两种形态ENSO对南半球热带外气候变化特征的影响

万伟杰 张召儒 刘海龙 周朦 钟贻森

(上海交通大学海洋研究院, 上海 200240)

提要 本研究利用1979—2012年欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ORAP5(Ocean Reanalysis Pilot 5)海洋/海冰再分析资料和ERA-Interim气象再分析资料, 采用回归分析方法, 分1979—1998年和1999—2012年两个时间段探讨了南半球热带外地区气候变化对两种不同形态 ENSO的响应特征。结果表明, 南半球热带外区域气候在1999年前后两个时段对ENSO的响应表现出了较大的年代际变化特征。1979—1998年南半球热带外气候变量对Niño3指数在时间上的相关性和空间上的响应强度都普遍大于Niño4指数, 说明这一时段东部型ENSO对南半球热带外区域气候变化的影响要更强一些。在1999—2012年, 不同形态ENSO与气候变量的相关性大小并无明显的规律, 而且空间响应场的差异性并不大。海平面气压、风场和气温对 ENSO变化的响应在南半球冬季表现最为强烈, 在夏季最弱。三者在1999—2012年秋季对Niño3指数和Niño4指数的响应场中出现了纬向三波数结构。1999—2012年冬季, 有异于海平面气压和风场, 在罗斯海和阿蒙森海海域海表气温对 Niño4变化的正响应明显强于对 Niño3的响应, 该特征在混合层温度中也有体现, 表明海表气温随 ENSO的变化受海洋特征变化影响较大。混合层深度和混合层温度的响应场之间存在很大的相关性, 混合层温度响应在秋季表现最强, 春季最弱, 混合层深度响应与之相反。在1979—1998年, 海冰密集度对不同Niño指数变化的响应差异主要出现在海冰结冰季节, 而海冰厚度对不同Niño指数变化的响应差异在夏季表现较强。海冰密集度和厚度对Niño3变化响应的年代际差异在秋冬季节更加明显, 对Niño4变化响应的年代际差异在秋、冬、春季都较明显。

0 引言

ENSO作为地球系统中最为重要的一种海气相互作用现象, 一直以来是影响全球气候变化的重要气候模态, 尽管ENSO现象本身局限于热带太平洋地区, 但其会以遥相关的方式间接地影响全球的大气环流[1-3]。Alexander等[4]指出, ENSO驱动的大尺度气候模态以气候桥的方式将热带地区海表温度异常带到热带以外地区, 进而影响这些地区的气候变化特征。南大洋作为连通全球大洋的重要通道和全球重要的碳汇, 其在大洋环流、气候变化以及生态系统调节方面起着重要的作用, 研究ENSO对包括南大洋在内的南半球热带外区域气候变化的影响, 有利于帮助我们理解ENSO在全球气候系统中的重要作用。近年来国内外学者在ENSO对南半球热带外气候的影响方面做了大量研究。Ciasto和England[5]使用1979—2008年ERA-40和 NCEP再分析资料, 通过分析海气间热通量来探究ENSO对南半球热带外区域海表温度的影响。程彦杰等[6]利用南极半岛气温多年观测资料, 发现气温距平和海冰距平的相关性关系能够较好地反映出南极半岛气温与南极海冰涛动以及 ENSO之间的紧密联系。Simpkins等[7]分季节研究了海冰密集度与ENSO之间的关系, 指出南极海冰与ENSO之间的联系并不是线性的, 季节和ENSO循环阶段的不同对海冰密集度会产生不同的影响。

