南海西沙海域温度异常对厄尔尼诺-南方涛动活动的响应

刘成程，张文超，晏 宏

1. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

2. 中国科学院大学，北京 100049

南海西沙海域温度异常对厄尔尼诺-南方涛动活动的响应

刘成程1,2，张文超1,2，晏 宏1

1. 中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061

2. 中国科学院大学，北京 100049

利用1958 — 2005年西沙永兴岛气象观测站逐月气温资料、美国国家海洋大气部（NOAA）提供的1866 — 2014年逐月海表温度（SST）资料、逐月ENSO指数（MEI）、南方涛动指数（SOI）分析了厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件与南海西沙气温、海温异常的关系。1958 — 2005年西沙群岛永兴岛观测站气温与MEI指数比较分析显示：西沙群岛气温正距平百分率积累值阈值能较好地响应75.00%的中等及其以上强度厄尔尼诺事件；西沙气温负距平百分率积累值阈值能较好地响应100%的中等及其以上强度拉尼娜事件。1866 — 2014年西沙海域SST异常与同期SOI指数对比分析表明：西沙SST正距平百分率积累值阈值能对76.47%的中等及其以上强度的厄尔尼诺有较好的响应；西沙SST负距平百分率积累值阈值能对79.41%的中等及其以上强度的拉尼娜事件有较好的响应。该研究结果表明西沙气温、SST距平百分率积累值阈值法能够得到中等及其以上强度ENSO事件的良好记录，这为利用南海高分辨率珊瑚、砗磲重建所得到的古温度记录定量重建过去ENSO事件提供了可靠的科学依据。

厄尔尼诺-南方涛动；南海西沙；温度异常；定量重建

厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是热带太平洋地区海气系统年际气候变率的最强信号，它的发生发展对全球大气环流乃至全球气候异常都有重要影响（Dilley and Heyman，1995；陈桂英，2000；Diaz et al，2001；琚建华和陈琳玲，2003；Berkelhammer et al，2014），了解ENSO的变化历史、规律及机制对于预测未来气候变化具有重要意义。目前，ENSO的短期预报已取得了一定的进展，但对于长时间尺度及不同气候背景状态下（如全球变暖或者变冷）ENSO的变化趋势及动力机制的理解还非常有限（Driscoll et al，2014；Ayling et al，2015；Yan et al，2016），主要的限制因素在于器测资料时间跨度较短，对于查明长时间尺度ENSO的变化规律和机制存在困难，因此如何利用高分辨率的珊瑚、砗磲、树轮等古气候资料定量重建过去ENSO的变化历史，并探讨ENSO在不同气候背景下、不同边界条件下的活动规律及其对全球气候的影响，是当前全球变化研究中的一个重要科学问题（Heydt et al，2011；Welsh et al，2011；McGregor et al，2013；Batehup et al，2015；Schollaen et al，2015）。

南海是西太平洋最大的边缘海，已有研究结果表明南海气候年际异常变化与ENSO有密切关系（Chen et al，2007；Zhou and Chan，2007；Zhou et al，2010）。Bin et al（2000）认为大气环流是南海气候和太平洋ENSO的桥梁，吕宋海峡水交换可以将ENSO信号传入南海（Qu et al，2004），热带中东太平洋海温正异常（负异常）会导致南海-西太平洋的异常反气旋（气旋）的建立，从而导致了南海海温正（负）异常（林爱兰和张人禾，2004）。

基于南海年际气候变化对ENSO快速且灵敏的响应（谭军等，1995；Zhou and Chan，2007），区域内的古气候资料具有被用来定量重建古ENSO变化的潜力。目前，南海已有大量高分辨率的珊瑚和砗磲古气候记录被报道，其中也有一些工作利用这些高分辨率的古气候记录进行了ENSO变化的讨论，但目前的讨论基本局限于周期分析（Correge et al，2000；Ivany et al，2011），很少涉及定量重建。一个重要的原因在于南海的气候记录同时受到季节（如季风、ITCZ）、年际（ENSO）和年代际（PDO等）气候信号的影响（晏宏等，2010），从气候记录上并不能直观地观测到ENSO活动的变化。因此，怎样从复杂的气候记录中提取出ENSO信号，建立定量重建方法，是利用南海珊瑚、砗磲进行古ENSO定量重建中亟待解决的问题。

