ENSO强度模拟差异对全球变暖下热带太平洋大气变化预估结果的影响❋

丁 芊， 郑小童

(中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100)

气候变化是人类社会面临的重要挑战。在这其中人类活动造成的温室气体上升所带来的全球变暖是过去100多年最强的气候变化信号，也对未来的气候有重要影响[1]。如何准确预估未来全球变暖背景下全球气候的变化特征，是气候变化领域的热点问题。需要注意的是，气候系统对全球变暖的响应不是全球一致的，而是具有显著的区域响应特征：例如全球海表面温度的增暖空间分布特征就在很大程度上会决定全球降水的变化，导致大气环流的改变进而影响区域气候[2]。如何理解全球变暖下气候系统变化的空间分布特征，是气候变化领域的重要问题[3]。

热带海洋-大气耦合系统是全球气候重要的组成部分，尤其是热带太平洋海气系统，在不同时间尺度上都是全球气候的重要驱动力量，其对全球变暖的响应一直是气候变化的热点问题。针对热带太平洋海洋大气场对全球变暖的空间响应特征，国际上有截然不同的两种观点：一种观点从海洋出发，认为海洋的上升运动会抵消温室气体增加带来的辐射强迫对SST的增温效果[4]。由于赤道东太平洋具有较强的海洋上升运动，因此这里在全球变暖下的增温是极小值，热带太平洋整体上会出现西高东低的增暖型，也就是所谓的类拉尼娜增暖特征[5]。而另一种观点从大气动力学角度出发，发现全球变暖后全球水循环会有减缓[6]，在热带太平洋表现为Walker环流减弱，减弱的Walker环流会抑制赤道东太平洋的上升运动，从而在这里呈现出海温增暖的极大值，即所谓的类厄尔尼诺增暖型[7]。在观测中不同的数据资料会得到不同的结果，有的呈现为类厄尔尼诺增暖型并伴随着Walker环流的减弱，有的呈现出类拉尼娜增暖型并伴随着Walker环流的加强[8-9]。而在气候模式的未来预估结果中，大部分模式都呈现出Walker环流的减弱以及类厄尔尼诺增暖型[7-8]，但模式间依然存在巨大的差异[10-11]。最近的研究发现，全球变暖下热带太平洋海洋大气场的空间变化特征对厄尔尼诺-南方涛动(El Nio - Southern Oscillation，ENSO)和台风等极端天气气候事件的变化都有重要的影响[12-13]。因此，正确预测全球变暖下热带海洋，特别是热带太平洋海气系统的长期变化趋势，理解模气候未来预测模式间存在差异的物理机制，具有重要的科学意义。

为了准确理解上面提到的观测数据和模式预测的不一致问题，前人已经开展了一系列研究：在观测方面，订正了由于观测手段的改变带来的大气(如表面风场[14])和海洋(如SST[15])的变化之后，热带太平洋的气候平均态在过去60年间呈现出Walker环流减弱以及偏向类厄尔尼诺增暖型的变化特征[15-16]。在模式未来预测中，研究发现模式误差对未来热带太平洋海温变化的空间分布特征具有重要的影响：在气候模式中，由于热带太平洋冷舌模拟误差以及由此带来的海温-对流反馈的弱化，导致全球变暖下热带太平洋产生虚假的类拉尼娜的增暖分布型，在根据观测结果使用“观测约束”方法对气候模式的预估结果校正后，大部分模式中的热带太平洋海温的变化都呈现类厄尔尼诺型特征，其不确定性大大降低[10-11]。

值得注意的是，气候模式中热带太平洋的模拟误差除了平均态(如冷舌模拟过强、暖池范围较小等)之外，其年际变化的模拟也存在很大的偏差。在耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5)的22个气候模式的历史试验(1850—2005)中(见图1)，尽管热带太平洋的主要年际耦合模态ENSO的振幅(1.06 ℃)与观测结果(1.09 ℃)相差不大，但模式的最小值(0.42 ℃)与最大值(1.62 ℃)之间相差四倍左右。而目前对由SST年际变化信号的模拟偏差造成的未来热带太平洋气候预估的影响还没有清晰的认识。

