南印度洋副熱帶偶極子的年代際轉(zhuǎn)變特征*

劉 凱 馮俊喬 魯云龍 段 華

南印度洋副熱帶偶極子的年代際轉(zhuǎn)變特征*

劉 凱1,2馮俊喬2①魯云龍2段 華1

(1. 山東科技大學(xué) 山東青島 266590; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071)

為了增進(jìn)對(duì)南印度洋副熱帶偶極子(Subtropical Indian Ocean Dipole, SIOD)年代際變化的認(rèn)識(shí), 基于Hadley中心的海表面溫度(sea surface temperature, SST)、美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的大氣再分析數(shù)據(jù)集Ⅰ(NCEP-NCAR Reanalysis1, NCEP)的大氣再分析數(shù)據(jù)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心的海洋再分析數(shù)據(jù)(Ocean Reanalysis System 4, ORAS4)等, 本文分析了1958～2020年SIOD年代際轉(zhuǎn)變的特征和物理機(jī)制。結(jié)果顯示, 2000年之前, SIOD存在2～4 a和4～6 a兩個(gè)年際主周期, 但近20 a (2000～2020年)其年際變化周期以1.5～2.0 a為主。與此同時(shí), SIOD的空間特征及其強(qiáng)度在1987年和2004年左右出現(xiàn)了兩次顯著的年代際轉(zhuǎn)變: 1958～1986年(P1)期間強(qiáng)度最大, 1987～2003年(P2)期間最弱, 2004～2020年(P3)期間居中; P1期間SIOD的最大正SST異常(sea surface temperature anomalies, SSTA)中心位于(46°～80°E, 44°～28°S), P2期間向西南移動(dòng)到(35°～65°E, 48°～34°S), 同時(shí)負(fù)SSTA中心較P1期間向南北方向延伸, P3期間正、負(fù)SSTA中心又回到P1時(shí)期的位置。相關(guān)分析結(jié)果表明, SIOD的年代際變化受南極濤動(dòng)(Antarctic Oscillation, AAO)和厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)的影響。P1期間, SIOD與AAO存在較強(qiáng)正相關(guān)。在研究時(shí)段, 除1982～1993年期間ENSO與SIOD的關(guān)系不顯著外, 其他時(shí)段均呈顯著負(fù)相關(guān)。海洋混合層熱收支分析進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), AAO與ENSO主要通過(guò)調(diào)制馬斯克林高壓(Mascarene high, MH)而影響海表面熱通量(特別是潛熱通量)的變化, 進(jìn)而影響SIOD。

海表面溫度; 南印度洋副熱帶偶極子; 年代際變化

印度洋是亞洲夏季風(fēng)的發(fā)源地, 資料統(tǒng)計(jì)和數(shù)值模式研究都顯示印度洋上的氣候變化會(huì)對(duì)周邊國(guó)家甚至偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和公共衛(wèi)生產(chǎn)生重大影響(Rai, 2008; Cao, 2014; Zhang, 2017, 2019; Gong, 2019)。南印度洋(South Indian Ocean, SIO)海表面溫度異常(sea surface temperature anomalies, SSTA)在向非洲南部輸送水汽方面起著關(guān)鍵作用(Behera, 2001; Chiodi, 2007; Malherbe, 2014; Jury, 2015), 能促進(jìn)印度季風(fēng)的發(fā)展(Shahi, 2018), 調(diào)節(jié)非洲降水對(duì)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Ni?o- Southern Oscillation, ENSO)信號(hào)的響應(yīng), 造成洪水和干旱等極端事件(Reason, 2001; Xue, 2004; Reason, 2005; Manatsa, 2008)。SIO海表面溫度(sea surface temperature, SST)變率能影響局地大氣環(huán)流, 通過(guò)調(diào)制海洋大陸異常對(duì)流加熱和水汽輸送, 對(duì)中國(guó)夏季降雨分布產(chǎn)生較大影響(Cao, 2014; Jin, 2017)。Zhang等(2019)在研究印度洋上層海洋變化時(shí)提出, SIO氣候變率能導(dǎo)致該區(qū)域海平面顯著變化, 另外, 南非瘧疾發(fā)病率也與南印度洋SST的年際變化顯著相關(guān)(Behera, 2018)。因此了解南印度洋SST的年際及年代際氣候變率, 不僅對(duì)印度洋盆地, 還對(duì)非洲南部以及東亞等地區(qū)的氣候預(yù)測(cè)和衛(wèi)生安全具有重大意義。