ENSO发生期间最明显的特征是热带太平洋地区海表温度出现异常。Rasmusson等[8]发现典型的厄尔尼诺发生期间海温异常出现在赤道太平洋靠近南美洲海岸, 并向西传播至太平洋中部,后来Wang[9]注意到ENSO发生期间海温异常也会先出现在赤道太平洋中部并向东传播。人们意识到可能有两种不同形态的 ENSO存在, 并根据ENSO发生的周期、持续时间和出现区域的不同将ENSO划分为不同的类型。Kao和Yu[10]指出,ENSO发生期间海表温度异常中心在赤道太平洋中部和赤道太平洋东部的转移, 是划分不同ENSO形态的最主要特征。Kug等[11]在研究中根据厄尔尼诺发生时海温异常区域的不同, 将厄尔尼诺事件分为两类。把传统的厄尔尼诺称为冷舌(cold tongue, CT)厄尔尼诺, 其海温异常主要出现在 Niño3海温区。将海温异常主要出现在 Niño4海温区的另一类厄尔尼诺称为暖池(warm pool,WP)厄尔尼诺。Kao等将ENSO划分为两种形态,东太平洋型(eastern-Pacific type)ENSO和中太平洋型(central-Pacific type)ENSO, 其中东太平洋型ENSO发生期间海表温度异常出现在赤道太平洋东部靠近南美洲海岸, 而中太平洋型 ENSO发生期间海表温度异常主要出现在太平洋中部。东太平洋型 ENSO也被称为典型的 ENSO或冷舌ENSO等, 而中太平洋型 ENSO也被称为 ENSO Modoki[12]、日界线ENSO或暖池ENSO。虽然不同的研究者对两类ENSO事件在称呼上不尽相同,但它们代表的是同一种物理事件。Yeo和Kim[13]注意到, 作为与南半球热带外海表温度变化关系密切的一种气候模态, ENSO在1999年前后发生了很大变化。1980—1998年间表现为传统的东太平洋海表温度异常, 而在1999—2010年间表现为中太平洋海表温度异常。同时, 很多研究也表明,这两种不同ENSO形态发生的频率和影响全球气候变化的方式也存在着很大的差异。Li等[14]研究了这两种类型的ENSO对南太平洋海表温度的影响, 通过对海平面气压和海表风场分析, 指出这两种ENSO能激发不同的大气环流模态来影响南太平洋海表温度变化。并进一步通过对热通量的分析, 指出海表热通量能有效地解释这两种ENSO形态与海表温度变化之间的关系。Yu等[15]也注意到ENSO形态在20世纪90年代前后发生了变化, 并研究了它们对南半球气候的影响, 指出ENSO对南极气候的影响取决于ENSO的形态。

上述研究表明ENSO是影响南半球气候的重要模态之一, 20世纪90年代前后ENSO的形态发生了变化, 并且不同形态的 ENSO对南半球气候变化的作用方式也不同。尽管目前关于ENSO的研究理论日益成熟, 但是前人在 ENSO对南半球热带外气候变化影响的研究中, 区分两种形态 ENSO的研究相对较少; 对于区分不同 ENSO 形态的研究, 考察的变量也较多局限于海表温度和海冰等少数气候变量。本文将通过再分析数据, 分季节系统探讨两种形态ENSO在1999年前后两个时段(1979—1998年和1999—2012年)对南半球热带外区域大气、海洋和海冰等气候变量的影响。在关注不同ENSO形态对气候影响差异性的同时, 本研究也将关注同一 ENSO形态影响下南半球热带外气候的年代际变化特征。

1 资料及处理方法

1.1 资料

本文所用海洋和海冰再分析资料来自于欧洲中期天气预报中心(European Center for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ORAP5(Ocean Reanalysis Pilot 5)月平均数据[16], 分析的变量包括混合层温度、混合层深度、海冰密集度和海冰厚度。资料起讫时间为1979年1月—2012年12月, 水平空间分辨率为 0.25°×0.25°, 垂直方向包含75层。ORAP5数据通过NEMO (Nucleus for European Modelling of the Ocean)模型的3.4.1版本产生, 并且运用3D-Var算法同化了大量海气数据, 包括来自于EN3 v2a的温度与盐度数据、来自于AVISO (Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic data)的海平面异常数据以及来自于 ERA-40和 OSTIA (Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis)的海表温度异常和海冰数据。其中, ORAP5的大气驱动场来自于 ECMWF的大气再分析资料ERA-Interim[17], 也是本研究中大气数据所源于的资料。ERA-Interim资料的空间分辨率为0.75°×0.75°, 垂直方向包含 60层, 采用 4D-Var数据同化算法。本研究选用ERA-Interim 1979年1月—2012年12月的月平均数据, 关注的大气变量包括海平面气压、海表气温和海表 10 m风场。虽然ERA-Interim 和 ORAP5源自非耦合模式, 从而ERA-Interim中的大气变量无法得到海洋状态变化的充分反馈, 但作为 ERA-Interim大气环流模式底边界条件的SST数据以及ORAP5中同化的SST数据均来自于卫星观测, 因此我们可认为 ORAP5中热带SST变化的信号能够被大气变量有效感知。

