兩種形態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氣候變化對兩種不同形態 ENSO的響應特征。結果表明, 南半球熱帶外區域氣候在1999年前后兩個時段對ENSO的響應表現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指數在時間上的相關性和空間上的響應強度都普遍大于Ni?o4指數, 說明這一時段東部型ENSO對南半球熱帶外區域氣候變化的影響要更強一些。在1999—2012年, 不同形態ENSO與氣候變量的相關性大小并無明顯的規律, 而且空間響應場的差異性并不大。海平面氣壓、風場和氣溫對 ENSO變化的響應在南半球冬季表現最為強烈, 在夏季最弱。三者在1999—2012年秋季對Ni?o3指數和Ni?o4指數的響應場中出現了緯向三波數結構。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變化的正響應明顯強于對 Ni?o3的響應, 該特征在混合層溫度中也有體現, 表明海表氣溫隨 ENSO的變化受海洋特征變化影響較大。混合層深度和混合層溫度的響應場之間存在很大的相關性, 混合層溫度響應在秋季表現最強, 春季最弱, 混合層深度響應與之相反。在1979—1998年, 海冰密集度對不同Ni?o指數變化的響應差異主要出現在海冰結冰季節, 而海冰厚度對不同Ni?o指數變化的響應差異在夏季表現較強。海冰密集度和厚度對Ni?o3變化響應的年代際差異在秋冬季節更加明顯, 對Ni?o4變化響應的年代際差異在秋、冬、春季都較明顯。

0 引言

ENSO作為地球系統中最為重要的一種海氣相互作用現象, 一直以來是影響全球氣候變化的重要氣候模態, 盡管ENSO現象本身局限于熱帶太平洋地區, 但其會以遙相關的方式間接地影響全球的大氣環流[1-3]。Alexander等[4]指出, ENSO驅動的大尺度氣候模態以氣候橋的方式將熱帶地區海表溫度異常帶到熱帶以外地區, 進而影響這些地區的氣候變化特征。南大洋作為連通全球大洋的重要通道和全球重要的碳匯, 其在大洋環流、氣候變化以及生態系統調節方面起著重要的作用, 研究ENSO對包括南大洋在內的南半球熱帶外區域氣候變化的影響, 有利于幫助我們理解ENSO在全球氣候系統中的重要作用。近年來國內外學者在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, 發現氣溫距平和海冰距平的相關性關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之間的緊密聯系。Simpkins等[7]分季節研究了海冰密集度與ENSO之間的關系, 指出南極海冰與ENSO之間的聯系并不是線性的, 季節和ENSO循環階段的不同對海冰密集度會產生不同的影響。

ENSO發生期間最明顯的特征是熱帶太平洋地區海表溫度出現異常。Rasmusson等[8]發現典型的厄爾尼諾發生期間海溫異常出現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發生期間海溫異常也會先出現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的 ENSO存在, 并根據ENSO發生的周期、持續時間和出現區域的不同將ENSO劃分為不同的類型。Kao和Yu[10]指出,ENSO發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移, 是劃分不同ENSO形態的最主要特征。Kug等[11]在研究中根據厄爾尼諾發生時海溫異常區域的不同, 將厄爾尼諾事件分為兩類。把傳統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在 Ni?o3海溫區。將海溫異常主要出現在 Ni?o4海溫區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,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發生期間海表溫度異常出現在赤道太平洋東部靠近南美洲海岸, 而中太平洋型 ENSO發生期間海表溫度異常主要出現在太平洋中部。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系密切的一種氣候模態, ENSO在1999年前后發生了很大變化。1980—1998年間表現為傳統的東太平洋海表溫度異常, 而在1999—2010年間表現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形態發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能激發不同的大氣環流模態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形態與海表溫度變化之間的關系。Yu等[15]也注意到ENSO形態在20世紀90年代前后發生了變化, 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。

