熱帶印度洋海溫海盆一致模的變化規(guī)律及其對東亞夏季氣候影響的回顧

黃剛胡開明屈俠陶煒晨姚帥磊趙桂潔姜文萍

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京1000292全球變化研究協(xié)同創(chuàng)新中心，北京1008753中國科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心，北京1001904中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

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熱帶印度洋海溫海盆一致模的變化規(guī)律及其對東亞夏季氣候影響的回顧

黃剛1, 2胡開明2, 3屈俠2, 3陶煒晨3, 4姚帥磊1, 4趙桂潔1, 4姜文萍1, 4

1中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室，北京100029
2全球變化研究協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100875
3中國科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心，北京100190
4中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049

摘 要近十幾年，熱帶印度洋對全球氣候的作用越來越受到關(guān)注。本文從熱帶印度洋氣候態(tài)特征、海溫海盆一致模的變化規(guī)律以及對東亞夏季氣候的影響方面回顧了這些研究工作，并且對這些研究以及存在的不足做了系統(tǒng)的總結(jié)。

關(guān)鍵詞熱帶印度洋 東亞夏季氣候 印度洋海盆一致模

資助項目 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）項目2012CB955604，國家自然科學(xué)基金項目91337105、41425019、41205049、41275083，海洋公益性行業(yè)科研專項201505013，高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室開放課題PAEKL-20124-K2

Founded by the National Basic Research Program of China (Grant 2012CB955604), National Nature Science Foundation of China (Grants 91337105, 41425019, 41205049, 41275083), Public Science and Technology Research Founds Projects of Ocean (Grant 201505013), Plateau Atmosphere and Enviroment Key Laboratory of Sichuan Province Open Project (Grent PAEKL-2014-K2)

A Review about Indian Ocean Basin Mode and Its Impacts on East Asian Summer Climate

HUANG Gang1, 2, HU Kaiming2, 3, QU Xia2, 3, TAO Weichen3, 4, YAO Shuailei1, 4, ZHAO Guijie1, 4, and JIANG Wenping1, 4

1 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029
2 Joint Center for Global Change Studies (JCGCS), Beijing 100875
3 Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190
4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049

Abstract In recent years, more and more studies have paid attention to the impacts of Indian Ocean on global climate. This review provides a synopsis of the climatological characteristics over the Indian Ocean, Indian Ocean basin mode and its impacts on East Asian summer climate.

Keywords Indian Ocean, East Asian summer climate, Indian Ocean basin mode

1 引言

我國學(xué)者很早以前就研究了熱帶印度洋對東亞夏季氣候的影響，并且提出了一些影響機理。相比太平洋海氣耦合模態(tài)ENSO（El Ni?o–Southern Oscillation），熱帶印度洋的海溫變率比較小，所以一直未被氣候?qū)W家所重視（Annamalai and Murtugudde, 2004）。

1997年印度洋周邊發(fā)生明顯的氣候異常。在印度洋西岸，北非發(fā)生嚴重的洪澇，引起數(shù)千人死亡和嚴重的經(jīng)濟損失，而在東岸發(fā)生了嚴重干旱，造成很多森林火災(zāi)。一些學(xué)者的研究表明該事件是由印度洋偶極子（Indian Ocean Dipole）導(dǎo)致的（Saji et al., 1999; Webster et al., 1999）。于是印度洋的海溫變化規(guī)律以及對全球氣候的影響成為近十幾年來國際氣候研究的熱點（Schott et al., 2009）。

利用經(jīng)驗正交函數(shù)分析印度洋海溫變化，第一模態(tài)為印度洋海盆一致模，表現(xiàn)為印度洋海盆一致性變暖或變冷，在3～5月期間達到峰值。早期的研究表明ENSO導(dǎo)致表面熱通量異常，尤其是潛熱通量和短波輻射通量異常，對維持印度洋海盆一致模有重要的作用（Klein et al., 1999）。最近的研究發(fā)現(xiàn)印度洋海盆一致模不是簡單的作為對ENSO強迫的被動響應(yīng)，而是涉及到復(fù)雜的熱帶印度洋海氣相互作用和海洋動力過程，并且對東亞夏季氣候產(chǎn)生顯著的影響。因此有必要對印度洋海盆一致模變化機制以及對東亞氣候影響的研究進行系統(tǒng)地總結(jié)和回顧。