由于ENSO具有显著的非线性过程和非对称性[17-18]，因此其振幅的变化会反映在热带海洋-大气平均态场上[19-21]。在全球变暖背景下，气候模式对热带海洋年际变化(如ENSO)的模拟能够在多大程度上影响热带海洋-大气场的平均态变化，目前还没有明确的答案。

由于耦合模式的复杂性，我们很难通过其气候长期预测结果来区分并评估平均态模拟和耦合模态模拟偏差对未来气候变化的贡献。基于此，本研究使用大气模式来设计数值试验，分析热带海洋耦合模态模拟差异对未来气候变化的影响。本文定量考查同样的平均态海温增暖状态下，改变海温的年际变化强度会对热带海洋的降水、环流等大气场有何影响。并探讨这种影响与热带耦合模态如ENSO的非线性特征之间的关系。

图1 CMIP5 中22个模式1850—2005年中的ENSO振幅Fig.1 The ENSO Amplitudes of 22 CMIP5 models from 1850 to 2005

1 模式及试验介绍

为研究SST年际变化对未来热带太平洋气候变化造成的影响，本文利用美国大气研究中心(The National Center for Atmospheric Research, NCAR)发布的通用地球系统模式(The Community Earth System Model, CESM)中的公共大气模式(Community Atmosphere Model，CAM)5.0版本，设计了控制试验。试验的基本构思为：在保持热带太平洋增暖型不变的情况下，改变其SST强迫场的年际变化强度，比较分析在SST增暖型相同而年际变化强度不同的情况下，热带太平洋气候会有怎样的变化。

1.1 SST现在气候态

试验中要以SST作为强迫场，本文选用哈德来中心海冰以及海表面温度(Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature，HadISST)1850—2010年的气候态海温场作为大气的强迫场，数据分辨率为1.9°×2.5°。

1.2 SST增暖型

试验选用通用气候系统模式(The Community Climate System Model，CCSM)第四版本rcp8.5试验2081—2100阶段的SST平均态与historical试验1986—2005阶段的SST平均态之差作为试验的增暖型(见图2)。在热带太平洋，赤道东部增暖明显，西部增暖幅度略弱。这种赤道东太平洋增暖强赤道西太平洋增暖较弱的SST增暖分布特征我们称之为类厄尔尼诺增暖型。

图2 CCSM4模式rcp8.5试验的2081—2100年SST(℃)平均态与historical试验1986—2005年SST平均态之差，即热带太平洋的增暖型

1.3 SST年际变化

试验将HadISST数据中1979—2005年SST与其平均值之差，也就是SST的距平作为1倍的SST年际变化，其气候平均态加上2倍SST距平即为2倍强度的SST年际变化。

试验中，本文固定全球SST增暖型保持不变，定量改变SST年际变化强度。这里共设计6个实验，分别将相同SST年际变化强度的现在和未来气候态下的两个实验分为一组，共3组(见表1)。三组试验模式积分时间段皆为1979—2005年，在未来气候态的试验中我们对该时间段的热带太平洋SST叠加了类厄尔尼诺的增暖型。在第一组试验中，选取HadISST中1979—2005年的海温年平均值作为现在的全球SST的气候平均态(Climatology)，通过SST现在气候平均态加上SST增暖型(Warming Pattern)，得到全球SST未来的气候平均态(Climatology + Warming Pattern)，分别将现在和未来的两个SST气候平均态作为强迫场，通过模式模拟得到这两个SST气候平均态扰动下的大气变量场，在这组试验中SST年际变化强度为零。第二组试验中，在现在和未来气候平均态的基础上分别加上1倍的SST距平(Anomalies)场作为强迫场，通过模式模拟得到现在和未来的大气场变量，这组试验中SST的年际变化强度为1倍。在第三组试验中，在现在和未来SST气候平均态的基础上加上2倍的SST距平(2×Anomalies)场，通过模式模拟得到现在和未来的大气场变量，这组试验中SST的年际变化强度为2倍。为比较不同SST年际变化强度下未来与现在大气气候态之差的不同，本文用每组实验得到的未来气候态的大气变量减去现在气候态下的大气变量，将其气候态的变化进行对比。另外试验水平方向上分辨率设置为1.9°×2.5°(“f19_f19”)，垂直方向为30层的σ坐标系。

表1 试验介绍Table 1 Experiment Settings

注：Climatology代表1979—2005年SST气候平均态；Warming Pattern代表SST增暖型；Anomalies代表1979—2005年间SST的距平。Climatology represents SST mean state during 1979-2005; Warming Pattern represents the SST warming pattern in tropical Pacific Ocean; Anomalies represents the SST anomalies from 1979 to 2005.

