過(guò)去500年印度夏季風(fēng)降水與ENSO的關(guān)系

李方騰 劉飛 柴靜

摘要 為了研究大尺度背景場(chǎng)對(duì)ENSO和印度夏季風(fēng)降水關(guān)系的調(diào)制作用，更好地預(yù)報(bào)氣候變暖背景下印度夏季風(fēng)降水的年際變化，本文利用重建的10套ENSO指數(shù)和印度降水資料，研究了ENSO和印度夏季風(fēng)降水在過(guò)去500 a（1470—1999年）中的關(guān)系，其存在的原因以及如何理解這一現(xiàn)象，主要側(cè)重于ENSO對(duì)印度夏季風(fēng)的影響。結(jié)果表明：1）在過(guò)去500 a中，ENSO與印度夏季風(fēng)降水的關(guān)系并非是一成不變的，大體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系;在小冰期負(fù)相關(guān)較弱，在現(xiàn)代暖期負(fù)相關(guān)加強(qiáng)，19世紀(jì)80年代后負(fù)相關(guān)開(kāi)始減弱。2）在過(guò)去500 a中，印度夏季風(fēng)降水異常與ENSO的關(guān)系是確定存在的，并非是隨機(jī)產(chǎn)生的。3）在小冰期和現(xiàn)代暖期，印度夏季降水異常與Nio指數(shù)的振幅及周期的關(guān)系有很大的不同，現(xiàn)代暖期明顯較大，即相對(duì)于小冰期，現(xiàn)代暖期ENSO的振幅增強(qiáng)、周期偏大，導(dǎo)致印度夏季風(fēng)與ENSO呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系;但兩者的平均狀態(tài)相差不大。

關(guān)鍵詞 印度夏季風(fēng); 降水; ENSO

印度夏季風(fēng)降水一般是指每年6—9月西南季風(fēng)帶來(lái)的降水，它由索馬里急流從南印度洋攜帶來(lái)的水汽和阿拉伯海洋面蒸發(fā)的水汽所產(chǎn)生，其多年平均值為852 mm，占印度全年降水總量的78.2%（Parthasarathy et al.，1994;張東啟等，2000）。印度夏季風(fēng)降水的年際變化所產(chǎn)生的干濕年降水量差值可達(dá)413 mm，為多年夏季風(fēng)降水量平均值的48%（Parthasarathy et al.，1992）。顯然，干濕年降水的變化幅度如此之大，印度夏季風(fēng)降水的年際變化對(duì)該地區(qū)人民的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了決定性的影響。同時(shí)，印度夏季風(fēng)降水是南亞氣候系統(tǒng)中一個(gè)極其重要的組成部分，因此研究印度夏季風(fēng)降水的年際預(yù)報(bào)具有重要的意義。

關(guān)于印度夏季風(fēng)的年際變化預(yù)報(bào)因子有很多，厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（El Nio-Southern Oscillation，以下簡(jiǎn)寫(xiě)為ENSO）就是其中之一。印度夏季風(fēng)的年際變化一般定義為季節(jié)過(guò)渡或季節(jié)過(guò)程對(duì)平均年循環(huán)的年偏差，這種季風(fēng)的年偏差常表現(xiàn)為10 a尺度以下的多種振蕩（柳艷菊和丁一匯，2007;丁一匯等，2013）。而ENSO作為目前已知發(fā)生在赤道太平洋最強(qiáng)的海溫年際氣候異常，通過(guò)赤道地區(qū)大尺度熱源東西向移動(dòng)來(lái)影響印度季風(fēng)的年際變化（Krishna et al.，1999;倪東鴻等，2000;張文君等，2018;王黎娟等，2000）。Ding（2007）、Turner and Annamalai（2012）研究表明，對(duì)于亞洲夏季風(fēng)的年際尺度變率，由ENSO事件引起的SST異常是這種季風(fēng)變率的主要強(qiáng)迫因子。幾乎所有季風(fēng)降水的統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方案都依賴于各種ENSO指標(biāo)量值的變化，這些指標(biāo)包括從冬季（9月至次年2月）到春季（3—5月）的各種ENSO指標(biāo)（Trenberth，1997;馮曉偉和孫照渤，1998;Hanley et al.，2003;江麗俐等，2009）。因此若以ENSO作為預(yù)報(bào)因子來(lái)預(yù)報(bào)季風(fēng)降水，其成功與否依賴于季風(fēng)和ENSO相關(guān)關(guān)系的穩(wěn)定性。