上述研究表明ENSO是影響南半球氣候的重要模態之一, 20世紀90年代前后ENSO的形態發生了變化, 并且不同形態的 ENSO對南半球氣候變化的作用方式也不同。盡管目前關于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, 區分兩種形態 ENSO的研究相對較少; 對于區分不同 ENSO 形態的研究, 考察的變量也較多局限于海表溫度和海冰等少數氣候變量。本文將通過再分析數據, 分季節系統探討兩種形態ENSO在1999年前后兩個時段(1979—1998年和1999—2012年)對南半球熱帶外區域大氣、海洋和海冰等氣候變量的影響。在關注不同ENSO形態對氣候影響差異性的同時, 本研究也將關注同一 ENSO形態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報中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ORAP5(Ocean Reanalysis Pilot 5)月平均數據[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數據通過NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean)模型的3.4.1版本產生, 并且運用3D-Var算法同化了大量海氣數據, 包括來自于EN3 v2a的溫度與鹽度數據、來自于AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data)的海平面異常數據以及來自于 ERA-40和 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)的海表溫度異常和海冰數據。其中, ORAP5的大氣驅動場來自于 ECMWF的大氣再分析資料ERA-Interim[17], 也是本研究中大氣數據所源于的資料。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數據同化算法。本研究選用ERA-Interim 1979年1月—2012年12月的月平均數據, 關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變化的充分反饋, 但作為 ERA-Interim大氣環流模式底邊界條件的SST數據以及ORAP5中同化的SST數據均來自于衛星觀測, 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 數據處理

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年的數據資料截取為 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指數分別通過計算熱帶東太平洋區域(5°S—5°N, 90°W—150°W)和熱帶中太平洋區域(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據的線性趨勢和季節變化信號, 再將各變量的時間序列數據與Ni?o指數的時間序列數據作線性回歸, 回歸系數(斜率)即各氣候變量對于 Ni?o指數變化一個標準差得到的響應值。計算氣候變量與Ni?o指數時間序列相關性時, 先使用經驗正交分解(empirical orthogonal function, EOF)得到各氣候變量的主成分時間序列(principal component time series, PCs), 再與相應的Ni?o指數作相關性分析得到相關系數。

2 結果與討論

2.1 南半球熱帶外氣候變量與 Ni?o指數變化的相關性分析

南半球熱帶外大氣、海洋和海冰變量第一和第二模態的主成分時間序列與 Ni?o指數時間序列相關性系數的絕對值列于表 1, 其中加粗數據表示通過了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的主成分時間序列與Ni?o指數時間序列的相關系數絕對值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時間序列與Ni?o指數變化的相關系數, 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指數的相關系數大部分通過了 95%的顯著性檢驗, 盡管除混合層溫度外,其他變量與Ni?o指數變化的相關系數普遍較小。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的相關性。從表1可以看到,各氣候變量與同一 Ni?o指數變化的相關性在1999年前后變化較大, 后一時段的相關系數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出了年代際變化。在79—98時段, 各變量與Ni?o3指數的相關系數也普遍高于與 Ni?o4指數的相關系數,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,各氣候變量則表現出不同的特征。其中, 海平面氣壓和混合層溫度與Ni?o3指數的相關性大于與Ni?o4指數的相關性, 而海表氣溫與 Ni?o4指數的相關性則大于與Ni?o3指數的相關性。

以上相關性分析, 是將南半球熱帶外區域作為一個整體, 考察其與 ENSO變化的關系, 這種分析無法體現ENSO對南半球熱帶外區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指數響應的空間分布特征。

