兩種形態(tài)ENSO對南半球熱帶外氣候變化特征的影響

萬偉杰 張召儒 劉海龍 周朦 鐘貽森

(上海交通大學海洋研究院, 上海 200240)

提要 本研究利用1979—2012年歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)的ORAP5(Ocean Reanalysis Pilot 5)海洋/海冰再分析資料和ERA-Interim氣象再分析資料, 采用回歸分析方法, 分1979—1998年和1999—2012年兩個時間段探討了南半球熱帶外地區(qū)氣候變化對兩種不同形態(tài) ENSO的響應(yīng)特征。結(jié)果表明, 南半球熱帶外區(qū)域氣候在1999年前后兩個時段對ENSO的響應(yīng)表現(xiàn)出了較大的年代際變化特征。1979—1998年南半球熱帶外氣候變量對Ni?o3指數(shù)在時間上的相關(guān)性和空間上的響應(yīng)強度都普遍大于Ni?o4指數(shù), 說明這一時段東部型ENSO對南半球熱帶外區(qū)域氣候變化的影響要更強一些。在1999—2012年, 不同形態(tài)ENSO與氣候變量的相關(guān)性大小并無明顯的規(guī)律, 而且空間響應(yīng)場的差異性并不大。海平面氣壓、風場和氣溫對 ENSO變化的響應(yīng)在南半球冬季表現(xiàn)最為強烈, 在夏季最弱。三者在1999—2012年秋季對Ni?o3指數(shù)和Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)場中出現(xiàn)了緯向三波數(shù)結(jié)構(gòu)。1999—2012年冬季, 有異于海平面氣壓和風場, 在羅斯海和阿蒙森海海域海表氣溫對 Ni?o4變化的正響應(yīng)明顯強于對 Ni?o3的響應(yīng), 該特征在混合層溫度中也有體現(xiàn), 表明海表氣溫隨 ENSO的變化受海洋特征變化影響較大?；旌蠈由疃群突旌蠈訙囟鹊捻憫?yīng)場之間存在很大的相關(guān)性, 混合層溫度響應(yīng)在秋季表現(xiàn)最強, 春季最弱, 混合層深度響應(yīng)與之相反。在1979—1998年, 海冰密集度對不同Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)差異主要出現(xiàn)在海冰結(jié)冰季節(jié), 而海冰厚度對不同Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)差異在夏季表現(xiàn)較強。海冰密集度和厚度對Ni?o3變化響應(yīng)的年代際差異在秋冬季節(jié)更加明顯, 對Ni?o4變化響應(yīng)的年代際差異在秋、冬、春季都較明顯。

0 引言

ENSO作為地球系統(tǒng)中最為重要的一種海氣相互作用現(xiàn)象, 一直以來是影響全球氣候變化的重要氣候模態(tài), 盡管ENSO現(xiàn)象本身局限于熱帶太平洋地區(qū), 但其會以遙相關(guān)的方式間接地影響全球的大氣環(huán)流[1-3]。Alexander等[4]指出, ENSO驅(qū)動的大尺度氣候模態(tài)以氣候橋的方式將熱帶地區(qū)海表溫度異常帶到熱帶以外地區(qū), 進而影響這些地區(qū)的氣候變化特征。南大洋作為連通全球大洋的重要通道和全球重要的碳匯, 其在大洋環(huán)流、氣候變化以及生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方面起著重要的作用, 研究ENSO對包括南大洋在內(nèi)的南半球熱帶外區(qū)域氣候變化的影響, 有利于幫助我們理解ENSO在全球氣候系統(tǒng)中的重要作用。近年來國內(nèi)外學者在ENSO對南半球熱帶外氣候的影響方面做了大量研究。Ciasto和England[5]使用1979—2008年ERA-40和 NCEP再分析資料, 通過分析海氣間熱通量來探究ENSO對南半球熱帶外區(qū)域海表溫度的影響。程彥杰等[6]利用南極半島氣溫多年觀測資料, 發(fā)現(xiàn)氣溫距平和海冰距平的相關(guān)性關(guān)系能夠較好地反映出南極半島氣溫與南極海冰濤動以及 ENSO之間的緊密聯(lián)系。Simpkins等[7]分季節(jié)研究了海冰密集度與ENSO之間的關(guān)系, 指出南極海冰與ENSO之間的聯(lián)系并不是線性的, 季節(jié)和ENSO循環(huán)階段的不同對海冰密集度會產(chǎn)生不同的影響。

