謝駿成，張國勝，徐　青，張　彪（1.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江杭州　1001；.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京　10098；.上海海洋大學海洋科學學院，上海　0106；.南京信息工程大學海洋科學學院，江蘇南京　100）

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熱帶印度洋海溫與海表面高度相關關系分析

謝駿成1，2，張國勝3，徐青2，張彪4
（1.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，浙江杭州310012；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇南京210098；3.上海海洋大學海洋科學學院，上海201306；4.南京信息工程大學海洋科學學院，江蘇南京210044）

摘要：為了研究熱帶印度洋偶極子（IOD）與海平面異常之間的相關性，采用經(jīng)驗正交函數(shù)分析方法（EOF）及Hilbert-Huang變換等統(tǒng)計方法，分析熱帶印度洋的海表面溫度（SST）與海平面高度異常（SLA）的相關關系。通過對熱帶印度洋偶極子指數(shù)（DMI）與南方濤動指數(shù)（SOI）和SLA的相關性分析，得出IOD與El Ni?o-Southern Oscillation（ENSO）之間可能存在一定相關關系，此外，IOD與海平面變化有很好的相關性。通過對IOD爆發(fā)年的DMI以及海平面變化的分析，證實IOD具有季節(jié)鎖相的重要特征，并探討了該季節(jié)變化與海平面變化的相關關系。結(jié)果表明，IOD事件與海平面的變化這兩者之間存在很強的一致性。

關鍵詞：熱帶海洋環(huán)境；印度洋海域；IOD；SST；ENSO；海平面變化；Hilbert-Huang變換

在熱帶印度洋海域存在一個類似于ENSO的海表面溫度（SST）異?，F(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為印度洋偶極子（IOD）［1-2］。IOD對印度洋地區(qū)氣候以及全球氣候都有著不同程度的影響，該現(xiàn)象引發(fā)了人們對印度洋海、氣相互作用以及IOD與全球氣候變化之間相關關系的研究。

自Saji等［3］提出了IOD概念后，許多學者從不同的角度對IOD現(xiàn)象進行分析。譚言科等［4］指出實際觀測的IOD現(xiàn)象中偶極子指數(shù)包含單極性與偶極性的混合信息。IOD的一個重要特征就是季節(jié)鎖相，即春季開始發(fā)展，秋季達到強盛階段，冬季迅速減弱。IOD在9～10月達到最大值，然后迅速消亡［4-6，7］。

對于IOD形成的物理機制，目前國內(nèi)外學者有不同的觀點。例如，IOD是對ENSO的響應［3］；IOD是印度洋局地海氣耦合作用的結(jié)果［8］；IOD可能是一個相對獨立的耦合系統(tǒng)，同時又通過Walker環(huán)流與ENSO聯(lián)系在一起［7］。利用多變量經(jīng)驗正交函數(shù)，Chen［9］分析了ENSO與IOD之間的關系，發(fā)現(xiàn)在整個熱帶印度洋-太平洋地區(qū)，海表面溫度異常（SSTA）和海表面高度異常（SSHA）均表現(xiàn)出一種三極子結(jié)構(gòu)。本文將利用1993—2012年連續(xù)20a的SST數(shù)據(jù)和海平面高度異常（SLA）數(shù)據(jù)，對IOD特征進行深入分析，探討熱帶印度洋海域SLA與SST的相關關系和關聯(lián)機理以及IOD期間的SLA月均特征。

1　數(shù)據(jù)與研究方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本文使用的SST來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的最優(yōu)化插值數(shù)據(jù)，空間分辨率為1°×1°，時間分辨率是1個月。SLA數(shù)據(jù)來源于法國空間局（CNES）衛(wèi)星海洋學存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）的多衛(wèi)星（Jason-1＆2，T/P，Envisat，GFO，ERS-1＆2和Geosat）融合高度計月均資料，空間分辨率為1/4°墨卡托網(wǎng)格形式。SST與SLA都選取熱帶印度洋區(qū)域（20°S～20°N，30°E～120°E）。此外，南方濤動指數(shù)（SOI）來自東英吉利大學的氣候研究中心。為了匹配高度計的衛(wèi)星資料，上述數(shù)據(jù)同時選取1993年1月至2012年12月的月均數(shù)據(jù)，共240個月。