Saji等(1999)發(fā)現(xiàn)熱帶印度洋(Tropical Indian Ocean, TIO)中一種重要的海氣耦合模態(tài)——印度洋偶極子(Indian Ocean dipole, IOD), 是TIO緯向范圍的SSTA現(xiàn)象, 表現(xiàn)為SST在蘇門(mén)答臘島和TIO西部之間的反相變化。此后, SIO大氣環(huán)流氣候變率備受關(guān)注。Behera等(2001)在研究非洲南部降雨時(shí)發(fā)現(xiàn)了印度洋另一種主要的年際氣候模態(tài)即南印度洋副熱帶偶極子(Subtropical Indian Ocean Dipole, SIOD)現(xiàn)象。與IOD類(lèi)似, SIOD具有明顯的季節(jié)鎖相特征, 在北半球秋季發(fā)展, 初春成熟, 初夏衰退, 其顯著特征是SST在馬達(dá)加斯加?xùn)|南部和澳大利亞西部地區(qū)之間的蹺蹺板結(jié)構(gòu), 正相位表現(xiàn)為SIO西南部SST正異常而東北部SST負(fù)異常, 負(fù)相位則相反(Xie, 2002; Feng, 2012)。利用觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù), 研究認(rèn)為南印度洋SSTA是印度洋局地海氣耦合作用形成的, 主要是由馬斯克林高壓(Mascarene high, MH)南移導(dǎo)致的潛熱通量變化引起(Suzuki, 2004; Hermes, 2005)。MH受南半球中高緯度大氣環(huán)流的調(diào)制, 與南半球中高緯度之間出現(xiàn)的大氣環(huán)流蹺蹺板現(xiàn)象——南半球環(huán)狀模顯著相關(guān)(Fauchereau, 2003; Terray, 2011; Morioka, 2013; Malherbe, 2014), 南半球環(huán)狀模也被稱(chēng)作南極濤動(dòng)(Antarctic Oscillation, AAO, Kidson, 1988)。此外, 南極繞極波(White, 1996)的變化對(duì)副熱帶高壓有一定的影響(Morioka, 2013)。Morioka等(2015a)認(rèn)為與SIOD有關(guān)的經(jīng)向SST梯度能夠?qū)е聦?duì)流層的風(fēng)暴軌道向極地異常移動(dòng), 進(jìn)一步影響MH的變化。Chiodi等(2007)利用觀測(cè)和同化數(shù)據(jù)表明, 引起SSTA的潛熱通量的變化受與水汽異常經(jīng)向平流相關(guān)的近地表濕度的影響。另外, Morioka等(2010)考慮了混合層深度的年際變率, 并利用海洋環(huán)流模式提出, 由于西南極上的混合層深度較淺, 短波輻射對(duì)混合層的加熱增強(qiáng), 使得短波輻射在SST的異常變化中相對(duì)潛熱通量更為重要。除上述海氣相互作用外, 熱帶太平洋的海氣變率通過(guò)大氣遙相關(guān)也能夠觸發(fā)SIOD (Morioka, 2013; Yan, 2013)。

