冬季赤道太平洋不同類型海溫異常表征指數(shù)的再構(gòu)建

王美,管兆勇,皮冬勤③

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冬季赤道太平洋不同類型海溫異常表征指數(shù)的再構(gòu)建

王美①②*,管兆勇①,皮冬勤①③

① 南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

② 臺(tái)州市氣象局,浙江 臺(tái)州 318000;

③ 福建省氣象信息中心,福建 福州 350001

2015-01-23收稿，2015-04-06接受

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(41330425);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201406024)

摘要利用1963—2013年Hadley中心月平均海表溫度資料,以及NCEP/NCAR再分析資料,根據(jù)兩類厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)北半球冬季赤道太平洋地區(qū)海溫異常的不同空間分布特征,即赤道中太平洋CP型和東太平洋EP型海溫異常空間分布,從尋找與之相似的空間型角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一組新的海溫異常指數(shù)ICP和IEP。與以往ENSO指數(shù)相比,新指數(shù)組ICP和IEP不僅表示了空間上相互獨(dú)立的海溫異常分布,而且在相同的研究時(shí)段內(nèi),因時(shí)間域上相互獨(dú)立而能更好地表征和區(qū)分兩類El Ni?o/La Ni?a事件。據(jù)此,采用該新指數(shù)組探討了與中部型和東部型海溫異常事件相關(guān)的熱帶太平洋的主要海氣耦合特征。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的東部型El Ni?o事件發(fā)生時(shí)最大暖海溫中心位于赤道東太平洋地區(qū)不同,中部型El Ni?o事件,異常增暖中心位于赤道中太平洋。中部型時(shí)異常Walker環(huán)流的上升支向西偏移,異常降水集中于熱帶中太平洋,不似東部型時(shí)異常限定于赤道東太平洋地區(qū)。不論哪類事件,海洋性大陸均可受到影響,即CP或EP型El Ni?o發(fā)生時(shí),海洋性大陸區(qū)域降水偏少。但比較而言,中部型ENSO對(duì)海洋性大陸區(qū)域的影響更大。

關(guān)鍵詞

北半球冬季

中部型和東部

型ENSO

海溫異常指數(shù)

海洋性大陸

近年來(lái)的研究表明,熱帶太平洋上存在兩種不同類型且相互獨(dú)立的海溫變化模態(tài)(Larkin and Harrison,2005;Ashok et al.,2007;Kao and Yu,2009;Kug et al.,2009;Yeh et al.,2009;Ren and Jin,2011)。一種是傳統(tǒng)型的ENSO事件,表現(xiàn)為熱帶太平洋上緯向“偶極型”海溫分布,即熱帶中、東太平洋海表面出現(xiàn)大范圍持續(xù)異常變暖(變冷),而熱帶西太平洋卻出現(xiàn)相反符號(hào)的海溫異常(Rasmusson and Carpenter,1982;Harrison,1984;Harrison and Larkin,1996,1998)。一種是以赤道中太平洋海表溫度出現(xiàn)大范圍異常增暖(變冷),異常暖(冷)中心可西伸至Nio4區(qū)[160°E～150°W,5°S～5°N]的左邊緣帶,可被認(rèn)為是一種新型ENSO現(xiàn)象。20世紀(jì)90年代以來(lái),這種新型ENSO現(xiàn)象頻繁發(fā)生,對(duì)全球氣候異常造成了不同的影響(Yeh et al.,2009,2014)。

針對(duì)上述二種類型的海溫異常事件,在不同的研究時(shí)期,被不同的稱呼所表示,如“日界線”ENSO(Larkin and Harrison,2005),ENSO Modoki(Ashok et al.,2007),中部型ENSO(Yu and Kao,2007),“暖池”ENSO(Kug et al.,2009),等等。傳統(tǒng)型ENSO事件因其異常增暖中心在赤道東太平洋秘魯沿岸,而后再向西擴(kuò)展,相應(yīng)地被稱為東部型ENSO(Yu and Kao,2007)或者“冷舌”ENSO(Kug et al.,2009)。雖然在上述研究中以不同方式命名ENSO事件,但本質(zhì)上都是指熱帶太平洋地區(qū)不同分布類型的海溫異常(Kug et al.,2009),且以最大異常中心的經(jīng)度位置及其東西兩側(cè)的異常海溫梯度方向是否一致作為其最大差別。為便于研究,本文用東部型(Eastern-Pacific,EP)和中部型(Central-Pacific,CP)區(qū)分兩類不同的ENSO事件。

