陳云帆, 陳天然, 龍上敏, 陳澤生, 杜巖

1. 熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室(中國科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 中國科學(xué)院大學(xué)海洋學(xué)院, 北京 100049;

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(廣州), 廣東 廣州 511458;

4. 河海大學(xué)海洋學(xué)院, 江蘇 南京 210098

熱帶印度洋(Indian Ocean)氣候受海-陸-氣相互作用的影響, 并與其他大洋有著緊密聯(lián)系, 其氣候模態(tài)對熱帶印度洋的海氣相互作用以及周邊國家和區(qū)域的氣候都有較為重要的影響(Cai et al, 2019;Wang, 2019; Leupold et al, 2021)。對于熱帶氣候模態(tài)的刻畫主要基于海表面溫度(sea surface temperature,SST)資料, 然而與其他熱帶海洋相比, 印度洋船測資料在早期非常稀少。在1950 年以前, 印度洋沒有大規(guī)模的海洋觀測活動, 因而幾乎沒有連續(xù)的海洋觀測資料(Fairbanks et al, 1997), 目前全球尺度上的海溫資料基本上從1950 年開始, 且空間分布很不均勻。若要獲得空間結(jié)構(gòu)場, 則需要經(jīng)過再分析和處理(Kaplan et al, 1998), 這給印度洋早期年際、年代際甚至更長時間尺度上的氣候變化規(guī)律研究帶來很多困難。

利用地球化學(xué)指標(biāo)來反演氣候變化, 可以填補缺失的觀測數(shù)據(jù), 甚至可以將數(shù)據(jù)延伸至船測前。相對于陸地上的代用資料, 從珊瑚骨骼中獲得的信息資料可以直接反映海洋的氣候變化。珊瑚骨骼具有年輪結(jié)構(gòu)并對環(huán)境變化極其敏感, 且具有年際界線清楚、生長速率較高(大約10mm·a–1)、適合高精度U-Th 放射性測年等特點, 能夠高分辨率、長時間地記錄熱帶海洋中的氣候變化信息(Yu, 2012)。珊瑚地球化學(xué)指標(biāo)如氧18 同位素(δ18O)等, 不僅可以記錄海洋環(huán)境長周期的變化, 而且還可以記錄短期的和突發(fā)的極端事件。如Cobb 等(2003)利用萊恩群島中帕爾米拉島的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)重建了近一千年的ENSO 指數(shù), Abram 等(2020)根據(jù)明打威群島珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)17 世紀至少發(fā)生過一次極端印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole, IOD)事件。通過從珊瑚骨骼中得到的代用指標(biāo), 可以有效延長對海洋的記錄, 能夠良好地解決實測資料不足的問題, 從而反演早期海洋氣候變化的信息。

