熱帶太平洋—印度洋熱含量變異及其與表層水溫的關系＊

錢 浩，張啟龍

（1.中國科學院 海洋研究所，山東 青島266071；2.中國科學院 海洋環流與波動重點實驗室，山東 青島266071；3.中國科學院大學，北京100049）

西太平洋暖池和東印度洋暖池（簡稱為印－太暖池）是熱帶太平洋和印度洋中水溫最高的海域，也是全球熱帶大氣對流最強、水汽含量最多的海區，而ENSO（El Ni?o－Southern Oscillation）和印度洋偶極子（IOD）則分別是發生在熱帶太平洋和印度洋上的重要的海氣耦合事件［1－4］。它們的發生往往會引起亞洲乃至全球氣候的異常，并給全球許多地區造成嚴重的洪澇或干旱［5－12］。由此可見，熱帶太平洋和印度洋在全球氣候變化及災害的形成中起著極為重要的作用。眾所周知，海洋對大氣和氣候的影響主要是通過其熱狀態的異常變化來實現的，而表層水溫（SST）和熱含量則是表征海洋熱狀態的兩個重要參數。雖然熱帶太平洋和印度洋各自存在著相對獨立的海－氣耦合系統，但它們通過大氣環流和海洋動力過程而緊密相連。為了探討熱帶太平洋和印度洋熱狀態變異對氣候變化的聯合影響，人們已將兩大洋作為一個整體來考慮，不僅研究了熱帶太平洋—印度洋SST和熱含量的時空變化［13－15］，還利用SST和熱含量建立了太平洋—印度洋海溫異常綜合模［16］和熱帶印度洋—太平洋熱力異常聯合模［15，17］。研究發現，海溫異常綜合模和熱力異常聯合模對我國夏季降水均有重要影響［18－19］，但熱力異常聯合模對我國夏季降水有約半年到一年的超前影響，具有很好的預報意義［19］。這些研究結果使人們加深了對熱帶太平洋—印度洋熱狀態變異及其對氣候影響的認識和了解。

雖然熱含量和SST是表征海洋熱狀態的兩個重要參數，但用它們研究ENSO和IOD所得到的結果卻有較大差異。在熱帶印度洋，熱含量異常場的第一模態為IOD模態［20］，而SST異常場的第一模態則為單極模態，即非IOD模態［1，7－10］。在熱帶太平洋，熱含量異常場能夠揭示出ENSO循環的兩個重要模態，即ENSO的成熟期模態和過渡期模態［21］，而SST異常場則僅給出ENSO的成熟期模態［22］。這些研究結果似乎表明，熱含量和SST在體現海洋動力學過程方面可能是不同的。因此，為了揭示ENSO的形成機理，人們開始關注赤道太平洋熱含量和SST之間的關系，并開展了較多研究［23－31］。結果表明，赤道東太平洋熱含量與SST之間的關系最密切，而赤道西太平洋則較弱。此外，關皓等分析了熱帶太平洋—印度洋SST、熱含量和混合層深度的年變化特征，并探討了它們之間的關系［32］。他們認為，SST的年變化僅代表40m以淺水層的溫度變化，而不能代表熱含量的年變化。這表明，熱帶太平洋—印度洋SST和熱含量的年變化有所不同。

有關熱帶太平洋—印度洋熱含量和SST距平場年際變化之間關系的研究仍較少，迄今尚未見到相關報道。關于熱帶太平洋—印度洋熱含量和SST距平場的時空變化究竟有何差異？它們之間的關系如何？熱含量和SST主要模態在ENSO和IOD形成中的作用有何不同？這些科學問題迄今尚未給出明確回答。本研究利用日本氣象廳溫、鹽度資料和英國Hadley中心月平均SST資料，研究熱帶太平洋—印度洋熱含量和SST異常場的時空變化，并對比分析熱含量與SST異常場主要模態的差異，從而為深入了解該海域海洋熱含量異常場的時空特征及其在ENSO和IOD形成中的作用提供可靠的科學依據。