前人對(duì)于印度夏季風(fēng)降水和ENSO的關(guān)系已有不少的研究（Rasmusson and Carpenter，1983;Webster and Yang，1992;倪允琪等，1995;黃榮輝等，1996;管兆勇等，1997;陶詩(shī)言和張慶云，1998;Kirtman and Shukla，2000;肖海平和龔道溢，2000;晏紅明等，2001;Wang et al.，2003;呂梁宏和鄭小童，2017;Roy et al.，2017），主要觀點(diǎn)是El Nio發(fā)展年赤道沃克環(huán)流的位置改變使得印度地區(qū)的對(duì)流受到抑制，或者是海陸熱力梯度的減小，引起了印度干旱，而La Nia發(fā)展年正好相反，但其時(shí)間尺度僅局限于過(guò)去一百多年的觀測(cè)資料。但是，也有不少研究（Kinter et al.，2002;Krishnan et al.，2003;Kawamura et al.，2005;Srivaatava et al.，2015）指出，印度夏季風(fēng)降水和ENSO的關(guān)系并非一直是負(fù)相關(guān)，1980年之后這種關(guān)系已經(jīng)被破壞了。Krishna et al.（1999）對(duì)1856—1997年歷史資料的分析表明：ENSO與印度夏季風(fēng)的反相關(guān)關(guān)系（暖ENSO事件產(chǎn)生弱季風(fēng)）在1980年之后不再顯著，其原因如下：一是沃克環(huán)流的東南移動(dòng)，使得印度地區(qū)下沉氣流減弱，從而印度夏季風(fēng)降水增多。除此之外，冬春季歐亞大陸地面溫度升高，使得歐亞大陸和印度洋之間的熱力梯度加強(qiáng)，因而導(dǎo)致了強(qiáng)季風(fēng)的爆發(fā)。所以，當(dāng)海陸熱力梯度加強(qiáng)時(shí)，盡管發(fā)生了強(qiáng)El Nio事件，其造成的印度夏季風(fēng)降水的減少可能會(huì)被海陸熱力梯度加強(qiáng)導(dǎo)致的強(qiáng)季風(fēng)爆發(fā)所抵消，使得印度夏季風(fēng)降水維持正常的水平。

盡管已有眾多學(xué)者研究了印度夏季風(fēng)降水和ENSO之間的關(guān)系，但其時(shí)間長(zhǎng)度都僅限于過(guò)去100多年，且大部分為觀測(cè)資料，那么在過(guò)去500 a二者的關(guān)系又是怎樣的呢？本文主要關(guān)注大尺度背景場(chǎng)氣候態(tài)對(duì)ENSO和印度夏季風(fēng)關(guān)系的調(diào)制作用，所以來(lái)研究過(guò)去500 a二者的關(guān)系，看其是否穩(wěn)定，且關(guān)注小冰期（取1470—1850年）、現(xiàn)代暖期（取1851—1980年）的背景場(chǎng)下二者關(guān)系有何不同，并探索其背后的原因，以期對(duì)未來(lái)全球變暖背景下印度夏季風(fēng)降水的年際變化做出更好的預(yù)報(bào)。

1 資料和方法

1.1 關(guān)于ENSO指數(shù)及東亞降水重建的研究

氣候重建為探討氣候變化機(jī)制提供了過(guò)去氣候變化特征的基本事實(shí)（周天軍等，2009）。氣候重建的尺度一般為幾百年至上千年，包括了中世紀(jì)暖期、小冰期和現(xiàn)代暖期，重建所用的代用記錄一般為冰芯、珊瑚、樹(shù)輪和石筍等，也有科學(xué)家利用歷史文獻(xiàn)來(lái)進(jìn)行氣候重建。這些代用數(shù)據(jù)一般時(shí)間跨度比較長(zhǎng)，時(shí)間分辨率較高，且與ENSO的關(guān)系比較穩(wěn)定，所以用來(lái)重建過(guò)去千年的ENSO指數(shù)，由此得到的重建結(jié)果較為可靠。相比于器測(cè)資料，重建資料具有更長(zhǎng)的時(shí)間尺度，可以更好地研究氣候現(xiàn)象的變化過(guò)程及其機(jī)理。ENSO 振幅變化的幅度影響世界各地氣候極端事件的發(fā)生和可預(yù)測(cè)性，但檢測(cè)和預(yù)測(cè)ENSO振幅變化的能力受到觀測(cè)的限制，器測(cè)記錄太短，無(wú)法表征其自然變異性。所以分析過(guò)去千年長(zhǎng)時(shí)間尺度的ENSO變化特征有著重要意義。前人對(duì)此已有不少的研究。Li et al.（2011）用北美干旱地圖集（North America Drought Atlas，簡(jiǎn)寫(xiě)為NADA）的干旱指數(shù)數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)去1 100 a內(nèi)ENSO的變化進(jìn)行了分析，得到了一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)序列。重建的結(jié)果與太平洋及其周邊地區(qū)獨(dú)立，且與ENSO敏感的代用記錄有廣泛的一致性。記錄表明ENSO振幅呈現(xiàn)50～90 a的準(zhǔn)常規(guī)周期，與熱帶太平洋平均狀態(tài)密切相關(guān)。除此之外，眾多學(xué)者（Stahle et al.，1998;Mann et al.，2000;DArrigo et al.，2005;Cook et al.，2008;Braganza et al.，2009;Mcgregor et al.，2010;Wilson et al.，2010;Li et al.，2011;Emile-Geay et al.，2013;Li et al.，2013）利用北美西南樹(shù)輪的資料和全球其他代用資料對(duì)ENSO指數(shù)進(jìn)行了重建，時(shí)間跨度最長(zhǎng)的是從900—2002年，最短的是從1706—1997年，重建的ENSO指數(shù)和已有器測(cè)數(shù)據(jù)所計(jì)算的ENSO指數(shù)相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.87。

