图1 1958—2018年冬季(DJF)Niño3.4海温指数与(a)同期冬季,(b)次年春季,(c)夏季印度洋-太平洋海表温度的相关系数分布(打点区通过95%的置信度检验;虚线框表示划分的区域:TIO_S(20°S~0°,50~95°E)、TIO_N(0°~20°N,50°~95°E)、MC(15°S~2.5°N,100°~140°E)及SCS(10°~20°N,110°~120°E))
纸质出版日期:2023-01-25,
网络出版日期:2022-09-20,
收稿日期:2022-03-07,
录用日期:2022-04-21
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基于1958—2018年的海温与大气环流再分析资料,分析了热带印度洋及邻近海域海温对厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的响应特征及其年代际变化,并进一步探讨了ENSO影响次年夏季副热带西北太平洋环流的物理过程的年代际变化。在ENSO事件中,热带印度洋及邻近海域不同海区海温对热带中东太平洋海温异常信号存在不同的滞后响应最显著的时间及显著维持时间,热带北印度洋、海洋性大陆及南海海温的显著响应可持续到次年夏季。ENSO的演变、热带印度洋及海洋性大陆海温对ENSO的滞后响应时间在1980年代初及2000年代初经历了显著的年代际转变。第二阶段的ENSO事件较前后两个阶段持续时间更长、强度更强,热带南、北印度洋海温信号的显著响应时间则更滞后。海洋性大陆的海温则经历了响应显著、不显著和显著的年代际变化,其中最后一阶段的滞后显著响应的维持时间要比第一阶段长。ENSO事件通过热带印度洋及邻近区域海温的滞后响应,进而影响东亚副热带夏季环流系统异常的过程也具有明显的年代际变化特征。海洋性大陆海温、热带北印度洋海温和赤道中东太平洋海温都可分别作为不同年代的关键因子强迫东亚副热带夏季环流系统的异常,进而影响东亚夏季气候。
Based on the monthly mean sea surface temperature(SST) data and the reanalysis data over the period of 1958-2018, we have investigated the interdecadal variation of the thermal response characteristics of the Indian Ocean, the South China Sea, and the Maritime Continent to the El Niño-Southern Oscillation(ENSO). We have also investigated the interdecadal variation of the physical process for the circulation response features over the subtropical northwestern Pacific Ocean to ENSO events. During the evolution of the ENSO events, the SST in different areas of the tropical Indian Ocean and adjacent waters presents various features in terms of both maximum lag-response and duration of prominent lag-response to the SST anomalies in the equatorial central-eastern Pacific. The prominent lag-response of the SST in the tropical northern Indian Ocean, the Maritime Continent, and the South China Sea can last until the following summer of ENSO. Both the evolution features of the ENSO events and the lag response features of SST in the tropical Indian Ocean and the Maritime Continent to ENSO experienced obvious interdecadal changes in the early 1980s and early 2000s. Compared with the first and the third periods, the duration and strength of ENSO events were longer and stronger in the second period, respectively, accompanied by slower significant response of the SST in the tropical southern and northern Indian Oceans. The SST in the Maritime Continent experienced noticeable interdecadal changes alternatively in the significant lag-response and the less significant lag-response to ENSO, with a longer duration of the noteworthy response in the last period than in the first one. The impact process of the ENSO on the summer circulation over the subtropical East Asia, via the lag-response of the SST in the tropical Indian Ocean and adjacent waters, also shows interdecadal changes. The SST in the Maritime Continent, the tropical northern Indian Ocean and the equatorial central-eastern Pacific can be recognized as the key factors in different periods, which may induce the anomalous summer circulation over the subtropical East Asia, and then further affect the summer climate in East Asia.
