），自然強迫試驗為（-0.15± 0.062）℃／（30 a），全強迫試驗為（0.30±0.080）℃／（30 a），控制試驗為（-0.11±0.060）℃／（30 a）。可見，在迅速增暖階段，人為因子貢獻占主導，達到0.45℃／（30 a），但全強迫試驗的模擬結果依然較觀測偏弱。

表2 20世紀SST變化的3個時段太平洋海域平均的線性趨勢［（℃／（30a）］

模擬和觀測差異較大的時間段是1943—1974年，觀測結果呈微弱變冷趨勢（-0.03±0.040）℃／（30 a），統(tǒng)計顯著性水平僅為0.2，因此變化不顯著。自然強迫試驗中變化趨勢為（0.04±0.065）℃／（30 a），全強迫試驗為（0.11±0.033）℃／（30 a），控制試驗為（-0.05±0.018）℃／（30 a），從數(shù)值上來看，控制試驗結果與觀測最為接近，而加入自然因子和人為因子之后，趨勢均與觀測相差較遠，可見，微弱變冷可能主要是由于模式內部變率所致。另外，這段時期觀測數(shù)據(jù)本身也可能存在問題，由于這段時期的觀測數(shù)據(jù)主要來源于船測資料，并且是通過多種測量技術得到的，由于不同的測量技術具有自身不同的缺陷［28］，因此觀測事實的可靠性也是一個需要注意的問題。

上述分析表明，人為因子和內部變率都對第一次增暖有貢獻，而人類活動（主要是溫室氣體的增加）是1975年之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。而關于1943—1974年間的變化，所有試驗結果均與觀測差別較大，資料本身的可靠性亦存在不確定性。

3.2 太平洋不同海域SST變化的影響因子探究

圖2給出了太平洋緯向平均的SST距平隨時間的演變。觀測結果顯示增暖發(fā)生在兩個階段：20世紀初至40年代、70年代之后，前者主要集中在北半球，后者則是全海盆性質的；變冷的時段在40—70年代（見圖2a）。全強迫試驗結果可以較好地再現(xiàn)觀測結果，兩段變暖期都可以得到顯著體現(xiàn)，前者主要集中在北半球，后者則貫穿全海盆（見圖2b）。在自然強迫試驗中，只在北半球中高緯度表現(xiàn)出70年代之后的增暖，對第一階段的增暖沒有表現(xiàn)出技巧（見圖2c）?？刂圃囼灲Y果顯示，內部變率僅對北半球中高緯度海域的20世紀初至40年代的變暖有貢獻（見圖2d）。綜上所述，緯向平均的SST距平結果表明，第一階段的增暖主要集中在北半球，人為因子和內部變率均對此有貢獻；第二階段的增暖表現(xiàn)為全海盆性質，人為因子起主導作用，自然變率在北半球中高緯度也有所貢獻。

圖3給出對應于1910—1942年、1975—2000年的兩段增暖期的SST變化趨勢分布圖。觀測中，第一段的增暖表現(xiàn)為海盆不一致的變化，在黑潮延伸體區(qū)有一個變冷中心，其他海域為變暖趨勢（見圖3a）；全強迫試驗中基本為全海盆增暖（見圖3c）；自然強迫試驗以變冷為主（見圖3e）。因此，人為因子使整個海盆變暖（見圖3g）；而控制試驗則表現(xiàn)為北太平洋中高緯度及赤道太平洋微弱變暖，黑潮延伸體區(qū)域微弱變冷（見圖3i）。因此，人為因子是造成1910—1942年增暖的主要原因，而自然因子和內部變率對于黑潮延伸體區(qū)域的變冷有顯著貢獻，其中內部變率的貢獻可能來源于PDO的影響。

1975—2000年的SST增暖表現(xiàn)為全海盆一致的變化（見圖3b）；全強迫試驗在黑潮延伸體區(qū)表現(xiàn)為變冷，其他海域為變暖（見圖3d）；自然強迫則與全強迫恰好相反，即黑潮延伸體區(qū)表現(xiàn)為變暖，其他海域為變冷（見圖3f）；因此，人為因子使黑潮延伸體區(qū)變冷，其他海域增暖（見圖3h）；而控制試驗基本為全海盆變冷（見圖3j）。因此，在第二個增暖時段，黑潮延伸體區(qū)的增暖主要是由于自然因子強迫所致，其他海域的增暖則主要是人為因子的影響。

