印度洋偶極子向海盆一致模轉(zhuǎn)變的年代際變化及其成因

郭品文,吳清傳

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點實驗室/氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044; ② 南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044

印度洋尤其熱帶地區(qū)對鄰近大陸及海洋的氣候有著至關(guān)重要的影響,其一直是熱帶海洋、氣象研究的重點對象之一(Han et al.,2014;楊萌洲和袁潮霞，2022)。研究表明,熱帶印度洋海溫年際氣候變化的第一模態(tài)為海盆一致模態(tài)(Indian Ocean Basin,IOB),表現(xiàn)為海盆一致的變暖或變冷,通常冬季開始發(fā)展,第二年春季達(dá)到最強,其發(fā)生常常伴隨其他區(qū)域的海溫異常,并且還通過多個途徑影響東亞、南亞夏季氣候(晏紅明等,2000;Hu et al.,2011;Qu and Huang,2012;Huang et al.,2016；張玲等，2021)。第二模態(tài)是偶極子模態(tài)(India Ocean Dipole,IOD；Saji et al.,1999),表現(xiàn)出較強的緯向海溫距平梯度,有東西符號相反特征,還具有明顯的秋季鎖相特征,不僅與ENSO聯(lián)系緊密,同樣對南亞、東亞地區(qū)的季風(fēng)、降水等有十分顯著的影響(Li and Mu,2001;Saji and Yamagata,2003;閆曉勇和張銘,2004;楊霞等,2007;王旭棟等,2017)。因此,了解IOD和IOB發(fā)生發(fā)展的規(guī)律,提高年際異常的預(yù)測水平是目前熱帶印度洋氣候研究的重點。

近幾十年熱帶印度洋年際變化的研究表明,IOB、IOD兩種年際異常具有不同的空間分布和生命史,但并非相互獨立,而是存在IOD向IOB轉(zhuǎn)變的過程(杜振彩等,2006)。譚言科等利用小波分析發(fā)現(xiàn)在年際時間尺度上,IOD先于秋季達(dá)到峰值,并在之后約6 mon時IOB發(fā)展強盛,完成一次印度洋年際異常的轉(zhuǎn)變(譚言科等,2003)。這種轉(zhuǎn)變是否是IOD發(fā)生時的必然規(guī)律?研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),IOD向次年IOB演變的過程并非印度洋自身內(nèi)部變率的規(guī)律,而是IOD和ENSO海氣耦合相互作用的結(jié)果(譚言科等,2004;Nagura and Konda,2007;Yang et al.,2015)。其動力過程往往表現(xiàn)為,從IOD成熟期到ENSO成熟期,由于IOD和ENSO相互耦合作用的維持,以及印度洋較小的海盆尺度,當(dāng)熱帶東印度洋持續(xù)受西或東風(fēng)異常的影響時,熱帶印度洋的東西海溫差在IOD成熟期后會迅速衰減并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成顯著的IOB現(xiàn)象。

然而,大量研究已經(jīng)表明,隨著20世紀(jì)70年代全球大氣環(huán)流的顯著變化,各大洋區(qū)的年際現(xiàn)象對氣候的影響也發(fā)生了一定的變化。例如,在1976/1977年之前,IOB不能維持到夏季,從而對西北太平洋反氣旋的影響比較弱,而在1976/1977年之后IOB的維持時間更長,對東亞氣候的影響更加顯著(Huang et al.,2010)。IOD對東亞、南亞的氣候影響也發(fā)生了一定的年代際變化(孫煒文等,2017)。熱帶印度洋與熱帶太平洋間的各類年際相互作用也存在明顯的年代際變化(Ashok et al.,2003;Dong and McPhaden,2017)?；谏鲜鰢鴥?nèi)外研究進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)以下一些問題,IOD向次年IOB的轉(zhuǎn)變在年代際尺度上是否存在顯著變化?若存在顯著變化,原因是什么?IOD和ENSO的相互作用是否在轉(zhuǎn)變環(huán)節(jié)起到重要影響?為此,本文將重點分析20世紀(jì)以來IOD到IOB這一年際轉(zhuǎn)化的年代際變化特征以及成因分析。

1 資料和方法

本文所用的再分析格點資料主要包括:1)美國NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的逐月海表面溫度(ERSST,v5),水平分辨率為2°×2°,全球180×89個格點(Kalnay et al.,1996);英國Met Office Hadley Center提供的月平均HadISST,水平分辨率為1°×1°,全球360×180個格點(Rayner,2003);英國Met Office提供的月平均Kaplan SST水平分辨率為5°×5°,全球72×36個格點(Kaplan et al.,1998);三種資料的時段為1870—2010年;2)美國NOAA提供的NOAA-CIRES Twentieth Century Reanalysis月平均資料,水平分辨率為2°×2°,全球180×91個格點,垂直層數(shù)為24層,包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直風(fēng)等物理量,選取時段為1900—2000年(Compo et al.,2011)。