本研究利用现代气象资料，采用西沙距平百分率阈值法分析南海温度异常对于ENSO事件的响应，以反映南海温度距平百分率积累值阈值对于ENSO事件的记录情况，为利用南海高分辨率珊瑚、砗磲等代用资料定量重建过去ENSO事件提供一定科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

（1）南海西沙群岛永兴岛气象观测站（台站号59981）1958 — 2005年逐月气温器测资料。

（2）取自美国国家海洋大气部（NOAA）1866 — 2014年格点逐月平均海表温度（SST）资料（http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data. noaa.ersst.html）（水平分辨率为2°×2°，选取了1866 — 2014年111° — 113°W，15° — 17°N的格点SST）。

（3）美国国家海洋大气部（NOAA）地球系统研究实验室（ESRL）公布的多变量ENSO指数（MEI）。

（4）美国大气研究高校协会UCAR（University Corporation for Atmospheric Research）的南方涛动指数SOI（Southern Oscillation Index）（http://www.cgd. ucar.edu/cas/catalog/climind/SOI.signal.annstd.ascii）。

1.2 方法

（1）计算逐月温度距平百分率：分别计算1958 — 2005年西沙永兴岛气象观测站气温资料、1866 — 2014年NOAA逐月SST的距平百分率，并分别将两类温度距平百分率序列进行带通滤波处理，以消除噪声信号的干扰。

式中：Tanomalypercentage为温度距平百分率；Treal为该月实际温度；Tmean为该月平均温度。

（2）距平百分率积累值：带通滤波处理后的逐月正距平百分率（负距平百分率）分次累加求和。将距平百分率按照时间序列排列，从第一个正距平百分率开始进行（负距平百分率）累加，当出现负距平（正距平）百分率时，停止此次累加，记此次正距平（负距平）百分率积累过程为一次南海西沙暖事件（西沙冷事件），然后依次对随后各次南海西沙温度正距平（负距平）百分率进行累加。

（3）正距平（负距平）百分率积累值阈值：

式中：A为对应的正（负）距平百分率积累事件次数；B为MEI或SOI指示的厄尔尼诺事件（拉尼娜事件）次数；C为超过正（负）距平百分率积累值阈值的事件次数。

试验所有正（负）距平百分率积累值，计算阈值指数，当该指数达到最大时，记此时的正（负）距平百分率积累值为正（负）距平百分率积累值阈值。

2 结果与分析

2.1 西沙温度异常与ENSO事件的相关关系

已有研究表明南海西沙群岛永兴岛气象观测站1958 — 2008年气温与同期MEI指数有较好的相关关系，相关性在滞后4月时达到最大，为0.41（p ＜ 0.0001）（晏宏等，2010）。本文对西沙1866 — 2014年格点SST数据与同期SOI指数进行相关性分析（图1），相关系数为-0.234 （p ＜ 0.01）。即两者呈负相关，发生厄尔尼诺时，西沙SST正异常，拉尼娜时则相反。对SOI指数分别做12个月的超前和滞后相关性分析，结果表明：超前时相关系数绝对值迅速下降，说明不存在任何超前效应，而在滞后6月时，相关性最大，相关系数为-0.5116（p ＜ 0.01），在滞后7月甚至更长时间时，相关性下降，说明西沙SST对于ENSO的响应存在6个月的滞后。

图1 1866 — 2014年西沙群岛海域带通滤波处理后的逐月SST距平百分率（红色折线）、带通滤波处理后的逐月SOI指数（蓝色折线）Fig.1 Percentage of monthly SST anomalies (red line) after band-pass fi ltering around the Xisha Islands, South China Sea, and monthly SOI index (blue line) after band-pass fi ltering during 1866 and 2014