綜上所述，在兩個增暖時段中，從海溫的變化趨勢來看，黑潮延伸體區(qū)的變化主要受到自然因子和內部變率的影響，其他海域則主要受到人為因子影響。

由于黑潮延伸體區(qū)域是PDO振蕩信號最強的區(qū)域之一，從以上結論來看，其SST的影響因子在不同時段亦與整個太平洋海域有所不同，因此將黑潮延伸體區(qū)域的SST在20世紀的變化做進一步分析，如圖4所示。觀測中，黑潮延伸體SST在20世紀的增暖趨勢為（0.34±0.064）℃／（100 a），并且存在年代際振蕩現(xiàn)象。全強迫試驗可以較好地模擬出增暖趨勢和年代際振蕩現(xiàn)象，與觀測的相關系數(shù)達到0.77，可見，在人為因子、自然因子和內部變率共同作用下，模式可以再現(xiàn)黑潮延伸體海溫的變化情況。而在控制試驗中，海溫的年代際振蕩現(xiàn)象仍然存在，并且在70年代末由正異常轉變?yōu)樨摦惓?，這恰好對應PDO由負位相轉變?yōu)檎幌?，因此黑潮延伸體區(qū)SST年代際振蕩主要是由氣候系統(tǒng)內部變率，即PDO主導的。對比3組試驗的曲線，發(fā)現(xiàn)只有全強迫試驗能夠表現(xiàn)出20世紀的增暖趨勢，自然強迫試驗和控制試驗中均未再現(xiàn)這一現(xiàn)象，因此可以推斷黑潮延伸體區(qū)域SST在20世紀的增暖趨勢主要是由于人為因子導致的。因此，在不同時間尺度上考察海溫的變化，其主導因子可能不同。

圖2 觀測和模擬的太平洋緯向平均SST距平隨時間的演變

3.3 SST變化主導模態(tài)比較

圖5a—d給出了觀測SST的EOF前兩個模態(tài)的空間分布和時間序列。從空間型來看，第一模態(tài)表現(xiàn)為全海盆尺度的變化，且方差貢獻達到了47.8%（見圖5a）；第二模態(tài)表現(xiàn)為PDO分布形態(tài)，赤道中東太平洋增暖，北太平洋變冷，方差貢獻為21.2%（見圖5c）。從時間序列來看，PC1表明出20世紀太平洋SST變化有3個階段，即20世紀初至40年代增暖期，40—70年代微弱變冷期，70年代以后的迅速增暖期（見圖5b）；PC2揭示了太平洋SST的年代際振蕩現(xiàn)象，在70年代末PDO由負位相變?yōu)檎幌?，即北太平洋中部、黑潮及其延伸體附近變冷，而在加利福尼亞沿岸和熱帶中東太平洋變暖（見圖5d），這與Mantua等［13］的結論相一致。因此，觀測中的第一模態(tài)為全海盆尺度的震蕩上升模態(tài)，PC1反映了20世紀太平洋平均的SST的3個時段的變化特點；第二模態(tài)為PDO型，在70年代末存在一次明顯的年代際轉型。D'Orgeville和Peltier［29］指出EOF方法不能完全區(qū)分PC1和PC2中關于年代際振蕩的部分，這主要是由于該文中對太平洋SST進行了去趨勢處理，并且EOF的區(qū)域為北太平洋海域；而本文主要關注20世紀太平洋海溫的增暖現(xiàn)象，因此并未進行去趨勢處理，并且所選擇的EOF分析的區(qū)域也有所不同，因此得到的前兩個主導模態(tài)的空間分布和時間序列都與文獻［29］文中的有所不同。

圖3 觀測和模擬的兩段增暖時期中太平洋SST變化趨勢分布

圖4 13 a低通濾波的黑潮延伸體區(qū)域SSTA的時間序列

圖5e—h給出了全強迫試驗的EOF前兩個模態(tài)的空間分布和時間序列。從空間型來看，第一模態(tài)對應全海盆尺度的震蕩變暖型，但黑潮延伸體區(qū)有微弱的冷異常，該模態(tài)的方差貢獻為61.4%，比觀測大（見圖5e）；第二模態(tài)為PDO分布型，赤道中東太平洋與北太平洋SST反位相振蕩，方差貢獻為15.9%，與觀測中EOF2的空間相關達到0.72（見圖5g）。從時間序列來看，PC1可以較好地模擬出兩段增暖期（見圖5f）；PC2可以再現(xiàn)PDO的年代際振蕩現(xiàn)象，并且在70年代末恰好存在年代際轉變，由負位相轉到正位相（見圖5h）。從時間序列的演變來看，全強迫試驗結果與觀測的結果基本對應。因此，全強迫試驗基本可以模擬出20世紀太平洋SST的變化情況，對于前兩個模態(tài)的空間分布和時間序列都模擬的較好，只是方差貢獻略有偏差。