根据以上的试验设计，三组试验现在的气候和全球变暖后的气候态海温分别是相同的，所不同的仅仅是海温的年际变化振幅(无年际变化、1倍观测的年际变化振幅以及2倍观测的年际变化振幅)。因此在不同试验中大气场未来变化的差异，可以认为是海温年际变化强度差异对未来气候预估的影响。

2 试验结果分析

为了检验CAM5的模拟能力，本文首先考察3组试验对热带太平洋气候态降水与风场的模拟情况。将三组试验现在气候态(1979—2005)下热带太平洋降水与风场的空间分布特征与NCEP/NCAR再分析数据进行对比(见图3)，可以发现三组试验的气候态模拟与观测基本相似，但仍有细微的差别。与观测值相比，三组试验中热带太平洋在ITCZ附近以及海洋大陆区域降水较多，部分区域降水可达到10 mm/d以上；赤道太平洋上空东风偏强，说明模式中沃克环流强度强于观测中的强度。

((a)气候态SST强迫；(b)1倍年际变化SST强迫；(c)2倍年际变化SST强迫；(d)NCEP/NCAR。填色为降水(mm/d)，箭头为925 hPa风场(m/s)。(a) SST mean state forcing experiment；(b)1×SST Anomalies forcing experiment；(c)2×SST Anomalies forcing experiment；(d)NCEP/NCAR reanalyzes data.Precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s).)

图3 再分析资料下热带太平洋降水场以及风场在1979—2005年气候平均态的空间分布
Fig.3 The precipitation mean state over tropical Pacific Ocean from 1979 to 2005

2.1 热带太平洋未来与现在气候平均态的变化

为了比较全球变暖后不同SST年际变化强度对热带太平洋气候态降水以及风场变化的影响，本文将SST气候态强迫、1倍SST年际变化强迫以及2倍SST年际变化强迫三组试验中的未来气候平均态减去现在试验气候平均态，得到全球变暖后不同SST年际变化强度下热带太平洋气候变化的空间分布特征(见图4)。在SST气候态强迫的试验中，全球变暖后热带太平洋赤道附近降水增加明显，西侧降水增加幅度较强，而东侧较弱，降水增加的最大值位于暖池区域160°E附近，降水变化有明显的东西不对称现象；在风场上，赤道太平洋上空风场有向暖池区域降水增加最大值160°E附近辐合的特点。随着SST年际变化强度的增加(见图4(b))，赤道太平洋西侧暖池区域降水的增加量减少，而赤道太平洋东侧冷舌区域降水的增加，同时向暖池区域辐合的风场风力也有所减弱。当SST年际变化增加到2倍时(见图4(c))，赤道降水变化的东西不对称现象基本消失，赤道东太平洋向暖池区域辐合的东风分量也逐渐减弱。也就是说，随着SST年际变化强度的增强，赤道太平洋气候态下降水变化的东西不对称性减弱，向暖池区域辐合的风场变化减弱。

为了更直观地比较不同SST年际变化强度下，全球变暖后赤道太平洋降水气候态的变化，本文对三组试验中赤道太平洋(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W)的降水变化做纬向平均(见图5)。在无SST年际变化试验中(蓝色线)，全球变暖后赤道太平洋西侧暖池区域降水增强明显，降水增强的最大值位于160°E附近，增加量为2.5 mm/d；而赤道东太平洋150°W～100°W冷舌附近降水增加幅度较弱，其增加量仅为0.6 mm/d，东西降水变化量的差值在1.9 mm/d左右，赤道太平洋降水气候态变化的东西不对称性明显。与无SST年际变化试验相比，1倍SST年际变化强度试验中(绿色线)全球变暖后赤道太平洋西部降水增加量减小，赤道太平洋东部降水变化量增加，赤道太平洋降水气候态变化的东西不对称性减弱。当SST年际变化强度达到2倍时(黄色线)，赤道太平洋西部降水增加量减少至2.2 mm/d，比无SST年际变化时减少了0.3 mm/d；赤道太平洋东部降水增加至1.5 mm/d,比无SST年际变化时增加了0.9 mm/d，赤道太平洋降水气候态变化的东西不对称特征减弱的现象更加明显。也就是说，随着SST年际变化强度的增大，全球变暖后赤道太平洋降水气候态变化东西不对称的分布特征在减弱。这与在图3中看到的降水变化的空间分布特征相同。

(填色为降水(mm/d)，箭头为925 hPa风场(m/s)。Precipitation color(Shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s).)

