全球各主要季風年際變化主周期在20世紀90年代前后差異的對比

彭旭鋼，陳柏洋，吳敏敏，駱鑒洲，王 磊,2#

1.廣東海洋大學 海洋與氣象學院，廣東湛江 524088；2.廣東海洋大學 近海海洋環(huán)境變化與災害預警實驗室，廣東湛江 524088

季風降雨可以被比喻為季風區(qū)農(nóng)業(yè)活動的“血脈”，季風降雨的變異和異常會對農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生至關重要的影響。研究季風的變異規(guī)律可以為季風區(qū)廣泛分布的農(nóng)業(yè)活動提供有益的信息。季風會呈現(xiàn)顯著的年際變化（2～7年周期），具體又可以細分為準2年周期和準4年周期。準2年（2～3年）周期是季風的一個重要的變異周期，在亞洲—澳洲季風系統(tǒng)和北美—南美季風系統(tǒng)都可以存在準2年周期的變化[1-4]。

季風系統(tǒng)在20世紀90年代發(fā)生的年代際變異在以往的研究中已經(jīng)受到了廣泛的關注[5-6]。本研究針對全球季風系統(tǒng)的年際變化主周期（尤其是準2年周期）在20世紀90年代前后是否發(fā)生了顯著的年代際變異這一問題開展研究，對全球各主要季風年際變化主周期在20世紀90年代前后的特征差異進行對比分析。

1 數(shù)據(jù)和方法

研究使用的數(shù)據(jù)包括：月平均的NCEP/NCAR再 分 析 資 料[7]、GPCP全球降雨數(shù)據(jù)[8]以及ERSST全球海表面溫度數(shù)據(jù)[9]。所使用數(shù)據(jù)的時間范圍為1948—2020年。

西北太平洋夏季風指數(shù)的定義參 照Wang等（1999）[10]的 定 義 方 法，澳洲夏季風指數(shù)的定義參照Kajikawa等（2010）[11]的方法，東亞夏季風指數(shù)的定義參照Kwon等（2005）[12]的方法。全球其他季風（包括北美季風、南美季風、北非季風、南非季風等）的指數(shù)定義參照Yim等（2014）[13]的方法。夏季是指當?shù)匕肭虻南募?，即北半球（南半球）夏季取?—7—8月（12—1—2月）。Ni?o3.4指數(shù)定義為（5°N～5°S，170°W～120°W）區(qū)域平均的海表面溫度異常值。熱帶北大西洋海溫指數(shù)選取的 是（5°N～25°N，80°W～0°）區(qū)域平均的海表面溫度異常值。

利用小波分析方法，分析全球各主要季風年際變化主周期在20世紀90年代前后的特征差異。時間序列的異常值是從原始時間序列減去長期變化趨勢和氣候態(tài)季節(jié)循環(huán)計算得出的，并且通過9年高通濾波得到時間序列的年際變化信號。

2 結(jié)果與分析

圖1顯示了對西北太平洋夏季風指數(shù)和Ni?o3.4指數(shù)進行小波分析的結(jié)果。西北太平洋夏季風指數(shù)的年際變化主周期在20世紀70年代末至20世紀90年代中期以準4年周期為主，而20世紀90年代以后轉(zhuǎn)變?yōu)橐詼?年周期變化為主。通過對比前一個時期（P1:1975—1995）和后一個時期（P2:1996—2016）的功率譜（圖1b），可以觀測到西北太平洋夏季風在P2時期的準2年周期顯著增強，而準4年周期顯著減弱。西北太平洋夏季風年際變化主周期的這種變異特征與Ni?o3.4指數(shù)主周期的變異特征非常相似（圖1c），Ni?o3.4指數(shù)的年際變化主周期也在20世紀90年代發(fā)生了從準4年周期為主到準2年周期為主的轉(zhuǎn)變（圖1d）。

圖1 （a）西北太平洋夏季風指數(shù)的小波分析結(jié)果；（b）西北太平洋夏季風指數(shù)的功率譜在20世紀90年代之前和之后時期的對比；（c）冬季Ni?o3.4指數(shù)的小波分析結(jié)果；（d） Ni?o3.4指數(shù)的功率譜在20世紀90年代之前和之后時期的對比

針對全球其他季風的年際變化主周期是否在20世紀90年代也存在特征轉(zhuǎn)變的問題，進一步使用小波功率譜分析方法，對全球其他季風指數(shù)的主周期在20世紀90年代前后的特征差異進行了對比分析（圖2）。