1.2 数据处理

本研究选取南半球 20°S以南的 ORAP5和ERA-Interim 资料, 仿照前人工作[13], 将 1979—2012年的数据资料截取为 1979—1998年(简称79—98)和 1999—2012 年(简称 99—12)两段, 并选取Niño3和Niño4指数分别用于指征东太平洋型ENSO和中太平洋型ENSO的变化特征。Niño3和 Niño4指数分别通过计算热带东太平洋区域(5°S—5°N, 90°W—150°W)和热带中太平洋区域(5°S—5°N, 160°E—150°W)多年海表温度的异常值得到。对南半球热带外气候变量进行研究时,仿照诸多气候变化研究中使用的方法[18-19], 首先去掉各变量长时段数据的线性趋势和季节变化信号, 再将各变量的时间序列数据与Niño指数的时间序列数据作线性回归, 回归系数(斜率)即各气候变量对于 Niño指数变化一个标准差得到的响应值。计算气候变量与Niño指数时间序列相关性时, 先使用经验正交分解(empirical orthogonal function, EOF)得到各气候变量的主成分时间序列(principal component time series, PCs), 再与相应的Niño指数作相关性分析得到相关系数。

2 结果与讨论

2.1 南半球热带外气候变量与 Niño指数变化的相关性分析

南半球热带外大气、海洋和海冰变量第一和第二模态的主成分时间序列与 Niño指数时间序列相关性系数的绝对值列于表 1, 其中加粗数据表示通过了95%置信度的双边t检验(Student’s t test)。

表1 南半球热带外气候变量第一和第二模态的主成分时间序列与Niño指数时间序列的相关系数绝对值Table 1. Coefficients (absolute values) of correlation between the principal component time series associated with the 1st and 2nd EOF modes of the Southern Hemisphere (SH) extratropical climate variables and the time series of the Niño indices

表1展示了南半球热带外气候变量第一和第二模态时间序列与Niño指数变化的相关系数, 从表中可以看出, 除了海表风场和海冰密集度以外,其他气候变量与 Niño指数的相关系数大部分通过了 95%的显著性检验, 尽管除混合层温度外,其他变量与Niño指数变化的相关系数普遍较小。其原因可能是由于非耦合模型无法充分包含海气间复杂的相互作用, 所以在一定程度上影响到南半球热带外气候变化与ENSO的相关性。从表1可以看到,各气候变量与同一 Niño指数变化的相关性在1999年前后变化较大, 后一时段的相关系数普遍要高于前一时段的值, 说明 ENSO在不同时段对南半球热带外气候的影响呈现出了年代际变化。在79—98时段, 各变量与Niño3指数的相关系数也普遍高于与 Niño4指数的相关系数,表明东部型ENSO在这一时段对南半球热带外的气候变化起到更明显的作用。而在 99—12时段,各气候变量则表现出不同的特征。其中, 海平面气压和混合层温度与Niño3指数的相关性大于与Niño4指数的相关性, 而海表气温与 Niño4指数的相关性则大于与Niño3指数的相关性。

以上相关性分析, 是将南半球热带外区域作为一个整体, 考察其与 ENSO变化的关系, 这种分析无法体现ENSO对南半球热带外区域气候变化影响的局地特征。下文将使用回归分析方法,研究气候变量在两个时段对不同 Niño指数响应的空间分布特征。

2.2 南半球热带外气候变量对两种 ENSO 形态变化响应的空间分布特征

2.2.1 海平面气压

图1 海平面气压在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)对 Niño3 指数(a–d, i–l)和 Niño4 指数(e–h, m–p)变化在南半球夏季(DJF)、秋季(MAM)、冬季(JJA)和春季(SON)响应的空间分布特征, 标有“+”区域表示响应通过了95%置信度的双边t检验Fig.1. Regression of sea level pressure upon Niño3 index(a–d, i–l) and Niño4 index(e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012(i–p) during the austral summer(first column), autumn(second column), winter(third column) and spring(forth column) seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