2.2 南半球熱帶外氣候變量對兩種 ENSO 形態變化響應的空間分布特征

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(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(e–h, m–p)變化在南半球夏季(DJF)、秋季(MAM)、冬季(JJA)和春季(SON)響應的空間分布特征, 標有“+”區域表示響應通過了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指數變化一個標準差的響應分布特征。從季節變化來看, 冬季海平面氣壓對 Ni?o指數變化的響應值在所有季節中表現最大, 在79—98年夏季(圖1e)的響應值最小。春季, 除圖1h外, 在阿蒙森海以北50°S—70°S區域均出現了較強且顯著的正響應區, 而且圖1h的響應強度也明顯要小于同季節的其他響應場。分時段來看, 79—98年秋冬兩季海平面氣壓對Ni?o4指數變化的響應(圖1f, g)要強于對 Ni?o3指數的響應(圖1b, c), 而在99—12年海平面氣壓對 Ni?o3指數的響應強度在各季節都普遍大于對 Ni?o4指數的響應強度。冬季, 不同年代的響應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為顯著的正響應, 99—12年冬季(圖1k)相應區域則不存在顯著的響應, 而在非洲西部海域出現了顯著的正響應, 在澳大利亞南部海域出現了顯著的負響應。對Ni?o4指數的響應則表現出了更大的年代際差異, 99—12年冬季(圖1o)中40°S以南無顯著響應出現, 而在79—98年冬季(圖1g)中羅斯海及阿蒙森海鄰近區域都表現出顯著且較強的正響應, 負響應則從澳大利亞南部一直延伸到太平洋扇區東部。在秋季, 99—12年海平面氣壓對 Ni?o3和 Ni?o4指數的響應場(圖1j, n)中均出現了緯向三波數的結構, 即三個較為明顯的負異常中心分別出現在新西蘭以東、威德爾海以北和印度洋扇區中東部, 正異常中心分別出現在阿蒙森海以北、印度洋扇區西側和澳大利亞以南, 在其他季節未見到該結構的出現。類似的三波數結構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狀模(Southern Annular Mode, SAM)的響應研究中發現, 海平面氣壓對SAM的響應在秋季表現最強烈, 且呈現出明顯的緯向三波數結構。Yeo等[13]在ENSO與南半球氣候變化關系的研究中, 發現99—12年南半球熱帶外海平面氣壓對ENSO的響應場中也有類似的三波數結構。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。Mo[21]對500 m位勢高度氣壓數據作EOF分解, 其得到的EOF第一模態對應SAM, 第二模態則對應PSA。SAM表現為南半球中緯度和高緯度之間氣壓反向變化的特征,PSA表現為由熱帶中部太平洋激發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模態的正負相位也分別與拉尼娜現象和厄爾尼諾現象密切相關。為探討研究區域變量對ENSO的響應特征與SAM/PSA之間的可能聯系, 本文同樣對海平面氣壓數據做EOF分解, 得到的前兩個EOF模態圖顯示于圖2?？梢钥吹?79—98時段前兩個 EOF模態的解釋方差分別為28.0%和11.3%, 99—12時段的前兩個EOF模態的解釋方差分別為28.9%和11.2%。分時段來看, 前后兩個時段的 EOF模態表現出了很大的一致性,僅有部分區域的強度有所差別?？梢钥闯鰞蓚€時段的 EOF第一模態都呈現出三波數的結構, 即SAM的形態。EOF第二模態在太平洋中部高緯度地區存在較強的異常中心, 與PSA模態表現出較好的一致性。此外, 圖2顯示 99—12時段 SAM的三波數結構更強, 同時, PSA在第一時段沒有表現出三波數結構, 在第二時段則表現出三波數結構。因此, 圖1j、1n中的三波數特征可能是受到了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模態圖。其中1979—1998時段前兩個模態的解釋方差分別為28.0%和11.3%, 1999—2012時段前兩個模態的解釋方差分別為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(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(e–h, m–p)變化響應在不同季節的空間分布特征, 標有“+”區域表示響應通過了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時段不同季節海表上空10 m處風場對Ni?o3和Ni?o4指數變化一個標準差的響應分布特征。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場中響應值較大的區域與海平面氣壓梯度響應較強的區域吻合, 最強的響應也發生在秋冬兩季。分時段來看, 在79—98年冬季風場對Ni?o3指數響應(圖3c)較強的區域比對Ni?o4指數響應(圖3g)較強的區域偏東, 兩者響應強度大小相當。而在99—12年冬季風場對Ni?o3指數的響應(圖3k)要強于對 Ni?o4指數的響應(圖3o)。秋季, 在 99—12年風場的響應場中(圖3j, n), 對應氣壓響應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中東部出現了異常的氣旋;同樣, 對應氣壓場的正異常中心, 在阿蒙森海以北、印度洋扇區西側和澳大利亞以南出現了異常的反氣旋。冬季, 與氣壓場在太平洋扇區高緯度的負異常中心和中緯度的正異常中心相對應, 在太平洋扇區40°S—60°S和20°S—40°S分別出現了異常的東風和西風區(圖3c, k, o), 風場最大異常值區域對應于氣壓響應場中異常值梯度最大的區域。春季, 79—98年風場對Ni?o3指數的響應場以及99—12年風場對Ni?o3 和 Ni?o4 的響應場(圖3d, l, p)在阿蒙森海以北出現反氣旋中心, 反氣旋北邊緣最遠延伸至 35°S,這也正好對應氣壓場在此區域正異常的極大值。