ENSO發(fā)生期間最明顯的特征是熱帶太平洋地區(qū)海表溫度出現(xiàn)異常。Rasmusson等[8]發(fā)現(xiàn)典型的厄爾尼諾發(fā)生期間海溫異常出現(xiàn)在赤道太平洋靠近南美洲海岸, 并向西傳播至太平洋中部,后來Wang[9]注意到ENSO發(fā)生期間海溫異常也會先出現(xiàn)在赤道太平洋中部并向東傳播。人們意識到可能有兩種不同形態(tài)的 ENSO存在, 并根據(jù)ENSO發(fā)生的周期、持續(xù)時間和出現(xiàn)區(qū)域的不同將ENSO劃分為不同的類型。Kao和Yu[10]指出,ENSO發(fā)生期間海表溫度異常中心在赤道太平洋中部和赤道太平洋東部的轉(zhuǎn)移, 是劃分不同ENSO形態(tài)的最主要特征。Kug等[11]在研究中根據(jù)厄爾尼諾發(fā)生時海溫異常區(qū)域的不同, 將厄爾尼諾事件分為兩類。把傳統(tǒng)的厄爾尼諾稱為冷舌(cold tongue, CT)厄爾尼諾, 其海溫異常主要出現(xiàn)在 Ni?o3海溫區(qū)。將海溫異常主要出現(xiàn)在 Ni?o4海溫區(qū)的另一類厄爾尼諾稱為暖池(warm pool,WP)厄爾尼諾。Kao等將ENSO劃分為兩種形態(tài),東太平洋型(eastern-Pacific type)ENSO和中太平洋型(central-Pacific type)ENSO, 其中東太平洋型ENSO發(fā)生期間海表溫度異常出現(xiàn)在赤道太平洋東部靠近南美洲海岸, 而中太平洋型 ENSO發(fā)生期間海表溫度異常主要出現(xiàn)在太平洋中部。東太平洋型 ENSO也被稱為典型的 ENSO或冷舌ENSO等, 而中太平洋型 ENSO也被稱為 ENSO Modoki[12]、日界線ENSO或暖池ENSO。雖然不同的研究者對兩類ENSO事件在稱呼上不盡相同,但它們代表的是同一種物理事件。Yeo和Kim[13]注意到, 作為與南半球熱帶外海表溫度變化關(guān)系密切的一種氣候模態(tài), ENSO在1999年前后發(fā)生了很大變化。1980—1998年間表現(xiàn)為傳統(tǒng)的東太平洋海表溫度異常, 而在1999—2010年間表現(xiàn)為中太平洋海表溫度異常。同時, 很多研究也表明,這兩種不同ENSO形態(tài)發(fā)生的頻率和影響全球氣候變化的方式也存在著很大的差異。Li等[14]研究了這兩種類型的ENSO對南太平洋海表溫度的影響, 通過對海平面氣壓和海表風場分析, 指出這兩種ENSO能激發(fā)不同的大氣環(huán)流模態(tài)來影響南太平洋海表溫度變化。并進一步通過對熱通量的分析, 指出海表熱通量能有效地解釋這兩種ENSO形態(tài)與海表溫度變化之間的關(guān)系。Yu等[15]也注意到ENSO形態(tài)在20世紀90年代前后發(fā)生了變化, 并研究了它們對南半球氣候的影響, 指出ENSO對南極氣候的影響取決于ENSO的形態(tài)。

上述研究表明ENSO是影響南半球氣候的重要模態(tài)之一, 20世紀90年代前后ENSO的形態(tài)發(fā)生了變化, 并且不同形態(tài)的 ENSO對南半球氣候變化的作用方式也不同。盡管目前關(guān)于ENSO的研究理論日益成熟, 但是前人在 ENSO對南半球熱帶外氣候變化影響的研究中, 區(qū)分兩種形態(tài) ENSO的研究相對較少; 對于區(qū)分不同 ENSO 形態(tài)的研究, 考察的變量也較多局限于海表溫度和海冰等少數(shù)氣候變量。本文將通過再分析數(shù)據(jù), 分季節(jié)系統(tǒng)探討兩種形態(tài)ENSO在1999年前后兩個時段(1979—1998年和1999—2012年)對南半球熱帶外區(qū)域大氣、海洋和海冰等氣候變量的影響。在關(guān)注不同ENSO形態(tài)對氣候影響差異性的同時, 本研究也將關(guān)注同一 ENSO形態(tài)影響下南半球熱帶外氣候的年代際變化特征。