图1显示了79—98时段和99—12时段海平面气压对 Niño指数变化一个标准差的响应分布特征。从季节变化来看, 冬季海平面气压对 Niño指数变化的响应值在所有季节中表现最大, 在79—98年夏季(图1e)的响应值最小。春季, 除图1h外, 在阿蒙森海以北50°S—70°S区域均出现了较强且显著的正响应区, 而且图1h的响应强度也明显要小于同季节的其他响应场。分时段来看, 79—98年秋冬两季海平面气压对Niño4指数变化的响应(图1f, g)要强于对 Niño3指数的响应(图1b, c), 而在99—12年海平面气压对 Niño3指数的响应强度在各季节都普遍大于对 Niño4指数的响应强度。冬季, 不同年代的响应场之间也存在较大的年代际变化特征。79—98年冬季(图1c)澳大利亚及其西部海域表现为显著的正响应, 99—12年冬季(图1k)相应区域则不存在显著的响应, 而在非洲西部海域出现了显著的正响应, 在澳大利亚南部海域出现了显著的负响应。对Niño4指数的响应则表现出了更大的年代际差异, 99—12年冬季(图1o)中40°S以南无显著响应出现, 而在79—98年冬季(图1g)中罗斯海及阿蒙森海邻近区域都表现出显著且较强的正响应, 负响应则从澳大利亚南部一直延伸到太平洋扇区东部。在秋季, 99—12年海平面气压对 Niño3和 Niño4指数的响应场(图1j, n)中均出现了纬向三波数的结构, 即三个较为明显的负异常中心分别出现在新西兰以东、威德尔海以北和印度洋扇区中东部, 正异常中心分别出现在阿蒙森海以北、印度洋扇区西侧和澳大利亚以南, 在其他季节未见到该结构的出现。类似的三波数结构也在前人的研究工作中有所揭示。Zhang等[20]在南半球热带外气候变量对南半球环状模(Southern Annular Mode, SAM)的响应研究中发现, 海平面气压对SAM的响应在秋季表现最强烈, 且呈现出明显的纬向三波数结构。Yeo等[13]在ENSO与南半球气候变化关系的研究中, 发现99—12年南半球热带外海平面气压对ENSO的响应场中也有类似的三波数结构。除SAM之外, PSA(Pacific-South American mode)也是影响南半球气候变化的重要模态。Mo[21]对500 m位势高度气压数据作EOF分解, 其得到的EOF第一模态对应SAM, 第二模态则对应PSA。SAM表现为南半球中纬度和高纬度之间气压反向变化的特征,PSA表现为由热带中部太平洋激发的罗斯贝波向南传播导致新西兰东部、阿蒙森/别林斯高晋海以及南美洲南端气压异常的特征。有众多的研究表明ENSO和SAM以及PSA之间存在着紧密联系, 三者能影响南半球海表温度、南极海冰密集度以及南极海表气温等变量的变化[22-24]。PSA模态的正负相位也分别与拉尼娜现象和厄尔尼诺现象密切相关。为探讨研究区域变量对ENSO的响应特征与SAM/PSA之间的可能联系, 本文同样对海平面气压数据做EOF分解, 得到的前两个EOF模态图显示于图2。可以看到,79—98时段前两个 EOF模态的解释方差分别为28.0%和11.3%, 99—12时段的前两个EOF模态的解释方差分别为28.9%和11.2%。分时段来看, 前后两个时段的 EOF模态表现出了很大的一致性,仅有部分区域的强度有所差别。可以看出两个时段的 EOF第一模态都呈现出三波数的结构, 即SAM的形态。EOF第二模态在太平洋中部高纬度地区存在较强的异常中心, 与PSA模态表现出较好的一致性。此外, 图2显示 99—12时段 SAM的三波数结构更强, 同时, PSA在第一时段没有表现出三波数结构, 在第二时段则表现出三波数结构。因此, 图1j、1n中的三波数特征可能是受到了SAM和PSA的共同影响。