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(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(e–h, m–p)變化響應在不同季節的空間分布特征, 標有“+”區域表示響應通過了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時段不同季節海表氣溫對Ni?o3和Ni?o4指數變化一個標準差的響應分布特征。從整體來看, 海表氣溫對Ni?o指數變化的響應與海平面氣壓和風場類似,也是在秋冬兩季響應比較強烈, 在79—98年夏季(圖4e)響應最弱。分時段來看, 79—98年冬季海表氣溫對Ni?o4指數的響應(圖4g)明顯要強于對Ni?o3指數的響應(圖4c), 其他季節情況相反, 這與海表氣壓的響應特征類似。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域, 海表氣溫對 Ni?o4指數變化的響應要強于對 Ni?o3指數的響應, 這說明除大氣環流之外, 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指數變化的響應場(圖4j, n)中出現三個正響應中心, 分別分布在阿蒙森海及其以北區域、印度洋扇區南極大陸邊緣15°E—20°E區域以及西太平洋 130°E—135°E區域。對比海表風場(圖3j, n)來看, 這些正異常響應區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, 使得這些區域海表氣溫異常升高。在該季節, 兩個時段的響應特征表現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存在, 而在99—12年(圖4j, n)澳大利亞南部表現為顯著的正響應。對比風場的響應場, 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(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(e–h, m–p)變化響應在不同季節的空間分布特征, 標有“+”區域表示響應通過了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指數變化一個標準差的響應分布特征。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變化的響應場存在著顯著的季節性和年際變化特征。總體來看冬春兩季混合層深度的響應較強, 夏秋兩季的響應較小。冬季各響應場大體表現出一致的響應特征, 較明顯的差異是在79—98年混合層深度對 Ni?o3的響應場(圖5c)在印度洋扇區中部出現了較強的負異常, 而圖5g, k, n在此區域都表現為正異常。對比這一地區冬季其他氣候變量對Ni?o指數變化的響應場, 發現在該區域也表現出了與同季節其他響應場不同的特征: 海平面氣壓在該區域表現為顯著的正異常, 風場在該區域以北和以南分別出現異常東風和西風, 海表氣溫在此區域也表現為正異常。海表氣溫出現正異常會導致該區域大氣向海洋感熱輸送的正異常, 而異常風場所產生的風應力正旋度通過艾克曼抽吸作用使得表層海水下沉, 海表氣溫和風應力旋度的變化分別使混合層變淺和變深。該區域混合層深度出現較強的負響應應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指數變化的響應差別較大, 圖5d中太平洋扇區中部50°S—60°S出現了較大的負異常值, 而在圖5h中該區域表現為正異常值。對比海表風場的響應場,發現圖3d中這一區域的風場的負異常值也較大,圖5d中混合層深度的負響應可能與圖3d中該區域減弱的西風有關。79—98年夏秋季節, 與大氣變量類似, 混合層深度對 Ni?o3指數變化的響應要明顯強于對Ni?o4指數變化的響應。對比79—98年秋季海表風場和海表氣溫的響應特征, 可以看出混合層溫度響應較強的地方海表風場和海表氣溫的響應值都較大, 而在印度洋扇區和太平洋扇區海表風場和海表氣溫響應值都較小, 混合層深度的響應也幾乎不存在。

