唐紹磊,于 暘,楊曉峰,李紫薇
(1.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點實驗室,北京100101;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)
厄爾尼諾-南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)是影響全球氣候最顯著的因素之一。El Ni?o是一種起源于熱帶太平洋地區(qū)海表面溫度異常升高的現(xiàn)象。由海洋和大氣的耦合機制產(chǎn)生,并通過海洋和大氣的遙相關(guān)作用,使其影響擴大到全球大部分區(qū)域。根據(jù)最大海表面溫度異常(Sea Surface Temperature Anomaly,SSTA)出現(xiàn)的區(qū)域,可以將El Ni?o分為2類:東太平洋(Eastern Pacific,EP)El Ni?o和中太平洋(Central Pacific,CP)El Ni?o。2類El Ni?o現(xiàn)象不僅各自的季節(jié)表現(xiàn)不同,它們對不同區(qū)域的氣候影響也存在著較大差異。例如,中等強度的CP El Ni?o(2002和2004年)給印度以及澳大利亞帶去嚴(yán)重的干旱,造成巨大的經(jīng)濟損失[1-2],而強度非常大的 EP El Ni?o(1997-1998年)對這2個區(qū)域降雨量的影響卻非常??;在EP El Ni?o事件發(fā)生的冬季,美國的西北部會出現(xiàn)大范圍的升溫;在CP El Ni?o事件發(fā)生的冬季,美國的東南部會出現(xiàn)降溫的現(xiàn)象[3]。
黑潮屬于北太平洋西邊界流,起源于菲律賓以東,流經(jīng)我國臺灣島東部、東海,向北經(jīng)過日本南部海域與來自北極的親潮匯合形成北太平洋環(huán)流。黑潮是傳送熱能的暖洋流,其海表面溫度的異常及熱量釋放的多少對我國東部地區(qū)的氣候變化具有重要的影響。研究表明東海黑潮的海表面溫度與我國東部地面氣溫的關(guān)系在冬季十分密切,呈現(xiàn)出大面積的顯著的正相關(guān)關(guān)系[4];另外,當(dāng)春、夏季黑潮流域的海溫異常增暖時,長江流域出現(xiàn)降水增多現(xiàn)象[5-6]。
近30aCP El Ni?o事件發(fā)生頻率幾乎加倍[7],且隨著未來全球氣溫逐漸升高,可預(yù)見將會發(fā)生更多的高強度EP El Ni?o[8]。細(xì)分2類El Ni?o事件對黑潮流域海溫、流速等要素的不同影響,對于預(yù)測及應(yīng)對我國東部地區(qū)未來可能發(fā)生的災(zāi)害事件具有重要的指導(dǎo)意義。目前未見該方面的長時間序列的系統(tǒng)研究,我們利用25a的多源融合及再分析數(shù)據(jù),針對2類El Ni?o事件對黑潮流域海表面溫度等多個要素的不同影響進行了統(tǒng)計分析。
我們的研究范圍為黑潮流經(jīng)的臺灣東部、東海以及日本南部海域。
使用的資料包括英國氣象局哈德利氣象研究中心提供的1979-03-2014-02月均海表面溫度HadISST(Hadley Centre Global Sea Ice and Sea Surface Temperature)數(shù)據(jù),其空間分辨率為1.0°×1.0°(緯度×經(jīng)度)[9];美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)提供的 1980-03-2014-02GODAS(Global Ocean Data Assimilation System)月均表層(第一層)水平流速數(shù)據(jù),其空間分辨率為0.333°×1.0°[10];美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Center for Environmental