21世紀海上絲綢之路海表溫度異常與氣候變率的相關性初探

齊慶華，蔡榕碩

(1.國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005；2.國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室 廈門 361005)

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21世紀海上絲綢之路海表溫度異常與氣候變率的相關性初探

齊慶華1,2，蔡榕碩1,2

(1.國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005；2.國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室 廈門 361005)

區域性海洋系統及其環境要素(尤其是海表溫度等)受到局地和其他不同時空尺度氣候變率的交互影響，加之全球變暖背景下，區域氣候和海洋變化、變率及災害風險的不確定性會進一步加強，因而分析其間的凈相關性是研究海洋環境要素變化機制機理和預測預報的重要前提。文章選取主要的海洋、大氣變率和遙相關型，在一定程度濾除干擾信號后，分析探討各氣候變率對21世紀海上絲綢之路沿途海區(簡稱絲路海區)海表溫度異常變化的相關性特征和差異。通過分析可為我國有關氣候變化下區域海洋環境響應、預報減災研究和決策以及海洋環境安全保障提供新的依據和科技支撐。

海表溫度；氣候變率；溫度梯度；海洋環境安全；21世紀海上絲綢之路

圖1 1950—2015年間絲路海區海表溫度線性改變量 數據來源：HadISST.

海洋作為氣候系統的主要組成部分，是氣候變化的重要調節器，也是人類生存和可持續發展的戰略資源基地。我國地處東亞大陸東南隅，氣候受來自印度洋，我國渤海、黃海、東海和南海以及西太平洋等周邊海域熱力狀況的巨大影響。該海域是我國21世紀海上絲綢之路戰略實施的主戰場，即“絲路海區”(圖1)。絲路海區不僅是影響我國氣候異常的關鍵區[1]，也是深入理解和認識海洋環境預報減災以及氣候變化區域響應和應對研究的重點海域，主要任務涉及海洋與氣候變化研究與預測、海洋災害風險分析評估以及減災防災決策服務和海洋環境安全保障體系建立等[2]。上述科學與實際問題的解決是保障21世紀海上絲綢之路建設實施和發展的必然要求，迫切需要開展相關的基礎應用研究。絲路海區的海洋-大氣-陸地相互作用強烈而復雜，這里有世界上范圍最廣、海表溫度最高的西太平洋暖池區[3-5]，太平洋強西邊界流系將低緯度能量輸送到中高緯度[6-7]，亞澳3大季風系統也在此交匯[8-9]，這些海洋大氣系統不僅交互影響，而且還受其他氣候變率遙相關過程的調配，進而對周邊地區氣候及異常變化起著關鍵性作用。其中，印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole，IOD)、ENSO(El Nio-South Oscillation)和太平洋10年期振蕩(PDO)是印度洋和太平洋(印-太)海域主要的海洋變率[10-12],更是我國海洋預報減災研究的重點。此外，Nitta[13]發現存在于菲律賓附近的對流活動激發的東亞-太平洋相關型(EAP型)，其對太平洋和我國近海海洋環境均有明顯影響[14-15]。而如北大西洋濤動(NAO)和北極濤動(AO)等大氣遙相關型與印-太海洋變率間可能存在相互作用關系[16]，進而對絲路海區海洋環境的變化產生聯合作用。由于氣候變化背景下局地氣候變率和遙相關型的交互影響，絲路海區海洋環境變化具有一定的復雜性，尤其是影響海表溫度變化的熱動力過程更為復雜，而認清各種氣候變率與絲路海區海洋環境，尤其是熱力環境變化的凈相關性，是研究海洋環境變化及其成因機理(包括強迫因子、影響途徑和作用貢獻等)乃至最終達到預報減災目的的根本前提。目前關于絲路海區海洋環境要素與氣候變率的相關性和作用關系的研究已較多，本研究不再贅述。但有關研究大多缺乏對各時間尺度氣候變率之間相關關系和貢獻的辨識，由于各變率間可能存在一定的關聯性，如不從一定程度剔除其他變率信號的干擾，所得的關聯性可能更多是一種綜合疊加效果，而非純粹相關關系(如偏相關分析所指的凈相關關系)，這給歸因分析帶來一定影響，即無法判斷關聯性來自于哪種變率或各自的作用貢獻如何。從研究對象和尺度配置而言，作為背景場的氣候變率可以不考慮其與其他變率信號的關系，而以某個變率為主體的診斷研究則需剔除其他變率信號的影響，這對于厘清海洋系統內相互作用以及與外界強迫的關系至關重要，也是當前提升氣候模式預測預報水平的難點之一[17]。眾所周知，海表溫度是氣候和海洋環境變化預測預報和減災防災工作中的關鍵指標，作為初步嘗試，本研究擬側重相關性分析的技術方法及應用,從季風、海洋變率和大氣遙相關型入手，基于氣候變化背景下氣候系統內部變率的交互影響，在一定程度(有限但必要)濾除其他干擾信號后，重新審視和探討其與絲路海區海表溫度年際和年代際異常變化的相關性特征等，以期為我國有關海洋環境變化的診斷預報和減災防災提供必要的科學依據。