1 資料及處理方法

1.1 資料

本文所用海洋和海冰再分析資料來自于歐洲中期天氣預(yù)報中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ORAP5(Ocean Reanalysis Pilot 5)月平均數(shù)據(jù)[16], 分析的變量包括混合層溫度、混合層深度、海冰密集度和海冰厚度。資料起訖時間為1979年1月—2012年12月, 水平空間分辨率為 0.25°×0.25°, 垂直方向包含75層。ORAP5數(shù)據(jù)通過NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean)模型的3.4.1版本產(chǎn)生, 并且運用3D-Var算法同化了大量海氣數(shù)據(jù), 包括來自于EN3 v2a的溫度與鹽度數(shù)據(jù)、來自于AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data)的海平面異常數(shù)據(jù)以及來自于 ERA-40和 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)的海表溫度異常和海冰數(shù)據(jù)。其中, ORAP5的大氣驅(qū)動場來自于 ECMWF的大氣再分析資料ERA-Interim[17], 也是本研究中大氣數(shù)據(jù)所源于的資料。ERA-Interim資料的空間分辨率為0.75°×0.75°, 垂直方向包含 60層, 采用 4D-Var數(shù)據(jù)同化算法。本研究選用ERA-Interim 1979年1月—2012年12月的月平均數(shù)據(jù), 關(guān)注的大氣變量包括海平面氣壓、海表氣溫和海表 10 m風場。雖然ERA-Interim 和 ORAP5源自非耦合模式, 從而ERA-Interim中的大氣變量無法得到海洋狀態(tài)變化的充分反饋, 但作為 ERA-Interim大氣環(huán)流模式底邊界條件的SST數(shù)據(jù)以及ORAP5中同化的SST數(shù)據(jù)均來自于衛(wèi)星觀測, 因此我們可認為 ORAP5中熱帶SST變化的信號能夠被大氣變量有效感知。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本研究選取南半球 20°S以南的 ORAP5和ERA-Interim 資料, 仿照前人工作[13], 將 1979—2012年的數(shù)據(jù)資料截取為 1979—1998年(簡稱79—98)和 1999—2012 年(簡稱 99—12)兩段, 并選取Ni?o3和Ni?o4指數(shù)分別用于指征東太平洋型ENSO和中太平洋型ENSO的變化特征。Ni?o3和 Ni?o4指數(shù)分別通過計算熱帶東太平洋區(qū)域(5°S—5°N, 90°W—150°W)和熱帶中太平洋區(qū)域(5°S—5°N, 160°E—150°W)多年海表溫度的異常值得到。對南半球熱帶外氣候變量進行研究時,仿照諸多氣候變化研究中使用的方法[18-19], 首先去掉各變量長時段數(shù)據(jù)的線性趨勢和季節(jié)變化信號, 再將各變量的時間序列數(shù)據(jù)與Ni?o指數(shù)的時間序列數(shù)據(jù)作線性回歸, 回歸系數(shù)(斜率)即各氣候變量對于 Ni?o指數(shù)變化一個標準差得到的響應(yīng)值。計算氣候變量與Ni?o指數(shù)時間序列相關(guān)性時, 先使用經(jīng)驗正交分解(empirical orthogonal function, EOF)得到各氣候變量的主成分時間序列(principal component time series, PCs), 再與相應(yīng)的Ni?o指數(shù)作相關(guān)性分析得到相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 南半球熱帶外氣候變量與 Ni?o指數(shù)變化的相關(guān)性分析

南半球熱帶外大氣、海洋和海冰變量第一和第二模態(tài)的主成分時間序列與 Ni?o指數(shù)時間序列相關(guān)性系數(shù)的絕對值列于表 1, 其中加粗數(shù)據(jù)表示通過了95%置信度的雙邊t檢驗(Student’s t test)。

表1 南半球熱帶外氣候變量第一和第二模態(tài)的主成分時間序列與Ni?o指數(shù)時間序列的相關(guān)系數(shù)絕對值Table 1. Coefficients (absolute values) of correlation between the principal component time series associated with the 1st and 2nd EOF modes of the Southern Hemisphere (SH) extratropical climate variables and the time series of the Ni?o indices

表1展示了南半球熱帶外氣候變量第一和第二模態(tài)時間序列與Ni?o指數(shù)變化的相關(guān)系數(shù), 從表中可以看出, 除了海表風場和海冰密集度以外,其他氣候變量與 Ni?o指數(shù)的相關(guān)系數(shù)大部分通過了 95%的顯著性檢驗, 盡管除混合層溫度外,其他變量與Ni?o指數(shù)變化的相關(guān)系數(shù)普遍較小。其原因可能是由于非耦合模型無法充分包含海氣間復雜的相互作用, 所以在一定程度上影響到南半球熱帶外氣候變化與ENSO的相關(guān)性。從表1可以看到,各氣候變量與同一 Ni?o指數(shù)變化的相關(guān)性在1999年前后變化較大, 后一時段的相關(guān)系數(shù)普遍要高于前一時段的值, 說明 ENSO在不同時段對南半球熱帶外氣候的影響呈現(xiàn)出了年代際變化。在79—98時段, 各變量與Ni?o3指數(shù)的相關(guān)系數(shù)也普遍高于與 Ni?o4指數(shù)的相關(guān)系數(shù),表明東部型ENSO在這一時段對南半球熱帶外的氣候變化起到更明顯的作用。而在 99—12時段,各氣候變量則表現(xiàn)出不同的特征。其中, 海平面氣壓和混合層溫度與Ni?o3指數(shù)的相關(guān)性大于與Ni?o4指數(shù)的相關(guān)性, 而海表氣溫與 Ni?o4指數(shù)的相關(guān)性則大于與Ni?o3指數(shù)的相關(guān)性。

以上相關(guān)性分析, 是將南半球熱帶外區(qū)域作為一個整體, 考察其與 ENSO變化的關(guān)系, 這種分析無法體現(xiàn)ENSO對南半球熱帶外區(qū)域氣候變化影響的局地特征。下文將使用回歸分析方法,研究氣候變量在兩個時段對不同 Ni?o指數(shù)響應(yīng)的空間分布特征。

2.2 南半球熱帶外氣候變量對兩種 ENSO 形態(tài)變化響應(yīng)的空間分布特征

2.2.1 海平面氣壓

圖1 海平面氣壓在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(shù)(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(shù)(e–h, m–p)變化在南半球夏季(DJF)、秋季(MAM)、冬季(JJA)和春季(SON)響應(yīng)的空間分布特征, 標有“+”區(qū)域表示響應(yīng)通過了95%置信度的雙邊t檢驗Fig.1. Regression of sea level pressure upon Ni?o3 index(a–d, i–l) and Ni?o4 index(e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012(i–p) during the austral summer(first column), autumn(second column), winter(third column) and spring(forth column) seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