1 資料與分析方法

1.1 資料

日本氣象廳提供的月平均水溫和鹽度資料。資料的空間范圍為0°～360°，89.5°S～89.5°N，時間序列為1945－01—2006－12，水平分辨率為1°×1°（經度×緯度），垂向共16層（0，10，20，30，50，75，100，125，150，200，250，300，400，500，600和700m）。本研究選用了1950－01—2006－12的熱帶印度洋—太平洋海域（20.5°S～20.5°N，39.5°E～79.5°W）的水溫和鹽度資料。該海域共有42×242個網格點。本文僅計算了0～500m水層的熱含量，各格點的熱含量按照式（1）計算：

式中，CP為海水定壓比熱；ρ為海水密度；T為水溫；Z為水深。

英國 Hadley中心提供的月平均SST資料。資料的空間范圍為0°～360°，89.5°N～89.5°S，時間序列為1870－01—2006－12，水平分辨率為1°×1°（經度×緯度）。本研究僅選用了1950－01—2006－12的SST資料。

1.2 分析方法

利用經驗正交函數（EOF）分解法分析熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場和SST距平場的時空變化。運用功率譜分析法估計熱含量距平場和SST距平場主要模態的顯著周期，并用相關分析方法探討熱含量主要模態和SST主要模態之間的關系。

2 熱含量距平場的時空變化

熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的EOF分析結果表明，前兩個模態的方差貢獻分別為35.5%和13.1%，而其它模態的方差貢獻均小于5.9%。由此可見，前兩個模態是熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的主要模態。因此，下面簡要介紹這兩個模態的時空特征。

2.1 第一模態的時空特征

圖1a為第一模態的空間分布。可以清楚地看到，熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場基本呈現為“正－負－正”的三極結構，其中熱帶東太平洋和西印度洋為正值變異區，而熱帶西太平洋和東印度洋則為負值變異區。正值變異中心分別位于赤道中東太平洋和熱帶西南印度洋，而負值變異中心則見于熱帶西太平洋。這與鄭冬梅和張啟龍［15］利用美國Scripps海洋研究所聯合環境數據分析中心（JEDAC）提供的月平均海洋上層（0～400m）熱含量資料得到的結果比較一致，也與趙永平等［33－34］利用次表層海溫距平場得到的結果相吻合。從時間系數（圖1b）可以看到，第一模態存在著顯著的年際變化。其中，在1957，1963，1965，1969，1972，1982，1986，1987，1991，1994，1997和2002年時間系數均為較大的正值（＞30.0×109J/m2），而在1955，1956，1970，1971，1973，1974，1975，1988，1998，1999，2000和2005年則為較小的負值（＜－30.0×109J/m2）。功率譜分析結果（圖略）表明，該模態的顯著周期依次為5a，3.7a和2.5a，與ENSO的主周期相近。相關分析結果也顯示，時間系數與ENSO指數（Ni?o3區平均SST距平值）和IOD指數（按照文獻［3］的定義，用SST資料計算得到）之間存在著密切的關系，在其超前ENSO指數和IOD指數1～2個月時兩者間的關系最密切，其時的相關系數分別為0.83和0.34，都超過了信度為0.001的統計檢驗。與熱帶太平洋和熱帶印度洋SST距平場的空間結構［3，13］比較可知，熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的第一模態分別對應于ENSO和IOD的成熟期位相。

圖1 熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場第一模態的空間分布（a）及其相應的時間系數（b）Fig.1 Spatial distributions（a）of the first mode of the heat content anomaly field in the tropical Pacific－Indian Ocean and their corresponding temporal coefficients（b）

