1970s中期全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的變化研究

王曉娟, 胡恒儒, 王健, 封國林,3

1 常熟理工學(xué)院電子與信息工程學(xué)院, 江蘇蘇州 2155002 揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇揚(yáng)州 225002 3 國家氣候中心氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

0 引言

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論近幾十年來廣泛應(yīng)用于社會(huì)學(xué)(Watts and Strogatz, 1998)、地震學(xué)(Abe and Suzuki, 2004)、生物學(xué)(Ravasz et al., 2002)等領(lǐng)域.近20年來,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)在氣候?qū)W領(lǐng)域的應(yīng)用研究方興未艾.例如:眾多學(xué)者利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論來描述復(fù)雜氣候系統(tǒng)(Tsonis and Roebber, 2004),從宏觀整體的角度分析氣象格點(diǎn)數(shù)據(jù)之間的相互作用,并通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量表征這些基本單元是否具有近似的動(dòng)力學(xué)行為特征.Tsonis等(2006)結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,充分考慮系統(tǒng)內(nèi)部的正負(fù)相關(guān),從宏觀整體角度描述氣候系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu),進(jìn)而為氣候系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征研究開辟了新的道路.龔志強(qiáng)等(2008)分別從時(shí)間和空間兩個(gè)角度分析氣候要素之間的關(guān)聯(lián)性,構(gòu)建了溫度、氣壓、相對濕度和緯向風(fēng)四種氣候要素關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),比較分析了四種網(wǎng)絡(luò)時(shí)空演變特征的異同.Wang等(2009)分析了中國區(qū)域降水和溫度場的空間結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)中國的溫度網(wǎng)絡(luò)具有全局耦合型特征.氣候系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)(龔志強(qiáng)等, 2014)主要表現(xiàn)為:(1)可以保留氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性,(2)有助于分析氣候子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系,(3)有助于從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)躍變的角度研究氣候突變和相態(tài)轉(zhuǎn)變問題等.因此,氣候系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的興起為氣候系統(tǒng)復(fù)雜性研究提供了新思路(Fan et al., 2017; Ludescher et al., 2013; Tsonis and Swanson, 2008; Yuan and Lu, 2020).

IPCC_AR6報(bào)告指出,相對于1850—1900年,2001—2020 年這20年平均的全球地表溫度升高了0.99℃,2011—2020年10 年平均的全球地表溫度已經(jīng)上升約 1.09℃,比1850年以來的任何一個(gè)10年都要暖(翟盤茂等, 2021).全球變暖不僅表現(xiàn)為溫度的上升,也表現(xiàn)為全球海溫和大氣變量自20世紀(jì)下半葉以來的不平穩(wěn)特征(Huang and Wu, 1989),其中最為典型的現(xiàn)象為1976/77年的氣候態(tài)調(diào)整(Huang et al., 2010; Sun et al., 2016).一方面,這段時(shí)期冬季熱帶太平洋海溫比正常時(shí)期更加溫暖,ENSO事件更加頻繁地發(fā)生,出現(xiàn)了一系列更為極端的El Nio事件(Cai et al., 2014; Lee and McPhaden, 2010),對北半球氣候乃至全球大氣環(huán)流產(chǎn)生重要的影響(Agosta and Compagnucci, 2008; Swanson and Tsonis, 2009).另一方面,Tsonis等(2007)揭示了1976/77年冬季“氣候過渡”表現(xiàn)為遙相關(guān)和厄爾尼諾和南方濤動(dòng)指數(shù)耦合調(diào)整.Wang等(2009)發(fā)現(xiàn)當(dāng)北半球主要?dú)夂蚰B(tài)達(dá)到同步狀態(tài)并且這些模態(tài)之間的耦合強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí),氣候系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入一種全新的狀態(tài),且這種氣候態(tài)的轉(zhuǎn)變伴隨著全球增暖趨勢的調(diào)整以及ENSO變率的變化.Wang等(2012)研究也指出北大西洋濤動(dòng)與太平洋地區(qū)的氣候子系統(tǒng)之間的耦合強(qiáng)度增強(qiáng)對應(yīng)氣候態(tài)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整.由于全球氣溫升高在一定程度會(huì)改變?nèi)驓鉁禺惓Ｔ谄淠旰推甑目臻g分布,這種變化必然會(huì)對以相關(guān)性為基礎(chǔ)的全球氣溫網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響(Tsonis and Swanson, 2008),但目前關(guān)于這方面的研究似乎還缺少明確的結(jié)論.

