全球海溫變化的方差及其相關(guān)性分析＊

張 巍，周廣超，高新院

（中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

全球海溫變化的方差及其相關(guān)性分析＊

張 巍，周廣超，高新院

（中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100）

為了研究全球變暖背景下不同海域海溫的變化特征，利用1854—2008年共155a的全球海溫數(shù)據(jù)資料——ERSST V2，通過對全球年平均海溫方差的空間分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)全球海溫變化較大的海域主要分布在赤道東太平洋海域，北半球太平洋中緯度海域，北半球大西洋中緯度海域，非洲西南端海域；赤道與中緯度地區(qū)海溫變化較劇烈，太平洋較大西洋和印度洋海溫變化更劇烈。海溫變化方差值較大的區(qū)域多為具有較明顯海溫變化模態(tài)的區(qū)域。在不同的時期，全球海溫方差的空間分布也是不同的。隨著全球氣候變暖，海溫方差值較大的區(qū)域越來越多，而且海溫的振蕩模式也發(fā)生了改變，其高頻振蕩部分有所增強(qiáng)。通過觀察方差值較大區(qū)域其海溫振蕩模式在全球的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：在低緯度地區(qū)高頻振蕩模式占主要地位，而在中高緯度地區(qū)則主要是低頻振蕩模式。

海表溫度；SST；方差；相關(guān)性

海洋覆蓋了地球表面的70%左右，是大氣中水汽的主要源泉。通過海氣交互作用，海洋對全球氣候有著重要的影響。20世紀(jì)，全球氣候開始逐漸變暖，尤其是20世紀(jì)70年代以后，全球氣溫的變暖趨勢尤為明顯，整個20世紀(jì)，全球年平均氣溫上漲了約0.5℃［1］。氣候在變化，與氣候變化聯(lián)系緊密的海洋也在發(fā)生著相應(yīng)的變化。為了研究氣候的變化規(guī)律，人們開始更多的關(guān)注海洋。

海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）是表現(xiàn)海洋特征的重要因子。與全球氣溫相似，全球海溫在20世紀(jì)也呈現(xiàn)著上升的趨勢。為了研究全球海溫變化的規(guī)律，研究者們作了許多工作。W.Cai和P.H.Wetton指出對全球海溫變化起主導(dǎo)作用的主要有3種模態(tài)：ENSO（El Nio－Southern Oscillation），南北半球濤動（Interhemispheric Oscillation）和北太平洋濤動（Northern Pacific Oscillation）［2］。Susana M.Barbosa和Ole B.Andersen通過分析低頻模對全球海溫變化的貢獻(xiàn)，指出低頻?？梢员硎?0%以上的全球海溫變動［3］。林志強(qiáng)利用奇異譜分析方法對全球海溫進(jìn)行分析，指出全球海溫的變化具有81a，準(zhǔn)10a和2.6～6a的變化周期［4］。周亞軍等通過研究指出全球各個大洋的海溫變化在數(shù)十年尺度上具有很好的同步性［5］。王曉玥等通過研究發(fā)現(xiàn)各大洋之間海溫變化具有明顯的同期和時滯關(guān)系［6］。

全球海溫的變化會引起氣候的改變，局部海溫的改變對全球氣候的影響也不容忽視。以ENSO現(xiàn)象為例，龔道溢和王紹武指出ENSO現(xiàn)象最多能解釋全球年平均溫度方差的20.6%［7］。龔志強(qiáng)等也發(fā)現(xiàn)ENSO現(xiàn)象與中國北方以及西南區(qū)域的溫度變化有很強(qiáng)的相關(guān)性［8］。許多學(xué)者對ENSO現(xiàn)象進(jìn)行了研究。郭文娟等利用小波變換分析對1951—1999年的海溫資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)El Nio現(xiàn)象發(fā)生海域具有多層次的冷暖結(jié)構(gòu)特征［9］。李崇銀等提出了產(chǎn)生ENSO現(xiàn)象的1種新的可能性機(jī)理，并對ENSO現(xiàn)象的預(yù)報進(jìn)行了改進(jìn)，提高了ENSO預(yù)報的技巧［10］。

雖然全球氣候正在變暖，但并不是全球每個地方的氣候都在變暖［1］。海洋的變化也是如此，全球不同地區(qū)的海域具有不同的變化特征［11］，也正是由于這些區(qū)域的典型特征，才更容易了解海洋與大氣之間的相互聯(lián)系，以及海洋對全球氣候變化的影響。將方差作為標(biāo)準(zhǔn)，可以確定全球變暖背景下海溫變化較劇烈的區(qū)域。本文通過對全球海溫方差以及其相關(guān)性的分析，確定全球海溫變化較大的敏感區(qū)域，研究它們的分布和變化規(guī)律，以及這些區(qū)域海溫振蕩模式的變化與空間分布特征。

