熱帶東印度洋海表溫度持續(xù)性的秋季障礙

郭品文,楊麗萍,2,唐碧,3

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇南京 210044;2.杭州市氣象局,浙江杭州 315000;3.中國氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所,上海 200030)

0 引言

熱帶海洋是全球主要能量和水汽源地,海表溫度的變化是熱帶海氣相互作用的重要指標(biāo),國內(nèi)外學(xué)者對(duì)熱帶海表溫度的研究已取得一系列的成果。關(guān)于熱帶印度洋海溫的研究,Webster等[1]、Saji等[2]指出赤道印度洋存在偶極子現(xiàn)象,并闡述了這個(gè)偶極子對(duì)印度洋周邊地區(qū)氣候異常的影響。譚言科和杜振彩[3]研究表明,熱帶印度洋海溫異常主要存在全海盆符號(hào)一致的單極和東、西部符號(hào)相反的偶極。晏紅明等[4]研究得到,印度洋海表溫度的空間分布主要表現(xiàn)為三種定常類型:全區(qū)一致型、東西差異型、南北差異型。周順武等[5]研究得到印度洋海溫的第二特征場在春季表現(xiàn)為南北海溫反相變化,在夏季表現(xiàn)為東西符號(hào)相反。此外,周天軍等[6-7]認(rèn)為熱帶印度洋SST的變化是對(duì)東太平洋SST強(qiáng)迫的一種遙響應(yīng)。晏紅明等[8]研究指出印度洋地區(qū)的海溫變化是ENSO循環(huán)的重要組成部分。殷永紅等[9]認(rèn)為太平洋ENSO通過大氣部分的響應(yīng)來影響印度洋SSTA。馬麗萍等[10]研究得到熱帶印度洋地區(qū)除了ENSO過程,還應(yīng)存在另一重要海氣相互作用過程。王桂臣和管兆勇[11]研究表明,印度洋海氣耦合的主要部分為印度洋海溫對(duì)ENSO信號(hào)滯后響應(yīng)的第一模態(tài),以及ENSO和 IOD混合的第二模態(tài)。張福穎等[12]研究得到印度洋偶極子在一定程度上影響El Nino的發(fā)生,而ElNino的發(fā)生、發(fā)展會(huì)影響印度洋單極子的發(fā)生。吳國雄和孟文[13-14]研究表明,熱帶西印度洋SSTA與熱帶東太平洋SSTA正相關(guān),這種正相關(guān)是由沿赤道印度洋上空的緯向季風(fēng)環(huán)流和太平洋上空的Walker環(huán)流之間顯著的齒輪式(GIP)耦合造成的。

同時(shí),Webster和Yang[15]研究發(fā)現(xiàn)中東太平洋海溫的持續(xù)性在春季明顯減弱,ENSO系統(tǒng)的持續(xù)性及其預(yù)測存在“春季障礙”,并提出季風(fēng)與ENSO選擇性相互作用原理:春季,太平洋海氣系統(tǒng)很弱而印度洋上季風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng),熱帶印度洋—太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以太平洋系統(tǒng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以印度洋季風(fēng)環(huán)流為主導(dǎo),急劇增強(qiáng)的印度洋季風(fēng)系統(tǒng)的作用,導(dǎo)致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。此外,已有研究表明,印度洋季風(fēng)系統(tǒng)在季節(jié)性演變中,冬季較弱,春季是其急劇發(fā)展期,秋季季風(fēng)系統(tǒng)減弱衰退[16];而太平洋海氣系統(tǒng),春季強(qiáng)度最弱,秋季是其急劇發(fā)展期,冬季強(qiáng)度最強(qiáng)[17]。那么,在秋季,當(dāng)太平洋海氣系統(tǒng)急劇增強(qiáng)而印度洋上季風(fēng)系統(tǒng)減弱[16-17]時(shí),印度洋海溫持續(xù)性是否會(huì)出現(xiàn)類似中東太平洋海溫持續(xù)性下降的現(xiàn)象?這是本文研究的主要問題。

1 資料說明

采用英國氣象局Hadley氣候預(yù)測研究中心1938—2002年的月平均全球海表溫度資料(GISST)[18],格距為1°×1°、1948—2002年NCEP/NCAR再分析月平均風(fēng)場和海平面氣壓場資料[19],格距為2.5°×2.5°。

2 東印度洋SSTA持續(xù)性的季節(jié)差異

以1月代表冬季(12月—次年2月),4月代表春季(3—5月),7月代表夏季(6—8月),10月代表秋季(9—11月)。為了研究東印度洋(90～110°E,5°S～5°N)海溫的持續(xù)性,計(jì)算了東印度洋各月海溫與隨后月份海溫的自相關(guān)(圖1)。圖1中每條曲線上方的數(shù)字表示開始進(jìn)行自相關(guān)計(jì)算的月份,由圖1可見,在秋季以前,東印度洋海溫的自相關(guān)系數(shù)幾乎都大于0.5,海溫具有很好的持續(xù)性,但在秋季以后,自相關(guān)系數(shù)都顯著減小,東印度洋海溫的持續(xù)性明顯下降。無論從哪個(gè)月份開始計(jì)算海溫的自相關(guān),自相關(guān)系數(shù)都會(huì)在秋季發(fā)生大幅減小,意味著東印度洋海溫的持續(xù)性在秋季顯著減弱,即東印度洋海溫持續(xù)性存在“秋季障礙”,那么是什么因素導(dǎo)致東印度洋海溫的持續(xù)性在秋季明顯減弱?