年代際氣候變化與農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和水資源管理等息息相關(guān), 但關(guān)于此類(lèi)的研究主要集中在北半球, 例如太平洋年代際振蕩(Power, 1999)和大西洋多年代際振蕩(Kerr, 2000), 很少有研究關(guān)注南半球氣候的低頻變化, 特別是南印度洋。研究發(fā)現(xiàn), SIOD不僅有年際變率, 還存在顯著的年代際變率。Yan等(2013)提出SIOD在1979/1980年之后振幅減弱; Yamagami等(2015)也曾指出SIOD在2000～2010年期間振幅和周期都在減小; 此外, Zhang等(2022)在研究SIO年際氣候變率時(shí)發(fā)現(xiàn)SIOD在1950年以后在逐漸變?nèi)?。而發(fā)生在澳大利亞西海岸附近的SST異常變暖的氣候模態(tài)寧格羅尼諾(Ningaloo Ni?o)在持續(xù)增強(qiáng)(Feng, 2013; Zinke, 2014; Zhang, 2022), 表明SIO年際氣候變率的中心整體在向東移動(dòng)。Morioka等(2015b)在研究南非氣候潛在來(lái)源時(shí)發(fā)現(xiàn), SSTA可以沿南極繞極流從大西洋東傳到南印度洋, 但是1999年以后這種東傳的SSTA相對(duì)減弱(Morioka, 2015b)。Li等(2019)曾提出, 東南印度洋(Southeast Indian Ocean, SEIO)的SST存在明顯的年代際變率, 主要?dú)w因于海表面熱通量的變化, 通過(guò)印尼貫穿流的太平洋風(fēng)場(chǎng)也對(duì)SST的變化起到促進(jìn)作用但相對(duì)海表面熱通量作用較小。盡管已有部分研究討論了SIOD的年代際變率, 但這些研究大多只關(guān)注SIO年代際氣候變率減弱和年際氣候變率東移的特征, 對(duì)于SIOD年代際轉(zhuǎn)變的特征和機(jī)制尚不清楚, 很少有研究對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行深入探討, 且21世紀(jì)初期SIOD強(qiáng)度的年代際轉(zhuǎn)變也未曾有人提出。為此, 本文在前人的研究基礎(chǔ)上, 研究了1958～2020年期間SIOD的年際變量的變化特征, 進(jìn)一步利用AAO、ENSO與SIOD的相關(guān)關(guān)系, 并結(jié)合混合層熱收支分析, 探討了SIOD年代際變化的特征及其物理機(jī)制。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文所使用的全球月平均SST數(shù)據(jù)來(lái)自英國(guó)氣象局Hadley中心的數(shù)據(jù)集(HadISST), 水平分辨率為1°×1°。使用的大氣場(chǎng)資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的大氣再分析數(shù)據(jù)集Ⅰ (NCEP-NCAR Reanalysis 1, Kalnay, 1996), 包括水平分辨率為2.5°×2.5°的全球10 m月平均風(fēng)場(chǎng)、海表面氣壓(sea level pressure, SLP)和熱通量數(shù)據(jù)。在本文中, 以上數(shù)據(jù)的分析期間均為1958～2020年。海洋再分析數(shù)據(jù)來(lái)自歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)海洋再分析系統(tǒng)4 (Ocean Reanalysis System 4, ORAS4, Balmaseda, 2013)的數(shù)據(jù), 包括月平均溫度和流速數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)垂直方向5～5350 m分為42層, 水平分辨率為1°×1°, 由于ORAS4數(shù)據(jù)的時(shí)間限制, 次表層數(shù)據(jù)的分析時(shí)間為1958～2016年。

1.2 方法

對(duì)于每個(gè)海洋或大氣變量, 首先進(jìn)行了去趨勢(shì)處理, 各變量減去其季節(jié)循環(huán)以獲得異常值, 然后應(yīng)用3～120個(gè)月的帶通濾波得到相應(yīng)的年際變率。采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(empirical orthogonal function, EOF)、相關(guān)分析、滑動(dòng)方差、小波分析、回歸分析與合成分析等統(tǒng)計(jì)方法, 對(duì)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果檢驗(yàn)采用了Student’s-test方法, 并對(duì)EOF結(jié)果進(jìn)行了蒙特卡羅檢驗(yàn)(Overland, 1982), 其中有效自由度按照Bretherton等(1999)定義計(jì)算得到。此外為了說(shuō)明影響SST發(fā)展的主要過(guò)程, 本文應(yīng)用了混合層熱收支分析方程:

記為

2 SIOD的基本特征

2.1 空間模態(tài)

