袁博侖，潘增弟，劉娜，陳紅霞

（1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2.國家海洋局東海分局，上海 200137；3.國家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061）

Modoki對南半球中高緯度氣候及海冰異常的影響

袁博侖1，潘增弟2，劉娜3，陳紅霞3

（1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室，上海 200092；2.國家海洋局東海分局，上海 200137；3.國家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061）

利用診斷分析方法分析研究了熱帶太平洋ENSO Modoki現(xiàn)象對南半球中高緯度氣候和海冰的影響。分析了ENSO Modoki現(xiàn)象的季節(jié)變化特征，并定義了ENSO Modoki的活躍年和活躍季節(jié)。利用偏相關分析、合成分析和超前滯后相關分析等診斷分析方法，分析了1979年1月到2010年12月間ENSO Modoki影響南半球中高緯氣候及海冰異常的遙相關模態(tài)及可能的遙相關動力機制。研究結果顯示費雷爾環(huán)流的異常變化是兩者之間遙相關的可能方式。

埃爾尼諾南方濤動的Modoki；南半球中高緯氣候異常；南極海冰；遙相關

1 引言

眾所周知，ENSO是發(fā)生在熱帶太平洋的著名海氣耦合系統(tǒng)。ENSO發(fā)生時，熱帶東太平洋出現(xiàn)海表面溫度異常［1-2］。表現(xiàn)為熱帶太平洋EOF分析第一模態(tài)，占整個方差貢獻的一半左右［3-5］。近些年的研究關注了熱帶太平洋海表面溫度異常的EOF分析第二模態(tài)，并稱之為ENSO Modoki，它占整個方差貢獻的12%［3，5］。如圖1所示，ENSO Modoki發(fā)生時，熱帶太平洋中部區(qū)域與其東西兩側區(qū)域海表面溫度呈反向變化，它具有一個獨特的三極海表面溫度模式且是獨立于ENSO的海氣耦合系統(tǒng)［3，6］。

和ENSO類似，ENSO Modoki在全球氣候和大氣環(huán)流中也起著重要的作用。在ENSO Modoki影響下太平洋中部降雨增加，東西部降雨減少。通過大氣遙相關作用，其影響可到達澳大利亞東南部、北美洲西部、東亞南部。西亞南美等地的夏季氣溫異常也與ENSO Modoki活動有關［3］。Weng等［6］研究了ENSO Modoki對我國和日本的氣候影響，他們的結果顯示ENSO Modoki使一些區(qū)域趨向干燥，這些區(qū)域在傳統(tǒng)ENSO影響下原本是比較濕潤的。Taschetto和England［7］研究了ENSO Modoki對澳大利亞降雨的影響，結果顯示ENSO Modoki影響了澳大利亞北部和西北部的降雨，其影響時間在3月到5月。

南大洋作為溝通其他三大洋的重要通道，在全球氣候和海洋環(huán)流的變化中起著重要的作用。近年來在南大洋發(fā)現(xiàn)的南極繞極流（antarctic circumpolar current，ACW）、南極濤動（antarctic oscillation，AAO）及ADP（antarctic dipole）等大尺度周期性變化現(xiàn)象。探討這些異常變化模態(tài)的激發(fā)機制是目前國內、國際的一個研究熱點。前人的研究成果目前主要集中在其與熱帶太平洋ENSO之間的遙相關，觀測和數(shù)值模擬的大量結果均顯示兩者之間確實存在強的遙相關，對于該遙相關模態(tài)動力學機制，可通過“慢”的海洋過程和“快”的大氣過程兩種不同的方式對其進行理論解釋［8-15］。

圖1 ENSO Modoki發(fā)生時熱帶太平洋海表面溫度異常（正位相年的平均SST異常減去負位相年的平均SST異常）

ENSO Modoki與ENSO同處熱帶，并且都為海表面溫度場的周期性異常變化，那么ENSO Modoki和南半球中高緯度、海冰和氣候異常間是否存在遙相關呢？本文試圖通過診斷分析方法來研究這個問題。