目前國內(nèi)外對印度洋大洋環(huán)流以及對全球氣候的影響有一些回顧性質(zhì)的文章。例如Annamalai and Murtugudde（2004）回顧了印度洋海溫與全球氣候的被動和主動關(guān)系；Schott et al.（2009）回顧了印度洋的海溫變化規(guī)律以及對全球氣候的影響。我國學(xué)者很早就研究了印度洋海盆一致模對中國以及東亞夏季氣候的影響，但是這些研究工作沒有被這些文獻所總結(jié)。此外，近年來國際上對印度洋海盆一致模及其對東亞夏季氣候影響的研究取得了很大的發(fā)展，但是這些研究工作也沒有包含在前人回顧性質(zhì)的文章中。因此全面的總結(jié)熱帶印度洋海盆一致模變化機制及其對東亞夏季氣候的影響是很有必要的。

本文主要回顧了熱帶印度洋海盆一致模及其對東亞夏季氣候的影響，同時包含了我國學(xué)者過去對印度洋的研究。為了系統(tǒng)地回顧這些研究工作，本文安排了以下的章節(jié)：第2節(jié)是印度洋海溫氣候態(tài)特征及長期變化規(guī)律；第3節(jié)給出了海溫海盆一致模的變化規(guī)律；第4節(jié)總結(jié)了印度洋海溫海盆一致模對東亞夏季氣候的影響；第5節(jié)給出了全文的總結(jié)和討論。文章撰寫的時候正值恩師葉篤正院士仙逝一周年，僅以此文表達哀思和懷念，也為了紀念先生對東亞季風(fēng)的卓越貢獻。

2 印度洋海溫氣候態(tài)特征及長期變化規(guī)律

在全球海洋中，印度洋有其獨特的變化特征。一方面，它有著比較獨特的海域，其北面和西面分別被喜馬拉雅山脈和非洲高原所包圍，東臨阿婆羅群島和澳洲大陸，其東邊界由許多島嶼組成，與熱帶西太平洋暖池通過印度尼西亞貫穿流相互貫通。印度洋在北半球主要分布在北緯20°以南，在南半球一直到達南極洲。另一方面，它的熱力結(jié)構(gòu)也與其他的大洋不同。與太平洋和大西洋赤道上空盛行東風(fēng)的氣候特征明顯不同，赤道印度洋上空年平均風(fēng)場是西風(fēng)，這使得熱帶印度洋的溫躍層?xùn)|厚西薄。與此同時，熱帶印度洋的海表溫度比較高，就其年平均狀況而言，60°E以東，南北緯10度之間的熱帶印度洋表層海溫在28°C以上，與西太平洋暖池連為一體（周天軍等, 2001）。

印度洋海表溫度季節(jié)循環(huán)受到太陽輻射和季風(fēng)環(huán)流的共同作用。在南印度洋的海溫主要是受太陽輻射的影響，但北印度洋的海溫受季風(fēng)環(huán)流季節(jié)演變的影響很大。在春季，由于太陽輻射的增強北印度洋海溫逐漸升高，但是到了夏季亞洲夏季風(fēng)爆發(fā)，索馬里沿岸海水上翻變冷，以及蒸發(fā)的作用使北半球海溫在夏季偏低。赤道印度洋受季風(fēng)循環(huán)影響的區(qū)域主要分布在西印度洋，而赤道東印度洋海溫季節(jié)變化不明顯，常年都在28°C以上（Levitus et al., 2005）。

自上個世紀50年代以來，印度洋海表溫度表現(xiàn)出明顯的增溫。Levitus et al.（2005）利用COADS （The Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set）和WOA94 （the 1994 World Ocean Atlas）的海溫資料對近幾十年來全球海表溫度的變化趨勢的研究表明，全球大部分熱帶海洋在增溫，其中印度洋溫度升高最為明顯。周天軍等（2001）利用GISST （Global sea-Ice and Sea Surface Temperature）海溫資料進一步證實，印度洋自20世紀50年代中期以來持續(xù)變暖，其中赤道印度洋增暖大約0.6°C。除了海表溫度近幾十年來持續(xù)增溫，印度洋深層也存在著長期變化趨勢（Alory et al., 2007; Alory and Meyers, 2009）。在印度洋副熱帶回流的南側(cè)40°S～50°S區(qū)域海溫從表層到深層近40年增加1至2°C；在副熱帶回流的北側(cè)（25°S附近）有從海表延伸到250 m的增溫；在5°N～15°S區(qū)域，在20°C等溫面上層海水是增溫的，在次表層（100～200 m）海水卻是降溫的；在10°N以北從表層到250 m深的海水都有明顯增溫趨勢。

