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1 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 : 864 ~ earth.scichina.com 中国科学 杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 论文 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 李双林 1* 12 1, 井元元, 罗菲菲 1 中国科学院大气物理研究所, 北京 ; 2 河北省气候中心, 石家庄 * shuanglin.li@mail.iap.ac.cn 收稿日期 : ; 接受日期 : ; 网络版发表日期 : 国家自然科学基金项目 ( 批准号 : , ) 和中国科学院战略性先导科技专项项目 ( 编号 : XDA ) 资助 摘要最近的一个器测资料分析显示, 东亚气温超前大西洋年代际振荡 (AMO)5~7 年时, 而不是同期或 AMO 稍微领先东亚气温时, 二者正相关最大. 这一新结果对此前的认识 AMO 对东亚气温年代际变化具有显著影响 提出了异议. 因为大气对海洋的响应是快过程, AMO 对东亚气温具有显著影响意味着同期或 AMO 稍微领先东亚气温时, 二者正相关最高. 考虑到器测资料序列可能包含工业革命以来人类活动的影响信号, 这一新结果是否也存在于工业革命前的代用资料序列中, 从而很大程度上反映了自然气候系统内部的真实联系, 是一个需要回答的问题. 本文利用近 500 年来的多个重建资料序列, 结合国际耦合模式相互比较计划第 5 阶段 (CMIP5) 给定工业革命前强迫的参照试验数据, 对这一问题进行了分析研究. 结果显示 : 东亚气温超前 AMO 变化这一现象也存在于小冰期后半期 (1500AD~ 1860AD), 因此可能是自然气候系统中的一种真实联系. 本文结果对 AMO 与东亚气候的联系可能提出了新认知. 关键词 AMO 中国气温超前滞后相关重建资料 大西洋年代际振荡 (AMO) 是指北大西洋海盆尺度海温具有多年代周期的冷暖位相交替变化的现象, 其形成与大西洋经向翻转流 (AMOC) 有关, 主要反映 AMOC 的一种自然变率 (Delworth 和 Mann, 2000; Zhang 和 Delworth, 2005; Sutton 和 Hodson, 2005, 2007; Ting 等, 2011). AMOC 对维持全球气候系统能量平衡起着重要作用 (Yu 等, 2009; 李双林等, 2009). 模式和观测研究表明, AMO 对全球许多地区的气候具有重要影响. 例如, 它影响北美和欧洲夏季气温和降水 (Sutton 和 Hodson, 2005) 大西洋飓风(Goldenberg 等, 2001; McCabe 等, 2004; Zhang 和 Delworth, 2006) 非洲萨赫尔降水 (Zhang 和 Delworth, 2006) 巴西东北部春季降水 (Folland 等, 2001; Knight 等, 2006) 以及南亚 (Lu 等, 2006; Li 等, 2008; Wang 等, 2009; Luo 等, 2011) 和东亚 (Lu 和 Dong, 2008; Yu 等, 2009) 夏季降水等. AMO 是否对东亚气温具有显著影响是一个值得研究的问题. Li 等 (2007) 通过观测分析和多个大气模 中文引用格式 : 李双林, 井元元, 罗菲菲 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系. 中国科学 : 地球科学, 45: 英文引用格式 : Li S L, Jing Y Y, Luo F F The potential connection between China surface air temperature and the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) in the Pre-industrial Period. Science China: Earth Sciences, doi: /s

2 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 式试验发现, 正位相 AMO 对应中国整体冬季气温偏高, 并导致冬季风减弱. 在后续工作中, 进一步发现 AMO 对气温的增暖影响在一年四季均存在 (Wang 等, 2009). 基于 AMO 对东亚气温具有显著影响并解释了大部分年代际变化方差, 考虑 AMO 的准周期性, 我们还利用简单外推预测了东亚气温的年代际变化 ( 李双林等, 2009; 罗菲菲和李双林, 2014). 此外, Wang 等 (2013a, 2013b) 利用树轮及重建气温资料, 发现在过去一千年里 AMO 与青藏高原东南部, 甚至我国大部分地区的气温变化一致. 这些结果说明了在年代际尺度上 AMO 与东亚气温存在关联. 这种联系在更长时间尺度上也有反映. 例如, 程军等 (2010) 利用耦合模式的长期积分结果, 分析发现在百年尺度上 AMOC 与中国气温关系密切. Sun 等 (2012) 利用黄土高原颗粒资料和耦合模式模拟发现, 在千年尺度上 AMOC 与冬季风强度存在反相关关系. 然而, Li 等 (2013) 对上述 AMO 对东亚气温具有显著影响的观点提出了异议. 他们利用近 100 多年器测资料, 分析发现 : 东亚气温与 AMO 之间的正相关不是二者同期最大, 而是当东亚气温超前 AMO5~7 年时最大. 考虑大气对海温强迫的响应过程是快过程, 作为北大西洋海盆尺度海温强迫的 AMO, 如果对东亚气温具有显著影响的话, 那么它与东亚气温的相关应为同期最大, 或东亚气温略微滞后 AMO 时最大. 于是, 不难推论 : 若器测资料中东亚气温超前 AMO 的现象是自然气候系统中的真实联系, 那么以前得到的 AMO 对东亚气温具有显著影响的结论将可能不再成立. 反之, 若东亚气温超前 AMO 这一现象不是自然气候系统中的真实联系, 则存在两种可能性 : 一是器测资料序列太短. 因为器测序列只有 100 多年, 只能涵盖 AMO 的一个半周期左右, 如此短的序列不足以揭示自然气候系统中东亚气温与 AMO 的真实联系. 二是在该时段内自然气候系统受人类活动温室气体等外强迫因素干扰, 使得东亚气温与 AMO 的真实联系被掩盖. 这说明有必要用更长的序列 更多的数据源, 分析 AMO 与东亚气温的超前 - 滞后关系. 为此, 本文将使用多套时间长度约为 500 年的重建资料, 结合国际耦合模式相互比较计划第 5 阶段 (CMIP5) 给定工业革命前强迫的参照试验数据, 对这一问题进行深入分析. 