圖1顯示了79—98時段和99—12時段海平面氣壓對 Ni?o指數(shù)變化一個標準差的響應(yīng)分布特征。從季節(jié)變化來看, 冬季海平面氣壓對 Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)值在所有季節(jié)中表現(xiàn)最大, 在79—98年夏季(圖1e)的響應(yīng)值最小。春季, 除圖1h外, 在阿蒙森海以北50°S—70°S區(qū)域均出現(xiàn)了較強且顯著的正響應(yīng)區(qū), 而且圖1h的響應(yīng)強度也明顯要小于同季節(jié)的其他響應(yīng)場。分時段來看, 79—98年秋冬兩季海平面氣壓對Ni?o4指數(shù)變化的響應(yīng)(圖1f, g)要強于對 Ni?o3指數(shù)的響應(yīng)(圖1b, c), 而在99—12年海平面氣壓對 Ni?o3指數(shù)的響應(yīng)強度在各季節(jié)都普遍大于對 Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)強度。冬季, 不同年代的響應(yīng)場之間也存在較大的年代際變化特征。79—98年冬季(圖1c)澳大利亞及其西部海域表現(xiàn)為顯著的正響應(yīng), 99—12年冬季(圖1k)相應(yīng)區(qū)域則不存在顯著的響應(yīng), 而在非洲西部海域出現(xiàn)了顯著的正響應(yīng), 在澳大利亞南部海域出現(xiàn)了顯著的負響應(yīng)。對Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)則表現(xiàn)出了更大的年代際差異, 99—12年冬季(圖1o)中40°S以南無顯著響應(yīng)出現(xiàn), 而在79—98年冬季(圖1g)中羅斯海及阿蒙森海鄰近區(qū)域都表現(xiàn)出顯著且較強的正響應(yīng), 負響應(yīng)則從澳大利亞南部一直延伸到太平洋扇區(qū)東部。在秋季, 99—12年海平面氣壓對 Ni?o3和 Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)場(圖1j, n)中均出現(xiàn)了緯向三波數(shù)的結(jié)構(gòu), 即三個較為明顯的負異常中心分別出現(xiàn)在新西蘭以東、威德爾海以北和印度洋扇區(qū)中東部, 正異常中心分別出現(xiàn)在阿蒙森海以北、印度洋扇區(qū)西側(cè)和澳大利亞以南, 在其他季節(jié)未見到該結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。類似的三波數(shù)結(jié)構(gòu)也在前人的研究工作中有所揭示。Zhang等[20]在南半球熱帶外氣候變量對南半球環(huán)狀模(Southern Annular Mode, SAM)的響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn), 海平面氣壓對SAM的響應(yīng)在秋季表現(xiàn)最強烈, 且呈現(xiàn)出明顯的緯向三波數(shù)結(jié)構(gòu)。Yeo等[13]在ENSO與南半球氣候變化關(guān)系的研究中, 發(fā)現(xiàn)99—12年南半球熱帶外海平面氣壓對ENSO的響應(yīng)場中也有類似的三波數(shù)結(jié)構(gòu)。除SAM之外, PSA(Pacific-South American mode)也是影響南半球氣候變化的重要模態(tài)。Mo[21]對500 m位勢高度氣壓數(shù)據(jù)作EOF分解, 其得到的EOF第一模態(tài)對應(yīng)SAM, 第二模態(tài)則對應(yīng)PSA。SAM表現(xiàn)為南半球中緯度和高緯度之間氣壓反向變化的特征,PSA表現(xiàn)為由熱帶中部太平洋激發(fā)的羅斯貝波向南傳播導致新西蘭東部、阿蒙森/別林斯高晉海以及南美洲南端氣壓異常的特征。有眾多的研究表明ENSO和SAM以及PSA之間存在著緊密聯(lián)系, 三者能影響南半球海表溫度、南極海冰密集度以及南極海表氣溫等變量的變化[22-24]。PSA模態(tài)的正負相位也分別與拉尼娜現(xiàn)象和厄爾尼諾現(xiàn)象密切相關(guān)。為探討研究區(qū)域變量對ENSO的響應(yīng)特征與SAM/PSA之間的可能聯(lián)系, 本文同樣對海平面氣壓數(shù)據(jù)做EOF分解, 得到的前兩個EOF模態(tài)圖顯示于圖2?？梢钥吹?79—98時段前兩個 EOF模態(tài)的解釋方差分別為28.0%和11.3%, 99—12時段的前兩個EOF模態(tài)的解釋方差分別為28.9%和11.2%。分時段來看, 前后兩個時段的 EOF模態(tài)表現(xiàn)出了很大的一致性,僅有部分區(qū)域的強度有所差別。可以看出兩個時段的 EOF第一模態(tài)都呈現(xiàn)出三波數(shù)的結(jié)構(gòu), 即SAM的形態(tài)。EOF第二模態(tài)在太平洋中部高緯度地區(qū)存在較強的異常中心, 與PSA模態(tài)表現(xiàn)出較好的一致性。此外, 圖2顯示 99—12時段 SAM的三波數(shù)結(jié)構(gòu)更強, 同時, PSA在第一時段沒有表現(xiàn)出三波數(shù)結(jié)構(gòu), 在第二時段則表現(xiàn)出三波數(shù)結(jié)構(gòu)。因此, 圖1j、1n中的三波數(shù)特征可能是受到了SAM和PSA的共同影響。

