北太平洋是重要的海域之一,它对热带太平洋地区、东亚地区的气候都有着明显的影响(Latif and Barnett,1994;Deser and Blackmon,1995;Nakamura et al.,2008;方陆俊等,2016;张文君等,2018;祁莉等,2019;陈海山等,2020)。众所周知,北太平洋海表温度经验正交函数分析(Empirical Orthogonal Function,EOF)的第一模态是太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,PDO)模态(Mantua et al.,1997)。它是北太平洋上显著的年代际信号,研究指出PDO会造成局部地区气候的年代际变化(魏凤英和宋巧云,2005),并且PDO与热带太平洋的ENSO事件紧密联系(Wang,1995),有些研究甚至通过PDO的位相预测ENSO的频率与振幅(Papineau,2001;杨修群等,2004),而不同PDO位相背景下ENSO对东亚冬、夏季风和气候的影响也存在明显的不同(Wu and Wang,2002;朱益民和杨修群,2003;Wang et al.,2008;Yoon and Yeh,2010;Kim et al.,2014)。北太平洋海表温度EOF第二模态最近几年才被提出,它被Bond et al.(2003)称之为Victoria模态(Victoria Mode,VM)。那么VM和ENSO之间的联系是怎么样的?ENSO是全球重要的海气相互作用之一,若能确定VM与ENSO之间的联系,这将对ENSO的预测和分析起到一定程度的帮助。

Bond et al.(2003)指出VM是偶极子模态,呈南北跷跷板分布。20世纪50—80年代末PDO模态在北太平洋占据主导地位,但自20世纪90年代开始PDO减弱,而VM在90年代开始出现了明显的增强,并在北太平洋上逐渐占据主导地位。而后di Lorenzo et al.(2008)又提出了北太平洋涡旋涛动(North Pacific Gyre Oscillation,NPGO),NPGO模态是东北太平洋海表高度EOF第二模态,也是呈南北跷跷板分布的偶极子模态,与VM的空间结构相似,它与VM是同一物理过程在海表高度和海表温度上的不同表现形式(吕庆平等,2015)。研究指出NPGO对北太平洋的盐度和营养物质热带太平洋以及周边气候都存在显著影响(di Lorenzo et al.,2008,2009,2010),这引起了人们关注。

早在Lorenzo之前,Vimont et al.(2001,2003,2009)就曾指出北太平洋涛动(North Pacific Oscillation,NPO;Walker et al.,1928;Rogers,1981;Linkin and Nigam,2008)通过季节足迹机制(Seasonal Footprinting Mechanism,SFM)影响热带太平洋海温;Yu and Kim(2011)在北太平洋大气与两类ENSO事件关系的研究中发现NPO可以作为东部型ENSO事件转成中部型ENSO事件的连接机制,认为这一发现证明了热带外大气激发了热带太平洋地区的海温变化(Yu et al.,2010)。这些研究都间接说明NPGO作为NPO在海洋中的表现形式,也与ENSO存在一定的联系;di Lorenzo et al.(2010)指出中部型厄尔尼诺通过NPGO的大气表现形式:NPO(di Lorenzo et al.,2008;Furtado et al.,2012)对NPGO有影响。Ding et al.(2015)在比较NPGO和VM与ENSO相关性的研究指出,VM和ENSO的相关关系要明显强于NPGO和ENSO之间的相关关系,VM指数与CP指数(Ashok et al.,2007)同年为负相关,VM指数超前1a为正相关;又通过比较Niño3指数、Niño4指数和CP指数与VM指数的相关关系,发现VM指数和Niño4指数、CP指数的相关更好,但在分析个例时发现,VM次年发生的ENSO事件既有可能是东部型(EP)又有可能是中部型(CP;Ashok et al.,2007;Kug et al.,2009;王磊等,2014;Zhang et al.,2015),因此无法确定VM与两类ENSO事件的关系。