圖5i—j給出自然強迫試驗EOF第一模態(tài)的空間分布和時間序列。從空間型來看，第一模態(tài)表現(xiàn)為類似PDO的形態(tài)，但在高緯度有正異常出現(xiàn)，方差貢獻為44.4%，與觀測的EOF2的空間相關為0.59（見圖5i），表明在沒有人為影響的情況下，20世紀太平洋海溫的主要模態(tài)是PDO型。從時間序列來看，自然強迫試驗的PC1亦呈現(xiàn)出年代際振蕩現(xiàn)象，但周期比觀測偏長，在20世紀60年代存在一次明顯的年代際轉型，比全強迫的結果提前了10 a左右（見圖5j）。

圖5k—l給出控制試驗EOF第一模態(tài)的空間分布和時間序列。從空間型來看，第一模態(tài)為PDO型，并且與自然強迫試驗第一模態(tài)的分布十分類似，與觀測的EOF2的空間相關為0.75，方差貢獻為32.2%，比自然強迫試驗?。ㄒ妶D5k）；從時間序列看，控制試驗的PC1亦存在年代際振蕩的現(xiàn)象，但在70年代附近并沒有明顯的年代際轉型現(xiàn)象（見圖5l）。

綜上所述，全強迫試驗可以很好地模擬出20世紀太平洋海溫的變化情況，并且可以再現(xiàn)全海盆尺度的震蕩上升模態(tài)，尤其是兩段增暖階段都模擬地較好，PDO海溫型在70年代末發(fā)生年代際轉型的特點也得以再現(xiàn)。自然強迫試驗和控制試驗結果證實，在沒有人為因子作用下，PDO的海溫型成為主導模態(tài)，它是由模式內部固有變率產(chǎn)生的，并且在自然因子作用下方差貢獻加大。因此，兩段增暖時期中全海盆尺度上的震蕩增暖是由人為因子引起的，70年代末的年代際轉型主要是由于自然因子導致的，但人為因子使得年代際轉型滯后了10 a左右，亦即人為影響能夠“調諧”自然變率的位相，這與Meehl等［18］的結論相符。

為了考察導致20世紀70年代末年代際轉型的影響因子，參照Meehl等［18］，通過計算觀測SST與不同海溫型的空間相關系數(shù)的時間演變，來估算不同海溫空間型對觀測海溫變化的貢獻。圖6a給出了HadISST資料分別與全強迫試驗的前兩個模態(tài)、自然強迫試驗的第一模態(tài)、控制試驗的第一模態(tài)的空間相關系數(shù)的時間演變序列。從結果來看，相關性最大的空間分布型是全強迫試驗的前兩個模態(tài)，相關系數(shù)均超過0.2，統(tǒng)計顯著性水平為0.01，控制試驗和自然強迫試驗的相關系數(shù)都很低，乃至出現(xiàn)負相關，這表明全強迫下的全海盆一致增暖和PDO的海溫分布型是20世紀太平洋海溫變化的主導模態(tài)。

將觀測資料對這4個主要模態(tài)做投影，即對觀測資料做EOF分析時，將空間分布場分別換作這4個主要的空間模態(tài)，得到各自的時間序列，代表在觀測資料中，這4個主導模態(tài)的貢獻隨時間的演變情況，如圖6b所示。在20世紀太平洋的海溫變化中，這4個主要的空間型在70年代末均存在明顯的年代際轉型，但對于觀測中70年代末PDO由負位相轉變?yōu)檎幌嗟倪^程中起作用的主要是自然強迫的第一模態(tài)，其時間序列在70年代末有明顯的從負位相到正位相的轉變；其次是全強迫試驗的第二模態(tài)；全強迫試驗的第一模態(tài)也有貢獻；內部變率則起到相反的作用，即從正位相變到了負位相。以上結果再次證明，70年代末的PDO轉型主要是自然因子導致的，而人為因子也有貢獻。

圖5 13 a低通濾波后EOF的空間分布和時間序列

圖6 13 a低通濾波的HadISST分別與全強迫試驗的EOF1、EOF2、自然強迫試驗的EOF1、控制試驗的EOF1的空間相關系數(shù)的時間演變（a），HadISST對以上4個空間型作投影的時間序列（b）