為了獲得SIOD的時(shí)空分布, 對(duì)南印度洋(30°～ 120°E, 50°～16°S) SSTA進(jìn)行了EOF分析, 第一、二模態(tài)的解釋方差分別為24.9%和21.5%, 通過(guò)了95%的蒙特卡羅檢驗(yàn), 相應(yīng)的時(shí)間序列分別標(biāo)記為PC1和PC2。如圖1a所示, 第一模態(tài)顯示SSTA的偶極子結(jié)構(gòu), 海溫正異常中心位于馬達(dá)加斯加群島東南部(45°～80°E, 48°～30°S), 負(fù)異常中心位于澳大利亞西部(88°～106°E, 34°～18°S) (圖1a矩形區(qū)域), 定義該結(jié)構(gòu)為SIOD的正位相; 第二模態(tài)呈現(xiàn)出海盆一致增暖現(xiàn)象。根據(jù)前人的研究(Behera, 2001), 在本文中, 計(jì)算南印度洋副熱帶偶極子指數(shù)(Subtropical Indian Ocean Dipole Index, SIODI)為SST變化最顯著的兩個(gè)海區(qū)區(qū)域平均的SSTA之差(圖1a矩形區(qū)域)。該指數(shù)與EOF第一模態(tài)的主成分時(shí)間序列相關(guān)性達(dá)到0.89, 遠(yuǎn)超過(guò)99%的置信度檢驗(yàn)。圖1c顯示出SIOD的時(shí)間特征具有明顯的年際變率, 其振幅存在減弱趨勢(shì), 這與Yamagami等(2015)的研究一致。為了更清楚地了解SIOD主要周期的可能變化, 結(jié)合局部小波譜分析和小波全譜(圖2a、2b)發(fā)現(xiàn), 2000年以前, SIOD的年際主周期為2～4 a和4～6 a, 近20 a左右(2000～2020年)年際主周期縮短為1.5～2.0 a, 體現(xiàn)了周期越來(lái)越短的特點(diǎn), 相應(yīng)的小波功率譜的強(qiáng)度也在逐漸變?nèi)?圖2b)。

圖1 南印度洋海表面溫度異常的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解分析第一模態(tài)(a)和第二模態(tài)(b)及其時(shí)間序列(c)

注: PC1表示第一模態(tài)的時(shí)間序列; PC2表示第二模態(tài)的時(shí)間序列; 黑色矩形區(qū)域表示正負(fù)SST異常中心

圖2 南印度洋副熱帶偶極子(SIOD)的局部小波譜分析(a)以及小波全譜分析(b)

注: a中紅色實(shí)線表示95%置信度水平的紅噪聲檢驗(yàn)的區(qū)域

2.2 季節(jié)演變

為了研究SIOD的季節(jié)變化特征, 文章計(jì)算了SIODI的月平均標(biāo)準(zhǔn)差, 如圖3所示, SIOD在北半球秋季開(kāi)始發(fā)展, 冬季達(dá)到峰值。為進(jìn)一步探究SIOD的季節(jié)演變過(guò)程, 將3個(gè)月平均的SSTA、10 m風(fēng)場(chǎng)異常、海表面氣壓異常(sea level pressure anomalies, SLPA)和潛熱通量異?；貧w到1～3月[JFM(0)]平均的SIODI上, 其中0表示SIOD達(dá)到峰值一年, ?1表示前一年, 如圖4所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化南印度洋副熱帶偶極子指數(shù)的月平均標(biāo)準(zhǔn)差

在SIOD發(fā)展初期7～9月[JAS(?1)], 在印度洋32°S以北平均表層風(fēng)場(chǎng)為東風(fēng), 以南為西風(fēng), 這時(shí)只有在蘇門(mén)答臘島附近存在正SSTA (圖4a)。10～12月[OND(?1)], MH加強(qiáng)并且南移(圖4f), SIO形成異常反氣旋, 西南極的東北風(fēng)減弱了背景西風(fēng), 減少了蒸發(fā)和上層海洋的混合, 使得潛熱釋放減少(圖4j), 導(dǎo)致正SSTA (圖4b)。在SEIO, 異常的東南風(fēng)使得背景風(fēng)場(chǎng)增強(qiáng), 蒸發(fā)增強(qiáng), 潛熱通量釋放增加, 產(chǎn)生了負(fù)SSTA。同時(shí), 澳大利亞西南側(cè)SLP負(fù)異常減弱, 35°～50°S有顯著的異常西南風(fēng), 將中高緯度干燥的空氣帶到東南極, 加劇了SST的變化, 最終導(dǎo)致SEIO和西南印度洋(Southwest Indian Ocean, SWIO)出現(xiàn)了明顯的SSTA差異。隨著反氣旋的不斷發(fā)展, JFM(0)期間, 馬達(dá)加斯加南部出現(xiàn)北風(fēng)異常, 增強(qiáng)了低緯暖濕空氣的輸送, 將溫暖潮濕的近熱帶空氣平流到西南極, 抑制了蒸發(fā), 使得溫度進(jìn)一步升高。同時(shí)澳大利亞沿岸風(fēng)引起相關(guān)的埃克曼上升流也對(duì)負(fù)SSTA的發(fā)展有一定貢獻(xiàn), 這時(shí)SSTA達(dá)到最大。隨著反氣旋環(huán)流的減弱, SSTA也開(kāi)始減弱(圖4d), SIOD逐漸衰退。