圖1 東印度洋月平均海溫距平的自相關(guān)系數(shù)(框形區(qū)為曲線顯著下降區(qū);虛線值為0.21,大于0.21的部分表示通過90%的置信水平檢驗(yàn))Fig.1 Autocorrelations coefficients of the monthly mean SST of the eastern Indian Ocean(The rectangular box denotes the time period when the autocorrelation abruptly drops(fall barrier);the area above the horizontal dash straight line(=0.21)denotes that the autocorrelation is significant at a more than 90%confidence level)

季風(fēng)與ENSO選擇性相互作用原理[15]指出,春季,太平洋海氣系統(tǒng)很弱而印度洋季風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展增強(qiáng),熱帶印度洋—太平洋地區(qū)由以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以印度洋季風(fēng)系統(tǒng)為主導(dǎo),急劇增強(qiáng)的印度洋季風(fēng)系統(tǒng)的作用,導(dǎo)致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。那么秋季兩大洋海氣系統(tǒng)具有什么特征?為此考察了熱帶太平洋和熱帶印度洋海氣系統(tǒng)的季節(jié)變化。

3 太平洋Walker環(huán)流和印度洋季風(fēng)緯向環(huán)流的季節(jié)變化特征

由圖2可見,中東太平洋上緯向風(fēng)在冬季最強(qiáng),春季最弱,夏季開始增強(qiáng),秋季繼續(xù)增強(qiáng),到冬季發(fā)展到最強(qiáng);印度洋上緯向風(fēng)在冬季最弱,春季發(fā)展增強(qiáng),夏季發(fā)展到最強(qiáng),秋季開始減弱,到冬季減至最弱。這與已有的研究結(jié)果[12-14]一致。

圖2 熱帶太平洋—印度洋上空850 hPa緯向風(fēng)(5°S～5°N平均)的季節(jié)變化(單位:m/s;印度洋上風(fēng)速大于4 m/s和太平洋上風(fēng)速大于10.4 m/s為陰影區(qū))Fig.2 Seasonal variation of the 850 hPa zonalwind velocity(m/s)averaged over 5°S—5°N over the tropical Pacific and Indian Ocean(Areas with values greater than 4 m/s in the Indian Ocean and greater than 10.4 m/s in the Pacific Ocean are shaded)

冬季太平洋Walker環(huán)流最強(qiáng),而印度洋季風(fēng)緯向環(huán)流最弱,所以熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)是以太平洋Walker環(huán)流為主導(dǎo)。夏季的情況與冬季相反,印度洋季風(fēng)緯向環(huán)流發(fā)展到最強(qiáng),而太平洋Walker環(huán)流仍較弱,所以熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)是以印度洋季風(fēng)環(huán)流為主導(dǎo)。從冬到夏,太平洋Walker環(huán)流由強(qiáng)變?nèi)?同時(shí)印度洋季風(fēng)緯向環(huán)流發(fā)展增強(qiáng),熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以太平洋Walker環(huán)流為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以印度洋季風(fēng)環(huán)流為主導(dǎo);從夏到冬,太平洋Walker環(huán)流急劇增強(qiáng),而印度洋季風(fēng)緯向環(huán)流減弱,熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以印度洋季風(fēng)環(huán)流為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以太平洋Walker環(huán)流為主導(dǎo)。

由此可見,熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)具有顯著的季節(jié)變化,冬季以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo),夏季以印度洋季風(fēng)系統(tǒng)為主導(dǎo),秋季,印度洋季風(fēng)系統(tǒng)減弱而太平洋海氣系統(tǒng)急劇增強(qiáng)。同時(shí),東印度洋海溫持續(xù)性的顯著下降表明“秋季障礙”后冬季東印度洋海溫與其前期海溫的相關(guān)微弱,那么秋季后東印度洋海表溫度的異常是否與急劇增強(qiáng)的太平洋海氣系統(tǒng)有關(guān)?為此考察了冬季東印度洋海表溫度異常與太平洋海氣系統(tǒng)的關(guān)系。

