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6mon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11a(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):

$\phi ={\phi }^{*}-Z\times \frac{\mathrm{cov}\left({\phi }^{*},Z\right)}{\mathrm{v}\mathrm{a}\mathrm{r}\left(Z\right)}$

其中:φ为去除ENSO/IOD信号后的要素场;φ^*为原始要素场;Z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(Z)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11a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r-z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)。

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

本文选取Niño3.4指数定量表示ENSO的年际异常,定义为Niño3.4区(170°~120°W,5°S~5°N)的区域平均海温距平。同样,在3种不同资料下,用秋季DMI与冬季到次年春季(12月—次年5月)平均Niño3.4指数进行11a滑动相关来定量反映IOD和ENSO年际相互作用的年代际变化(图4)。结果一致反映,在1940—1970年期间,ENSO与IOD基本是未能通过置信度为95%的显著性水平检验的弱相关,甚至是零相关。1970年后转变为很强的正相关,且均通过置信度为95%的显著性水平检验。下面进一步采用去年际信号的方法,去除DMI(Niño3.4)指数序列中的Niño3.4(DMI)信号(图5),由此验证相互作用的年代际变化。1970年以前,DMI(Niño3.4)指数的时间序列保留和去除Niño3.4(DMI)信号的结果相比未有明显的变化(图5a、b)。1970年之后DMI(Niño3.4)指数时间序列保留和去除Niño3.4(DMI)信号的结果相比,在强度上变化十分明显(图5c、d)。这充分说明,以1970年为界,两个时期IOD和ENSO年际相互作用上确实存在明显差异。1970年以前热带印度洋IOD和热带太平洋ENSO发生发展相对独立,而1970年以后联系密切,几乎每一次IOD事件都伴随着ENSO事件的发生。这个变化结果和IOD向IOB年际转变的年代际变化惊人相似,由此证实了前文的猜想:IOD向IOB年际转变在1970前后发生的变化与IOD与ENSO耦合相互作用的年代际变化直接相关。

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。

为了能更准确反映IOD向IOB转变的完整过程,图6a—f展现的是1940—1970年期间前期、同期、后期的海表面温度与850hPa水平矢量风距平对秋季DMI指数的回归场,可以看到,正IOD事件从夏季开始发展(图6a、b),热带印度洋洋面上空850hPa开始出现显著的东风异常,有利于热带印度洋上层的暖海水向西输送,逐渐形成显著的西暖东冷的东西向海温异常的偶极型模态。到了秋季(图6c),东风异常达到最大,东西偶极型海温异常分布最为明显,正位相IOD达到成熟。而此过程中并未伴随着热带太平洋显著的西风异常的出现,最终未能导致El Niño的形成。秋季以后(图6d—f),热带印度洋出现的东风异常也未能维持,正位相IOD消亡后整个海区未出现显著海温异常,因此热带印度洋后期冬、春季并未出现正位相IOB现象(负位相IOD事件同理)。此过程与前面的诊断结果基本一致。

研究表明,El Niño的发展主要由热带太平洋上空的沃克环流异常导致,而IOD的发生发展由热带印度洋上空的季风环流异常导致。正位相IOD和El Niño之间相互作用,正是通过这两个纬圈环流异常在海洋性大陆之间一致的下沉支,一种类似于“齿轮式”的耦合完成的(Klein et al.,1999;孟文和吴国雄,2000)。为何在1940—1970年期间,正IOD事件发生时,热带印度洋出现了显著的东风异常,却无法通过海气耦合作用在热带中东太平洋激发出显著的西风异常?如图7a—f的纬向风与垂直风距平合成矢量风回归场所示,1940—1970年间夏季正位相IOD事件发生时,在热带印度洋上空开始出现东风异常,到秋季正位相IOD成熟时,上空已经激发出一个完整的顺时针纬圈环流即季风环流异常。但是整个过程季风环流异常未通过耦合作用在热带太平洋上空形成沃克环流异常,无法促进El Niño事件的发生发展。同时,由于没有El Niño的反作用,热带印度洋-热带太平洋相互耦合作用得不到维持,热带印度洋在后期无法受持续的东风异常的影响,在正位相IOD迅速衰减之后,未出现显著的正位相IOB现象。

而1970—2000年期间前期、同期、后期的海表面温度与850hPa水平矢量风距平对秋季DMI指数的回归场则呈现出完全不同的情况(图8a—f)。同样,正位相IOD事件在夏季开始发展(图8a、b),热带印度洋洋面上空850hPa就开始出现显著的东风异常,以赤道为界,南北呈现出一对反气旋式环流,有利于热带东印度洋的暖水自东向西输送,使得热带西印度洋暖水增加,暖区扩大,逐渐形成显著的西暖东冷的东西向海温异常的偶极型模态。而此时,热带西太平洋也开始出现显著的西风异常,El Niño开始发生发展。到了秋季(图8c),东风异常达到最大,东西偶极型海温异常分布最为明显,正位相IOD成熟,同时伴随着热带太平洋显著的西风异常增强,影响范围逐渐扩大至中东太平洋,在赤道两侧激发出了一对气旋式环流,将热带西太平洋暖水不断向热带中东太平洋输送,使El Niño持续发展(Kug and Kang,2006)。秋季之后(图8d—f),El Niño逐渐发展成熟,两者相互耦合作用维持,热带东印度洋的东风异常维持,此时在印度洋上空成对的反气旋移动至海洋性大陆上空,在环流引导下,来自亚热带太平洋的表层暖水开始通过海洋性大陆途经热带东印度洋而向西输送,西边的暖水区不断增大,加上印度洋本身海盆尺度较小,东西海温距平差迅速减小并向海盆一致变暖转变,导致了后期冬季、春季显著正位相IOB现象的出现(负位相IOD事件同理)。