2 資料來源

位勢高度場與風場資料取自月平均NCEP／NCAR（National Centers for Environment Prediction／National Center for Atmospheric Research）再分析資料，網格精度為2.5°×2.5°，SST數(shù)據為Hadley中心的海表面溫度數(shù)據，網格精度為1°×1°，海冰數(shù)據為SMMR（scanning multichannel microwave radiometer on the Nimbus 7 satellite）和SSMI（spatial sensor microwave／imager on several defense meteorological satellites）資料，其分辨率為25 km×25 km。所有數(shù)據的獲取時間都是從1979年1月到2010年12月，共計384個月，本研究中的分析均基于各氣候和海洋要素的月平均距平數(shù)據。

本文根據Ashok等［3］的研究，按下式定義ENSO Modoki強度指數(shù)（簡寫為iEM，ENSO Modoki index）：

iEM＝aSSTA-0.5aSSTB-0.5 aSSTC，

式中，區(qū)域A的范圍為10°S—10°N，165°E—140°W，區(qū)域B的范圍為15°S—5°N，110°～70°W，區(qū)域C的范圍是10°S—20°N，125°～145°E。

3 ENSO Modoki季節(jié)變化特征分析

前人在研究ENSO Modoki現(xiàn)象對氣候變化的影響時，多是選定某個季節(jié)［6-7］，而未對ENSO Modoki現(xiàn)象的季節(jié)變化特征進行完整詳細的分析。本文在研究ENSO Modoki現(xiàn)象對南半球中高緯度氣候異常及海冰異常的影響時，擬選取ENSO Modoki活動最強的季節(jié)。本部分首先對ENSO Modoki的季節(jié)變化特征進行分析。

圖2a采用Hadley海表面溫度數(shù)據給出了自1979年1月到2010年12月的ENSO Modoki月平均時間變化指數(shù)EMI圖，和Ashok等［3］給出的ENSO Modoki指數(shù)的數(shù)據源相同。Ashok等采用的數(shù)據值截止到2005年，在1979-2005年時間段上，本文給出的EMI指數(shù)時間序列和Ashok等［3］一致。

首先，采用大于或等于0.7個EMI季節(jié)標準差的方式獲得ENSO Modoki季節(jié)變化的正位相和負位相年。正位相年分別為1979／1980，1981／1982，1986／1987，1990／1991，1991／1992，1994，1994／1995，2002，2002／2003，2004，2004／2005，2009／2010年；負位相年分別為1983／1984，1984／1985，1988／1989，1998／1999，1999／2000，2000／2001，2005／2006，2007／2008年，其中正位相年有12個，負位相年有8個，在1979年1月到2010年12月總計32 a的研究時間段中，共計20 a作為ENSO Modoki活躍的年份。

其次，對正位相年和負位相年的連續(xù)24個月的EMI指數(shù)進行分析，得到ENSO Modoki季節(jié)變化特征。如圖2b所示，黑色和藍色曲線分別對應正位相年和負位相年EMI指數(shù)的絕對值，紅色曲線為所有正位相年和負位相年EMI指數(shù)的絕對值的均值，其中橫坐標對應連續(xù)24個月的變化，1對應活躍年之前一年的1月份。EMI指數(shù)最大處在圖2中對應的橫坐標為13，14，15，16，即第一年冬季晚期到第二年春季（1-4月）。

第三，為了進一步驗證ENSO Modoki季節(jié)強度變化的特征，給出了ENSO Modoki空間分布的季節(jié)變化特征。在熱帶太平洋地區(qū)（20°S—20°N），取正位相年的平均SST異常減去負位相年的平均SST異常得到每月的SST異常分布。如圖1所示，在1-4月ENSO的強度最強。以下分析均集中在1-4月。

圖2 1979年1月到2010年12月月平均的EMI指數(shù)變化時間序列（a），ENSO Modoki正位相年和負位相年對應的EMI絕對值24個月變化圖（b）。藍色表示正位相年，黑色表示負位相年，紅色為均值

4 ENSO Modoki對南半球中高緯度氣候異常影響的遙相關模態(tài)

4.1 遙相關空間模態(tài)