在上述研究中,我們注意到關(guān)于1970s中期的氣候態(tài)調(diào)整研究中,多為氣溫和降水要素本身或海氣指數(shù)間的耦合變化研究,但沒有詳細(xì)研究1970s中期之后全球氣溫系統(tǒng)內(nèi)部相互作用的時(shí)空演化特征及其變化.全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特征在1970s中期是否存在類似氣候突變的調(diào)整?全球變暖引起的氣溫序列中蘊(yùn)含的線性增暖趨勢是否會(huì)對網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及其結(jié)構(gòu)特征有一定程度的影響?關(guān)于這兩個(gè)科學(xué)問題的研究相對較少,且缺少明確的結(jié)論.因此,本文基于全球地表氣溫再分析資料,分別構(gòu)建了偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),揭示了1970s中期網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的時(shí)空演化特征,探究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征發(fā)生調(diào)整的可能成因,簡析了全球變暖趨勢對于全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征變化的可能影響.文章第二部分介紹了方法和數(shù)據(jù),第三部分介紹了主要的分析和結(jié)果,最后給出了本文的主要結(jié)論和簡要討論.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

j=1,2,…,852;l=1,2,…,12

(1)

其中mod為相對于12的取余數(shù)函數(shù).采用了NOAA數(shù)據(jù)集中1891—2020年空間分辨率為1°×1°的月均海表溫度數(shù)據(jù)集(https:∥psl.noaa.gov/data/gridded/data.cobe.html).文中每月Nio3.4指數(shù)數(shù)據(jù)來自NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(https:∥psl.noaa.gov/gcos_wgsp/ Timeseries/Nino34/).

1.2 構(gòu)建全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的氣溫序列提取

圖1 逐月Nio3.4指數(shù)序列(a)—(d) 分別對應(yīng)不同30年滑動(dòng)窗口內(nèi)的Nio3.4指數(shù)序列,深色負(fù)值和正值分別代表偏冷態(tài)和偏暖態(tài)的50個(gè)月氣溫序列, 灰色表示正常態(tài)的月份.Fig.1 Monthly Nio 3.4 index(a)—(d) Index in each 30-year smooth window. The dark negative and positive values represent the cold phase and the warm phase, while the grey represents the normal months.

1.3 全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

將全球2088個(gè)氣溫序列格點(diǎn)定義為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)(圖2),根據(jù)(3)式計(jì)算30年滑動(dòng)窗口內(nèi)偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)格點(diǎn)氣溫序列之間的相關(guān)系數(shù).格點(diǎn)之間的相關(guān)系數(shù)絕對值不小于固定閾值則定義為格點(diǎn)間存在網(wǎng)絡(luò)連邊,進(jìn)而分別構(gòu)建偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Gong et al., 2011; Lu et al., 2018).結(jié)合以往的研究,相關(guān)系數(shù)閾值取為0.5.相關(guān)閾值的選取主要考慮了兩方面的因素:(1)時(shí)間序列長度為50,在N=50的t檢驗(yàn)中,相關(guān)系數(shù)大于0.5滿足0.001信度;(2)0.5也是以往構(gòu)建氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)常用的相關(guān)系數(shù)閾值(Q)(Tsonis and Roebber, 2004; 胡恒儒等, 2021).