1 資料和方法

1950年1月至2015年12月的月平均地表溫度主要取自英國氣象局Hadley中心的海表溫度再分析數據和英國環境數據分析中心的陸表氣溫再分析數據。基于影響絲路海區氣候和海洋環境預測預報的主要氣候因子，選取各變率指標和指數序列(表1)，包括主要的年際、年代際海洋變率，大氣遙相關型和季風變化等，其中ENSO指標以及AO、NAO和PNA指數均取自NOAA氣候預測中心網站。需要指出的是，目前針對各氣候變率的指標指數較多，文中氣候變率的選擇并非全面，其指標指數的選擇也沒有嚴格標準，主要從數據源(包括時間序列的連續性等)、權威性和普適程度等方面考慮；同時，由于主要關注氣候變率之間的交互作用,包括聯合協同作用以及抵消作用對環境要素變化相關性的影響，從技術方法角度考慮，指標指數的選擇范圍和條件并不影響本研究分析結論。本研究主要利用統計相關分析方法探討主要海洋、大氣變率與絲路海區海表溫度的年際和年代際尺度變化上的線性相關性，同時采用回歸分析方法濾除其他變率信號。

表1 1950—2015年各類氣候變率指標、指數相關系數

注：**表示各相關系數通過99%的顯著性檢驗；*表示各相關系數通過95%的顯著性檢驗。

相關分析表明(表1)，本研究選取的所有變率指標均與其他某個或某些變率之間存在顯著相關，其中ENSO指標作為我國預報減災的重點，其相關范疇最廣，有4個相關指標；而印度洋偶極子和北大西洋濤動的相關范圍則較小，主要分別與ENSO和北極濤動相關，因此在探討其與絲路海區海表溫度異常變化的相關性時對其他變率信號的干擾應予以濾除。下文均以上述得到的各變率的相關性為基礎，先對各指標序列進行標準化處理，然后就某一變率的原始指標減去通過回歸分析得到的其他變率在該變率中的信號，以達到對其他干擾信號的濾除；同時為消除全球變化的影響(圖1)，首先對各物理量和指標序列作去傾處理，然后進行相關分析。此外，南海夏季風與東亞夏季風具有高度相關(相關系數為0.898)，而南海夏季風作為東亞夏季風的肇始，與我國雨型及旱澇等災害分布密切相關[9,24]。限于篇幅，在季風指數、局地海洋變率和遙相關型等氣候變率中，本研究主要圍繞南海夏季風、ENSO、PDO和AO與絲路海區海表溫度的相關關系特征進行探討。