兩類El Nino事件在溫躍層深度、緯向流以及對(duì)流活動(dòng)位置的空間分布上存在差異,動(dòng)力機(jī)制也不同(Larkin and Harrison,2005;Kumar et al.,2006;Ashok et al.,2007;Kug et al.,2010;Wang and Wang,2013)。由于SST異常增暖中心位置不同,導(dǎo)致從熱帶至熱帶外相應(yīng)的遙相關(guān)明顯不同,造成局地乃至全球不同的天氣和氣候變動(dòng)(Kim et al.,2009;Kug et al.,2010;Lee and McPhaden,2010;Song et al.,2011;Yu et al.,2012)。例如,Kim et al.(2009)發(fā)現(xiàn)兩類El Nio事件在其主要發(fā)展期通過(guò)調(diào)制垂直風(fēng)切變對(duì)北大西洋氣旋路徑和頻率產(chǎn)生不同影響;兩類El Nio事件發(fā)生時(shí),北美地區(qū)相關(guān)的地表溫度和降水異常在空間型和符號(hào)上差異明顯(Yu et al.,2012)。此外,一些研究指出,相較于東部型,中部型El Nio事件造成澳大利亞、印度地區(qū)不同的降水異常(Kumar et al.,2006;Graf and Zanchettin,2012)。El Nio事件對(duì)某個(gè)特定地區(qū)的影響很大程度上取決于其屬于哪一類型,例如在沒(méi)有考慮El Nio事件類型的情況下,韓國(guó)地區(qū)各種氣候變量與El Nio的相關(guān)非常弱,這可歸因于不同類型的El Nio事件可造成相反的影響。事實(shí)上,在東部型El Nio事件發(fā)展階段,韓國(guó)大部分地區(qū)往往經(jīng)歷一個(gè)冷氣候,而中部型El Nio事件發(fā)生時(shí)這些地區(qū)經(jīng)歷暖氣候(Kug et al.,2010)。該例表明在研究El Nio事件的氣候影響時(shí),應(yīng)該針對(duì)不同類型事件分別探討。

為更好地認(rèn)識(shí)ENSO的多樣性,學(xué)者們從多個(gè)角度著手判定ENSO類型。首先是從定性方面進(jìn)行考慮,通過(guò)對(duì)比兩者的相對(duì)位置和特點(diǎn)粗略判定ENSO類型(符淙斌和弗萊徹,1985;林學(xué)椿和于淑秋,1993;唐佑民和劉書(shū)華,1994;趙永平和陳永利,1998;馮娟等,2010),其次是通過(guò)定義幾組指數(shù)對(duì)ENSO類型進(jìn)行定量判定,如依據(jù)兩類ENSO事件發(fā)生時(shí)熱帶太平洋SSTA的緯向空間分布差異定義的Nio3和Nio4指數(shù)(Kug et al.,2009;Yeh et al.,2009),Nio3和EMI指數(shù)(Ashok et al.,2007)/IEMI指數(shù)(Li et al.,2010),Kao and Yu(2009)的CP和EP指數(shù)等。由于Nio3和Nio4區(qū)覆蓋了赤道太平洋大部分地區(qū),因而其能夠捕捉到與ENSO海溫異常的大部分特征,即不論Nio3還是Nio4指數(shù)均涉及了兩類ENSO的主要信號(hào)。Ren and Jin(2011)將同時(shí)相關(guān)性較高的傳統(tǒng)的Nio3和Nio4指數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換,得到了彼此能夠基本獨(dú)立區(qū)分的NCT和NWP指數(shù)組。近年來(lái),學(xué)者們開(kāi)始根據(jù)次表層海溫、熱含量在兩類ENSO事件中不同特征表現(xiàn)定義了一些指數(shù),如:EPSI和CPSI指數(shù)(徐康,2013),HCEI和HCEMI指數(shù)(陳圣劼等,2013)。其中Ashok et al.(2007)的EMI指數(shù)則特別強(qiáng)調(diào)了中部型緯向三極型溫度異常特征,此對(duì)于非典型中部型ENSO的判斷存在不足,而Kao and Yu(2009)提出的聯(lián)合回歸—經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法可得到比較客觀的ENSO分類,但是其計(jì)算過(guò)程復(fù)雜繁瑣,并且判定標(biāo)準(zhǔn)不夠清晰。針對(duì)Kao and Yu(2009)分類ENSO事件中所存在的上述問(wèn)題,秦堅(jiān)肇和王亞非(2014)作了補(bǔ)充和改進(jìn),選取幾個(gè)關(guān)鍵區(qū)的海溫異常區(qū)域平均,定義了相對(duì)簡(jiǎn)單的指數(shù)。前人研究中指數(shù)的定義往往從ENSO整個(gè)事件中去定義,很少有學(xué)者針對(duì)冬季ENSO事件成熟階段特征,定義一組能夠區(qū)分兩類ENSO事件的指數(shù)。