4 太平洋海氣系統(tǒng)與東印度洋冬季海溫異常的關(guān)系

由圖3可見,東印度洋冬季海溫與其前期自身海氣系統(tǒng)關(guān)系很弱,與其后期海氣系統(tǒng)關(guān)系較好。在太平洋海溫異常超前10個(gè)月左右時(shí),中東太平洋海溫與東印度洋冬季海溫相關(guān)開始增強(qiáng),并持續(xù)了15個(gè)月左右。其中,當(dāng)太平洋超前一個(gè)季節(jié)時(shí)(秋季),太平洋海溫異常與東印度洋海溫異常的相關(guān)達(dá)到最強(qiáng),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7,意味著,當(dāng)東印度洋海溫持續(xù)性在秋季急劇下降時(shí),中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了其隨后冬季東印度洋海溫異常。

為了進(jìn)一步說明太平洋海氣系統(tǒng)與東印度洋冬季海溫的關(guān)系,計(jì)算了冬季東印度洋海溫與熱帶太平洋海平面氣壓與低層緯向風(fēng)異常的超前滯后相關(guān)系數(shù)。

由圖4可見,東印度洋冬季海溫與西太平洋海平面氣壓呈現(xiàn)正相關(guān),與中東太平洋海平面氣壓呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。當(dāng)太平洋超前印度洋10個(gè)月左右(春季)時(shí),東印度洋冬季海溫與西太平洋海平面氣壓場正相關(guān)開始增強(qiáng),并持續(xù)了18個(gè)月左右。當(dāng)太平洋超前8個(gè)月左右(春末)開始,東印度洋冬季海溫與中東太平洋海平面氣壓負(fù)相關(guān)開始增強(qiáng),并持續(xù)了7個(gè)月左右。當(dāng)太平洋超前1個(gè)季節(jié)(秋季),東印度洋冬季海溫與西太平洋海平面氣壓正相關(guān)達(dá)到最大。在太平洋超前5個(gè)月左右到超前2個(gè)月的時(shí)段(夏末到秋季),東印度洋冬季海溫與中東太平洋海平面氣壓負(fù)相關(guān)達(dá)到最大。在秋季,東印度洋冬季海溫分別與西太平洋、中東海平面氣壓呈現(xiàn)很好的正、負(fù)相關(guān)。意味著,當(dāng)東印度洋海溫持續(xù)性在秋季急劇下降時(shí),中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了其隨后冬季東印度洋海溫異常。

圖3 東印度洋秋季障礙之后冬季(1月)區(qū)域平均SSTA和太平洋海區(qū)SSTA的超前滯后相關(guān)系數(shù)(縱坐標(biāo)中負(fù)值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋與印度洋同期,正值表示太平洋滯后印度洋,數(shù)字表示超前滯后的月份數(shù);陰影區(qū)為超過95%置信水平的區(qū)域,深陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域)Fig.3 Lead-lag correlations between the winter(January)SSTA of the eastern Indian O-cean following the“fall barrier”and the SSTA of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areaswhere the correlation is significant at a more than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the area where the correlation coefficient is the largest positive correlation)

與海平面氣壓場對(duì)應(yīng),由圖5可見,在太平洋超前印度洋10個(gè)月左右時(shí),中東太平洋200 hPa緯向風(fēng)與東印度洋冬季SSTA正相關(guān)開始增強(qiáng),當(dāng)太平洋超前5個(gè)月時(shí)(夏末),兩者的正相關(guān)達(dá)到最大,并持續(xù)到秋末,意味著,當(dāng)東印度洋海溫持續(xù)性在秋季急劇下降時(shí),中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了其隨后冬季東印度洋海溫異常。

綜上所述,東印度洋冬季海溫與其前期海氣系統(tǒng)關(guān)系微弱,與其后期海氣系統(tǒng)關(guān)系緊密,而中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了冬季東印度洋海溫的異常。

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)東印度洋海溫的自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),東印度洋SSTA的持續(xù)性在秋季明顯減弱,海溫的持續(xù)性存在“秋季障礙”現(xiàn)象。

(2)熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)具有顯著的季節(jié)變化,冬季以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo),夏季以印度洋季風(fēng)系統(tǒng)為主導(dǎo),秋季,印度洋季風(fēng)緯向環(huán)流減弱而太平洋Walker環(huán)流急劇增強(qiáng),熱帶印—太海區(qū)海氣系統(tǒng)由以印度洋季風(fēng)系統(tǒng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo)。

(3)通過分析太平洋海溫、海平面氣壓場以及低層緯向風(fēng)與東印度洋冬季海溫的相關(guān),發(fā)現(xiàn)東印度洋冬季海溫與其前期自身海氣系統(tǒng)關(guān)系微弱,而中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常很大程度上決定了冬季東印度洋海溫的異常,認(rèn)為秋季急劇增強(qiáng)的太平洋海氣系統(tǒng)對(duì)東印度洋海溫持續(xù)性“秋季障礙”起著重要的作用。