圖2 1979—1998年(a, b)和1999—2012年(c, d)海平面氣壓第一(a, c)和第二(b, d)EOF模態(tài)圖。其中1979—1998時段前兩個模態(tài)的解釋方差分別為28.0%和11.3%, 1999—2012時段前兩個模態(tài)的解釋方差分別為28.9%和11.2%。Fig.2. The two leading EOF modes of the SH subtropical sea level pressure in 1979–1998(a, b) and 1999–2012(c, d).The first and second EOF modes during the first period account for 28.0% and 11.3% of the total variance, respectively; the first and second EOF modes during the second period account for 28.9% and 11.2% of the total variance, respectively

2.2.2 海表風場

圖3 海表風場在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(shù)(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(shù)(e–h, m–p)變化響應(yīng)在不同季節(jié)的空間分布特征, 標有“+”區(qū)域表示響應(yīng)通過了95%置信度的雙邊t檢驗Fig.3.Regression of 10 m wind upon Ni?o3 index (a–d, i–l) and Ni?o4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

圖3顯示了79—98時段和99—12時段不同季節(jié)海表上空10 m處風場對Ni?o3和Ni?o4指數(shù)變化一個標準差的響應(yīng)分布特征。海表風場主要受到海平面氣壓的影響, 可以看出海表風場響應(yīng)場中響應(yīng)值較大的區(qū)域與海平面氣壓梯度響應(yīng)較強的區(qū)域吻合, 最強的響應(yīng)也發(fā)生在秋冬兩季。分時段來看, 在79—98年冬季風場對Ni?o3指數(shù)響應(yīng)(圖3c)較強的區(qū)域比對Ni?o4指數(shù)響應(yīng)(圖3g)較強的區(qū)域偏東, 兩者響應(yīng)強度大小相當。而在99—12年冬季風場對Ni?o3指數(shù)的響應(yīng)(圖3k)要強于對 Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)(圖3o)。秋季, 在 99—12年風場的響應(yīng)場中(圖3j, n), 對應(yīng)氣壓響應(yīng)場存在的三個負異常中心(圖1j, n), 在新西蘭以東、威德爾海以北和印度洋扇區(qū)中東部出現(xiàn)了異常的氣旋;同樣, 對應(yīng)氣壓場的正異常中心, 在阿蒙森海以北、印度洋扇區(qū)西側(cè)和澳大利亞以南出現(xiàn)了異常的反氣旋。冬季, 與氣壓場在太平洋扇區(qū)高緯度的負異常中心和中緯度的正異常中心相對應(yīng), 在太平洋扇區(qū)40°S—60°S和20°S—40°S分別出現(xiàn)了異常的東風和西風區(qū)(圖3c, k, o), 風場最大異常值區(qū)域?qū)?yīng)于氣壓響應(yīng)場中異常值梯度最大的區(qū)域。春季, 79—98年風場對Ni?o3指數(shù)的響應(yīng)場以及99—12年風場對Ni?o3 和 Ni?o4 的響應(yīng)場(圖3d, l, p)在阿蒙森海以北出現(xiàn)反氣旋中心, 反氣旋北邊緣最遠延伸至 35°S,這也正好對應(yīng)氣壓場在此區(qū)域正異常的極大值。

2.2.3 海表氣溫

圖4 海表氣溫在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(shù)(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(shù)(e–h, m–p)變化響應(yīng)在不同季節(jié)的空間分布特征, 標有“+”區(qū)域表示響應(yīng)通過了95%置信度的雙邊t檢驗Fig.4.Regression of surface air temperature upon Ni?o3 index (a–d, i–l) and Ni?o4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a-h) and 1999–2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

圖4顯示了79—98時段和99—12時段不同季節(jié)海表氣溫對Ni?o3和Ni?o4指數(shù)變化一個標準差的響應(yīng)分布特征。從整體來看, 海表氣溫對Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)與海平面氣壓和風場類似,也是在秋冬兩季響應(yīng)比較強烈, 在79—98年夏季(圖4e)響應(yīng)最弱。分時段來看, 79—98年冬季海表氣溫對Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)(圖4g)明顯要強于對Ni?o3指數(shù)的響應(yīng)(圖4c), 其他季節(jié)情況相反, 這與海表氣壓的響應(yīng)特征類似。在99—12年, 與海表氣壓和風場不同的是, 冬季在羅斯海和別林斯高晉海區(qū)域, 海表氣溫對 Ni?o4指數(shù)變化的響應(yīng)要強于對 Ni?o3指數(shù)的響應(yīng), 這說明除大氣環(huán)流之外, 海表氣溫還會受到海洋變化的影響。秋季,99—12年海表氣溫對Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)場(圖4j, n)中出現(xiàn)三個正響應(yīng)中心, 分別分布在阿蒙森海及其以北區(qū)域、印度洋扇區(qū)南極大陸邊緣15°E—20°E區(qū)域以及西太平洋 130°E—135°E區(qū)域。對比海表風場(圖3j, n)來看, 這些正異常響應(yīng)區(qū)域均存在著異常的北風, 北風將低緯度溫暖的空氣送往高緯度地區(qū), 使得這些區(qū)域海表氣溫異常升高。在該季節(jié), 兩個時段的響應(yīng)特征表現(xiàn)出了明顯的年代際變化。79—98年(圖4b, f)澳大利亞南部未見顯著的響應(yīng)存在, 而在99—12年(圖4j, n)澳大利亞南部表現(xiàn)為顯著的正響應(yīng)。對比風場的響應(yīng)場, 可以看出在79—98年(圖3b, f)風場在澳大利亞大陸以及其西部海域無明顯的響應(yīng)存在。而在99—12年(圖3j, n)在澳大利亞西部海域存在較強的異常西風, 可能將太平洋中部較暖的空氣送往澳大利亞大陸南部使該地區(qū)的氣溫異常升高。

