郭品文,楊麗萍,2,唐碧,3

(1.南京信息工程大學大氣科學學院,江蘇南京 210044;2.杭州市氣象局,浙江杭州 315000;3.中國氣象局上海臺風研究所,上海 200030)

0 引言

熱帶海洋是全球主要能量和水汽源地,海表溫度的變化是熱帶海氣相互作用的重要指標,國內(nèi)外學者對熱帶海表溫度的研究已取得一系列的成果。關(guān)于熱帶印度洋海溫的研究,Webster等[1]、Saji等[2]指出赤道印度洋存在偶極子現(xiàn)象,并闡述了這個偶極子對印度洋周邊地區(qū)氣候異常的影響。譚言科和杜振彩[3]研究表明,熱帶印度洋海溫異常主要存在全海盆符號一致的單極和東、西部符號相反的偶極。晏紅明等[4]研究得到,印度洋海表溫度的空間分布主要表現(xiàn)為三種定常類型:全區(qū)一致型、東西差異型、南北差異型。周順武等[5]研究得到印度洋海溫的第二特征場在春季表現(xiàn)為南北海溫反相變化,在夏季表現(xiàn)為東西符號相反。此外,周天軍等[6-7]認為熱帶印度洋SST的變化是對東太平洋SST強迫的一種遙響應(yīng)。晏紅明等[8]研究指出印度洋地區(qū)的海溫變化是ENSO循環(huán)的重要組成部分。殷永紅等[9]認為太平洋ENSO通過大氣部分的響應(yīng)來影響印度洋SSTA。馬麗萍等[10]研究得到熱帶印度洋地區(qū)除了ENSO過程,還應(yīng)存在另一重要海氣相互作用過程。王桂臣和管兆勇[11]研究表明,印度洋海氣耦合的主要部分為印度洋海溫對ENSO信號滯后響應(yīng)的第一模態(tài),以及ENSO和 IOD混合的第二模態(tài)。張福穎等[12]研究得到印度洋偶極子在一定程度上影響El Nino的發(fā)生,而ElNino的發(fā)生、發(fā)展會影響印度洋單極子的發(fā)生。吳國雄和孟文[13-14]研究表明,熱帶西印度洋SSTA與熱帶東太平洋SSTA正相關(guān),這種正相關(guān)是由沿赤道印度洋上空的緯向季風環(huán)流和太平洋上空的Walker環(huán)流之間顯著的齒輪式(GIP)耦合造成的。

同時,Webster和Yang[15]研究發(fā)現(xiàn)中東太平洋海溫的持續(xù)性在春季明顯減弱,ENSO系統(tǒng)的持續(xù)性及其預(yù)測存在“春季障礙”,并提出季風與ENSO選擇性相互作用原理:春季,太平洋海氣系統(tǒng)很弱而印度洋上季風系統(tǒng)發(fā)展增強,熱帶印度洋—太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以太平洋系統(tǒng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以印度洋季風環(huán)流為主導(dǎo),急劇增強的印度洋季風系統(tǒng)的作用,導(dǎo)致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。此外,已有研究表明,印度洋季風系統(tǒng)在季節(jié)性演變中,冬季較弱,春季是其急劇發(fā)展期,秋季季風系統(tǒng)減弱衰退[16];而太平洋海氣系統(tǒng),春季強度最弱,秋季是其急劇發(fā)展期,冬季強度最強[17]。那么,在秋季,當太平洋海氣系統(tǒng)急劇增強而印度洋上季風系統(tǒng)減弱[16-17]時,印度洋海溫持續(xù)性是否會出現(xiàn)類似中東太平洋海溫持續(xù)性下降的現(xiàn)象?這是本文研究的主要問題。

1 資料說明

采用英國氣象局Hadley氣候預(yù)測研究中心1938—2002年的月平均全球海表溫度資料(GISST)[18],格距為1°×1°、1948—2002年NCEP/NCAR再分析月平均風場和海平面氣壓場資料[19],格距為2.5°×2.5°。

2 東印度洋SSTA持續(xù)性的季節(jié)差異

以1月代表冬季(12月—次年2月),4月代表春季(3—5月),7月代表夏季(6—8月),10月代表秋季(9—11月)。為了研究東印度洋(90～110°E,5°S～5°N)海溫的持續(xù)性,計算了東印度洋各月海溫與隨后月份海溫的自相關(guān)(圖1)。圖1中每條曲線上方的數(shù)字表示開始進行自相關(guān)計算的月份,由圖1可見,在秋季以前,東印度洋海溫的自相關(guān)系數(shù)幾乎都大于0.5,海溫具有很好的持續(xù)性,但在秋季以后,自相關(guān)系數(shù)都顯著減小,東印度洋海溫的持續(xù)性明顯下降。無論從哪個月份開始計算海溫的自相關(guān),自相關(guān)系數(shù)都會在秋季發(fā)生大幅減小,意味著東印度洋海溫的持續(xù)性在秋季顯著減弱,即東印度洋海溫持續(xù)性存在“秋季障礙”,那么是什么因素導(dǎo)致東印度洋海溫的持續(xù)性在秋季明顯減弱?