1 数据和方法 1.1 重建序列 所使用的中国区域重建气温序列包括如下 : (1) Yi 等 (2011) 在历史文献记录的基础上, 结合树轮资料, 重建的 1470AD~2002AD 中国中北部地区 (108 ~ 115 E, 33 ~41 N) 夏季 (6~8 月 ) 逐年气温指数序列, 记为 NCCST ; (2) Shi 等 (2012) 依据树轮 冰芯及历史记录等多种代用资料, 重建的 1000AD~1996AD 中国西部 (70 ~105 E, 25 ~45 N) 及两套全国逐年气温异常序列, 分别记为 WCT, Shi_Eiv 和 Shi_Cps ; (3) Yang 等 (2013) 基于树轮和冰芯等代用资料, 重建的 1500AD~1995AD 秦岭西部地区 (102 ~105 E, 33 ~ 35 N) 逐年气温异常序列, 记为 WQLT ; (4) Ge 等 (2003) 在植物历史记录的基础上, 结合部分地区下雪日数等记录, 重建的中国中东部长江和黄河中下游之间冬半年 (10~4 月 ) 气温异常序列, 记为 ECCWHT. 图 1 4 套重建气温序列所涵盖的区域 (a) 以及器测资料 AMO 指数与重建 AMO 指数的对比 (b) 图 (a) 中点线小黑框为中国中北部 (NCC) 地区, 标示 1 的实线小方框为秦岭西部地区 (WQL), 实线大黑框为中国西部 (WC) 地区, 长江中下游与黄河之间的地区为中国中东部 (ECC). 阴影为近 100 年器测资料 ( 基于 CRU T3.1 数据 ) 中年均气温对实测 AMO 指数的回归, 计算时已进行了去趋势处理 ; (b) 实线为 Mann 等 (2009) 的重建结果 (AMO_Mann), 点 - 虚线为 Gray 等 (2004) 的重建结果 (AMO_Gray), 虚线为器测 AMO 指数 (AMO_inst) 865

3 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 ECCWHT 时段为 1505AD~1995AD, 分辨率相比前 4 套粗, 为 10 年 ; (5) Ge 等 (2013) 利用多指标, 重建的两套中国地区平均温度序列, 分辨率为 10 年, 分别记为 Ge_Pls 和 Ge_Pc. 图 1(a) 显示了这 5 套重建气温序列所代表的区域. 这些资料所反映的季节并不相同, 有的是年平均, 有的是夏季或冬季的平均, 但由于与 AMO 变化相联系的东亚气温异常的季节性差异不大 (Wang 等, 2009; Li 和 Luo, 2013), 所以这些资料可以用于本文的分析. 此外, 对前面 3 套逐年序列, 在分析前首先进行了 11 年滑动平均, 以突出其年代际尺度信号. 值得指出的是, Yang 等 (2002) 还利用多指标, 重建了 3 套分辨率为 10 年的中国地区平均温度序列, 但由于没有反映出器测资料时段中东亚气温与 AMO 的超前滞后关系, 故本文没有使用. 我们使用了可获得的两套 AMO 重建指数序列, 它们分别来源于 Mann 等 (2009) 和 Gray 等 (2004). 前者是基于树轮 石笋和河流水文记录等多种代用资料重建的逐年序列, 时间跨度为 500AD~2006AD, 简记为 AMO_Mann. 后者是基于树轮重建的, 也为逐年序列, 时间跨度为 1572AD~1985AD, 简记为 AMO_ Gray. 为了对这两套资料的频谱特征有个大概的了解, 我们使用 Morlet 小波, 分析比较了它们的能量分布, 发现二者很相似, 主要的周期均在 80 年左右, 均不存在显著的年际尺度信号 ( 图 2). 因为后面将要分析火山喷发对 AMO 与东亚气温联系的可能影响, 需要用到火山强迫资料. 所用的是全球平均火山资料, 来源于政府间气候变化专门委员会第 4 次评估报告 (IPCC AR4) 古气候模拟数据库 图 2 两套重建 AMO 指数序列的小波谱 (a) AMO_Mann; (b) AMO_Gray. 粗黑线区域通过 90% 信度检验 866

4 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 (Crowley, 2000). 1.2 器测资料器测气温资料来源于英国东英吉利大学气候研究中心 (CRU) 的逐月陆地表面气温 (CRU TS_3.1) (Mitchell 等, 2004; Mitchell 和 Jones, 2005), 该资料空间分辨率为 , 时段为 1901 年 1 月至 2009 年 12 月. 考虑到与 AMO 有关的气温异常在东亚区域表现出一致性的变化 ( 图 1(a)), 我们参考 Wang 等 (2009), 定义与 AMO 相关最显著区域 (22.5 ~45 N, 100 ~ 125 E) 的气温平均作为器测东亚气温指数 (EATs). 器测 AMO 指数 ( 简记为 AMO_inst ) 是基于器测时段 (1860~2006) 海温 (SST) 计算的. 计算方法同以前 ( 例如 : Li 和 Bates, 2007), 是去趋势后年代际 SST 分量异常在北大西洋区域的平均. 所用的器测 SST 来源于 NOAA 最优插值 SST 数据集. 关于资料的数据源, 重建 AMO 指数 重建的气温序列及 IPCC AR4 中全球平均的火山强迫等下载于网站 ( 器测气温资料源自网站 ( timm/grid). 器测 AMO 指数下载于网站 ( esrl.noaa.gov/psd/gcos_wgsp/timeseries/amo/). 1.3 模式资料模式数据来自政府间气候变化专门委员会第 5 次评估报告 (IPCC AR5) 国际耦合模式相互比较计划第 5 阶段 (CMIP5) 试验, 主要使用的是给定工业革命前固定强迫的参照试验 ( 即 Pre-industrial Control 试验 ) 数据. 对单个模式而言, 该数据集至少有 500 年以上的积分 (Taylor 等, 2012). 由于该数据与现在所关注的工业革命前时段对应, 因此适合本文的比较分析. 本文使用了我们能得到的 24 个气候系统模式数据, 有关这些模式请参见此前的研究 ( 罗菲菲和李双林, 2014). 1.4 方法文中所使用的主要工具为线性回归和相关分析. 本文关注的是年代际尺度, 因为在年代际尺度上相邻的几年气温变化并不独立, 用年分辨率资料计算相关时存在一个有效自由度的问题. 基本前人的研究 (Pyper 和 Peterman, 1998; Li 等, 2012; Li 等, 2013), 有效自由度 Neff 由下式近似给出 : N N j XX ( j) YY ( j), Neff N N N j 1 (1) 式中, N 为样本总量 ( 年数 ), XX (j) 和 YY (j) 是时间序列 X 和 Y 在滞后 j 时刻的自相关. 2 重建资料可靠性的初步检查为对重建序列 ( 气温与 AMO) 的质量有个初步的认识, 我们从 3 个方面进行了分析检验. (1) 考虑我国气温的变化表现出全国区域的大致一致性, 分析了在器测时段区域重建气温序列与器测中国区域平均气温指数 (EATs) 的相关, 以了解重建气温序列的可靠性. (2) 计算了重建的 AMO 指数与基于器测 SST 计算的 AMO 指数在器测资料时段的相关性, 以了解重建 AMO 指数序列的可靠性. (3) 考虑到器测中国区域气温指数 (EATs) 与 AMO_inst 之间存在一定的超前滞后最大相关, 我们通过计算重建 AMO 指数 (AMO_ Mann 和 AMO_Gray) 与器测气温 (EATs) 的超前滞后相关 及重建 AMO 指数序列与重建气温指数序列 (NCCST, WQLT, ECCWHT 和 WCT 等 ) 的超前滞后相关, 来认识重建序列在器测时段对器测 AMO 与器测东亚气温之间联系的再现能力. 