根據(jù)年際尺度異常的研究需要,每種數(shù)據(jù)在研究時間段都去除了長期線性變化趨勢。IOD和IOB的年際變率均可分別利用相應(yīng)的指數(shù)來定量描述。其中IOD指數(shù)(下稱DMI)定義為熱帶西印度洋(50°～70°E,10°S～10°N)與熱帶東南印度洋(90°～110°E,10°S～0°)的海溫距平差,正IOD事件(或正位相IOD)指熱帶西印度洋異常暖,熱帶東南印度洋異常冷的偶極型模態(tài),相反模態(tài)稱為負(fù)IOD事件(或負(fù)位相IOD)(Saji et al.,1999)。參考中國國家氣候中心,IOB指數(shù)(下稱BMI)定義為熱帶印度洋(40°～110°E,20°S～20°N)區(qū)域平均的海溫距平,正IOB事件(或正位相IOB)指全區(qū)一致異常暖,反之稱為負(fù)IOB事件(或負(fù)位相IOB)。IOD和IOB之間的轉(zhuǎn)變可以用兩者的相關(guān)系數(shù)定量表示,相關(guān)系數(shù)的絕對值越小,表明熱帶印度洋IOD發(fā)生時,未能在后期進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成IOB,反之,轉(zhuǎn)變現(xiàn)象發(fā)生。為了定量反映年際異常之間的轉(zhuǎn)變,又能描述這種轉(zhuǎn)變的年代際變化,本文使用滑動相關(guān)的方法,滑動窗口為11 a(徐建軍等,1997)。文中還采用了合成分析、回歸分析等統(tǒng)計分析以及年際信號去除手段等方法對物理量場進(jìn)一步研究。其中去除指數(shù)等要素場中的ENSO/IOD信號的具體方法如下(An,2003):

其中:為去除ENSO/IOD信號后的要素場;為原始要素場;為ENSO/IOD指數(shù)區(qū)海溫距平;為原始要素場與ENSO/IOD指數(shù)區(qū)海溫距平的協(xié)方差;var()為ENSO/IOD指數(shù)區(qū)海溫距平的方差。

2 IOD-IOB的年際轉(zhuǎn)變及其年代際變化

利用3種百年長度的SST資料HadISST、ERSST和Kaplan SST分別計算得到的秋季DMI與冬季到次年春季(12月—次年5月)平均BMI指數(shù)進(jìn)行11 a滑動相關(guān)(圖1),發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)初到20年代早期以及1970年以后是顯著的正相關(guān),基本通過置信度為95%的顯著性水平檢驗,準(zhǔn)確地反映了IOD向次年IOB年際轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。而20世紀(jì)40—70年代出現(xiàn)斷崖式下滑,相關(guān)不顯著,幾近零相關(guān),這說明轉(zhuǎn)變現(xiàn)象在此期間出現(xiàn)了嚴(yán)重減弱甚至消失的情況。由于1940年之前資料的可信度較之后低(Compo et al.,2011),因此后面研究將針對1940—2000這一階段。

根據(jù)圖1大致得出了存在年代際差異的兩個時間段,即相關(guān)系數(shù)較弱的1940—1970年和較強的1970—2000年。此外,通過費舍爾-轉(zhuǎn)換,兩個時間段IOD和次年IOB之間的相關(guān)系數(shù)(分別為0.06和0.76)均通過了信度為0.05的顯著性水平檢驗,且兩個時間段不重合,因此選擇是合理的。為了進(jìn)一步檢驗IOD與IOB之間這種年際轉(zhuǎn)變在1970年前后的變化,圖2給出了1940—1970年、1970—2000年秋季DMI和后期冬、春季平均BMI指數(shù)的散點分布。圖2反映出在1970年前,正(負(fù))IOD事件發(fā)生時,冬季到次年春季熱帶印度洋正或負(fù)位相的IOB事件隨機發(fā)生,兩者線性相關(guān)較差。1970年以后,正(負(fù))IOD事件發(fā)生時,后期冬、春兩季伴隨著正(負(fù))IOB事件的發(fā)生。選取兩個階段的強正位相IOD年(1941、1946、1951、1961、1963、1967、1972、1982、1987、1994、1997年),分別對夏季到次年春季的印度洋海溫異常進(jìn)行合成分析(圖3),發(fā)現(xiàn)正位相IOD在夏季開始發(fā)展,秋季達(dá)到成熟。但是在1970年前,正位相IOD在冬季迅速衰減之后,未再出現(xiàn)任何顯著的年際異常(圖3a—d)。相反,1970年以后,在正位相IOD發(fā)生后的冬、春季,熱帶印度洋逐漸變成一致變暖的異常,向IOB轉(zhuǎn)變(圖3e—h)。由此可見,熱帶印度洋IOD向IOB的年際轉(zhuǎn)變在1970年以前幾乎不存在,而在1970年以后這種典型的年際轉(zhuǎn)變才出現(xiàn)(強負(fù)位相IOD合成分析結(jié)果一致,不再贅述)。