1.2Hilbert-Huang變換

Hilbert-Huang變換（HHT）是一種新型非線性非穩(wěn)態(tài)信號處理方法［10-11］，可以給出復雜數(shù)據(jù)的最顯著特征。這種變換主要由經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）和Hilbert譜分析2部分組成。先對數(shù)據(jù)進行EMD分解，得出本征模態(tài)函數(shù)（IMF），再進一步對IMF進行Hilbert譜分析。HHT是一種局地的自適應頻譜分析方法，在提取數(shù)據(jù)的固有特性方面比其他統(tǒng)計分析方法（如小波分析、Wigner-Vile分布等）更準確［12］。

2　海面高度（SSH）與SST異常的時空分布特征

2.1SST的時空分布

先對處理成距平矩陣的海溫資料進行5個月的滑動平均，然后進行EOF分解，得到熱帶印度洋海溫的空間與時間模態(tài)。對前5個模態(tài)進行檢驗，檢驗方法采用North等的特征值誤差顯著性檢驗方法。結(jié)果顯示，前5個模態(tài)通過North方法的檢驗，方差貢獻率分別是36.90%、15.34%、7.65%、6.27%和5.04%。

圖1為熱帶印度洋SSTA第二模態(tài)的時空分布，空間模態(tài)呈現(xiàn)東西符號相反的特征，這與Saji等［13］的描述一致，主要呈現(xiàn)熱帶西南印度洋和蘇門答臘-爪哇海區(qū)的偶極子分布。從第二模態(tài)的時間序列上可以看出其年際振蕩信號比較明顯。時間序列經(jīng)HHT后的波譜顯示存在一個準2a周期。

2.2SSH的時空分析

SSH的處理方法與SST類似，其前5個模態(tài)方差貢獻率分別是23.17%、17.68%、17.12%、11.82%和5.54%，并通過North的顯著性方法檢驗。

如圖2所示，印度洋SLA第一模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)東西符號近似相反的分布特征，東極點SLA降低，西極點SLA升高。時間序列呈現(xiàn)不規(guī)則的年際振蕩信號，變化比較均勻。經(jīng)HHT波譜分析，SLA變化周期約為2a，與第二模態(tài)的SST異常變化周期相似。

3　 SSH和SST的相關分析

通過對SST和SLA的時空分析，SST的第二模態(tài)和SLA的第一模態(tài)有類似的偶極型空間分布。對SST 和SLA的相似特征做進一步的相關分析。

對SST和SLA前5個模態(tài)的時間系數(shù)做相關分析。對照相關系數(shù)顯著性檢驗表，相關系數(shù)基本都通過了95%的顯著性檢驗。如表1所示，SLA第一模態(tài)和SST第二模態(tài)的時間系數(shù)相關性最大，而且當SLA滯后SST 2個月時，兩者的相關系數(shù)達到0.58。

圖1　熱帶印度洋SSTA的EOF分解第二模態(tài)及其時間序列經(jīng)HHT變換后IMF-2的波譜Fig.1 EOF-2 of SSTA of tropical Indian Ocean and spectrum of IMF-2 of its time series after Hilbert-Huang transform

圖2　熱帶印度洋SLA的EOF分解第一模態(tài)及其時間序列經(jīng)HHT變換后IMF-2的波譜Fig.2 EOF-1 of SLA of tropical Indian Ocean and spectrum of IMF-2 of its time series after Hilbert-Huang transform

表1　印度洋SSTA與SLA經(jīng)EOF分解后前5個模態(tài)的相關系數(shù)Table 1 Correlation coefficients between first five modes of SST and SLA after EOF decomposition