2.2.4 混合層深度

圖5 混合層深度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(shù)(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(shù)(e–h, m–p)變化響應(yīng)在不同季節(jié)的空間分布特征, 標有“+”區(qū)域表示響應(yīng)通過了95%置信度的雙邊t檢驗Fig.5.Regression of mixed layer depth upon Ni?o3 index (a–d, i–l) and Ni?o4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

圖5顯示了混合層深度在兩個時段對 Ni?o指數(shù)變化一個標準差的響應(yīng)分布特征。參照Dong等[25]使用的方法, 使用密度準則來計算混合層深度, 即與表層位勢密度相差0.03 kg·m–3的深度層為混合層底所在處?；旌蠈由疃仁艿蕉喾矫娴挠绊? 如風應(yīng)力、海氣間的感熱和潛熱交換等。受這些因素的影響, 混合層深度對 ENSO變化的響應(yīng)場存在著顯著的季節(jié)性和年際變化特征。總體來看冬春兩季混合層深度的響應(yīng)較強, 夏秋兩季的響應(yīng)較小。冬季各響應(yīng)場大體表現(xiàn)出一致的響應(yīng)特征, 較明顯的差異是在79—98年混合層深度對 Ni?o3的響應(yīng)場(圖5c)在印度洋扇區(qū)中部出現(xiàn)了較強的負異常, 而圖5g, k, n在此區(qū)域都表現(xiàn)為正異常。對比這一地區(qū)冬季其他氣候變量對Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)場, 發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域也表現(xiàn)出了與同季節(jié)其他響應(yīng)場不同的特征: 海平面氣壓在該區(qū)域表現(xiàn)為顯著的正異常, 風場在該區(qū)域以北和以南分別出現(xiàn)異常東風和西風, 海表氣溫在此區(qū)域也表現(xiàn)為正異常。海表氣溫出現(xiàn)正異常會導致該區(qū)域大氣向海洋感熱輸送的正異常, 而異常風場所產(chǎn)生的風應(yīng)力正旋度通過艾克曼抽吸作用使得表層海水下沉, 海表氣溫和風應(yīng)力旋度的變化分別使混合層變淺和變深。該區(qū)域混合層深度出現(xiàn)較強的負響應(yīng)應(yīng)該主要受到海表氣溫變化的影響。春季, 79—98年混合層深度對不同Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)差別較大, 圖5d中太平洋扇區(qū)中部50°S—60°S出現(xiàn)了較大的負異常值, 而在圖5h中該區(qū)域表現(xiàn)為正異常值。對比海表風場的響應(yīng)場,發(fā)現(xiàn)圖3d中這一區(qū)域的風場的負異常值也較大,圖5d中混合層深度的負響應(yīng)可能與圖3d中該區(qū)域減弱的西風有關(guān)。79—98年夏秋季節(jié), 與大氣變量類似, 混合層深度對 Ni?o3指數(shù)變化的響應(yīng)要明顯強于對Ni?o4指數(shù)變化的響應(yīng)。對比79—98年秋季海表風場和海表氣溫的響應(yīng)特征, 可以看出混合層溫度響應(yīng)較強的地方海表風場和海表氣溫的響應(yīng)值都較大, 而在印度洋扇區(qū)和太平洋扇區(qū)海表風場和海表氣溫響應(yīng)值都較小, 混合層深度的響應(yīng)也幾乎不存在。