需要指出的是，相關關系是變量(要素)間不確定的依存關系，必須在一定的物理等意義下統籌考慮，才能認識和理解相關關系背后的機制機理；相關關系和機制機理本身具有復雜性，而認識相關性是研究事物變化機制機理的根本前提，尤其本研究以相關性分析的技術方法及應用為側重點，因此關于相關性首先提出以下概念。在涉及第三方C(可能為要素或變率集合)的影響下，分析要素A與變率B的相關性主要考慮3種類型(圖2)：①直接相關；②間接(遞接)相關；③協應(對接)相關，即A和B沒有直接和間接關系，而是共同對C作出響應。需要注意的是，實際的相關要復雜得多，一般A和B二者的相關主要看作3種相關的疊加，而上述對各要素的去傾處理則是消除第三種相關的影響。通常，研究中采用的偏相關分析是針對如圖2(a)所示的情況，即如果A和C也存在相關(②存在的情況下)，對A和B的相關性則可用偏相關分析。本研究主要關注第一種和第二種相關，目的在于找到要素和變率間的直接關系或作用通道，從而為分析探討要素變化背后的機理以及對其進行預測預報提供必要的科學依據。

圖2 相關類型示意(箭頭和連線表示作用關系和途徑)

2 南海夏季風與絲路海區海表溫度異常變化的相關性

首先對南海夏季風標準化指數與絲路海區海表溫度異常作相關分析(簡稱原始相關)，然后將濾除南亞夏季風信號的南海夏季風指數與絲路海區海表溫度異常作相關分析(簡稱濾波相關)，最后將濾除南亞夏季風信號的南海夏季風指數與絲路海區海表溫度異常作時滯相關分析(簡稱時滯相關)(圖3)。原始相關分析表明，南海夏季風主要與熱帶的西南印度洋、中太平洋以及包括我國近海、日本海以及日本以東的北太平洋3個海域的海表溫度呈正相關關系，而與南海中部、珊瑚海等海域存在負相關關系(圖3(a))。比較而言，濾除信號后，正相關區域的范圍均有明顯縮小，其中我國近海海域的正相關關系已不明顯，而日本以東的北太平洋海域正相關范圍變化較小；二者的負相關區域范圍擴大，其中珊瑚海的負相關區域擴大至澳洲北部東西兩側的大范圍海域。可以看出，由于南亞夏季風參與影響，南海夏季風與絲路海區海表溫度正相關區域范圍擴大，而負相關區域則相對減少(圖3(b))。時滯相關分析表明，前期主要是20°N以北的北太平洋海域海表溫度對南海夏季風可能存在正相關影響(圖3(c))，而后期南海夏季風則可能對我國近海及澳洲北部等大范圍海域存在負相關影響(圖3(d))，這可能與季風的增強會增加海氣熱通量的釋放有關。以上差異應在南海夏季風變化及影響的預測預報中予以關注。

圖3 南海夏季風與絲路海區海表溫度相關場

3 海洋年際、年代際變率與絲路海區海表溫度異常變化的相關性

ENSO(主要指暖事件)與絲路海區海表溫度異常的原始相關性分析表明，其主要與我國南海和印度洋海表溫度呈正相關關系，而與熱帶西太平洋海域海表溫度呈負相關關系(圖4(a))。濾除信號后，除印度洋外，二者的正相關區域擴大到包括我國近海及以北太范圍的西北太平洋海域；同時赤道以北的熱帶西太平洋負相關區域相關性更加明顯，赤道以南有所減弱(圖4(b))。時滯相關分析表明，前期印度洋和熱帶(20°S～20°N)西太平洋分別與ENSO呈反位相相關關系(圖4(c))，大尺度的環流系統和局地反饋可能是ENSO爆發的前提，這方面的研究仍有待深入，如中東太平洋的西風異常(爆發)與ENSO的關聯性等；ENSO對后期絲路海區海表溫度的影響主要體現在ENSO發生后可能對包括我國南海以及東印度洋海域海表溫度產生負相關影響，而對西印度洋，我國渤海、黃海、東海以及日本以東的北太平洋產生正相關影響(圖4(d))。