通过以上研究内容,已经了解到VM和ENSO之间是存在显著的线性相关关系(di Lorenzo et al.,2008,2009,2010;Ding et al.,2015),两者同年为负相关,VM超前1a时为正相关,但上述研究在分析VM和ENSO之间的关系时采用的统计分析方法(如相关分析和回归分析等)很容易将两者关系的非对称性忽略。研究表明,ENSO具有多样性和复杂性(Neelin et al.,1998;Trenberth and Stepaniak,2001;Jin et al.,2003;Bejarano and Jin,2008),它的类型、位相以及振幅都存在一定的复杂性(Yeh et al.,2009;Zhang et al.,2009,2012,2013;Okumura and Deser,2010),这使得ENSO与季风和局地气候变化之间表现出显著的非对称关系(Feng et al.,2010;Yu and Kim,2011;Zhang et al.,2011,2014,2015;Karori et al.,2013)。因此,VM和ENSO之间的非对称关系值得进一步研究,本文重点关注VM和ENSO关系的非对称特征,研究共分六部分,第一部分为引言,第二部分为资料和方法,第三部分简单介绍一下VM的时空特征,第四部分分析一下VM和ENSO在年代际和年际尺度上的相关关系,第五部分重点探讨VM和ENSO关系的非对称性,第六部分总结与讨论。

1 资料与方法

1.1 资料介绍

研究使用的海表温度资料是美国NOAA月平均海表温度扩展重建资料(ERSST.V3b;http://www.ncdc.noaa.gov/pub/data/cmb/ersst/v3/;Smith et al.,2008),时间为1950年1月—2017年12月,共68a的资料,网格距2°×2°。

1.2 数据处理与ENSO事件选取

研究应用了EOF分析、功率谱分析、回归分析、相关分析等方法来讨论VM和ENSO之间的关系,研究使用的数据均进行了去趋势和标准化处理,并采用10a的低通滤波和高通滤波将VM指数分解成年代际变率和年际变率,热带中东太平洋四个海温关键区指数Niño3.4指数(170°~120°W,5°S~5°N)、Niño4指数(160°E~150°W,5°S~5°N)、Niño3指数(150°~90°W,5°S~5°N,)和Niño1+2指数(90°~80°W,10°S~0°)均经过6mon到10a的带通滤波和3mon滑动平均。ENSO事件的选取参考了美国国家气候预测中心(NOAA CPC)对ENSO事件的定义,将经过6~10a的带通滤波和3mon滑动平均的冬季Niño3.4指数连续5mon高于(低于)0.5℃(-0.5℃)的事件定为厄尔尼诺(拉尼娜)事件(表1),包含连续事件共选出了18次厄尔尼诺事件和17次拉尼娜事件。

2 VM的时空特征

在讨论VM和ENSO的关系之前,首先了解一下VM的时空特征,图1a是VM的空间分布,图1b是VM指数的功率谱分析,图1c是VM指数的时间变化(黑色实线、红色虚线和蓝色虚线分别表示VM指数的原始序列、年代际变率和年际变率)。根据Bond et al.(2003)对VM的定义,对1950—2016年67a的北太平洋(100°E~100°W,20°~70°N)冬季(DJF)海表温度异常作EOF分析,得到了海表温度EOF前两模态即PDO和VM,前两模态的方差贡献分别为23.9%和18.6%,结果均通过North检验(North et al.,1982)。由图1a可以看到,VM是呈南北跷跷板分布的偶极子模态,正异常位于35°N以北的中高纬度地区,从135°E向东延伸到130°W,负异常位于35°N以南的副热带,从120°E向东延伸到170°W。将北太平洋冬季海温EOF第二模态的时间系数定义为VM指数,分析其周期特征可以发现,VM在2~3、5~6、8~10和14~28a都具有明显的周期特征,可以说VM虽然是北太平洋年代际变量,但它在年代际尺度和年际尺度上都存在显著周期。研究采用10a低通滤波将VM指数年代际变率提取出来并计算其方差贡献,发现VM指数年代际变率方差可以解释原始时间序列方差的47.88%,而年际变率可以解释原始时间序列方差的52.12%,这与di Lorenzo et al.(2008,2009)和Ding et al.(2015)的研究结果一致,可见VM有显著的年代际变率和年际变率。因此,下文将从年代际尺度和年际尺度分别讨论北太平洋VM与热带太平洋ENSO事件的联系。