2.2 第二模態的時空特征

第二模態的空間分布（圖2a）與第一模態（圖1a）迥然不同。在熱帶太平洋，全海域大致以位于7°N附近的零等值線為界分為南、北兩部分。其中，在南部海域，除了東南部海域為較弱的負值變異區外，其它大部分海域均為正值變異區，最大正值變異中心位于熱帶西南太平洋；而北部海域則為負值變異區，最大負值變異區見于熱帶西北太平洋。在熱帶印度洋，該模態的變化幅度較熱帶太平洋為弱，而其空間結構則與之不同，除了在赤道東印度洋和西南印度洋為負值變異區外，在其它海域基本為正值變異區。但在熱帶南印度洋，熱含量基本呈緯向的反位相振蕩。第二模態的時間系數也存在著顯著的年際變化（圖2b）。其中，在1955，1973，1978，1983，1984，1987，1988，1992，1993，1998和1999年時間系數為較大的正值（＞18×109J/m2），而在1969，1971，1972，1974，1976，1982，1990，1991，1996，1997，2002，2003，2004和2006年則為較小的負值（＜－18×109J/m2）。功率譜分析結果表明，第二模態時間系數的顯著周期依次為5a，3.7a和2.9a（圖略），與第一模態的主周期接近。比較而言，第二模態的空間分布對應于ENSO的過渡位相。對時間系數與ENSO指數進行時間滯后相關分析得出，在時間系數超前ENSO指數11個月時兩者間的關系最密切，其時的相關系數為0.59，超過了信度為0.001的統計檢驗。由此可見，熱含量第二模態對ENSO有約11個月的超前影響。

對比圖1b和圖2b可以看到，第一、二模態的時間系數存在著明顯的時間滯后現象，這表明兩個模態之間可能存在著內在聯系。時間滯后相關分析結果（圖略）表明，當第一模態時間系數滯后第二模態9個月時，兩者的關系最密切，其時的相關系數為0.58，超過了0.001的信度檢驗。顯然，第二模態更像是第一模態的前期發展階段。也就是說，熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的年際振蕩主要是由變化周期相近、空間結構不同的兩個模態構成的，它們分別對應于ENSO的成熟期位相和過渡期位相。還應指出的是，在這兩個模態的空間分布中，熱帶太平洋的變幅均大于熱帶印度洋。因此可以認為，在熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的年際振蕩中，熱帶太平洋起主導作用。

圖2 熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的第二模態的空間分布（a）及其相應的時間系數（b）Fig.2 Spatial distributions（a）of the second mode of the heat content anomaly field in the tropical Pacific－Indian Ocean and their corresponding temporal coefficients（b）

3 SST距平場主要模態的時空特征

為了探討熱含量變異與SST之間的關系，本研究對熱帶太平洋—印度洋SST距平場進行了EOF分解。結果顯示，前兩個模態的方差貢獻分別為45.2%和11.9%，而其它模態的方差貢獻均小于8.6%。顯然，前兩個模態是熱帶太平洋—印度洋SST距平場的主要模態。

3.1 第一模態的時空特征

由圖3a可以看到，雖然熱帶太平洋—印度洋SST距平場第一模態的空間結構也呈“正－負－正”的三極結構，但其負值變異區主要位于熱帶西太平洋，而兩個正值變異區分別見于熱帶印度洋和熱帶中東太平洋。從時間系數（圖3b）可以看到，第一模態也有顯著的年際變化，并與ENSO循環相聯系。在El Ni?o事件（1951，1953，1957，1963，1965，1969，1972，1976，1980，1982，1987，1991，1993，1994，1997，2002，2004 和2006年）期間，時間系數均為較大的正值，而在 La Ni?a事件（1955，1964，1967，1971，1973，1975，1984，1988，1995和1999年，1950和2005年除外）期間則為較小的負值。而且該模態的顯著周期依次為3.7a，5a和2.5a，與ENSO的主周期相近。相關分析結果顯示，第一模態時間系數與ENSO指數之間存在著非常密切的相關關系，其同期相關系數高達0.93，而與IOD指數的關系則相對較弱（當其超前IOD指數2個月時，其時的相關系數為－0.38）。由此可見，熱帶太平洋—印度洋SST距平場的第一模態對應于ENSO的成熟期位相。

圖3 熱帶太平洋—印度洋SST距平場的第一模態的空間分布（a）及其相應的時間系數（b）Fig.3 Spatial distributions（a）of the first mode of the SST anomaly field in the tropical Pacific－Indian Ocean and their corresponding temporal coefficients（b）