图2 1979—1998年(a, b)和1999—2012年(c, d)海平面气压第一(a, c)和第二(b, d)EOF模态图。其中1979—1998时段前两个模态的解释方差分别为28.0%和11.3%, 1999—2012时段前两个模态的解释方差分别为28.9%和11.2%。Fig.2. The two leading EOF modes of the SH subtropical sea level pressure in 1979–1998(a, b) and 1999–2012(c, d).The first and second EOF modes during the first period account for 28.0% and 11.3% of the total variance, respectively; the first and second EOF modes during the second period account for 28.9% and 11.2% of the total variance, respectively

2.2.2 海表风场

图3 海表风场在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)对 Niño3 指数(a–d, i–l)和 Niño4 指数(e–h, m–p)变化响应在不同季节的空间分布特征, 标有“+”区域表示响应通过了95%置信度的双边t检验Fig.3.Regression of 10 m wind upon Niño3 index (a–d, i–l) and Niño4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

图3显示了79—98时段和99—12时段不同季节海表上空10 m处风场对Niño3和Niño4指数变化一个标准差的响应分布特征。海表风场主要受到海平面气压的影响, 可以看出海表风场响应场中响应值较大的区域与海平面气压梯度响应较强的区域吻合, 最强的响应也发生在秋冬两季。分时段来看, 在79—98年冬季风场对Niño3指数响应(图3c)较强的区域比对Niño4指数响应(图3g)较强的区域偏东, 两者响应强度大小相当。而在99—12年冬季风场对Niño3指数的响应(图3k)要强于对 Niño4指数的响应(图3o)。秋季, 在 99—12年风场的响应场中(图3j, n), 对应气压响应场存在的三个负异常中心(图1j, n), 在新西兰以东、威德尔海以北和印度洋扇区中东部出现了异常的气旋;同样, 对应气压场的正异常中心, 在阿蒙森海以北、印度洋扇区西侧和澳大利亚以南出现了异常的反气旋。冬季, 与气压场在太平洋扇区高纬度的负异常中心和中纬度的正异常中心相对应, 在太平洋扇区40°S—60°S和20°S—40°S分别出现了异常的东风和西风区(图3c, k, o), 风场最大异常值区域对应于气压响应场中异常值梯度最大的区域。春季, 79—98年风场对Niño3指数的响应场以及99—12年风场对Niño3 和 Niño4 的响应场(图3d, l, p)在阿蒙森海以北出现反气旋中心, 反气旋北边缘最远延伸至 35°S,这也正好对应气压场在此区域正异常的极大值。

2.2.3 海表气温

图4 海表气温在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)对 Niño3 指数(a–d, i–l)和 Niño4 指数(e–h, m–p)变化响应在不同季节的空间分布特征, 标有“+”区域表示响应通过了95%置信度的双边t检验Fig.4.Regression of surface air temperature upon Niño3 index (a–d, i–l) and Niño4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a-h) and 1999–2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

图4显示了79—98时段和99—12时段不同季节海表气温对Niño3和Niño4指数变化一个标准差的响应分布特征。从整体来看, 海表气温对Niño指数变化的响应与海平面气压和风场类似,也是在秋冬两季响应比较强烈, 在79—98年夏季(图4e)响应最弱。分时段来看, 79—98年冬季海表气温对Niño4指数的响应(图4g)明显要强于对Niño3指数的响应(图4c), 其他季节情况相反, 这与海表气压的响应特征类似。在99—12年, 与海表气压和风场不同的是, 冬季在罗斯海和别林斯高晋海区域, 海表气温对 Niño4指数变化的响应要强于对 Niño3指数的响应, 这说明除大气环流之外, 海表气温还会受到海洋变化的影响。秋季,99—12年海表气温对Niño指数变化的响应场(图4j, n)中出现三个正响应中心, 分别分布在阿蒙森海及其以北区域、印度洋扇区南极大陆边缘15°E—20°E区域以及西太平洋 130°E—135°E区域。对比海表风场(图3j, n)来看, 这些正异常响应区域均存在着异常的北风, 北风将低纬度温暖的空气送往高纬度地区, 使得这些区域海表气温异常升高。在该季节, 两个时段的响应特征表现出了明显的年代际变化。79—98年(图4b, f)澳大利亚南部未见显著的响应存在, 而在99—12年(图4j, n)澳大利亚南部表现为显著的正响应。对比风场的响应场, 可以看出在79—98年(图3b, f)风场在澳大利亚大陆以及其西部海域无明显的响应存在。而在99—12年(图3j, n)在澳大利亚西部海域存在较强的异常西风, 可能将太平洋中部较暖的空气送往澳大利亚大陆南部使该地区的气温异常升高。