3 VM与ENSO的年代际关系和年际关系

将冬季VM指数分成年代际变率和年际变率,并分别回归到同年及次年各季节(三个月平均)热带太平洋海表温度异常场,冬季VM指数年代际变率和年际变率与热带太平洋海温异常的各季节回归结果分别如图2a—h和图3a—h所示。从年代际尺度来看(图2a—h),北太平洋地区回归的海温异常通过了显著性检验,但其形态在各季节几乎没有变化,在冬季和春季(MAM)振幅最强,在夏季(JJA)和秋季(SON)较弱,然而无论是超前回归还是滞后回归,热带中东太平洋地区的海温异常均没有通过置信度为95%的显著性检验;VM指数年代际变率与4类Niño指数作超前滞后相关(图2i),得到的结果与回归分析结果一致,即VM年代际变率与ENSO的相关性较弱。然而在年际尺度上,VM与热带太平洋海温之间有显著的相关关系(图3)。同年春季时(图3a),VM滞后于热带中东太平洋海温场,热带中东太平洋海域出现了大范围的负异常,子午线以东均通过了95%的显著性检验,热带西太平洋则出现了正异常,并向南北半球副热带地区延伸,形成了马蹄形结构,即在热带太平洋出现了典型的拉尼娜型海温结构,此时北太平洋VM较弱;从同年夏季(图3b)开始,随着北太平洋VM的加强发展,热带中东太平洋的负异常的强度增强;同年冬季(图3d)时北太平洋VM最强,热带中东太平洋负异常的南北宽度略回缩;而到了次年春季(图3e),热带中东太平洋的负异常大幅减弱,通过检验的区域也明显减小,而热带西太平洋区域的正异常则东伸越过了子午线;到了次年夏季(图3f),热带中东太平洋海温异常全部转为正异常,并逐步加强发展,至次年冬季(图3h)达到盛期,海温正异常从热带中东太平洋向西伸展越过子午线,表现为典型的厄尔尼诺型海温结构;将VM指数年际变率与4类Niño指数做相关分析(图3i),其结果也与回归分析结果一致,从同年春季开始,VM与ENSO的联系开始增强,表现为显著的负相关,而次年春季各相关系数迅速由负转正,从次年夏季到第二年夏季表现为显著正相关,这与Ding et al.(2015)的研究结果一致。除此之外,4类Niño指数与VM的相关关系大体表现一致,尤其是Niño3和Niño4指数,因此从线性相关关系上很难判断与VM紧密相关的是东部型ENSO还是中部型ENSO。结合图2和图3可以发现,VM与ENSO在年代际尺度上的相关性较弱,而年际尺度上有很好的相关关系,同期为显著的负相关,而次年转为较强的正相关,当冬季北太平洋地区海温表现为VM正位相时,热带中东太平洋地区海温的季节演变表现为拉尼娜向厄尔尼诺发展。

4 VM与ENSO年际关系的非对称性

上述分析表明VM与ENSO在年际尺度上存在显著相关,但这种关系的确定是基于线性统计分析方法,线性分析方法可能会将VM和ENSO之间的非对称性关系忽略。为了研究VM与ENSO的非对称性关系,首先利用典型年份的合成分析来讨论两者的关系。以1.0个标准差为阈值,从1950—2016年选出10个正VM位相典型年和14个负VM位相典型年,如表2所示。图4为VM正、负典型年合成的同年冬季(图4a和4c)和次年冬季(图4b和4d)热带中东太平洋地区海温异常分布。可以看到,在VM正位相典型年同年冬季(图4a),合成的海温异常分布与图3d几乎完全一致,北太平洋地区出现显著的北正南负的海温异常,热带西太平洋地区出现显著的正异常,呈马蹄形结构并向南北两侧延伸,而热带中东太平洋地区则出现了大范围负异常,部分区域强度达到-0.6℃,是典型的拉尼娜型海温结构,但与图3d不同的是热带太平洋地区仅西太平洋的正异常通过了显著性检验,而热带中东太平洋的拉尼娜型海温异常未通过显著性检验;然而VM负位相典型年同年冬季(图4c)则与VM正位相典型年不同,不仅北太平洋地区出现明显的北负南正的海温异常,热带太平洋地区西部和中东部的海温异常均通过了显著性检验,中东部呈现的厄尔尼诺型海温异常强度在0.5℃以上。对比图4a和4c可以发现,虽然VM与ENSO同期的线性相关系数较高,甚至达到-0.6℃,但在VM正位相典型年热带中东太平洋并未出现显著的拉尼娜事件,两者的相关性较弱,而VM负位相典型年热带中东太平洋出现显著的厄尔尼诺事件,两者的相关性较强,由此可见正负VM事件与ENSO的同期关系是非对称的。VM和ENSO不仅同期关系是非对称,两者的滞后关系也出现了类似的非对称关系。在VM正位相典型年次年冬季(图4b),海温异常分布型与图3g十分相似,热带中东太平洋地区出现了范围大、强度强的正异常,并且越过子午线向热带西太平洋延伸,这是典型的厄尔尼诺型海温结构;而在VM负位相典型年次年冬季(图4d)时,虽然热带中东太平洋出现了大范围的负海温异常,但是整体强度偏小且未通过显著性检验,强度也明显不如VM正位相典型年,仅150°W以东的小部分地区海温异常达到了-0.5℃。由此可以看出,无论是同期还是滞后,VM正负事件与热带中东太平洋海温异常都存在显著的非对称性,正VM事件与同年冬季热带中东太平洋海温异常的相关性较弱,次年冬季热带中东太平洋海温异常对正VM事件有很强的响应,负VM事件与同年冬季热带中东太平洋海温异常的相关性较强,次年冬季热带中东太平洋海温异常对负VM事件的响应较弱。