圖2 全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中四個(gè)大洋關(guān)鍵區(qū)的節(jié)點(diǎn)分布 點(diǎn)表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),方框分別表示大西洋關(guān)鍵區(qū)(5°N—5°S,35°W—25°W),印度洋關(guān)鍵區(qū)(10°N—0°,85°E—95°E), 西太平洋關(guān)鍵區(qū)(10°N—0°,140°E—150°E),東太平洋關(guān)鍵區(qū)(5°S—15°S,140°W—130°W).Fig.2 Key region of the global temperature correlation network Points indicate the network points; boxes indicate the selected key regions; key region of Atlantic (5°N—5°S,35°W—25°W), Indian Ocean (10°N—0°,85°E—95°E), West Pacific (10°N—0°,140°E—150°E), and East Pacific (5°S—15°S,140°W—130°W).

關(guān)聯(lián)矩陣?yán)碚摰闹饕枷肴缦?對于一個(gè)M維,長度為N的多變量數(shù)據(jù)集合Xi(t).首先我們對原始數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(2)

(I=1,…,M-1;j=i+1,…,M),

(3)

其中,M為網(wǎng)絡(luò)中格點(diǎn)個(gè)數(shù),N為網(wǎng)絡(luò)格點(diǎn)對應(yīng)的序列長度.構(gòu)建全網(wǎng)絡(luò)時(shí),N=852,構(gòu)建偏冷態(tài)度和偏暖態(tài)網(wǎng)絡(luò)時(shí)N=50.每一個(gè)相關(guān)系數(shù)Cij的范圍為-1≤Cij≤1,Cij=1表示完全正相關(guān),Cij=-1表示完全負(fù)相關(guān),Cij=0表示不相關(guān).

(4)

其中,latj為與節(jié)點(diǎn)i有連邊的節(jié)點(diǎn)j的緯度.連通度值越大,表示該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)的作用越強(qiáng),對網(wǎng)絡(luò)的影響也越大.網(wǎng)絡(luò)平均聯(lián)通度越大,則表示網(wǎng)絡(luò)的整體聯(lián)通性相對較好.

采用網(wǎng)絡(luò)鏈路距離(S)來表述氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的長距離連接頂點(diǎn)之間的關(guān)系(Robusto, 1957),計(jì)算公式如(5)式:

(5)

其中,lati和latj分別為格點(diǎn)i和j對應(yīng)的緯度,loni和lonj分別為格點(diǎn)i和j對應(yīng)的經(jīng)度,地球半徑R=6371 km.網(wǎng)絡(luò)鏈路距離平均值越小,則表述網(wǎng)絡(luò)中長距離連接較多,網(wǎng)絡(luò)的遙相關(guān)作用強(qiáng).

(6)

全局聚類系數(shù)則是所有局部聚類系數(shù)的平均值,主要表征網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部那種“物以類聚,人以群分”的特征.全局聚類系數(shù)越大,網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域同步性越好,反之則相反.

特征路徑長度(L)是度量網(wǎng)絡(luò)中頂點(diǎn)間的平均最短距離(Albert and Barabási, 2002),即節(jié)點(diǎn)i與相互連接的節(jié)點(diǎn)j所要經(jīng)過的最少連邊數(shù)為最短路徑長度Lij.節(jié)點(diǎn)對之間最短路徑長度的平均值為網(wǎng)絡(luò)特征路徑長度,計(jì)算公式如(7)式:

(7)

特征路徑長度越小,說明任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立聯(lián)系需要經(jīng)歷的中間過程越短,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部信息的傳遞效率則越高.

Fan等(2017)究表明,連通度最高的區(qū)域主要位于低緯度海洋,且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連通度越高,該節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響則越強(qiáng).為避免面積不均勻造成不必要的影響,本文選取的四個(gè)大小一致,且對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通度較高的關(guān)鍵區(qū)域(圖2).