為消除ENSO的影響，采用偏相關分析來研究ENSO Modoki對南半球中高緯度氣候異常的影響。偏相關系數(shù)的計算公式為

式中，rY1表示參數(shù)變量與EMI指數(shù)之間的簡單相關，rY2表示參數(shù)變量與Nino3指數(shù)之間簡單的相關；而r12表示EMI指數(shù)與Nino3指數(shù)之間簡單的相關。還使用了合成分析、超前滯后相關分析等方法。海表面氣壓（sea level pressure，SLP）異常、不同高度位勢高度（height，HGT）異常與EMI的偏相關分析結果如圖3所示。

從圖3可以觀察到太平洋東部區(qū)域SLP異常與EMI主要以負相關為主，負相關最強位于10°～20°S，120°～140°W，而在太平洋西部到印度洋中部（20°N—30°S，50°～160°E）主要呈現(xiàn)正相關，在印度尼西亞、菲律賓附近海域正相關最強。在南大西洋西部、南極半島北部（35°～60°S，40°～60°W）呈現(xiàn)負相關，其相關系數(shù)極值在-0.4左右。另外值得注意的是在威德爾海附近存在較弱的負相關。

圖3c中白色部分是未通過90%信度檢驗的部分，而其余部分則是通過了90%信度檢驗的部分，從圖上可以看到，HGT異常和EMI的偏相關在大部分區(qū)域呈現(xiàn)正相關，在小部分區(qū)域呈現(xiàn)負相關。負相關主要出現(xiàn)在太平洋中部偏北位置和我國南部、澳大利亞東南部分。正相關主要是在25°N—25°S的低緯度地帶，其中太平洋中部的正相關程度最強。值得注意的是羅斯海和別林斯高晉海的HGT異常（200 hPa高度）與EMI呈現(xiàn)正相關。

圖3b表示HGT異常（500 hPa高度）與EMI的偏相關，由圖可知，在赤道附近（25°N—25°S）低緯度呈現(xiàn)正相關，這一點與200 hPa高度的HGT異常的偏相關情況類似，觀察到太平洋中部偏北區(qū)域（30°N—40°S，120°～180°W）、太平洋中部偏南區(qū)域（30°～40°S，115°～155°W）呈現(xiàn)負相關，近似南北對稱的關系。另外在羅斯海和別林斯高晉海區(qū)域呈現(xiàn)正相關，在羅斯海中部正相關程度最強。

4.2 遙相關時間模態(tài)

對SLP，HGT的月平均異常與EMI做偏相關，可得到偏相關結果的最大值位置，以該位置的384個月異常值（SLP異常和HGT異常）為相應變量的指數(shù)，與EMI作超前滯后的相關分析，時間是±24個月，其結果如圖4所示。從圖4可以看到EMI與SLP異常的超前滯后相關結果表明其極大值處滯后2個月，極小值提前1個月。由圖4a，b，c等綜合分析，200 hPa高度的HGT異常比EMI的相關值極值滯后2個月，這與1 000 hPa高度的HGT異常滯后時間相同，而500 hPa高度的HGT異常的超前滯后相關的極大值則是在滯后3個月發(fā)生。值得注意的是HGT異常在不同的高度的超前滯后相關的取樣位置并不相同。

圖3 EMI與SLP異常的偏相關系數(shù)分布（a），EMI與500 hPa HGT異常高度的偏相關系數(shù)分布（b），EMI與200 hPa HGT異常的偏相關系數(shù)分布（c）。彩色區(qū)域為通過90%t檢驗的區(qū)域

圖4 EMI-SLPa的±24個月超前滯后相關（a）、EMI-HGTa（500 hPa）的±24個月超前滯后相關（b）和EMI-HGTa（200 hPa）的±24個月超前滯后相關（c）