綜上所述，SLA和SSTA偶極型在空間上都為東西反相分布，時間序列之間的相關性較好，且具有2個月的滯后相關，這與王璐華等［14］的研究成果一致。

4　 IOD年際變化與SLA變化、ENSO事件的相關性

根據(jù)Saji等［1］定義的偶極子指數(shù)，選取赤道西印度洋（10°S～10°N，50°E～70°E）和赤道東印度洋（10°S～0°，90°E～110°E）區(qū)域的海表溫度距平資料，計算DMI。圖3分別給出了1993—2012年DMI、SLA指數(shù)和SOI的標準化數(shù)值。在數(shù)據(jù)處理過程中，已對這3組數(shù)據(jù)進行了5個月的滑動平均去除年信號。

本文定義DMI的絕對值大于或等于0.2的年份為IOD爆發(fā)年，其中DMI為正值則為IOD正值年，否則為IOD負值年。據(jù)此可在圖3中發(fā)現(xiàn)，1994年、1997年、2006年、2007年、2012年為IOD正值年，而1996年、1998年、2005年、2010年是IOD負值年，這與Saji等［1，13］以及肖鶯等［15］敘述的一致。IOD和ENSO存在一定的反相關，但在1997年，IOD與ENSO同時發(fā)生；而在1994年，IOD發(fā)生，但ENSO未發(fā)生。

1993—2012年的SLA指數(shù)與DMI之間的相關性較好。從圖3可以看出兩者之間的趨勢大致相同。在IOD爆發(fā)年，DMI與SLA指數(shù)有極好的相關性，相關系數(shù)達到0.95，由此可以推斷出SLA的變化可能對IOD有很好的響應和反饋。

對DMI進行HHT，得到8個本征模態(tài)函數(shù)（IMF）以及1個殘值（Residual）。IMF-3的振幅及對應的Hilbert波譜如圖4所示，IOD存在1個2.8a的年際振蕩周期，為準2a振蕩（QBO）。從相關分析結(jié)果可知，IMF-3與SOI的相關關系最好。1997年，IMF-3的振幅明顯增大，這與前面提到的ENSO與IOD同時發(fā)生的年份大致吻合，表明IOD可能存在著固有的受ENSO影響的QBO，這與張國勝等［16］得出的結(jié)果一致。

受篇幅限制，其余的IMF函數(shù)與振幅圖在本文未給出，其中IMF-1主要為0.8 a的振蕩信號，在1997年有一次大的振蕩，1997年為IOD爆發(fā)年；IMF-2主要為1.2 a的振蕩信號。IMF-4表現(xiàn)為長周期的振蕩（3～8a），2005年之后振蕩信號明顯加強，在7a的振蕩中只有強ENSO事件才能影響到IOD的發(fā)展；IMF-5、IMF-6為1～12a的振蕩周期，振幅比較均勻；最后的殘值顯示了DMI的變化趨勢，表明IOD的年際變化是在增強的，呈上升趨勢，并且殘值與SOI的相關性良好，表明ENSO事件在影響IOD的發(fā)展。

圖3　1993—2012年DMI、SOI和SLAFig.3 DMI，SOI，and SLA during period from 1993 to 2012

圖4　對DMI進行EMD分解后的IMF-3與SOI指數(shù)及DMI經(jīng)HHT后的IMF-3波譜Fig.4　 IMF-3 and SOI of DMI after EMD and spectrum of IMF-3 of DMI after HHT

5　 IOD季節(jié)鎖相及其與SLA的相關關系

在IOD正值年DMI與SLA指數(shù)相關性良好，相關系數(shù)是0.79，在DMI達到最大值的前一個月，SLA達到最大；而在IOD負值年，兩者的相關系數(shù)為0.71，SLA在11月達到負的最大值，出現(xiàn)在DMI最大值的后2個月。在討論SLA與SST異常的相關關系時，得出的結(jié)論與上述相符，由此可進一步說明SLA與IOD事件有很強的相關關系。

