论文总字数：18625字
目 录
1.引言 3
2.资料与方法 5
2.1资料与指数 5
2.1.1实验数据 5
2.1.2 AMO指数 5
2.1.3 MDV峰值年份频率指数 5
2.2 EEMD分解方法和多年代际变率 5
3.结果与讨论 7
3.1二十世纪四十年代第一次增温的基本特征 7
3.1.1北半球近百年气温距平序列 7
3.1.2 20世纪第一次增暖与近二十几年增温比较 7
3.2第一次增暖过程MDV的峰值发生年份 8
3.3通过AMO来研究MDV 11
4.结论 13
5.目前存在的问题 13
参考文献 14
致谢 17
二十世纪四十年代全球偏暖特征
及其与大洋涛动的联系
童宣
, China
Abstract：Currently, global warming has become a major global concern, global temperature series emerge warming trend. Since the 20th century, the global temperature has experienced two significant warming process, occurred in the 1920s-1940s and the since late 1970s to nowadays respectively. The warming process during the early 20th century is different from the recent and it may reflect more internal climate variability characteristics, so analyzing temporal characteristics of the early warming process from the point of muti-decadal variability. This paper utilize ensemble empirical mode decomposition (EEMD) method to obtain the MDV component from the decomposition of global temperature anomaly sequence, by researching the temporal distribution of the MDV peak, this paper find out that the worldwide MDV peak occurred during 1930-1950s, the high latitudes of the Northern Hemisphere occurred earlier, and the MDV contribution to temperature changes in long-term is higher. Atlantic Multi-decadal Oscillation (AMO) plays an important role in the MDV on the North Atlantic, especially in coastal areas of eastern North America-North Atlantic-Western Europe, the Pacific Basin and the Eastern China, where the contribution of AMO to the MDV is more than 0.5.
Key word：The first warming in the 20th century; EEMD; Temporal distribution of MDV; AMO
1.引言
当前，全球变暖在国际社会中引起重大关注。在过去几十年中气候系统的变化甚至在近数千年中都是史无前例的，几乎所有地区都经历了增温过程。变暖过程主要表现在地球表面气温上升、海平面上升、格林兰地区与南极等地区冰盖面积消融和冰川退缩、极端事件发生频率的增加等方面。近百年来全球表面温度都在不断升温，1880-2012期间全球地表平均温度已上升了0.85℃[0.65-1.06℃]，在过去几十年中，年代际的地表温度增幅是高于十九世纪五十年代以来任何时期。就北半球气温而言，1983-2012年也许是最近千年以来气温记录最高的30年、21世纪的第一个10年是最暖的10年[1]。近几十年来中国大部分地区气候呈显著增暖趋势[2]，1909-2010期间，中国平均地表温度上升了1.5℃，这些事实都揭示了全球在不断变暖，以气温持续升高为显著特征的气候系统的变化将对自然生态与人类社会产生重大影响[3]。因此，对中国以及全球气温进行深入研究，对社会以及自然生态有着重要的作用。20世纪至今全球平均气温纪录一共经历了两次较为显著的增暖过程，一次发生于20世纪20年代—40年代中，北半球平均气温在第一次增暖过程中相较于前20年增温0.393℃；另一次从70年代后期开始，至今仍在持续，近二十年北半球平均气温相较前20年增温0.604℃。研究表明自然因素以及内部变率对20世纪早期增暖作用显著，20世纪后期变暖主要的温室气体导致的[4]。