图4 气候态SST强迫(a) 1倍年际变化SST强迫(b)
2倍年际变化SST强迫(c)试验中变暖后热带太平洋降水与风场未来与现在气候态之差的空间分布

Fig.4 The differences of precipitation between future and present mean state over tropical Pacific Ocean in (a) SST mean state forcing experiment (b)1×SST Anomalies forcing experiment (c)2×SST Anomalies forcing experiment

图5 三组试验中赤道太平洋降水未来与现在气候态之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W区域纬向平均Fig.5 The differences of zonal precipitation between future and present mean state over tropical Pacific Ocean(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W) in three experiments

分别将1倍SST年际变化强迫、2倍SST年际变化强迫与SST气候态强迫下全球变暖后热带太平洋降水与风场的变化做差(见图6)，可以看出，与使用气候态SST强迫的大气试验相比，在1倍SST年际变化强迫试验中，赤道太平洋西部降水的变化明显减弱，而赤道太平洋东部的降水变化有所增加，风场表现出向暖池区域辐散的特征。并且该现象在2倍SST年际变化强度减掉无SST年际变化强度的空间分布中更为明显(见图6(b))。这进一步证实了，随着SST年际变化强度的增加，全球变暖后赤道太平洋降水变化量西多东少的不对称特征减弱，同时由赤道向外辐散的风场的强度也更加明显，意味着Walker流强度减弱。

2.2 不同季节热带太平洋未来与现在气候平均态的变化

为了进一步分析SST年际变化强度不同造成的全球变暖后热带太平洋降水和风场变化差异，本文分别对四个季节的热带太平洋气候态降水以及风场的变化进行了对比分析。从图7可以看出，随着SST年际变化强度的增强，全球变暖后热带太平洋四个季节降水与风场变化的空间分布也出现不同的变化特征。在春季，降水变化沿赤道方向并没有表现出东西不对称的特点，并且三组试验中降水与风场变化随SST年际变化强度增强而出现的改变并不明显。在夏季与秋季，虽然在沿赤道方向降水变化有东西不对称的现象，但随着SST年际变化强度的增强，赤道太平洋降水与风场变化也没有出现明显的改变。而冬季三组试验的结果则有明显差异：在气候态SST强迫的试验中(见图7(j))，全球变暖后赤道太平洋的降水变化有明显的西侧增加多东侧增加少的不对称特征，降水增加量的最大值在160°E以东的暖池区域；随着SST年际变化强度的增加，赤道太平洋降水增加的最大值逐渐向东扩展，在1倍SST年际变化强迫下(见图7(k))，降水变化的最大值移动到160°E～160°W之间的区域，当SST年际变化强度达到2倍时(见图7(j))，降水变化最大值的区域进一步扩展，从暖池一直延伸至赤道太平洋120°W冷舌区域附近，降水变化沿赤道东西不对称的现象基本消失，并且向暖池区域辐合的风场变化减弱，这与年平均下赤道太平洋降水与风场气候态变化随SST年际变化强度增强而改变的特征相吻合。这说明，年平均状态下随着SST年际变化强度增强赤道太平洋降水与风场变化的改变，主要是由冬季降水与风场变化随SST年际变化强度改变的不同特征引起的。

(填色为降水(mm/d)，箭头为925 hPa风场(m/s)。Precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind (Vectors; m/s).)

