不同类型El Niño事件对黑潮流域影响的统计分析＊

唐绍磊，于 暘，杨晓峰，李紫薇

（1.中国科学院 遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室，北京100101；2.中国科学院大学，北京100049）

厄尔尼诺－南方涛动（El Niño－Southern Oscillation，ENSO）是影响全球气候最显著的因素之一。El Niño是一种起源于热带太平洋地区海表面温度异常升高的现象。由海洋和大气的耦合机制产生，并通过海洋和大气的遥相关作用，使其影响扩大到全球大部分区域。根据最大海表面温度异常（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）出现的区域，可以将El Niño分为2类：东太平洋（Eastern Pacific，EP）El Niño和中太平洋（Central Pacific，CP）El Niño。2类El Niño现象不仅各自的季节表现不同，它们对不同区域的气候影响也存在着较大差异。例如，中等强度的CP El Niño（2002和2004年）给印度以及澳大利亚带去严重的干旱，造成巨大的经济损失［1－2］，而强度非常大的 EP El Niño（1997－1998年）对这2个区域降雨量的影响却非常小；在EP El Niño事件发生的冬季，美国的西北部会出现大范围的升温；在CP El Niño事件发生的冬季，美国的东南部会出现降温的现象［3］。

黑潮属于北太平洋西边界流，起源于菲律宾以东，流经我国台湾岛东部、东海，向北经过日本南部海域与来自北极的亲潮汇合形成北太平洋环流。黑潮是传送热能的暖洋流，其海表面温度的异常及热量释放的多少对我国东部地区的气候变化具有重要的影响。研究表明东海黑潮的海表面温度与我国东部地面气温的关系在冬季十分密切，呈现出大面积的显著的正相关关系［4］；另外，当春、夏季黑潮流域的海温异常增暖时，长江流域出现降水增多现象［5－6］。

近30aCP El Niño事件发生频率几乎加倍［7］，且随着未来全球气温逐渐升高，可预见将会发生更多的高强度EP El Niño［8］。细分2类El Niño事件对黑潮流域海温、流速等要素的不同影响，对于预测及应对我国东部地区未来可能发生的灾害事件具有重要的指导意义。目前未见该方面的长时间序列的系统研究，我们利用25a的多源融合及再分析数据，针对2类El Niño事件对黑潮流域海表面温度等多个要素的不同影响进行了统计分析。

1 数据及方法

我们的研究范围为黑潮流经的台湾东部、东海以及日本南部海域。

1.1 数据来源

使用的资料包括英国气象局哈德利气象研究中心提供的1979－03－2014－02月均海表面温度HadISST（Hadley Centre Global Sea Ice and Sea Surface Temperature）数据，其空间分辨率为1.0°×1.0°（纬度×经度）［9］；美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）提供的 1980－03－2014－02GODAS（Global Ocean Data Assimilation System）月均表层（第一层）水平流速数据，其空间分辨率为0.333°×1.0°［10］；美国国家环境预报中心（National Center for Environmental Prodiection）和国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）联合推出的1980－03－2014－02月均850hPa等压面风场数据，其空间分辨率为2.5°×2.5°［11］；美国气候预测中心（Climate Prediction Center，CPC）提供的1979－03－2014－02月均降水数据，其空间分辨率为2.5°×2.5°［12］；法国 AVISO（Archivings Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data）提供的1993－03－2014－02日均海平面异常 SLA（Sea Level Anomaly）数据［13］。

将上述各月均数据，去除各自时间范围内的平均值得到距平值；对于日均SLA数据，先进行算术平均得到月均值，然后再除去研究时间范围内每月的平均值以消去季节效应。最后，月均值数据进行平均得到季节性均值，即3—5三个月数值平均得到春季均值，以此类推，12月至次年2月三个月数值平均得到冬季均值（此处1月和2月数据分别指次年1月和2月数据）。

1.2 分析方法

我们依照 Yuan和 Yang的方法［14］，分别利用 Niño－3指数和EMI（El Niño Modoki Index）［15］来代表EP El Niño和CP El Niño。其中 Niño－3指数是指90°～150°W，5°S～5°N区域范围内的SSTA 的平均值；EMI＝（SSTA）C－0.5（SSTA）E－0.5（SSTA）W，C，E，W 分别代表赤道太平洋中（165°E～140°W，10°S～10°N）、东（110°～70°W，15°S～5°N）、西（125°～145°E，10°S～20°N）部3个局部区域，SSTA代表求取各自区域内其平均值。2类El Niño事件均是在事件发生当年的冬季达到SSTA的最大值［16］，因此采用事件发生当年冬季平均的Niño－3指数和EMI与黑潮流域的SSTA、流速、SLA以及降水等变量进行偏相关分析、超前／滞后相关分析以及合成分析，研究2种类型的El Niño事件在发生当年及次年对黑潮流域产生的不同影响，并使用双尾t检验对其相关性进行显著性检验。偏相关分析是为研究EP El Niño事件对各个变量的影响时排除CP El Niño事件的影响，反之亦然。偏相关系数计算公式：