3.2 第二模態的時空特征

熱帶太平洋—印度洋SST距平場第二模態的空間結構（圖4a）與第一模態（圖3a）有所不同，它大致呈現為在赤道海域的“負－正”偶極子結構。正值變異區主要位于赤道中東太平洋，而負值變異區則見于熱帶印度洋、熱帶西太平洋以及赤道外中東太平洋。由圖4b可見，該模態的時間系數與第一模態也不盡相同，其主要變化周期依次為1.5a，2.1a和3.7a，而且還存在著明顯的遞減趨勢。相關分析結果顯示，第二模態時間系數在超前ENSO指數10個月時兩者間的關系最密切，其時的相關系數為－0.40。

時間滯后相關分析結果（圖略）表明，當第一模態時間系數滯后第二模態10個月時，兩者間的關系最密切，其時的相關系數為0.54，超過了0.001的信度檢驗。由此可見，第二模態更像是第一模態的前期發展階段。這似可表明，熱帶太平洋—印度洋SST距平場的年際振蕩主要是由空間結構和變化周期均不相同的兩個模態構成的。但應指出的是，由于第二模態與ENSO的關系較弱（r＝－0.40），因此可以認為，SST距平場僅對應于ENSO的成熟期位相，而沒有反映出ENSO的過渡期位相。此外，在這兩個模態的空間分布中，熱帶太平洋的變幅均大于熱帶印度洋，這也表明在熱帶太平洋—印度洋SST距平場的時空變化中，熱帶太平洋起主導作用。

圖4 熱帶太平洋—印度洋SST距平場的第二模態的空間分布（a）及其相應的時間系數（b）Fig.4 Spatial distributions（a）of the second mode of the SST anomaly field in the Pacific－Indian Ocean and their corresponding temperal coefficients（b）

4 熱含量場與海溫場的關系

從前面的分析可以看到，熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的時空變化與SST距平場有所不同。熱含量距平場的年際振蕩主要是由變化周期相近、空間結構不同的兩個模態構成的，而SST距平場則是由空間結構和變化周期均不同的兩個模態所構成。下面簡要討論一下熱含量距平場與SST距平場主模態之間的關系。

4.1 第一模態

相關分析結果表明，熱含量與SST距平場第一模態時間系數之間存在著非常密切的關系，其同期相關系數高達0.85。這表明，熱含量與SST距平場第一模態的變化趨勢是非常一致的。但這并不意味著全海域的熱含量與SST的年際變化都一致。對比圖1a和圖3a可以看出，在熱帶西印度洋和熱帶東、西太平洋，熱含量與SST的年際變化是同向的，但在熱帶東印度洋和赤道中太平洋（155°E～170°W）兩者的年際變化可能是反向的。為了進一步驗證熱含量與SST的這種差異，我們分別計算了熱帶東印度洋（20°S～20°N，80°～110°E）和赤道中太平洋（10°S～10°N，155°E～175°W）平均熱含量和SST距平序列，結果見圖5和圖6。

由圖5a可見，熱帶東印度洋熱含量距平序列的年際變化比較明顯（圖5a中實線），并與ENSO和IOD相聯系。其中，在El Ni?o事件和IOD正位相（1961，1967，1972，1982，1994，1997年）期間，熱含量減少；反之，在La Ni?a事件和IOD負位相（1958，1960，1964，1970，1989，1992，1996年）期間，熱含量增多。功率譜分析結果表明，熱含量距平序列的主周期依次為5a，3.6a和準兩年。李崇銀等［35］分析1900—1997年間的SST資料得出，IOD的主周期為4～5a和準兩年。顯然，熱帶東印度洋熱含量的主周期與IOD和ENSO的主周期比較接近。這意味著熱帶東印度洋熱含量年際變化與IOD和ENSO之間存在著較密切的聯系。時間滯后相關分析結果也顯示，熱含量超前IOD指數1個月時兩者間的關系最密切（r＝－0.45），而熱含量與ENSO的關系更密切，其同期相關系數為－0.56。