4 討論

為進一步理解SST變化的成因，下面給出混合層平均的海溫診斷方程：

圖7 海表面長波輻射對HadISST第一模態(tài)的回歸（a）全強迫試驗和（b）人為因子貢獻

對于觀測中第二模態(tài)PDO海溫型的成因，已有研究表明，PDO是海氣系統(tǒng)內部自然振蕩，并涉及與上層海洋熱力調整有關的若干慢變物理過程，如海洋Gyre輸送、Rossby波傳播、Subduction輸送等［17］，因此混合層平均的海溫診斷方程在這一現(xiàn)象中可能并不適用。由于20世紀氣候模擬試驗本質是大氣輻射強迫的影響，本文重點分析大氣過程的貢獻。利用20CR_v2資料、全強迫、自然強迫、控制試驗的海表面熱通量與觀測中海溫的PC2作相關，來分析各項熱通量對PDO海溫型的貢獻情況，表3分別給出了對于PDO信號最顯著的兩個區(qū)域，黑潮延伸體區(qū)（20°～40°N，140°E-170°W）和赤道中東太平洋海域（10°S -10°N，150°～90°W）區(qū)域平均的熱通量與PC2的相關系數(shù)。在黑潮延伸體區(qū)，在再分析資料中，凈熱通量與PDO的相關為-0.26，統(tǒng)計顯著性水平為0.05，這主要來自短波輻射的貢獻（相關系數(shù)為-0.32）；在全強迫試驗中，短波輻射的相關系數(shù)亦達到-0.48，這與Zhou等［20］認為在北太平洋SST的年代際變化中短波輻射占主導作用的結論相一致。在赤道中東太平洋海域，再分析資料和全強迫試驗中海表面凈熱通量與PDO的相關系數(shù)都不顯著，這表明在該區(qū)域動力過程起主導作用，這主要是由于該海域溫躍層較淺、海洋動力過程較強所致?？偟膩砜?，海表面熱通量與PDO演變的相關性都不強，這表明PDO的海溫型主要是受到海洋內部動力過程的影響，大氣外強迫變化所引起的熱通量變化不是主要驅動因子。

表3 黑潮延伸體和赤道中東太平洋區(qū)域平均的熱通量與PDO時間演變的相關系數(shù)（熱通量均向下為正）

5 結論

本文利用LASG／IAP全球“海-陸-氣-冰”耦合的氣候系統(tǒng)模式FGOALS_gl，通過開展耦合模式敏感性試驗，模擬了20世紀氣候，討論了外強迫對太平洋SST變化的貢獻，外強迫主要包括自然因子和人為因子；另外還通過控制試驗考察了內部變率的作用。主要結論如下：

在觀測資料中，20世紀太平洋平均的SST變化主要分為3個時段：20世紀上半葉的增暖，40—70年代的微弱變冷，70年代之后的迅速增暖。綜合考慮自然強迫因子和人為強迫因子的全強迫試驗，可以較好地再現(xiàn)太平洋區(qū)域（40°S—60°N，100°E—70°W）平均SST在20世紀總體變化，原始序列與觀測的相關系數(shù)為0.50，在年代際尺度上與觀測相關達到0.86，可以解釋觀測變化的74.0%。在觀測資料中，第1次增暖趨勢為（0.25±0.027）℃／（30 a）；模擬試驗結果表明，人為因子和內部變率都對其有貢獻，全強迫試驗的貢獻趨勢為（0.22±0.039）℃／（30 a），內部變率貢獻為（0.09±0.023）℃／（30 a）。在觀測資料中，70年代之后的增暖趨勢為（0.41±0.032）℃／（30 a），模擬結果表明，人為因子貢獻為0.45℃／（30 a），這表明人類活動（主要是溫室氣體的增加）是70年代之后太平洋SST迅速增暖的主要原因。分區(qū)域來看，在兩個增暖時段中，從海溫的變化趨勢來看，影響黑潮延伸體區(qū)SST變化的主要是自然因子和內部變率，影響其它海域SST變化的則主要是人為因子。