4.3 ENSO Modoki對南極海冰的影響

海冰是南大洋區(qū)別于其他海洋最重要的環(huán)境特征，觀測［16-19］和數(shù)值模擬［20-21］都表明無論在一個較長或較短的時間尺度上南大洋海冰對局地或全球的大氣和海洋環(huán)流的變化都起著重要作用［22-23］。Fletcher［16］首先觀察到南極海冰面積具有很大的年際變化這一事實，Cavalieri等［24］和Zwally等［25］指出了整個南極海冰范圍增加速度為14 300 km2／a，海冰面積增長為13 800 km2／a。按區(qū)域分析，正增長趨勢出現(xiàn)在羅斯海、南大洋太平洋扇區(qū)和威德爾海區(qū)域，負增長趨勢出現(xiàn)在別林斯高晉海、南大洋印度洋扇區(qū)和阿蒙森海。Liu等［26］在2004年的研究中指出一個明顯的反位相變化存在于西威德爾海和別林斯高晉海區(qū)域的海冰與南大洋太平洋中部扇區(qū)區(qū)域的海冰之間。ENSO和ENSO Modoki都與亞熱帶太平洋中部的海表面氣候變化有關，而ENSO和ENSO Modoki現(xiàn)象是否與海冰的變化相關，為了獲取ENSO Modoki對南極海冰的影響，首先對EMI和南極海冰密集度（sea ice concentration，SIC）異常進行偏相關分析。圖5a顯示南極海冰密集度異常和EMI在其活躍季節(jié)（1-4月）的偏相關結果。海冰北界異常（sea ice edge）是評價評價南極海冰的另一參數(shù)，圖5b顯示了南極海冰北界異常和EMI在其活躍季節(jié)（1-4月）的偏相關結果。

圖5 南極海冰密集度異常與EMI在1，2，3，4月的偏相關系數(shù)分布（a）和南極海冰北界異常與EMI在1，2，3，4月的偏相關系數(shù)（b）

如圖5a所示，在威德爾海中部地區(qū)（63°～77°S，30°～60°W）有顯著的正異常，其最大偏相關系數(shù)大于0.2，通過90%信度檢驗；在別林斯高晉海區(qū)域（67°～73°S，75°～110°W）呈現(xiàn)正的異常值，其極大值區(qū)域位于南極半島西側沿岸，其偏相關系數(shù)接近0.3，通過了95%信度檢驗；在羅斯海中部區(qū)域（70°～75°S，125°～180°W）呈現(xiàn)較強的負相關異常值，其最大偏相關系數(shù)超過-0.3，在極值區(qū)域超過-0.4，通過99%信度檢驗。

從圖5b的結果看，海冰北界（SIE）異常與EMI的偏相關結果顯示，30°～150°E的SIE異常呈負相關，最大值在70°E附近，其極值可達到-0.22；150°～175°E的SIE異常呈正相關，最大值在160°E附近，而110°～180°W的SIE異常呈負異常，而且相關負異常值最大達到-0.4，在140°W位置附近負異常達到最大值；0°～110°W的SIE異常與EMI指數(shù)呈正相關，其中最大的正相關值出現(xiàn)在80°W附近，達到0.33。相對應的區(qū)域是別林斯高晉海域，在20°～40°W處有一正相關小峰值，其最大正相關值達到0.18，而此處是威德爾海區(qū)域。

綜合海冰密集度異常與EMI偏相關分析結果和海冰北界異常與EMI的偏相關分析結果可以觀察到EMI的變化與南極海冰變化具有較大的相關性，其遙相關模態(tài)空間分布主要位于羅斯海、別林斯高晉海和威德爾海，其中在羅斯海中部和東部的區(qū)域海冰異常與EMI的負相關程度達到最大，而在別林斯高晉海東部（接近南極半島的部分）的海冰異常則與EMI達到較強的正相關。

5 機制分析

以上研究結果顯示ENSO Modoki和南半球中高緯度氣候和海冰之間存在遙相關關系。那么兩者之間的遙相關是通過怎樣的途徑實現(xiàn)的，本部分將采用合成分析的方法從大氣環(huán)流變化的角度探索兩者之間遙相關機制。合成分析步驟：第一，求ENSO Modoki正位相年南半球變量距平平均值；第二，求ENSO Modoki負位相年南半球變量距平平均值；第三，正位相年變量距平平均值減去負位相年變量距平平均值得到合成分析結果。