3 SIOD的年代際變化特征

已有研究表明, 近幾十年來(lái)SIOD變率持續(xù)減弱, 而發(fā)生在澳大利亞西側(cè)的Ningaloo Ni?o變率逐漸增強(qiáng), 且SIO的年際氣候變率有東移的傾向, 這種變化與暖池偶極子的年代際變化有關(guān)(Zhang, 2020)。因此本文計(jì)算了SIODI的10 a滑動(dòng)方差(圖5a), 并對(duì)其進(jìn)行滑動(dòng)檢驗(yàn)(圖5b), 結(jié)果顯示SIOD強(qiáng)度分別在1987年和2004年發(fā)生顯著突變。在1958～2020年期間, SIOD的強(qiáng)度先后呈現(xiàn)強(qiáng)-弱-強(qiáng)的特征, 在20世紀(jì)80年代中期之前SIOD強(qiáng)度保持在較高水平, 而20世紀(jì)80年代中期以后強(qiáng)度變?nèi)? 2004年以后SIOD的強(qiáng)度相對(duì)P2時(shí)期又開(kāi)始增強(qiáng)。隨后分別觀察了兩個(gè)極子的滑動(dòng)方差, 發(fā)現(xiàn)東西兩極子都有相似的發(fā)展趨勢(shì), 但P2期間東南印度洋的SSTA減弱趨勢(shì)相對(duì)不明顯。根據(jù)以上結(jié)果, 我們將1987年和2004年作為分界線來(lái)定義三個(gè)時(shí)期, 分別為1958～1986年(P1)、1987～2003年(P2)和2004～2020年(P3), 并進(jìn)一步探究SIOD強(qiáng)度發(fā)生年代際轉(zhuǎn)變的原因。

圖4 3個(gè)月平均的SSTA、10 m異常風(fēng)場(chǎng)(a～d)、SLPA (e～h)和潛熱通量異常(i～l)相對(duì)于1～3月SIODI [JFM(0)]的回歸

注: a～d中填色區(qū)域和黑色箭矢表示超過(guò)90%置信度檢驗(yàn); e～l打點(diǎn)區(qū)域表示超過(guò)90%置信度檢驗(yàn); ?1表示偶極子事件發(fā)生前一年, 0表示事件發(fā)生年; JAS(?1): 前一年的7～9月; OND(?1): 前一年的10～12月; JFM(0): 發(fā)生年的1～3月; AMJ(0): 發(fā)生年的4～6月

為了進(jìn)一步觀察SIOD強(qiáng)度的年代際轉(zhuǎn)變, 本文計(jì)算了P2和P1期間以及P3和P2期間的SSTA標(biāo)準(zhǔn)差的差值(圖6a、6b)。P1到P2時(shí)期, SSTA整體呈現(xiàn)減弱趨勢(shì), 且主要體現(xiàn)在SWIO區(qū)域, 但在SWIO南部海域SSTA存在增強(qiáng)的趨勢(shì); SEIO的SSTA減弱幅度相對(duì)較小, 另外可以看到SSTA在澳大利亞西海岸存在增強(qiáng)趨勢(shì), 表示Ningaloo Ni?o的增強(qiáng)(Zhang, 2022)。P2到P3時(shí)期, SWIO中部的SSTA增強(qiáng), 東南極處表現(xiàn)出減弱-增強(qiáng)的現(xiàn)象。