2.2.5 混合層溫度

圖6顯示了79—98時段和99—12時段不同季節(jié)混合層溫度對Ni?o3和Ni?o4指數(shù)變化一個標準差的響應(yīng)分布特征?；旌蠈訙囟群突旌蠈由疃葘?Ni?o變化響應(yīng)的季節(jié)性特征表現(xiàn)出了很強的相關(guān)性: 混合層溫度的響應(yīng)在夏秋兩季較強,冬春兩季較弱; 而混合層深度的響應(yīng)表現(xiàn)在夏秋兩季較弱, 冬春兩季較強?；旌蠈訙囟鹊捻憫?yīng)在夏秋兩季表現(xiàn)較強, 可能因為在夏秋季節(jié)混合層本身較淺, 在同等熱量變化條件下, 混合層溫度會出現(xiàn)較大的變化。從整體來看, 79—98時段混合層溫度在各個季節(jié)都對Ni?o3指數(shù)變化的響應(yīng)更強, 而在99—12時段冬季, 尤其是在阿蒙森海和羅斯海以北, 對 Ni?o4變化的響應(yīng)則明顯強于對Ni?o3變化的響應(yīng)。對比海表氣溫與混合層溫度的響應(yīng)場, 可以看出混合層溫度與海表氣溫有很密切的聯(lián)系。例如在秋季, 79—98年(圖4b)以及99—12年(圖4j, n)海表氣溫響應(yīng)場在阿蒙森海以北表現(xiàn)為顯著的正異常, 在南極半島附近表現(xiàn)為顯著的負異常。相應(yīng)地, 混合層溫度響應(yīng)場也在阿蒙森海以北和南極半島附近分別表現(xiàn)為較強的正異常和負異常?；旌蠈訙囟仍趦蓚€時段對不同 Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)在秋季也出現(xiàn)了較大的年代際變化特征, 對比79—98年(圖6b)和99—12年(圖6j)的響應(yīng)場, 圖6b中表現(xiàn)顯著且較強的負異常從新西蘭附近向東一直延伸至太平洋扇區(qū)東部, 而圖6j中的負異常區(qū)范圍則明顯縮小。混合層溫度表現(xiàn)出的這一年代際差異特征, 能夠較好地和海表氣溫的年代際差異特征相吻合。

2.2.6 海冰密集度和厚度

通過研究海冰密集度與 ENSO之間的關(guān)系,Simpkins等[7]指出海冰和大氣之間存在復雜的相互作用關(guān)系, 海冰會受到氣溫、風場等諸多因素的影響, 且海冰外圍更容易發(fā)生變化。Yu等[26]在研究中也發(fā)現(xiàn), 海表氣溫是影響海冰密集度最主要的因素。Holland和 Kwok[27]通過分析 1992—2010年衛(wèi)星觀測南極海冰數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)海冰速度的變化很大程度上受到風場的影響。在圖7的結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)海冰速度場與風場存在很強的相關(guān)性,風場會影響海冰漂移速度和方向, 進而影響海冰分布, 并改變冰緣線輪廓形狀及其附近的海冰密集度。從圖7和圖8來看, 海冰密集度和厚度在同一時段對不同Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)以及在兩個時段對同一Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)都表現(xiàn)出了很明顯的差異。79—98年時段, 海冰密集度對 Ni?o3指數(shù)和 Ni?o4指數(shù)變化的響應(yīng)差異主要出現(xiàn)在海冰結(jié)冰季節(jié), 即南半球的秋季、冬季和春季。秋季,響應(yīng)的差異性主要體現(xiàn)在威德爾海, 在威德爾海東部靠近南極大陸地區(qū)海冰密集度和厚度對Ni?o3指數(shù)變化的響應(yīng)表現(xiàn)出更強的正異常, 該特征與圖3b中此區(qū)域氣溫的顯著負異常相關(guān)。冬季, 主要的差異體現(xiàn)在羅斯海和阿蒙森海以北冰緣線附近海冰密集度負響應(yīng)的位置和強度不同,圖7g中該區(qū)域的負響應(yīng)中心主要發(fā)生在阿蒙森海以北的冰緣線附近, 這一點與圖7c, k, o中表現(xiàn)出的特征都不相同。從海冰速度場來看, 海冰圖7c, k, o在該區(qū)域有較為明顯的南向運動, 海冰的后退使得冰緣線附近的海冰密集度減小, 而圖7g中海冰主要為西向運動, 對密集度的影響不大。春季海冰密集度對Ni?o4指數(shù)變化的響應(yīng)(圖7h)在西南極半島區(qū)域和羅斯海區(qū)域都要明顯弱于對Ni?o3變化的響應(yīng), 且圖7h與圖7d, l, p在上述區(qū)域的響應(yīng)特征也存在明顯的不同, 這種差異主要受制于這兩個區(qū)域海表氣溫對Ni?o4變化響應(yīng)強度差異的影響。海冰厚度對兩種Ni?o指數(shù)變化響應(yīng)特征的差異與密集度較為類似, 但總體要弱于后者,在春季海冰厚度響應(yīng)的差異則表現(xiàn)較強。海冰密集度和厚度對于Ni?o3指數(shù)變化響應(yīng)的年代際差異在南半球的秋冬兩季較為明顯, 秋季響應(yīng)的差別主要體現(xiàn)在威德爾海區(qū)域正響應(yīng)的發(fā)生位置、羅斯海區(qū)域的正響應(yīng)強度以及阿蒙森海的負響應(yīng)強度; 冬季的差異主要體現(xiàn)在南極半島以西正響應(yīng)和阿蒙森海以北冰緣線處負響應(yīng)的強度, 前者在99—12時段明顯弱于79—98時段, 而后者在99—12時段則表現(xiàn)更強。對于Ni?o4指數(shù)變化響應(yīng)的年代際差異在南半球的秋冬春三季都比較明顯。秋季, 99—12時段海冰密集度和厚度在別林斯高晉海的正響應(yīng)和阿蒙森海的負響應(yīng)都比較強, 而79—98時段這兩個區(qū)域并無明顯響應(yīng), 這點與海表氣溫的響應(yīng)特征一致。冬季, 99—12時段海冰在西南極半島區(qū)域的正響應(yīng)要明顯弱于79—98時段, 而在阿蒙森海以北冰緣線附近的負響應(yīng)則要強于79—98時段。冬季, 99—12時段在南極半島以西的正響應(yīng)區(qū)域相對于 79—98時段明顯減少, 而在羅斯海和阿蒙森海北部的負響應(yīng)則比較顯著。Pezza等[28]和Simpkins等[7]的研究中表明, ENSO和SAM會共同影響海冰密集度, 且其影響會表現(xiàn)出很強的季節(jié)性差異。Zhang等[20]同樣使用ORAP5數(shù)據(jù)集研究了SAM對南極海冰的影響,海冰厚度響應(yīng)圖結(jié)果與本文的結(jié)果具有一定的相似性, 再次揭示了ENSO與SAM之間的關(guān)系。