1 數(shù)據(jù)資料

本文所用的數(shù)據(jù)為美國國家海洋大氣局（NOAA）提供的全球海溫數(shù)據(jù)：ERSST V2。數(shù)據(jù)的空間分辨率為2（°）×2（°），時間分辨率為1個月。所研究數(shù)據(jù)的空間范圍為80°S～80°N，時間范圍為1854年1月～2008年12月，共155a。

ERSST V2數(shù)據(jù)是利用國際綜合海氣數(shù)據(jù)集（International Comprehensive Ocean－Atmosphere DataSet，ICOADS）中的SST數(shù)據(jù)，并使用改進(jìn)的統(tǒng)計方法重新建立的。隨著新數(shù)據(jù)的加入，ERSST數(shù)據(jù)也會進(jìn)行相應(yīng)的更新。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 全球的海溫方差

某區(qū)域的海溫變化幅度越大，其海溫變化往往也具有較典型的特征。為了確定百余年來海溫變化較大的區(qū)域，首先對ERSST V2數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的計算處理，得到全球每個數(shù)據(jù)格點的年平均海溫；然后計算每個格點155a年平均海溫的方差值；最后通過對比確定方差值較大的區(qū)域，即海溫變化較大的區(qū)域。其結(jié)果如圖1。

圖1 全球年平均海溫方差分布圖Fig.1 Distribution of the variance of global annual mean SST

如圖1所示，全球不同海域的海溫有著不同的變化幅度，本文將方差值大于0.3的海域稱為高值區(qū)。從圖中可以看出，高值區(qū)主要分布在4個區(qū)域：赤道東太平洋海域，北半球太平洋中緯度海域，北半球大西洋中緯度海域，非洲西南端海域。本文分別以A，B，C，D來代表分布在這4個區(qū)域的高值區(qū)。

從各個高值區(qū)的空間分布來看，A區(qū)位于赤道附近，B，C，D區(qū)都分布在中緯度地區(qū)，并且各區(qū)域的高值區(qū)中心在北半球更靠近于大陸的東岸，在南半球更靠近于大陸的西岸。A區(qū)內(nèi)高值區(qū)的分布基本上占據(jù)了整個熱帶中東太平洋，這是由于該區(qū)域是ENSO事件的產(chǎn)生區(qū)域，ENSO暖相位（El Nio現(xiàn)象）和ENSO冷相位（La Nia現(xiàn)象）交替出現(xiàn)，因此該區(qū)域的海溫年際變化會比較劇烈，方差值也會相應(yīng)較大；B區(qū)高值區(qū)幾乎分布于整個北半球中緯度太平洋地區(qū)，且在B區(qū)內(nèi)具有3個高值區(qū)中心，其中有2個高值區(qū)中心靠近亞洲大陸的東側(cè)；C區(qū)相對于B區(qū)要小，它主要分布在北半球中緯度大西洋的西部，C區(qū)并沒有分布在整個中緯度大西洋地區(qū)，歐洲西側(cè)的海域海溫的變化較小，但是與B區(qū)相比，C區(qū)具有更高的緯度分布；D區(qū)是這4個區(qū)域中最小的，而且其高值區(qū)面積和最大值都要小于其他3個區(qū)域，但是與南半球同緯度海域相比，D區(qū)海溫變化要更劇烈。

從緯度的角度來看，全球高值區(qū)主要分布在赤道和中緯度地區(qū)，兩極地區(qū)的海溫變化比較小。并且很明顯北半球中緯度地區(qū)的海溫變化比南半球中緯度地區(qū)的海溫變化劇烈。經(jīng)計算南北半球中緯度高值區(qū)格點數(shù)目分別為：北半球，336個；南半球，31個。這主要是由于南半球中緯度地區(qū)的海洋面積較大，海水的熱容量較大，因此與北半球相比，吸收相同的熱量其海溫的變化幅度較小，南半球中緯度各大洋也并未出現(xiàn)相應(yīng)較大的高值區(qū)。這樣的觀察結(jié)果與他人的研究結(jié)論是相符合的。江志紅等利用多窗譜方法對南北半球的月平均溫度序列進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在全球變暖的背景下，北半球溫度變化的穩(wěn)定性要小于南半球［12］。