图6 1倍SST年际变化试验的大气未来与现在气候态之差(a)、2倍SST年际变化试验的大气未来与现在气候态之差(b)与SST气候态试验下的大气未来与现在气候态之差分别做差得到的热带太平洋降水与风场的空间分布特征
Fig.6 The differences of the precipitation space distribution between (a) the atmospheric change in 1×SST Anomalies forcing experiment after warming and the atmospheric change in SST mean state forcing experiment after warming (b) the atmospheric change in 1×SST Anomalies forcing experiment after warming and the atmospheric change in SST mean state forcing experiment after warming over the Tropical Pacific Ocean

(填色为降水(mm/d)，箭头为925 hPa风场(m/s)。Precipitation(Color shaded;mm/d)and 925 hpa wind(Vectors;m/s).)图7 气候态SST强迫试验、1倍年际变化SST强迫试验与2倍年际变化SST试验分别对应的(a)、(b)、(c)春季(d)、(e)、(f)夏季(g)、(h)、(i)秋季和(j)、(k)、(l)冬季热带太平洋降水与风场未来与现在气候态之差的空间分布特征。

图8 三组试验(a)春季、(b)夏季、(c)秋季和(d)冬季赤道太平洋未来与现在气候态降水之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W区域纬向平均

为了进一步分析这一现象，本文对全球变暖后不同SST年际变化强度下，赤道太平洋春夏秋冬四个季节的降水变化做了纬向平均(见图8)。发现随着赤道太平洋SST年际变化强度的增强，在春季赤道太平洋西侧降水变化略微减少东侧降水变化略微增加，但东西降水变化的不对称现象并不明显。而在夏季与秋季，随着SST年际变化强度的增加，赤道太平洋东部降水的增加量有所增强，但在西部降水变化没有明显的改变。在夏、秋季 SST年际变化强度增加后，赤道太平洋降水变化的东西不对称现象依然明显。

在冬季，无SST年际变化强度的情况下(蓝色线)，赤道西太平洋160°E附近降水增加达到2.0 mm/d以上，而在赤道东太平洋160°W～120°W区域降水增加量则在0.5 mm/d左右，降水变化东部与西部相差4倍，赤道太平洋降水变化存在明显的东西不对称分布特征。当SST年际变化强度增加到1倍时(绿色线)，赤道西太平洋160°E附近降水变化减少，而东太平洋冷舌区域降水变化增加，虽然赤道太平洋降水变化仍然存在西多东少的不对称现象，但与无SST年际变化的情况相比，降水变化的东西不对称特征明显减弱。随着SST年际变化强度进一步的增加，当年际变化强度达到2倍时，赤道西太平洋的降水虽然变化不大，仍然维持在2 mm/d附近，但赤道东太平洋170°W～140°W区域降水变化同样增至2 mm/d。可以明显地看出SST年际变化强度达到2倍时，赤道太平洋东西降水变化量基本达到一致，东西降水不对称现象消失。因此本文得出结论，当SST年际变化强度增强时，春季与冬季赤道太平洋西侧的降水变化逐渐减弱，冬季赤道太平洋东侧的降水变化逐渐增强。这进一步证实了全球变暖后赤道太平洋年平均降水变化随SST年际变化强度而改变的特征主要受冬季降水变化的影响。

尽管本文对比了不同SST年际变化强度下全球变暖后热带太平洋降水以及风场变化的空间分布特征，发现随着SST年际变化强度的增加其降水变化的东西不对称分布特征减弱，向暖池区域辐合的风场同时减弱，但并不能确定该现象出现的原因。在进一步的分析中发现，在四个季节中冬季赤道太平洋降水变化的特征在年平均的变化特征中占主要的位置，而冬季正是太平洋最主要的年际变化信号ENSO发生的季节，另外，SST年际变化强度的改变对热带太平洋最直接的影响就是ENSO振幅随之改变，因此我们推断这一现象可能与ENSO有关。

2.3 ENSO强度差异对全球变暖下热带太平洋大气变化的影响和机制

在热带太平洋ENSO是最为主要的年际变化信号，试验中本文改变了SST年际变化的强度，也就是改变了ENSO的振幅。在上一节的分析中发现，在全球变暖后随着SST年际变化强度的增强，赤道太平洋降水变化东西不对称分布现象减弱的特征主要出现在冬季，而冬季一般是ENSO的强盛季节。在热带太平洋ENSO是最为主要的年际变化信号，试验中作者改变了SST年际变化的强度，也就是改变了ENSO的振幅，因此本文考虑是否由于ENSO强度的改变从而导致赤道太平洋降水变化出现东西不对称性减弱的现象。