前人研究表明,ENSO事件是El Niño和La Niña之间的涛动,存在明显冷暖位相的循环,厄尔尼诺次年易出现拉尼娜事件,拉尼娜事件次年也伴随厄尔尼诺事件的发生。由图3可知,VM和ENSO的年际关系在季节演变过程中也表现为拉尼娜向厄尔尼诺发展,为了区分ENSO循环可能存在的影响,将VM事件根据ENSO年和非ENSO年分成两类,利用散点图分析在ENSO年/非ENSO年时VM与ENSO的年际关系上的非对称特征。研究中以冬季Niño3.4指数代表ENSO事件强度,并将VM指数的绝对值小于0.5个标准差的年份定为非VM年,大于0.5个标准差小于1.0标准差为VM弱年,大于1.0个标准差为VM强年。结合VM事件当年ENSO事件的位相得到以下分类(表3)。表1中ENSO事件包含了连续事件,为了研究结果的显著性,在图5的分析中已将连续性ENSO事件剔除。

研究发现,ENSO年同年冬季VM指数和同期Niño3.4指数之间为负相关(图5a),当热带中东太平洋地区存在厄尔尼诺(拉尼娜)型海温异常时,北太平洋地区的VM事件位相为负(正),这表明ENSO对VM有一定的调制作用,它通过“大气桥”影响北太平洋,厄尔尼诺(拉尼娜)年有利于负(正)VM事件的出现。然而在非ENSO年时,虽然热带中东太平洋地区海温异常强度较弱,但北太平洋地区也出现了强VM事件(图5b),可以说VM事件的位相和强度不仅仅受热带中东太平洋地区海温异常的影响,还可能受到其他气候系统或者局地海气相互作用的影响。上文的分析已经指出为了区分ENSO自身循环对VM和ENSO年际关系的影响,研究仅对非ENSO年同年VM事件和次年Niño3.4指数的散点图(图5c)进行分析。由图可见,VM指数与次年冬季的Niño 3.4指数大体上呈正相关关系,相关系数约为0.53且通过了置信度为90%的显著性检验,这与图3得到的结果一致,说明VM事件对次年的ENSO事件具有一定的影响。但是将正负VM事件分开分析,得到了与图4一样的发现,即正负VM事件和ENSO的关系存在着一定的非对称性。从图5c中可以看到正VM事件发生的次年通常会出现厄尔尼诺事件,12个非ENSO年中有10年次年有厄尔尼诺事件发生,其概率为83%左右,而负VM事件发生的次年热带中东太平洋的状态呈现强的不确定性,各有一次明显的厄尔尼诺事件和拉尼娜事件发生,其他年份基本上为非ENSO年。由可以确定,VM和ENSO之间的年际关系存在显著的非对称性,正VM事件对次年的厄尔尼诺事件有一定的触发作用,而负VM事件对次年的ENSO事件并没有明显的影响。