圖1 3種百年海溫資料的秋季(9—11月)DMI與冬季到次年春季(12月—次年5月)平均BMI的11 a滑動相關(guān)(橫實線表示相關(guān)系數(shù)通過置信度為95%的顯著性水平檢驗)Fig.1 The 11-year moving correlation between autumn (September-November) DMI (IOD Mode Index) and average BMI (IOB Mode Index) from winter to the next spring (December to May of the next year) based on three centennial SST data (Kaplan,ERSST and HadISST) (The horizontal solid line indicates the correlation coefficient passing the significance test at 95% confidence level)

圖2 1940—1970年(空心圓和虛線)、1970—2000年(實心圓和實線)秋季(9—11月)DMI和冬季到次年春季(12月—次年5月)平均BMI的散點分布及其線性相關(guān)Fig.2 Scatter distribution and linear correlation between autumn (September-November) DMI and average BMI from winter to the next spring (December to May of the next year) during 1940—1970 (hollow circles and dashed line) and 1970—2000 (solid circles and solid line)

圖3 1940—1970年(a—d)和1970—2000年(e—h)強正位相(標(biāo)準(zhǔn)差大于0.8)IOD年夏季到次年春季(4個季節(jié))的印度洋海溫異常合成(單位:℃;打點區(qū)域表示通過置信度為95%顯著性水平檢驗):(a、e)夏季;(b、f)秋季;(c、g)冬季;(d、h)春季Fig.3 Composite SST anomalies in Indian Ocean from summer to the next spring (four seasons) in IOD years with strong positive phase (standard deviation greater than 0.8) during (a—d)1940—1970 and (e—h)1970—2000 (units:℃;The dotted areas indicate the values passing the significance test at 95% confidence level):(a,e)summer;(b,f)autumn;(c,g)winter;(d,h)spring

3 IOD-IOB的年際轉(zhuǎn)變的可能成因及機理分析

為何在1970年前后,IOD向IOB的轉(zhuǎn)變出現(xiàn)如此大的年代際差異?前人的研究已經(jīng)表明,IOD-IOB的年際轉(zhuǎn)變并不是熱帶印度洋內(nèi)部的自然過程,而是IOD和ENSO海氣耦合相互作用的結(jié)果(Yang et al.,2015)。IOD與ENSO的之間的關(guān)系一直是氣候研究的重點,其中有4種觀點:ENSO主動(劉宣飛和袁慧珍,2006;Dong et al.,2016);IOD主動(Jourdain et al.,2016);ENSO與IOD相互作用(吳國雄和孟文,1998;孟文和吳國雄,2000;Luo et al.,2010);ENSO與IOD相互獨立(Wang et al.,2016)。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為正(負(fù))位相IOD的發(fā)生發(fā)展過程會受到正(負(fù))位相ENSO的促進(jìn)作用,反之IOD也會對ENSO發(fā)展起到正反饋作用,使得ENSO在冬季達(dá)到成熟。那么,1970年前后IOD-IOB年際轉(zhuǎn)變的差異是否與IOD和ENSO相互作用的年代際變化有關(guān)?為了回答此問題,接下來有必要檢驗這種海氣耦合相互作用是否也在1970年前后發(fā)生了顯著的年代際變化,并進(jìn)一步探究其中存在的動力機理。

3.1 IOD與ENSO相互作用的年代際變化分析

圖4 秋季(9—11月)DMI與冬季到次年春季(12月—次年5月)平均Nio3.4指數(shù)的11 a滑動相關(guān)(橫實線表示相關(guān)系數(shù)通過置信度為95%的顯著性水平檢驗)Fig.4 The 11-year moving correlation between autumn (September-November) DMI and average Nio3.4 index from winter to the next spring (December to May of the next year) (The horizontal solid line indicates the correlation coefficient passing the significance test at 95% confidence level)

圖5 1940—1970年(a、b)、1970—2000年(c、d)原始(空心圓)和去除ENSO影響(實心圓)的DMI時間序列(a、c)以及原始(空心圓)和去除IOD影響(實心圓)的Nio3.4指數(shù)時間序列(b、d)Fig.5 Time series of (a,c)DMI with(hollow circles) and without(solid circles) ENSO effects and (b,d)Nio3.4 index with(hollow circles) and without(solid circles) IOD effects during (a,b)1940—1970 and (c,d)1970—2000