如圖7所示, 分別在P1、P2和P3期間應(yīng)用EOF分析, 觀察SIOD空間模態(tài)的變化。結(jié)果顯示, 20世紀(jì)80年代中期以前, 西南極中心位于(46°～80°E, 44°～28°S)附近, 隨著時(shí)間的發(fā)展, 西南極位置發(fā)生較大偏移, 向西南移動(dòng)到(35°～65°E,48°～34°S), 對(duì)應(yīng)圖6中強(qiáng)度的位置變化, 東南極中心也向西南方向移動(dòng), 且緯向范圍變大, 經(jīng)向范圍向北延伸到TIO, 向南延伸到澳大利亞西南部。P3時(shí)期, SSTA中心又回到P1時(shí)期的海域。觀察右側(cè)時(shí)間系數(shù), 可以看到, 在P1時(shí)期SIOD的強(qiáng)度較強(qiáng), P2時(shí)期逐漸變?nèi)? 而在P3時(shí)期SIOD的強(qiáng)度又出現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖5 南印度洋副熱帶偶極子指數(shù)、西南印度洋SSTA以及東南印度洋SSTA的10 a滑動(dòng)方差(a)以及滑動(dòng)方差的滑動(dòng)t檢驗(yàn)(b)

注: 紅色實(shí)線表示南印度洋副熱帶偶極子指數(shù)(SIODI, 右軸); 綠色實(shí)線表示西南印度洋的SSTA(SSTA-SWIO, 左軸); 明藍(lán)色實(shí)線表示東南印度洋的SSTA(SSTA-SEIO, 左軸); b圖表示的是SIODI (JFM)的10 a滑動(dòng)方差的滑動(dòng)檢驗(yàn)

圖6 P2 (1987～2003年)和P1 (1958～1986年)的SSTA的標(biāo)準(zhǔn)差差值(a)以及P3 (2004～2020年)與P2的SSTA標(biāo)準(zhǔn)差的差值(b)

圖7 P1、P2和P3時(shí)期的南印度洋SSTA的EOF分析第一模態(tài)(a, c, e)及其時(shí)間序列(b, d, f)

由于SIOD主要受MH調(diào)制, 南半球高緯度大氣環(huán)流AAO被認(rèn)為是影響副熱帶高壓系統(tǒng)的主要原因, 且太平洋氣候變率也能夠影響南印度洋SST變率(Morioka, 2014)。因此本文使用20°S以南月平均SLPA進(jìn)行EOF分析, 將得到的第一特征向量時(shí)間系數(shù)作為AAO指數(shù), 記為AAOI (AAO index, Thompson, 2000), 并且利用崔錦等(2005)定義的馬斯克林高壓指數(shù), 即在區(qū)域(15°～110°E, 42°S～0°)內(nèi)大于或者等于1540位勢(shì)米的所有的格點(diǎn)之和, 記為MHI (Mascarene high Index), 這與黃士松等(1987)用兩個(gè)區(qū)域SLP之差定義的MHI的相關(guān)性為0.88。此外為了觀察各年際變率之間的相關(guān)關(guān)系, 文章對(duì)各個(gè)指數(shù)進(jìn)行了3～120個(gè)月的帶通濾波處理(Yan, 2015)。

圖8為JFM月平均的SIODI與Ni?o3.4、AAOI和MHI的11 a滑動(dòng)相關(guān)。結(jié)果顯示, 在1982～1993年期間, ENSO與SIOD的關(guān)系不顯著, 但在1972～ 1982年和1995～2003年兩者之間存在較強(qiáng)的同期負(fù)相關(guān), 說(shuō)明ENSO對(duì)SIOD的年代際變化有一定的貢獻(xiàn)。AAO與SIOD在20世紀(jì)80年代中期之前有顯著的正相關(guān), 但在1987年以后相關(guān)性減弱(圖8b)。SIOD與MH的相關(guān)性在1985年之前與AAO類(lèi)似, 在1987～2003年存在顯著的同期負(fù)相關(guān), 且2003年以后存在滯后一個(gè)月的正相關(guān)?；诖? 本文進(jìn)一步計(jì)算了AAOI [D(?1)JF(0)]、Ni?o3.4 [D(?1)JF(0)]和MHI [D(?1)JF(0)]與SIODI [JFM(0)]的11 a滑動(dòng)相關(guān), 與上述結(jié)果基本一致(圖8d)。