从其在最近 100 多年来 ( 即 1906 年至重建序列的最近年份 ) 与器测东亚气温指数 (EATs) 的相关 ( 表 1 第 2 列 ) 可以看到, 尽管存在一定差异, 器测气温序列与区域重建气温序列 (NCCST, WQLT, ECCWHT 和 WCT) 和全国重建气温 (Shi_Cps, Shi_Eiv, Ge_Pls 和 Ge_Pc) 均表现出显著的正相关. 这种一致性与我国区域年平均气温变率的优势模态在全区为一致型相吻合. 相比较而言, 重建区域气温中的 WQLT 和 NCCST 与 EATs 的相关高于其他两个序列 (ECCWHT 和 WCT). 这点是可以理解的, 因为 EATs 定义的区域 ( 图 1(a)) 刚好涵盖 WQLT 和 NCCST 这两个序列所代表的区域. ECCWHT 不仅分辨率较粗 (10 年 ), 而且能对应 EATs 所涵盖区域范围的值有限. WCT 包含了计算 EATs 所用区域以外的区域, 也不能完全反映 EATs 的变化. 但无论如何这些正相关结果说明, 重建气温序列在近 100 多年来确实反映了器测气温的主要演变特征. 考虑到重建方法在整个序列时段是一致的, 于是有理由认为重建气温在缺乏器测资料的工业革命 867

5 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 CC EATs 1906~ a) 表 1 重建气温与器测东亚气温指数 EATs 及重建 AMO 指数之间的相关 AMO_Mann AMO_Gray 1572AD ~1860AD 1860AD~ 1572 AD~1860AD 1860AD~ NCCST 0.74 (Neff=5 0.67) 0.08 (Neff= ) 0.38 (Neff=8 0.55) 0.05 (Neff= ) 0.28 (Neff=6 0.62) WQLT 0.81 (Neff=5 0.67) 0.42 (Neff= ) 0.40 (Neff=7 0.58) 0.22 (Neff= ) 0.33 (Neff= ) ECCWHT 0.43 (Neff=9 0.52) 0.02 (Neff= ) 0.05 (Neff= ) 0.14 (Neff= ) 0.07 (Neff= ) WCT 0.55 (Neff=6 0.62) 0.46 (Neff= ) 0.53 (Neff=9 0.52) 0.27 (Neff= ) 0.50 (Neff=9 0.52) Shi_Cps 0.85 (Neff=3 0.81) 0.08 (Neff= ) 0.66 (Neff=3 0.81) 0.40 (Neff=10 0.5) 0.73 (Neff=3 0.81) Shi_Eiv 0.88 (Neff=4 0.73) 0.29 (Neff= ) 0.59 (Neff=4 0.73) 0.15 (Neff= ) 0.54 (Neff=4 0.73) Ge_PLS 0.78 (Neff=9 0.52) 0.11 (Neff= ) 0.47 (Neff= ) 0.13 (Neff= ) 0.42 (Neff=9 0.52) Ge_Pc 0.82 (Neff=9 0.52) 0.12 (Neff= ) 0.50 (Neff= ) 0.05 (Neff= ) 0.42 (Neff=9 0.52) AMO_inst 0.54 (Neff=4 0.73) 0.88 (Neff=4 0.72) 0.86 (Neff=5 0.67) a) 与 AMO 指数的相关分两段分别计算. 通过 90% 显著性检验的用粗体 ; 仅通过 80%, 但未通过 90% 显著性用粗斜体标示. 每个相关系数后的括号内同时给出了有效自由度 (Neff) 及通过 90% 显著性检验所对应的相关系数阈值 前也有一定可信度. 从器测资料时段重建的 AMO 指数与器测 AMO 指数 (AMO_inst) 演变比较来看 ( 图 1(b)), 两个重建 AMO 指数 (AMO_Mann 和 AMO_Gray) 均与 AMO_inst 很接近, 它们之间的相关系数分别为 0.88 和 0.86( 图 1, 表 1). 结合图 2 所给出的两个重建 AMO 指数序列的频谱分布, 可认为重建 AMO 指数在一定程度上重现了 AMO_inst 的特征. 在计算重建 AMO 指数与器测气温的超前滞后相关之前, 为便于比较, 我们首先重复了以前的分析 (Li 和 Luo, 2013), 计算了 AMO_inst 与器测东亚气温指数 (EATs) 之间的超前滞后联系. 从图 3(a) 可以看到, 当 EATs 超前 AMO_inst 10 年左右时, 二者存在显著的正相关 ( 这里及以下的相关显著性检验均依据各时间段当前的有效自由度, 具体见表 2). 特别地, 当超前 7 年时, 二者正相关值达最大 (0.79). 当 AMO_ inst 超前 EATs 20~30 年时, 二者存在显著负相关 ( 低于 0.7). 当超前 26 年时, 二者负相关达最强 ( 0.95). 这表明, 尽管大小有些差异, 但 Li 等 (2013) 得到的东亚气温超前 AMO 几年变化还是存在的. 在器测时段, 与 AMO_inst 相类似, 重建的 AMO 指数与器测气温 EATs 也存在超前滞后联系. 对 AMO_Mann 而言, 滞后 EATs 3 年时, 相关达最显著 (0.78). 对 AMO_Gray 而言, 滞后 EATs 9 年时相关达最显著 (0.74). 从图 3(a) 中重建 AMO 指数与 EATs 的演变比较, 可以直观地看出这种相关性. 从不同区域重建的气温指数与器测 AMO 重建 AMO 的比较来看 ( 图 3(b)~(e)), AMO_inst 滞后 NCCST 15 年时正相关达最大显著 (0.73)( 图 3(b), 实线 ). 这与 EATs 超前 AMO_inst 相类似, 体现出了最近 100 多年来器测时段中气温超前的关系. 两个重建的 AMO 指数序列 (AMO_Mann, 虚线 ; AMO_Gray, 点 - 虚线 ) 与重建气温存在类似联系. 当 NCCST 超前 AMO_Mann 14 年时, 正相关最大 (0.66). 相比 NCCST, WQLT 超前 AMO 的变化更清楚 ( 图 3(c); 表 1 第 2 列 ). 图 3(c) 中两曲线的演变与图 3(a) 相一致也直观地说明这点. 图 3(d) 给出了 AMO_inst, AMO_Mann 和 AMO_ Gray 与 ECCWHT 的相关, 可以看到类似的气温超前关系 : 当 AMO_inst 滞后 20 年时, 二者正相关最大 (0.42); 而对于 AMO_Mann 而言, 滞后 10 年时正相关最大 (0.36). 对于 AMO_Gray 而言, 滞后 11 年时正相关最大 (0.48). 图 2(e) 给出了器测与重建 AMO 指数与代表我国大区域西部地区气温的指数序列 (WCT) 的超前 - 滞后相关. 可以看到, 其与器测资料和区域重建气温相一致, 一定程度上体现出了气温超前 AMO 的关系. 从重建的全国气温指数与器测 AMO 重建 AMO 的比较来看 ( 图 3(f)~(i)), AMO_inst 滞后 Shi_Cps 9 年时正相关达最大 (0.84)( 图 3(f), 实线 ). 两个重建的 AMO 指数序列 (AMO_Mann, 虚线 ; AMO_Gray, 点 - 虚线 ) 均滞后 Shi_Cps 6 年时正相关最显著 (0.81 和 0.83). 类似地, 从 Shi_eiv 演变上 ( 图 3(g)) 也看到了气温超前的 868

