近百年全球温度变化中的ENSO分量^*

龚道溢　王绍武

摘　要：首先利用Nio C区海温、Nio 3区海温及两个不同的SOI序列，建立了1867年春到1998年春期间的ENSO指数序列。近百年来ENSO对热带、热带外地区年际尺度的温度变化有显著影响，热带地区温度变化滞后ENSO约1个季，热带外地区滞后约2～3个季。ENSO能解释同期全球年平均温度方差的14%～16%左右；如果考虑ENSO对温度影响的滞后特征，则能解释的部分提高到20.6%。ENSO对温度的影响主要是在年际时间尺度上，对近百年来全球温度变化的长期趋势和年代际变率贡献不大。
关　键　词：全球；气候系统；温度变化；ENSO；热带地区
中图分类号：P423.3　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-8166(1999)05-0518-06

THE INFLUENCE OF ENSO ON GLOBAL TEMPERATURE
DURING THE LAST 100 YEARS

GONG Daoyi， WAND Shaowu
(Department of Geophysics, Peking University, Beijing 100871,China)

　　Abstract：To explore the coupling between the atmosphere and the ocean in ENSO events, the combination of 2 SST indices and 2 SOIs back to the 1867 are used to define the ENSO index. The 2 SSTs are SST of Nio C(i.e. 180°～90°W,0°～5°S, Angell,1981) and SST of Nio 3(i.e. 160°E～90°W,5°N～5°S,Cane et al,1997), 2 SOIs are SOI of Ropelewski and Jones and SOI of Shi and Wang respectively. Then 32 “warm phase” ENSO events and 32 “cold phase” ENSO events are identified from the spring of 1867 to the spring of 1998. Then global temperature anomalies associated with ENSO are investigated by using long-period global gridded temperature records from 1880 to 1997. The influence of ENSO on both tropical and extra-tropical temperature are significant in annual time scale. The temperature lags ENSO by one season in tropic, and by two～three seasons in extra-tropics. ENSO can account for about 20.6% global interannual temperature variance. But ENSO can not explain the warming trend and the interdecadal variability of global temperature over the past century.
　　Key words:Global temperature change; Climate system; ENSO; Tropical area.

1　前　言

　　在全球气候系统中，ENSO占有重要地位，因此，很早人们就注意到ENSO对许多区域、半球或全球平均温度都有不同程度的影响^〔1,2〕。不过，以往分析ENSO对温度的影响往往限制在某些季节，如对冬季气温，而且更偏重于考虑特定的区域^〔3，4〕。近年来对ENSO对半球及全球行星尺度温度的可能影响也逐渐开始重视起来，因为人们认识到，近百年来观测到的全球温度变化中既包含了气候的自然变化，也有人类活动等外部因子的影响，研究气候系统的自然变化的贡献有多大对正确估计和理解全球变暖的原因和趋势有重要的意义^〔5〕。
　　Diaz^〔6〕发现卫星观测的全球月平均对流层下层温度（MSU-2）距平的EOF1的时间系数反映的是ENSO，而其对全球对流层下层温度场的方差解释率是15.1%。而且，MSU-2的对流层下层温度与ENSO的关系还表现出一定的纬度间的差别：ENSO信号在20°S～20°N平均温度序列中最为突出，而且其变化还有3个月左右的滞后，而对于20°～90°N及20°～90°S地区平均温度，ENSO信号并不明显，就全球平均来看，ENSO信号也比较明显，Yulaeva等^〔7〕认为这主要是热带地区面积过大造成的。但是，卫星反演温度资料仅仅是近20多年的长度，ENSO事件次数少。利用60多年的实际地面气温观测资料，Hurrell^〔8〕研究了南方涛动等因子对北半球中、高纬度地区温度的影响。发现南方涛动和北大西洋涛动两者可以解释20°～90°N冬季平均温度方差的44%，排除北大西洋涛动而计算冬季平均温度与南方涛动指数的偏相关，则偏相关系数也可达-0.43，如果再刨去北太平洋涛动的影响，则南方涛动对20°～90°N冬季平均温度方差的贡献约在16%左右。本文将在季分辨率基础上，利用1880年以来100多年的ENSO和全球温度资料，分析ENSO对各季节热带、热带外地区及半球和全球平均温度影响的特点。