在印度降水的重建方面，F(xiàn)eng et al.（2013）根據(jù)亞洲大陸284個(gè)站點(diǎn)的樹(shù)木年輪數(shù)據(jù)、歷史文獻(xiàn)記錄、冰芯記錄和少數(shù)長(zhǎng)期儀器數(shù)據(jù)序列，采用正規(guī)期望最大化方法（Regularized Expectation Maximization，RegEM）對(duì)亞洲大陸（60°～135°E，5°～55°N）1470—1999年5—9月的降水進(jìn)行了重建。該方法在過(guò)去數(shù)10年里多用于以代用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的古氣候重建，相較于逐格點(diǎn)法，它能更好地表征大范圍的降水多少。文中對(duì)重建的降水和前人的重建結(jié)果進(jìn)行了比較，盡管所使用的方法和選定的區(qū)域有一定差別，但重建資料之間的相關(guān)性很好，達(dá)到了0.751，所呈現(xiàn)的旱澇時(shí)期也對(duì)應(yīng)得很好，這就進(jìn)一步驗(yàn)證了重建資料的可靠性。最終結(jié)果表明，重建降水在大多數(shù)研究區(qū)域是可行的，在中國(guó)東部，印度和其他濕潤(rùn)氣候地區(qū)效果最好。降水不僅驗(yàn)證并且提供了一個(gè)更大的范圍來(lái)了解這些過(guò)去的氣候事件及其與亞洲夏季風(fēng)的關(guān)系。Shi et al.（2017）利用樹(shù)輪數(shù)據(jù)、歷史文獻(xiàn)和器測(cè)資料重建了1475—1995年的中國(guó)地區(qū)的夏季（5—9月）降水。結(jié)果表明，重建的降水與器測(cè)資料匹配度高，具有較高的可信度。文中所用的重建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為Feng et al.（2013）重建的亞洲地區(qū)1470—1999年5—9月的降水資料，其相關(guān)性達(dá)到了0.68，可信度較高，以此為基礎(chǔ)，研究過(guò)去500 a ENSO對(duì)印度夏季風(fēng)降水的影響，分析小冰期和現(xiàn)代暖期背景場(chǎng)下二者關(guān)系有何不同，并解釋其關(guān)系不同的原因。

1.2 資料介紹

采用資料分為觀測(cè)資料和重建資料，觀測(cè)資料包括全球降水氣候?qū)W中心（Global Precipitation Climatology Centre，簡(jiǎn)稱GPCC）的1901—2013年的月平均降水資料（Schneider et al.，2011）;哈德萊中心（Hadley Centre Sea Ice and SST data set，簡(jiǎn)稱HadISST）1870—2013年的月平均海溫資料（Rayner et al.，2003）;此外還有美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，簡(jiǎn)稱NCEP）的1948—2013年的月平均風(fēng)場(chǎng)資料（Kalnay et al.，1996）。重建資料包括10套重建的Nio指數(shù)（Stahle et al.，1998;Mann et al.，2000;DArrigo et al.，2005;Cook et al.，2008;Braganza K et al.，2009;Mcgregor et al.，2010;Wilson et al.，2010;Li et al.，2011;Emile-Geay et al.，2013;Li et al.，2013），其重建所用資料及時(shí)間長(zhǎng)度見(jiàn)表1;還有根據(jù)樹(shù)木年輪數(shù)據(jù)、歷史文獻(xiàn)記錄、冰芯記錄和少數(shù)長(zhǎng)期儀器數(shù)據(jù)序列，采用正規(guī)化期望最大化（RegEM）的方法重建的1470—1999年5—9月亞洲大陸（60°～135°E，5°～55°N）的降水資料（Feng et al.，2013）。