6 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 图 ~2006 年 AMO 指数与器测东亚气温 EATs 及不同重建气温指数的超前 - 滞后相关 横坐标为正值时表示气温超前 a) 表 ~2006 年期间器测气温指数 (EATs) 重建气温超前器测 AMO 指数和重建 AMO 指数的最大相关 CC AMO_inst AMO_Mann AMO_Gray EATs 0.79 (7 a) (Neff=4 0.73) 0.78 (3 a) (Neff=5 0.67) 0.74 (9 a) (Neff=4 0.73) NCCST 0.73 (15 a) (Neff=6 0.62) 0.66 (14 a) (Neff=7 0.58) 0.84 (13 a) (Neff=6 0.62) WQLT 0.64 (10 a) (Neff=6 0.62) 0.60 (11 a) (Neff=7 0.58) 0.72 (9 a) (Neff=7 0.58) ECCWHT 0.63 (20 a) (Neff= ) 0.36 (10 a) (Neff= ) 0.48 (11 a) (Neff= ) WCT 0.61 (8 a) (Neff=7 0.58) 0.60 (3 a) (Neff=8 0.55) 0.50 (0 a) (Neff=9 0.52) Shi_Cps 0.84 (9 a) (Neff=3 0.81) 0.81 (6 a) (Neff=3 0.81) 0.83 (6 a) (Neff=3 0.81) Shi_Eiv 0.92 (11 a) (Neff=3 0.81) 0.77 (7 a) (Neff=4 0.73) 0.83 (10 a) (Neff=3 0.81) Ge_Pls 0.59 (11 a) (Neff=8 0.55) 0.51 (10 a) (Neff=9 0.52) 0.50 ( 1 a) (Neff=8 0.55) Ge_Pc 0.81 (13 a) (Neff=8 0.55) 0.77 (10 a) (Neff=9 0.52) 0.74 (14 a) (Neff=7 0.58) a) 括号内给出了超前的年数, 计算相关序列的有效自由度, 及对应该自由度通过 90% 显著性检验的相关系数阈值. 通过 90% 显著性检验的用粗体 ; 仅通过 80%, 但未通过 90% 显著性用粗斜体标示 关系. 图 3(h) 和 (i) 给出了类似的结果, 重建的 10 年分辨率全国气温 (Ge_Pls 和 Ge_Pc) 仍体现除了气温超前的关系. 总之, 通过对全国和几个区域重建气温与 AMO 指数的超前 - 滞后相关关系的分析, 结合表 1( 第 2 列 ) 的相关值, 可以推断 : 重建资料在一定程度上再现了器测资料中的特征. 869

7 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 3 工业革命前 (1500AD~1860AD)AMO 与东亚气温的联系 3.1 同期相关表 1( 第 3~6 列 ) 给出了重建 AMO 指数 (AMO_Mann 和 AMO_Gray) 与 4 个区域及全国气温重建序列在 1500AD~1860AD 期间的同期相关. 尽管值大小有差异, 但多为正值, 体现出与器测资料分析结果和多模式试验结果的一致性 (Li 和 Bates, 2007; Wang 等, 2009). 相比而言, 两个重建 AMO 指数与 NCCST 的同期相关明显小于和 WQLT, WCT 及全国重建气温的相关, 这点与器测资料时段 AMO 与我国西部气温的相关要高于东部相一致 (Wang 等, 2009). 这表明 AMO 与我国气温的联系存在东 西差异, 与西部的正相关比与东部高, 工业革命以来的器测资料中如此, 在工业革命前的重建资料中也依然如此. 3.2 超前 - 滞后关系图 4 给出了工业革命前 (1500AD~1860AD)AMO_ Mann 与重建温度的超前 - 滞后关系. 从图 4(a) 不难看到, NCCST 超前 AMO_Mann 15 年时, 二者正相关最大 ( 相关系数 0.24), 且基本上是显著的 ( 表 3). 图 4(b) 呈现出了秦岭西部气温 (WQLT) 超前 AMO_Mann 的关系. 当 WQLT 超前 AMO_Mann 6 年时, 二者正相关最大 (0.30). 而对 10 年分辨率的 ECCWHT 而言, 其与 AMO_Mann 的超前 - 滞后相关也体现了气温超前 AMO 的关系. 图 4(c) 中 ECCWHT 超前 AMO_Mann13~ 25 年时, 二者相关最大 (0.57). 图 4(d) 给出了 WCT 与 AMO_Mann 的超前 - 滞后相关. 可以看到, WCT 超前 AMO_Mann 1 年时二者正相关达最大 (0.40). 此外, 从重建的全国气温看, Shi_Cps 超前 AMO_Mann 22 年 ( 图 4(e)), 二者正相关最大 (0.14). Shi_Eiv 超前 AMO_ 图 ~1860 年重建 AMO_Mann 指数与不同重建气温指数之间的超前 - 滞后相关 横坐标为正值时表示气温超前 870

8 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 表 3 a) 1500AD~1860AD 期间重建区域气温指数超前于重建 AMO_Mann 的最大相关系数 NCCST WQLT ECCWHT WCT 0.24 (15 a) (Neff= ) 0.30 (6 a) (Neff= ) 0.53 (13 a) (Neff= ) 0.40 (1 a) (Neff= ) Shi_Cps Shi_Eiv Ge_Pls Ge_Pc 0.14 (22 a) (Neff= ) 0.31 (4 a) (Neff= ) 0.17 (1 a) (Neff= ) 0.11 (12 a) (Neff= ) a) 括号内给出了超前的年数, 计算相关序列的有效自由度, 及对应该自由度通过 90% 显著性检验的相关系数阈值. 通过 90% 显著 性检验的用粗体, 仅通过 80%, 但未通过 90% 显著性用粗斜体标示 Mann 4 年 ( 图 4(f)), 二者正相关最大 (0.31). Ge_Pls 及 Ge_Pc 也部分体现出了气温超前 AMO_Mann 的关系 ( 图 4(g) 和 (h)). 总的来说, 工业革命前时段 (1500AD~ 1860AD) 重建的我国东部 西部及全国气温资料均体现出了当气温超前 AMO_Mann 大约 10 年左右时, 二者正相关达最大. 这说明气温超前于 AMO 的关系不仅仅存在于工业革命以来的器测资料中, 在之前依然存在. 上面是基于 AMO_Mann 的计算结果. 从图 1(b) 可以看到, 在 1720AD~1860AD 时段, AMO_Mann 和 AMO_ Gray 位相较为一致, 而之前差异较大. 考虑到它们是彼此独立的资料, 于是, 我们进而分析它们在彼此一致的时段 (1720AD~1860AD) 与东亚气温的相关. 图 5 给出了 1720AD~1860AD 期间 AMO_Mann 和 AMO_Gray 分别与重建气温 NCCST, WQLT, ECCWHT, WCT, Shi_Cps, Shi_Eiv, Ge_Pls 和 Ge_Pc 之间的超前 - 滞后相关. 不难看到, 存在明显的 NCCST 超前 AMO 的关系 ( 图 5(a))( 显著性检验见表 4). 特别地, 当 NCCST 超前 AMO_Gray 和 AMO_Mann11 年时, 正相关最大 ( 相关系数分别为 0.27 和 0.39). 而 WQLT 图 ~1860 年期间重建 AMO 指数与不同重建气温指数之间的超前 - 滞后相关 871