2.2 西沙台站气温序列中ENSO的记录

2.2.1 西沙台站气温序列中的厄尔尼诺记录

将西沙气温正距平百分率和滞后4个月的MEI指数进行对比研究，结果表明西沙气温异常能够较为良好地响应ENSO事件。当气温正距平百分率积累值试验值取8.14%时，西沙气温正距平百分率积累值超过阈值总共13次，分别为：1959 — 1960年、1963 — 1964年、1965 — 1966年、1968 — 1969年、1972 — 1973年、1974 — 1975年、1977 — 1978年、1982 — 1983年、1987 — 1988年、1990 — 1991年、1993 — 1995年、1997 — 1999年、2002 — 2003年（图2）。MEI指数记录到的中等及其以上厄尔尼诺事件年份有1958 — 1959年、1963 — 1964年、1965 — 1966年、1968 — 1970年、1972 — 1973年、1976 — 1978年、1982 — 1983年、1986 — 1988年、1991 — 1992年、1993年、1997 — 1998年、2002 — 2005年。两者记录虽然有一定差异，但是也存在较好的一致性。其中1963 — 1964年、1965 — 1966年、1968 — 1970年、1972 — 1973年、1976 — 1978年、1982 — 1983年、1986 — 1988年、1997 — 1998年、2002 — 2005年共9次的厄尔尼诺事件均在西沙台站气温异常中有较好的反映。

对于1993年、1994 — 1995年的厄尔尼诺事件，MEI指数在1993年2月 — 1993年10月持续为正值，在1993年11月 — 1994年7月出现负值，随后在1994年8 月— 1995年4月转为正值（较小），而在西沙的气温记录中，从1993年5月 — 1995年4月一直处于气温正距平状态，且积累值较大，没有1993年11月 — 1994年7月拉尼娜状态的记录，因此1993年5月 — 1995年4月的正距平积累视作误判。1958年1月 — 1959年7月 MEI出现正值，处于厄尔尼诺状态，而西沙台站在1959年4月 — 1960年10月呈现持续的气温正异常现象，西沙气温异常开始时间相对于MEI指数滞后过多，故将西沙台站气温1959年4月 — 1960年10月的正距平积累视作误判。另外，由图2可知，1974 — 1975年、1990 — 1991年为明显误判。在此阈值下，阈值指数=9×2/(12+13)=0.72，达到最大。综上所述，MEI记录到的中等及其以上厄尔尼诺事件有3次未在西沙气温距平积累值中准确反映，而在西沙台站气温距平百分率积累值所记录到的13次厄尔尼诺事件中，有4次属于误判。在剔除误判后，西沙气象站气温距平积累值能对75%（9/12）的厄尔尼诺事件做出较为准确的响应。

图2 西沙台站气温正距平百分率积累值（黑色柱状图）及阈值（红色虚线）与MEI指数（蓝色面积图）对比分析Fig.2 Accumulated positive percentage of monthly air-temperature anomalies of Xisha (bar graph), accumulated positive percentage of monthly air-temperature anomalies threshold (red line) and monthly MEI index (blue area)

2.2.2 西沙台站气温序列中的拉尼娜记录

当气温负距平百分率积累值试验值取-8.76%时，如图3所示，西沙负距平百分率积累值超过拉尼娜阈值总共13次。在西沙气温负距平百分率累积值中，1976 — 1977年的气温负距平百分率积累值与拉尼娜事件并无关系，属于误判。1978 — 1979年为弱拉尼娜，但西沙气温距平百分率积累值仍然将其记录了下来，可视作误判。1983 — 1986年间气温负距平百分率存在短暂正距平百分率打断期，但气温正距平百分率积累极小（1.4449%），因此可以忽略此次气温正距平百分率打断过程，将1983年11月— 1984年9月与1985年3月— 1986年2月作为1983 — 1986年拉尼娜事件的响应（即1983年11月— 1984年9月与1985年3月— 1986年2月认为是一次气温正距平百分率积累过程，而不是两次）。在此阈值下，阈值指数=10×2/(10+12) = 0.91，达到最大。即MEI指数总共记录到中等及其以上拉尼娜事件共10次，在剔除西沙温度记录误判后，西沙气温距平百分率积累值可以对拉尼娜有100%的响应（10/10）。