1.3 方法介紹

對(duì)于ENSO事件年份的選取方法如下：對(duì)1470—1999年的重建的10套Nio指數(shù)做平均，并做標(biāo)準(zhǔn)化處理，將大于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為El Nio年，小于一個(gè)負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為L(zhǎng)a Nia年，共得到54個(gè)El Nio年和54個(gè)La Nia年;同時(shí)，本文還利用了以下統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法，主要包括：1）合成分析、相關(guān)分析和一元回歸分析方法;2）經(jīng)驗(yàn)正交分解（Empirical Orthogonal Function，EOF）方法;3）滑動(dòng)相關(guān)、高斯濾波和t檢驗(yàn)方法;4）能量譜分析方法。

2 ENSO發(fā)展年印度夏季風(fēng)降水的異常

2.1 觀測(cè)資料中ENSO和印度夏季風(fēng)降水的關(guān)系

1979—2013年5—9月印度夏季風(fēng)降水區(qū)域平均值為161 mm/mon（圖1），低層有夏季風(fēng)從西南輸送的暖濕氣流提供水汽。作為印度降水的主要來(lái)源，印度夏季風(fēng)所帶來(lái)的降水異常深刻影響著當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活，其異常量級(jí)與ENSO的關(guān)系如何呢？

圖2a、2b是觀測(cè)資料中1901—1999年El Nio和La Nia事件發(fā)生時(shí)，印度夏季風(fēng)降水異常的合成，根據(jù)HadISST計(jì)算的Nio3指數(shù)，并做標(biāo)準(zhǔn)化處理，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為界限，一共對(duì)14個(gè)El Nio和12個(gè)La Nia年進(jìn)行了合成?？梢钥闯觯贓l Nio的發(fā)展年，印度夏季風(fēng)降水呈現(xiàn)負(fù)異常;而La Nia的發(fā)展年則出現(xiàn)降水正異常，其量級(jí)較大，達(dá)到了20 mm/mon?？梢?jiàn)，ENSO確實(shí)與印度夏季風(fēng)降水存在反相關(guān)的關(guān)系，即El Nio發(fā)展年印度夏季風(fēng)降水減少，La Nia發(fā)展年降水則增多。那么，重建資料中結(jié)果又是怎么的呢？其結(jié)果與此有什么不同呢？

2.2 過(guò)去500 a ENSO和印度夏季風(fēng)降水的關(guān)系

為了研究重建資料中印度夏季風(fēng)降水和ENSO的關(guān)系，首先驗(yàn)證重建的ENSO指數(shù)是否可靠？其與觀測(cè)的ENSO相關(guān)性如何？圖3是10套重建的Nio指數(shù)的1470—1999年的分布狀態(tài)，可以看出，重建的10套Nio指數(shù)的平均狀態(tài)和觀測(cè)海溫所計(jì)算的Nio3指數(shù)吻合度很高，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.87，這表明過(guò)去重建的Nio指數(shù)可信度較高，可以用來(lái)判斷過(guò)去500 a的ENSO事件。其次驗(yàn)證了重建降水資料的可靠性，可以看出，圖3d中1901—1999年重建資料和觀測(cè)資料所計(jì)算的印度區(qū)域平均降水的相關(guān)性達(dá)到了0.68。因此重建的降水資料可信度較高，可以較好地表征過(guò)去500 a印度地區(qū)的降水特征。

那么，重建資料中，當(dāng)ENSO事件發(fā)生時(shí)，印度夏季風(fēng)降水是如何變化的呢？在El Nio和La Nia事件的發(fā)展年份，其對(duì)印度夏季風(fēng)降水的影響與觀測(cè)資料有何不同呢？圖4是過(guò)去500 a中El Nio和La Nia事件發(fā)生時(shí)，印度（68°～97°E，8°～36°N）夏季風(fēng)降水異常的合成?？梢钥闯觯还苁荅l Nio發(fā)展年還是La Nia發(fā)展年，10套重建的Nio指數(shù)所得到的結(jié)果均較為一致。在El Nio發(fā)展年，印度地區(qū)呈現(xiàn)較為明顯的降水負(fù)異常;在La Nia發(fā)展年，印度地區(qū)則呈現(xiàn)較為明顯的降水正異常。盡管各Nio指數(shù)所導(dǎo)致的降水異常的大小稍有不同（這可能是由于10套Nio指數(shù)的年份長(zhǎng)短不同所導(dǎo)致，也有可能由于資料重建所采用的方法和代用指標(biāo)不同所引起），但總體量級(jí)為-5～5 mm/mon。