為了探究AAO和ENSO如何影響SIOD的年代際變率, 將D(?1)JF(0)月平均的SLPA分別回歸到AAOI和Ni?o3.4上(圖9), 已分別去除另一指數(shù)的影響。從圖9a～9c可以看到, SIO副熱帶高壓與AAO有較好的關(guān)系。P1時(shí)期, AAO對(duì)SIOD的影響主要體現(xiàn)在SIO中部, 在(30°～120°E, 50°～34°S)處有顯著正SLPA, P2時(shí)期, 由于受AAO調(diào)制的副熱帶高壓與SIOD關(guān)系減弱(圖8d), 南印度洋的SLPA減弱且異常中心分散于莫桑比海峽西側(cè)和澳大利亞西南側(cè)兩處。P3時(shí)期SIO正SLPA又逐漸增強(qiáng), 同時(shí)也可以看到在(45°～88°E, 30°～16°S)海域存在顯著的SLP負(fù)異常, 但在此期間, 圖8a中AAO與SIOD的關(guān)系并沒(méi)有得到改善而MH與SIOD的關(guān)系變強(qiáng), 這說(shuō)明P3時(shí)期控制SIOD的副熱帶高壓不受AAO主導(dǎo), 可能原因是P3期間SIOD產(chǎn)生的經(jīng)向SST梯度異常導(dǎo)致西風(fēng)急流進(jìn)而增強(qiáng)了MH (Morioka, 2015a), 而增強(qiáng)的MH與北側(cè)的負(fù)SLPA之間的壓力梯度增加反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了SIOD的發(fā)展。

圖8 三月平均的SIODI [JFM(0)]與全年平均的Ni?o3.4、AAOI和MHI的11 a滑動(dòng)相關(guān)(a, b, c)以及SIODI [JFM(0)]與AAOI [D(?1)JF(0)], Ni?o3.4 [D(?1)JF(0)]和MHI [D(?1)JF(0)]的11 a滑動(dòng)相關(guān)(d)

注: a～c中的打點(diǎn)區(qū)域表示90%置信度檢驗(yàn); d中實(shí)線表示相關(guān)系數(shù), 虛線表示使用有效自由度的90%置信度檢驗(yàn)

圖9d～9f顯示ENSO與SIOD的關(guān)系主要體現(xiàn)在澳大利亞西海岸, 促進(jìn)澳大利亞西海岸正SLPA的發(fā)展, 這與Ningaloo Ni?o的生成與發(fā)展有關(guān)(Feng, 2015)。但在P2期間, SIO南部邊界有顯著的負(fù)SLPA, 該處的負(fù)SLPA部分抵消了AAO產(chǎn)生的正SLPA (圖9b), 進(jìn)一步導(dǎo)致P2時(shí)期SSTA減弱。

圖9 P1、P2和P3時(shí)期的南印度洋SLPA相對(duì)于[D(?1)JF(0)]月平均的AAOI (a～c)以及Ni?o3.4的回歸(b～f)

注: 打點(diǎn)區(qū)域表示90%置信度檢驗(yàn)的區(qū)域; 其中AAOI (Ni?o3.4)已通過(guò)線性回歸方法去除Ni?o3.4 (AAOI)的影響

4 結(jié)論

南印度洋的SST變率通過(guò)大氣遙相關(guān)和跨流域相互作用對(duì)周?chē)叭蚱渌貐^(qū)有著很大的氣候影響, 對(duì)于氣候研究有著重要意義。觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)表明, SIOD與副熱帶高壓系統(tǒng)的變化有著重要聯(lián)系, 副熱帶高壓引起的信風(fēng)強(qiáng)度的變化可以通過(guò)調(diào)節(jié)海表面熱通量, 導(dǎo)致南印度洋SSTA。利用10 a滑動(dòng)方差并且結(jié)合EOF分析, 我們發(fā)現(xiàn)SIOD不僅有明顯的年際變率, 還存在一定的年代際變率。主要結(jié)論如下:

圖10 合成發(fā)展月的西南印度洋(a)和東南印度洋(b)在P1和P2時(shí)期的混合層熱收支各項(xiàng)