9 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 a) 表 ~1860 年期间重建气温指数超前重建 AMO 指数 (AMO_Mann, AMO_Gray) 的最大相关系数 CC AMO_Mann AMO_Gray NCCST 0.39 (11 a) (Neff= ) 0.27 (11 a) (Neff= ) WQLT 0.67 (7 a) (Neff= ) 0.38 (7 a) (Neff= ) ECCWHT 0.80 (11 a) (Neff= ) 0.90 (11 a) (Neff= ) WCT 0.48 (2 a) (Neff=9 0.52) 0.32 (0 a) (Neff= ) Shi_Cps 0.04 (9 a) (Neff=6 0.62) 0.06 (12 a) (Neff=4 0.73) Shi_Eiv 0.43 (7 a) (Neff=6 0.62) 0.22 (2 a) (Neff=6 0.62) Ge_Pls 0.66 (1 a) (Neff= ) 0.73 (2 a) (Neff= ) Ge_Pc 0.67 (1 a) (Neff= ) 0.66 (3 a) (Neff= ) a) 括号内给出了超前的年数, 计算相关序列的有效自由度, 及对应该自由度通过 90% 显著性检验的相关系数阈值. 通过 90% 显著性检验的用粗体, 仅通过 80%, 但未通过 90% 显著性用粗斜体标示 超前 AMO 指数 (AMO_Mann 和 AMO_Gray)7 年时 ( 图 5(b)) 正相关最显著 ( 相关系数分别为 0.67 和 0.38), ECCWT 也与 NCCST 及 WQLT 一致 ( 图 5(c)), 体现出了气温超前 AMO 的结果. WCT 超前 AMO_Mann 2 年时 ( 图 5(d)) 正相关最大 (0.48), 该结果是基本显著的. 至于几个重建全国气温序列, 除 Shi_Cps( 图 5(e)) 外, 其他序列仍体现出了气温超前的结果 ( 图 5(f)~(h)), 而且是显著的 ( 表 4 最后 3 行 ). 于是, 总的来看, 在 1720AD~1860AD 时段, 重建的中国东部 西部地区及全国温度均体现出了超前 AMO 的关系. 4 东亚气温超前 AMO 变化的可能机制前面的分析表明, 东亚气温超前 AMO 几年而领先于 AMO 变化在近 500 年来一直存在, 因此可能是自然气候系统的一个内在特征. 到底是什么物理过程导致这一联系无疑是一个值得探讨的问题. 由于代用或器测资料序列长度有限, 不能或只能获得很少的海气观测量, 这一问题难以找到答案. 但 CMIP5 多个耦合模式数据给定工业革命前强迫的试验数据集为我们带来了希望, 因为这些模式都是自然气候系统的数学物理表达. 因此, 我们对 CMIP5 工业革命前强迫模拟试验的 AMO 和东亚气温的联系进行了分析. 图 6 给出了可得到的 24 个模式各自模拟的 EATs 与模拟的 AMO 间的超前滞后关系. 更具体的最大相关及滞后时间和显著性检验见表 5. 不难看到, 有 18 个模式表现出了 EATs 超前 AMO 几年时二者正相关最大 ( 其中 14 个模式通过了显著性检验 ), 仅有 4 个模式结果显著不一致. 说明大多数模式抓住了自然气 候系统中东亚气温与 AMO 之间的联系, 这为利用这些模式数据分析背后的物理机制奠定了基础. 图 7 给出了器测及单个模式 MPI-ESM-P 模拟的同期及滞后东亚气温 1~4 年的陆地和海洋表面气温演变比较. 从 SST 的演变可以看到 AMO 的变化特征. 不难看到, 在东亚气温最大暖异常出现后, 北大西洋 SST 表现出海盆一致暖异常, 并逐渐增强. 与前面得到的东亚超前 AMO 几年时二者正相关最大一致. 此外, 在北印度洋和热带中东太平洋也存在显著的暖异常, 与以前结果 在自然气候系统中, 暖 ( 冷 ) 的东亚气温往往与暖 ( 冷 ) 的印度洋及暖 ( 冷 ) 中东太平洋相联系 一致 ( 例如 : Li 和 Luo, 2013). 印度洋和热带中东太平洋可能对几年后 AMO 的增强起着作用. 这是因为 : 一方面, 暖 ( 冷 ) 的印度洋会使得非洲北部地区低层产生反气旋 ( 气旋 ), 随后热带大西洋低层则易于出现偏南风 ( 偏北风 ) 异常 (Hoerling 等, 2006), 这将增强 ( 减弱 )AMOC, 使得 AMO 位相转正 ( 负 ). 另一方面, 暖的热带中东太平洋将增强阿留申低压并使其向东移动 (Niebauer, 1998), 这将增强自白令海峡向北太平洋的淡水输送. 由于补偿原理, 减少北冰洋向北大西洋的淡水输送, 从而有利于增强 AMOC, 形成随后正位相的 AMO(Hu 等, 2012). 图 8 给出了相应的 SLP 异常的演变. 可以看到, 在东亚暖异常出现后的几年里, 在北太平洋有 SLP 负异常, 将增强阿留申低压. 在北非和热带北大西洋有正的 SLP 异常, 对应的反气旋将有利于 AMOC 增强. 此外, 在北非到热带大西洋存在高压异常, 而在高纬度地区有低压异常. 导致的气压梯度将有利形成偏北的 Ekman 流, 从而增强 AMOC 的表层流. 这说明, 872

10 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 图 6 CMIP5 的 24 个模式中 EATs 与 AMO 的超前滞后关系 横坐标为正值时表示气温超前 热带大气与海洋之间的相互作用 热带外海气相互作用引起的两大洋之间的淡水补偿均可能导致东亚气温超前于 AMO 变化. 5 讨论与小结最近的一个器测资料分析显示, 东亚气温超前大西洋年代际振荡 (AMO)5~7 年时, 二者正相关最大. 这一新结果对此前的认识 AMO 对东亚气温年代际变化具有显著影响 提出了异议, 因为大气对海洋的响应是快过程, AMO 对东亚气温具有显著影响意味着二者同期或 AMO 稍微领先东亚气温时相关最高. 考虑到器测资料时段人类活动的显著影响, 东亚气温超前 AMO 这一现象是否是自然气候系统受到 人类活动强迫而引起的特有现象, 抑或是自然气候系统的普遍现象, 是一个需要回答的问题. 本文使用了涵盖最近 500 年的 5 套重建的我国不同区域气温指数 两套重建的 AMO 指数等代用资料序列, 结合 CMIP5 多模式给定工业革命前强迫的参照试验数据, 分析了工业革命前 ( 人类活动影响小 )AMO 与东亚气温的超前滞后相关, 以对该问题的回答提供一些启示. 首先, 我们对代用资料的可靠性进行了初步的检验分析. 发现这些代用资料在工业革命以来的时段, 不仅能反映器测资料中气温的演变特征和区域之间联系, 而且也能反映器测时段气温与 AMO 的同期及超前滞后联系. 基于重建过程在时间上的前后一致性, 我们判断这些代用序列在工业革命前也是 873