考慮到10套重建的Nio指數(shù)有以下三點(diǎn)不同，其一是時(shí)間長(zhǎng)度的不同，最長(zhǎng)的Nio指數(shù)時(shí)間跨度從900—2000年（Li et al.，2011），最短的Nio指數(shù)時(shí)間跨度從1706—1977年（Stahle et al.，1998）;其二是重建所采用的代用指標(biāo)取值地點(diǎn)有所差異，但總體都是采用樹(shù)輪、珊瑚和冰芯等可靠的代用指標(biāo)，所重建的指數(shù)較為可靠;其三是各套Nio指數(shù)的重建方法有所差異，但重建結(jié)果的可信度經(jīng)驗(yàn)證均較高。為了進(jìn)一步提高資料的可信度，防止因?yàn)閱蝹€(gè)資料的異常而引起的降水異常幅度產(chǎn)生不真實(shí)的結(jié)果，從而使本文得出的結(jié)論更加可靠，我們最終的Nio指數(shù)采用10套資料的平均值，并將其時(shí)間跨度限制在1470—1999年，與重建的印度地區(qū)降水對(duì)應(yīng)起來(lái)。首先計(jì)算10套Nio指數(shù)平均值，并做標(biāo)準(zhǔn)化處理，選取其大于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差和小于一個(gè)負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的年份，定義為El Nio和La Nia的發(fā)展年份，分別得到54個(gè)El Nio年和La Nia年，然后合成兩種情況下的印度夏季風(fēng)降水異常（圖5a、5b），可以看出在El Nio的發(fā)展年，印度夏季風(fēng)降水呈現(xiàn)負(fù)異常，而La Nia發(fā)展年則呈現(xiàn)正異常。

進(jìn)一步討論Nio指數(shù)振幅的變化和不同指數(shù)選取的El Nio和La Nia年份，對(duì)印度地區(qū)的夏季風(fēng)降水異常量級(jí)有無(wú)影響。第一，由圖3a可以看出，10套Nio指數(shù)的振幅不同，但相比于平均后的Nio指數(shù)，其振幅明顯偏大，但是最后得到的結(jié)果卻類似，即不同Nio指數(shù)的變率變幅不同，但其引起的印度夏季風(fēng)降水異常的量級(jí)卻非常接近。第二，10套Nio指數(shù)由于時(shí)間長(zhǎng)度不同，再加上其本身的振幅的差異，所選取的El Nio和La Nia的年份個(gè)數(shù)不同，其中El Nio事件個(gè)數(shù)分別為43、49、76、83、73、47、63、100、90和79個(gè)，La Nia事件分別為45、41、86、91、71、47、59、96、87和79個(gè)。合成后的新Nio指數(shù)所選取的El Nio和La Nia事件個(gè)數(shù)分別為54和54。盡管10套Nio指數(shù)和合成的新指數(shù)的變率變幅有所差異，各自選取的ENSO年份也有所不同，但其對(duì)印度夏季風(fēng)降水異常的影響比較一致。即El Nio發(fā)展年印度夏季風(fēng)降水異常減少，La Nia發(fā)展年印度夏季風(fēng)降水異常增多。其量級(jí)均為-5～5 mm/mon。由此得到結(jié)論，Nio指數(shù)振幅的變化和不同指數(shù)選取的El Nio和La Nia年份，對(duì)印度地區(qū)的夏季風(fēng)降水異常量級(jí)影響很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

另外，10套重建的Nio指數(shù)由于代用指標(biāo)源地不同，其中第1、2、5、6、9和10套（Stahle et al.，1998;Mann et al.，2000;DArrigo et al.，2005;Cook et al.，2008;Emilegeay et al.，2013;Li et al.，2013）重建ENSO指數(shù)涉及全球樹(shù)輪及其他代用記錄，與印度重建降水不獨(dú)立;其中第3、4、7和8套（Braganza K et al.，2009; Mcgregor et al.，2010;Wilson et al.，2010; Li et al.，2011）重建ENSO指數(shù)分別利用了北美西南及墨西哥樹(shù)輪，墨西哥及德州樹(shù)輪，中太平洋珊瑚、德州樹(shù)輪、其他珊瑚、冰芯和北美樹(shù)輪，與印度重建降水獨(dú)立。

針對(duì)以上兩種情況，分別計(jì)算了El Nio和La Nia發(fā)展年時(shí)，印度地區(qū)的降水異常情況，發(fā)現(xiàn)不管是哪種情況，印度地區(qū)的降水量級(jí)都在-5～5 mm/mon，從而說(shuō)明了ENSO重建指標(biāo)與印度重建降水是否獨(dú)立對(duì)南亞降水異常的影響程度基本一致。