珊瑚骨骼中兩個最常用的地球化學(xué)指標(biāo): 1) 鍶/鈣比值(Sr/Ca), 常常作為 SST 的直接代用指標(biāo); 2)δ18O, 為SST 和海水中δ18O 含量的代用指標(biāo)(Epstein et al, 1953; Linsley et al, 2006)。而海水δ18O 同時受到降雨、蒸發(fā)以及徑流的影響, 這些過程會進一步影響珊瑚δ18O 變化。因此, 在海表鹽度(sea surface salinity, SSS)變化劇烈而SST 變化平緩的海域, 珊瑚δ18O 主要受SSS 影響(Grottoli, 2019)。相較于珊瑚Sr/Ca, 記錄珊瑚δ18O 資料的熱帶印度洋站點數(shù)量更多, 并且珊瑚δ18O 資料具有更高的數(shù)據(jù)分辨率。目前相關(guān)研究已建立了70 余個珊瑚δ18O 和SST之間的經(jīng)驗公式, 涵蓋了全球多數(shù)珊瑚礁生長海域(余克服 等, 1999)。研究表明珊瑚δ18O 與SST 的變化呈現(xiàn)負相關(guān)的關(guān)系, 溫度每下降(或上升)1℃時,珊瑚δ18O 含量升高(或下降)0.18‰～0.24‰(Gagan et al, 1994)。但需要注意的是, 部分特殊海域(如巴拿馬奇里基灣)珊瑚δ18O 受SST 影響較小(Linsley et al,1994)。前人通過對珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)的研究, 揭示了過去上百年熱帶印度洋年際氣候變率的特點與影響因素。這些研究主要分為兩大類: 1)主要利用珊瑚δ18O數(shù)據(jù)反演印度洋海盆模態(tài)(Indian Ocean Basin Mode,IOBM)。如Charles 等(1997)通過分析塞舌爾站點150a 的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)印度洋西部海域的SST受到厄爾尼諾-南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)和亞洲季風(fēng)的控制; Cole 等(2000)通過分析肯尼亞海岸194a 的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù), 再一次證實了赤道印度洋區(qū)域西部SST 的年際變率受到ENSO 影響。值得注意的是, 塞舌爾珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)不僅可以作為IOBM 良好的代用指數(shù), 而且可以用來指示ENSO 對熱帶印度洋的遙相關(guān)(Du et al, 2014)。2) 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)揭示IOD 事件。如Kayanne 等(2006)的研究發(fā)現(xiàn)肯尼亞海岸的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)有效地記錄了印度洋偶極子模態(tài)(Indian Ocean Dipole Mode,IODM)的信息, 并且肯尼亞月精度的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)清晰地記錄了與1 月份IOD 相關(guān)的東非降雨異常事件(Nakamura et al, 2011); Abram 等(2008)利用明打威群島、巴厘島珊瑚δ18O 時間序列作為IOD 東一極指數(shù)和利用塞舌爾珊瑚δ18O 時間序列作為中西一極指數(shù), 重建了過去近 150a 的印度洋偶極子指數(shù)(Dipole mode index, DMI), 并進一步半連續(xù)地重建了IOD 事件, 其時間序列覆蓋了近一千年中的5 個世紀(Abram et al, 2020)。此外, 珊瑚δ18O 和Sr/Ca數(shù)據(jù)還共同揭示了Ningaloo Ni?o/Ni?a 的形成機制和變化特征(Zinke et al, 2014, Su et al, 2019)。

以上研究表明, 熱帶印度洋的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)可以良好地反演年際氣候環(huán)境的變化, 但不同站點對氣候變化的記錄仍存在誤差。本文在前人研究的基礎(chǔ)上, 對比分析東、西印度洋不同珊瑚站點的δ18O數(shù)據(jù)對熱帶印度洋氣候的記錄及其偏差, 評估不同珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對熱帶印度洋氣候變化的反演能力,這有助于深入研究熱帶印度洋氣候模態(tài)在年代際及更長時間尺度上的變化。

1 樣本和方法

本文選取了位于熱帶印度洋的4 個珊瑚站點的δ18O 資料, 4 個站點分別位于海盆東、西兩側(cè)(圖1),觀測時間序列較長且連續(xù), 并且記錄的分辨率較高,對表征熱帶印度洋氣候變率具有一定代表性。本文所有珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)均取自美國國家海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)公開發(fā)布的古氣候資料共享數(shù)據(jù)集(https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/paleoclimatology-dat a/datasets), 時間精度為月平均。其中, 3 個珊瑚站點位于熱帶西印度洋。最北邊的珊瑚芯取自肯尼亞的馬林迪海洋公園(Malindi; 3°12'S, 40°6'E) (Nakamura et al, 2009), 時間跨度為1886 年12 月—2002 年9月; 最南邊的珊瑚芯則取自坦桑尼亞的黑手黨島(Mafia; 8°0'S, 39°30'E)(Damassa et al, 2006), 時間跨度為1896 年8 月—1998 年2 月; 塞舌爾站點珊瑚數(shù)據(jù)取自塞舌爾共和國馬埃島布法龍海灣(Mahe;4°36'S, 55°0'E)(Charles et al, 1997), 本文選用1846年7 月—1995 年2 月的時間序列。位于熱帶東印度洋的珊瑚數(shù)據(jù)來源于蘇門答臘西海岸以外偏遠的明打威群島(Mentawai; 0°6'S, 98°30'E)(Abram et al,2008), 本文選用1858 年4 月—1997 年12 月的時間序列。為便于各站點之間相互比較, 本文選用珊瑚資料與SST、SSS 資料重合最多的時間段(1880—1999 年), 以探究百年來珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對熱帶印度洋年際及年代際氣候變率的記錄情況。

圖1 熱帶印度洋1880—1999 年平均SST 及珊瑚站點分布圖該圖基于國家測繪地理信息局標(biāo)準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2020)4399 號的標(biāo)準地圖制作, 底圖無修改Fig. 1 Map of SST of the tropical Indian Ocean (1880—1999 mean) and coral sites

