南大洋海表溫度異常年際變化規(guī)律研究?

馬旺葉，彭紅春??，吳立宗，孟皓凡

(1.江蘇海洋大學(xué)海洋技術(shù)與測(cè)繪學(xué)院, 江蘇 連云港 222005；2.中國(guó)極地研究中心, 上海 200136)

南大洋是指太平洋、大西洋和印度洋南部互相連通的海域，因其在海洋學(xué)上具有獨(dú)特的性質(zhì)，被稱為南大洋。占全球大洋面積20%的南大洋直接影響全球尺度的大氣環(huán)流、大洋環(huán)流和氣候變異[1]。南大洋還是地球上最大的冷水團(tuán)源地，其微小的變化都會(huì)影響全球的大洋環(huán)流，是海-氣相互作用的綜合系統(tǒng)，對(duì)全球氣候變化具有極高的敏感性和放大作用[2]。

海洋表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)作為研究海面水汽和熱量交換的一個(gè)重要物理參數(shù)，是影響浮游動(dòng)植物生長(zhǎng)和分布的關(guān)鍵環(huán)境因子[3]。同時(shí)，SST也是一個(gè)重要的海洋環(huán)境參數(shù)，在海洋動(dòng)力學(xué)、海氣相互作用和污染監(jiān)測(cè)等方面都有廣泛的應(yīng)用[4]。SST梯度分布與流系、渦旋、急流和上升流等區(qū)域有關(guān)，在全球氣候觀測(cè)系統(tǒng)中是一個(gè)至關(guān)重要的氣候變量[5]，是海氣相互作用和氣候變化過程中的一個(gè)核心因素[6-7]。由于南大洋在全球氣候系統(tǒng)中具有重要作用，研究其SST年際變化規(guī)律具有非常重要的意義。

基于已有的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方法，國(guó)內(nèi)外許多研究者圍繞南大洋海域SST應(yīng)用做了大量研究。Ghasemi等[8]探究印度洋SST和厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)對(duì)降水的影響，發(fā)現(xiàn)SST與降水具有顯著正相關(guān)性，而ENSO與降水存在明顯負(fù)相關(guān)。獲取SST數(shù)據(jù)的方法有很多，在衛(wèi)星技術(shù)相對(duì)薄弱的過去，研究者大多采用船載和監(jiān)測(cè)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)的船測(cè)和站點(diǎn)測(cè)量不能反映海洋溫度場(chǎng)的整體狀況[9]。目前衛(wèi)星遙感已成為觀測(cè)全球海洋表面溫度的最佳手段，不同遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用于不同的研究中，如AMSR-E、AATSR、AVHRR Pathfinder、MODIS等衛(wèi)星數(shù)據(jù)都能被用來進(jìn)行研究海表溫度在不同區(qū)域的變化特征以及對(duì)環(huán)境的影響，如南極極地峰位置、南大洋海表溫度時(shí)空變化以及對(duì)葉綠素a濃度影響、北極海表溫度數(shù)據(jù)對(duì)比分析等[10-14]。此外，海表溫度變化對(duì)氣候變化有一定的響應(yīng)，為此研究者利用遙感獲取的海表溫度數(shù)據(jù)做了大量研究。由于遙感在大尺度研究中的優(yōu)勢(shì)，利用遙感數(shù)據(jù)獲取的海表溫度數(shù)據(jù)經(jīng)常被用于全球變化現(xiàn)象的研究，如Ferster 等[15]研究SST數(shù)據(jù)集和SOI、南極濤動(dòng)(AAO)遙相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)SOI與SST存在負(fù)相關(guān)性，與AAO存在正相關(guān)性，且SOI和SST相關(guān)性更好。Megha Maheshwari等[16]利用1982—2011年SST數(shù)據(jù)分析南大洋海表面溫度異常(SSTA時(shí)間變化和季節(jié)變化特征，并發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾/拉尼娜事件在南大洋SST變化中發(fā)揮著重要的作用：在厄爾尼諾年份，南大洋SST異常變暖；而拉尼娜年份，南大洋SST異常變冷[16]。

基于以上研究，本文主要是對(duì)前人研究的延伸。一方面將研究時(shí)間尺度延長(zhǎng)至2019年，以分析南大洋38年(1982—2019年)SSTA的時(shí)空變化特征及其原因；另一方面進(jìn)一步探討南大洋SSTA與SOI、ONI之間的遙相關(guān)性，從而為研究南大洋海氣變化、洋流變化、海洋動(dòng)力學(xué)等提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

通常南大洋被定義為在60°S以南的海域，但是由于冬季海冰范圍幾乎覆蓋整個(gè)60°S以南區(qū)域，無法得到真實(shí)的SST數(shù)據(jù)，而且若將南大洋海區(qū)按照60°S以南計(jì)，無法得到與中高緯度海域之間的聯(lián)系。因此本文以45°S以南的海域作為研究區(qū)域(見圖1)。