Prodiection)和國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)聯(lián)合推出的1980-03-2014-02月均850hPa等壓面風(fēng)場數(shù)據(jù),其空間分辨率為2.5°×2.5°[11];美國氣候預(yù)測中心(Climate Prediction Center,CPC)提供的1979-03-2014-02月均降水?dāng)?shù)據(jù),其空間分辨率為2.5°×2.5°[12];法國 AVISO(Archivings Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)提供的1993-03-2014-02日均海平面異常 SLA(Sea Level Anomaly)數(shù)據(jù)[13]。
將上述各月均數(shù)據(jù),去除各自時間范圍內(nèi)的平均值得到距平值;對于日均SLA數(shù)據(jù),先進行算術(shù)平均得到月均值,然后再除去研究時間范圍內(nèi)每月的平均值以消去季節(jié)效應(yīng)。最后,月均值數(shù)據(jù)進行平均得到季節(jié)性均值,即3—5三個月數(shù)值平均得到春季均值,以此類推,12月至次年2月三個月數(shù)值平均得到冬季均值(此處1月和2月數(shù)據(jù)分別指次年1月和2月數(shù)據(jù))。
我們依照 Yuan和 Yang的方法[14],分別利用 Ni?o-3指數(shù)和EMI(El Ni?o Modoki Index)[15]來代表EP El Ni?o和CP El Ni?o。其中 Ni?o-3指數(shù)是指90°~150°W,5°S~5°N區(qū)域范圍內(nèi)的SSTA 的平均值;EMI=(SSTA)C-0.5(SSTA)E-0.5(SSTA)W,C,E,W 分別代表赤道太平洋中(165°E~140°W,10°S~10°N)、東(110°~70°W,15°S~5°N)、西(125°~145°E,10°S~20°N)部3個局部區(qū)域,SSTA代表求取各自區(qū)域內(nèi)其平均值。2類El Ni?o事件均是在事件發(fā)生當(dāng)年的冬季達(dá)到SSTA的最大值[16],因此采用事件發(fā)生當(dāng)年冬季平均的Ni?o-3指數(shù)和EMI與黑潮流域的SSTA、流速、SLA以及降水等變量進行偏相關(guān)分析、超前/滯后相關(guān)分析以及合成分析,研究2種類型的El Ni?o事件在發(fā)生當(dāng)年及次年對黑潮流域產(chǎn)生的不同影響,并使用雙尾t檢驗對其相關(guān)性進行顯著性檢驗。偏相關(guān)分析是為研究EP El Ni?o事件對各個變量的影響時排除CP El Ni?o事件的影響,反之亦然。偏相關(guān)系數(shù)計算公式:
其中,pr1表示偏相關(guān)系數(shù);rY1,rY2和r12表示相關(guān)系數(shù)。通過該公式能夠計算2類El Ni?o事件在發(fā)生過程中對各個變量的影響,例如:當(dāng)計算CP El Ni?o事件對當(dāng)年夏季海表面溫度的影響(圖1a)時,rY1表示1979—2014年冬季的Ni?o-3指數(shù)與1979—2014年夏季的SSTA的相關(guān)系數(shù),rY2表示1979—2014年冬季的EMI與1979-2014年夏季的SSTA的相關(guān)系數(shù),r12表示1979—2014年冬季的Ni?o-3指數(shù)與EMI的相關(guān)系數(shù)。使用合成分析方法時,參照Yu和Kim根據(jù)EMI指數(shù)計算得出的結(jié)果[17],認(rèn)為發(fā)生EP El Ni?o事件的年份包括1982—1983,1986—1987,1987—1988,1997—1998,2006—2007;發(fā)生CP El Ni?o事件的年份包括1991—1992,1994—1995,2002—2003,2004—2005,2009—2010。進行合成分析時,將每種類型所含年份的所有數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均得到所要的結(jié)果。