2.2.4 混合层深度

图5 混合层深度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)对 Niño3 指数(a–d, i–l)和 Niño4 指数(e–h, m–p)变化响应在不同季节的空间分布特征, 标有“+”区域表示响应通过了95%置信度的双边t检验Fig.5.Regression of mixed layer depth upon Niño3 index (a–d, i–l) and Niño4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

图5显示了混合层深度在两个时段对 Niño指数变化一个标准差的响应分布特征。参照Dong等[25]使用的方法, 使用密度准则来计算混合层深度, 即与表层位势密度相差0.03 kg·m–3的深度层为混合层底所在处。混合层深度受到多方面的影响, 如风应力、海气间的感热和潜热交换等。受这些因素的影响, 混合层深度对 ENSO变化的响应场存在着显著的季节性和年际变化特征。总体来看冬春两季混合层深度的响应较强, 夏秋两季的响应较小。冬季各响应场大体表现出一致的响应特征, 较明显的差异是在79—98年混合层深度对 Niño3的响应场(图5c)在印度洋扇区中部出现了较强的负异常, 而图5g, k, n在此区域都表现为正异常。对比这一地区冬季其他气候变量对Niño指数变化的响应场, 发现在该区域也表现出了与同季节其他响应场不同的特征: 海平面气压在该区域表现为显著的正异常, 风场在该区域以北和以南分别出现异常东风和西风, 海表气温在此区域也表现为正异常。海表气温出现正异常会导致该区域大气向海洋感热输送的正异常, 而异常风场所产生的风应力正旋度通过艾克曼抽吸作用使得表层海水下沉, 海表气温和风应力旋度的变化分别使混合层变浅和变深。该区域混合层深度出现较强的负响应应该主要受到海表气温变化的影响。春季, 79—98年混合层深度对不同Niño指数变化的响应差别较大, 图5d中太平洋扇区中部50°S—60°S出现了较大的负异常值, 而在图5h中该区域表现为正异常值。对比海表风场的响应场,发现图3d中这一区域的风场的负异常值也较大,图5d中混合层深度的负响应可能与图3d中该区域减弱的西风有关。79—98年夏秋季节, 与大气变量类似, 混合层深度对 Niño3指数变化的响应要明显强于对Niño4指数变化的响应。对比79—98年秋季海表风场和海表气温的响应特征, 可以看出混合层温度响应较强的地方海表风场和海表气温的响应值都较大, 而在印度洋扇区和太平洋扇区海表风场和海表气温响应值都较小, 混合层深度的响应也几乎不存在。

2.2.5 混合层温度

图6显示了79—98时段和99—12时段不同季节混合层温度对Niño3和Niño4指数变化一个标准差的响应分布特征。混合层温度和混合层深度对 Niño变化响应的季节性特征表现出了很强的相关性: 混合层温度的响应在夏秋两季较强,冬春两季较弱; 而混合层深度的响应表现在夏秋两季较弱, 冬春两季较强。混合层温度的响应在夏秋两季表现较强, 可能因为在夏秋季节混合层本身较浅, 在同等热量变化条件下, 混合层温度会出现较大的变化。从整体来看, 79—98时段混合层温度在各个季节都对Niño3指数变化的响应更强, 而在99—12时段冬季, 尤其是在阿蒙森海和罗斯海以北, 对 Niño4变化的响应则明显强于对Niño3变化的响应。对比海表气温与混合层温度的响应场, 可以看出混合层温度与海表气温有很密切的联系。例如在秋季, 79—98年(图4b)以及99—12年(图4j, n)海表气温响应场在阿蒙森海以北表现为显著的正异常, 在南极半岛附近表现为显著的负异常。相应地, 混合层温度响应场也在阿蒙森海以北和南极半岛附近分别表现为较强的正异常和负异常。混合层温度在两个时段对不同 Niño指数变化的响应在秋季也出现了较大的年代际变化特征, 对比79—98年(图6b)和99—12年(图6j)的响应场, 图6b中表现显著且较强的负异常从新西兰附近向东一直延伸至太平洋扇区东部, 而图6j中的负异常区范围则明显缩小。混合层温度表现出的这一年代际差异特征, 能够较好地和海表气温的年代际差异特征相吻合。