(1) 在研究時(shí)段, SIOD的強(qiáng)度及其空間特征在1987年和2004年發(fā)生了兩次顯著的年代際轉(zhuǎn)變。在強(qiáng)度方面, P1期間SIOD強(qiáng)度較強(qiáng)且保持穩(wěn)定, P2時(shí)期開(kāi)始減弱, 而P3時(shí)期相對(duì)P2的強(qiáng)度又有所增強(qiáng)(圖5); 在空間模態(tài)方面, 1958～1986年(P1) SIOD的西南極中心位于(46°～80°E, 44°～28°S), 1987～2003年(P2)向西南移動(dòng)到(35°～65°E, 48°～34°S), 東南極中心也向西南方向偏移, 同時(shí)緯向范圍擴(kuò)大向北延伸到熱帶印度洋區(qū)域, 向南延伸到澳大利亞西南部, 2004～2020年(P3)又回到P1的位置(圖7)。

(2) SIOD與AAO和ENSO之間存在統(tǒng)計(jì)顯著的相關(guān)關(guān)系。在P1時(shí)期, SIOD與AAO之間存在顯著正相關(guān), 在此之后AAO與SIOD的關(guān)系減弱; 除1982～1993年期間ENSO與SIOD的關(guān)系不顯著外, 其他時(shí)段均呈顯著負(fù)相關(guān)。MH與SIOD的關(guān)系在2004年之前與AAO和SIOD關(guān)系類(lèi)似, 但在P3時(shí)期二者有著顯著的正相關(guān)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), AAO與ENSO主要通過(guò)調(diào)制南半球的副熱帶高壓的變化進(jìn)而影響SIOD。混合層熱收支分析結(jié)果表明, 東西兩極子的SST變化主要由熱力學(xué)項(xiàng)即海表面熱通量的變化引起, 這種海表面熱通量的變化, 受到副熱帶高壓的作用中心和強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。

由于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制, 本文的熱收支分析只計(jì)算了1958～1986年(P1)和1987～2003年(P2)期間的變化; AAO與SIOD在20世紀(jì)80年代中期至21世紀(jì)初的相關(guān)性減弱, 主要是由于AAO與控制SIOD的副熱帶高壓系統(tǒng)之間的關(guān)系減弱, 這種關(guān)系的減弱是由什么所致本文尚未研究。此外, 2004～2020年(P3)期間, AAO與MH變化不一致的原因也不清楚, 這將在下一步工作中深入研究。

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INTERDECADAL TRANSITION CHARACTERISTICS OF THE SUBTROPICAL INDIAN OCEAN DIPOLE

LIU Kai1, 2, FENG Jun-Qiao2, LU Yun-Long2, DUAN Hua1

(1. Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Using monthly mean observed SST data from the Hadley Centre, atmospheric reanalysis data from National Centers for Environmental (NCEP) and ocean reanalysis data from the European Centre for Medium Range Weather Forecasts (ORAS4), interdecadal characteristics and mechanism of the subtropical Indian Ocean dipole (SIOD) were investigated from 1958 to 2020. Results show that the SIOD is characterized by a mix of 2～4 years and 4～6 years of interannual timescale, but the period gradually shifts to a shorter period of about 1.5～2 years in the last 20 years (2000～2020). The spatial and intensity of SIOD exhibited two significant interdecadal shifts around 1987 and 2004 in addition to the above-mentioned interannual variability. Compared to 1987～2003 (P2), there was greater amplitude in 1958～1986 (P1) and 2004～2020 (P3). The center of the positive SSTA shifted from (46°～80°E, 44°～28°S) to (35°～65°E, 48°～34°S) and the negative center extended north and south relative to those in P1. Finally, the center returned back to the P1 position during P3. Correlation analysis showed that interdecadal variability of SIOD was influenced by the Antarctic Oscillation (AAO) and the El Ni?o-Southern Oscillation (ENSO). Prior to the mid-1980s, SIOD had a significant correlation with AAO. The relationship between ENSO and SIOD was significantly negative except for 1982～1993. In addition, the mixed heat budget demonstrated that AAO and ENSO influence changes in heat flux (especially latent heat flux) on the sea surface primarily by modulating Mascarene high (MH), thereby impacting SIOD.

sea surface temperature; subtropical Indian Ocean Dipole; interdecadal variability

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41976027號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 41730534號(hào)。劉 凱, 碩士研究生, E-mail: 2313066368@qq.com

馮俊喬, 碩士生導(dǎo)師,副研究員, E-mail: fengjunqiao@qdio.ac.cn

2022-12-12,

2023-03-09

P732

10.11693/hyhz20221200325