2.3 西沙1866 —2014年格点SST中ENSO的记录

2.3.1 西沙1866 —2014年格点SST序列中的厄尔尼诺记录

根据西沙1866 — 2014年间格点SST距平百分率积累值分析结果来看，西沙对厄尔尼诺事件有较为良好的响应。当西沙SST正距平百分率积累值试验值取6.00%时，正距平百分率积累值有35次超过了阈值。与同期南方涛动指数对比分析，可以看出其中有6次（1921年与1922年算作一次误判，1944年与1946年算作一次误判）不属于对厄尔尼诺的响应，有3次虽然对应SOI指数为负值，但SOI指数并不足以导致相对较大的西沙SST正距平百分率积累值，以上情况均可判为西沙SST正距平百分率积累值对厄尔尼诺的误判。西沙SST异常存在多种因素，不单纯是厄尔尼诺的影响，由图4可见部分西沙SST正距平百分率积累值很大，但所对应的SOI指数却在0附近或其负指数持续时间很短，部分SOI指数偏移很大，但相对应的西沙SST正距平百分率积累值很小，甚至并未超过阈值。

图3 西沙台站气温负距平百分率积累值（黑色柱状图）及阈值（红色虚线）与MEI指数（蓝色面积图）对比分析Fig.3 Accumulated negative percentage of monthly air-temperature anomalies of Xisha (bar graph), accumulated negative percentage of monthly air-temperature anomalies threshold (red line) and monthly MEI index (blue area)

在此阈值下，阈值指数= 26×2/(34+35) = 0.7536，达到最大。南方涛动指数所反应出的中等及中等强度以上的厄尔尼诺事件有34次，而西沙SST距平百分率积累值准确记录到的中等及其以上的厄尔尼诺事件有26次（1957年8月 — 1958年8月与1959年4月— 1960年11月两次距平百分率累积值为1957年3月 — 1959年8月一次厄尔尼诺的响应，1911年9月 — 1912年6月与1914年3月 — 1915年12月两次距平百分率积累值为1911年4月 — 1915年5月厄尔尼诺的响应），即西沙SST对76.47%（26/34）的中等及其以上强度的厄尔尼诺事件有良好的响应。

2.3.2 西沙1866 — 2014年格点SST序列中的拉尼娜记录

当西沙SST负距平百分率积累值试验值取–7.07%时，根据图5分析得知，西沙在1866年至2014年间，总共有36次西沙SST负距平百分率积累值超过阈值，其中有4次不是对拉尼娜的响应（1883年8月 — 1885年5月算作一次，期间1884年5月 — 1884年9月的正距平持续时间短，且积累值小），有5次虽然对应SOI指数为正值，但SOI指数并不足以导致大的西沙SST负距平百分率积累值，如1875年3月 — 1876年2月西沙SST负距平百分率积累值为–19.1402%，相对应时期SOI表现为拉尼娜，但拉尼娜强度弱，不足以导致如此大的温度负异常，1876年9月 — 1877年6月、1931年10月 — 1932年5月、1933年10月 — 1934年8月和2003年8月 — 2005年5月均为类似情况，均视作误判。1866年至2014年间，根据南方涛动指数的记录，总共有34次中等及其以上强度的拉尼娜发生，西沙SST负距平百分率积累值较为良好地响应了其中27次（1892年和1894是对同一次的响应；1916年和1918年是对同一次的响应），即西沙SST负距平百分率积累值良好地响应了79.41%的中等及其中等以上拉尼娜事件。在阈值取–7.07%的情况下，阈值指数=27×2/(34+36) = 0.7，达到最大。从图5来看，1938年11月 — 1940年8月西沙SST负距平百分率积累值有错判的嫌疑，但观察相对应的SOI值可以发现，在1937年2月 — 1939年7月这一时期内SOI值为正值，处于中等拉尼娜状态，从两者时间上来看，西沙SST负异常与拉尼娜的影响分不开，可将该次负距平百分率积累判为对拉尼娜的响应。

图4 西沙群岛海域SST正距平百分率积累值（黑色柱状图）及阈值（红色虚线）与SOI指数（蓝色面积图）对比分析Fig.4 Accumulated positive percentage of monthly SST anomalies of Xisha (bar graph), accumulated positive percentage of monthly SST anomalies threshold (red line) and monthly SOI index (blue area)