2.2.6 海冰密集度和厚度

通过研究海冰密集度与 ENSO之间的关系,Simpkins等[7]指出海冰和大气之间存在复杂的相互作用关系, 海冰会受到气温、风场等诸多因素的影响, 且海冰外围更容易发生变化。Yu等[26]在研究中也发现, 海表气温是影响海冰密集度最主要的因素。Holland和 Kwok[27]通过分析 1992—2010年卫星观测南极海冰数据, 发现海冰速度的变化很大程度上受到风场的影响。在图7的结果中也发现海冰速度场与风场存在很强的相关性,风场会影响海冰漂移速度和方向, 进而影响海冰分布, 并改变冰缘线轮廓形状及其附近的海冰密集度。从图7和图8来看, 海冰密集度和厚度在同一时段对不同Niño指数变化的响应以及在两个时段对同一Niño指数变化的响应都表现出了很明显的差异。79—98年时段, 海冰密集度对 Niño3指数和 Niño4指数变化的响应差异主要出现在海冰结冰季节, 即南半球的秋季、冬季和春季。秋季,响应的差异性主要体现在威德尔海, 在威德尔海东部靠近南极大陆地区海冰密集度和厚度对Niño3指数变化的响应表现出更强的正异常, 该特征与图3b中此区域气温的显著负异常相关。冬季, 主要的差异体现在罗斯海和阿蒙森海以北冰缘线附近海冰密集度负响应的位置和强度不同,图7g中该区域的负响应中心主要发生在阿蒙森海以北的冰缘线附近, 这一点与图7c, k, o中表现出的特征都不相同。从海冰速度场来看, 海冰图7c, k, o在该区域有较为明显的南向运动, 海冰的后退使得冰缘线附近的海冰密集度减小, 而图7g中海冰主要为西向运动, 对密集度的影响不大。春季海冰密集度对Niño4指数变化的响应(图7h)在西南极半岛区域和罗斯海区域都要明显弱于对Niño3变化的响应, 且图7h与图7d, l, p在上述区域的响应特征也存在明显的不同, 这种差异主要受制于这两个区域海表气温对Niño4变化响应强度差异的影响。海冰厚度对两种Niño指数变化响应特征的差异与密集度较为类似, 但总体要弱于后者,在春季海冰厚度响应的差异则表现较强。海冰密集度和厚度对于Niño3指数变化响应的年代际差异在南半球的秋冬两季较为明显, 秋季响应的差别主要体现在威德尔海区域正响应的发生位置、罗斯海区域的正响应强度以及阿蒙森海的负响应强度; 冬季的差异主要体现在南极半岛以西正响应和阿蒙森海以北冰缘线处负响应的强度, 前者在99—12时段明显弱于79—98时段, 而后者在99—12时段则表现更强。对于Niño4指数变化响应的年代际差异在南半球的秋冬春三季都比较明显。秋季, 99—12时段海冰密集度和厚度在别林斯高晋海的正响应和阿蒙森海的负响应都比较强, 而79—98时段这两个区域并无明显响应, 这点与海表气温的响应特征一致。冬季, 99—12时段海冰在西南极半岛区域的正响应要明显弱于79—98时段, 而在阿蒙森海以北冰缘线附近的负响应则要强于79—98时段。冬季, 99—12时段在南极半岛以西的正响应区域相对于 79—98时段明显减少, 而在罗斯海和阿蒙森海北部的负响应则比较显著。Pezza等[28]和Simpkins等[7]的研究中表明, ENSO和SAM会共同影响海冰密集度, 且其影响会表现出很强的季节性差异。Zhang等[20]同样使用ORAP5数据集研究了SAM对南极海冰的影响,海冰厚度响应图结果与本文的结果具有一定的相似性, 再次揭示了ENSO与SAM之间的关系。