图3i已经指出虽然VM和ENSO在年际尺度上有很好的相关关系,但无法从线性相关上确定VM与两类ENSO事件的关系,而图4和图5的分析指出VM和ENSO的年际关系是存在显著的非对称性特征的,那么VM和ENSO的关系的非对称特征在两类ENSO事件中是否存在差异?因此接下来的研究将从散点图来分析VM和两类ENSO关系的非对称特征。根据Kug et al.(2009)、Yeh et al.(2009)和Zhang et al.(2011)对两类ENSO事件分类的方法,将表1中的ENSO事件进行分类,将Niño3指数和Niño4指数标准化,绝对值前者大于后者定义为东部型ENSO事件,反之定义为中部型ENSO事件。由于1970/1971、1999/2000、2007/2008年3次拉尼娜事件的异常冷中心在盛期表现出自东向西迅速移动的特点(王磊等,2014;Zhang et al.,2015),难以根据其海气耦合特性判断是东部型还是中部型,因此剔除这3次拉尼娜事件。VM指数与Niño3.4指数同年(图6a)时,其结果与图5a结果相似,当热带中东太平洋地区为EP型厄尔尼诺(拉尼娜)事件时大多数VM事件为负(正)位相,仅有一次事件为正(负)位相,当热带中东太平洋地区为CP型厄尔尼诺(拉尼娜)事件时大多数VM事件为负(正)位相,仅有两次事件为正(负)位相,因此可以说无论是EP型还是CP型厄尔尼诺(拉尼娜)都有利于同年冬季负(正)VM事件的出现。VM指数超前Niño3.4指数(图6b)时,若VM为正位相,热带中东太平洋地区出现的ENSO事件为厄尔尼诺事件的概率约为83.3%,其中出现EP型厄尔尼诺事件的概率为60%,CP型厄尔尼诺出现的概率为40%,概率相差不大;若VM为负位相,热带中东太平洋地区出现的ENSO事件为拉尼娜事件的概率约为83.3%,其中出现EP型拉尼娜事件的概率为30%,CP型拉尼娜出现的概率为70%,结果存在一定差异。因此可以说,正负VM事件和两类ENSO的年际关系在同年没有差异,在次年存在一定差异,正VM事件次年发生的厄尔尼诺事件既有可能是EP型也有可能是CP型,而负VM事件次年若发生拉尼娜事件极有可能发生的是CP型拉尼娜事件。

5 结论与讨论

利用美国NOAA的海表温度资料重点分析了北太平洋海温异常EOF第二模态VM与热带太平洋ENSO年际关系的非对称特征。研究发现,虽然VM与ENSO在年际尺度上有很好的线性相关,但正负VM事件与ENSO冷暖位相之间存在着一定的非对称性。正VM事件与同年冬季热带中东太平洋海温异常的联系较弱,但次年常有厄尔尼诺(El Niño)事件发生;相比较而言,负VM事件在同年一般伴随厄尔尼诺事件的发生,而与次年冬季热带中东太平洋海温没有显著联系,且很少有ENSO事件发生。正VM事件对次年厄尔尼诺的发生发展似乎有促进作用,可作为ENSO前期预报因子之一,而负VM事件不能作为ENSO的前期预报因子。