圖4 ENSO與絲路海區海表溫度異常相關場

從PDO與絲路海區海表溫度異常的原始相關分析結果可以看出(圖5(a))，在熱帶海域存在一定程度的ENSO信號，在濾除包括ENSO等變率的影響后，PDO對絲路海區海表溫度的相關關系呈現約以20°N和40°N為界的南北三極反位相相關關系(圖5(b))。時滯相關分析表明，前期西太平洋海域海表溫度異常與PDO呈正負相間的帶狀相關性分布(圖5(c))，而PDO對后期包括我國南海、印度洋和赤道中太平洋海表溫度呈現正相關影響，對20°N～40°N北太平洋海域海表溫度則呈負相關影響；我國渤海、黃海、東海對PDO的響應不明顯，也可能與信號傳播和影響的時間尺度有關(圖5(d))。

圖5 PDO與絲路海區海表溫度異常相關場

4 北極濤動與絲路海區海表溫度異常變化的相關性

北極濤動是中緯度地區與極地間的一種遙相關振蕩，除日本海外，其與絲路海區海表溫度異常變化的相關性并不明顯(圖6(b))；而由于北大西洋濤動和PDO等其他變率的影響，AO對包括我國渤海、黃海、東海和30°N以北的北太平洋海域海表溫度異常呈現顯著的正相關關系(圖6(a))。時滯相關分析表明，前期40°N以北的北太平洋海域對AO可能存在主要的正相關影響，同時赤道以南的印度洋及鄰近海域海表溫度異常對AO也可能存在較弱的正相關影響(圖6(c))；AO的存在主要對我國南海、印度洋全海域海表溫度異常存在正相關影響(圖6(d))，這可能通過副熱帶高壓和西風急流等大氣波列產生作用，具體影響機理需進一步分析探討。

圖6 AO與絲路海區海表溫度異常相關場

5 討論

近幾十年來，全球變化以增溫為顯著特征[2]，而不同區域對全球變暖的響應并非一致(圖7(a))。一般來說，南極、北極、青藏高原(由于其隆起成為地球中低緯度地區唯一大面積進入冰凍圈的地區)以及赤道附近暖池區域被認為是地球的4個極，主要對應冷極和暖極[5]；在氣候變暖背景下，由于冰凍圈及其快速變化對全球和區域的氣候變化有至關重要的影響，作為冷極的極地地區和青藏高原被學者稱為全球和區域氣候變化的驅動器和放大器，這里有關極地地區氣候變化的討論從略。另一方面，就全球海洋熱力狀況的平均態及其要素本身變化而言(圖7(a)、圖7(b))，熱力要素的梯度則體現為氣候變化響應的放大器，梯度的大值區(圖7(c)中方格填充區)成為對氣候變暖響應的最顯著區，在海洋中主要位于我國東海和日本海、墨西哥灣流、南美洲及澳洲的東南部沿海等中高緯度區域；同時由于溫度梯度的存在，在同等響應下(變化幅度相同)，中高緯度地區的氣候變化速度較小，而低緯度地區的變化速度較大(圖7(c)中斜線填充區)，進而表明溫度梯度在全球氣候變化一致性和氣候變化區域響應的非均勻性上起著關鍵性作用，尤其是在氣候變化區域響應上充分體現放大器的效用。更重要的是，區域性和局地氣候因子及其變率不僅交互影響，而且還制約著氣候平均態的構成，從而進一步調控全球變化和氣候區域響應特征。