那么，是什么原因造成印度洋不同海域、不同深度海水溫度的長期變化趨勢的不同？Alory et al. （2007）等的研究表明，印度洋南極繞流（AAC）北側(cè)、副熱帶回流南側(cè)海水溫度的變化是由南印度洋副熱帶回流整體向南移動0.5緯度引起的。人類活動可能引起了近幾十年來南極環(huán)狀模態(tài)（Southern Annular Mode）和南極海冰的變化，而這又引起了副熱帶回流的南移，從而影響南印度洋海溫異常（Gille 2002; Aoki et al., 2003; Cai et al., 2005）。熱帶印度洋次表層海水變冷以及溫躍層變淺可能是由于近幾十年來熱帶太平洋的東風(fēng)信風(fēng)減弱引起的，東風(fēng)信風(fēng)的減弱使得西太平洋暖池溫躍層變淺，并且這種信號通過印度尼西亞貫穿流導(dǎo)致熱帶印度洋溫躍層變淺，導(dǎo)致海洋混合層變薄和次表層海水變冷（Alory and Meyers, 2009）。

3 印度洋海盆一致模

3.1 印度洋海盆一致模的發(fā)展過程

熱帶印度洋常常會伴隨著El Ni?o事件逐漸變暖，并且在滯后于El Ni?o事件成熟一個季度達到峰值。有兩種過程會造成印度洋海盆模的發(fā)展。一種是大氣橋過程（Lau et al., 1997）：在El Ni?o年，印度洋上空的對流活動被抑制從而海表接收更多的太陽短波輻射，此外印度洋低層風(fēng)速減小使海洋潛熱釋放減弱；短波輻射增加和潛熱釋放的減弱導(dǎo)致了印度洋大部分區(qū)域的增暖（Klein et al., 1999）。

另外一種是海洋動力和局地海氣過程。副熱帶西南印度洋上空低層盛行反氣旋環(huán)流，因此溫躍層深度比較淺薄，年平均只有50 m左右（Xie et al., 2002；Lau and Nath, 2003）。在El Ni?o成熟期，副熱帶東南印度洋低層有反氣旋異常產(chǎn)生，從而激發(fā)了向西傳播的下沉羅斯貝波動，波動在一個季度后傳播到了西南印度洋，并且在溫躍層比較淺薄的西南印度洋影響局地海溫異常，導(dǎo)致了副熱帶西南印度洋海溫異常（Huang and Kinter, 2002; Xie et al., 2002）。春季，副熱帶西南印度洋溫度異常會引起上空降水異常，導(dǎo)致印度洋上空赤道南北反對稱環(huán)流異常。當副熱帶西南印度洋氣溫偏暖時，北印度洋有東風(fēng)異常。初夏后，印度季風(fēng)和東亞西南季風(fēng)爆發(fā)，該東風(fēng)異常會減弱氣候態(tài)風(fēng)場，減少海洋向大氣的潛熱釋放，使北印度洋海溫偏暖。該海氣過程使印度洋海盆一致模態(tài)能較長時間的維持（Du et al., 2009）。

熱帶印度洋海盆尺度增暖模態(tài)的維持時間長短存在著年代際變化，在上世紀70年代末期以后熱帶印度洋海盆尺度增暖能維持到夏季，而在前期這種海盆尺度模態(tài)衰退得很快不能維持到夏季（Huang et al., 2010; Xie et al., 2010）。印度洋海盆尺度增暖模態(tài)的維持可能與印度洋春季反對稱模態(tài)有關(guān)。Wu and Kirtman（2005）用1979年后的觀測資料指出，印度洋春季海溫、降水以及風(fēng)場會出現(xiàn)反對稱模態(tài)，而且這種反對稱模態(tài)和前冬赤道東太平洋海溫異常有緊密聯(lián)系。Du et al.（2009）進一步指出這種反對稱模態(tài)可能是熱帶西南印度洋激發(fā)的：海洋波動導(dǎo)致了西南印度洋的增暖 ；西南印度洋的增暖導(dǎo)致的上空對流異常形成了熱帶印度洋低層反對稱跨赤道的流場；這種反對稱跨赤道流場從春季一直維持到初夏，與初夏氣候態(tài)風(fēng)場相反，從而減弱了印度洋低層的風(fēng)場；風(fēng)場的減弱減少了海表潛熱釋放從而使得熱帶印度洋特別是北印度洋的海溫異常能維持到夏季。然而，在上世紀70年代末期以前，春季風(fēng)場的反對稱模態(tài)和前冬中東赤道太平洋的海溫關(guān)系并不密切，從而導(dǎo)致了這種海盆尺度一致模消退得很快，不能維持到夏季（Huang et al., 2010）。