觀測資料表明，20世紀太平洋SST變化的主導模態(tài)是全海盆尺度的震蕩上升模態(tài)，其次為PDO振蕩型。模擬試驗結果表明，人為因子是產(chǎn)生兩個增暖時期中全海盆尺度增暖的主要原因，而自然因子是導致SST年代際轉型的主導因子，但人為影響有一定的“調諧”作用，使得PDO的年代際轉型滯后10 a左右。模式結果顯示長波輻射有利于全海盆一致的增暖，這是由于人為因子導致溫室氣體增多引起的；而對于PDO的海溫型，模擬結果表明它主要由海洋內部動力過程導致。

本文的結論只是基于FGOALS_gl單個模式的結果，因此可能具有模式依賴性，結論也可能存在不確定性，后續(xù)的工作將會通過對CMIP5模式進行比較來加以驗證。

［1］IPCC.Climate Change 2007：The Physical Science Basis［G］／／Solomon S，Qin M，Manning Z，et al.Contribution of Working GroupⅠto the Fourth Assessment Report of the Intergovermental Panel on Climate Change.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2007：996.

［2］Trenberth K E，Jones P D，Ambenje P，et al.Observations：Surface and atmospheric climate change［G］／／Solomon S，Qin D，Manning M，et al. Climate Change 2007，The Physical Science Basis.Contribution of Working GroupⅠto the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.Cambridge，United Kingdom and New York：Cambridge University Press，2007：236—336.

［3］周天軍，王紹武，張學洪.大洋溫鹽環(huán)流與氣候變率的關系研究：科學界的一個新課題［J］.地球科學進展，2000，15（6）：654—660.

［4］Zhou Tianjun，Yu Rucong.Twentieth century surface air temperature over China and the globe simulated by coupled climate models［J］.Journal of Climate，2006，19（22）：5843—5858.

［5］周天軍，李立娟，李紅梅，等.氣候變化的歸因與預估模擬研究［J］.大氣科學，2008，32（4）：906—922.

［6］Stott P A，Tett S F B，Jones GS，et al.External control of 20th century temperature by natural and anthropogenic forcings［J］.Science，2000，290：2133—2137.

［7］Thomas J C.Causes of climate change over the past 1000 years［J］.Science，2000，289：270—277.

［8］Delworth T L，Knutson T R.Simulation of early 20 th century global warming［J］.Science，2000，287：2246—2250.

［9］Meehl G A，Washington W M，Ammann C M，et al.Combinations of natural and anthropogenic forcings in twentieth-century climate［J］.J Climate，2004，17：3721—3727.

［10］Knutson T R，Delworth T L，Dixon K W，et al.Assessment of twentieth-century regional surface temperature trends using the GFDL CM2 Coupled Models［J］.J Climate，2006，19：1624—1651.

［11］李立娟，王斌，周天軍.外強迫因子對20世紀全球變暖的綜合影響［J］.科學通報，2007，52（15）：1820—1825.

［12］Meehl G A，Arblaster J M，Branstator G，et al.A coupled air-sea response mechanism to solar forcing in the Pacific region［J］.J Climate，2008，21：2883—2897.

［13］Mantua N J，Hare S R，Zhang Y，et al.A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production［J］.Bull Amer Meteor Soc，1997，78（6）：1069—1079.

［14］Mantua N J，Hare S R.The Pacific decadal oscillation［J］.Journal of Oceanography，2002，58：35—44.

［15］Chang P，Giese BS，Ji L，et al.Decadal change in the south tropical Pacific in a global assimilation analysis［J］.Geophys Res Lett，2001，28（18）：3416—3464.

［16］Bratcher A J，Giese B.Tropical Pacific decadal variability and global warming［J］.Geophys Res Lett，2002，29（19）：24-1—24-4.

［17］楊修群，朱益民，謝倩，等.太平洋年代際振蕩的研究進展［J］.大氣科學，2004，28（6）：979—992.

［18］Meehl G A，Hu Aixue，Santer Benjiamin D.The Mid-1970s climate shift in the Pacific and the relative roles of forced versus inherent decadal variability.J Climate，2009，22：780—792.

［19］吳春強，周天軍，宇如聰，等.熱通量和風應力影響北太平洋SST年際和年代際變率的數(shù)值模擬［J］.大氣科學，2009，33（2）：261—274.

［20］Zhou T J，Yu R C，Li Z X.ENSO-independent variability over the mid-latitude North Pacific：Observation and air-sea coupled model simulation［J］.Adv Atoms Sci，2002，19（6）：1128—1147.

［21］Zhou T J，Wu B，Wen X Y，et al.A fast version of LASG／IAP climate system model and its 1 000-year control integration［J］.Adv Atmos Sci，2008，25（4）：655—672.