圖7 1950—2015年間全球(不包括極地及 鄰近區域)地表溫度氣候特征

鑒于全球氣候變化的一致性和氣候變化區域響應的非均勻性，區域性氣候和海洋環境變化研究及其預測預報更具現實意義。加之全球變暖背景下，區域氣候和海洋變化變率(尤其是急轉和突變等)及災害風險的不確定性(主要指災害本身發生頻次的不確定性，尤其重大災害的突發性和時空密集性)會進一步加強，從而使氣候和環境要素的變化、轉變更為復雜，極端天氣氣候事件突發，這會給預測預報和減災防災工作帶來很大挑戰，而厘清相關要素與不同時空尺度氣候變率的凈相關性是科學問題解決及應用的重要前提。因此，本研究選取一些典型的海洋和大氣中的氣候變率，從線性系統的角度(不考慮非線性相關)，基于區域氣候因子(變率)間一定物理意義上的相互影響和作用關系的認識，在暫不考慮時滯效應的前提下，分析其與絲路海區海表溫度異常變化的凈相關性特征，經濾除干擾信號后的主要變率與海表溫度異常變化之間存在顯著相關。尤其值得提出的是，分析表明各氣候變率對海表溫度變化可能存在交互或聯合影響，是否濾除其他變率的干擾對相關性有時會存在較大程度的影響，而其間的差異很可能是氣候變率與環境要素之間相關性時空和時頻改變(如二者相關性空間分布變化尤其是顯著性區域的轉移、強度的改變乃至位相轉換和時間突變等)的重要原因之一，更是氣候因子及其變率指標體系構建的根本依據。這一點在研究氣候變率影響機理及其氣候因子和海洋環境變化的預測預報時應予以關注，需作必要的干擾信號濾除處理，從而以更清晰的物理圖景認識海表溫度變化和未來趨勢，更好地為相關氣候變化分析評估和未來情景預估提供科學依據，并逐步提升科學應對氣候變化和海洋環境安全保障水平，最終為我國海洋強國戰略布局和實施服務。

同時，本研究對海表溫度與氣候變率之間相互作用關系的認識還不是很透徹，尚待進一步圍繞某一變率對海洋環境要素的影響進行細致分析，進而明確其間的關聯性以及相互作用關系和影響過程機理等。此外，本研究沒有采用偏相關分析，主要考慮要素空間分布及與變率相關的區域特征和復雜度，其可操作性較差；與控制變量的偏相關分析相比較，本研究首先提出分類型的相關分析和信號濾除更能了解變量間的相關性，尤其是相互作用關系、影響途徑和通道及其貢獻等，同時結合一定的物理意義可更清楚地認識要素變化的機制機理；即使使用偏相關分析，仍需對偏相關中的相關性進行信號濾除處理，而一般的偏相關缺乏這一步驟。

6 結語

本研究側重于相關性分析技術方法與應用，旨在辨識氣候變化背景下各變率對包括我國及周邊等絲路海區海洋環境變化的交互影響，經一定程度地(有限但必要)濾除干擾信號，探討絲路海區海表溫度異常變化與各氣候變率之間的凈相關特征和顯著差異，以期為提高我國海洋環境變化的診斷和預報水平提供必要的參考依據，進而提升我國海洋領域科學應對氣候變化以及海洋環境安全保障水平。主要結論如下：

(1)南海夏季風主要與中國近海(尤其是南海)和澳洲北部海域呈負相關關系，而與日本及以東的北太平洋海域呈正相關關系。由于南亞季風的影響，可能會增強南海夏季風與我國近海海表溫度的正相關關系(主要包括相關關系的范圍、強度和位相等)，并可能使我國海域與南海夏季風呈現反位相的相關關系。前期大致以20°N為界，絲路海區海表溫度對南海夏季風呈南北反位相的相關影響，尤其是20°N以北海域存在明顯的正相關關系；而南海夏季風對后期我國近海和澳洲北部海域海表溫度的降低可能存在明顯影響，這可能與季風引起的海氣相互作用及熱通量交換增強有關，尚待進一步深入分析。