2 主要研究結(jié)果

2.1 全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通度的演化特征

圖3給出了全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣髁侩S時(shí)間的演化特征.在1976年之前,偏冷態(tài)對應(yīng)的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通度、集聚系數(shù)、鏈路距離整體都大于偏暖態(tài).在1970s中期之后,偏冷態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度、集聚系數(shù)、鏈路距離的值迅速下降,特征路徑長度明顯上升,造成1970s中期之后全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通性偏冷態(tài)小于偏暖態(tài).造成這種反轉(zhuǎn)的原因主要是,1970s中期之后偏冷態(tài)的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通性迅速減弱,而偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通性僅略有增強(qiáng).

圖3 全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量隨時(shí)間的變化(a) 連通度; (b) 鏈路長度; (c) 集聚系數(shù); (d) 特征路徑長度; (e) 每個(gè)時(shí)間窗口對應(yīng)的全球氣溫距平的平均值. 其中,橫坐標(biāo)表示每個(gè)時(shí)間窗口的開始年份,實(shí)線和虛線分別表示偏冷態(tài)和偏暖態(tài).Fig.3 Variation of network structure variable of global temperature correlation network(a) Network connection; (b) Length of network route; (c) Cluster coefficient; (d) Character route length; (e) Average of global temperature anomaly in each 30-year smooth window. Abscissa is the start year of each smooth window. Solid and dash cures represent the cold and warm phase, respectively.

為進(jìn)一步探究相關(guān)系數(shù)閾值(Q)選取的可能影響,我們對Q取值0.40,0.45,0.50,0.55和0.60五種情況,分別給出了偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)連通度的變化曲線(圖4).可以看出,隨著閾值的增加,網(wǎng)絡(luò)連通度整體呈現(xiàn)下降的趨勢,但在1975年前后氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的調(diào)整特征保持不變.因此,閾值升高,網(wǎng)絡(luò)中滿足條件的網(wǎng)絡(luò)連邊減少,會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)整體連通性的下降,但這種變化不會(huì)改變偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的調(diào)整.

圖4 不同相關(guān)系數(shù)閾值條件下全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通度隨時(shí)間的變化(a) 偏冷態(tài); (b) 偏暖態(tài).Fig.4 Variation of network degree of the global temperature correlation network under different correlation coefficient threshold(a) Cold phase; (b) Warm phase.

為了進(jìn)一步表征和分析1970中期網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量的變化特征,我們選取1950年1月—1976年12月和1977年1月—2000年12月兩段,分別構(gòu)建偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò).圖5給出了1976年前后網(wǎng)絡(luò)連通度的空間分布.在1976年之后,偏冷態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通度大幅下降,度值異常大的節(jié)點(diǎn)區(qū)域范圍明顯減小,而偏暖態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通度略有增加,即偏冷態(tài)和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度大小關(guān)系由1976年之前的前者偏強(qiáng)反轉(zhuǎn)調(diào)整為后者偏強(qiáng).連通度變化最大的區(qū)域主要發(fā)生在赤道區(qū)域的大西洋、印度洋、西太平洋和東太平洋區(qū)域等.下面結(jié)合四個(gè)關(guān)鍵區(qū)域連通度的變化,進(jìn)一步分析氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通性發(fā)生轉(zhuǎn)變的可能原因.

圖5 偏冷態(tài)和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在1976年前后網(wǎng)絡(luò)連通度的空間分布(a1) 偏冷態(tài)1950—1976年; (a2) 偏冷態(tài)1977—2000; (b1) 偏暖態(tài)1950—1976年; (b2) 偏暖態(tài)1977—2000.Fig.5 The spatial distribution of network connectivity of cold and warm phase corresponded temperature correlation network before and after 1976(a1) Cold phase, 1950—1976; (a2) Clod phase, 1977—2000; (b1) Warm phase, 1950—1976; (b2) Warm phase, 1977—2000.