如图9a—f,1970—2000年期间纬向风与垂直风距平合成矢量回归场更能清楚地反映了这一动力机理。很明显,夏季正位相IOD事件开始发生时(图9a、b),在热带印度洋上空出现东风异常,而此时热带西太平洋上空已经出现了一个完整的反沃克环流,通过热带印度洋和热带太平洋在110°E下沉支的耦合,热带印度洋上空逐渐激发出一个完整的顺时针纬圈环流即季风环流异常,使正位相IOD进一步增强,正反馈作用也使热带太平洋沃克环流异常增强,El Niño进一步发展。到了秋季(图9c),热带印度洋-太平洋整体洋面上空纬圈环流已经组合成一个相互耦合的“齿轮式”系统,耦合点东移至120°E,热带印度洋东风异常增强,正位相IOD发展成熟,热带太平洋西风异常也增强,El Niño逐渐发展。进入冬季(图9d、e),季风环流异常和沃克环流异常的相互作用依旧维持,耦合点东移至140°E,此时,热带印度洋上空仍存在显著的东风异常,来自热带太平洋表层暖水进一步向热带印度洋输送,使热带印度洋异常偏暖区逐渐扩大,这就迫使IOD迅速衰减并转变成一致变暖的现象。次年春季(图9f),热带印度洋仍受到El Niño的影响,其上空仍然存在东风异常,海盆异常增暖现象进一步增强。随着后期El Niño的衰弱,相互作用的减弱,整个过程结束(负位相IOD事件同理)。这不仅解释了为什么1970年以后,几乎每一次IOD事件的发生都伴随着ENSO事件,同时又清楚反映年际转变的耦合机理。

4 结论与讨论

1)利用3种百年尺度的SST资料进行11a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。

2)研究已发现,IOD向IOB现象的年际转变并不是热带印度洋内部的自然过程,而是热带印度洋IOD和同期热带太平洋ENSO海气耦合相互作用的结果。根据这一点,同样利用3种百年尺度的SST资料11a滑动相关方法考察了秋季DMI指数与冬季Niño3.4指数之间相关关系的年代际变化,发现了与IOD-IOB年际转变的年代际变化近乎一致的特征,具体表现为:1940—1970间两者相关关系并不显著,正(负)偶极子事件与暖(冷)ENSO事件同时发生的概率很小,去除ENSO(IOD)信号后的DMI(Niño3.4)指数也没有明显的变化,此期间热带印度洋IOD和热带太平洋ENSO发生发展相对独立。1970年后正相关非常显著,几乎所有的IOD事件都伴随着ENSO事件的发生,去除ENSO(IOD)信号后的DMI(Niño3.4)指数显著减弱,两者相互作用,联系密切。结果充分说明了,IOD向IOB年际转变在1970前后发生的变化的直接原因就是IOD与ENSO耦合相互作用的年代际变化。

3)通过分析前期、同期、后期的海表面温度、水平风矢量、垂直风矢量和次表层海温等物理量距平场对秋季DMI指数的回归场在1970年前后的年代际变化,深入探究IOD-IOB年际转变(即IOD和ENSO相互作用)出现年代际变化的动力机理,发现热带印度洋上空的季风环流异常和热带太平洋上空的反沃克环流之间一种类似“齿轮式”耦合作用存在年代际差异,其中具体动力过程表现如下:1970年以前,正IOD事件从夏季发展到秋季成熟的整个过程中,热带印度洋上空形成的季风环流异常无法与热带太平洋的沃克环流异常进行耦合,未能促进El Niño事件的形成。由于没有两者持续的相互作用影响,热带印度洋上空的东风异常在秋季之后难以维持,在正位相IOD迅速衰减之后,热带印度洋不能进一步出现显著的正IOB事件。而1970以后则呈现完全不同的情况,由于热带两大洋上空两个纬圈环流异常之间耦合作用的增强,正IOD事件发生时,印度洋通过海气相互作用,促进El Niño的发生发展,其本身又受到来自El Niño的正反馈。因此这种“齿轮式”耦合模型一直持续到冬季和次年春季,热带印度洋上空持续受到东风异常的影响和低层环流的引导,来自亚热带太平洋的表层暖水开始经过海洋性大陆向西输送,加上印度洋本身海盆尺度较小,西边的暖水区显著增大,东西海温距平差开始减小并向海盆一致变暖转变,导致了后期冬季、春季正IOB事件的出现(负IOD事件同理)。

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。

参考文献