值得注意的是，利用重建Nio指數(shù)所計(jì)算的降水異常的量級(jí)非常小，只達(dá)到了5 mm/mon，而觀測(cè)資料中則達(dá)到了20 mm/mon，這是什么原因造成的呢？接下來(lái)將討論這一現(xiàn)象。圖5c、5d是重建降水資料在1470—1999年中的降水異常的標(biāo)準(zhǔn)差分布的合成，基于重建的10套Nio指數(shù)的平均，以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為基準(zhǔn)，合成了54個(gè)El Nio和La Nia事件?？梢钥闯觯还苁荅l Nio發(fā)展年還是La Nia發(fā)展年，印度大部分地區(qū)的降水異常的標(biāo)準(zhǔn)差都很大，達(dá)到了10～20 mm/mon，這表明，不同的El Nio或是La Nia事件對(duì)印度地區(qū)的夏季風(fēng)降水異常影響并不一致，存在較大的差別，從而使得1470—1999年的印度地區(qū)夏季風(fēng)降水異常和Nio指數(shù)的關(guān)系并不穩(wěn)定。

因此，多年El Nio和La Nia發(fā)展年份印度地區(qū)夏季風(fēng)降水異常幅度偏小的原因是，ENSO和印度夏季風(fēng)降水異常的關(guān)系不穩(wěn)定，合成過(guò)程中降水正負(fù)異常相互抵消，從而使總體合成的降水異常量級(jí)偏小。為了驗(yàn)證重建Nio指數(shù)選取的ENSO年份的可靠性，將其與1901—1999年利用觀測(cè)哈德萊海溫和觀測(cè)降水選取的ENSO年份進(jìn)行了比對(duì)，如表2所示，觀測(cè)和重建資料中El Nio發(fā)展年、La Nia發(fā)展年，兩者基本一致，這也進(jìn)一步證明了重建資料采用10套平均Nio指數(shù)的合理性。

既然印度地區(qū)夏季降水異常和ENSO之間確實(shí)存在著不確定的關(guān)系，那這種關(guān)系到底是怎樣的呢？圖6是1470～1999年印度地區(qū)的降水異常和10套Nio指數(shù)平均的21 a滑動(dòng)相關(guān)，同時(shí)計(jì)算了二者的標(biāo)準(zhǔn)差。兩套資料都經(jīng)過(guò)了9 a高斯濾波和標(biāo)準(zhǔn)化的處理。圖中淡藍(lán)色實(shí)線為印度地區(qū)降水異常，深藍(lán)虛線為印度夏季降水異常的標(biāo)準(zhǔn)差，淡灰色細(xì)線表示10套Nio指數(shù)平均，黑色虛線表示其標(biāo)準(zhǔn)差，深色加粗黑線表示1470—1999年印度地區(qū)的降水異常和10套Nio指數(shù)平均的21 a滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，紫紅色細(xì)線表示10套Nio指數(shù)各自的標(biāo)準(zhǔn)差，紅色虛線表示相關(guān)通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)（-0.422 7）。

可以看出，二者的關(guān)系并不穩(wěn)定，一直在變化，但總體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，尤其是在現(xiàn)代暖期。小冰期二者的相關(guān)系數(shù)為-0.19，現(xiàn)代暖期則為-0.48，這可能是因?yàn)楝F(xiàn)代暖期ENSO的振幅更大，從而對(duì)印度地區(qū)的夏季風(fēng)降水影響更大。另外，滑動(dòng)相關(guān)序列和10套Nio指數(shù)平均及降水異常的標(biāo)準(zhǔn)差相關(guān)系數(shù)分別為-0.54和-0.63。這就表明，強(qiáng)度更強(qiáng)的ENSO的事件能更大程度地影響印度地區(qū)夏季風(fēng)降水。10套Nio指數(shù)平均和印度地區(qū)降水異常的相關(guān)系數(shù)為0.65，也就是說(shuō)，印度夏季降水異常的振幅和Nio指數(shù)的振幅呈同步變化。

另外，可以看出，Nio指數(shù)的振幅在1870年左右發(fā)生了突變，振幅明顯增強(qiáng)，也就是有器測(cè)海溫的出現(xiàn)的年份，而在這之前Nino指數(shù)的振幅都比較小。為了排除由于某一套Nio指數(shù)的異常突變而引起這一結(jié)果的可能性，分別繪制了10套Nio指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，如圖6中紫紅色細(xì)線所示，可以看出，基本上每套Nio指數(shù)的振幅都會(huì)在1870年之后增大，由于此處采用的Nio指數(shù)均是重建資料，所使用的降水也是重建資料，所以Nio指數(shù)振幅突變可能更多的由小冰期和現(xiàn)代暖期ENSO和印度夏季風(fēng)降水的狀態(tài)不同所引起，將在下文中詳細(xì)討論。