從經(jīng)度的角度來看，全球各大洋的海溫變化也有著很大的差異。A，B高值區(qū)分布在太平洋中，C，D高值區(qū)分布于大西洋中，而印度洋區(qū)域則沒有較為顯著的高值區(qū)存在。與太平洋和大西洋相比，印度洋的海溫變化較為平穩(wěn)。太平洋與大西洋都具有較大的緯度跨度，印度洋則大部分位于南半球，同時南半球的海溫變化較小，并且太平洋與大西洋中存在著ENSO和大西洋濤動等氣候現(xiàn)象，這些氣候現(xiàn)象中海溫所表現(xiàn)出的周期性變化，造成了2個大洋中高值區(qū)的產(chǎn)生。雖然印度洋中同樣也存在著海溫周期性振蕩的氣候現(xiàn)象［13］，但是熱帶印度洋東西部海溫單、偶極的變化模態(tài)并沒有以方差的方式明顯的表現(xiàn)出來。

Chen等通過對ERSST海溫數(shù)據(jù)資料的分析處理，繪制了主要的全球海溫變化模態(tài)分布圖［14］。通過對比發(fā)現(xiàn)，海溫方差高值區(qū)的分布與海溫變化模態(tài)的分布相似。即海溫變化的周期性振蕩，比較容易形成方差上的高值區(qū)。

2.2 不同時期的海溫方差值比較

圖2 全球年平均海溫變化曲線Fig.2 Global annual mean sea surface temperature

全球氣候變暖的原因不僅包括自然因素，同時人類對氣候的影響也是不可忽視的。隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)力的提高，人類的活動范圍也越來越大，生產(chǎn)活動對氣候的影響也越來越明顯。因此，在不同的時期，人類活動對海洋的影響程度也并不相同。利用ERSST V2數(shù)據(jù)，本文得到了155a來全球年平均海溫變化曲線（見圖2）。

從總體變化來看，全球海溫呈現(xiàn)著上升的趨勢。與19世紀(jì)中期相比，21世紀(jì)初的海溫升高了約0.5℃；與20世紀(jì)初相比，海溫升高了約0.7℃。從海溫變化的各個階段來看，155a來海溫的變化主要有變冷（19世紀(jì)中期～1910年）、變暖（1910年代～1960年代）和再次變暖（1970年代～今）3個階段。其中在第2階段后期，即20世紀(jì)50、60年代，海溫的增長速度明顯變緩，增溫不如第2階段其他時期明顯。

根據(jù)全球海溫的變化趨勢，可以將1854—2008年大致分為3個階段：第1階段，1854—1909年；第2階段，1910—1969年；第3階段，1970—2008年。通過對比不同時期海溫方差的空間分布差異，可以了解不同時期海溫的變化特點。

圖3 不同階段全球年平均海溫方差分布Fig.3 Distribution of the variance in different periods

從總體上來看，隨著全球氣候的變暖，全球海溫變化越來越劇烈，越來越多的區(qū)域變?yōu)榱烁咧祬^(qū)。經(jīng)計算，3個階段中全球年平均海溫的方差值分別為0.008，0.011和0.013，全球高值區(qū)格點數(shù)目分別為：283，737，700，其中A區(qū)的變化最為明顯。155a來，A區(qū)的面積和最大方差值一直在增大，高值區(qū)從最初的秘魯沿海逐漸生長到占據(jù)整個赤道中東太平洋地區(qū)。近年來發(fā)生ENSO事件的周期越來越短，發(fā)生的強(qiáng)度越來越強(qiáng)，表現(xiàn)在方差值上，也就是高值區(qū)面積的擴(kuò)大和高值區(qū)最大方差值的增大。B區(qū)在第2階段中具有最大的面積，同時在這個階段B區(qū)出現(xiàn)了3個明顯的中心，這是第1階段與第3階段所不具備的特點。C區(qū)的變化不如B區(qū)更為明顯，但同樣C區(qū)的面積也在增大，并且高值區(qū)中的方差最大值也在逐漸的增大。這或許是因為在1960年代，全球氣候發(fā)生了躍變，使得北半球中緯度海域海溫產(chǎn)生了較大的波動。李崇銀等通過對海平面月平均氣壓資料的分析，發(fā)現(xiàn)氣候躍變與北太平洋濤動和北大西洋濤動的異常有著密切的聯(lián)系［15］。D區(qū)與A，B，C區(qū)相比，其高值區(qū)面積小得多，但與B，C區(qū)的變化相似，D區(qū)在第1階段與第3階段，并未出現(xiàn)較大的海溫方差值，而在第2階段，則表現(xiàn)的較為明顯。