圖1 東印度洋月平均海溫距平的自相關(guān)系數(shù)(框形區(qū)為曲線顯著下降區(qū);虛線值為0.21,大于0.21的部分表示通過90%的置信水平檢驗)Fig.1 Autocorrelations coefficients of the monthly mean SST of the eastern Indian Ocean(The rectangular box denotes the time period when the autocorrelation abruptly drops(fall barrier);the area above the horizontal dash straight line(=0.21)denotes that the autocorrelation is significant at a more than 90%confidence level)

季風與ENSO選擇性相互作用原理[15]指出,春季,太平洋海氣系統(tǒng)很弱而印度洋季風系統(tǒng)發(fā)展增強,熱帶印度洋—太平洋地區(qū)由以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以印度洋季風系統(tǒng)為主導(dǎo),急劇增強的印度洋季風系統(tǒng)的作用,導(dǎo)致中東太平洋海溫的持續(xù)性明顯下降。那么秋季兩大洋海氣系統(tǒng)具有什么特征?為此考察了熱帶太平洋和熱帶印度洋海氣系統(tǒng)的季節(jié)變化。

3 太平洋Walker環(huán)流和印度洋季風緯向環(huán)流的季節(jié)變化特征

由圖2可見,中東太平洋上緯向風在冬季最強,春季最弱,夏季開始增強,秋季繼續(xù)增強,到冬季發(fā)展到最強;印度洋上緯向風在冬季最弱,春季發(fā)展增強,夏季發(fā)展到最強,秋季開始減弱,到冬季減至最弱。這與已有的研究結(jié)果[12-14]一致。

圖2 熱帶太平洋—印度洋上空850 hPa緯向風(5°S～5°N平均)的季節(jié)變化(單位:m/s;印度洋上風速大于4 m/s和太平洋上風速大于10.4 m/s為陰影區(qū))Fig.2 Seasonal variation of the 850 hPa zonalwind velocity(m/s)averaged over 5°S—5°N over the tropical Pacific and Indian Ocean(Areas with values greater than 4 m/s in the Indian Ocean and greater than 10.4 m/s in the Pacific Ocean are shaded)

冬季太平洋Walker環(huán)流最強,而印度洋季風緯向環(huán)流最弱,所以熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)是以太平洋Walker環(huán)流為主導(dǎo)。夏季的情況與冬季相反,印度洋季風緯向環(huán)流發(fā)展到最強,而太平洋Walker環(huán)流仍較弱,所以熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)是以印度洋季風環(huán)流為主導(dǎo)。從冬到夏,太平洋Walker環(huán)流由強變?nèi)?同時印度洋季風緯向環(huán)流發(fā)展增強,熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以太平洋Walker環(huán)流為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以印度洋季風環(huán)流為主導(dǎo);從夏到冬,太平洋Walker環(huán)流急劇增強,而印度洋季風緯向環(huán)流減弱,熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)由以印度洋季風環(huán)流為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以太平洋Walker環(huán)流為主導(dǎo)。

由此可見,熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)具有顯著的季節(jié)變化,冬季以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo),夏季以印度洋季風系統(tǒng)為主導(dǎo),秋季,印度洋季風系統(tǒng)減弱而太平洋海氣系統(tǒng)急劇增強。同時,東印度洋海溫持續(xù)性的顯著下降表明“秋季障礙”后冬季東印度洋海溫與其前期海溫的相關(guān)微弱,那么秋季后東印度洋海表溫度的異常是否與急劇增強的太平洋海氣系統(tǒng)有關(guān)?為此考察了冬季東印度洋海表溫度異常與太平洋海氣系統(tǒng)的關(guān)系。

4 太平洋海氣系統(tǒng)與東印度洋冬季海溫異常的關(guān)系

由圖3可見,東印度洋冬季海溫與其前期自身海氣系統(tǒng)關(guān)系很弱,與其后期海氣系統(tǒng)關(guān)系較好。在太平洋海溫異常超前10個月左右時,中東太平洋海溫與東印度洋冬季海溫相關(guān)開始增強,并持續(xù)了15個月左右。其中,當太平洋超前一個季節(jié)時(秋季),太平洋海溫異常與東印度洋海溫異常的相關(guān)達到最強,相關(guān)系數(shù)達到0.7,意味著,當東印度洋海溫持續(xù)性在秋季急劇下降時,中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了其隨后冬季東印度洋海溫異常。

為了進一步說明太平洋海氣系統(tǒng)與東印度洋冬季海溫的關(guān)系,計算了冬季東印度洋海溫與熱帶太平洋海平面氣壓與低層緯向風異常的超前滯后相關(guān)系數(shù)。