3.2 IOD-IOB年際轉(zhuǎn)變年代際變化的機理分析

本文前述結(jié)果已經(jīng)顯示,IOD和ENSO之間的年際相互作用在1970年發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)變,并且這種年代際變化可能是導(dǎo)致IOD向IOB年際轉(zhuǎn)變在1970年前后出現(xiàn)差異的直接原因。那么,這種影響的過程具體是如何實現(xiàn)呢?還需要進(jìn)一步探討其中的動力機理。

圖6 1940—1970年前期、同期、后期的SST距平(填色;單位:℃)和850 hPa水平矢量風(fēng)距平(箭矢;單位:m/s)對秋季DMI的回歸場(打點區(qū)域表示SST異常通過置信度為95%的顯著性檢驗):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.6 Regression fields of SST anomalies (color shadings;units:℃) and 850 hPa horizontal vector wind anomalies (arrows;units:m/s) on autumn DMI in the early,same and late periods of 1940—1970 (The dotted areas indicate the SST anomalies passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

圖7 1940—1970年前期、同期、后期緯向-垂直矢量風(fēng)距平對秋季DMI的回歸場(單位:m/s;5°S～5°N范圍內(nèi)緯向平均;箭矢表示通過置信度為95%的顯著性檢驗):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.7 Regression fields of zonal-vertical vector wind anomalies on autumn DMI in the early,same and late periods of 1940—1970 (units:m/s;The zonal average is obtained for the range of 5°S—5°N.The arrows indicate the values passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

圖8 1970—2000年前期、同期、后期的SST距平(填色;單位:℃)與850 hPa水平矢量風(fēng)距平(箭矢;單位:m/s)對秋季DMI的回歸場(打點區(qū)域表示SST異常通過置信度為95%的顯著性檢驗):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.8 Regression fields of SST anomalies (color shadings;units:℃) and 850 hPa horizontal vector wind anomalies (arrows;units:m/s) on autumn DMI in the early,same and late periods of 1970—2000 (The dotted areas indicate the SST anomalies passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

圖9 1970—2000年前期、同期、后期緯向-垂直矢量風(fēng)距平對秋季DMI的回歸場(單位:m/s;5°S～5°N范圍內(nèi)緯向平均;箭矢表示通過置信度為95%的顯著性檢驗):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.9 Regression fields of zonal-vertical vector wind anomalies on autumn DMI in the early,same and late periods of 1970—2000 (units:m/s;The zonal average is obtained for the range of 5°S—5°N.The arrows indicate the values passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

4 結(jié)論與討論

1)利用3種百年尺度的SST資料進(jìn)行11 a滑動相關(guān)進(jìn)行定量分析,發(fā)現(xiàn)熱帶印度洋由IOD向IOB的轉(zhuǎn)變存在明顯的年代際變化特征:1940—1970年期間,秋季DMI指數(shù)與冬、春季的平均BMI指數(shù)之間幾乎減小至零相關(guān),IOD事件和后期IOB事件一起發(fā)生的概率很小,這種年際異常轉(zhuǎn)變現(xiàn)象幾乎不存在。而在1970年以后,兩者正相關(guān)性顯著增強,每一次IOD事件的發(fā)生,在后期冬、春季,熱帶印度洋幾乎都會出現(xiàn)IOB現(xiàn)象,是典型的年際異常的轉(zhuǎn)變過程。

經(jīng)過詳細(xì)的診斷,本文不僅揭示了熱帶印度洋IOD-IOB年際轉(zhuǎn)變在1970年前后的變化的這一現(xiàn)象,同時證實了IOD和ENSO的相互耦合作用年代際變化是導(dǎo)致這種差異出現(xiàn)的重要原因。進(jìn)一步分析1970年前后熱帶印度洋、熱帶太平洋各物理量場之間的差異,發(fā)現(xiàn)熱帶大西洋-太平洋上空季風(fēng)異常環(huán)流和反沃克環(huán)流之間形成的“齒輪式大氣橋”耦合作用在1970年前后的變化,是影響IOD-IOB轉(zhuǎn)變出現(xiàn)年代際變化的重要機理。為何熱帶印度洋與熱帶太平洋之間相互作用會出現(xiàn)如此明顯的年代際差異,是否受到其他不同氣候背景因素差異的影響?這仍需要更加深入的分析。因此,本文的結(jié)論和推測還需要更多統(tǒng)計分析和數(shù)值模擬結(jié)果的支持與肯定。