3.2 印度洋海盆一致模在全球變暖背景下的變化

圖1 印度洋海表溫度與熱帶太平洋前冬（12月到2月）平均（a–c）Ni?o-3.4指數(shù)和（d–f）Modoki El Ni?o指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分布季節(jié)演變：（a、d）冬季12～2月；（b、e）春季3～5月；（c、f）夏季6～8月。[引自Tao et al.（2014）]Fig. 1 The correlations of seasonal TIO (the Indian Ocean) SST with the tropical Pacific Ni?o-3.4 index (right panels) and Modoki El Ni?o index (left panels), respectively. (a, d) Seasonal mean from December to February; (b, e) seasonal mean from March to May; (c, f) seasonal mean from June to August [From Tao et al. (2014)]

在全球變暖背景下，一類新型的El Ni?o事件自上世紀九十年代以來開始增多。與典型El Ni?o事件所對應(yīng)整個中東太平洋暖海溫異常不同的是，這類新型El Ni?o事件呈現(xiàn)為中太平洋暖海溫異常和東太平洋冷海溫異常。通常將這一類稱為中太平洋El Ni?o事件（Ashok et al., 2007）。Tao et al.（2015）研究了這兩類El Ni?o事件對印度洋海溫的不同作用（圖1）。典型El Ni?o事件出現(xiàn)時，印度洋呈現(xiàn)出整個海盆一致增暖的情況（圖1）。而中太平洋El Ni?o事件發(fā)生時，印度洋海溫卻沒有明顯變化。這主要是由于發(fā)生El Ni?o事件出現(xiàn)時，赤道東太平洋降水異常造成大氣Matsuno-Gill型環(huán)流響應(yīng)，通過大氣開爾文波動的傳播，影響到印度洋；而中太平洋El Ni?o事件發(fā)生時，中太平洋降水偏多，而東太平洋降水減少，這種緯向反號降水異常不能造成明顯的大氣開爾文波動，從而對印度洋影響比較小。此外，中太平洋El Ni?o事件強度比典型El Ni?o事件強度偏弱，更容易受到其他大氣或海洋信號干擾，從而對熱帶印度洋影響較弱。

Zheng et al.（2011）利用GFDL-CM2.1模式研究了印度洋海盆一致模對全球變暖的響應(yīng)。即使模式模擬的ENSO強度在未來有所減弱，且持續(xù)的時間變短，但是印度洋海盆一致模和電容器效應(yīng)卻增強了。這主要是由于ENSO在全球變暖背景下持續(xù)時間變短，使太平洋地區(qū)相應(yīng)的海溫異常消退得更快，從而造成了印度洋與太平洋海溫梯度的增大，增強了西北太平洋反氣旋南支的異常東風(fēng)。這支異常東風(fēng)又會延伸到北印度洋，減弱印度洋上空的氣候態(tài)風(fēng)場，根據(jù)蒸發(fā)—風(fēng)—海溫機制會減少印度洋的蒸發(fā)，有利于印度洋海溫異常的增強并持續(xù)更久。單純利用一個模式，可能會使結(jié)論存在模式依賴性。由世界氣候研究計劃（WCRP）推動的“耦合模式比較計劃（CMIP）”，尤其是最新組織實施的第五次耦合模式比較計劃（CMIP5），為我們利用多模式研究氣候變化提供了一次很好的機會。最近，Tao et al.（2015）和Hu et al.（2014）利用多個CMIP5的海氣耦合模式對印度洋海盆一致模在全球變暖背景下的變化進行了預(yù)估。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在全球變暖背景下，印度洋增暖有所加強，這與水汽對海溫在全球變暖下的響應(yīng)增強有關(guān)。飽和水汽壓和溫度的關(guān)系方程是非線性的，隨著溫度的增加，同樣溫度的異常能造成更大的飽和水汽壓的異常。因此在全球變暖背景下，同樣強度的El Ni?o事件，能在中東太平洋大氣對流層低層造成更多的水汽異常。在熱帶地區(qū)，大氣對流層溫廓線常常遵循濕對流調(diào)整，當?shù)蛯铀龆鄷r，上空對流層溫度也增加。從而導(dǎo)致全球變暖下，對流層溫度對El Ni?o海溫異常響應(yīng)的增強。對流層溫度通過大氣開爾文波動，傳播到印度洋，使印度洋上空大氣更溫暖 [Tropospheric Temperature（簡稱TT）機制]。異常海氣溫差的增大導(dǎo)致向下的潛熱通量的增大，向上的潛熱通量的減小，從而使印度洋暖的異常變大。此外，印度洋海溫異常和西北太平洋的環(huán)流異常也存在著反饋作用：印度洋暖海溫異常能造成西北太平洋低層反氣旋異常，而其南支東風(fēng)異常向西傳播使熱帶北印度洋偏暖。在全球變暖背景下，這兩種反饋會增強，使El Ni?o消退期印度洋暖海溫異常維持得更久并且更強，使印度洋海盆一致模和ENSO的聯(lián)系變得更加緊密，如圖2。

