印度洋偶极子向海盆一致模转变的年代际变化及其成因

郭品文,吴清传

① 南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044; ② 南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044

印度洋尤其热带地区对邻近大陆及海洋的气候有着至关重要的影响,其一直是热带海洋、气象研究的重点对象之一(Han et al.,2014;杨萌洲和袁潮霞，2022)。研究表明,热带印度洋海温年际气候变化的第一模态为海盆一致模态(Indian Ocean Basin,IOB),表现为海盆一致的变暖或变冷,通常冬季开始发展,第二年春季达到最强,其发生常常伴随其他区域的海温异常,并且还通过多个途径影响东亚、南亚夏季气候(晏红明等,2000;Hu et al.,2011;Qu and Huang,2012;Huang et al.,2016；张玲等，2021)。第二模态是偶极子模态(India Ocean Dipole,IOD；Saji et al.,1999),表现出较强的纬向海温距平梯度,有东西符号相反特征,还具有明显的秋季锁相特征,不仅与ENSO联系紧密,同样对南亚、东亚地区的季风、降水等有十分显著的影响(Li and Mu,2001;Saji and Yamagata,2003;闫晓勇和张铭,2004;杨霞等,2007;王旭栋等,2017)。因此,了解IOD和IOB发生发展的规律,提高年际异常的预测水平是目前热带印度洋气候研究的重点。

近几十年热带印度洋年际变化的研究表明,IOB、IOD两种年际异常具有不同的空间分布和生命史,但并非相互独立,而是存在IOD向IOB转变的过程(杜振彩等,2006)。谭言科等利用小波分析发现在年际时间尺度上,IOD先于秋季达到峰值,并在之后约6 mon时IOB发展强盛,完成一次印度洋年际异常的转变(谭言科等,2003)。这种转变是否是IOD发生时的必然规律?研究还进一步发现,IOD向次年IOB演变的过程并非印度洋自身内部变率的规律,而是IOD和ENSO海气耦合相互作用的结果(谭言科等,2004;Nagura and Konda,2007;Yang et al.,2015)。其动力过程往往表现为,从IOD成熟期到ENSO成熟期,由于IOD和ENSO相互耦合作用的维持,以及印度洋较小的海盆尺度,当热带东印度洋持续受西或东风异常的影响时,热带印度洋的东西海温差在IOD成熟期后会迅速衰减并进一步转化成显著的IOB现象。

然而,大量研究已经表明,随着20世纪70年代全球大气环流的显著变化,各大洋区的年际现象对气候的影响也发生了一定的变化。例如,在1976/1977年之前,IOB不能维持到夏季,从而对西北太平洋反气旋的影响比较弱,而在1976/1977年之后IOB的维持时间更长,对东亚气候的影响更加显著(Huang et al.,2010)。IOD对东亚、南亚的气候影响也发生了一定的年代际变化(孙炜文等,2017)。热带印度洋与热带太平洋间的各类年际相互作用也存在明显的年代际变化(Ashok et al.,2003;Dong and McPhaden,2017)。基于上述国内外研究进展,发现以下一些问题,IOD向次年IOB的转变在年代际尺度上是否存在显著变化?若存在显著变化,原因是什么?IOD和ENSO的相互作用是否在转变环节起到重要影响?为此,本文将重点分析20世纪以来IOD到IOB这一年际转化的年代际变化特征以及成因分析。

1 资料和方法

本文所用的再分析格点资料主要包括:1)美国NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)提供的逐月海表面温度(ERSST,v5),水平分辨率为2°×2°,全球180×89个格点(Kalnay et al.,1996);英国Met Office Hadley Center提供的月平均HadISST,水平分辨率为1°×1°,全球360×180个格点(Rayner,2003);英国Met Office提供的月平均Kaplan SST水平分辨率为5°×5°,全球72×36个格点(Kaplan et al.,1998);三种资料的时段为1870—2010年;2)美国NOAA提供的NOAA-CIRES Twentieth Century Reanalysis月平均资料,水平分辨率为2°×2°,全球180×91个格点,垂直层数为24层,包括纬向风、经向风、垂直风等物理量,选取时段为1900—2000年(Compo et al.,2011)。