众所周知,作为大气下垫面之一的海洋,由于其存储巨大热量并可通过海气相互作用对大气环流施加显著的影响,因此,其热力特性的异常对全球气候变异具有举足轻重的影响作用。作为热带海洋最显著的年际异常信号之一的厄尔尼诺-南方涛动(ENSO),其对全球气候异常的影响作用也被许多相关科学研究所揭示[
研究表明,ENSO在其衰减阶段对东亚尤其是我国夏季气候的影响,主要是通过在副热带西北太平洋上空强迫出的异常反气旋(气旋)影响西北太平洋副热带高压(西太副高)的位置及强度来实现的[
研究还表明,热带北印度洋海温对ENSO事件中冬季赤道中东太平洋海表温度异常的滞后响应时间具有年代际变化特征,年代际转折点发生在20世纪的初期和70年代中期[
综上所述,ENSO对次年夏季西北太平洋上空大气环流和东亚气候的影响,主要通过热带印度洋、海洋性大陆及周边海区的海温对赤道中东太平洋海温异常的滞后响应,进而通过海气相互作用影响东亚气候。因此,热带印度洋和海洋性大陆及周边的海温对ENSO的滞后响应时间是决定ENSO影响次年东亚春夏季气候持续时间的一个关键因素。尽管现有的研究表明,热带印度洋海温对ENSO的滞后影响时间在20世纪70年代出现年代际转变,传统的东部型厄尔尼诺(El Niño)事件在1990年代后频率降低,中部型El Niño事件频率升高[
本文所用资料包括:1)美国海洋大气管理局提供的扩展重构建月平均海温资料(ERSST V5)[
为研究夏季副热带西北太平洋异常反气旋(气旋)对ENSO的响应,参考Wang等[
SCSSMI=U850(5°~15°N,110°~120°E) -U850(20°~25°N,110°~120°E), |
整体描述西北太平洋异常反气旋(气旋)强度,其中U850为低层850 hPa纬向风速。
选取Niño3.4区(5°S~5°N、170~120°W)平均的海温时间序列,代表赤道中东太平洋海温的变化,用于描述ENSO事件演变。
图1 1958—2018年冬季(DJF)Niño3.4海温指数与(a)同期冬季,(b)次年春季,(c)夏季印度洋-太平洋海表温度的相关系数分布(打点区通过95%的置信度检验;虚线框表示划分的区域:TIO_S(20°S~0°,50~95°E)、TIO_N(0°~20°N,50°~95°E)、MC(15°S~2.5°N,100°~140°E)及SCS(10°~20°N,110°~120°E))
Fig.1 Correlation of the sea surface temperature (SST) in winter (a), subsequent spring (b) and summer (c) with the winter mean SST averaged in Niño3.4 during 1958 to 2018. Stippling denotes SST anomalies significant over the 95% confidence level, and the dashed squares in (c) indicate four concerned regions: TIO_S(20°S-0°,50-95°E), TIO_N(0-20°N,50-95°E), MC(15°S-2.5°N,100-140°E) and SCS (10-20°N,110-120°E).
为了更有针对性地分析不同海域对ENSO过程的响应特征,将印度洋和周边海区划分为4个代表性区域:热带南印度洋(下文简称TIO_S;20°S~0°,50°~95°E)、热带北印度洋(简称TIO_N;0°~20°N,50°~95°E)、南海区域(简称SCS;10°~20°N,110°~120°E)和海洋性大陆(简称MC;15°S~2.5°N,100°~140°E),并分别计算各区域平均海温作为海温指数,然后计算冬季Niño3.4海温与上述各区海温的超前滞后相关系数。
图2 1959—2018年冬季(DJF)平均Niño3.4海温指数与TIO_S、TIO_N、MC及SCS等3个月滑动平均海温指数的超前滞后相关曲线
Fig.2 Lead correlation coefficients between the winter mean SST in Niño3.4 and the three-month sliding mean SST averaged in TIO_S, TIO_N, MC and SCS during 1959 to 2018
横坐标‘year(-1)’表示超前时间(虚线为95%置信度阈值)
'year(-1)' in x-axis denotes the leading time referred to the winter season (DJF) , and the horizontal dashed lines denote the threshold values for the correlation coefficientssignificant at 95% confidence level.