圖1 南大洋位置示意圖

1.2 研究數(shù)據(jù)

本文采用了美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)發(fā)布的最佳插值(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Analysis，OISST)數(shù)據(jù)集的SST數(shù)據(jù)、美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)的厄爾尼諾指數(shù)(Oceanic Nio Index, ONI)和南方濤動(dòng)指數(shù)(Southern Oscillation Index, SOI)。

OISST是從https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.noaa.oisst.v2.html下載的。該數(shù)據(jù)集采用了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(AVHRR)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過最優(yōu)插值法得到SST數(shù)據(jù)[17]。該數(shù)據(jù)集已將海冰設(shè)置為缺失值，避免SST結(jié)果受海冰影響。所采用的最佳插值法(Optimum Interpolation, OI)是一種用于不規(guī)則空間數(shù)據(jù)的客觀分析方法，是根據(jù)大尺度運(yùn)動(dòng)基本氣象要素的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)函數(shù)和相關(guān)函數(shù)的大量研究提出來的，選擇權(quán)重使得分析誤差最小。但由于在做線性回歸和誤差協(xié)方差模擬時(shí)做了多種假設(shè)，所以這種插值并不是真正的最優(yōu)，而常稱為“統(tǒng)計(jì)插值”。本研究采用的OISST v2 數(shù)據(jù)集可以獲取1981年9月以來月平均SST數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°，時(shí)間跨度為1982—2019年。

ONI和SOI均來自于https://www.cpc.ncep.noaa.gov/。研究顯示，當(dāng)赤道太平洋中東部附近海區(qū)(Nio 3.4)的SST比往年明顯升高時(shí)，ONI值為+0.5或更高，表明可能有厄爾尼諾現(xiàn)象；當(dāng)該地區(qū)比平常冷時(shí)，ONI值為-0.5或更低，表明有可能會(huì)出現(xiàn)拉尼娜現(xiàn)象[18-20]。因此，目前ONI成為NOAA監(jiān)測(cè)厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象的主要指標(biāo)。

SOI是根據(jù)南方濤動(dòng)理論，用法屬波利尼西亞塔希提站(Tahiti)和澳大利亞達(dá)爾文站(Darwin)兩個(gè)測(cè)站之間的海平面氣壓差值進(jìn)行處理后，得到了一個(gè)用于衡量南方濤動(dòng)強(qiáng)弱的指數(shù)，是ENSO的重要指標(biāo)。正/負(fù)SOI指數(shù)表示東部熱帶太平洋上的SST變冷/暖，因此可以描述類似于厄爾尼諾(拉尼娜)事件[21-24]。

本研究利用中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心提供的《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》(GB/T 33666—2017)給出的厄爾尼諾/拉尼娜歷史事件數(shù)據(jù)(https://cmdp.ncc-cma.net/pred/cn_enso_index.php)。

1.3 研究方法

2 研究結(jié)果

2.1 南大洋海域年際SSTA變化

根據(jù)SSTA計(jì)算方法，我們可以得到38年的SSTA時(shí)空分布特征(見圖2)。如圖所示，1983、1992、1997、1998、2011、2016、2018以及2019年SSTA值較高，SSTA數(shù)值變化在0.8 ℃上下，表明有異常變暖現(xiàn)象；在1982、1989、2009以及2010年SSTA值較低，SSTA數(shù)值變化在-0.8 ℃上下，表明有異常變冷現(xiàn)象；還能看出在1997、2017年，SSTA數(shù)據(jù)在0.6 ℃上下,表明整個(gè)南大洋SSTA較高。而且觀察發(fā)現(xiàn)，SSTA較高值的區(qū)域大多都在太平洋海域附近。

圖2 1982—2019年間南大洋SSTA時(shí)空分布

相關(guān)研究表明，1992年經(jīng)歷了中等強(qiáng)度的厄爾尼諾事件，1997年是厄爾尼諾最強(qiáng)的一年，這一年整個(gè)南大洋幾乎所有區(qū)域都出現(xiàn)了變暖情況[16]，因此在圖中觀測(cè)到的異常升溫可能與厄爾尼諾事件有關(guān)。而1988—1989年、1998—2001年、2007—2009年初以及2010年7月—2012年初都發(fā)生了較強(qiáng)的拉尼娜事件。因此，研究中觀察到的異常變冷可以用拉尼娜事件來解釋。后面會(huì)進(jìn)一步討論有關(guān)SST和厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象之間的相關(guān)性。