2.2 全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通性調(diào)整的成因分析

2.2.1 大洋關(guān)鍵區(qū)之間的氣溫相關(guān)性變化

氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建基于皮爾遜相關(guān)系數(shù),相關(guān)系數(shù)的大小直接決定了網(wǎng)絡(luò)連邊的數(shù)量,從而直接影響網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征.圖6給出了四個(gè)關(guān)鍵區(qū)之間氣溫距平序列相關(guān)系數(shù)的變化.可以看出,偏冷態(tài)對應(yīng)各大洋關(guān)鍵區(qū)之間的相關(guān)系數(shù),在1970s中期之后迅速下降.偏暖態(tài)時(shí)期各大洋關(guān)鍵區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)在1970s中期之后保持穩(wěn)定.1970s中期之后偏冷態(tài)和偏暖態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征連通度強(qiáng)弱關(guān)系發(fā)生反轉(zhuǎn)的直接原因是在偏冷態(tài)對應(yīng)的大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫序列間的相關(guān)系數(shù)減弱,而偏暖態(tài)時(shí)期略增加.

圖6 各大洋關(guān)鍵區(qū)之間平均氣溫距平序列相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間的演化(a) 偏冷態(tài); (b) 偏暖態(tài).圖中,大西洋與印度洋(綠)、西太平洋(黃)、東太平洋關(guān)鍵區(qū)(紅)之間的相關(guān)系數(shù), 印度洋與西太平洋(藍(lán))、東太平洋(紫)以及東太平洋和西太平洋(黑)關(guān)鍵區(qū)的相關(guān)系數(shù)演化曲線.Fig.6 The evolution of correlation coefficients of temperature anomalies among different key regions(a) Cold phase; (b) Warm phase. Correlation between Atlantic and Indian Ocean (green cure), West Pacific (yellow cure), East Pacific (red cure); Correlation between Indian ocean and West Pacific (blue cure), East Pacific (purple cure); correlation between East Pacific and West Pacific (black cure).

2.2.2 相關(guān)系數(shù)變化的原因分析

下面進(jìn)一步探究各大洋關(guān)鍵區(qū)之間平均氣溫距平序列相關(guān)性變化的成因.皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式如公式(8)所示:

(8)

其中,分子為協(xié)方差,分母為標(biāo)準(zhǔn)差乘積.圖7給出了各大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平序列之間的協(xié)方差隨時(shí)間的演化.可以看出,協(xié)方差隨時(shí)間的演化趨勢與圖6中相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢基本一致,但是幅度上更大一些.在偏冷態(tài)時(shí)期很多大洋關(guān)鍵區(qū)之間的協(xié)方差下降為五分之一,其中大西洋與東太平洋和西太平洋與東太平洋關(guān)鍵區(qū)之間的協(xié)方差甚至下降到了零值附近.與此同時(shí),分母標(biāo)準(zhǔn)差乘積的變化則不明顯(圖略).因此,各大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫序列之間協(xié)方差的調(diào)整是引起偏冷態(tài)時(shí)期相關(guān)性大幅下降的直接原因.

圖7 各大洋關(guān)鍵區(qū)之間氣溫距平值協(xié)方差隨時(shí)間的演化(a) 偏冷態(tài); (b) 偏暖態(tài).圖中大西洋與印度洋(綠)、西太平洋(黃)、東太平洋關(guān)鍵區(qū)(紅)之間的協(xié)方差, 印度洋與西太平洋(藍(lán))、東太平洋(紫)以及東太平洋和西太平洋(黑)關(guān)鍵區(qū)的協(xié)方差.Fig.7 The evolution of covariance of temperature anomalies among different key regions(a) Cold phase; (b) Warm phase. Covariance between Atlantic and Indian Ocean (green cure), West Pacific (yellow cure), East Pacific (red cure); Covariance between Indian ocean and West Pacific (blue cure), East Pacific (purple cure); Covariance between East Pacific and West Pacific (black cure).