4 印度洋海溫海盆一致模對東亞夏季氣候的影響

在這一章節(jié)中，我們首先回顧了早期我國學(xué)者關(guān)于印度洋海溫對東亞夏季氣候的影響的工作，然后回顧了印度洋海盆一致模對東亞夏季氣候的影響。

4.1 我國學(xué)者早期關(guān)于印度洋對東亞氣候影響的工作

羅紹華等（1985）分析了印度洋和我國東部汛期降水的關(guān)系，指出孟加拉灣和阿拉伯海前期冬季的海溫和長江中下游梅雨期的降水有很好的關(guān)系，當這些海區(qū)偏暖時長江流域多雨，反之偏少。金祖輝和羅紹華（1986）指出長江流域梅雨期降水偏多時，孟加拉灣到南海以及至西太平洋均為正海溫距平，而索馬里沿岸為負的海溫距平。陳烈庭（1991）提出了一個印度洋影響東亞夏季風(fēng)的模型，指出阿拉伯海至南海東暖西冷時期，南海暖水區(qū)空氣上升，索馬里沿岸冷水區(qū)氣流下沉，組成高空為南亞東風(fēng)，低層為西南季風(fēng)的熱成環(huán)流；同時在赤道太平洋上常常也伴隨著東冷西暖的海溫異常分布，從而導(dǎo)致了太平洋和印度洋上的沃克環(huán)流加強，在南海暖水區(qū)附近形成強熱帶輻合帶，輻合帶上升的空氣向北輸送，在高空強東風(fēng)急流的下方下沉，使輻合帶北側(cè)的哈德萊環(huán)流發(fā)展，造成副高西部脊線偏南西伸；而在阿拉伯海至南海東冷西暖時期，沃克環(huán)流減弱，整個赤道太平洋中西部為沃克反環(huán)流占據(jù)，西太平洋下沉氣流加強，使輻合帶北側(cè)的哈德萊環(huán)流強度偏弱，造成西太平洋副高脊偏弱偏北。

吳國雄等（2000）指出，赤道中東太平洋的海溫異常和中國氣候的相關(guān)只是一種表面現(xiàn)象，而印度洋的海溫異常與中國氣候卻存在著直接的因果關(guān)系。印度洋上暖的海表溫度異常加大了水汽蒸發(fā)和海氣溫差，導(dǎo)致感熱加熱異常增大，近地層出現(xiàn)氣旋式環(huán)流。其東部異常發(fā)展的偏南風(fēng)向北輸送大量的水汽產(chǎn)生異常降水，異常降水在向東北伸展的同時伴有深對流潛熱加熱，這時對流層中低層由于加熱隨高度增加，南風(fēng)發(fā)展，副熱帶高壓在加熱區(qū)東面加強。在對流層上層由于加熱隨高度減小，北風(fēng)發(fā)展，副熱帶高壓在加熱區(qū)西邊加強。于是當北印度洋出現(xiàn)正的海溫異常時，500 hPa以及以下層次上西太平洋副熱帶高壓將異常發(fā)展，200 hPa上南亞高壓也將異常發(fā)展。