海溫數(shù)據(jù)選用了英國氣象局哈德萊中心的HadISST 數(shù)據(jù)集(Hadley Centre SST data set)(Rayner et al, 2003), 其時間跨度為1870 年1 月至2020 年12月, 為逐月精度, 空間分辨率為1°×1°。本文研究選用其中的1880 年1 月至1999 年12 月共120a 的數(shù)據(jù)。同時, 選用NOAA 提供的全球海溫重構(gòu)數(shù)據(jù)(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature,ERSST.v5)(Huang et al, 2017)作為對比, 其時間跨度為1854 年1 月至2020 年12 月, 為逐月精度, 空間分辨率為2°×2°。此外, 鹽度數(shù)據(jù)選用了哈德萊中心EN 系列數(shù)據(jù)集的第4 版鹽度分析數(shù)據(jù)(Good et al,2013), 時間精度為月平均, 空間分辨率為 1°×1°,時間范圍為1950 年1 月到1999 年12 月, 共50a。

2 結(jié)果與討論

2.1 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對熱帶印度洋海溫季節(jié)循環(huán)的反演

在季節(jié)循環(huán)的分析中可以發(fā)現(xiàn), 印度洋各站點的珊瑚δ18O 與局地SST 在季節(jié)演變上保持高度一致,其中肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾和明打威4 個站點的結(jié)果如圖2 所示。不同站點會存在一些超前或滯后現(xiàn)象, 如塞舌爾站點珊瑚δ18O 變化超前局地SST約1 個月, 而位于西澳大利亞的一些站點珊瑚δ18O變化則滯后局地SST 約1 個月。其原因有二: 一是礁址局地海溫數(shù)據(jù)的記錄存在偏差。雖然HadISST與ERSST 是目前最好的全球海溫重構(gòu)數(shù)據(jù)之一, 但是它們是基于在空間和時間上不規(guī)則的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計而來, 并且得到的大尺度數(shù)據(jù)信息具有很強的一致性, 由于缺乏對近岸地區(qū)的實際觀測, 許多礁址的小尺度局地變化無法被重建海溫數(shù)據(jù)捕捉到。二是珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)插處理, 且珊瑚骨骼具有非線性生長的特點, 在高緯度地區(qū)(如夏威夷、佛羅里達), 最佳生長溫度出現(xiàn)在夏季。在低緯度地區(qū)(如赤道太平洋地區(qū)、澳大利亞大堡礁), 最佳生長溫度出現(xiàn)在較冷的月份(Grottoli, 2019)?？傮w上, 珊瑚δ18O數(shù)據(jù)能夠比較準確地反映局地SST 的季節(jié)變化。

圖2 珊瑚δ18O 與局地SST 季節(jié)循環(huán)(1880—1999 年月平均)Fig. 2 Seasonal cycles of coral δ18O and local SST (1880—1999 monthly mean)

根據(jù)圖2, 對4 個站點的珊瑚δ18O 與局地SST 在高、低溫月份作比對 (圖3)。其中, 熱帶西印度洋珊瑚站點(肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾站點)高溫月份取2—4 月, 低溫月份取7—9 月; 東印度洋珊瑚站點(明打威站點)高溫月份取4—6 月, 低溫月份取10—12月。西印度洋站點珊瑚δ18O 與SST 在低溫月份的相關(guān)性較好, 尤其是塞舌爾站點的相關(guān)性達到了-0.57(neff=236,p<0.01)。而在高溫月份珊瑚δ18O 與SST的相關(guān)性普遍低于低溫月份, 這是由于高溫季節(jié)的蒸發(fā)加強(珊瑚δ18O 與SSS 在高溫月份的相關(guān)性高于低溫月份), 從而削弱了珊瑚δ18O 對SST 的記錄能力。事實上, 蘇瑞俠等(2006)在對南海北部的珊瑚研究中也指出珊瑚δ18O 與SST 在冬季極冷時的相關(guān)性很密切,而在夏季則與SSS 呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。明打威站點位于東印度赤道附近, 全年溫差小, 不管冬季還是夏季,SSS 對珊瑚記錄的影響都很弱(珊瑚δ18O 與SSS 的相關(guān)性接近于0), 所以珊瑚δ18O 與SST 在低溫月份與高溫月份的相關(guān)性差異不大?？傮w來說, 本文選用的4個站點的珊瑚δ18O 與局地SSS 的相關(guān)性(普遍|R|<0.28)遠遠低于其與SST 的相關(guān)性, 揭示了海溫變化是控制這4 個站點δ18O 含量變化的主要因素, 進而證實了利用該4 個站點的珊瑚δ18O 反演SST 的合理性。