根据年际尺度异常的研究需要,每种数据在研究时间段都去除了长期线性变化趋势。IOD和IOB的年际变率均可分别利用相应的指数来定量描述。其中IOD指数(下称DMI)定义为热带西印度洋(50°～70°E,10°S～10°N)与热带东南印度洋(90°～110°E,10°S～0°)的海温距平差,正IOD事件(或正位相IOD)指热带西印度洋异常暖,热带东南印度洋异常冷的偶极型模态,相反模态称为负IOD事件(或负位相IOD)(Saji et al.,1999)。参考中国国家气候中心,IOB指数(下称BMI)定义为热带印度洋(40°～110°E,20°S～20°N)区域平均的海温距平,正IOB事件(或正位相IOB)指全区一致异常暖,反之称为负IOB事件(或负位相IOB)。IOD和IOB之间的转变可以用两者的相关系数定量表示,相关系数的绝对值越小,表明热带印度洋IOD发生时,未能在后期进一步转变成IOB,反之,转变现象发生。为了定量反映年际异常之间的转变,又能描述这种转变的年代际变化,本文使用滑动相关的方法,滑动窗口为11 a(徐建军等,1997)。文中还采用了合成分析、回归分析等统计分析以及年际信号去除手段等方法对物理量场进一步研究。其中去除指数等要素场中的ENSO/IOD信号的具体方法如下(An,2003):

其中:为去除ENSO/IOD信号后的要素场;为原始要素场;为ENSO/IOD指数区海温距平;为原始要素场与ENSO/IOD指数区海温距平的协方差;var()为ENSO/IOD指数区海温距平的方差。

2 IOD-IOB的年际转变及其年代际变化

利用3种百年长度的SST资料HadISST、ERSST和Kaplan SST分别计算得到的秋季DMI与冬季到次年春季(12月—次年5月)平均BMI指数进行11 a滑动相关(图1),发现20世纪初到20年代早期以及1970年以后是显著的正相关,基本通过置信度为95%的显著性水平检验,准确地反映了IOD向次年IOB年际转变的现象。而20世纪40—70年代出现断崖式下滑,相关不显著,几近零相关,这说明转变现象在此期间出现了严重减弱甚至消失的情况。由于1940年之前资料的可信度较之后低(Compo et al.,2011),因此后面研究将针对1940—2000这一阶段。

根据图1大致得出了存在年代际差异的两个时间段,即相关系数较弱的1940—1970年和较强的1970—2000年。此外,通过费舍尔-转换,两个时间段IOD和次年IOB之间的相关系数(分别为0.06和0.76)均通过了信度为0.05的显著性水平检验,且两个时间段不重合,因此选择是合理的。为了进一步检验IOD与IOB之间这种年际转变在1970年前后的变化,图2给出了1940—1970年、1970—2000年秋季DMI和后期冬、春季平均BMI指数的散点分布。图2反映出在1970年前,正(负)IOD事件发生时,冬季到次年春季热带印度洋正或负位相的IOB事件随机发生,两者线性相关较差。1970年以后,正(负)IOD事件发生时,后期冬、春两季伴随着正(负)IOB事件的发生。选取两个阶段的强正位相IOD年(1941、1946、1951、1961、1963、1967、1972、1982、1987、1994、1997年),分别对夏季到次年春季的印度洋海温异常进行合成分析(图3),发现正位相IOD在夏季开始发展,秋季达到成熟。但是在1970年前,正位相IOD在冬季迅速衰减之后,未再出现任何显著的年际异常(图3a—d)。相反,1970年以后,在正位相IOD发生后的冬、春季,热带印度洋逐渐变成一致变暖的异常,向IOB转变(图3e—h)。由此可见,热带印度洋IOD向IOB的年际转变在1970年以前几乎不存在,而在1970年以后这种典型的年际转变才出现(强负位相IOD合成分析结果一致,不再赘述)。