4.2 印度洋海盆一致模對東亞氣候的影響

前人的研究表明印度洋海盆一致增暖能通過激發(fā)夏季西北太平洋反氣旋異常。Xie et al.（2009）提出了印度洋激發(fā)西北太平洋反氣旋的機理（如圖3所示）：夏季熱帶印度洋的增暖能激發(fā)上空的暖性開爾文波動，其向西太平洋伸展的低壓槽能導(dǎo)致了西北太平洋低層有流向赤道的風(fēng)場，從而導(dǎo)致了西北太平洋邊界層?？寺椛ⅲ蛯拥妮椛⒛芤种茖α鲝亩谖鞅眰?cè)激發(fā)反氣旋異常，而反氣旋進一步抑制對流發(fā)展也進一步加強低層反氣旋的發(fā)展。這樣由印度洋激發(fā)的開爾文波動觸發(fā)的局地對流—大尺度環(huán)流相互作用，導(dǎo)致了西北太平洋低層反氣旋異常形成和維持。并且，西北太平洋反氣旋異常能西傳到北印度洋上空，使印度洋海水變暖（Kosaka et al., 2013）。在該過程中印度洋起一種信號儲存的作用，將冬季的ENSO信號儲存起來，并影響夏季東亞氣候，因此被稱之為印度洋電容器效應(yīng)（Yang et al., 2007; Xie et al. 2009）。 這種電容器效應(yīng)在其他研究也得到證實（Wu et al., 2009; Wu et al., 2010）。黃剛和胡開明（2008）指出北印度洋的海溫在上述過程中起主要作用，而南印度洋對西北太平洋異常反氣旋的影響很弱。印度洋電容器效應(yīng)對中國夏季氣溫以及極端高溫災(zāi)害分布有重要的影響。當印度洋偏暖時，我國夏季華南氣溫偏高、東北氣溫偏低、長江流域降水偏多（Hu et al., 2011），并且晚夏江南區(qū)域容易出現(xiàn)極端高溫災(zāi)害（Hu et al., 2012, 2013）。除夏季外，一些研究也表明冬季印度洋海盆一致模海溫異常也能導(dǎo)致副熱帶西北太平洋反氣旋異常（Watanabe and Jin, 2003）。

圖2 氣候變暖情景下印度洋海盆一致模增強的機理示意圖，其中dqs/dT為大氣絕對飽和濕度對氣溫的導(dǎo)數(shù)Fig. 2 The mechanism for strengthening of TIO basin mode under global warming，and dqs/dT represents the deviation of saturated specific humidity to air temperature

圖3 夏季降水場（陰影，間隔0.1）、850 hPa風(fēng)場（矢量）和對流層整層溫度場（等值線）與冬季（12～2月）Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分布[引自Xie et al.（2009）]Fig. 3 Correlation of summer rainfall (shade, interval at 0.1), 850-hPa winds (vectors) and tropospheric temperature (contours, vertical average from 850 hPa to 200 hPa) with the previous winter Nino-3.4 index (seasonal mean from December to February). [From Xie et al. (2009)]

此外，Yang et al.（2007）和Huang et al.（2011）指出印度洋也能影響南亞高壓的變化。熱帶印度洋偏暖能激發(fā)上空大氣Matsuno-Gill 型響應(yīng)，引起對流層高層高度場異常從而導(dǎo)致南亞高壓的強度偏強位置偏南（圖4）。并且，研究發(fā)現(xiàn)印度洋能影響到東亞副熱帶高空急流位置和強度。在印度洋偏暖年，一方面南亞高壓偏強，使南亞高壓北側(cè)氣壓梯度增強，導(dǎo)致急流偏強；另一方面，印度洋抑制熱帶西北太平洋對流活動，造成東亞—太平洋/太平洋—日本（EAP/PJ）遙想關(guān)波列異常，使急流位置偏強偏南（Qu and Huang, 2012b）。而南亞高壓和東亞西風(fēng)急流的變化，可引起東亞對流層中層西風(fēng)帶和溫度平流的調(diào)整，導(dǎo)致上升運動的變化，最終可影響到東亞夏季降水異常（Kosaka et al., 2011）。