印度夏季風指數(shù)的年際變化主周期呈現(xiàn)出與西北太平洋夏季風相反趨勢的變化特征（圖2b）。在20世紀90年代之前，印度洋夏季風以準2年周期為主，準4年周期不顯著。而在20世紀90年代之后，印度夏季風的主周期在3年和6年附近周期出現(xiàn)峰值，轉(zhuǎn)變?yōu)橐詼?年周期為主，而準2年周期則趨向減弱。北美夏季風在P1和P2時期都可以觀測到顯著的準2年周期和準4年周期（圖2d），后一時期的周期與前一個時期相比較有略微加長的趨勢。針對北非季風（圖2f）和南美季風（圖2h），在P1時期都以準4年周期為主，并且準4年周期都存在2個峰值的功率譜分布形態(tài)；在P2時期，這2個季風都轉(zhuǎn)變?yōu)闇?年周期為最大峰值、準2年周期為第二大峰值的功率譜分布形態(tài)，并且準4年周期由之前的雙峰型轉(zhuǎn)變?yōu)閱畏逍汀Ｄ戏羌撅L的準4年周期在P2時期顯著增強（圖2j），并且由P1時期的準4年和準2年雙峰型轉(zhuǎn)變?yōu)镻2時期的準4年單峰型的功率譜分布形態(tài)。與南非季風變化趨勢相反的，澳洲季風的準4年周期在P2時期顯著減弱（圖2l），在P1時期可以觀測到準4年和準2年2個峰值的功率譜分布形態(tài)，然而，在P2時期僅能夠觀測到準2年1個峰值。東亞夏季風在P2時期以準4年周期為主，在P1時期相對來說以準2年周期為主（圖2n）。

圖2 全球不同季風指數(shù)的小波分析和前后時期功率譜的對比

通過對全球各主要季風的主周期的對比分析，發(fā)現(xiàn)西北太平洋夏季風具有其他季風所沒有的周期轉(zhuǎn)變特征：由20世紀90年代之前的準4年周期為主轉(zhuǎn)變?yōu)?0世紀90年代之后的準2年周期為主。與其他季風相比較，西北太平洋夏季風年際變化主周期在20世紀90年代前后發(fā)生的變化與El Ni?o-Southern Oscillation(ENSO)年際變化主周期的變化特征更加一致。

由于年際變化主周期在20世紀90年代的轉(zhuǎn)變，與全球其他季風相對比，西北太平洋夏季風在20世紀90年代以后存在更明顯的準2年周期加強的現(xiàn)象。Wang等(2017)[14]認為熱帶太平洋與大西洋之間跨洋盆相互作用過程可以促使ENSO和西北太平洋副熱帶高壓的準2年周期變化在20世紀90年代以后顯著增強。通過滑動相關分析（圖3），發(fā)現(xiàn)春季熱帶北大西洋海表面溫度異常與西北太平洋夏季風指數(shù)的相關關系在最近年代呈現(xiàn)顯著加強的趨勢。熱帶太平洋和大西洋之間跨洋盆相互作用的增強，可能是引起西北太平洋夏季風在20世紀90年代以后準2年周期變化顯著增強的重要驅(qū)動因素[15]，并且可以導致西北太平洋夏季風和ENSO呈現(xiàn)出比較一致的年際變化主周期的變化趨勢。

圖3 西北太平洋夏季風指數(shù)與春季熱帶北大西洋海表面溫度異常的21年滑動相關系數(shù)（a）和21年滑動偏相關系數(shù)（去除了前冬Ni?o3.4指數(shù)的影響）（b）

3 結(jié)論

對比全球各主要季風年際變化主周期在20世紀90年代前后的特征差異，得出以下結(jié)論：

（1）全球各主要季風年際變化主周期在20世紀90年代前后的特征具有明顯的差異性。西北太平洋夏季風的年際變化主周期由20世紀90年代之前的準4年周期為主轉(zhuǎn)變?yōu)?0世紀90年代之后的準2年周期為主。相反地，印度夏季風由20世紀90年代之前的準2年周期為主轉(zhuǎn)變?yōu)?0世紀90年代之后的準4年周期為主。南非夏季風在20世紀90年代之后出現(xiàn)準4年周期的顯著增強，與之相反地，澳洲夏季風在20世紀90年代之后出現(xiàn)準4年周期的顯著減弱。

（2）與全球其他季風相比較，西北太平洋夏季風年際變化主周期在20世紀90年代的變異特征與ENSO年際變化主周期的變異特征更一致，都表現(xiàn)出主周期在20世紀90年代附近由準4年為主向準2年為主的轉(zhuǎn)變。熱帶太平洋和大西洋之間跨洋盆相互作用的增強可能是引起西北太平洋夏季風和ENSO在20世紀90年代以后準2年周期變化顯著增強的重要驅(qū)動因素。