(2)ENSO(暖事件)主要與印度洋和包括我國近海的西北太平洋呈正相關關系，而與熱帶西太平洋呈現負相關關系；由于其他變率的影響，可能會明顯減弱ENSO對包括我國近海的西北太平洋海域海表溫度的正相關關系。前期印度洋和熱帶西太平洋對ENSO可能主要呈反位相的相關影響，而ENSO主要對后期印度洋偶極子式的海表溫度異常變化以及包括我國近海的西太平洋海域海表溫度異常反位相變化產生影響。PDO與絲路海區海表溫度主要呈現南北正負相間的帶狀相關性分布，ENSO信號在PDO與絲路海區海表溫度相關性中的影響可能較大。前期西太平洋海表溫度南北正負相間的帶狀分布對PDO可能存在主要影響，PDO對后期印度洋海盆尺度的海表溫度異常變化可能主要存在一致的正相關影響，同樣對我國南海也存在正相關影響，而西太平洋仍以正負相間的海表溫度變化作為對PDO的主要響應特征。此外，我國渤海、黃海和東海對PDO的后期響應不明顯，也可能與信號未被捕捉有關。

(3)北極濤動與絲路海區海表溫度的關系較不明顯，由于其他變率的聯合影響，包括我國渤海、黃海和東海以及30°N以北的北太平洋海域海表溫度異常與AO呈現顯著的正相關關系。前期40°N以北的北太平洋海域對AO可能存在主要的正相關影響，而AO對我國南海、印度洋全海域海表溫度后期的異常變化可能存在正相關影響。

(4)除極地區域外，就全球熱力狀況的平均態及其基礎要素本身變化而言，熱力要素的空間梯度則體現為其對氣候變化區域響應的放大器，其中溫度梯度在全球氣候變化一致性和氣候變化區域響應的非均勻性上很可能起著關鍵性作用。尤其是梯度的大值區成為對氣候變暖響應的最顯著區，在海洋中主要位于我國東海和日本海、墨西哥灣流、南美洲和非洲以至澳洲的東南部沿海等中高緯度區域。而溫度梯度的分布和變化與區域性和局地氣候因子及變率具有直接關系(如海溫梯度與季風等)，具體機制機理將進一步分析研究。

鑒于海-陸-氣系統內各要素和變率相關性異常復雜，本研究并非驗證氣候變率相關指標指數的適用性和正確性以及其被用于有關機制機理研究的合理性，今后將致力于從聚類分析的角度，重點辨識全球和區域性海洋、陸地和大氣中的系統性結構，著眼于純粹相關性構建氣候變率指標體系，綜合分析研究各體系間的(包括非線性)相互作用關系和機制，以豐富海-陸-氣相互作用與氣候環境變化和異常演變的機理研究，尤其為氣候和海洋變化的預測預報和災害風險評估及適應和對策研究提供必要的科學依據和技術支撐，也為我國21世紀海上絲綢之路建設和海洋強國戰略實施提供環境安全保障服務。

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Spatio-Temporal Change of Sea Surface Temperature Anomalies in Seas of 21st Century Maritime Silk Road and Its Net Correlation to Climate Variability

QI Qinghua1,2，CAI Rongshuo1,2

(1.Third Institute of Oceanography，SOA，Xiamen 361005，China；2.Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry,SOA，Xiamen 361005，China)

Regional ocean system and its thermal environmental elements are affected reciprocally by local and other teleconnected climate variability on different spatio-temporal scales.Analysis of the net relationship between them is one of the important aspects for the research of mechanisms and predictability on changes of marine environmental elements.This paper chose the main oceanic and atmospheric variability and teleconnection patterns with filtering interference signals to a certain degree，and analyzed the main correlation characteristics and difference between the climate variability and sea surface temperature (SST) anomalies in seas of 21st Century Maritime Silk Road (MSRS).The analysis provides a new basis and technical support services for the research on the ocean and climate changes and the marine environment security of China.

Sea surface temperature，Climate variability，Temperature gradient，Marine environment security，21st Century Maritime Silk Road

2016-08-31；

2017-03-11

中國清潔生產發展機制基金項目(2014112)；福建省自然科學基金面上項目(2017J01076)；國家海洋局第三海洋研究所基本科研業務費專項資金資助項目(海三科20015030).

齊慶華，助理研究員，博士，研究方向為海陸氣相互作用與氣候、環境變化及災害風險評估與適應對策，電子信箱：qqh_2002@163.com

P7

A

1005-9857(2017)04-0041-09