因此,為了更好地描述CP/EP型ENSO事件,本文擬在前人研究的基礎(chǔ)上,綜合考慮冬季熱帶太平洋海溫變化,定義一組計(jì)算簡(jiǎn)便且能有效描述兩類ENSO的新指數(shù)。

1　資料和方法

1.1資料

所用數(shù)據(jù)為1963年1月—2013年12月NCEP/NCAR提供的月平均風(fēng)場(chǎng)資料,網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996);英國(guó)氣象局哈德萊中心(Met Office Hadley Centre)提供的1963年1月—2013年12月海冰和海表溫度數(shù)據(jù)集中的月平均SST資料(HadISST SST,Version1.1),網(wǎng)格分辨率為1°×1°(Rayner et al.,2003);美國(guó)國(guó)家海洋局(NOAA)1979年1月—2013年12月CPC Merged Analysis of Precipitation(CMAP)全球月平均降水資料(Xie and Arkin,1996)。

本文中冬季指當(dāng)年12月和次年1月和2月。冬季平均即指變量針對(duì)這三個(gè)月的平均。除降水采用1979—2013年的氣候平均外,其余資料的氣候平均均取為1963—2013年時(shí)段上多年的冬季平均。

1.2方法

除采用了一些常用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法包括相關(guān)分析、回歸分析、小波分析等外,還采用了6次多項(xiàng)式擬合方法來(lái)擬合海溫的不同的空間分布,即:

(1)

2　新指數(shù)的構(gòu)建

2.1海表溫度異常型的選取依據(jù)

Kug et al.(2009)首先將北半球冬季(12月—次年2月)標(biāo)準(zhǔn)化的Nio3指數(shù)或者Nio4指數(shù)超過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為El Nio年,其次再比較兩個(gè)指數(shù)的相對(duì)大小對(duì)其進(jìn)行分類,即若標(biāo)準(zhǔn)化的Nio3指數(shù)大于(小于)標(biāo)準(zhǔn)化的Nio4指數(shù),則該年為東部型(中部型)El Nio年。Yeh et al.(2009)采用這種方法對(duì)1970—2013年間的El Nio事件進(jìn)行分類,研究?jī)深愂录募竟?jié)性演變,發(fā)現(xiàn)兩類El Nio事件均在冬季成熟,這與Li et al.(2010)

2.2構(gòu)建新指數(shù)

用于定義CP型和EP型指數(shù)的SSTA分布的典型特征需滿足如下條件:對(duì)于熱帶中太平洋(CP)型,(a)顯著的海溫異常出現(xiàn)在赤道中太平洋地區(qū),(b)東太平洋、西太平洋的赤道地區(qū)為負(fù)異?；蛭⑷醯恼惓?(c)自中太平洋向東、向西有相反的溫度梯度條件(馮娟等,2010)。對(duì)于熱帶東太平洋(EP)型,(a)顯著的海溫異常出現(xiàn)在赤道東太平洋地區(qū),(b)中、西太平洋的赤道地區(qū)為負(fù)異?；蛭⑷醯恼惓?(c)東太平洋、中太平洋、西太平洋三者之間溫度梯度方向一致。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn),分別初步確定了熱帶中、東太平洋冬季海溫異常典型年份(表1)。

表1用于定義指數(shù)的冬季熱帶太平洋海溫異常典型個(gè)例年份

Table 1Selected years for defining the index of the tropical Pacific SSTA during boreal winter