2.2.5 混合層溫度

圖6顯示了79—98時段和99—12時段不同季節混合層溫度對Ni?o3和Ni?o4指數變化一個標準差的響應分布特征?；旌蠈訙囟群突旌蠈由疃葘?Ni?o變化響應的季節性特征表現出了很強的相關性: 混合層溫度的響應在夏秋兩季較強,冬春兩季較弱; 而混合層深度的響應表現在夏秋兩季較弱, 冬春兩季較強?；旌蠈訙囟鹊捻憫谙那飪杉颈憩F較強, 可能因為在夏秋季節混合層本身較淺, 在同等熱量變化條件下, 混合層溫度會出現較大的變化。從整體來看, 79—98時段混合層溫度在各個季節都對Ni?o3指數變化的響應更強, 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變化的響應則明顯強于對Ni?o3變化的響應。對比海表氣溫與混合層溫度的響應場, 可以看出混合層溫度與海表氣溫有很密切的聯系。例如在秋季, 79—98年(圖4b)以及99—12年(圖4j, n)海表氣溫響應場在阿蒙森海以北表現為顯著的正異常, 在南極半島附近表現為顯著的負異常。相應地, 混合層溫度響應場也在阿蒙森海以北和南極半島附近分別表現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指數變化的響應在秋季也出現了較大的年代際變化特征, 對比79—98年(圖6b)和99—12年(圖6j)的響應場, 圖6b中表現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東部, 而圖6j中的負異常區范圍則明顯縮小?；旌蠈訙囟缺憩F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之間的關系,Simpkins等[7]指出海冰和大氣之間存在復雜的相互作用關系, 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生變化。Yu等[26]在研究中也發現, 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年衛星觀測南極海冰數據, 發現海冰速度的變化很大程度上受到風場的影響。在圖7的結果中也發現海冰速度場與風場存在很強的相關性,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指數變化的響應以及在兩個時段對同一Ni?o指數變化的響應都表現出了很明顯的差異。79—98年時段, 海冰密集度對 Ni?o3指數和 Ni?o4指數變化的響應差異主要出現在海冰結冰季節, 即南半球的秋季、冬季和春季。秋季,響應的差異性主要體現在威德爾海, 在威德爾海東部靠近南極大陸地區海冰密集度和厚度對Ni?o3指數變化的響應表現出更強的正異常, 該特征與圖3b中此區域氣溫的顯著負異常相關。冬季, 主要的差異體現在羅斯海和阿蒙森海以北冰緣線附近海冰密集度負響應的位置和強度不同,圖7g中該區域的負響應中心主要發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指數變化的響應(圖7h)在西南極半島區域和羅斯海區域都要明顯弱于對Ni?o3變化的響應, 且圖7h與圖7d, l, p在上述區域的響應特征也存在明顯的不同, 這種差異主要受制于這兩個區域海表氣溫對Ni?o4變化響應強度差異的影響。海冰厚度對兩種Ni?o指數變化響應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的差異則表現較強。海冰密集度和厚度對于Ni?o3指數變化響應的年代際差異在南半球的秋冬兩季較為明顯, 秋季響應的差別主要體現在威德爾海區域正響應的發生位置、羅斯海區域的正響應強度以及阿蒙森海的負響應強度; 冬季的差異主要體現在南極半島以西正響應和阿蒙森海以北冰緣線處負響應的強度, 前者在99—12時段明顯弱于79—98時段, 而后者在99—12時段則表現更強。對于Ni?o4指數變化響應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和阿蒙森海的負響應都比較強, 而79—98時段這兩個區域并無明顯響應, 這點與海表氣溫的響應特征一致。冬季, 99—12時段海冰在西南極半島區域的正響應要明顯弱于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區域相對于 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, 且其影響會表現出很強的季節性差異。Zhang等[20]同樣使用ORAP5數據集研究了SAM對南極海冰的影響,海冰厚度響應圖結果與本文的結果具有一定的相似性, 再次揭示了ENSO與SAM之間的關系。

圖6 混合層溫度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)對 Ni?o3 指數(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(e–h, m–p)變化響應在不同季節的空間分布特征, 標有“+”區域表示響應通過了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(a–d, i–l)和 Ni?o4 指數(e–h, m–p)變化響應的空間分布, 標有“+”區域表示響應通過了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

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年兩個時段分季節探討了南半球熱帶外地區氣候變化對兩種不同形態ENSO的響應特征。得到的主要結果如下。

1.南半球熱帶外區域氣候在1999年前后兩個時段對ENSO的響應表現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指數在時間上的相關性和空間上的響應強度都普遍大于Ni?o4指數, 說明這一時段東部型ENSO對南半球熱帶外區域氣候變化的影響要更強一些。在1999—2012年, 兩種形態ENSO與氣候變量的相關性大小并無明顯的規律, 而且各變量對 Ni?o3和Ni?o4指數變化的空間響應場差異并不大。

2.海平面氣壓、風場和氣溫對ENSO變化的響應在南半球冬季表現最為強烈, 在夏季最弱。三者在 1999—2012年秋季對 Ni?o3指數和 Ni?o4指數的響應場中出現了緯向三波數結構, 與對 SAM 變化的響應場非常相近, 表明ENSO與SAM之間存在密切關系。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變化的正響應明顯強于對 Ni?o3的響應, 該特征在混合層溫度中也有體現, 表明海表氣溫隨ENSO的變化受海洋特征變化影響較大。混合層深度和混合層溫度的響應場之間存在很大的相關性,混合層溫度響應在秋季表現最強, 春季最弱, 混合層深度響應與之相反。在1979—1998年, 海冰密集度對不同 Ni?o指數變化的響應差異主要出現在海冰結冰季節, 而海冰厚度對不同 Ni?o指數變化的響應差異在夏季表現較強。海冰密集度和厚度對Ni?o3變化響應的年代際差異在秋冬季節更加明顯,對Ni?o4變化響應的年代際差異在秋、冬、春季都較明顯。差異主要體現在西南極半島正響應的強度、阿蒙森海和羅斯海區域負響應的強度和位置,其產生主要與海表溫度的響應特征差異有關, 同時也受到海冰運動的影響。

3.南半球熱帶外地區氣候變化是多種因素綜合作用的結果, 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氣候變化對ENSO變化的即時響應, 并沒有進一步展開各變量與ENSO變化的滯后或提前相關性分析以及ENSO與研究區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據資料源自于非耦合模式, 可能無法充分反映海洋狀態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。