其中，pr1表示偏相关系数；rY1，rY2和r12表示相关系数。通过该公式能够计算2类El Niño事件在发生过程中对各个变量的影响，例如：当计算CP El Niño事件对当年夏季海表面温度的影响（图1a）时，rY1表示1979—2014年冬季的Niño－3指数与1979—2014年夏季的SSTA的相关系数，rY2表示1979—2014年冬季的EMI与1979－2014年夏季的SSTA的相关系数，r12表示1979—2014年冬季的Niño－3指数与EMI的相关系数。使用合成分析方法时，参照Yu和Kim根据EMI指数计算得出的结果［17］，认为发生EP El Niño事件的年份包括1982—1983，1986—1987，1987—1988，1997—1998，2006—2007；发生CP El Niño事件的年份包括1991—1992，1994—1995，2002—2003，2004—2005，2009—2010。进行合成分析时，将每种类型所含年份的所有数据进行算术平均得到所要的结果。

2 结果分析

2.1 海表面温度异常SSTA

通过相关分析得到SSTA与Niño－3（左）和EMI（右）的偏相关关系（图1中色标的0.33，0.43分别表示置信度为95%和99%的相关系数，填色区域为相关关系高于95%和99%的区域）。分析后发现：

1）整个时间跨度（当年夏季至次年夏季）中，EP El Niño对黑潮流域海表面温度的影响存在正反2种相位：当年的夏季和秋季为异常降温作用（图1a和图1b），当年的冬季开始转为增温效应（图1c），次年春季和夏季增温效果更加显著（图1d和图1e）；而CP El Niño在整个时间跨度中仅表现为降温效应（图1f～图1j）。

2）影响效应出现的时间不一致：EP El Niño自始至终对黑潮流域都有影响，整个时间跨度中经历了强降温－弱降温－弱升温－强升温的过程，在事件发生的当年夏季和秋季，降温效应逐渐减弱（图1a和图1b），当年冬季开始转为升温影响（图1c），次年春季增温效果最为显著，几乎覆盖了黑潮流域的全部区域（图1d），次年夏季增温效果有所减弱，影响范围只包含了黑潮流域的南部区域（图1e）；相比于EP El Niño，CP El Niño在当年夏季对黑潮流域几乎没有影响（图1f），秋季时降温效应突然达到最大，覆盖了自台湾东部到日本南部的所有区域（图1g），然后影响逐渐减弱，到次年夏季时只有黑潮流域的南端受到了降温的影响（图1j）。

这与前人的研究成果具有相似之处，如孙楠楠［18］通过对黑潮区域和Niño－3区域面积平均的SSTA时间序列进行比较，发现当Niño－3区域出现明显增温时，黑潮区域海表面温度会在其后的一段时期内表现出相应的温度显著升高现象，时滞分布为5～9个月，即该区域的增温现象较Niño－3区域的增温现象有5～9个月的滞后期，这与我们发现的次年春季和夏季增温效果显著（图1d和图1e）相符。

EP El Niño事件发生期间，黑潮流域海表面温度的变化与印度洋东部海域的海表面温度变化一致（图1c～图1e），因此可以认为黑潮流域海表面温度的变化机制与印度洋东部海域海表面温度的变化机制相同。EP El Niño事件的发生导致印度洋海域海表面温度发生变化，这表明存在着一种遥相关机制确保该联系的存在，这种遥相关机制或许可以用热带大气桥梁［19］来解释：EP El Niño事件引起的大气环流异常导致热带印度洋的云量和水汽蒸发量减少，进而改变了相应海域的净热通量，净热通量的异常进一步导致了该区域海表面温度的异常变化。而CP El Niño事件发生期间黑潮流域海表面温度的变化则可能与热带太平洋海域暖水向东平流有关，因为CP El Niño事件的发生通常伴随着热带印度洋上空沃克环流的减弱［20］，由于热带太平洋和热带印度洋共享暖池区域沃克环流的上升支，从而会导致热带太平洋区域的沃克环流强度减弱，进而在热带中太平洋区域引发异常的东向平流，导致热带西太平洋乃至黑潮流域海表面温度降低。

2.2 表层海流水平流速

通过相关分析得到表层海流异常与Niño－3和EMI的偏相关关系（图2色标中的0.29，0.34分别表示置信度为90%和95%的相关系数，填色区域为相关关系高于90%和95%的区域，箭头表示由经纬向海流异常和Niño－3／EMI的相关系数组成的相关系数矢量），分析后发现：