11 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 a) 表 5 给定工业革命前强迫 24 个 CMIP5 耦合模式参照试验模拟的 AMO 与东亚气温的超前滞后相关 模式 EATS 超前 AMO 最大相关及年数有效自由度及阈值 (a) ACCESS (2 a) Neff=17 (0.39) (b) ACCESS (2 a) Neff=34 (0.28) (c) CCSM (16 a) Neff=34 (0.28) (d) CESMI(BGC) 0.31 (1 a) Neff=41 (0.26) (e) CESMI(CAM5) 0.40 (6 a) Neff=20 (0.36) (f) CNRM-CM (1 a) Neff=44 (0.25) (g) CFDL-ESM2G 0.50 (1 a) Neff=29 (0.30) (h) GISS-E2-H 0.30 (4 a) Neff=34 (0.28) (i) GISS-E2-R 0.59 (7 a) Neff=24 (0.33) (j) INM-CM (7 a) Neff=31 (0.29) (k) IPSL-CM5A-MR 0.46 (1 a) Neff=18 (0.38) (l) MPI-ESM-LR 0.40 (2 a) Neff=66 (0.20) (m) MPI-ESM-P 0.44 (4 a) Neff=78 (0.19) (n) MRI-CGCM (6 a) Neff=39 (0.27) (o) BCC-CSM (3 a) Neff=45 (0.24) (p) CSIRO-MK (7 a) Neff=31 (0.29) (q) CESM1(FAST Chem) 0.34 (9 a) Neff=15 (0.41) (r) HadGEM2-CC 0.27 (5 a) Neff=12 (0.46) (s) FIO-ESM 0.16 (0 a) Neff=58 (0.21) (t) BCC-CSM1.1(m) 0.33 ( 1 a) Neff=38 (0.26) (u) CESM1(WACCM) 0.21 ( 11 a) Neff=17 (0.39) (v) IPSL-CM5A-LR 0.27 ( 1 a) Neff=78 (0.18) (w) IPSL-CM5B-LR 0.47 ( 4 a) Neff=22 (0.34) (x) NorESM1-ME 0.31 ( 1 a) Neff=22 (0.34) a) 模式名字中粗体字表示相关通过了显著性检验. 同前面, Neff 表示有效自由度 可信的. 随之, 对工业革命前 AMO 重建序列与中国区域气温重建序列的同期及超前 - 滞后关系进行了分析. 发现 : 东亚气温超前 AMO 变化这一现象也存在于工业革命前. 此外, 依然存在 AMO 与东部气温的同期相关值小, 而与西部相关大, 即 AMO 与我国气温的联系存在东 西差异, 与 Wang 等 (2009) 器测资料分析看到的一致. 随后, 我们分析了给定工业革命前强迫的 24 个 CMIP5 模式的参照试验模拟结果, 发现其中 14 个模式显著模拟出了 AMO 超前中国气温几年的联系. 进而, 我们以其中的一个模式作为例子, 通过与器测资料的对比, 探讨了背后的物理机制. 提出热带大气与海洋之间的相互作用 热带外海气相互作用引起的两大洋之间的淡水补偿, 均可能导致东亚气温超前于 AMO 变化. 具体来说, 一方面, 在自然气候系统中, 暖 ( 冷 ) 的东亚气温往往与暖 ( 冷 ) 的印度洋相联系 (Li 和 Luo, 2013), 暖 ( 冷 ) 的印度洋会使得非洲 北部地区低层产生反气旋 ( 气旋 ), 随后热带大西洋低层则易于出现偏南风 ( 偏北风 ) 异常 (Hoerling 等, 2006), 这将增强 ( 减弱 )AMOC, 使得 AMO 增强 ( 减弱 ). 另一方面, 暖的东亚往往对应热带中东太平洋的暖 SST 异常和增强并向东移动的阿留申低压 (Niebauer, 1998), 这将增强自白令海峡向北太平洋的淡水输送. 由于补偿原理, 减少北冰洋向北大西洋的淡水输送, 从而有利于增强 AMOC, 形成随后正位相的 AMO(Hu 等, 2012). 在工业革命前后均存在中国气温超前 AMO 变化这一现象, 这引发人们关于其可能是气候系统本身内部变率的猜想. 该问题的回答对我们认识历史气候的形成及未来气候的年代际预测 / 预估都是十分重要的. 考虑到火山喷发对气候具有显著影响, 我们分析了近 500 年来火山喷发对东亚气温 -AMO 联系的可能影响. 图 9 对比了重建东亚气温序列 重建 AMO 指 874

12 中国科学: 地球科学 图 年 第 45 卷 第6期 器测及模式 MPI-ESM-P 模拟的同期及滞后东亚气温 1~5 年的表面气温和 SST 演变比较 单位:. 海温资料为 HadISST, 陆面气温资料为 CRU 3.0 版 数(AMO_Mann)及火山强迫的演变. 首先可以看到, 变化这一现象的存在与人类强迫(温室气体) 火山活 在 1650AD~1700AD 与 1700AD~1750AD 火 山 活 动 存 动等外部因素影响关系不大, 因而是自然气候系统 在 明 显 差 异. 其 次, 在 前 一 阶 段 的 1690 年 左 右, 中的一个内在联系. 这一结果对此前的认识 AMO_Mann存在一峰值(图9(c)), 此时气温峰值超前 AMO对东亚气温年代际变化具有显著影响 提出 于AMO_Mann(图9(a)和(b)). 在后一阶段的1740年左 了异议. 右, AMO_Mann存在一较大谷值时, 而在此之前的几 最后, 值得指出的是, 本文提出的东亚气温超前 年 存 在 一 气 温 谷 值, 即 气 温 也 超 前 于 AMO_Mann. AMO变化的物理机制中不少过程还仅限于猜测, 有 这说明, 无论火山活动是否活跃, 均存在中国气温超 关其中更具体的过程, 特别是AMOC的变化, 还需要 前AMO_Mann的变化. 结合前面以1860AD为界分段 借助全球复杂海洋模式试验进行深入分析, 这将是 的超前滞后分析结果, 可以认为: AMO超前中国气温 我们下一步的工作. 875

13 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 图 8 器测及模式 MPI-ESM-P 模拟的同期及滞后东亚气温 1~5 年的 SLP 和 SST 演变比较 阴影表示通过 95% 显著性检验的区域. 等值线间隔 : 0.05 hpa. 黑色粗实线是用 1010 hpa 闭合等值线表示的气候平均阿留申低压位置 图 AD~2006AD 间重建的温度 AMO 指数和火山强迫的时间序列对比 876