熱帶東印度洋SST距平序列的年際變化（圖5b中實線）與熱含量（圖5a中實線）有所不同，主要差異表現在前者的主周期為高頻（1.7a），而后者的主周期則為低頻（5a）。盡管SST也有3.7a和5a的變化周期，但其與IOD的關系非常弱（r＝－0.18）。此外，SST距平序列還存在著明顯的上升趨勢（圖5b中虛線），但這一現象并未出現在熱含量距平序列中。顯然，SST和熱含量的變異機制可能并不完全相同，這個問題值得研究。時間滯后相關分析結果表明，熱含量與SST距平序列之間存在著明顯的反相關，在SST超前熱含量5個月時兩者間的關系最密切，其時的相關系數為－0.31。由此可見，熱帶東印度洋熱含量與SST之間的確存在著反位相年際變化，而且前者落后于后者約5個月，這也是一個值得探討的科學問題。

圖5 熱帶東印度洋熱含量（a）與SST距平（b）年際和年代際變化Fig.5 The inter－annual and inter－decadal changes of the heat content anomaly（a）and the SST anomaly（b）in the tropical eastern Indian Ocean

赤道中太平洋熱含量距平序列的年際變化（圖6a中的實線）與ENSO循環有密切的聯系。其中，在El Ni?o期間，熱含量減少；反之，在La Ni?a期間熱含量增多。而且，熱含量距平序列的主周期依次為5a，3.7a和準兩年，與ENSO的主周期相近。相關分析結果表明，在熱含量超前ENSO指數2個月時兩者間的關系最密切，其時的相關系數為－0.70。此外，由圖6a還可看到，熱含量距平序列的年代際變化也很明顯（圖6a中的虛線），并在1977年前后出現了一次氣候躍變，在躍變前熱含量基本為正距平，之后則為負距平，但在1999年之后熱含量又變為正距平，這可能是一次新的氣候躍變［17］。

赤道中太平洋SST距平序列的年際和年代際變化（圖6b）與熱含量距平序列（圖6a）基本相反。其年際變化也與ENSO相聯系，即在El Ni?o期間SST升高，而在La Ni?a期間則降低。SST距平序列的主周期依次為5a，9.5a和3.6a。顯然，SST除了有明顯的年際變化（4～5a）外，還存在著準10a的年代際變化。但是，由于缺少準兩年振蕩，因此SST與ENSO的關系較弱，在其超前ENSO指數2個月時兩者間的關系最密切（r＝0.34）。此外，在20世紀70年代中期以后SST出現了明顯的上升趨勢（圖6b中的虛線），并在1981年前后發生了一次氣候躍變。在躍變之前SST偏低，而之后則偏高。總之，赤道中太平洋熱含量與SST的年際、年代際和長期變化趨勢均相反。

圖6 赤道中太平洋熱含量（a）與SST（b）距平年際和年代際變化Fig.6 The inter－annual and inter－decadal changes of the heat content anomaly（a）and the SST anomaly（b）in the equatorial central Pacific ocean

4.2 第二模態

前面的分析已提到，熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場第二模態的時空變化與SST距平場有很大差異。在熱帶太平洋，熱含量大致呈經向型的反位相振蕩，而SST則不明顯。在熱帶南印度洋，熱含量基本為緯向型的反位相振蕩，而SST則基本為全域同號，并未出現緯向的反位相偶極振蕩。同樣，熱含量與SST第二模態時間系數的變化周期也不同，前者的主周期為5a（第一周期），而后者則為1.5a（第一周期）。因此，兩時間系數之間的關系非常弱，其同期相關系數僅為0.25。