圖4 1979～2007年印度洋夏季（a）區(qū)域（20°N～20°S，40°E～100°E）平均海表溫度的標準差和（b）100 hPa 的16720 gpm位勢高度等值線（實線、點虛線和虛線分別為氣候態(tài)、印度洋暖和印度洋冷時的合成結(jié)果）。[引自Huang et al.（2011）]Fig. 4 (a) Normalized TIO (20°S–20°N, 40°–100°E) SST in June–August (JJA) from 1979–2007. (b) Contour lines for 100-hPa 16720 gpm geopotential height when TIO SST is warm (dashed line), cold (dotted line) and climatological (solid line) in JJA. [From Huang et al. (2011)]

同時印度洋海盆一致模對東亞夏季氣候的影響也存在著明顯的年代際變化。Huang et al.（2010）指出熱帶印度洋海盆模海溫異常對西北太平洋反氣旋的影響在近幾十年明顯增強（圖5）。在1976/77年之前，印度洋海盆一致模不能維持到夏季，從而對西北太平洋反氣旋的影響比較弱。與前期相比，在1976/77年之后熱帶印度洋海盆模的維持時間更長，所造成的夏季熱帶印度洋海溫異常也更大。進一步研究表明，印度洋上空開爾文波動的激發(fā)和海溫異常的大小有關(guān)，海溫異常越大時，波動也越強，因此，在1976/77年之后夏季熱帶印度洋海盆模海溫異常更容易激發(fā)開爾文波動，造成西北太平洋—東亞夏季氣候異常；而在1976/77年之前，海盆模快速衰減，夏季海溫異常很弱，其通過開爾文波對東亞—西北太平洋夏季氣候所造成的影響也很弱。而這種年代際變化與印度洋海溫狀況有關(guān)，在1976/77年后，副熱帶西南印度洋的溫躍層變淺，El Ni?o激發(fā)的副熱帶南印度洋下沉海洋羅斯貝波對副熱帶西南印度洋表層海溫增強，從而使印度洋海盆一致模維持時間更久。

圖5 觀測的印度洋海盆一致模指數(shù)（夏季20°S～20°N印度洋平均溫度）和西北太平洋反氣旋指數(shù)的15年滑動相關(guān)（實線）；觀測的NWP （northwestern Pacific）反氣旋指數(shù)與集合模式NWP反氣旋指數(shù)結(jié)果的15年滑動相關(guān)（點虛線）；水平黑色虛線分別代表通過95%和99%信度檢驗。[引自Huang et al.（2010）]Fig. 5 The 15-year sliding correlations between the NWP (northwestern Pacific) anticyclone and JJA TIO SST indices of observation (solid line), and the 15-year sliding correlations of the NWP anticyclone index between observations and the ensemble-mean simulation (dash line). Horizontal black dash lines denote 95% and 99% confidence levels. [From Huang et al. (2010)]

圖6 CMIP5中（a）1870～1919年、（b）1951～2000年歷史氣候模擬以及2050～2099年（c）RCP4.5、（d）RCP8.5排放情景下夏季風(fēng)距平場（矢量）和對流層溫度距平場（850～200 hPa垂直平均，填色，單位：°C）的對前冬Ni?o3.4指數(shù)回歸場。[引自Hu et al.（2014）]Fig. 6 The MME (Multiple Model Ensemble) mean of MJJ (May–June–July) tropospheric temperature anomalies (units: °C; colors; vertical average from 850 to 200 hPa) and 850-hPa winds anomalies (vectors; m s?1) obtained by regression on the normalized DJF (December–January–February) Ni?o-3.4 SST index during (a) 1870–1919 in the historical run, (b) 1951–2000 in the historical run, (c) 2050–2099 in the RCP4.5 run, and (d) 2050–2099 in the RCP8.5 run. [From Hu et al. (2014)]

并且Qu and Huang（2012a）發(fā)現(xiàn)印度洋海盆一致模對南亞高壓的影響也存在明顯的年代際變化。在近幾十年印度洋對南亞高壓的影響在增強。一方面，這和印度洋海溫變暖、海溫變率增強有關(guān)。印度洋海溫變暖，海溫變率變大，使得印度洋能激發(fā)更強的局地對流層溫度異常，從而影響到南亞高壓強度和位置。另一方面，這種年代際變化受到印度洋海盆一致模態(tài)出現(xiàn)時伴隨的西太平洋海溫和印度上空降水狀況的調(diào)節(jié)（Qu and Huang, 2015）。印度洋海盆增暖年夏季，如果西太平洋海水偏暖，那么印度洋海盆一致模和南亞高壓的關(guān)系緊密。同樣，印度洋海盆增暖年夏季，如果印度上空降水偏弱，那么印度洋海盆一致模和南亞高壓的聯(lián)系偏弱。