为了探讨热带印度洋及周边海温对ENSO的响应时间的年代际变化特征,
图3 冬季平均Niño3.4海温与3个月滑动平均的(a)TIO_S,(b)TIO_N,(c)MC,(d)SCS的超前滞后海温的11年滑动相关剖面图
Fig.3 Eleven-year sliding correlation between the winter mean SST in Niño3.4 and leading three-month sliding mean SST averaged in (a) TIO_S, (b) TIO_N, (c) MC, and (d) SCS
纵坐标表示超前滞后的月份,“year(-1)”代表其他区域海温超前Niño3.4海温;打点区表示通过95%的置信度检验。
'year (-1)' in y-axis denotes the leading time referred to the winter season (DJF) , and stippling denotes the correlation coefficients significant over the 95% confidence level.
MC海温与Niño3.4海温的超前滞后正相关也存在相应的年代际变化特征(
SCS海温与Niño3.4海温的超前滞后相关特征(
为了进一步分析上述各海区海温对冬季Niño3.4海温的最大响应时间的年代际变化与ENSO事件演变过程的联系,我们选择冬季Niño3.4标准化海温距平(SSTA)大于0.75的年份算作El Niño事件(简称EN事件),小于-0.75的年份算作La Niña事件(简称LN事件),然后分别合成3个时期各区在ENSO过程的SSTA演变曲线。在1958—1981年:EN年为1958,1964,1966,1969,1973;LN年为1965,1971,1972,1974,1976。在1982—2000年:EN年为1983,1987,1992,1995,1998;LN年为1985,1989,1996,1999,2000。在2001—2018年:EN年为2003,2010,2016;LN年为2008,2011,2012,2018。需说明的是,大多数ENSO事件发生在相邻两个自然年内,为了合成的合理性,我们选择剔除了跨3个自然年的ENSO事件,即1972、2000和2012年的冷事件。
从合成结果可以看出,三个时期的EN和LN事件Niño3.4区的SSTA都在冬季12月或1月最强(图4Aa,Ba,Ca),不同的是赤道中东太平洋海温异常在第一、第三时期持续到次年4月,持续时间较短,而在第二时期可持续到次年7月,持续时间较长,因此导致在不同时期各区域海温对Niño3.4海温的响应时间与响应强度存在差异。在1958—1981年,由于ENSO持续时间较短,TIO_S和TIO_N海温对Niño3.4海温的响应快,它们的异常信号只持续到5、6月份(图4Ab,Ac),而MC的海温异常维持较长时间,因此ENSO次年SCS夏季海温异常的极值(图4Ae)主要由夏季MC海温异常所致,即MC海温异常可通过强迫异常经圈环流在副热带西北太平洋强迫出异常反气旋(气旋)[
图4 (A)1958—1981,(B)1982—2000和(C)2001—2018年分别合成的ENSO过程各海区逐月海温距平(K):(a)Niño3.4;(b)TIO_S;(c)TIO_N;(d)MC;(e)SCS
Fig.4 Evolution of the composite monthly mean SST anomalies (K) in four key regions for the ENSO events during (A)1958-1981, (B)1982-2000, and (C) 2001-2018
红色对应EN,蓝色对应LN年;阴影部分为1倍标准差范围;横坐标中(-1)和(0)分别表示ENSO事件发生年及次年。
从前面的讨论可知,南、北热带印度洋海温和海洋性大陆海温对赤道中东太平洋冬季海温的滞后最显著响应出现的时间及显著响应维持时间具有明显的年代际变化,而南海海温与冬季Niño3.4海温的滞后显著响应却几乎在整个研究时段非常一致地维持到次年夏季(
图5 夏季Niño3.4、TIO_N和MC的海温与同期SCSSMI的11年滑动相关曲线图
Fig.5 Eleven-year sliding correlation between the mean SCSSMI and mean SST averaged in Niño3.4, MC and TIO_N
水平虚线为通过95%置信度检验的相关系数临界值。
从