VM是北太平洋海洋上重要的年代际变量,在空间上呈现南北相反的海温偶极型,它在20世纪90年代之前年际变化较为显著,从90年代之后年代际变化显著。VM具有明显的年际变率和年代际变率。VM和NPGO是同一物理过程在海表温度和海表高度的不同表现,现有关于VM/NPGO与ENSO联系的研究(Vimont et al.,2003,2009;di Lorenzo et al.,2010;Yu and Kim,2011;Ding et al.,2015)大多将指数和热带海温场进行相关分析或回归分析,从Vimont et al.(2003)利用模式分析发现北太平洋海温可以通过NPO(利用季节足迹机制)影响热带太平洋海温,到di Lorenzo et al.(2010)认为热带太平洋中部型厄尔尼诺可以通过NPO影响北太平洋,Yu and Kim(2011)通过季节回归分析发现北太平洋是东部型ENSO事件转成中部型ENSO事件的连接机制,直到最近Ding et al.(2015)发现VM和ENSO之间存在显著相关。研究利用10a的低通滤波和高通滤波将VM指数分成年代际变率和年际变率,采用与前人相同的分析方法,发现在年代际尺度上VM和ENSO的相关关系很弱,而年际尺度上得到了与Ding et al.(2015)一致的研究结论,即同年时两者为明显负相关,VM超前ENSO一年时两者为较强的正相关,并且在季节演变过程中表现为拉尼娜向厄尔尼诺发展的海温变化。由于ENSO本身具有一定的多样性和复杂性,研究对VM事件的典型年进行了合成分析,发现无论ENSO与VM是同期还是滞后1a,VM和ENSO的年际关系表现出了较强的非对称性,而线性回归/相关分析将这种非对称性忽略掉了。正VM事件与同年冬季热带中东太平洋海温异常的联系较弱,次年冬季热带中东太平洋海温异常对正VM事件有很强的响应,负VM事件与同年冬季热带中东太平洋海温异常的联系较强,次年冬季热带中东太平洋海温异常对负VM事件的响应较弱。

除此之外,通过散点图对VM事件和ENSO事件进行分析,发现在ENSO年时,ENSO会通过“大气桥”影响同年北太平洋,厄尔尼诺(拉尼娜)有利于负(正)的VM事件的出现,但是VM事件不只受ENSO事件的影响,研究显示非ENSO年也出现强VM事件,因此VM还可能受到其他气候系统或者局地海气相互作用的影响。厄尔尼诺年次年后常出现拉尼娜事件,拉尼娜年次年出现厄尔尼诺事件的次数相对较少,为区分ENSO循环的影响,研究仅讨论了非ENSO年的VM事件对次年ENSO事件的影响,发现非ENSO年的VM事件和次年ENSO之间大体上是正相关关系,但正负VM事件与ENSO之间存在一定的非对称性。当VM为正时次年热带中东太平洋发生厄尔尼诺事件的可能性较高,负VM事件对次年的ENSO事件没有明显的影响,因此正VM事件对厄尔尼诺事件的发生发展具有一定促进作用。研究从非对称性的角度对VM与两类ENSO之间的年际关系进行分析,发现VM事件和两类ENSO事件同期时,正负VM事件与两类ENSO事件的关系没有明显差异,但VM事件超前两类ENSO事件1a时,正负VM事件与两类ENSO的关系有了明显差异。当VM事件为正时,次年发生的厄尔尼诺事件既有可能是EP型也有可能是CP型,当VM事件为负时,次年若发生拉尼娜事件极有可能发生的是CP型拉尼娜事件。

ENSO是全球重要的海气相互作用之一,对其预测和分析一直是气象领域的研究重点,研究已经发现虽然VM和ENSO在年际尺度上有很好的相关关系(同年负相关,超前1a为正相关),但这种相关关系不是线性的。正VM事件对次年的厄尔尼诺的发生发展似乎有促进作用,可作为ENSO的前期预报因子之一来帮助预测ENSO的位相,而负VM事件与次年热带中东太平洋海温没有显著联系,不能作为ENSO的前期预报因子。VM和ENSO之间的非对称性关系十分复杂,其产生的原因也是多样的。众所周知,ENSO振荡振幅、周期以及冷暖位相的空间分布都存在明显的非对称特征(Stephen and Cane,1987;Hoerling et al,1997),这导致了东亚冬季风、西北太平洋地区大气环流、降水等对ENSO响应呈现显著的非对称(Zhang et al.,1996)。除此之外,两类ENSO事件的周期特征(Kug et al.,2009,2010)、冷暖位相的空间分布(Cai et al.,2010;Feng and Li,2011)和形成的物理机制(Ashok et al.,2007)也存在明显差异,使得它们对全球气候的影响也存在非对称性(Cai et al.,2010;Feng and Li,2011)。因此,VM和ENSO之间的非对称联系与ENSO自身的非对称性特征是密切相关的,但具体的原因还要进一步研究。目前已经发现在非ENSO年正VM事件对厄尔尼诺是存在影响的,因此接下来的研究中将对其物理机制进行深入的分析和讨论。

参考文献