14 中国科学 : 地球科学 2015 年第 45 卷第 6 期 致谢 中国科学院大气物理研究所王会军院士 姜大膀研究员和中国科学院地质与地球物理研究所谭明研究员对本文提出了建设性的建议, 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所杨保研究员课题组提供了部分资料, 谨此一并致谢. 参考文献程军, 郭品文, 陈中笑 温盐环流在百年尺度上影响中国气候的一个数值模拟证据. 科学通报, 55: 李双林, 王彦明, 郜永祺 北大西洋年代际振荡 (AMO) 气候影响的研究评述. 大气科学学报, 23: 罗菲菲, 李双林 动力统计相结合的未来 30 年东亚气温年代际预测. 中国科学 : 地球科学, 45: 402 Crowley T J Causes of climate change over the past 1000 years. Science, 289: Delworth T L, Mann M E Observed and simulated multidecadal variability in the Northern Hemisphere. Clim Dyn, 16: Folland C K, Colman A W, Rowell D P, et al Predictability of northeast Brazil rainfall and real-time forecast skill, J Clim, 14: Ge Q S, Fang X Q, Zheng J Y, et al Winter half-year temperature reconstruction for the middle and lower reaches of the Yellow River and Yangtze River, China, during the past 2000 years. Holocene, 13: Ge Q, Hao Z, Zheng J, et al Temperature changes over the past 2000 a in China and comparison with the Northern Hemisphere. Clim Past, 9: Goldenberg S B, Landsea C W, Mestas-Nunez A M, et al The recent increase in Atlantic hurricane activity: Causes and implications. Science, 293: Gray S T, Graumlich L J, Betancourt J L, et al A tree-ring based reconstruction of the Atlantic Multidecadal Oscillation since 1567 AD. Geophys Res Lett, 31: L12205, doi: /2004GL Hoerling M, Hurrell J, Eischeid J, et al Detection and attribution of twentieth-century northern and southern African rainfall change. J Clim, 19: Hu A, Meehl G A, Han W, et al The Pacific-Atlantic seesaw and the Bering Strait. Geophys Res Lett, 39: L03702, doi: /2011GL Knight J R, Folland C K, Scaife A A Climate impacts of the Atlantic multidecadal oscillation. Geophys Res Lett, 33: L17706, doi: /2006GL Li J, Sun C, Jin F F NAO implicated as a predictor of Northern Hemisphere mean temperature multidecadal variability. Geophys Res Lett, 40: Li S L, Bates G T Influence of the Atlantic Multidecadal Oscillation on the winter climate of East China. Adv Atmos Sci, 24: Li S L, Luo F F Lead-lag connection of the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) with East Asian surface air temperatures in instrumental records. Atmos Ocn Sci Lett, 6: Li S L, Perlwitz J, Quan X W, et al Modelling the influence of North Atlantic multidecadal warmth on the Indian summer rainfall. Geophys Res Lett, 35: L05804, doi: /2007GL Li Y, Li J P, Feng J A teleconnection between the reduction of rainfall in Southwest Western Australia and North China. J Clim, 25: Lu R Y, Dong B W Response of the Asian summer monsoon to weakening of Atlantic Thermohaline Circulation. Adv Atmos Sci, 25: Lu R Y, Dong B W, Ding H Impact of the Atlantic Multidecadal Oscillation on the Asian summer monsoon. Geophys Res Lett, 33: L24701, doi: /2006GL Luo F F, Li S L, Furevik T The connection between the Atlantic Multidecadal Oscillation and the Indian Summer Monsoon in Bergen Climate Model Version 2.0. J Geophys Res, 116: D19117, doi: /2011JD Mann M E, Zhang Z H, Rutherford S, et al Global signatures and dynamical origins of the Little Ice and Medieval Climate Anomaly. Science, 326: McCabe G J, Palecki M A, Betancourt J L Pacific and Atlantic Ocean influences on multi-decadal drought frequency in the United States. Proc Natl Acad Sci, 101: Mitchell T D, Carter T R, Jones P D, et al A comprehensive set of high-resolution grids of monthly climate for Europe and the globe: the observed record( ) and 16 scenarios ( ). Tyndall Cent Clim Change Res Work Paper, 55: 25 MitchellT D, Jones P D An improved method of constructing a database of monthly climate observations and associated high-resolution 877