圖5為IOD正值年5月、7月、9月、11月的SLA分布，從圖5中可以看出，5月份，亞丁灣附近和孟加拉灣海域的SSH開始升高，而蘇門答臘-爪哇西南海區(qū)的SSH開始降低，此時IOD開始生成；到了8月份，SSH升高的海域繼續(xù)擴大，而蘇門答臘-爪哇東北海區(qū)的SSH負異常持續(xù)發(fā)展，此時熱帶印度洋大部分SSH升高，SLA達到最大值；在9月，IOD發(fā)展到了成熟期，SLA出現(xiàn)了明顯的偶極型，但是亞丁灣海域SSH開始降低，這對應IOD到達成熟期后迅速開始衰減；11月，SSH異常降低的海區(qū)擴大，此時IOD衰亡，但在南熱帶印度洋還是存在SSH異常偶極型分布。IOD生成—發(fā)育—成熟—衰亡的整個過程，與熱帶印度洋的SSH變化有著很好的相關關系。IOD正值年與IOD負值年的月均SSH異常分布情況相似，但是反相。在IOD負值年，相對來說沒有正值年時的相應相關性好。

圖5　IOD正值年印度洋月均SLAFig.5　 Monthly average SLA of Indian Ocean in positive IOD years

6　結(jié)　　語

基于對1993—2012年連續(xù)20a的熱帶印度洋月均海面溫度和海面高度數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在熱帶印度洋存在海面高度的偶極振蕩，它可能是一個相對獨立的耦合系統(tǒng)，同時又與ENSO事件有一定的聯(lián)系，而且DMI與SLA存在類似的結(jié)構(gòu)特征，但是SLA實際上代表的是次表層熱含量的偶極子信息，而DMI反映的是海溫的單極型與偶極型信息。

在IOD事件期間，SSH的變化過程與SST的變化過程有一定的關聯(lián)，在IOD正值年，SSH異常的變化比IOD提前1個月；IOD負值年，SSH異常相對IOD滯后2個月。將SOI、DMI以及SLA聯(lián)系起來，通過IOD、ENSO事件期間印度洋SLA的變化入手，分析了IOD的季節(jié)鎖相特征。此外，還發(fā)現(xiàn)SSH與SST從蘇門答臘右側(cè)開始發(fā)展，這是否與西太暖池的發(fā)展有關，還需要進一步討論。

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Correlation analysis of sea surface temperature and sea surface height in tropical Indian Ocean

XIE Juncheng1，2，ZHANG Guosheng3，XU Qing2，ZHANG Biao4
（1.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics，Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China；2.College of Harbor，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.College of Marine Sciences，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China；4.College of Marine Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

Abstract：In order to study the correlation between the tropical Indian Ocean dipole（IOD）and sea level anomalies，the correlation between the sea surface temperature（SST）and the sea level anomaly（SLA）in the tropical Indian Ocean was analyzed using the empirical orthogonal function（EOF）method and Hilbert-Huang transform method.Based on correlation analysis of the tropical Indian Ocean dipole mode index（DMI）and the Southern Oscillation Index（SOI）and SLA，it is concluded that there may be a certain correlation between the IOD and the El Ni?o-Southern Oscillation（ENSO）.In addition，there is a strong correlation between the IOD and sea level changes.Analysis of the DMI and sea level changes in the IOD years proved the seasonal phase locking of the IOD，and the correlation between the season change and sea level change was examined.The results show that there is a strong correlation between the IOD events and sea level changes.

Key words：tropical ocean environment；Indian Ocean；IOD；SST；ENSO；sea level change；Hilbert-Huang transform

通信作者：張國勝，博士后。E-mail：zgsheng001@gmail.com

作者簡介：謝駿成（1990—），男，浙江桐廬人，博士研究生，主要從事衛(wèi)星海洋學研究。E-mail：langlangxie@yeah.net

基金項目：中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室開放基金（LTO1206）

收稿日期：2015-01-12

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.01.007

中圖分類號：P731.2

文獻標志碼：A

文章編號：1000-1980（2016）01-0039-06