1）EP El Niño对黑潮流域流速的影响面积比 CP El Niño大：EP El Niño发生期间，在当年的夏季（图2a）、冬季（图2c）以及次年的春夏季（图2d和图2e），该流域均有大面积的显著相关区域；而CP El Niño发生期间，仅在当年的夏秋季（图2f和图2g）存在较大面积的显著相关区域。

2）图中箭头的指向表明，2类El Niño事件对黑潮流速的影响基本呈相反关系：对于流经PN断面（图2中标识）的海流，EP El Niño期间，影响较大的时期为当年的夏季（图2a）以及次年的春夏季（图2d和图2e），这3个季度期间，PN断面的西北端均可以看到大面积的相关区域，且图中箭头均指向西南方向，表明EP El Niño对该区域的海流起减速作用；而在CP El Niño期间，影响较大的时期为当年的夏秋季（图2f和图2g）以及次年的春季（图2i），在当年的夏季（图2f），PN断面的西北端有较大面积的相关区域，并且箭头指向东北方向，在当年的秋季（图2g）以及次年的春季（图2i），PN断面的东南端有较大面积的显著相关区域且箭头指向东北方向，虽然3个季度中CP El Niño对PN断面海流的作用位置略有不同，但均起到了加速的作用。对于流经TK断面的海流，EP El Niño期间，表现出显著相关的季节为当年的冬季（图2c）及次年的春夏季（图2d和图2e），3幅图中箭头的方向各不相同：图2c中为西北方向，图2d中为东北方向，图2e中为西北方向，因此对海流流速的影响也各不相同。在CP El Niño期间，只有次年的春夏季（图2i和图2j）表现出显著相关性，2幅图中箭头均指向东北方向，因此对该区域海流流速起到了加速的作用。另外，通过对2种类型El Niño事件的数据进行合成分析也可以得出相似的结论，例如，分别对发生EP El Niño事件和CP El Niño事件所在年份的当年夏季异常值进行合成分析，得到图3（图中填色区域表示合成的表层流速异常值大小，箭头表示由合成的经纬向表层流速异常值组成的异常流速矢量）所示的结果：在EP El Niño事件中（图3a），PN断面流域箭头指向西南，TK断面流域箭头方向为西；而在CP El Niño事件中（图3b），情况刚好相反。

对于El Niño事件对黑潮流速的影响，袁耀初等［21］曾利用在东海黑潮区域实测的水文资料来研究1997年的El Niño现象对该区域黑潮流速的影响，发现在1997年强EP El Niño事件的影响下，黑潮流速有所减小，尤其是经过PN断面的海流流速减小尤为明显，这与我们的研究结果（图2a～图2e）相一致。

已有研究均表明，黑潮流量的变化与黑潮流域附近的气旋有较大的关系：利用相关与合成分析方法发现黑潮流量的年际与年代际变化分别与流域上空的经向风异常以及太平洋年代际振荡有密切的关系［22］；通过将黑潮流量与风应力旋度进行分析，发现两者具有很好的相关关系［23］；通过模式模拟发现黑潮流量的增加主要是由附近区域出现的反气旋涡强度的增加导致的［24］。因此有理由判定我们发现的黑潮流域表层流速的变化可能是由于El Niño事件发生期间产生的大气遥相关效应导致黑潮流域附近气旋的类型、位置、强度发生变化，进而导致风应力发生改变，造成黑潮区域海流的流速及流量发生改变。

图3 发生EP El Niño和CP El Niño所在年份的当年表层流速夏季异常值的合成图Fig.3 Composite of surface current anomalies in summer for EP／CP El Niño

2.3 海平面异常SLA

对黑潮延伸区的海平面异常变化与Niño－3指数的相关关系进行的研究表明，黑潮延伸区的海平面异常与El Niño事件有关。高理等［25］通过对整个黑潮延伸区的SLA数据进行空间算术平均，并对SLA和Niño－3指数时间序列进行低通滤波后获取周期为2a以上的低频分量，然后对两者做相关分析，发现SLA的低频分量与Niño－3指数存在负相关，并在滞后时间为11个月时达到最大，相关系数约为－0.6。

我们通过相关分析得到的海平面异常（SLA）与Niño－3和EMI的偏相关关系（图4中色标中的0.37和0.43分别表示置信度为90%和95%的相关系数，填色区域为相关关系高于90%和95%的区域）。在2类El Niño事件发生当年及次年，整个黑潮流域海平面异常并没有表现出比较明显的较大面积显著性相关，呈现出相关性的区域比较零散，没有规律性，只有在CP El Niño事件发生的次年夏季台湾岛的东北部有一较大面积的狭长流域表现出海平面降低的效果（图4j），因此我们认为2类El Niño事件的发生对黑潮流域海平面异常的变化没有太大的影响。与高理等人的研究结果［25］有所出入的原因，可能是两者研究的时间尺度有所不同，一个是月平均数据，一个是季节平均数据，对月均数据进行季节平均可能把月均数据之间的相关性进行了削弱；两者研究的空间尺度不同，一个是对整个黑潮延伸区域进行空间算术平均后整体分析，一个是对研究区域进行逐点分析，空间尺度的不同也有可能导致研究结果出现差异。