图1 3种百年海温资料的秋季(9—11月)DMI与冬季到次年春季(12月—次年5月)平均BMI的11 a滑动相关(横实线表示相关系数通过置信度为95%的显著性水平检验)Fig.1 The 11-year moving correlation between autumn (September-November) DMI (IOD Mode Index) and average BMI (IOB Mode Index) from winter to the next spring (December to May of the next year) based on three centennial SST data (Kaplan,ERSST and HadISST) (The horizontal solid line indicates the correlation coefficient passing the significance test at 95% confidence level)

图2 1940—1970年(空心圆和虚线)、1970—2000年(实心圆和实线)秋季(9—11月)DMI和冬季到次年春季(12月—次年5月)平均BMI的散点分布及其线性相关Fig.2 Scatter distribution and linear correlation between autumn (September-November) DMI and average BMI from winter to the next spring (December to May of the next year) during 1940—1970 (hollow circles and dashed line) and 1970—2000 (solid circles and solid line)

图3 1940—1970年(a—d)和1970—2000年(e—h)强正位相(标准差大于0.8)IOD年夏季到次年春季(4个季节)的印度洋海温异常合成(单位:℃;打点区域表示通过置信度为95%显著性水平检验):(a、e)夏季;(b、f)秋季;(c、g)冬季;(d、h)春季Fig.3 Composite SST anomalies in Indian Ocean from summer to the next spring (four seasons) in IOD years with strong positive phase (standard deviation greater than 0.8) during (a—d)1940—1970 and (e—h)1970—2000 (units:℃;The dotted areas indicate the values passing the significance test at 95% confidence level):(a,e)summer;(b,f)autumn;(c,g)winter;(d,h)spring

3 IOD-IOB的年际转变的可能成因及机理分析

为何在1970年前后,IOD向IOB的转变出现如此大的年代际差异?前人的研究已经表明,IOD-IOB的年际转变并不是热带印度洋内部的自然过程,而是IOD和ENSO海气耦合相互作用的结果(Yang et al.,2015)。IOD与ENSO的之间的关系一直是气候研究的重点,其中有4种观点:ENSO主动(刘宣飞和袁慧珍,2006;Dong et al.,2016);IOD主动(Jourdain et al.,2016);ENSO与IOD相互作用(吴国雄和孟文,1998;孟文和吴国雄,2000;Luo et al.,2010);ENSO与IOD相互独立(Wang et al.,2016)。多数学者认为正(负)位相IOD的发生发展过程会受到正(负)位相ENSO的促进作用,反之IOD也会对ENSO发展起到正反馈作用,使得ENSO在冬季达到成熟。那么,1970年前后IOD-IOB年际转变的差异是否与IOD和ENSO相互作用的年代际变化有关?为了回答此问题,接下来有必要检验这种海气耦合相互作用是否也在1970年前后发生了显著的年代际变化,并进一步探究其中存在的动力机理。

3.1 IOD与ENSO相互作用的年代际变化分析

图4 秋季(9—11月)DMI与冬季到次年春季(12月—次年5月)平均Nio3.4指数的11 a滑动相关(横实线表示相关系数通过置信度为95%的显著性水平检验)Fig.4 The 11-year moving correlation between autumn (September-November) DMI and average Nio3.4 index from winter to the next spring (December to May of the next year) (The horizontal solid line indicates the correlation coefficient passing the significance test at 95% confidence level)

图5 1940—1970年(a、b)、1970—2000年(c、d)原始(空心圆)和去除ENSO影响(实心圆)的DMI时间序列(a、c)以及原始(空心圆)和去除IOD影响(实心圆)的Nio3.4指数时间序列(b、d)Fig.5 Time series of (a,c)DMI with(hollow circles) and without(solid circles) ENSO effects and (b,d)Nio3.4 index with(hollow circles) and without(solid circles) IOD effects during (a,b)1940—1970 and (c,d)1970—2000