2.2 南大洋海域SST相關(guān)性分析

將標(biāo)準(zhǔn)化SSTA與SOI和ONI進(jìn)行了Pearson相關(guān)性的比較。Pearson相關(guān)系數(shù)是用來評(píng)估兩個(gè)數(shù)據(jù)是否線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。

SST與SOI之間的相關(guān)性與中緯度(45°S—50°S)的正異常和中高緯度的負(fù)異常有關(guān)。在中緯度太平洋、澳大利亞西海岸和大西洋45°S以南，兩者之間是正相關(guān)的，但是其相關(guān)系數(shù)大多小于0.25，相關(guān)性較低；在中高緯度，太平洋兩者之間呈明顯負(fù)相關(guān)性。SOI的負(fù)值說明東太平洋的異常變暖(類似厄爾尼諾事件)。SST與ONI之間的相關(guān)性與中高緯度的正異常有關(guān)，在中高緯太平洋SST與ONI有非常明顯的正相關(guān)性(見圖3)。從圖中可以看出，在南大洋西南海域SSTA與SOI、ONI存在明顯的相關(guān)性，后面將重點(diǎn)討論該區(qū)域的SSTA與SOI、ONI之間的相關(guān)性。

圖3 南大洋標(biāo)準(zhǔn)化SSTA與SOI以及ONI的Pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

前文分析了1982—2019年這段時(shí)間內(nèi)南大洋(45°S以南)SSTA的變化，發(fā)現(xiàn)在南大洋西南海域(45°S—70°S，120°W—170°W)SSTA與SOI以及ONI存在明顯的相關(guān)性，在討論部分將對(duì)該區(qū)域中出現(xiàn)的SSTA進(jìn)行原因分析。

歷史上有三次超強(qiáng)厄爾尼諾事件，分別是1982—1983年、1997—1998年以及2015—2016年。SOI在1982—1983年、1986—1987年、1990—1994年、2002—2005年以及2014—2016年都出現(xiàn)持續(xù)性負(fù)值，表示有厄爾尼諾現(xiàn)象。數(shù)據(jù)顯示(見圖4)，SOI與SSTA存在明顯的負(fù)相關(guān)性(如1983、1992、1998和2016年)。超強(qiáng)拉尼娜事件的年份有1988—1989年、1998—2001年、2007—2009年以及2010—2012年。SOI在1984—1985年、1988—1989年、1999—2001年、2007—2013年以及2017—2018年都出現(xiàn)持續(xù)性正值。SOI與SSTA存在明顯的正相關(guān)性(如1989年、1999—2001年、2011年)(見圖4)，表示有拉尼娜現(xiàn)象。由此可以發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾發(fā)生年份，SSTA增加，而拉尼娜發(fā)生年份，SSTA降低。此外，通過SSTA與SOI兩者之間的分析發(fā)現(xiàn)，SSTA變化明顯比SOI變化滯后一年，表明ENSO會(huì)對(duì)南大洋西南海域SSTA變化產(chǎn)生影響。

(負(fù)(正)系數(shù)為藍(lán)色(紅色)，表示SSTA的減少(增加)。Negative(positive)coefficients in blue(red)indicate a decrease(increase)in SSTA.)

1982、1997年發(fā)生了較為嚴(yán)重的厄爾尼諾事件，尤其1997年，是厄爾尼諾最強(qiáng)的一年，整個(gè)南大洋幾乎所有海域都出現(xiàn)了變暖。與此同時(shí)，在某些相近年份的ONI≥0.5(1982—1983年、1987年、1991—1992年、1997年和2002年)。數(shù)據(jù)顯示(見圖5)，南大洋在1982—1983年、1986—1988年、1991—1993年、1996—1997年以及2000—2003年里SST存在明顯的異常升溫現(xiàn)象，表示在厄爾尼諾發(fā)生的年份，SSTA會(huì)增加。而在1989、1999、2008以及2011年都發(fā)生過強(qiáng)烈的拉尼娜事件。同時(shí)觀察到某些年份的ONI≤0.5(1988—1989年、1999—2000年、2007—2008年以及2011年)。1988—1989年、1997—2000年、2007—2008年以及2010—2012年里存在顯著的異常降溫現(xiàn)象(見圖5)，因此在研究中觀察到的SSTA降低可能與拉尼娜事件有關(guān)。SSTA與ONI的相關(guān)性都為正，只不過正相關(guān)性系數(shù)有所差別。ONI和SOI是用來表征SSTA的一個(gè)指標(biāo)，ONI和SOI對(duì)應(yīng)的厄爾尼諾/拉尼娜年份和南大洋SSTA年份并不完全一致，這表明SST除了受到厄爾尼諾/拉尼娜事件、南方濤動(dòng)的影響之外，還有可能受其他因素，如西風(fēng)、洋流等影響[25-26]。

(負(fù)(正)系數(shù)為藍(lán)色(紅色)，表示SSTA的減少(增加)。Negative(positive)coefficients in blue(red)indicate a decrease(increase)in SSTA.)