［22］Zhou T J，Li Bo，Man W M，et al.A comparison of the medieval warm period，little ice age and 20th century warming simulated by the FGOALS climate system model［J］.Chinese Sci Bull，2011，56：3028—3041，doi：10.1007／s11434-011-4641-6.

［23］滿文敏，周天軍，張麗霞，等.20世紀溫度變化中自然變率和人為因素的影響：基于耦合氣候模式的歸因模擬［J］.地球物理學報，2012，55（2）：372—383.

［24］滿文敏，周天軍，張潔，等.氣候系統(tǒng)模式FGOALS_gl模擬的20世紀溫度變化［J］.氣象學報，2011，69（4）：644—654.

［25］Rayner N A，Parker D E，Horton E B，et al.Global analyses of sea surface temperature，sea ice，and night marine air temperature since the late nineteenth century［J］.J Geophys Res，2003，108（D14）：4407，doi：10.1029／2002JD002670.

［26］Compo G P，Whitaker J S，Sardeshmukh P D，et al.The twentieth century reanalysis project［J］.Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society，2011，137（654）：1—28.

［27］Duchon C E.Lanczos filtering in one and two dimensions［J］.Journal of Applied Meteorology，1979，18：1016—1022.

［28］Thompson D W J，Kennedy JJ，Wallace J M，et al.A large discontinuity in the mid-twentieth century in observed global-mean surface temperature［J］.Nature，2008，453：646—649.

［29］D'Orgeville M，Peltier W R.On the Pacific decadal oscillation and the Atlantic multidecadal oscillation：Might they be related？［J］.Geophys ResLett，2007，34：L23705，doi：10.1029／2007GL031584.

［30］Xie S P，Deser C，Vecchi G A，et al.Global warming pattern formation：Sea surface temperature and rainfall［J］.J Climate，2010，23：966—986.

Contributions of natural and anthropogenic forcings to the twentieth-century Pacific sea surface temperature variability simulated by a climate system model

Dong Lu1，2，Zhou Tianjun1

（1．State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；2．Graduate University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Contributions of natural and anthropogenic forcings to the twentieth-century Pacific sea surface temperature（SST）decadal variability are evaluated with a climate system model named FGOALS_gl developed by LASG／IAP.The observational data shows that there are three typical periods of the twentieth-century Pacific SST variability：a warming tendency in the early twentieth-century，the weak cooling during 1940s—1970s and the strong warming trend after the 1970s.The first leading mode of the twentieth-century Pacific SST variability features an oscillatorily warming in the whole Pacific basin，and the second one appears as Pacific Decadal Oscillation（PDO）with a significant inter-decadal transition in the late-1970s.The simulations support that the early stage warming is resulted from a combination of the anthropogenic forcing and the internal variability.And the pronounced late twentieth-century warming is dominated by theincrease of greenhouse gases（GHGs）forcing.During the two warming periods of the twentieth-century，the natural forcing and internal variability dominate the changes in Kuroshio Extension（KE）region，and the anthropogenic forcing dominates the changes in other parts of Pacific.The first two leading modes of the twentieth-century Pacific SST variability can be reproduced by the all-forcing run.The PDO would become the dominant mode and theinter-decadal transition would take placein the mid-1960s if the anthropogenic forcing is not included.These results indicate that the anthropogenic forcing dominates the warming in the whole Pacific basin and leads to a 10 a delay of the inter-decadal transition.Therefore，the inter-decadal transition of PDO phase is caused by natural forcing，while the anthropogenic forcing can modulate the transition point.

climate system model；twentieth-century Pacific sea surface temperature variability；natural forcing；anthropogenic forcing；internal variability

P732.6

A

0253-4193（2014）03-0048-13

2013-01-09；

2013-05-28。

海洋公益性行業(yè)科研專項（201105019-3）；全球變化國家重大科學研究計劃項目（2010CB951904）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2012CB955202）。

董璐（1987—），女，山東省青島市人，主要從事海洋年代際變率研究。E-mail：donglu＠m(xù)ail.iap.ac.cn

董璐，周天軍.20世紀太平洋海溫變化中人為因子與自然因子貢獻的模擬研究［J］.海洋學報，2014，36（3）：48-60，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.006

Dong Lu，Zhou Tianjun.Contributions of natural and anthropogenic forcings to the twentieth-century Pacific sea surface temperature variability simulated by a climate system model［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：48—60，doi：10.3969／j.issn. 0253-4193.2014.03.06.