图6 混合层温度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)对 Niño3 指数(a–d, i–l)和 Niño4 指数(e–h, m–p)变化响应在不同季节的空间分布特征, 标有“+”区域表示响应通过了95%置信度的双边t检验Fig.6.Regression of mixed layer temperature upon Niño3 index (a–d, i–l) and Niño4 index (e–h, m–p) in 1979–1998(a–h) and 1999–2012 (i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

图8 海冰厚度在 1979—1998 年(a–h)和 1999—2012 年(i–p)对 Niño3 指数(a–d, i–l)和 Niño4 指数(e–h, m–p)变化响应的空间分布, 标有“+”区域表示响应通过了95%置信度的双边t检验Fig.8.Regression of sea-ice thickness upon Niño3 index (a–d, i–l) and Niño4 index (e–h, m–p) in 1979—1998(a–h) and 1999—2012(i–p) during the four seasons.Cross-hatched area indicates where the responses are statistically significant at the 95% confidence level

3 总结

本文使用1979—2012年的ORAP5海洋/海冰再分析资料和 ERA-Interim的大气再分析资料,采用回归分析方法, 分 1979—1998年和 1999—2012年两个时段分季节探讨了南半球热带外地区气候变化对两种不同形态ENSO的响应特征。得到的主要结果如下。

1.南半球热带外区域气候在1999年前后两个时段对ENSO的响应表现出了较大的年代际变化特征。1979—1998年南半球热带外气候变量对Niño3指数在时间上的相关性和空间上的响应强度都普遍大于Niño4指数, 说明这一时段东部型ENSO对南半球热带外区域气候变化的影响要更强一些。在1999—2012年, 两种形态ENSO与气候变量的相关性大小并无明显的规律, 而且各变量对 Niño3和Niño4指数变化的空间响应场差异并不大。

2.海平面气压、风场和气温对ENSO变化的响应在南半球冬季表现最为强烈, 在夏季最弱。三者在 1999—2012年秋季对 Niño3指数和 Niño4指数的响应场中出现了纬向三波数结构, 与对 SAM 变化的响应场非常相近, 表明ENSO与SAM之间存在密切关系。1999—2012年冬季, 有异于海平面气压和风场, 在罗斯海和阿蒙森海海域海表气温对Niño4变化的正响应明显强于对 Niño3的响应, 该特征在混合层温度中也有体现, 表明海表气温随ENSO的变化受海洋特征变化影响较大。混合层深度和混合层温度的响应场之间存在很大的相关性,混合层温度响应在秋季表现最强, 春季最弱, 混合层深度响应与之相反。在1979—1998年, 海冰密集度对不同 Niño指数变化的响应差异主要出现在海冰结冰季节, 而海冰厚度对不同 Niño指数变化的响应差异在夏季表现较强。海冰密集度和厚度对Niño3变化响应的年代际差异在秋冬季节更加明显,对Niño4变化响应的年代际差异在秋、冬、春季都较明显。差异主要体现在西南极半岛正响应的强度、阿蒙森海和罗斯海区域负响应的强度和位置,其产生主要与海表温度的响应特征差异有关, 同时也受到海冰运动的影响。

3.南半球热带外地区气候变化是多种因素综合作用的结果, 同时ENSO对气候的影响途径和机制也较为复杂。与诸多研究类似, 本文将ENSO变化作为外部强迫, 考虑的是南半球热带外地区气候变化对ENSO变化的即时响应, 并没有进一步展开各变量与ENSO变化的滞后或提前相关性分析以及ENSO与研究区域气候变化相互作用机制的分析。另外, 本文所使用的大气和海洋数据资料源自于非耦合模式, 可能无法充分反映海洋状态变化对大气变化的反馈。这两点都是未来研究中需要改进的地方。

致谢上海交通大学海洋研究院的各位老师对研究工作给予了极大的帮助, 提出了宝贵的修改意见, 在此一并表示感谢。