不同的高值區(qū)代表了不同的海溫振蕩模態(tài)，隨著氣候的變化，海溫振蕩模態(tài)也了發(fā)生相應(yīng)的變化。利用離散功率譜估計的方法計算出4個高值區(qū)不同階段所具有的周期，并進(jìn)行了95%的信度檢驗，其結(jié)果如表1。

表1 不同時期各高值區(qū)的顯著周期（單位：年）Table 1 Obvious cycles of SST variability in different periods

通過計算各高值區(qū)的海溫振蕩周期發(fā)現(xiàn)，各高值區(qū)海溫變化都同時存在著高頻振蕩和低頻振蕩，但不同的是B，C，D區(qū)域表現(xiàn)出的是較強(qiáng)的低頻振蕩，大都為年代際振蕩，而A區(qū)則表現(xiàn)為較強(qiáng)的高頻振蕩，其顯著周期大都在2～7a內(nèi)。由于高頻振蕩模式所引起的較頻繁的海溫變化，因此A區(qū)較B，C，D 3個高值區(qū)具有更大的方差值。

同時，4個區(qū)域不同的階段其顯著周期也不盡相同，這主要表現(xiàn)在高頻振蕩部分。1910—1969年是全球海溫迅速上升的階段。在全球海溫上升的背景下，各高值區(qū)的海溫振蕩模態(tài)也發(fā)生了變化。從表1中可以看到，在第2階段中，4個高值區(qū)的海溫振蕩周期大都比第1階段小，尤其是其高頻振蕩部分。由于第3階段海溫時間序列的樣本數(shù)比第1、2階段要少，因此其計算結(jié)果中低頻振蕩的周期要小于第1、2階段。但第3階段中高頻振蕩的顯著周期與第2階段相似，變化并不大。

通過各高值區(qū)不同階段方差值與顯著周期的對比，作者發(fā)現(xiàn)，隨著氣候的改變，全球海溫變化越來越劇烈，尤其在出現(xiàn)氣候躍變的時期，局部區(qū)域的海溫會出現(xiàn)較劇烈的變化。并且氣候變暖的同時，全球海溫振蕩模式也發(fā)生了變化，其高頻振蕩部分越來越強(qiáng)，從而全球更多的海域出現(xiàn)了較強(qiáng)的海溫振蕩。

2.3 高值區(qū)海溫與全球海溫的相關(guān)性分析

不同水域的海溫變化構(gòu)成了全球海溫的整體變化。但由于全球不同水域的海溫具有不同的變化模態(tài)，因此不同水域的海溫與全球海溫的相關(guān)性也有差異。通過計算可以得到高值區(qū)海溫與全球海溫變化之間的相關(guān)系數(shù)為0.7576，非高值區(qū)海溫與全球海溫的相關(guān)系數(shù)為0.9963，均超過了95%的信度。并且，高值區(qū)海溫與全球海溫的相關(guān)性并不是一成不變的。根據(jù)2.2節(jié)中所劃分的時期計算可得，高值區(qū)海溫與全球海溫在第1階段的相關(guān)系數(shù)為0.814 1，在第2階段為0.762 7，在第3階段為0.7448，均超過了95%的信度。隨著全球氣候的變化，以及高值區(qū)水域?qū)τ跉夂蜃兓拿舾行裕湎嚓P(guān)系數(shù)逐漸減少也是必然的結(jié)果。

圖4 全球與各高值區(qū)年平均海溫變化曲線Fig.4 Annual mean SST of global and high variance regions

圖4為各高值區(qū)海溫與全球海溫的變化趨勢圖。由圖可看出，不同時期各高值區(qū)海溫與全球海溫變化趨勢并不完全一致。在進(jìn)入20世紀(jì)后A區(qū)并未表現(xiàn)出明顯的降溫與升溫趨勢。而B，C高值區(qū)不僅在20世紀(jì)初出現(xiàn)了海溫的下降，并且在20世紀(jì)60、70年代仍有海溫的降低。這樣的變化減緩了全球海溫升高的速度，使全球海溫在20世紀(jì)60、70年代海溫沒有太大的升高。與A，B，C區(qū)域不同，D區(qū)域的海溫變化與全球海溫的變化趨勢基本一致，但D高值區(qū)并沒有在20世紀(jì)初表現(xiàn)出較強(qiáng)的海溫降低趨勢?？梢钥闯鲈诓煌瑫r期占主要地位的海溫振蕩模態(tài)是不一樣的。