图6 (a)1958—1975年,(b)1976—1992年,(c)1993—2003年和(d)2004—2018年EN事件合成的次年夏季的(A)850 hPa距平风场(矢量)与SST距平场(填色,单位:K;打点区表示通过了95%的置信度检验);(B)200 hPa辐散风距平(箭头)、速度势距平(绿线,实线为正,虚线为负,等值线间隔为2×106 m2/s)和500 hPa的p坐标垂直速度距平场(填色,单位:1/30 Pa/s;打点区表示通过了95%的置信度检验)
Fig.6 Composite summer (A)850 hPa wind anomalies and SST anomalies (K) and (B)200 hPa divergent wind anomalies, velocity potential (contours, dashed lines for negative values, interval: 2×106 m2/s) and 500 hPa vertical p-velocity (shading, 1/30 Pa/s; stippling denotes the correlation coefficients significant over the 95% confidence level) in the subsequent years of the EN events during (a)1958-1975, (b)1976-1992, (c)1993-2003 and (d) 2004-2018
在1976—1992年,夏季TIO_N海温与SCSSMI的相关最显著,表明前者作为对前期赤道中东太平洋海温异常滞后响应的中介,对同期南海-西北太平洋上空环流异常具有重要的影响,这从该时段EN事件合成的结果可得到验证(图6Ab,Bb)。由图6Ab可知,在热带北印度洋及海洋性大陆呈现出海温正异常,与此相伴随,从热带西太平洋到中南半岛上空对流层低层出现异常偏东风,而西北太平洋上空为异常反气旋,这是因为热带北印度洋的暖海温异常可通过强迫出东传的暖Kelvin波及Ekman辐散机制(简称WIED机制)导致上述异常反气旋式环流的形成[
从
在2000年代初以后,同期夏季Niño3.4海温与SCSSMI存在显著的正相关(
本论文分析了热带印度洋及周边区域海温对ENSO事件的滞后响应时间的年代际变化特征,并探讨了ENSO事件对副热带西北太平洋环流影响过程的年代际变化及相关机理,得出以下结论:
1)在ENSO事件中,热带印度洋、海洋性大陆及南海的海温对热带中东太平洋海温异常信号存在显著的滞后响应现象,且不同海区滞后响应最显著的时间及显著维持时间是不同的。热带南、北印度洋海温的滞后响应最显著的时间分别出现在次年3月和5月,而它们显著滞后响应可分别持续到次年6月和8月;海洋性大陆海温对ENSO的最显著滞后响应出现在2月,滞后显著响应可持续到次年9月;南海海温最显著的滞后响应及显著滞后响应持续时间则分别出现在次年7月和9月。因此,尽管ENSO信号在冬季就已达到最强,但其对环流与气候的影响可以一直持续到次年夏季。
2)ENSO事件的演变及热带印度洋、海洋性大陆海温对ENSO的滞后响应时间在1980年代初及2000年代初经历了显著的年代际转变。上述3个阶段的差异主要体现在第二阶段ENSO事件较前后两个阶段的持续时间更长、强度更强,热带南、北印度洋海温信号的显著响应时间则更滞后;海洋性大陆的海温则经历了响应显著、不显著和显著的年代际变化,其中最后一阶段的滞后显著响应的维持时间要比第一阶段长,甚至可到次年秋季。
3)ENSO事件通过热带印度洋及周边区域海温的滞后响应来影响东亚副热带夏季环流系统异常的过程具有明显的年代际变化特征。海洋性大陆、热带北印度洋和赤道中东太平洋海温都可分别作为不同年代的关键因子导致东亚副热带夏季环流系统的异常,进而影响东亚夏季气候。
此外,本文得到的结果说明热带印度洋及周边海温对ENSO的响应时间出现年代际差异主要与ENSO事件季节演变的年代际差异有关,其具体体现在赤道中东太平洋海温异常信号在ENSO衰减阶段的持续时间及强度的差异。这种差异性会影响热带印度洋及周边区域的海温通过大气桥、海气相互作用过程和海洋内部热动力过程对赤道中东太平洋海温异常的持续响应时间,进而引起在不同年代影响副热带西北太平洋夏季环流异常的关键海区不同。然而,导致与ENSO事件关联的赤道中东太平洋海温异常信号季节演变特征的年代际差异的原因还有待今后进一步研究和探索;热带印度洋-太平洋的海温及大气环流气候态的年代际变化等对上述相关问题的影响作用也还有待深入的分析研究。
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