圖4 東印度洋秋季障礙之后冬季(1月)區(qū)域平均SSTA和太平洋海區(qū)海平面氣壓的超前滯后相關(guān)系數(shù)(縱坐標(biāo)中負(fù)值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋與印度洋同期,正值表示太平洋滯后印度洋,數(shù)字表示超前滯后的月份數(shù);陰影區(qū)為超過95%置信水平的區(qū)域,深陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域)Fig.4 Lead-lag correlations be tween the winter(January)SSTA of the eastern Indian Ocean following the“fall barrier”and the sea surface pressure of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areas where the correlation is significant at amore than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the areawhere the correlation coefficient is the largest positive correlation)

[1] Webster P J,Moore A M,Loschnigg J P,et al.Coupled ocean-atmosphere dynamics in the Indian Ocean during 1997—1998[J].Nature,1999,401:356-360.

[2] SajiN H,Gos wamiB N,Vinayachandran P N,et al.A dipole mode in the tropical Indian Ocean[J].Nature,1999,401:360-363.

[3] 譚言科,杜振彩.印度洋海溫變化的空間分布型和多重時(shí)間尺度[J].大氣科學(xué),2006,30(1):11-24.

[4] 晏紅明,肖子牛,謝應(yīng)齊.近50年熱帶印度洋海溫距平場的時(shí)空特征分析[J].氣候與環(huán)境研究,2000(5):180-188.

[5] 周順武,丁鋒,假拉.印度洋春、夏季海溫對(duì)西藏高原夏季降水的影響[J].氣象科學(xué),2003,23(2):168-175.

[6] 周天軍,俞永強(qiáng),宇如聰,等.印度洋對(duì)ENSO事件的響應(yīng):觀測與模擬[J].大氣科學(xué),2004,28(3):357-373.

[7] 周天軍,宇如聰,李薇,等.20世紀(jì)印度洋氣候變率特征[J].氣象學(xué)報(bào),2001,59(3):257-271.

[8] 晏紅明,琚建華,肖子牛.ENSO循環(huán)的兩個(gè)不同位相印度洋海表溫度異常的特征分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2001,24(2):242-249.

[9] 殷永紅,史歷,倪允琪.近20年來熱帶印度洋與熱帶太平洋海氣系統(tǒng)相互作用特征的診斷研究[J].大氣科學(xué),2001,25(3):355-371.

[10] 馬麗萍,王盤興,吳洪寶.熱帶海洋海氣相互作用的區(qū)域差異[J].氣象科學(xué),2001,21(3):260-270.

圖5 東印度洋秋季障礙之后冬季(1月)區(qū)域平均SSTA和太平洋海區(qū)850 hPa緯向風(fēng)的超前滯后相關(guān)系數(shù)(縱坐標(biāo)中負(fù)值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋與印度洋同期,正值表示太平洋滯后印度洋,數(shù)字表示超前滯后的月份數(shù);陰影區(qū)為超過95%置信水平的區(qū)域,深陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域)Fig.5 Lead-lag correlations be tween the winter(January)SSTA of the eastern Indian Ocean following the“fall barrier”and the 850 hPa zonalwind velocity of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areas where the correlation is significant at a more than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the area where the correlation coefficient is the largest positive correlation)

[11] 王桂臣,管兆勇.SVD揭示的印度洋海氣相互作用模態(tài)及其與中國降水的聯(lián)系[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2007,30(1):63-71.

[12] 張福穎,郭品文,于群,等.熱帶太平洋與印度洋相互作用的年代際變化[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2008,31(1):68-74.

[13] 吳國雄,孟文.赤道印度洋—太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)齒輪耦合和ENSO事件(Ⅰ)[J].大氣科學(xué),1998,22(4):470-480.

[14] 孟文,吳國雄.赤道印度洋—太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)齒輪耦合和ENSO事件(Ⅱ)[J].大氣科學(xué),2000,24(1):16-25.

[15] Webster P J,Yang S.Monsoon and ENSO:Selectively interactive systems[J].Quart J R Meteor Soc,1992,118:877-926.

[16] 姜德忠,解思梅,包澄瀾,等.35°S以北的印度洋的氣候狀況和季風(fēng)特征[J].海洋預(yù)報(bào),1998,15(4):40-49.

[17] 葛旭陽,周霞瓊,蔣尚城.衛(wèi)星雙通道揭示的Walker環(huán)流活動(dòng)特征及其與我國夏季降水關(guān)系初探[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2002,18(2):182-187.

[18] Parker D E,Foll and C K,Jackson M.Marine surface temperature:Observed variations and data requirements[J].Climatic Change,1995,31(5):559-600.

[19] Kalnay E,Kanamitus M,Kistler R,et al.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bull Amer Meteor Soc,1996,77(3):437-471.