2.4 降 水

通过相关分析得到的降水异常与Niño－3／EMI的偏相关关系（图5中色标中的0.33，0.43分别表示置信度为95%和99%的相关系数，填色区域为相关关系高于95%和99%的区域）显示：

1）2类El Niño事件对黑潮流域降水的影响效果成相反关系。EP El Niño导致该区域降水量的增加（图5c～图5e）；而CP El Niño导致该区域降水量的减少（图5f和图5j）。

2）作用时间不一样。EP El Niño事件对黑潮流域的影响主要集中在事件发生的当年冬季（图5c）以及次年的春夏季（图5d～图5e）；CP El Niño事件对该地区的影响主要发生在事件发生的当年夏季（图5f）以及次年的夏季（图5j）。

对于EP El Niño事件导致该区域降水量增加而CP El Niño事件造成该区域降水减少的原因，Yuan和Yang［14］在研究不同类型的El Niño事件对东亚气候的影响时给出了解释，即2种类型El Niño事件在中国东南部及日本南部具有不同影响与2种现象有关：一种是菲律宾海反气旋（the Philippine Sea Anticyclone，PSAC），它是一个非常重要的能够将El Niño的影响从赤道地区传送到东亚地区的天气系统［26］；另一种则是位于东亚地区的局地哈德里环流。这2种现象在2种类型的El Niño发生期间有着不同的表现。在EP El Niño发生期间，PSAC从最初的南中国海的南部（当年夏季）逐渐向东北移动最终到达菲律宾东北部（当年冬季、次年春夏季），使得其西北侧的西南气流覆盖着中国东南沿海及日本南部（图6中填色区域为相关关系高于95%和99%的区域，箭头表示由经纬向850hPa风场异常和Niño－3的相关系数组成的相关系数矢量）。这为从赤道西太平洋和南中国海输送水分到东亚地区创造了条件；另一方面，在赤道西太平洋地区，异常的沃克环流的下沉支会在东亚地区产生局地的哈德里环流，该哈德里环流的上升支位于20°N附近的亚热带区域，为中国东南部和西北太平洋地区的长时间大量降水提供了动力机制。与此不同的是，在CP El Niño发生期间，PSAC不仅在当年的冬季才出现，更重要的是它在当年的冬季和次年的春季一直位于菲律宾的西部和南中国海区域，然后在次年的夏季向北移动到日本的南部，使得PSAC西北侧的西南气流位置更加偏西北，不利于水分从南中国海或西太平洋输送到东亚南部以及西北太平洋，进而使得该区域的降水偏少；另一方面，在东亚地区并没有局地的哈德里环流形成，相反，在赤道中太平洋地区的异常沃克环流的上升支会在它的西北方向导致一个异常的下沉支的形成，而该下沉支刚好位于东亚南部以及西北太平洋，为该区域的干旱环境提供了动力机制。

图6 当年冬季和次年春季850hPa风场异常与Niño－3的偏相关关系Fig.6 Partial correlation between 850hPa wind anomalies in that year′s winter and the following spring and Niño－3

3 结论

基于25a的高精度融合及再分析数据，利用偏相关分析、超前滞后相关分析以及合成分析方法研究EP El Niño和CP El Niño事件对黑潮流域海表面温度异常、表层海流水平流速、海平面异常和降水变量的影响，发现2类El Niño事件对黑潮流域的影响有所差异：

1）对于海表面温度异常（SSTA），EP El Niño的影响强度更大且具有降温、升温影响；CP El Niño的影响强度较小且只具有降温效应；

2）对于表层海流水平流速，两者的影响总体上呈相反状态，对于东海PN断面的海流来说，EP El Niño具有减缓流速的作用，而CP El Niño则具有加速的作用；

3）对于海平面异常（SLA），两者均没有很明显的规律性的影响；

4）对于降水，2类事件的影响强度相当但作用相反：EP El Niño使得黑潮流域降水增多，CP El Niño使得黑潮地区降水偏少。

我们的结论与前人研究成果基本相符，不同之处如El Niño事件对黑潮流域海平面异常SLA的影响；另外，由于我们仅仅是利用相关、合成分析方法对25a相关数据做了初步的统计分析，对不同影响背后的物理机制进行了初步的猜想，因此有必要在今后的研究工作中引入海洋环流模式或海－气耦合模式，对2类El Niño事件对黑潮流域的不同影响进行深入详细的探讨，并对不同影响背后的物理机制进行明确的分析，加深对该问题的认识，预测及应对我国东部地区未来可能发生的灾害事件。

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