圖3e給出了每個(gè)時(shí)間窗口對應(yīng)的全球氣溫距平的平均值.全球氣溫呈現(xiàn)一個(gè)上升趨勢,且全球氣溫距平在1976年左右經(jīng)歷了一個(gè)由負(fù)位相轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌嗟倪^程.假設(shè)這種線性上升趨勢會(huì)對氣溫序列間的協(xié)方差變化造成一定的影響.為了驗(yàn)證這種假設(shè),給出了各大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平序列的變化圖(圖8).可以看出,偏冷態(tài)對應(yīng)大西洋和印度洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平值在1970s中期由負(fù)位相變?yōu)檎幌?西太平洋區(qū)域在1958年后就由負(fù)轉(zhuǎn)正后,在1976年后正值進(jìn)一步增大,而東太平洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平持續(xù)保持負(fù)位相,且1975年后負(fù)值略變小.1970s中期關(guān)鍵區(qū)正負(fù)位相調(diào)整對應(yīng)大西洋—東太平洋、印度洋—東太平洋、西太平洋—東太平洋等區(qū)域之間的氣溫距平值由原來的負(fù)-負(fù)配置調(diào)整為正-負(fù)配置,造成這些區(qū)域氣溫序列間的協(xié)方差值迅速下降.與此同時(shí),偏暖態(tài)對應(yīng)的主要關(guān)鍵區(qū)域的氣溫距平,在1976s中期以后基本保持正位相,且正值略有增加,關(guān)鍵區(qū)域氣溫序列間的協(xié)方差值略微增加.

圖8 各大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平的平均值演化圖 其中,灰柱代表偏冷態(tài),黑線代表偏暖態(tài). (a)—(d)分別為大西洋、印度洋、西太平洋、東太平洋關(guān)鍵區(qū).Fig.8 The evolution of temperature anomalies of different key regions Gray bars represent the cold phase, black curves represent the warm phase. Key region of (a) Atlantic, (b) Indian Ocean, (c) West Pacific, and (d) East Pacific.

圖9給出了不同滑動(dòng)時(shí)間窗口中全球氣溫距平的空間分布圖.偏冷態(tài)對應(yīng)的大西洋、印度洋和東太平洋氣溫距平在1970s中期之前均為負(fù)值,1970s之后則對應(yīng)大西洋、印度洋調(diào)整為正值為主,而東太平洋保持負(fù)值(圖9),這必然導(dǎo)致關(guān)鍵區(qū)域之間的氣溫序列的協(xié)方差大幅下降,相關(guān)性降低,引起偏冷態(tài)對應(yīng)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度在1970s中期后迅速減小.偏暖態(tài)的情況則不同,大西洋、印度洋和東太平洋氣溫距平在1970s中期始終保持以暖位相為主的特征,引起氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度略微增加.此消彼長,造成偏冷態(tài)和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度大小關(guān)系由1976年之前的前者偏強(qiáng)反轉(zhuǎn)調(diào)整為后者偏強(qiáng).IPCC 報(bào)告指出(2021),受全球增暖的影響,全球氣溫存在不同程度的增加.比如,2011—2020年,地球表面平均溫度比19世紀(jì)末(工業(yè)革命之前)的平均溫度高1.1℃.氣溫升高的同時(shí),必然會(huì)造成一些冷異常不太明顯的區(qū)域的氣溫距平(相對于1981—2010年平均氣溫對應(yīng)氣候態(tài))更容易出現(xiàn)正距平.因此,有利于出現(xiàn)大西洋、西太平洋和印度洋等關(guān)鍵區(qū)域的氣溫距平由負(fù)相位轉(zhuǎn)變?yōu)檎辔坏淖兓?但是,對于Nino 3.4指數(shù)偏低年對應(yīng)的偏冷態(tài)而言,由于赤道中東太平洋區(qū)域海溫異常偏低,造成大氣溫度也異常偏低,全球增暖在一定程度會(huì)減弱這種冷態(tài)對應(yīng)氣溫負(fù)距平程度,但還不足以使其由負(fù)距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?因此東太平洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平保持負(fù)位相.