通過計算各高值區(qū)海溫與全球各格點海溫的相關(guān)性，可以清楚的看出不同高值區(qū)海溫變化模態(tài)的空間分布（見圖5）。A區(qū)的海溫振蕩模式不僅存在于赤道中東太平洋地區(qū)，同時也存在于赤道印度洋以及南太平洋中緯度海域，可見印度洋海域也存在著類似于ENSO現(xiàn)象的海溫振蕩模式。B區(qū)的海溫振蕩模式主要存在于太平洋與印度洋的中緯度海域，赤道暖池地區(qū)也具有相似的變化模式。不僅如此，C區(qū)的振蕩模式在該地區(qū)也有分布，可見暖池地區(qū)海溫的變化與北太平洋和北大西洋地區(qū)海溫的變化有著密切的聯(lián)系。與B區(qū)振蕩模式不同，C區(qū)振蕩模式的分布大都局限在大西洋的赤道及北半球中緯度海域。D區(qū)的海溫振蕩模式是全球較普遍的海溫振蕩模式，其在大西洋和印度洋上有著廣闊的分布，而在太平洋中的分布較少。

雖然各區(qū)域的海溫振蕩模式的分布特點不同，但總體來說，仍有一定的規(guī)律：低緯度地區(qū)的海溫振蕩模式多為高頻振蕩，而低頻振蕩模式則多分布在中高緯度地區(qū)。

圖5 高值區(qū)振蕩模態(tài)的空間分布Fig.5 The distribution of SST oscillation modes of high variance regions

3 結(jié)語

通過對全球海溫方差空間分布的分析，發(fā)現(xiàn)全球海溫變化幅度并不相同，方差值大于0.3的高值區(qū)主要分布在赤道東太平洋海域，北半球太平洋中緯度海域，北半球大西洋中緯度海域，非洲西南端海域。這些區(qū)域普遍具有較明顯的年際或年代際海溫變化模態(tài)。從高值區(qū)的分布以及方差值的大小來看，北半球海溫的變化比南半球大，太平洋海溫的變化要比大西洋和印度洋更大。不同的時期，海溫方差的分布也是不同的。當(dāng)出現(xiàn)氣候躍變時，高值區(qū)海溫的變化通常表現(xiàn)的更為強(qiáng)烈。隨著全球氣候的變暖，全球海溫振蕩模式的低頻部分逐漸增強(qiáng)，這也是全球海溫方差值增大的深層次原因。

在近一個半世紀(jì)以來，高值區(qū)海溫的變化趨勢與全球海溫的變化趨勢并不完全相同。不同的高值區(qū)其海溫振蕩模式也不相同。通過計算各高值區(qū)海溫與全球各格點海溫之間的相關(guān)性，作者發(fā)現(xiàn)，海溫振蕩模式在空間上的分布有一定的規(guī)律性：在低緯度海域占主要地位的是高頻振蕩模式，在中高緯度海域則主要是低頻振蕩模式。

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Analyses of Global Sea Surface Temperature Variance and Correlation

ZHANG Wei，ZHOU Guang－Chao，GAO Xin－Yuan
（College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In order to study the SST variability of different sea regions under the background of global warming，according to the 155years'SST data from 1854to 2008－ERSST V2and analyzing the space distribution of the global average annual SST variance，we can find that the oceans with large fluctuations in SST in the globe mainly distribute in the equatorial eastern Pacific waters，the northern hemisphere midlatitude Pacific Ocean waters，the northern hemisphere Atlantic mid－latitude waters，and African southwestern end waters.The SST varies dramatically in equatorial and mid－latitude waters.There is more dramatic SST variability in Pacific than that in Atlantic and Indian Ocean.The water is mostly the water with more obvious SST variability modes.In different periods，the distribution of SST variance is also different.As global warming，the high variance water is becoming more and more，and the modes of SST oscillations are changing gradually，of which the high frequency part is intensified.By observing the distribution of global SST oscillations modes，we find：the mode of high frequency oscillation mainly distribute in low－latitude waters，and in middle and high latitude waters is mainly the low frequency oscillation modes.

sea surface temperature；SST；variance；correlation

P731.11

A

1672－5174（2012）1－2－017－06

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃課題（2009CB723903）；國家自然科學(xué)基金項目（40706056）資助

2010－10－31；

2010－12－07

張 巍（1975－），男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E－mail：ihcil＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