2　ENSO指数

　　研究ENSO与温度的关系需要相应的ENSO指标，以往人们多用南方涛动指数（SOI）或Nio区海表温度（SST）来表示ENSO的强弱。这样做可能有两个方面的问题，一是南方涛动指数本质上反映的是热带大气的状况，而Nio区海温反映的是赤道太平洋某些区域的海洋环境变化，二者的持续性、变率等特性都有各自的特点，如果仅仅根据某一方来判定El Nio或La Nia事件结果会有所不同。当然，一般情况下，海温与SOI有很好的对应关系，如果单独使用海温或SOI，也的确能较好地反映热带太平洋地区海-气系统的状态。但是，有很多时候Nio区SST与SOI的变化并不一致，如1946年Nio区SST都为负距平，但同时SOI也是负距平，1984年及1985年SST为明显负距平，但SOI也是负距平，这反映了大气与海洋状况的不协调，如Trenberth等^〔9〕就曾指出许多高频或局地因素会对Tahiti和Darwin气压产生影响，所以有时SOI的变化并不真正反映大尺度的现象。因此，这二者并不能彼此代替，据计算，两者的季平均值只能彼此说明约42%的方差^〔10〕。所以，如果仅仅只用Nio区SST或者只用SOI，并不能很好代表ENSO这一热带太平洋海-气系统的变化特征。另一方面，不管是SOI还是Nio区SST，早期的记录或多或少有缺失，一些作者用各种方法进行了插补，其代表性和可靠性都不如近期的完整观测资料。所以，如果综合考虑SST和SOI，能更为真实地反映热带太平洋海-气系统的状态，降低单独使用某一种资料可能带来的误差。
　　建立ENSO综合指数所使用的SST和SOI资料包括4种。第一是Nio 3区SST序列，这是目前最为系统的海面温度序列。资料来源见Kaplan等^〔11〕及Cane等^〔12〕。序列开始于1856年春，到1991年秋，从1991年冬开始用CPC（美国气候预测中心）的资料续补。第二是Nio C区SST序列^〔13〕，序列开始于1867年夏，到1987年冬。王绍武等^〔10〕曾根据COADS资料，也建立了1854年以来Nio C区的SST序列。因此，可以对Angell序列中的缺测作补充，剔除Angell序列中的明显错误。该序列到1989年冬为止，以后的资料用国家气候中心的SST资料续补。第三是Jones 等的SOI序列，资料来源见Allan等^〔14〕、Ropelewski等^〔15〕。序列从1866年春开始，到1997年秋。1997年冬及1998年春用CPC资料续补。第四是石伟等^〔16〕的SOI序列，根据与Jones大体相同的资料来源，但早期用了不同的站插补，使序列向前延长到1856年冬。这个序列采用了CPC的最新规定，对Tahiti和Darwin两个站的气压先分别标准化，然后对其差值再作标准化。同时采用对全年统一标准化而不是分月标准化，所以1989年后就直接用CPC每月公报的资料续补。
　　将这4个序列中为月的原始资料都处理为季平均，再把这4个季平均序列分别标准化，然后再取平均，就得到1个序列即ENSO指数序列。在相加时取-SOI，这样当SST为正，SOI为负时指数高。SST为负，SOI为正时指数低，见图1。根据这个ENSO指数序列，也可以对近百年来的ENSO事件和强度进行确认^〔17〕，从1867年春到1998年春，共有32次暖事件（正SST、负SOI）及32次冷事件（负SST、正SOI），其中最强的暖事件是1997/1998年的这次，季平均ENSO指数达到2.21，其次为1982/1983年为2.02，其余各次暖事件的ENSO指数均在2.0以下。最强的冷事件是1915/1917年这次，ENSO指数为-1.40，其次为1975年及1988/1989年，分别为-1.31及-1.27。

图1　ENSO指数序列（阴影为暖事件，涂黑部分代表冷事件）
Fig.1　ENSO index from 1867 (warm events shaded, cold events shown in black.)