圖3 珊瑚δ18O 與局地SST 于高溫、低溫月份的散點對比圖黑色三角形代表4 個站點珊瑚δ18O 與SST 的均值, 圖中珊瑚δ18O 與SST 坐標(biāo)軸反向Fig. 3 Scatter diagrams of coral δ18O and local SST in high and low temperature months

2.2 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對熱帶印度洋氣候年際變率的反演

2.2.1 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對局地SST 的反演

為了進一步分析4 個站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與局地SST 在年際尺度上的相關(guān)性, 所有數(shù)據(jù)均通過減去當(dāng)月氣候態(tài)平均(1880—1999 年)來去除季節(jié)循環(huán)的影響。由于觀測誤差和重建方法的局限性,HadISST 數(shù)據(jù)存在一定的誤差?？紤]到ERSST.v5也具有百年尺度, 并且有較高的時空分辨率, 現(xiàn)將其與HadISST 作為比對參考數(shù)據(jù)。通過珊瑚δ18O 與局地SST 的年際異常值相比較(圖4), 發(fā)現(xiàn)珊瑚δ18O可以較好地刻畫局地 SST 的長期變化趨勢。在1880—1999 年間, 與SST 長期上升趨勢相對應(yīng), 珊瑚δ18O 具有明顯且穩(wěn)定的減少趨勢, 符合印度洋SST 的長期增暖趨勢(Alory et al, 2007; Du et al,2008)。根據(jù)公式dδ18O/dT=-0.22(‰/℃)(Epstein et al,1953)計算發(fā)現(xiàn), 1880—1999 年間珊瑚δ18O 反演的溫度變化幅度比重構(gòu)海溫變化幅度略大, 肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾、明打威站點珊瑚骨骼δ18O 反演得到的SST 變化幅度分別為1.38℃、0.89℃、1.08℃、0.84℃, 而重構(gòu)的SST 變化幅度則分別為0.70℃、0.76℃、0.67℃、0.36℃(ERSST)和0.13℃、0.38℃、1.33℃、0.34℃(HadISST)。1950—1999 年間SST 上升幅度愈加顯著, 然而只有肯尼亞站點珊瑚δ18O 記錄的SST 增暖幅度較為接近重構(gòu)值(SSTcoral=0.60℃,SSTERSST=0.55℃, SSTHadISST=0.48℃)。坦桑尼亞站點的珊瑚δ18O 于1950—1999 年間呈現(xiàn)上升趨勢(即反演的SST 呈現(xiàn)下降趨勢), 同時其與SSS 的相關(guān)性高于其他3 個站點(|R|坦桑尼亞=0.26, |R|其他<0.18), 由此推斷在該時段 SSS 對δ18O 的影響干擾了珊瑚對SST 的記錄?？傮w來說, 珊瑚δ18O 記錄可以反映出印度洋海溫的長期增暖趨勢, 但會高估增溫幅度。

圖4 珊瑚δ18O 與局地SST 異常值的時間序列圖圖中為珊瑚δ18O 和局地SST 時間序列進行13 點平滑的結(jié)果Fig. 4 Time series of coral δ18O and local SST anomalies

雖然在1880—1999 年間珊瑚δ18O 總體上可以較好地反映SST 長期的變化, 但是在1947—1958 年期間, 西印度洋站點珊瑚δ18O 與局地SST 的相關(guān)性存在顯著的變化, 二者甚至出現(xiàn)正相關(guān)。對比ERSST 與HadISST 記錄的SST 時間序列, 發(fā)現(xiàn)ERSST 會稍微“高估”海溫上升(如西印度洋1901 年、1942 年、1973 年等)或下降(如塞舌爾1891 年、1899年、1907—1912 年、1934 年等)的幅度, 在這些年份中HadISST 與珊瑚記錄更為接近。因此, 珊瑚δ18O與局地SST 具有一定的相關(guān)性(p<0.01), 但二者的相關(guān)性在某些時段會出現(xiàn)降低的情況。