圖6顯示了南半球經圈環(huán)流的異常。圖6a所描述的異常情況顯示，在南半球低緯度（0°～20°S）是正常的赤道環(huán)流，而在30°～75°S的對流層環(huán)流則有較大的異常，其中40°～50°S沒有自上而下的氣流，只有從下往上貫穿對流層的上升氣流異常，該異?？諝饬鞯拇嬖诒厝灰鸫司暥葞任粍莞叨鹊漠惓p?。辉?0°～75°S，均存在由北向南的氣流異常，這將導致中低緯度的熱量、水汽等通過該環(huán)流模式傳輸?shù)侥蠘O極地附近。在80°～90°S有向北與向地面移動的氣流異常，這與中緯度氣流在75°～80°S內交匯并造成一定的影響。圖6b描述了別林斯高晉海區(qū)域經圈環(huán)流異常的緯向均值，在30°～50°S，有一由北向南、由低到高的上升氣流異常，而在50°～85°S，則有自北向南、從上往下的氣流異常出現(xiàn)，兩者在50°S附近交匯。圖6c描述了威德爾海區(qū)域經圈環(huán)流異常的緯向平均，在30°～50°S，有一股由北向南、由低到高的上升氣流異常。與6b不同，在6b中有部分氣流異常指向低緯度赤道方向，而在圖6c中卻沒有這樣的現(xiàn)象產生。在40°S附近的區(qū)域有極強的上升氣流異常。在75°～80°S，有一下沉氣流異常，隨著高度的降低而不斷向赤道方向和極地方向擴散，往極地方向的氣流異常和在80°～90°S之間的上升氣流交匯，向極地方向運動，而往赤道方向的氣流異常則在50°S附近形成一個較強的下沉氣流異常。

圖6 南半球經圈環(huán)流（v-omega）異常合成分析

圖7 南半球極地急流異常合成分析（200 hPa經向風U）

圖7顯示了南半球極地急流異常的合成分析結果，從圖7可以觀察到南太平洋中部（20°～40°S，110°～180°E）急流呈正異常，而在（45°～60°S，90°～150°E）則呈負異常。在羅斯海區(qū)域上空（65°～80°S，70°～150°E）呈較弱的正異常。

如圖8所示在南太平洋區(qū)域500，700，850 hPa高度的大氣環(huán)流異?；境收龎悍植?，可以明顯看到兩個環(huán)流異常，即中緯度與赤道低緯度間的環(huán)流、中緯度與高緯度間的環(huán)流，其中中緯度與低緯度的環(huán)流方向是順時針，而中高緯環(huán)流則為順時針，但在1 000 hPa，即在海面及陸地區(qū)域時，與對流層中上層有較大的差別。在澳大利亞東部有一自西向東的氣流異常使中低緯環(huán)流東移，并且從赤道往中緯度方向的氣流也向低緯度轉移，另外在中高緯度地表環(huán)流強度也比高空中要弱，其中由極地返回中緯度的氣流變?yōu)橄驑O地東南方向的異常。這些氣流異常的區(qū)域包括羅斯海的海域和別林斯高晉海區(qū)域。在南大西洋區(qū)域，500 hPa高度與其他700，850，1 000 hPa等高度的氣流異常狀況不同，其中500 hPa的中低緯環(huán)流是順時針而其余為逆時針，但500 hPa高度的中高緯環(huán)流和其他高度的中高緯環(huán)流方向一致，均為順時針，而且其合成結果與圖6c的結果吻合，即在80°S附近有下沉氣流異常并向赤道方向和極地方向分別擴散。在南印度洋的范圍可以觀察到在500，700，850 hPa等高度均有明顯的中高緯度間環(huán)流的存在，而位于1 000 hPa高度則不明顯，這或許與其靠近地面或海面而受到海氣或陸地大氣作用有關。

圖8 南半球不同高度的經向風與緯向風異常的合成矢量圖

6 結論

針對南極地區(qū)海表面壓力場、海表面和陸地表面的空氣溫度場、地面經向風場、對流層各層的位勢高度場和海冰場等氣候要素，首先給出EMI變化的時間序列，再得出各要素和EMI之間遙相關的空間模態(tài)，之后從大氣環(huán)流異常引起的氣候變化的角度對遙相關的空間模態(tài)給出了動力機制解釋。得到的基本結論如下：