通過上述分析可知，南大洋西南海域SSTA對(duì)厄爾尼諾/拉尼娜事件有較好的響應(yīng)。為了進(jìn)一步分析南大洋西南海域SSTA與厄爾尼諾/拉尼娜事件的關(guān)系，根據(jù)ONI指數(shù)計(jì)算方法，取南大洋西南海域(45°S—70°S，120°W—170°W)的SST，利用3個(gè)月的SST距平均值得到新的指數(shù)，我們把這個(gè)新的指數(shù)命名為南太平洋指數(shù)(SPI)。研究發(fā)現(xiàn)(見圖6)，SPI與ONI數(shù)據(jù)的一致性較好(R=0.87)，這表明南大洋西南海域SST變化與厄爾尼諾/拉尼娜的發(fā)生具有一定的聯(lián)系。

圖6 南太平洋指數(shù)(SPI)與厄爾尼諾指數(shù)(ONI)散點(diǎn)圖

分析SPI，發(fā)現(xiàn)連續(xù)5個(gè)月SPI ≥ 0.5 ℃的年份有1982、1983、1991—1992年，2002—2003年，在歷史上這些年份均有發(fā)生厄爾尼諾事件(見表1)；連續(xù)5個(gè)月SPI ≤-0.5 ℃的年份有1984、1994、1999—1901年、2005、2006、2008、2010、2013、2016—2017年，歷史上這些年份里也有拉尼娜事件發(fā)生(見表2)。SPI≥0.5 ℃未出現(xiàn)的年份也有超強(qiáng)或者中等厄爾尼諾事件，SPI≤-0.5 ℃的年份也有未“識(shí)別”的強(qiáng)拉尼娜事件，說明了該區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓怯许憫?yīng)的，但是SPI與厄爾尼諾、拉尼娜事件存在的相關(guān)性是遙相關(guān)的，其可能的遙相關(guān)機(jī)制是，厄爾尼諾事件(拉尼娜事件)可能會(huì)影響南大洋西南海域SST異常升溫(降溫)。

表1 EI Nino歷史事件以及SPI統(tǒng)計(jì)

表2 La Nina歷史事件以及SPI統(tǒng)計(jì)

因此，除了可以用Nino3.4區(qū)域表征ENSO之外，SPI(45°S—70°S，120°W—170°W)的區(qū)域與ENSO有較好的遙相關(guān)性，表明該海域?qū)θ驓夂蜃兓哂许憫?yīng)作用。對(duì)比表1和2可以發(fā)現(xiàn)，在38年間SPI區(qū)域?qū)Χ驙柲嶂Z事件反饋較少，而對(duì)拉尼娜事件有更多的反饋，這表明該區(qū)域受南極附近海冰影響較大。實(shí)際上，該區(qū)域的海冰也會(huì)受到厄爾尼諾的影響[27]。從整個(gè)南大洋海域SST變化趨勢(shì)來看，整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明南大洋中高緯度海域?qū)θ驓夂蜃兓灿凶陨淼恼{(diào)節(jié)機(jī)制，可以起到一個(gè)平衡的作用。

4 結(jié)論

本研究利用OISST V2的SST產(chǎn)品數(shù)據(jù)(1982—2019年)，研究南大洋海域(45°S以南)年際SSTA變化特征，并研究SSTA與SOI、ONI之間的相關(guān)性，體現(xiàn)了南大洋海域?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)，尤其發(fā)現(xiàn)SPI區(qū)域較其他海域有更加明顯的反應(yīng)。結(jié)果表明：

(1)通過SSTA與SOI、ONI相關(guān)性分析，南大洋西南海域(45°S—70°S，120°W—170°W)與SOI和ONI有非常明顯的相關(guān)性，這可能與厄爾尼諾/拉尼娜事件發(fā)生在熱帶東太平洋海域附近有關(guān)，體現(xiàn)了南大洋海域?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)。

(2)本研究基于ONI指數(shù)的計(jì)算原理，利用南大洋西南海域(45°S—70°S，120°W—170°W)的SST，獲得該海域的一個(gè)類似ONI的指數(shù)——南太平洋指數(shù)(SPI)，該指數(shù)與ONI相關(guān)系數(shù)較高(R=0.87)，表明該區(qū)域與厄爾尼諾/拉尼娜事件可能存在遙相關(guān)性，說明該區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓哂许憫?yīng)作用，但是還需要進(jìn)一步研究該區(qū)域預(yù)測(cè)厄爾尼諾/拉尼娜事件發(fā)生的精準(zhǔn)度。