本文将三组试验1979—2005年中厄尔尼诺年(1980、1983、1987、1988、1992、1995、1998、2003、2005)、拉尼娜年(1984、1985、1986、1989、1996、1999、2000、2001)以及既没有发生厄尔尼诺又没有发生拉尼娜的中性年(1981、1982、1990、1991、1993、1994、1997、2002、2004)冬季(12、1、2月)降水以及风场变化平均态的空间分布特征进行分析比较(见图9)。在无SST年际变化强迫试验中，所有年份的海温场均为气候态海温，为了与1倍以及2倍SST年际变化强度的情况做对比，在该实验中也挑选了1979—2005年间实际观测中发生厄尔尼诺、拉尼娜以及中性年的年份进行合成比较。由于其所有年份的SST都相同，因此全球变暖后赤道太平洋厄尔尼诺年、拉尼娜年以及中性年的降水与风场变化基本相同，降水都在暖池区域有明显的增加，而赤道中部与东部太平洋的冷舌区域降水几乎没有变化，赤道太平洋降水变化的东西不对称现象明显；风场变化主要为偏东风，向暖池区域辐合，其降水与风场的细微差别主要是由于模式中大气的内部变率造成的。随着SST年际变化振幅的增加，全球变暖后厄尔尼诺年、拉尼娜年和中性年的赤道太平洋降水与风场变化出现了不同的空间特征。在厄尔尼诺年，在1倍SST 年际变化试验中(见图9(b))，虽然降水增加的最大值依然位于赤道太平洋西部的暖池区域，但可以明显看出赤道东太平洋降水变化有所增加。随着SST年际变化强度进一步增强，在2倍SST年际变化强迫试验中(见图9(c))，赤道太平洋降水变化的中心东移至赤道太平洋中部160°W附近，东西降水变化的不对称现象基本消失。总的来视频在厄尔尼诺年，随着SST年际变化强度的增强，降水变化的东西不对称性在逐渐消失，风场变化也在随着降水变化中心的移动而向东辐合。然而在拉尼娜年以及中性年，赤道太平洋无SST年际变化与1倍以及2倍SST年际变化强度情况下全球变暖后的降水与风场变化的空间分布基本类似，都存在西部降水多东部降水少的东西不对称现象以及向暖池区域辐合的风场。这说明全球变暖下降水与风场的变化在厄尔尼诺年和拉尼娜年存在不对称性。在不同SST年际变化强度下，这种不对称性的作用有所不同，导致了赤道太平洋降水与风场变化的空间分布特征有所差异。

(填色为降水(mm/d)，箭头为925 hPa风场(m/s)。Precipitation(Color shaded;mm/d)and 925 hpa wind(Vectors;m/s).)图9 气候态SST强迫试验、1倍年际变化SST强迫试验与2倍年际变化SST试验分别对应的(a)、(b)、(c)厄尔尼诺年、(d)、(e)、(f)拉尼娜年与(g)、(h)、(i)中性年冬季(DJF)热带太平洋未来与现在降水与风场之差的空间分布。Fig.9 The differences of the precipitation(Color shaded; mm/d) and 925 hPa wind(Vectors; m/s) between future and present mean state in SST mean state forcing experiment，1×SST Anomalies forcing experiment and 2×SST Anomalies forcing experiment in (a)、(b)、(c) El Nio years (d)、(e)、(f) La Nia years and (g)、(h)、(i) normal years respectively over Tropical Pacific Ocean during winter

通过对比赤道太平洋(2.8°S～2.8°N平均)厄尔尼诺年、强厄尔尼诺年(1983和1998年)拉尼娜年以及中性年冬季降水变化的纬向平均图(见图10)，可进一步的发现，在赤道太平洋无SST年际变化的试验中(蓝色线)，在实际观测中发生厄尔尼诺事件、强厄尔尼诺事件、拉尼娜事件以及中性事件的年份其纬向平均的降水变化特征相似，都是在暖池区域降水增加明显，增加量大约在2.5 mm/d，而冷舌区域降水增加较少，增加量仅为0.5 mm/d左右，降水变化沿赤道方向有明显的东西不对称现象。在1倍SST年际变化强迫试验中，在厄尔尼诺年赤道东太平洋冷舌区域的降水有明显的增加，降水变化增加量的最大值东移，赤道太平洋东西不对称的降水变化分布特征减弱；而在强厄尔尼诺年赤道太平洋降水变化东西不对称的现象已经完全消失。在SST年际变化强度增加至2倍时(黄色线)，厄尔尼诺年赤道太平洋降水中心已经移至太平洋中部偏东海区，并且该区域的降水增长量已经超过5 mm/d，赤道太平洋降水的东西不对称现象完全消失；此时在强厄尔尼诺年赤道太平洋降水增加量最大值东移至150°W，其量值达到10 mm/d，其降水变化已经出现微弱的西多东少的现象。而在拉尼娜年与中性年，随着SST年际变化强度的增加，赤道太平洋降水变化的空间分布与无SST年际变化的情况相比并没有显著的改变，沿赤道方向降水变化东西不对称依然明显。这进一步证实了上面图9中的发现，并且可以看出与普通厄尔尼诺年相比，在强厄尔尼诺年中降水变化对SST年际变化强度的响应也更加明显。