圖6 混合層溫度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(shù)(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(shù)(e–h, m–p)變化響應(yīng)在不同季節(jié)的空間分布特征, 標有“+”區(qū)域表示響應(yīng)通過了95%置信度的雙邊t檢驗Fig.6.Regression of mixed layer temperature upon Ni?o3 index (a–d, i–l) and Ni?o4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012 (i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

圖8 海冰厚度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(shù)(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(shù)(e–h, m–p)變化響應(yīng)的空間分布, 標有“+”區(qū)域表示響應(yīng)通過了95%置信度的雙邊t檢驗Fig.8.Regression of sea-ice thickness upon Ni?o3 index (a–d, i–l) and Ni?o4 index (e–h, m–p) in 1979—1998(a–h) and 1999—2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

3 總結(jié)

本文使用1979—2012年的ORAP5海洋/海冰再分析資料和 ERA-Interim的大氣再分析資料,采用回歸分析方法, 分 1979—1998年和 1999—2012年兩個時段分季節(jié)探討了南半球熱帶外地區(qū)氣候變化對兩種不同形態(tài)ENSO的響應(yīng)特征。得到的主要結(jié)果如下。

1.南半球熱帶外區(qū)域氣候在1999年前后兩個時段對ENSO的響應(yīng)表現(xiàn)出了較大的年代際變化特征。1979—1998年南半球熱帶外氣候變量對Ni?o3指數(shù)在時間上的相關(guān)性和空間上的響應(yīng)強度都普遍大于Ni?o4指數(shù), 說明這一時段東部型ENSO對南半球熱帶外區(qū)域氣候變化的影響要更強一些。在1999—2012年, 兩種形態(tài)ENSO與氣候變量的相關(guān)性大小并無明顯的規(guī)律, 而且各變量對 Ni?o3和Ni?o4指數(shù)變化的空間響應(yīng)場差異并不大。

2.海平面氣壓、風場和氣溫對ENSO變化的響應(yīng)在南半球冬季表現(xiàn)最為強烈, 在夏季最弱。三者在 1999—2012年秋季對 Ni?o3指數(shù)和 Ni?o4指數(shù)的響應(yīng)場中出現(xiàn)了緯向三波數(shù)結(jié)構(gòu), 與對 SAM 變化的響應(yīng)場非常相近, 表明ENSO與SAM之間存在密切關(guān)系。1999—2012年冬季, 有異于海平面氣壓和風場, 在羅斯海和阿蒙森海海域海表氣溫對Ni?o4變化的正響應(yīng)明顯強于對 Ni?o3的響應(yīng), 該特征在混合層溫度中也有體現(xiàn), 表明海表氣溫隨ENSO的變化受海洋特征變化影響較大?；旌蠈由疃群突旌蠈訙囟鹊捻憫?yīng)場之間存在很大的相關(guān)性,混合層溫度響應(yīng)在秋季表現(xiàn)最強, 春季最弱, 混合層深度響應(yīng)與之相反。在1979—1998年, 海冰密集度對不同 Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)差異主要出現(xiàn)在海冰結(jié)冰季節(jié), 而海冰厚度對不同 Ni?o指數(shù)變化的響應(yīng)差異在夏季表現(xiàn)較強。海冰密集度和厚度對Ni?o3變化響應(yīng)的年代際差異在秋冬季節(jié)更加明顯,對Ni?o4變化響應(yīng)的年代際差異在秋、冬、春季都較明顯。差異主要體現(xiàn)在西南極半島正響應(yīng)的強度、阿蒙森海和羅斯海區(qū)域負響應(yīng)的強度和位置,其產(chǎn)生主要與海表溫度的響應(yīng)特征差異有關(guān), 同時也受到海冰運動的影響。

3.南半球熱帶外地區(qū)氣候變化是多種因素綜合作用的結(jié)果, 同時ENSO對氣候的影響途徑和機制也較為復雜。與諸多研究類似, 本文將ENSO變化作為外部強迫, 考慮的是南半球熱帶外地區(qū)氣候變化對ENSO變化的即時響應(yīng), 并沒有進一步展開各變量與ENSO變化的滯后或提前相關(guān)性分析以及ENSO與研究區(qū)域氣候變化相互作用機制的分析。另外, 本文所使用的大氣和海洋數(shù)據(jù)資料源自于非耦合模式, 可能無法充分反映海洋狀態(tài)變化對大氣變化的反饋。這兩點都是未來研究中需要改進的地方。

致謝上海交通大學海洋研究院的各位老師對研究工作給予了極大的幫助, 提出了寶貴的修改意見, 在此一并表示感謝。