通過相關(guān)分析得到SSTA與Ni?o-3(左)和EMI(右)的偏相關(guān)關(guān)系(圖1中色標(biāo)的0.33,0.43分別表示置信度為95%和99%的相關(guān)系數(shù),填色區(qū)域為相關(guān)關(guān)系高于95%和99%的區(qū)域)。分析后發(fā)現(xiàn):
1)整個時間跨度(當(dāng)年夏季至次年夏季)中,EP El Ni?o對黑潮流域海表面溫度的影響存在正反2種相位:當(dāng)年的夏季和秋季為異常降溫作用(圖1a和圖1b),當(dāng)年的冬季開始轉(zhuǎn)為增溫效應(yīng)(圖1c),次年春季和夏季增溫效果更加顯著(圖1d和圖1e);而CP El Ni?o在整個時間跨度中僅表現(xiàn)為降溫效應(yīng)(圖1f~圖1j)。
2)影響效應(yīng)出現(xiàn)的時間不一致:EP El Ni?o自始至終對黑潮流域都有影響,整個時間跨度中經(jīng)歷了強降溫-弱降溫-弱升溫-強升溫的過程,在事件發(fā)生的當(dāng)年夏季和秋季,降溫效應(yīng)逐漸減弱(圖1a和圖1b),當(dāng)年冬季開始轉(zhuǎn)為升溫影響(圖1c),次年春季增溫效果最為顯著,幾乎覆蓋了黑潮流域的全部區(qū)域(圖1d),次年夏季增溫效果有所減弱,影響范圍只包含了黑潮流域的南部區(qū)域(圖1e);相比于EP El Ni?o,CP El Ni?o在當(dāng)年夏季對黑潮流域幾乎沒有影響(圖1f),秋季時降溫效應(yīng)突然達(dá)到最大,覆蓋了自臺灣東部到日本南部的所有區(qū)域(圖1g),然后影響逐漸減弱,到次年夏季時只有黑潮流域的南端受到了降溫的影響(圖1j)。
這與前人的研究成果具有相似之處,如孫楠楠[18]通過對黑潮區(qū)域和Ni?o-3區(qū)域面積平均的SSTA時間序列進行比較,發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ni?o-3區(qū)域出現(xiàn)明顯增溫時,黑潮區(qū)域海表面溫度會在其后的一段時期內(nèi)表現(xiàn)出相應(yīng)的溫度顯著升高現(xiàn)象,時滯分布為5~9個月,即該區(qū)域的增溫現(xiàn)象較Ni?o-3區(qū)域的增溫現(xiàn)象有5~9個月的滯后期,這與我們發(fā)現(xiàn)的次年春季和夏季增溫效果顯著(圖1d和圖1e)相符。
EP El Ni?o事件發(fā)生期間,黑潮流域海表面溫度的變化與印度洋東部海域的海表面溫度變化一致(圖1c~圖1e),因此可以認(rèn)為黑潮流域海表面溫度的變化機制與印度洋東部海域海表面溫度的變化機制相同。EP El Ni?o事件的發(fā)生導(dǎo)致印度洋海域海表面溫度發(fā)生變化,這表明存在著一種遙相關(guān)機制確保該聯(lián)系的存在,這種遙相關(guān)機制或許可以用熱帶大氣橋梁[19]來解釋:EP El Ni?o事件引起的大氣環(huán)流異常導(dǎo)致熱帶印度洋的云量和水汽蒸發(fā)量減少,進而改變了相應(yīng)海域的凈熱通量,凈熱通量的異常進一步導(dǎo)致了該區(qū)域海表面溫度的異常變化。而CP El Ni?o事件發(fā)生期間黑潮流域海表面溫度的變化則可能與熱帶太平洋海域暖水向東平流有關(guān),因為CP El Ni?o事件的發(fā)生通常伴隨著熱帶印度洋上空沃克環(huán)流的減弱[20],由于熱帶太平洋和熱帶印度洋共享暖池區(qū)域沃克環(huán)流的上升支,從而會導(dǎo)致熱帶太平洋區(qū)域的沃克環(huán)流強度減弱,進而在熱帶中太平洋區(qū)域引發(fā)異常的東向平流,導(dǎo)致熱帶西太平洋乃至黑潮流域海表面溫度降低。
通過相關(guān)分析得到表層海流異常與Ni?o-3和EMI的偏相關(guān)關(guān)系(圖2色標(biāo)中的0.29,0.34分別表示置信度為90%和95%的相關(guān)系數(shù),填色區(qū)域為相關(guān)關(guān)系高于90%和95%的區(qū)域,箭頭表示由經(jīng)緯向海流異常和Ni?o-3/EMI的相關(guān)系數(shù)組成的相關(guān)系數(shù)矢量),分析后發(fā)現(xiàn):