图5 西沙群岛海域SST负距平百分率积累值（黑色柱状图）及阈值（红色虚线）与SOI指数（蓝色面积图）对比分析Fig.5 Accumulated negative percentage of monthly SST anomalies of Xisha (bar graph), accumulated negative percentage of monthly SST anomalies threshold (red line) and monthly SOI index (blue area)

3 讨论与结论

1958 — 2005年，西沙群岛永兴岛气象观测站气温距平百分率积累值与MEI指数比较分析显示：西沙气温正距平百分率积累值阈值能较为良好地反应75.00%的中等及其以上强度厄尔尼诺事件，厄尔尼诺阈值指数为0.72；西沙气温负距平百分率积累值阈值能较好地反应100%的中等及其以上强度拉尼娜事件，拉尼娜阈值指数为0.91。1866 — 2014年，西沙群岛海域SST异常与同期SOI指数对比分析表明：西沙SST正距平百分率积累值阈值能对76.47%的中等及其以上强度的厄尔尼诺有较为良好的响应，厄尔尼诺阈值指数为0.7536；西沙SST负距平百分率积累值阈值能对79.41%的中等及其以上强度的拉尼娜事件有较为良好的响应，拉尼娜阈值指数为0.77。在1958 — 2005年和1866 — 2014年的记录中，对于厄尔尼诺和拉尼娜，西沙气温、SST距平百分率积累值均有较为良好的响应。虽然仍然有误判的情况，且有部分ENSO事件并不能在西沙气温、SST异常中有所响应，但总体来看，中等及其以上强度ENSO事件与西沙气温、SST距平百分率积累值有良好的对应关系。因此，利用西沙气温、SST距平百分率积累值阈值来判定是否出现ENSO现象是较为可靠的。计算西沙气温、SST距平百分率积累值，取阈值指数最大时所对应的距平百分率积累值作为ENSO的阈值，超过此阈值则认为是ENSO信号。这种西沙气温、SST距平百分率积累值阈值法能够正确记录70%的中等及其以上强度的ENSO事件：对西沙台站1958 — 2005年逐月气温资料采用温度距平百分率积累值阈值法正确建立了9次中等及其以上强度厄尔尼诺事件与10次中等及其以上强度拉尼娜事件，即建立了75%的厄尔尼诺事件与100%的拉尼娜事件（如图2、图3）；对西沙1866 — 2014年逐月格点SST资料采用温度距平百分率阈值法正确建立了26次中等及其以上强度厄尔尼诺事件与27次中等及其以上强度拉尼娜事件，即建立了76.47%的厄尔尼诺事件与79.41%的拉尼娜事件（如图4，图5）。

对于现代气候资料的分析表明，南海气温、SST距平百分率积累值阈值可以较为有效地重建中等及其以上强度的ENSO事件，在现代气候资料分析的基础上，利用西沙群岛海域高分辨率的砗磲、珊瑚等替代性指标记录所得到的SST序列按温度距平百分率积累值阈值法对过去ENSO事件进行重建具有可靠的科学依据。

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Relationship between El Niño-Southern Oscillation events and regional sea surface temperature anomalies around the Xisha Islands, South China Sea

LIU Chengcheng1,2, ZHANG Wenchao1,2, YAN Hong1
1. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

El Niño-Southern Oscillation; Xisha Islands; sea surface temperature anomalies; quantitative reconstruction

YAN Hong, E-mail: yanhong@ieecas.cn

2016-10-08；录用日期：2016-12-28

Received Date: 2016-10-08; Accepted Date: 2016-12-28

国家自然科学基金项目（41522305，41403018）

Foundation Item: National Natural Science Foundation of China (41522305, 41403018)

晏 宏，E-mail: yanhong@ieecas.cn

刘成程, 张文超, 晏 宏. 2017. 南海西沙海域温度异常对厄尔尼诺-南方涛动活动的响应[J]. 地球环境学报, 8(2): 148 – 156.

: Liu C C, Zhang W C, Yan H. 2017. Relationship between El Niño-Southern Oscillation events and regional sea surface temperature anomalies around the Xisha Islands, South China Sea [J]. Journal of Earth Environment, 8(2): 148 – 156.