由于ENSO 對印度洋氣候的年際變化有顯著影響, 且ENSO 周期為2～7a, 同時考慮到印度洋受季風(fēng)和ENSO 活動的共同作用, 二者的相互作用會產(chǎn)生明顯的準兩年周期的震蕩(Charles et al, 1997), 因此將4 個站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與局地SST 的時間序列做3～7a 的帶通濾波處理。在年際尺度上的分析中,所有時間序列均去除了長期趨勢。為了比較SSS 與SST 對珊瑚δ18O 的貢獻, 所有時間序列選取1950—1999 年。除了坦桑尼亞站點, 其他3 個站點處理后的SST 與珊瑚δ18O 均具有較強的相關(guān)性(R坦桑尼亞=-0.10,R肯尼亞=-0.74,R塞舌爾=-0.82,R明打威=-0.74), SSS與珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)的相關(guān)性也較濾波前有了一定的提升(R坦桑尼亞=0,R肯尼亞=-0.44,R塞舌爾=-0.24,R明打威=-0.31)。比較4 個站點可以發(fā)現(xiàn), 在年際尺度上坦桑尼亞站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)受SST 與SSS 的影響均較小, 肯尼亞、塞舌爾、明打威站點的珊瑚δ18O 則主要受SST 的影響。

2.2.2 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對年際氣候模態(tài)的反演

前人研究表明, 熱帶印度洋海溫年際變化主要是對ENSO 事件的被動響應(yīng)(Cadet et al, 1984), 呈現(xiàn)出非常顯著的空間分布特征, 主要表現(xiàn)為兩個空間模態(tài)——IOBM(Xie et al, 2009, 2016)與IODM(Saji et al, 1999)。

1) IOBM

IOBM 導(dǎo)致印度洋SST 呈海盆尺度變化(Xie et al, 2009)。4 個熱帶印度洋珊瑚站點的數(shù)據(jù)對IOBM變化的記錄情況可以反映印度洋氣候的年際變化。比較圖5、圖6, 可以發(fā)現(xiàn)SST 和珊瑚δ18O 時間序列經(jīng)過濾波(3～7a 帶通濾波)后的相關(guān)性有了顯著提高。由于塞舌爾站點位于IOBM 的核心區(qū)域, 并且受沿岸流的影響較小, 該站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與IOBM 指數(shù)的時間序列基本一致, 兩者的相關(guān)系數(shù)最高(RERSST=-0.73,RHadISST=-0.81,neff=10,p<0.01),因此該站點的珊瑚數(shù)據(jù)對IOBM 年際變化的反演最為準確。Du 等(2014)的研究結(jié)果也表明塞舌爾珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)可作為IOBM 的代用指標(biāo), 且珊瑚δ18O 所反演的IOBM 呈現(xiàn)3～7a 周期變化的特征。其次是位于東印度洋的明打威站點, 其珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與IOB指 數(shù) 的 相 關(guān) 性 系 數(shù) 較 高 (RERSST=-0.53,RHadISST=-0.59,neff=10,p<0.01), 也基本能夠反演IOBM 的年代際變率。值得注意的是, 1947—1958年間IOBM 一直處于顯著的冷相位, 該時段西印度洋珊瑚站點的δ18O 數(shù)據(jù)并不能準確記錄海溫變化,而位于東印度洋的明打威站點的δ18O 數(shù)據(jù)對海溫的記錄能力則沒有受到明顯的擾動(圖5)。

圖5 珊瑚δ18O 與IOBM 指數(shù)異常值的時間序列圖紅線、藍線分別為珊瑚δ18O 與IOBM 指數(shù)異常值進行13 點平滑的結(jié)果Fig. 5 Time series of coral δ18O and IOBM index anomalies

圖6 珊瑚δ18O 與IOBM 指數(shù)異常值3～7a 濾波圖Fig. 6 Coral δ18O and IOBM index anomalies after applying 3-7 years filter