3 ENSO和印度夏季風(fēng)降水關(guān)系的確定性

從上面的分析中可知，盡管重建資料中降水異常量級(jí)減小了，但El Nio發(fā)展年印度夏季風(fēng)降水減少，La Nia發(fā)展年降水則增多這一現(xiàn)象確實(shí)存在。那么，印度夏季風(fēng)降水異常是否由ENSO引起呢？這種異常是穩(wěn)定的還是隨機(jī)產(chǎn)生的？只是偶然的相關(guān)還是確實(shí)存在著反相關(guān)關(guān)系？接下來(lái)用經(jīng)驗(yàn)正交分解（EOF）方法對(duì)其進(jìn)行判斷。圖7是1470—1999年?yáng)|亞降水異常的第一個(gè)EOF模態(tài)及時(shí)間序列?？梢钥闯?，第一空間主模態(tài)的解釋方差占總方差的19.6%，顯示印度大部分地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)降水異常，其時(shí)間序列呈現(xiàn)年際變化的信號(hào)，這是因?yàn)楦咚篂V波濾掉了其低頻變化。這就表明，當(dāng)ENSO事件發(fā)生時(shí)，印度地區(qū)夏季降水確實(shí)會(huì)出現(xiàn)異常，這種關(guān)系并非隨機(jī)產(chǎn)生的。

為了進(jìn)一步表明印度地區(qū)的夏季降水異常是由ENSO引起的，而并非隨機(jī)產(chǎn)生的。對(duì)降水異常的第一空間主模態(tài)（圖7a）和El Nio以及La Nia事件發(fā)生時(shí)印度地區(qū)降水異常的合成（圖5a、5b）求空間相關(guān)性，分別達(dá)到了0.85和-0.90，也就是說(shuō)，印度地區(qū)EOF第一空間主模態(tài)的降水異常是由ENSO事件引起的。

接著分析EOF時(shí)間序列和10套Nio指數(shù)的相關(guān)性。可以看出，圖7c中，第一時(shí)間序列和10套Nio指數(shù)平均的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.30，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn);同樣，圖7d中，第一時(shí)間序列和HadISST計(jì)算得到的Nio3指數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.44，也通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。這進(jìn)一步證明了印度地區(qū)夏季風(fēng)降水異常與ENSO密切相關(guān)。

最后，對(duì)印度地區(qū)平均降水序列和觀測(cè)的哈德萊海溫資料做了相關(guān)分析，并將二者的相關(guān)系數(shù)回歸到海溫上（圖8），分別從發(fā)展年的夏季（JJA），秋季（SON），冬季（DJF）到衰減年的春季（MAM），夏季（JJA），可以看出，不管是相關(guān)分析還是線性回歸，很明顯海溫存在一個(gè)El Nio發(fā)展過(guò)程，即在發(fā)展年的夏季開(kāi)始，東太平洋海溫開(kāi)始變暖，秋季變暖狀態(tài)持續(xù)并加強(qiáng)，到冬季達(dá)到峰值，次年春季開(kāi)始衰減，次年夏季基本消失的過(guò)程。大部分區(qū)域都通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)，這就進(jìn)一步說(shuō)明，印度地區(qū)的夏季風(fēng)降水異常主要由ENSO事件引起。

4 小冰期和現(xiàn)代暖期ENSO和印度夏季風(fēng)降水的狀態(tài)

重建資料中，ENSO確實(shí)引起了印度夏季風(fēng)降水異常，但二者的負(fù)相關(guān)關(guān)系在小冰期較弱而現(xiàn)代暖期加強(qiáng)。這是什么原因造成的呢？從兩個(gè)時(shí)期中，印度夏季風(fēng)降水和ENSO的振幅、平均狀態(tài)和周期進(jìn)行分析，探討其背后的原因。圖9a、b為印度夏季風(fēng)降水異常在小冰期和現(xiàn)代暖期情況下，印度地區(qū)降水異常標(biāo)準(zhǔn)差的對(duì)比。

首先，要知道在印度夏季降水異常和10套Nio指數(shù)平均滑動(dòng)相關(guān)指數(shù)的不同時(shí)段，它們的振幅是否存在區(qū)別。很明顯印度夏季降水異常在小冰期和現(xiàn)代暖期情況下存在較大差別，區(qū)域平均值分別為9.9 mm/mon和12.3 mm/mon。另外，兩種情況下10套Nio指數(shù)平均也有很大的不同，分別為0.68和0.96。這就表明在現(xiàn)代暖期印度夏季降水異常和ENSO的振幅更大。