15 李双林等 : 工业革命前中国气温与大西洋年代际振荡 (AMO) 的可能联系 grids. Int J Climatol, 25: Niebauer H J Variabillity in Bering Sea ice cover as affected by a regime shift in the Pacific in the period J Geophys Res, 103: Pyper B J, Peterman R M Comparison of methods to account for autocorrelation, incorrelation analyses of fish data. Can J Fish Aquat Sci, 55: Shi F, Yang B, Von Gunten L Preliminary multiproxy surface air temperature field reconstruction for China over the past millennium. Sci China Earth Sci, 55: Sun Y B, Clemens S C, Morrill C, et al Influence of Atlantic meridional overturning circulation on the East Asian winter monsoon. Nat Geosci, 5: Sutton R T, Hodson D L R Atlantic Ocean forcing of North American and European summer climate. Science, 309: Sutton R T, Hodson D L R Climate response to basin-scale warming and cooling of the North Atlantic Ocean. J Clim, 20: Taylor K E, Stouffer R J, Meehl G A A overview of CMIP5 and the experiment design. Bull Am Meteorol Soc, 93: Ting M, Kushnir Y, Seager R, et al Robust features of Atlantic multi-decadal variability and its climate impacts. Geophys Res Lett, 38: L17705, doi: /2011GL Wang J, Yang B, Ljungqvist F C, et al. 2013a. The relationship between the Atlantic Multidecadal Oscillation and temperature variability in China during the last millennium. J Quat Sci, 28: Wang J L, Yang B, Qin C, et al. 2013b. Tree-ring inferred annual mean temperature variations on the southeastern Tibetan Plateau during the last millennium and their relationships with the Atlantic Multidecadal Oscillation. Clim Dyn, 43: Wang Y M, Li S L, Luo D H Seasonal response of Asian monsoonal climate to the Atlantic Multidecadal Oscillation. J Geophys Res, 114: D02112, doi: /2008JD Yang B, Bräuning A, Johnson K R, et al General characteristics of temperature variation in China during the last two millennia. Geophys Res Lett, 29: Yang F, Wang N, Shi F, et al Multi-proxy temperature reconstruction from the West Qinling Mountains, China, for the past 500 years. PLOS One, doi: /journal. pone Yi L, Yu H, Ge J, et al Reconstructions of annual summer precipitation and temperature in north-central China since 1470 AD based on drought/flood index and tree-ring records. Clim Change, 110: Yu L, Gao Y Q, Wang H J, et al The responses of East Asian Summer monsoon to the North Atlantic meridional overturning circulation in an enhanced freshwater input simulation. Chin Sci Bull, 54: Zhang R, Delworth T L Simulated tropical response to a substantial weakening of the Atlantic thermohaline circulation. J Clim, 18: Zhang R, Delworth T L Impact of Atlantic oscillations on India/Sahel rainfall and Atlantic hurricanes. Geophys Res Lett, 33: L17712, doi: /2006GL