1)EP El Ni?o對黑潮流域流速的影響面積比 CP El Ni?o大:EP El Ni?o發(fā)生期間,在當(dāng)年的夏季(圖2a)、冬季(圖2c)以及次年的春夏季(圖2d和圖2e),該流域均有大面積的顯著相關(guān)區(qū)域;而CP El Ni?o發(fā)生期間,僅在當(dāng)年的夏秋季(圖2f和圖2g)存在較大面積的顯著相關(guān)區(qū)域。
2)圖中箭頭的指向表明,2類El Ni?o事件對黑潮流速的影響基本呈相反關(guān)系:對于流經(jīng)PN斷面(圖2中標(biāo)識)的海流,EP El Ni?o期間,影響較大的時期為當(dāng)年的夏季(圖2a)以及次年的春夏季(圖2d和圖2e),這3個季度期間,PN斷面的西北端均可以看到大面積的相關(guān)區(qū)域,且圖中箭頭均指向西南方向,表明EP El Ni?o對該區(qū)域的海流起減速作用;而在CP El Ni?o期間,影響較大的時期為當(dāng)年的夏秋季(圖2f和圖2g)以及次年的春季(圖2i),在當(dāng)年的夏季(圖2f),PN斷面的西北端有較大面積的相關(guān)區(qū)域,并且箭頭指向東北方向,在當(dāng)年的秋季(圖2g)以及次年的春季(圖2i),PN斷面的東南端有較大面積的顯著相關(guān)區(qū)域且箭頭指向東北方向,雖然3個季度中CP El Ni?o對PN斷面海流的作用位置略有不同,但均起到了加速的作用。對于流經(jīng)TK斷面的海流,EP El Ni?o期間,表現(xiàn)出顯著相關(guān)的季節(jié)為當(dāng)年的冬季(圖2c)及次年的春夏季(圖2d和圖2e),3幅圖中箭頭的方向各不相同:圖2c中為西北方向,圖2d中為東北方向,圖2e中為西北方向,因此對海流流速的影響也各不相同。在CP El Ni?o期間,只有次年的春夏季(圖2i和圖2j)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性,2幅圖中箭頭均指向東北方向,因此對該區(qū)域海流流速起到了加速的作用。另外,通過對2種類型El Ni?o事件的數(shù)據(jù)進行合成分析也可以得出相似的結(jié)論,例如,分別對發(fā)生EP El Ni?o事件和CP El Ni?o事件所在年份的當(dāng)年夏季異常值進行合成分析,得到圖3(圖中填色區(qū)域表示合成的表層流速異常值大小,箭頭表示由合成的經(jīng)緯向表層流速異常值組成的異常流速矢量)所示的結(jié)果:在EP El Ni?o事件中(圖3a),PN斷面流域箭頭指向西南,TK斷面流域箭頭方向為西;而在CP El Ni?o事件中(圖3b),情況剛好相反。
對于El Ni?o事件對黑潮流速的影響,袁耀初等[21]曾利用在東海黑潮區(qū)域?qū)崪y的水文資料來研究1997年的El Ni?o現(xiàn)象對該區(qū)域黑潮流速的影響,發(fā)現(xiàn)在1997年強EP El Ni?o事件的影響下,黑潮流速有所減小,尤其是經(jīng)過PN斷面的海流流速減小尤為明顯,這與我們的研究結(jié)果(圖2a~圖2e)相一致。
已有研究均表明,黑潮流量的變化與黑潮流域附近的氣旋有較大的關(guān)系:利用相關(guān)與合成分析方法發(fā)現(xiàn)黑潮流量的年際與年代際變化分別與流域上空的經(jīng)向風(fēng)異常以及太平洋年代際振蕩有密切的關(guān)系[22];通過將黑潮流量與風(fēng)應(yīng)力旋度進行分析,發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的相關(guān)關(guān)系[23];通過模式模擬發(fā)現(xiàn)黑潮流量的增加主要是由附近區(qū)域出現(xiàn)的反氣旋渦強度的增加導(dǎo)致的[24]。因此有理由判定我們發(fā)現(xiàn)的黑潮流域表層流速的變化可能是由于El Ni?o事件發(fā)生期間產(chǎn)生的大氣遙相關(guān)效應(yīng)導(dǎo)致黑潮流域附近氣旋的類型、位置、強度發(fā)生變化,進而導(dǎo)致風(fēng)應(yīng)力發(fā)生改變,造成黑潮區(qū)域海流的流速及流量發(fā)生改變。