圖9 不同滑動(dòng)時(shí)間窗口中全球氣溫距平的空間分布(a) 偏冷態(tài); (b) 偏暖態(tài); (a1, b1) 對應(yīng)時(shí)間窗口1950—1979年; (a2, b2) 對應(yīng)1976—2005年; (a3, b3) 對應(yīng)1981—2010年.Fig.9 Spatial distribution of temperature anomalies in different sliding time windows(a) Cold phase; (b) Warm phase. The time window of (a1, b1) 1950—1979, (a2, b2) 1976—2005, and (a3, b3) 1981—2010.

2.2.3 全球增暖趨勢對全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征調(diào)整的影響

為了探究全球增暖對全球溫度場關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的影響,這里對每個(gè)格點(diǎn)1950—2020年的溫度距平序列分別進(jìn)行線性擬合,然后從格點(diǎn)的異常值序列中去除線性趨勢,得到去趨勢溫度異常值序列(He et al., 2016).基于去除線性趨勢后的氣溫序列構(gòu)建氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量,以此消除溫度增暖趨勢的影響.

圖10中,去除溫度趨勢后全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度空間分布型并沒有明顯的變化,但連通度值較圖5明顯減弱.全球增暖趨勢有助于增強(qiáng)全球氣溫內(nèi)部的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度,提升氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通性.Fan等(2017)研究也指出,隨著氣候變暖,氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)越來越多的長程鏈接.此外,偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通之間的差異較去趨勢以前明顯減弱.圖11給出了去除全球增暖趨勢前后偏冷和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在1976年前后網(wǎng)絡(luò)連通度平均值.去除增暖趨勢后冷暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的差異明顯減小,兩者的總體連通度平均值差異在1976年前由原來的13.1%降到-1.7%,1976年后由原來的-37.0%下降到-8.2%.換而言之,去除溫度趨勢前,1976年之前偏冷態(tài)連通度較偏暖態(tài)偏強(qiáng),1976年之后則轉(zhuǎn)為偏弱;濾除趨勢后,1976年之前偏冷態(tài)的連通度較偏暖態(tài)非常接近,1976年之后偏暖態(tài)的聯(lián)通度略偏強(qiáng),兩者之間的差異明顯減小.因此,全球增暖造成的氣溫線性變化趨勢會(huì)造成偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通度對比的反轉(zhuǎn).全球增暖不僅表現(xiàn)為全球氣溫在1970s左右的距平位相調(diào)整,也表現(xiàn)為全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的變化,這是對已有關(guān)于全球增暖影響的新認(rèn)識(shí).

圖10 去除線性增暖趨勢后偏冷和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在1976年前后網(wǎng)絡(luò)連通度的空間分布(a1) 偏冷態(tài)1950—1976年; (a2) 偏冷態(tài)1977—2000; (b1) 偏暖態(tài)1950—1976年; (b2) 偏暖態(tài)1977—2000年.Fig.10 The spatial distribution of network connectivity of temperature correlation network after removing the linear warming trend in cold and warm phase(a1) Cold phase, 1950—1976; (a2) Clod phase, 1977—2000; (b1) Warm phase, 1950—1976; (b2) Warm phase, 1977—2000.

圖11 去除全球增暖趨勢前后偏冷和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)在1976年前后的網(wǎng)絡(luò)連通度平均值(a) 未處理的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò); (b) 去除線性趨勢后的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò).Fig.11 The average of network connectivity of temperature correlation network before (a) and after (b) removing the linear warming trend

3 結(jié)論和討論

本文基于再分析全球表面氣溫資料,應(yīng)用30年滑動(dòng)窗口的方法,分別構(gòu)建偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò).通過計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量,揭示1970s中期全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征的調(diào)整,并分析其可能的成因.主要研究結(jié)論如下:

在1970s中期之后,全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在偏冷態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的連通度大幅下降,度值異常大的節(jié)點(diǎn)區(qū)域范圍明顯減小,而在偏暖態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的連通度略有增加;此消彼長,造成偏冷態(tài)和偏暖態(tài)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的連通度大小關(guān)系由1976年之前的前者偏強(qiáng)調(diào)整為后者偏強(qiáng),且這種變化最為顯著的區(qū)域位于熱帶的四個(gè)大洋關(guān)鍵區(qū).