通过比较不同SST年际变化强迫下现在气候态与未来气候态冬季厄尔尼诺年、拉尼娜年与中性年Nio3区平均的SST与降水散点图(见图11)也可以发现类似特征：在SST气候态强迫下赤道东太平洋在变暖前与变暖后其降水量相差不大。当SST年际变化强度为1倍时(见图11(b))，无论是在变暖前还是变暖后都可以看出赤道东太平洋降水对厄尔尼诺年与拉尼娜年响应的不对称性，但是变暖后(红色点)比变暖前(蓝色点)其不对称性更加明显。另外可以看出，在两个超强厄尔尼诺年(1983和1998年)，这种差异尤为显著。并且这一现象在2倍SST年际变化强迫的试验中被进一步放大。

ENSO的大气响应具有显著的非对称性特征[14]。在厄尔尼诺事件发生时，东太平洋海温升高，会造成海温超过对流阈值而产生局地的降水正异常。而对于拉尼娜事件，由于东太平洋的气候态海温较低，降水信号很弱，因此海温的负异常在这里无法产生显著的降水负异常。这种非对称性是造成厄尔尼诺年与拉尼娜年和中性年相比，热带太平洋降水和风场对全球变暖响应不同的主要原因。全球变暖后，在厄尔尼诺年赤道东太平洋正的降水平均态变化有所增加，而拉尼娜年并没有产生与厄尔尼诺年量值相同的负的降水平均态变化，因此在总的气候平均态下赤道东太平洋降水增多。随着SST年际变化强度的增强，这种非对称性的效果越来越明显：全球变暖后赤道东太平洋的降水总量越来越多，并且随着赤道东太平洋降水变化的增加，原本向暖池区域辐合的风场变化逐渐变为向赤道中东部辐合，沃克环流强度逐渐减弱。

图10 三组试验(a)厄尔尼诺年、(b)强厄尔尼诺年、(c)拉尼娜年与(d)中性年冬季(12、1、2月)赤道太平洋现在与未来降水之差在2.8°S～2.8°N,110°E～80°W区域纬向平均Fig.10 The differences of the zonal precipitation between future and present mean state in three experiments in (a) El Nio years、(b)strong El Nio years 、(c) La Nia years and (d) normal years respectively over tropical Pacific Ocean(2.8°S～2.8°N,110°E～80°W) during winter

图11 (a)气候态SST强迫试验、(b)1倍年际变化SST强迫试验与(c)2倍年际变化SST强迫试验中现在(蓝点)与未来(红点)26年冬季(DJF)Nio3区域平均的SST与降水散点图Fig.11 The scatter plot of precipitation(mm/d) and SST(℃) regional mean at Nio3 area during winter in present(Blue dots) and future(Red dots) 26 years in (a) SST mean state forcing experiment (b)1×SST Anomalies forcing experiment (c)2×SST Anomalies forcing experiment

3 结语

通过数值试验我们发现，在全球变暖后随着SST年际变化强度的增强，热带太平洋赤道降水变化西多东少的不对称性减弱，向暖池区域辐合的风场变化强度减弱。而造成这一现象的主要原因是，热带太平洋降水与风场的变化在厄尔尼诺年对SST年际变化信号有明显的响应，而在拉尼娜年与中性年没有明显变化。这凸显了ENSO的非线性特征对未来气候变化的重要影响，对未来其气候预测具有一定的指导意义。