3　全球温度变化与ENSO

　　分析使用的温度资料为Jones等整编和发表的全球范围月平均陆地气温和表层海温混合温度距平数据集，5°×5°经纬度格点，资料最早从1856年开始^〔18〕，最近续补到了1997年^〔19〕。分析之前，统一将各点温度也都处理成季平均值，考虑到早期缺失较多，分析中只用1880年以来资料。
　　首先，从全球平均来看取80°N～60°S范围，约占地球表面积的93%，计算时取面积加权平均，下同)，1880～1997年，全球季平均温度与季ENSO指数的相关系数r=0.38,温度落后ENSO指数一个季的相关系数最大，达0.41，即近百年来全球季平均温度方差的14%～16%左右可以由ENSO来解释。当然，温度的变化不仅有突出的年际变化，而且还有显著的年代际变化和长期趋势。而ENSO指数的功率谱分析表明，主要是2～7 a左右的准周期变化。所以为了检测温度中的这种ENSO高频部分信号，分别对温度和ENSO指数做带通滤波处理，将包括从准两年振荡到7年左右周期的部分保留下来。滤波后的高频部分两者的同时相关系数达到了0.58，而且是温度落后ENSO指数2个季相关最大，提高到了0.77，见图2。

图2　全球平均温度与ENSO指数的交叉相关系数
（实线为根据原始数据计算，虚线为带通滤波后计算结果）
Fig.2　Correlation between the global mean temperature and the ENSO index calculated by using of the original (shown in solid line) and the filtered data (shown in dotted line).

　　其次，热带地区与热带外地区也表现出一定的差别。从表1中可以发现，ENSO指数与热带地区（20°N～20°S）温度相关系数最高，原始序列同期相关达0.63，而热带外地区则仅为0.15和0.18。从最大相关的滞后时间看，热带地区温度落后ENSO变化1个季，而热带外地区则落后2～3个季。在2～7年周期段上，北半球中高纬度地区的温度与ENSO指数的相关从同时的-0.05到落后3个季的0.23，提高非常明显。99%信度水平下的相关检验阈值在0.11左右，所以ENSO对热带、热带外地区、半球及全球温度的影响在统计上也是显著的。

　　以往考虑ENSO对全球温度影响时，包括EOF分析及相关分析大多考虑二者的同期关系，但从前面的分析发现，温度对ENSO的响应有1～3个季的滞后，如果考虑到这种滞后关系，则ENSO在全球温度变化中所占的份量就可能不仅仅是14%～16%左右的比重了。用年平均ENSO指数来拟合全球年平均温度，即建立二者间的线性回归方程，其中ENSO指数为变化因子，把全球年平均温度当作预报量。那么，回归方差的大小就说明ENSO对全球温度变化方差解释的好坏。结果发现ENSO对当年全球温度方差的解释率为13%。因为一次ENSO事件通常都持续1年以上，年平均温度中也必然包含了上年ENSO的影响。所以用当年和上一年的ENSO指数来解释全球年平均温度，则方差解释率提高到20.6%。
　　以往考虑ENSO对季节温度的影响也仅限于考虑同期的关系，如果考虑温度与ENSO的滞后关系，那么对各季温度的解释也会更加合理。对4个季节同时考虑同期到超前1～3个季的ENSO指数，那么近百年来12～2月全球平均温度方差的27.8%能由ENSO解释，这在4个季节中解释率是最高的，其次是3～5月，解释率为23.8%，6～8月及9～11月较低，分别为18.1%和15.8%。
　　一些研究表明ENSO的年代际变率对行星尺度的温度变化可能有影响^〔20〕，但从近百年来拟合的结果看，虽然观测的全球年平均温度的年代际序列与由ENSO指数拟合温度的年代际序列间的相关系数有0.63，但拟合的温度值比观测值的变化幅度要小许多，拟合温度的标准差仅有0.10 ℃左右，而实际温度的标准差则有0.22 ℃，这说明由ENSO拟合的温度方差只有实际观测值的20.6%，其中年代及以上时间尺度的变率就更小了。所以ENSO对全球温度变化的影响主要还是在年际尺度上。这在图3中也非常明显。图3b是ENSO指数模拟的温度，即用当年及前一年年平均ENSO指数拟合的全球年平均温度，可见还是年际尺度上的变率最突出；图3c是观测温度减掉ENSO解释的那部分温度之后的剩余值，有显著的上升趋势，上升速率为0.45 ℃/100 a，这与近百年来的观测温度的增暖幅度十分接近。将观测的全球温度和扣除ENSO贡献后的全球温度序列分别进行低通滤波，剩下的是二者的低频部分，标准差分别为0.20 ℃和0.18 ℃，这说明扣除了ENSO的影响后，在年代及更长时间尺度上仍然有超过80%的方差被保留了下来。因此，单纯考虑ENSO一个因子并不能很好解释近百年来全球温度的增暖趋势及其年代际变率。

