南方濤動(dòng)指數(shù)與熱帶大洋暖池的相關(guān)分析

張小龍，張 捷，王文波，同明偉

1.延安市氣象局，陜西延安 716100；2.新余市氣象局，江西新余 338001

海洋面積占全球的70%以上，因而熱帶海洋是全球大氣運(yùn)動(dòng)的主要能源區(qū)。研究表明，熱帶地區(qū)的海氣相互作用最強(qiáng)烈，對(duì)氣候的年際變化貢獻(xiàn)最顯著，因此，眾多科學(xué)家尤為關(guān)注低緯度海-氣相互作用的相關(guān)研究[1-2]。熱帶大洋暖池是全球海洋表面溫度最高的區(qū)域，也是全球海-氣能量交換年總量最大的海域，它的維持和變化不僅對(duì)厄爾尼諾的發(fā)生、發(fā)展起著重要作用，而且對(duì)中高緯度大氣環(huán)流的變化也有重要影響[3-5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱帶大洋暖池進(jìn)行了許多研究，取得了一些有意義的結(jié)果。陳光華等[6]用1951—1990年的資料分析了西太平洋暖池的形態(tài)變化及與南方濤動(dòng)的關(guān)系，指出暖池面積與南方濤動(dòng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系；李春暉等[7]指出冬季熱帶西太平洋地區(qū)海溫指數(shù)與南方濤動(dòng)指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系具有顯著的年代際變遷。

1 研究資料

(1)使用1982—2016年的SST再分析資料，提取了1982—2016年逐月的海溫資料(長(zhǎng)度為420月)，空間范圍為40°～100°E、35°～35°S，分辨率為1°×1°，計(jì)算逐月的≥28 ℃網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)作為面積，熱帶大洋同時(shí)期該區(qū)域范圍內(nèi)≥28 ℃平均海溫作為暖池強(qiáng)度。(2)澳大利亞氣象局提供1982—2016年逐月的南方濤動(dòng)指數(shù)資料。

2 熱帶大洋暖池和南方濤動(dòng)指數(shù)的多年變化

2.1 暖池面積和強(qiáng)度的多年變化

2.1.1 熱帶大洋暖池面積的多年變化圖1是熱帶大洋暖池面積的多年變化，可知，1982、1987、1994—1995、1997—1998、2002、2009、2015年的熱帶大洋暖池面積明顯較大；1985—1986、1989、1999、2008、2011年的熱帶大洋暖池面積相對(duì)較低。熱帶大洋暖池的面積年際變化有增加趨勢(shì)，趨勢(shì)率為13.717網(wǎng)格數(shù)/年。

圖1 熱帶大洋暖池面積年平均年際變化

熱帶大洋池面積年均值多年變化小波系數(shù)實(shí)部和小波方差圖(圖2)，表明近35年熱帶大洋暖池面積年均值多年變化存在周期性，6～8年的周期振蕩在20世紀(jì)80年代比較顯著；9～10年的周期振蕩在1995—2016年比較顯著；17～19年的周期振蕩在2000—2016年比較顯著；20～22年的周期振蕩在20世紀(jì)80年代和90年代比較顯著；26～28年周期振蕩貫穿整個(gè)研究階段。

圖2 熱帶大洋暖池面積年均值多年變化小波系數(shù)實(shí)部(a)和小波方差(b)

2.1.2 熱帶大洋暖池強(qiáng)度的多年變化圖3表明熱帶大洋暖池強(qiáng)度年際變化有增強(qiáng)趨勢(shì)，趨勢(shì)率為0.007 ℃/年。1982、1987、1992、1998、2002、2010、2016年的熱帶大洋暖池強(qiáng)度明顯比較強(qiáng)，尤其是2016年達(dá)到了29.31 ℃；1985、1989、1993、1999、2008、2011年的熱帶大洋暖池強(qiáng)度相對(duì)較低，1985年僅有28.80 ℃。通過(guò)小波分析可知(圖略)，這35年的熱帶大洋暖池年強(qiáng)度的時(shí)間序列存在2個(gè)明顯的特征時(shí)間尺度，分別為19～22年和25～29年，其中后一個(gè)周期較強(qiáng)，前一個(gè)周期較弱，高低值中心分別在20年和26年的直線上。這2個(gè)震蕩周期貫穿整個(gè)研究階段。在25～29年的周期上可以看到2個(gè)正值中心，即熱帶大洋暖池強(qiáng)度較大的中心、熱帶大洋暖池強(qiáng)度較弱的中心。方差圖表明近35年小波方差有1個(gè)峰值，峰值在28～29年，說(shuō)明熱帶大洋暖池強(qiáng)度在近35年的變化中存在明顯的28～29年的周期振蕩。