印度洋海盆一致模對東亞夏季氣候的影響也受氣候變暖的影響。我們研究發(fā)現(xiàn)全球變暖背景下印度洋海盆一致模對東亞夏季氣候影響可能會增強（Hu et al., 2014）。利用19個CMIP5海氣耦合模式，研究了ENSO對東亞—西北太平洋夏季氣候的影響。在歷史氣候模擬中，8個模式能夠模擬出ENSO對東亞—西北太平洋夏季氣候影響的年代際變化特征。在高影響時間段，ENSO能夠通過影響印度洋海溫及其導(dǎo)致的電容器效應(yīng)影響到東亞—西北太平洋夏季氣候。在低影響時間段，這種過程不明顯。數(shù)值模式的結(jié)果和觀測結(jié)果一致。此外，我們利用RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）和RCP8.5實驗，研究了ENSO對東亞—西北太平洋夏季氣候影響的變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫室氣體濃度的升高，ENSO導(dǎo)致的印度洋電容器效應(yīng)增強，從而對東亞—西北太平洋夏季氣候的影響增強。增強機理是：飽和水汽對溫度的響應(yīng)是非線性的，全球變暖背景下，同樣的溫度異常能造成更大的水汽異常；在熱帶對流層溫度受SST和低層絕對濕度控制，因此同樣的SST異常能造成更大的對流層溫度異常，從而使El Ni?o消退年印度洋電容器效應(yīng)更強，造成更大的東亞夏季氣候的異常（圖6）。

5 總結(jié)和展望

我國學(xué)者很早就關(guān)注到印度洋對東亞夏季氣候的可能影響，并且提出了一些可能的影響機制。近10多年來隨著印度洋觀測資料的豐富，國內(nèi)外學(xué)者對印度洋的研究也越來越深入。本文系統(tǒng)地回顧了這些研究結(jié)果，也僅以此文紀念恩師葉篤正先生對東亞季風(fēng)研究的杰出貢獻。

盡管目前研究從不同方面分析了印度洋海盆模的發(fā)生過程及其對東亞氣候的影響機制，但是目前研究還存在著以下不足。

首先，目前研究表明熱帶印度洋海盆模能通過多個途徑影響到東亞夏季氣候。一些研究表明熱帶印度洋海盆模能通過激發(fā)開爾文波動造成副熱帶西北太平洋反氣旋異常，而導(dǎo)致東亞氣候異常。另外一些研究也表明熱帶印度洋海盆模通過影響南亞高壓和東亞高空急流而造成東亞夏季氣候異常。而目前這些影響途徑之間的關(guān)聯(lián)尚不清楚。為了更好的理解印度洋海盆模對東亞夏季災(zāi)害性氣候的影響，需要在未來更全面的研究這些途徑之間的相互抵消或促進作用。

其次，印度洋海盆模發(fā)生過程常常伴隨著其他區(qū)域海洋的海溫異常，如赤道太平洋海溫異常、南海海溫異常和大西洋海溫異常。這些海溫異常可能會干擾印度洋對東亞氣候的影響，從而影響了印度洋海盆模和東亞氣候異常關(guān)系的穩(wěn)定性。我們未來需要分析不同區(qū)域海溫異常對東亞氣候的協(xié)同或抵消作用。

最后，目前研究表明印度洋海盆模的維持時間存在著年代際變化，該變化機制可能和全球變暖有關(guān)，也可能與印度洋次表層海溫?zé)崃顩r的年代際變化有關(guān)。為了更好的分析未來東亞氣候異常，我們需要預(yù)估接下來幾十年印度洋海盆模的變化。

致謝 文章撰寫的時候正值恩師葉篤正院士仙逝一周年，回首往事，歷歷在目，仿佛您從未離去。僅以此文表達哀思和懷念，也是將學(xué)生最近的工作進行系統(tǒng)的總結(jié)，期待著更大的突破，再次感謝先生多年教誨，師恩深重，心銘長存。

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作者簡介黃剛，男，1971年出生，研究員，主要從事海氣相互作用和東亞夏季風(fēng)研究。E-mail: hg@mail.iap.ac.cn

收稿日期2015-03-06；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-05-25

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文章編號1006-9895(2016)01-0121-10

中圖分類號P466

文獻標識碼A