2) IODM

IODM 是位于熱帶印度洋的一個涉及緯向海洋—大氣相互作用的年際變化模態(tài)(Saji et al, 1999;Yang et al, 2010)?？紤]到東、西印度洋珊瑚站點對局地SST 的反演存在一定偏差, 而兩者相減得到的指數(shù)可能會使偏差增大, 所以將東、西印度洋站點分別與IOD 東、西極進行相關(guān)性分析。塞舌爾站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與IOD 西極的年際變率基本能夠重合(RERSST=-0.76,RHadISST=-0.80,neff=10,p<0.01) (圖7)。但1947—1958 年間西印度洋海溫受IOBM 冷相位的影響出現(xiàn)了異常降低(圖8), 西印度洋珊瑚δ18O 的反演能力也出現(xiàn)了明顯下降。然而, 在該時段東印度洋SST 并未出現(xiàn)大幅降低, 其與珊瑚δ18O 的時間序列基本吻合, 即明打威站點的珊瑚在該時段的反演能力并未受到影響。由此可知, 1947—1958 年間該珊瑚站點并沒有位于印度洋IOBM 冷相位的區(qū)域,故明打威站點的珊瑚數(shù)據(jù)對IOD 東極的記錄沒有受到擾動。前人研究發(fā)現(xiàn)重建DMI 的珊瑚最佳位置位于赤道印度洋東南部的爪哇和蘇門答臘外海(約3°—7°S)(Abram et al, 2015)。本文選用的明打威站點的珊瑚位于赤道附近(0°6′S), 離蘇門答臘較遠, 在IOD 東極的邊緣海域, 較為準確地記錄了極端IOD事件(1997 年), 但正常或弱IOD 事件對局地SST 影響較小, 導(dǎo)致珊瑚δ18O 對其響應(yīng)也較弱。Abram 等(2020)利用明打威另一處珊瑚樣本(約2°—3°S)的δ18O 資料(時間序列長達 500a), 發(fā)現(xiàn) 1960 年以前極端IOD 事件雖然出現(xiàn)次數(shù)較少, 但在17 世紀至少出現(xiàn)了一次, 且強度比1997 年的極端IOD 事件大27%～42%。此外, Abram 等(2008)利用明打威群島、巴厘島與塞舌爾的珊瑚δ18O 時間序列重建了過去近150a 的DMI, 并指出加強的東南信風(fēng)可能是導(dǎo)致20 世紀IOD 事件強度和頻率增大的原因。

圖7 珊瑚δ18O 與IOD 單極異常值3～7a 濾波圖Fig. 7 Coral δ18O and monopole of IOD anomalies after applying 3-7 years filter

圖8 珊瑚δ18O 與IOD 單極異常值的時間序列圖紅線、藍線分別為珊瑚δ18O 與IOD 單極異常值進行13 點平滑的結(jié)果Fig. 8 Time series of coral δ18O and monopole of IOD anomalies

2.3 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對熱帶印度洋氣候年代際變率的反演

對熱帶印度 洋(35°—100°E, 20°S—20°N)1880—1999 年SST 的時間序列作譜分析, 發(fā)現(xiàn)年代際信號的主要周期為9a, 故作9a 以上的低通濾波來表現(xiàn)年代際變率。比較SSS、SST 與珊瑚δ18O 的相關(guān)性發(fā)現(xiàn), 坦桑尼亞站點的珊瑚δ18O 對局地SST 年代際變率記錄較好, 而其余3 個站點的珊瑚δ18O 與SST呈現(xiàn)的相關(guān)性(R坦桑尼亞=-0.35,R肯尼亞=-0.10,R塞舌爾=-0.08,R明打威=-0.09)則較低; 珊瑚δ18O 與SSS 的相關(guān)性(R坦桑尼亞=0.38,R肯尼亞=0.43,R塞舌爾=0.11,R明打威=0.21)整體優(yōu)于SST。坦桑尼亞站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對SST 的年代際變化記錄優(yōu)于其對SST 的年際變化記錄, 而肯尼亞、塞舌爾、明打威站點的珊瑚δ18O 則未能記錄到SST 的年代際變化?？傮w上, 4 個站點的珊瑚δ18O 在年代際尺度上的變化情況受SSS 的影響大于SST。

對濾波處理后的SST 進行EOF 分析, 計算得到第一空間結(jié)構(gòu)和主成分時間序列(方差貢獻為79.47%), 兩者用以表示熱帶印度洋年代際信號的時空變化。根據(jù)空間分布圖(圖9)所示, 本文選取的4 個珊瑚站點位于熱帶印度洋SST 在年代際尺度上一致增加或減少的海區(qū), 并且塞舌爾站點局地SST在年代際尺度上的增減幅度最大(圖9a)。從時間序列圖上可以看出, 1940—1950 年間熱帶印度洋SST存在冷暖相位轉(zhuǎn)變(圖9b), 該時段熱帶印度洋SST受年代際變率影響顯著。