3.2 IOD-IOB年际转变年代际变化的机理分析

本文前述结果已经显示,IOD和ENSO之间的年际相互作用在1970年发生了明显的转变,并且这种年代际变化可能是导致IOD向IOB年际转变在1970年前后出现差异的直接原因。那么,这种影响的过程具体是如何实现呢?还需要进一步探讨其中的动力机理。

图6 1940—1970年前期、同期、后期的SST距平(填色;单位:℃)和850 hPa水平矢量风距平(箭矢;单位:m/s)对秋季DMI的回归场(打点区域表示SST异常通过置信度为95%的显著性检验):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.6 Regression fields of SST anomalies (color shadings;units:℃) and 850 hPa horizontal vector wind anomalies (arrows;units:m/s) on autumn DMI in the early,same and late periods of 1940—1970 (The dotted areas indicate the SST anomalies passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

图7 1940—1970年前期、同期、后期纬向-垂直矢量风距平对秋季DMI的回归场(单位:m/s;5°S～5°N范围内纬向平均;箭矢表示通过置信度为95%的显著性检验):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.7 Regression fields of zonal-vertical vector wind anomalies on autumn DMI in the early,same and late periods of 1940—1970 (units:m/s;The zonal average is obtained for the range of 5°S—5°N.The arrows indicate the values passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

图8 1970—2000年前期、同期、后期的SST距平(填色;单位:℃)与850 hPa水平矢量风距平(箭矢;单位:m/s)对秋季DMI的回归场(打点区域表示SST异常通过置信度为95%的显著性检验):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.8 Regression fields of SST anomalies (color shadings;units:℃) and 850 hPa horizontal vector wind anomalies (arrows;units:m/s) on autumn DMI in the early,same and late periods of 1970—2000 (The dotted areas indicate the SST anomalies passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

图9 1970—2000年前期、同期、后期纬向-垂直矢量风距平对秋季DMI的回归场(单位:m/s;5°S～5°N范围内纬向平均;箭矢表示通过置信度为95%的显著性检验):(a)6月;(b)8月;(c)10月;(d)12月;(e)次年2月;(f)次年4月Fig.9 Regression fields of zonal-vertical vector wind anomalies on autumn DMI in the early,same and late periods of 1970—2000 (units:m/s;The zonal average is obtained for the range of 5°S—5°N.The arrows indicate the values passing the significance test at 95% confidence level):(a)June;(b)August;(c)October;(d)December;(e)February of the next year;(f)April of the next year

4 结论与讨论

1)利用3种百年尺度的SST资料进行11 a滑动相关进行定量分析,发现热带印度洋由IOD向IOB的转变存在明显的年代际变化特征:1940—1970年期间,秋季DMI指数与冬、春季的平均BMI指数之间几乎减小至零相关,IOD事件和后期IOB事件一起发生的概率很小,这种年际异常转变现象几乎不存在。而在1970年以后,两者正相关性显著增强,每一次IOD事件的发生,在后期冬、春季,热带印度洋几乎都会出现IOB现象,是典型的年际异常的转变过程。

经过详细的诊断,本文不仅揭示了热带印度洋IOD-IOB年际转变在1970年前后的变化的这一现象,同时证实了IOD和ENSO的相互耦合作用年代际变化是导致这种差异出现的重要原因。进一步分析1970年前后热带印度洋、热带太平洋各物理量场之间的差异,发现热带大西洋-太平洋上空季风异常环流和反沃克环流之间形成的“齿轮式大气桥”耦合作用在1970年前后的变化,是影响IOD-IOB转变出现年代际变化的重要机理。为何热带印度洋与热带太平洋之间相互作用会出现如此明显的年代际差异,是否受到其他不同气候背景因素差异的影响?这仍需要更加深入的分析。因此,本文的结论和推测还需要更多统计分析和数值模拟结果的支持与肯定。