偏冷態(tài)對應(yīng)各關(guān)鍵區(qū)之間的相關(guān)系數(shù)于1970s中期快速下降,而偏暖態(tài)時(shí)期相關(guān)系數(shù)則保持穩(wěn)定,甚至緩慢增加,這是造成網(wǎng)絡(luò)連通性發(fā)生轉(zhuǎn)變的直接原因.在1970s中期,大西洋、西太平洋和印度洋等關(guān)鍵區(qū)域的氣溫距平由負(fù)相位轉(zhuǎn)變?yōu)檎辔?而東太平洋關(guān)鍵區(qū)氣溫距平維持負(fù)位相,正負(fù)位調(diào)整對應(yīng)成大西洋—東太平洋、印度洋—東太平洋、西太平洋—東太平洋等區(qū)域之間的氣溫距平值由原來的同為負(fù)值調(diào)整為正-負(fù)值配置,造成這些區(qū)域氣溫序列間的協(xié)方差值迅速下降.大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫序列間的協(xié)方差的變化是導(dǎo)致大洋關(guān)鍵區(qū)相關(guān)性變化的主要原因,即偏冷態(tài)時(shí)期大洋關(guān)鍵區(qū)之間協(xié)方差的迅速下降引起相關(guān)系數(shù)明顯下降.與此同時(shí),偏暖態(tài)對應(yīng)的主要關(guān)鍵區(qū)域的氣溫距平,在1970s中期以后基本保持正位相,且正值略有增加,造成關(guān)鍵區(qū)域氣溫序列間的協(xié)方差值略增加.1970s中期,大洋關(guān)鍵區(qū)氣溫序列間的偏冷(暖)態(tài)協(xié)方差減小(略增加),相關(guān)系數(shù)減小(略增加),造成網(wǎng)絡(luò)連通度減小(略增加),這是不同ENSO位相對應(yīng)的全球氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通度強(qiáng)弱對比發(fā)生反轉(zhuǎn)的主要原因.

去除全球增暖線性趨勢后,偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)的氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征差異明顯減小,兩者的連通度平均值差異在1976年前由原來的13.1%降到-1.7%,1976年后由原來的-37%下降到-8.2%.因此,全球增暖不僅表現(xiàn)為全球氣溫的上升,同時(shí)會(huì)造成偏冷態(tài)和偏暖態(tài)對應(yīng)氣溫關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連通度對比的反轉(zhuǎn),即造成全球氣候系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整.

以往的研究中,有學(xué)者提取了全球海表溫度場的年代際模態(tài),揭示了1977—1996年的突變模態(tài)在大部分海域上存在與前期較為明顯的結(jié)構(gòu)特征(肖棟和李建平, 2007).20世紀(jì)年代至世紀(jì)尺度溫度變化的顯著信號(hào)有準(zhǔn)30～50年、準(zhǔn)20～30年、準(zhǔn)15年等多種時(shí)間尺度的振蕩,其中北大西洋等區(qū)域?qū)?yīng)的30～50年振蕩在1960年代存在顯著的調(diào)整,而北太平洋及其附近地區(qū)年平均溫度重建的準(zhǔn)20～30年振蕩分量的演變特征在1970年代中期到80年代初期存在明顯的調(diào)整(江志紅等, 2004).相關(guān)研究結(jié)果與本文中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整有一定的對應(yīng)關(guān)系,均從氣溫要素本身出發(fā)分析1970s的全球氣溫突變問題.然而,本文給出了關(guān)于全球氣溫系統(tǒng)內(nèi)在相互作用的調(diào)整分析,是對以往1970s氣候突變認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步補(bǔ)充.