（1）在南半球中高緯度大尺度低頻氣候和海冰的變化不但包含熱帶太平洋的ENSO信號，熱帶太平洋SST變化的ENSO Modoki現(xiàn)象亦被包含在其中。

（2）EMI和南極地區(qū)海冰異常遙相關空間的遙相關模態(tài)在EMI的鼎盛期表現(xiàn)為高低相間的分布，最明顯的海冰密集度異常出現(xiàn)在德雷克海峽兩側的海域和羅斯海海海域。對于EMI和南極地區(qū)海冰密集度異常之間的動力機制，以EMI正位相為例，在德雷克海峽兩側海域和羅斯海海域海冰密集度異常最明顯的地方，給出這樣的動力機制解釋：EMI發(fā)生時，在南半球德雷克海峽兩側海域／羅斯海海域所在的經度帶引起Hadley環(huán)流強度的異常減?。黾?，伴隨著該經度帶上亞熱帶急流向赤道／向南極移動，急流的變化引起了南半球中高緯度經向大氣環(huán)流（費雷爾環(huán)流）的異常，該經向大氣環(huán)流異常在對流層的中下層將攜帶向北／向南的經向熱通量異常，而經向熱通量異常是導致這兩個區(qū)域海冰密集度異常的直接原因。

致謝：感謝國家海洋局第一研究所的劉娜老師對于本文的指導和幫助！感謝第一海洋研究所的研究生林麗娜和郭延良在數(shù)據處理方面的指導！

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The impact of ENSO Modoki on the middle and high latitude climate and sea-ice anomalies in the Southern Hemisphere

Yuan Bolun1，Pan Zengdi2，Liu Na3，Chen Hongxia3

（1.State Key Laboratory of Marine Geology，Tongii University，Shanghai 200092，China；2.East China Sea Branch，State Oceanic Administration，Shanghai 200137，China；3.Key Laboratory of State Oceanic Administation Marine Science and Numerical Modeling，F(xiàn)irst Institute of Oceanography State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

By hiring CSD（climatological statistical diagnosis），the impacts of ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）Modoki on the middle and high latitude climate in the Southern Hemisphere and sea-ice anomalies of the South Pole are discussed.Active year and active months of ENSO Modoki are defined by combination of the former research and Modoki's seasonal variation.the CSD methods like correlation analysis，partial correlation analysis，composite analysis，lead-lag correlation analysis and so on are then imported to analyze meteorological elements field and ice data between January 1979 and December 2010.Through deep analysis and discussion，the teleconnection pattern and corresponding dynamic mechanism of ENSO Modoki are revealed.The result shows that there is an important relationship between ENSO Modoki and middle-high latitude climate and sea-ice anomalies in the Southern Hemisphere，the Ferrel Circulation is the most possible way of occurrence of teleconnection.

Modoki；middle and high latitude climate anomaly in Southern Hemisphere；sea-ice anomaly；teleconnection

P731.15

A

0253-4193（2014）03-0104-09

2013-05-23；

2013-07-23。

國家“九七三”重點基礎研究發(fā)展計劃“南大洋海-冰-氣相互作用及其對南印度洋的影響”（2010CB950301）；國家科技支撐計劃子課題“全球海洋環(huán)境和極地海冰數(shù)值預報關鍵技術研究”（2011BAC03B02-03-03）；國家高科技研究發(fā)展計劃課題“冰架熱水鉆關鍵技術與系統(tǒng)研發(fā)”（2011AA090401）；國家海洋局海洋公益行業(yè)專項“極地海洋環(huán)境監(jiān)測網系統(tǒng)研發(fā)及應用示范”（201305035）。

袁博侖（1989—），男，江西省九江市人，主要從事GIS研究、開發(fā)以及GIS與數(shù)值模式耦合等工作。E-mail：qwop369258＠gmail.com

袁博倫，潘增弟，劉娜，等.Modoki對南半球中高緯度氣候及海冰異常的影響［J］.海洋學報，2014，36（3）：104—112，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.011

Yan Bolun，Pan Zengdi，Liu Na，et al.The impact of ENSO Modoki on the middle and high latitude climate and sea-ice anomalies in the Southern Hemisphere［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：104—112，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.011