圖3 熱帶大洋暖池強(qiáng)度年際變化

2.2 南方濤動(dòng)指數(shù)多年變化

圖4是南方濤動(dòng)指數(shù)的多年變化，可見(jiàn)有增加趨勢(shì)，趨勢(shì)率為0.018/年，尤其是21世紀(jì)以來(lái)，正距平出現(xiàn)愈來(lái)愈頻繁，負(fù)距平出現(xiàn)愈來(lái)愈少。1982、1987—1988、1992—1993、1994—1995、2015—2016年的南方濤動(dòng)指數(shù)年平均指數(shù)值較低；而1985—1986、1988—1989、1996—1997、1999—2000、2008—2009、2011—2012年的南方濤動(dòng)指數(shù)年平均指數(shù)較高，尤其是2011—2012年達(dá)1.40。通過(guò)小波分析可知(圖略)，南方濤動(dòng)指數(shù)年均值在6—8年的時(shí)間尺度上，在1982—2000年表現(xiàn)為1個(gè)弱周期；在16～18年的時(shí)間尺度上表現(xiàn)為1個(gè)較強(qiáng)的周期，并表現(xiàn)出多次正負(fù)交替的變化。方差圖存在2個(gè)明顯的峰值，說(shuō)明南方濤動(dòng)指數(shù)年均值多年變化存在2個(gè)周期，其中16～17年的時(shí)間尺度表現(xiàn)最強(qiáng)，7～8年的時(shí)間尺度表現(xiàn)相對(duì)較弱。

圖4 南方濤動(dòng)指數(shù)年平均年際變化

3 熱帶大洋暖池面積和南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)分析

3.1 熱帶大洋暖池面積和南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)分析

對(duì)12個(gè)月的南方濤動(dòng)指數(shù)變化與12個(gè)月熱帶大洋暖池面積變化進(jìn)行了滯后相關(guān)分析，(通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn))表明熱帶大洋暖池面積與南方濤動(dòng)指數(shù)之間除6月以外，當(dāng)月兩者均有較好的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值均在0.2以上，7月達(dá)到0.49，即表明熱帶大洋暖池面積越大，南方濤動(dòng)指數(shù)越低。在滯后相關(guān)中，除7、8月隨后的6個(gè)月內(nèi)有較大的負(fù)相關(guān)性外，其他各月滯后的負(fù)相關(guān)性則逐漸減弱，有的還呈正相關(guān)(表略)。

3.2 南方濤動(dòng)指數(shù)與熱帶大洋暖池面積的相關(guān)分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)南方濤動(dòng)指數(shù)與熱帶大洋暖池面積的相關(guān)系數(shù)可知，除了6月的南方濤動(dòng)指數(shù)對(duì)熱帶大洋暖池面積影響較弱外，其他月份南方濤動(dòng)指數(shù)基本對(duì)熱帶大洋暖池面積都有影響，僅在影響的程度方面呈現(xiàn)差異性。在當(dāng)月的同期相關(guān)中除6月外，均達(dá)到-0.49～-0.2，以8月最大為-0.49。在滯后相關(guān)中，滯后10個(gè)月，均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，在4、5、8、9、10、11月表現(xiàn)得都很明顯，相關(guān)系數(shù)均較大，尤其是8月滯后2～10個(gè)月均為較大的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其絕對(duì)值達(dá)0.3以上，滯后6個(gè)月最大達(dá)到-0.63(表略)。通過(guò)以上的分析比較，可見(jiàn)南方濤動(dòng)指數(shù)的變化對(duì)熱帶大洋暖池面積變化的影響較強(qiáng)，而熱帶大洋暖池面積變化對(duì)南方濤動(dòng)指數(shù)大小變化的影響較弱，表明南方濤動(dòng)指數(shù)與熱帶大洋暖池面積有良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