图3　近百年观测及ENSO拟合的全球年平均温度
a:观测值; b: ENSO指数模拟的温度,即用当年及前一年年平均ENSO指数对温度的拟合值;c:观测温度减掉ENSO解释的那部分温度之后的剩余值，虚线为线性趋势
Fig.3　Global mean temperature
(a) observed, (b) computed using ENSO index and (c) the residue by subtracting the computed temperature from the observations. Dotted line in the bottom panel is the linear trend of the residue.

4　 ENSO影响温度的机制

　　Angell^〔21〕曾指出ENSO对对流层大气的加热作用可能是通过加强热带地区水分循环实现的，即当赤道太平洋海表温度升高时，对流活动也将加强，因此大量潜热的释放造成热带对流层温度的升高。Graham^〔22〕用数值模式对此进行了模拟研究，用观测的热带海表温度做为边界条件来强迫大气环流模式，结果表明能很好模拟出最近几十年来的全球气温增暖趋势，而且潜热的变化最为明显，自70年代以来全球平均潜热通量大约上升了1 Wm^-2，而且几次峰值也都与El Nio事件相对应。但是，观测事实显示与ENSO事件密切相关的降水变化主要是热带太平洋地区，而并无证据说明热带太平洋地区对流层中的热量如何存储数个季节之久，且转移到中、高纬地区。ENSO对温度的影响可能有多种途径，而ENSO对热带和热带外地区温度影响的不同时滞关系就可能与影响的机制不同有关，热带地区是通过Walker环流直接影响气候，所以信号强烈，最大滞后时间短。ENSO对热带外地区的影响，一是可以通过Hadley环流影响全球的副热带高压^〔23〕，进而影响气温，另一方面也可以通过遥相关来传播其影响，这些都是间接的影响，所以最大滞后时间也长。而且同时热带外地区温度的变化受其他环流因素如NAO等的影响很大^〔8〕，所以ENSO的影响不如热带地区明显。Yulaeva等^〔7〕指出的20°～90°N平均气温变化中ENSO信号不明显可能与这种信号较弱及没有考虑ENSO对温度影响的滞后有关。

5　结　论

　　用Nio区海温和SOI建立的ENSO指数能较好地代表赤道太平洋地区的海洋-大气系统状况及描述ENSO变化特征。根据近百年来温度和ENSO指数资料，发现ENSO对热带、热带外地区及全球温度有显著影响，但主要是年际尺度上变率的影响。ENSO能解释同期全球年平均温度方差的14%～16%左右。热带地区温度变化滞后ENSO约1个季，热带外地区滞后约2～3个季。如果考虑ENSO对温度影响滞后1～3个季的特征后，则ENSO对全球年平均温度方差的解释率能达到20.6%。ENSO对全球温度的影响还有明显的季节差别，12～2月和3～5月的影响最大，能解释温度变化的27.8%和23.8%，6～8月及9～11月则较低，分别只能解释18.1%和15.8%。近百年来全球温度变化的长期趋势和年代际变率并不能单纯用ENSO得到解释，要研究近百年来全球温度低频变化的原因还必须考虑其它因子，如人类活动、气候系统内部变率、火山及太阳活动等因子。

^*国家自然科学基金重点项目“20世纪中国与全球气候变率研究”(编号:49635190)及博士后 基金资助。

作者简介: 龚道溢,男,1969年1月生,博士后,主要从事气候变化及影响和全球变化研究。

作者单位：北京大学地球物理系，北京　100871

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