在分析了標(biāo)準(zhǔn)差之后，來(lái)關(guān)注兩個(gè)時(shí)期中降水和10套Nio指數(shù)平均的平均狀態(tài)，圖9c、d是印度夏季風(fēng)降水異常在小冰期和現(xiàn)代暖期情況下，印度地區(qū)降水平均狀態(tài)的對(duì)比?？梢钥闯?，降水的平均態(tài)在兩個(gè)時(shí)期下差別很小，分別為162.3 mm/mon和163.5 mm/mon，僅相差1.3 mm/mon。Nio指數(shù)在兩種情況下分別為0.046 7和-0.014 3，差別也很小?？梢?jiàn)兩個(gè)時(shí)段印度夏季風(fēng)降水和Nio指數(shù)平均狀態(tài)差別并不大。

最后，對(duì)兩個(gè)時(shí)期降水異常和Nio指數(shù)的周期進(jìn)行分析（圖10）?？梢钥闯?，不管是印度夏季風(fēng)降水異常還是10套Nio指數(shù)平均，均是現(xiàn)代暖期周期較大，為4～6 a，而小冰期則較小，為2～4 a，但二者的能量譜在兩種狀況下差別不大。

綜上，得到結(jié)論，相比于小冰期，現(xiàn)代暖期的降水異常和ENSO的振幅及周期明顯偏大，而平均狀態(tài)差別不大，由此導(dǎo)致了印度夏季風(fēng)降水異常和ENSO的負(fù)相關(guān)程度在現(xiàn)代暖期加強(qiáng)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)重建的過(guò)去500 a（1470—1999年）的印度夏季風(fēng)降水和Nio指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，分析了小冰期和現(xiàn)代暖期ENSO與印度夏季風(fēng)降水的關(guān)系，并分析其關(guān)系不同的原因，得到以下結(jié)論：

1）過(guò)去500 a（1470—1999年）ENSO和印度夏季風(fēng)降水的關(guān)系并非是一成不變的，大體上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，在小冰期（LIA）負(fù)相關(guān)程度較弱，現(xiàn)代暖期（CWP）負(fù)相關(guān)程度有所加強(qiáng)，而19世紀(jì)80年代之后負(fù)相關(guān)又開(kāi)始減弱。

2）過(guò)去500 a，印度夏季風(fēng)降水異常和ENSO關(guān)系比較確定，是確實(shí)存在的，并非是隨機(jī)產(chǎn)生的。

3）小冰期和現(xiàn)代暖期，印度地區(qū)夏季降水異常和Nio指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和周期都有很大的不同，現(xiàn)代暖期明顯較大。但二者平均狀態(tài)和能量譜相差并不大。即相對(duì)于小冰期，現(xiàn)代暖期ENSO振幅增強(qiáng)，周期變大，導(dǎo)致印度夏季風(fēng)降水和ENSO的負(fù)相關(guān)關(guān)系偏好。

值得注意的是，此處并未利用模式資料來(lái)驗(yàn)證結(jié)論，在以后的工作中將進(jìn)一步探索二者關(guān)系在現(xiàn)代暖期優(yōu)于小冰期背后的原因。

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Relationship between Indian summer monsoon precipitation and ENSO in the past 500 years

LI Fangteng1，2，LIU Fei1，CHAI Jing1

1Center of Climate Dynamics，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

2Marine Meteorological Forecasting Office，National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China

In order to study the modulation effect of large-scale background field on the relationship between ENSO and Indian summer monsoon precipitation，and to better predict the interannual variation of Indian summer monsoon precipitation under the climate warming background，this paper studies the relationship between ENSO and Indian summer monsoon precipitation in the past 500 years based on ten sets of reconstructed ENSO indices and Indian precipitation data，the reasons for its existence and how to understand this phenomenon.This paper mainly focuses on the influence of ENSO on Indian summer monsoon.Results show that，firstly，the relationship between ENSO and Indian summer monsoon precipitation is not immutable in the past 500 years （1470—1999），generally shows a negative correlation.The negative correlation is weak during Little Ice Age （LIA） and strengthened during Current Warm Period （CWP），but begins to weaken after the 1980s.Secondly，the relationship between Indian summer monsoon precipitation anomaly and ENSO in the past 500 years is certain，not random.Thirdly，the relationship between the Indian summer monsoon precipitation anomaly and the amplitude and cycle of Nio indices are very different during LIA and CWP.The amplitude and cycle of ENSO during CWP are significantly larger than those during LIA，which leads to a stronger negative correlation between Indian summer monsoon and ENSO during CWP.But the average states of the two periods are almost same.

Indian summer monsoon; precipitation; ENSO

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20171123002

（責(zé)任編輯：袁東敏）