圖9 熱帶印度洋SST 年代際信號空間分布(a)和時間序列(b)圖a 基于國家測繪地理信息局標(biāo)準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2020)4399 號的標(biāo)準地圖制作, 底圖無修改Fig. 9 Spatial distribution (a) and time series (b) of interdecadal signals in the tropical Indian Ocean

為了進一步探討印度洋珊瑚δ18O 對海溫記錄出現(xiàn)的擾動情況, 將局地 SST 分別與珊瑚δ18O、Ni?o3.4 指數(shù)進行21a 時間窗口的滑動相關(guān)性分析,并與熱帶印度洋年代際變率的時間序列(去除長期趨勢)比較。如圖10 所示, 1950 年后熱帶西印度洋局地SST 與Ni?o3.4 指數(shù)的相關(guān)性出現(xiàn)降低, 揭示了熱帶印度洋SST 存在年代際調(diào)整, 即該時段SST 主要受自身的年代際變率調(diào)制, 而受ENSO 影響較小。該遙相關(guān)減弱的現(xiàn)象被塞舌爾、坦桑尼亞站點的珊瑚所記錄(珊瑚δ18O 與局地SST 的相關(guān)性也出現(xiàn)明顯的下降), 這是由于該時段西印度洋受到的年代際氣候變化影響大于年際變化, 而在年代際尺度上珊瑚δ18O 受SSS 影響較大, 因此無法準確記錄SST 的變化情況。前人對塞舌爾珊瑚站點的研究也證實了珊瑚δ18O 在1940—1975 年間以年代際變化為主導(dǎo)(Du et al, 2014)。在年代際尺度上, 肯尼亞站點的珊瑚δ18O 變率受SSS 的影響遠大于SST, 因此無法指示熱帶印度洋SST 與ENSO 的遙相關(guān)的變化情況。明打威站點的珊瑚對SST 的記錄也存在明顯的年代際變化。總體來說, 坦桑尼亞、塞舌爾站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)能夠較為準確地指示熱帶印度洋SST 與ENSO 的遙相關(guān)。

圖10 珊瑚δ18O 與局地SST、Ni?o3.4 指數(shù)的21a 滑動相關(guān)性藍線為珊瑚δ18O 與局地SST 的相關(guān)系數(shù)時間序列; 黃線為珊瑚δ18O 與Ni?o3.4 指數(shù)的滑動相關(guān)系數(shù)時間序列; 紅線為局地SST 與Ni?o3.4 指數(shù)的滑動相關(guān)系數(shù)時間序列; 粗灰線為熱帶印度洋的SST 年代際變率; 灰色細實線為95%的置信線Fig. 10 The 21-year sliding correlations of coral δ18O with local SST and Ni?o3.4 index

3 結(jié)論

本文選取熱帶印度洋中肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾和明打威4 個站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù), 結(jié)合前人的研究成果, 對比分析了1880—1999 年間4 個站點的珊瑚δ18O 在不同時間尺度上對熱帶印度洋海溫變化的反演能力。本文結(jié)果表明4 個站點的珊瑚δ18O數(shù)據(jù)和熱帶印度洋SST 在長期趨勢上保持一致。珊瑚δ18O 能夠準確地刻畫出SST 的季節(jié)循環(huán), 且在低溫季節(jié)中珊瑚δ18O 與SST 的相關(guān)關(guān)系更為密切。珊瑚δ18O 能夠反演IOBM 和IODM 的年際變率情況,尤其是塞舌爾站點位于開放海域, 受沿岸氣候的影響較弱, 并且是 IOBM 核心海域, 該站點的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對印度洋海溫年際變率的反演情況最為準確。在年代際尺度上, 珊瑚δ18O 由于受SSS 影響較大, 對SST 的記錄存在偏差, 因此在1950 年后熱帶西印度洋以年代際變化為主導(dǎo)的時段, 珊瑚無法準確記錄SST 的變化。此外, 坦桑尼亞站點的珊瑚δ18O對熱帶印度洋SST 與ENSO 之間遙相關(guān)年代際變化的記錄最為準確。綜上所述, 由于地理位置、數(shù)據(jù)處理方法等原因, 不同珊瑚站點對氣候的記錄存在不同的擾動, 通過互相對比修正, 可以使珊瑚數(shù)據(jù)對古氣候的反演更為準確。