分別選擇南方濤動(dòng)指數(shù)距平的絕對(duì)值大于1.0的為異常年份。對(duì)比分析可知中東太平洋的熱帶大洋暖池面積變化比較大，印度洋的暖池面積變化比較小。當(dāng)南方濤動(dòng)指數(shù)為異常的負(fù)值(厄爾尼諾發(fā)生期)，熱帶大洋暖池的面積就會(huì)明顯增加，分別增加了8%和16%，中東太平洋的暖池面積向東擴(kuò)大。當(dāng)南方濤動(dòng)指數(shù)為異常的正值(拉尼娜發(fā)生期)，熱帶大洋暖池的面積則會(huì)顯著減小，分別減少了6.0%和5.4%，中東太平洋的暖池面積向西縮小。這表明南方濤動(dòng)指數(shù)正值大時(shí)，赤道東太平洋的下沉氣流較強(qiáng)，有利于赤道洋面西風(fēng)分量增加，有利于洋面暖海水向西輸送，致使暖池面積縮小，反之亦然。表明南方濤動(dòng)指數(shù)的變化對(duì)熱帶大洋暖池面積的變化有著顯著影響。

4 熱帶大洋暖池強(qiáng)度和南方濤動(dòng)指數(shù)的相關(guān)分析

4.1 南方濤動(dòng)指數(shù)與熱帶大洋暖池強(qiáng)度的相關(guān)分析

通過(guò)統(tǒng)計(jì)南方濤動(dòng)指數(shù)1～12個(gè)月與對(duì)應(yīng)熱帶大洋暖池強(qiáng)度1～12個(gè)月的滯后相關(guān)系數(shù)可知，當(dāng)月同期相關(guān)系數(shù)在1、2、3、4、12月有較好的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.2以上，最大2月達(dá)-0.50。在滯后相關(guān)中，1～4月在滯后1～5個(gè)月負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著，絕對(duì)值達(dá)到0.3以上，最大達(dá)0.54。而8、9、10、11、12月雖然當(dāng)月同期相關(guān)性不強(qiáng)，但在滯后2～10個(gè)月中則表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性，最大達(dá)-0.72(表略)，表明南方濤動(dòng)的變化對(duì)其后的熱帶大洋暖池強(qiáng)度具有顯著影響。

4.2 熱帶大洋暖池強(qiáng)度與南方濤動(dòng)的相關(guān)分析

統(tǒng)計(jì)熱帶大洋暖池強(qiáng)度1～12個(gè)月與對(duì)應(yīng)南方濤動(dòng)指數(shù)1～12個(gè)月的滯后相關(guān)系數(shù)可知，當(dāng)月相關(guān)系數(shù)在1、2、3、4和12月有較好的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在-0.2以上，最大2月達(dá)-0.50；而其他各月呈較弱的正相關(guān)關(guān)系。在滯后相關(guān)中，1～3月在滯后1～3個(gè)月負(fù)相關(guān)關(guān)系還有一定相關(guān)性，但其后及其他各月的滯后相關(guān)較弱，相關(guān)符號(hào)也有變化(表略)。這表明熱帶大洋暖池強(qiáng)度變化對(duì)南方濤動(dòng)指數(shù)的變化及對(duì)其后的影響較弱。說(shuō)明南方濤動(dòng)指數(shù)變化對(duì)熱帶大洋暖池(面積和強(qiáng)度)變化的影響較強(qiáng)，而熱帶大洋暖池(面積和強(qiáng)度)變化對(duì)南方濤動(dòng)指數(shù)變化的影響較弱，南方濤動(dòng)對(duì)熱帶大洋暖池的形成與變化有重要影響。

5 結(jié)論

(1)熱帶大洋暖池的面積和強(qiáng)度均呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)率分別為13.717網(wǎng)格數(shù)/年和0.007 ℃/年。同時(shí)，分別有26～28年、20～22年 和28年、20年的周期變化。南方濤動(dòng)呈上升趨勢(shì)，趨勢(shì)率為0.018/ 年，且有16～18年和7～8年的周期性變化。

(2)南方濤動(dòng)指數(shù)與暖池面積當(dāng)月同期負(fù)相關(guān)顯著，南方濤動(dòng)指數(shù)在4、5和7—11月對(duì)其后2～10個(gè)月的熱帶大洋暖池面積均有良好滯后負(fù)相關(guān)，表明南方濤動(dòng)指數(shù)變化對(duì)其后的熱帶大洋暖池面積變化有顯著影響，認(rèn)為南方濤動(dòng)指數(shù)的變化對(duì)熱帶大洋暖池面積變化的影響較強(qiáng)，而熱帶大洋暖池面積變化對(duì)南方濤動(dòng)指數(shù)大小變化的影響較弱。

(3)南方濤動(dòng)指數(shù)與熱帶大洋暖池強(qiáng)度呈一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，南方濤動(dòng)指數(shù)變化對(duì)熱帶大洋暖池強(qiáng)度變化的影響大于后者對(duì)前者的影響，這可能表明南方濤動(dòng)對(duì)熱帶大洋暖池的形成與變化有重要影響。