二十世纪早期增暖过程是距离我们最近的一次完整的暖期过程，深入研究此次暖期过程的一些特征，对认识过去的气候变化、形成的原因，以及对预测我们目前所处暖期的气候趋势有所裨益。值得注意的是，年平均气温的世纪观测值曲线呈现出此起彼伏的波动特征，其中包含了不同时间尺度的变化包括年际变化和多年代际变化。搞清年代际以及多年代际气温波动的分布特点是探索气候变化成因及预估未来气候变化的重要基础，想要进行较好的年代际气候预测，就要弄清低频气候变量在年代际气候中的作用[7]。年代际气候变化可以影响全球气温变化[9~12]，比如二十世纪四十年代前后一些地区的相对暖期[5]和近10多年的增暖减缓期[6]，就是年代际气候波动所致，模拟试验也表明主要是太阳辐射引起了20世纪早期变暖，内部变率对第一次增暖亦有贡献[7,8]。研究指出上个世纪全球平均地表气温序列呈现的变暖趋势中叠加了多年代际变率（MDV），Jianping Li[13]等人对数据经过处理后发现20世纪北半球平均地表温度序列中存在着比较明显的多年代际波动，曾昭美等人也指出在20世纪的两次增暖中两次冷、暖过程都间隔了数十年，造成这样的原因可能是气候中的多年代变率[14]。这些事实与近百年来单调增加的CO2浓度趋势有着明显的不同，由此可见，在20世纪的第一次增暖中，气候中的多年代际变率有着不容忽视的作用。最近Wu ZH，Huang NE等人[15]指出全球平均地表气温序列由一个非线性的变暖趋势和一个约65年周期的数十年振荡组成，指出二十世纪末全球平均变暖趋势的贡献MDV可达三分之一。L. H. Gao，Z. W. Yan等人[16]利用自适应的时空局部分析方法即集合经验模分解（EEMD）[17,18]，从年平均气温的实际观测序列中提取出长期趋势（ST）和多年代变率（MDV），通过从时间序列中提取出MDV分量进行分析指出自上个世纪以来，在全球绝大多数地区MDV对长期温度变化的贡献率达到30%，在北美、东亚、北欧、北非和英格兰等地贡献率可达50%。这些研究成果都证明了MDV在全球变暖趋势和全球平均地表温度中有着重要的影响。因此，通过深入研究MDV来了解中国以及全球气温长期变化趋势是有益的。
目前对于气候系统MDV的成因主要两类解释思路：一类认为年代际变率是源于太阳活动、火山活动等外强迫，并从气象要素中找出与外强迫相一致的波动周期；另外有许多研究着眼于年代际变率的内部因子。不少模拟与观测结果表明在海-气系统中不同的时间尺度的气候要素、物理过程之间进行的相互作用会造成气候系统中年代际、多年代际等低频气候波动，这是海-气系统中自振荡的结果，也提出了许多可能导致海气气候系统系统中年代际低频振荡的动力学机制[19]。江志红等人的研究[19]中指出形成年代际变率的机制主要有五种：（1）热带海洋的强迫作用产生年代际变率；（2）温盐环流产生年代际变率；（3）中纬度地区海气之间的相互作用产生年代际变率；（4）热带到中纬度地区的气候系统之间相互作用产生年代际变率；（5）海气之间的随机强迫产生年代际变率。在本篇论文中主要考虑海洋强迫对长期气温序列的影响。Gao L. H.，Yan Z. W. [16]文章指出在大多数地区MDV，海洋强迫对其贡献多达百分之四十以上。对于海洋强迫，研究指出海洋上的振荡通过大气环流和温盐环流来影响陆面气候[16,20]。Delworth[21]等人提出了Delworth机制：通过温盐环流（THC）与水平涡旋产生年代际等低频气候振荡。Timmermann[22]等人通过模拟试验也提出了温盐环流产生年代际变率的一种机制，即当温盐环流增强，将增强向北输送的热量，北大西洋的SST表现为正距平，相应的大气响应使得NAO加强，纽芬兰海以及格林兰海等地区淡水通量出现异常以及埃克曼（Ekman）输送随之减弱、海水盐度出现下降以及对流减弱，导致温盐环流减弱以及向北输送的热量随之减弱，北大西洋海表温度表现为负温度距平，有利于海洋中对流产生，这相应使得温盐环流（THC）强度再一次加强，上述过程便构成了一个循环过程，这样的过程包含了年代际的时间尺度。对于中纬度大西洋地区海气相互作用主要涉及到副热带涡旋以及北大西洋涛动（NAO）[19]。
在海洋年代际振荡中，北大西洋年代际振荡（AMO）[23]和北太平洋涛动（PDO）[24]对中国以及全球气温序列中MDV有着重要的作用[25,26]，AMO是发生在北大西洋地区，具有海盆尺度及多年代时间尺度海表温度的异常变化，具有65-80年周期，在北半球大范围地区冷暖相位交替的变化。许多显著区域的多年代际气候变化与AMO有关，比如巴西东北部和非洲地区的降水、大西洋地区飓风、中纬度地区气候等[26]。无论是对观测资料研究还是通过数值模式模拟得到的结果，都揭示了AMO对北半球温度序列中多年代际变率有着重要的影响：Jianping Li等人研究[13]指出就年代际尺度而言，去趋势后的北半球地表气温序列和AMO序列在相位上高度相关，对于AMO和去趋势后北半球地表气温序列11点滑动平均前相关系数已达0.7，在11点滑动平均后相关系数可达0.9；Knight指出北半球气温序列的冷暖相位与温带北大西洋地区近乎同期发生，Sutton R T[13,26,27]利用模式试验证明了AMO是区域尺度以及全球尺度多年代际变率的一个重要强迫。本文将聚焦于1940年代相对高温现象，着重分析AMO对全球气温序列MDV的影响。
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