由圖4可見,東印度洋冬季海溫與西太平洋海平面氣壓呈現(xiàn)正相關(guān),與中東太平洋海平面氣壓呈現(xiàn)負相關(guān)。當太平洋超前印度洋10個月左右(春季)時,東印度洋冬季海溫與西太平洋海平面氣壓場正相關(guān)開始增強,并持續(xù)了18個月左右。當太平洋超前8個月左右(春末)開始,東印度洋冬季海溫與中東太平洋海平面氣壓負相關(guān)開始增強,并持續(xù)了7個月左右。當太平洋超前1個季節(jié)(秋季),東印度洋冬季海溫與西太平洋海平面氣壓正相關(guān)達到最大。在太平洋超前5個月左右到超前2個月的時段(夏末到秋季),東印度洋冬季海溫與中東太平洋海平面氣壓負相關(guān)達到最大。在秋季,東印度洋冬季海溫分別與西太平洋、中東海平面氣壓呈現(xiàn)很好的正、負相關(guān)。意味著,當東印度洋海溫持續(xù)性在秋季急劇下降時,中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了其隨后冬季東印度洋海溫異常。

圖3 東印度洋秋季障礙之后冬季(1月)區(qū)域平均SSTA和太平洋海區(qū)SSTA的超前滯后相關(guān)系數(shù)(縱坐標中負值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋與印度洋同期,正值表示太平洋滯后印度洋,數(shù)字表示超前滯后的月份數(shù);陰影區(qū)為超過95%置信水平的區(qū)域,深陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域)Fig.3 Lead-lag correlations between the winter(January)SSTA of the eastern Indian O-cean following the“fall barrier”and the SSTA of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areaswhere the correlation is significant at a more than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the area where the correlation coefficient is the largest positive correlation)

與海平面氣壓場對應(yīng),由圖5可見,在太平洋超前印度洋10個月左右時,中東太平洋200 hPa緯向風與東印度洋冬季SSTA正相關(guān)開始增強,當太平洋超前5個月時(夏末),兩者的正相關(guān)達到最大,并持續(xù)到秋末,意味著,當東印度洋海溫持續(xù)性在秋季急劇下降時,中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了其隨后冬季東印度洋海溫異常。

綜上所述,東印度洋冬季海溫與其前期海氣系統(tǒng)關(guān)系微弱,與其后期海氣系統(tǒng)關(guān)系緊密,而中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常在很大程度上決定了冬季東印度洋海溫的異常。

5 結(jié)論

(1)通過對東印度洋海溫的自相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),東印度洋SSTA的持續(xù)性在秋季明顯減弱,海溫的持續(xù)性存在“秋季障礙”現(xiàn)象。

(2)熱帶印度洋和熱帶太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)具有顯著的季節(jié)變化,冬季以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo),夏季以印度洋季風系統(tǒng)為主導(dǎo),秋季,印度洋季風緯向環(huán)流減弱而太平洋Walker環(huán)流急劇增強,熱帶印—太海區(qū)海氣系統(tǒng)由以印度洋季風系統(tǒng)為主導(dǎo)轉(zhuǎn)向以太平洋海氣系統(tǒng)為主導(dǎo)。

(3)通過分析太平洋海溫、海平面氣壓場以及低層緯向風與東印度洋冬季海溫的相關(guān),發(fā)現(xiàn)東印度洋冬季海溫與其前期自身海氣系統(tǒng)關(guān)系微弱,而中東太平洋海氣系統(tǒng)的異常很大程度上決定了冬季東印度洋海溫的異常,認為秋季急劇增強的太平洋海氣系統(tǒng)對東印度洋海溫持續(xù)性“秋季障礙”起著重要的作用。

圖4 東印度洋秋季障礙之后冬季(1月)區(qū)域平均SSTA和太平洋海區(qū)海平面氣壓的超前滯后相關(guān)系數(shù)(縱坐標中負值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋與印度洋同期,正值表示太平洋滯后印度洋,數(shù)字表示超前滯后的月份數(shù);陰影區(qū)為超過95%置信水平的區(qū)域,深陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域)Fig.4 Lead-lag correlations be tween the winter(January)SSTA of the eastern Indian Ocean following the“fall barrier”and the sea surface pressure of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areas where the correlation is significant at amore than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the areawhere the correlation coefficient is the largest positive correlation)

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圖5 東印度洋秋季障礙之后冬季(1月)區(qū)域平均SSTA和太平洋海區(qū)850 hPa緯向風的超前滯后相關(guān)系數(shù)(縱坐標中負值表示太平洋超前印度洋,“0”表示太平洋與印度洋同期,正值表示太平洋滯后印度洋,數(shù)字表示超前滯后的月份數(shù);陰影區(qū)為超過95%置信水平的區(qū)域,深陰影區(qū)為相關(guān)系數(shù)最大的區(qū)域)Fig.5 Lead-lag correlations be tween the winter(January)SSTA of the eastern Indian Ocean following the“fall barrier”and the 850 hPa zonalwind velocity of the Pacific Ocean(“-”on the ordinate denotes the Pacific Ocean lead,“0”denotes simultaneity,“+”denotes the Indian Ocean lead,the number on the ordinate denotes the month number of lead or lag.Areas where the correlation is significant at a more than 95%confidence level are lightly shaded,and dark shading denotes the area where the correlation coefficient is the largest positive correlation)

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