綜上所述可知，熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的時空變化與SST存在著諸多差異。而這種差異很可能是由不同的影響因素決定的。已有研究表明，熱帶海洋上層熱含量的變化主要是由溫躍層深度的波動引起的［36］，而溫躍層深度的波動則是由異常海面風應力場驅動異常海洋動力過程（如海洋環流與海洋波動，即Kelvin波和Rossby波）導致海洋內部熱力再分配造成的［33－34］。也就是說，熱帶太平洋—印度洋熱含量的年際變化主要是由海面風應力驅動的海洋環流和海洋波動（Kelvin波和Rossby波）共同引起的。可是，SST年際變化的動力機制卻與之不同。研究表明，熱帶太平洋—印度洋的海洋－大氣耦合作用是SST異常分布和變化的關鍵因素［13］。當赤道西太平洋上空盛行西風異常時，赤道外海域向赤道的經向風也加強，這樣的風場有利于赤道兩側的暖水向赤道輻聚、東流，因而使得中東太平洋的SST升高，而西太平洋的SST則降低；反之亦然。與之類似，當印度洋上空出現東風異常時，東印度洋的暖水向西輸送，因而使得東印度洋的SST降低，而西印度洋的SST則升高；反之亦然。

還應指出的是，由于熱帶太平洋—印度洋上層海洋熱含量和次表層海溫距平場的時空變化均能反映出海洋上層水體的時空振蕩特征［14－15，20－21，33－34］，因此在揭示重大海洋事件（ENSO，IOD）的演變過程和形成機理時，熱含量和次表層海溫是兩個非常重要的海洋要素參量。近年來的研究表明，ENSO循環是由熱帶太平洋混合層水體的東—西向振蕩和南—北向振蕩兩種模態構成的［33］，而IOD也是由兩種模態構成的［34］。但IOD兩種模態的形成機理不同，第一模態源于熱帶太平洋—印度洋的海氣相互作用，它與ENSO事件共存，而第二模態則起因于熱帶印度洋的海氣相互作用，它與Mascarene高壓的變動有關。可是，SST距平場卻不能提供這方面的信息。而且，前面已經提到，熱帶太平洋—印度洋SST和熱含量的年變化明顯不同。此外，熱含量的年際變化主要是海洋環流和海洋波動共同引起的，它反映了海洋上層水體的整體振蕩，而SST的年際變化則主要由海－氣耦合作用所控制，它僅體現了海洋上表層（40m以淺水層）水溫的變化。很顯然，在研究大尺度海氣相互作用以及海洋熱狀態變異對氣候變化的影響時，熱含量要優于SST。因此，開展熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的時空變化研究具有重要的實踐意義，同時也為我們研究熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場主要模態對我國夏季降水的影響提供了基礎條件。

5 結論

利用月平均水溫、鹽度和SST資料，研究了熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場和SST距平場的時空變化，并探討了它們之間的關系，得到的研究結果主要如下：

1）熱帶太平洋—印度洋熱含量距平場的年際振蕩主要是由變化周期相近、空間結構不同的兩個模態構成的，它們分別對應于ENSO的成熟期位相和過渡期位相。第一模態基本呈現為“正—負—正”的三極結構，其中熱帶東太平洋和西印度洋為正值變異區，而熱帶西太平洋和東印度洋則為負值變異區。第二模態大致為熱帶南印度洋的緯向反位相振蕩和熱帶太平洋的經向反位相振蕩。

2）熱帶太平洋—印度洋SST距平場的年際振蕩主要是由空間結構和變化周期均不同的兩個模態構成的。第一模態的空間結構呈現為“正—負—正”的三極結構，其中，熱帶印度洋和熱帶中東太平洋為正值變異區，而熱帶西太平洋為負值變異區。該模態對應于ENSO的成熟期位相。第二模態大致為在赤道海域的“負—正”偶極子結構。其正值變異區主要位于赤道中東太平洋，而負值變異區則見于熱帶印度洋、熱帶西太平洋以及赤道外中東太平洋。

3）熱帶太平洋—印度洋熱含量與SST距平場第一模態之間存在著非常密切的相關關系，但第二模態的關系則較弱。雖然在熱帶西印度洋和熱帶東、西太平洋，熱含量與SST的年際變化比較一致，但在熱帶東印度洋和赤道中太平洋它們的年際變化則是反位相的。熱含量與SST之間的這種差異很可能是由不同的影響因素決定的。

本研究主要分析了熱帶太平洋—印度洋熱含量和SST距平場的時空變化，并探討了它們之間的關系，但有關熱含量和SST年際變異的物理過程尚未討論，這方面的工作擬另文報道。

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