圖3 發(fā)生EP El Ni?o和CP El Ni?o所在年份的當(dāng)年表層流速夏季異常值的合成圖Fig.3 Composite of surface current anomalies in summer for EP/CP El Ni?o
對黑潮延伸區(qū)的海平面異常變化與Ni?o-3指數(shù)的相關(guān)關(guān)系進行的研究表明,黑潮延伸區(qū)的海平面異常與El Ni?o事件有關(guān)。高理等[25]通過對整個黑潮延伸區(qū)的SLA數(shù)據(jù)進行空間算術(shù)平均,并對SLA和Ni?o-3指數(shù)時間序列進行低通濾波后獲取周期為2a以上的低頻分量,然后對兩者做相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)SLA的低頻分量與Ni?o-3指數(shù)存在負(fù)相關(guān),并在滯后時間為11個月時達(dá)到最大,相關(guān)系數(shù)約為-0.6。
我們通過相關(guān)分析得到的海平面異常(SLA)與Ni?o-3和EMI的偏相關(guān)關(guān)系(圖4中色標(biāo)中的0.37和0.43分別表示置信度為90%和95%的相關(guān)系數(shù),填色區(qū)域為相關(guān)關(guān)系高于90%和95%的區(qū)域)。在2類El Ni?o事件發(fā)生當(dāng)年及次年,整個黑潮流域海平面異常并沒有表現(xiàn)出比較明顯的較大面積顯著性相關(guān),呈現(xiàn)出相關(guān)性的區(qū)域比較零散,沒有規(guī)律性,只有在CP El Ni?o事件發(fā)生的次年夏季臺灣島的東北部有一較大面積的狹長流域表現(xiàn)出海平面降低的效果(圖4j),因此我們認(rèn)為2類El Ni?o事件的發(fā)生對黑潮流域海平面異常的變化沒有太大的影響。與高理等人的研究結(jié)果[25]有所出入的原因,可能是兩者研究的時間尺度有所不同,一個是月平均數(shù)據(jù),一個是季節(jié)平均數(shù)據(jù),對月均數(shù)據(jù)進行季節(jié)平均可能把月均數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性進行了削弱;兩者研究的空間尺度不同,一個是對整個黑潮延伸區(qū)域進行空間算術(shù)平均后整體分析,一個是對研究區(qū)域進行逐點分析,空間尺度的不同也有可能導(dǎo)致研究結(jié)果出現(xiàn)差異。
通過相關(guān)分析得到的降水異常與Ni?o-3/EMI的偏相關(guān)關(guān)系(圖5中色標(biāo)中的0.33,0.43分別表示置信度為95%和99%的相關(guān)系數(shù),填色區(qū)域為相關(guān)關(guān)系高于95%和99%的區(qū)域)顯示:
1)2類El Ni?o事件對黑潮流域降水的影響效果成相反關(guān)系。EP El Ni?o導(dǎo)致該區(qū)域降水量的增加(圖5c~圖5e);而CP El Ni?o導(dǎo)致該區(qū)域降水量的減少(圖5f和圖5j)。
2)作用時間不一樣。EP El Ni?o事件對黑潮流域的影響主要集中在事件發(fā)生的當(dāng)年冬季(圖5c)以及次年的春夏季(圖5d~圖5e);CP El Ni?o事件對該地區(qū)的影響主要發(fā)生在事件發(fā)生的當(dāng)年夏季(圖5f)以及次年的夏季(圖5j)。
對于EP El Ni?o事件導(dǎo)致該區(qū)域降水量增加而CP El Ni?o事件造成該區(qū)域降水減少的原因,Yuan和Yang[14]在研究不同類型的El Ni?o事件對東亞氣候的影響時給出了解釋,即2種類型El Ni?o事件在中國東南部及日本南部具有不同影響與2種現(xiàn)象有關(guān):一種是菲律賓海反氣旋(the Philippine Sea Anticyclone,PSAC),它是一個非常重要的能夠?qū)l Ni?o的影響從赤道地區(qū)傳送到東亞地區(qū)的天氣系統(tǒng)[26];另一種則是位于東亞地區(qū)的局地哈德里環(huán)流。這2種現(xiàn)象在2種類型的El Ni?o發(fā)生期間有著不同的表現(xiàn)。在EP El Ni?o發(fā)生期間,PSAC從最初的南中國海的南部(當(dāng)年夏季)逐漸向東北移動最終到達(dá)菲律賓東北部(當(dāng)年冬季、次年春夏季),使得其西北側(cè)的西南氣流覆蓋著中國東南沿海及日本南部(圖6中填色區(qū)域為相關(guān)關(guān)系高于95%和99%的區(qū)域,箭頭表示由經(jīng)緯向850hPa風(fēng)場異常和Ni?o-3的相關(guān)系數(shù)組成的相關(guān)系數(shù)矢量)。這為從赤道西太平洋和南中國海輸送水分到東亞地區(qū)創(chuàng)造了條件;另一方面,在赤道西太平洋地區(qū),異常的沃克環(huán)流的下沉支會在東亞地區(qū)產(chǎn)生局地的哈德里環(huán)流,該哈德里環(huán)流的上升支位于20°N附近的亞熱帶區(qū)域,為中國東南部和西北太平洋地區(qū)的長時間大量降水提供了動力機制。與此不同的是,在CP El Ni?o發(fā)生期間,PSAC不僅在當(dāng)年的冬季才出現(xiàn),更重要的是它在當(dāng)年的冬季和次年的春季一直位于菲律賓的西部和南中國海區(qū)域,然后在次年的夏季向北移動到日本的南部,使得PSAC西北側(cè)的西南氣流位置更加偏西北,不利于水分從南中國海或西太平洋輸送到東亞南部以及西北太平洋,進而使得該區(qū)域的降水偏少;另一方面,在東亞地區(qū)并沒有局地的哈德里環(huán)流形成,相反,在赤道中太平洋地區(qū)的異常沃克環(huán)流的上升支會在它的西北方向?qū)е乱粋€異常的下沉支的形成,而該下沉支剛好位于東亞南部以及西北太平洋,為該區(qū)域的干旱環(huán)境提供了動力機制。
圖6 當(dāng)年冬季和次年春季850hPa風(fēng)場異常與Ni?o-3的偏相關(guān)關(guān)系Fig.6 Partial correlation between 850hPa wind anomalies in that year′s winter and the following spring and Ni?o-3
基于25a的高精度融合及再分析數(shù)據(jù),利用偏相關(guān)分析、超前滯后相關(guān)分析以及合成分析方法研究EP El Ni?o和CP El Ni?o事件對黑潮流域海表面溫度異常、表層海流水平流速、海平面異常和降水變量的影響,發(fā)現(xiàn)2類El Ni?o事件對黑潮流域的影響有所差異:
1)對于海表面溫度異常(SSTA),EP El Ni?o的影響強度更大且具有降溫、升溫影響;CP El Ni?o的影響強度較小且只具有降溫效應(yīng);
2)對于表層海流水平流速,兩者的影響總體上呈相反狀態(tài),對于東海PN斷面的海流來說,EP El Ni?o具有減緩流速的作用,而CP El Ni?o則具有加速的作用;
3)對于海平面異常(SLA),兩者均沒有很明顯的規(guī)律性的影響;
4)對于降水,2類事件的影響強度相當(dāng)?shù)饔孟喾矗篍P El Ni?o使得黑潮流域降水增多,CP El Ni?o使得黑潮地區(qū)降水偏少。
我們的結(jié)論與前人研究成果基本相符,不同之處如El Ni?o事件對黑潮流域海平面異常SLA的影響;另外,由于我們僅僅是利用相關(guān)、合成分析方法對25a相關(guān)數(shù)據(jù)做了初步的統(tǒng)計分析,對不同影響背后的物理機制進行了初步的猜想,因此有必要在今后的研究工作中引入海洋環(huán)流模式或海-氣耦合模式,對2類El Ni?o事件對黑潮流域的不同影響進行深入詳細(xì)的探討,并對不同影響背后的物理機制進行明確的分析,加深對該問題的認(rèn)識,預(yù)測及應(yīng)對我國東部地區(qū)未來可能發(fā)生的災(zāi)害事件。
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