類型正異常年負(fù)異常年CP型1963,1968,1977,19901973,1988,1998,2011EP型1965,1972,1982,19971970,1975,1985,1999

將冬季海溫距平在區(qū)間(5°S～5°N)上進(jìn)行經(jīng)向平均后,根據(jù)表1所給出的典型異常年份,分別針對(duì)CP/EP型正、負(fù)異常個(gè)例進(jìn)行合成,合成后再采用6次多項(xiàng)式進(jìn)行曲線擬合,得到圖1。依據(jù)公式(1)給出了擬合曲線方程,其系數(shù)ai的數(shù)值可見(jiàn)表2。

FPEP(λ*)=FEP(λ*)-αFCP(λ*)。

(2)

其中:FEP(λ*)、FCP(λ*)分別為EP型和CP型海溫異常擬合空間分布函數(shù);FPEP為濾除了與FCP相關(guān)部

圖1　熱帶太平洋(5°S～5°N)區(qū)間上平均的冬季海溫異常的典型年合成SSTA分布(虛線表示合成差值場(chǎng),實(shí)線為6次多項(xiàng)式擬合曲線)　　a.針對(duì)中部型;b.針對(duì)東部型Fig.1　Composite differences of the equatorial Pacific SSTA averaged over 5°S to 5°N between typical El Nio and La Nia years for (a)CP-and (b)EP-type events(dashed line indicates the composite difference;solid line is the curve fitted with the six-order polynomial function)

表2CP/EP型海溫異常擬合曲線方程各項(xiàng)系數(shù)

Table 2Coefficients of polynomial functions for CP-and EP-type SSTAs

類型a0a2a3a3a4a5a6CP型0.179.59×10-22.71×10-51.14×10-56.23×10-74.55×10-91.01×10-6EP型0.195.89×10-25.37×10-56.68×10-51.09×10-66.61×10-91.42×10-11

分后的純的EP型海溫異常空間分布函數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算α=0.74。如此,得到了純東部型海表溫度異常的緯向空間分布函數(shù)FPEP(λ*),其將被用來(lái)表現(xiàn)赤道太平洋東部型海溫異常的典型特征。要說(shuō)明的是,中部型海溫異常典型特征仍由中部型海溫正、負(fù)異常年合成差值的擬合曲線FCP(圖1a)表現(xiàn)。

利用所得到的CP/EP型海溫異?？臻g分布(圖2),求取了1963—2012逐年冬季在(5°S～5°N)上平均的SSTA與FCP和FPEP的空間相似系數(shù)rCP(t)和rEP(t)(圖3a、3b)。當(dāng)相似系數(shù)的絕對(duì)值超過(guò)0.55時(shí),該年將被認(rèn)為在空間上海溫異常與CP/EP型曲線(圖2)足夠相似。由圖3a、3b可以看出,具有CP型海溫異常特征的年份(共33 a)明顯多于具有EP型海溫異常特征的年份(共17 a)。

圖2　冬季赤道太平洋中部型和東部型SSTA緯向分布(實(shí)線為中部型,虛線為東部型)Fig.2　Zonal distribution of the equatorial Pacific CP-type(solid line) and EP-type(dashed line) SSTA

圖3　1963—2012年冬季SSTA(a,c)與CP/EP型(b,d)擬合曲線的空間相似系數(shù)(a,b)以及初步定義的ICP0(c)、IEP0(d)指數(shù)時(shí)間序列Fig.3　Time series of spatial similarity coefficients between the observed SSTA in boreal winter and the fitted curves for (a)CP-type and (b)EP-type events using a six-order polynomial function for the period 1963—2012 and the tentatively definedindices of (c)ICP0 and (d)IEP0,for CP-and EP-type ENSO events,respectively

為給出描述和區(qū)分CP/EP型海溫異常的指數(shù),根據(jù)圖2,分別選取FCP≥2.0 ℃的區(qū)間CB:[174～136°W]和FPEP≥2.0 ℃的區(qū)間EB:[120～85°W]作為CP/EP型海溫異常關(guān)鍵區(qū)間,對(duì)于CP型,記區(qū)域C:[174～136°W,5°S～5°N]和對(duì)于EP型記區(qū)域E:[120～85°W,5°S～5°N]為關(guān)鍵區(qū)域。對(duì)于每一年冬季,求取區(qū)域C和E上海溫異常的面積平均的絕對(duì)值|[TSS]C|和|[TSS]E|,分別乘以空間相似系數(shù)rCP(t)和rEP(t),即初步得到CP/EP型海溫異常指數(shù)ICP0/IEP0(圖3c、3d)。用公式表示為:

(3)

值得關(guān)注的是,ICP0和IEP0的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.46,表明指數(shù)間并不完全獨(dú)立。為了從時(shí)間上分離兩類El Nino事件,采取和空間分離相類似的方法,即用公式(4)消除IEP0中ICP0信號(hào)的干擾,最終得到描述兩類El Nino事件的指數(shù)組ICP和IEP(圖4)。

IEP=IEP0-μICP。

(4)

這里ICP=ICP0;μ=0.45。

圖4　新構(gòu)建的1963—2012年冬季標(biāo)準(zhǔn)化的CP型ENSO指數(shù)ICP(實(shí)心柱)和EP型ENSO(空心柱)指數(shù)IEP時(shí)間序列Fig.4　Normalized time series of the newly reconstructed SSTA indices of ICP(solid bars) and IEP(open bars),for CP-and EP-type ENSO events over the period 1963—2012(dashed lines are the values for 0.75 and 1.0 of one standard deviation)

2.3周期分析

為了定量分析兩類ENSO事件的周期及強(qiáng)度變化,圖5給出了近50 a(1963—2012年冬季)ICP和IEP的標(biāo)準(zhǔn)化序列的小波功率譜和全時(shí)域功率譜。從ICP指數(shù)小波變換功率譜可以看出,中部型ENSO在1970年代初期出現(xiàn)短暫的2～3 a的周期,在1980年代后期表現(xiàn)出3～5 a的周期,在2005—2010年表現(xiàn)出強(qiáng)烈的3～4 a周期,并且在1980—2004年還表現(xiàn)出顯著的10 a以上的年代(際)變化;從全局功率譜可以看出,中部型ENSO的3～4a周期和4～12 a周期均超過(guò)顯著性為5%的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn),其中3.5 a和10 a周期最為突出,且年代(際)信號(hào)更強(qiáng)。與中部型ENSO不同,從IEP指數(shù)的小波變換功率譜看出,在1980—1985年主要表現(xiàn)為3～6 a周期,在1995—2000年表現(xiàn)為2～6 a周期,同時(shí)在1980—2000年表現(xiàn)出8 a周期,90年代后期出現(xiàn)年代際變化;從全局功率譜看出,東部型ENSO的2～6 a和10 a以上的周期超過(guò)顯著性為5%的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn),但是年際變化更為突出。這二種類型的不同的SSTA變化均主要表現(xiàn)在2～7 a的周期區(qū)間內(nèi),只是CP型的年代(際)變化更清楚,這一結(jié)果與通常認(rèn)為的ENSO變化周期變化吻合(Weng et al.,2007;徐康,2013),亦與赤道太平洋地區(qū)的年代(際)變化吻合(Fedorov and Philander,2000)。

圖5　1963—2012年冬季ICP和IEP標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列的小波變換功率譜(a,b)及相應(yīng)的全時(shí)域功率譜(c,d)(a、b中陰影部分表示通過(guò)95%顯著性的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn),點(diǎn)線部分表示影響錐形曲線;c、d中實(shí)(虛)線表示小波全局功率譜(0.05信度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)譜))Fig.5　(a,b)Wavelet transform power spectrum for the ICPtime series and IEPtime series,and the (c,d)corresponding global power spectra,respectively,for the period 1963—2012[color-shaded areas in (a,b) indicate values significant at and above the 95% level of confidence using a test of red noise power spectrum;dotted lines are the cones of influence;the solid (dashed) lines in (c,d) indicate the global wavelet power spectrum(the standard spectrum for values significant at the 95% level of confidence)]

2.4與現(xiàn)有指數(shù)對(duì)比

前述ICP和IEP能夠較清晰地區(qū)分兩類ENSO,描述了兩類ENSO在周期變化上的差異。下面將利用新指數(shù)組作為分類指數(shù)對(duì)已發(fā)生的ENSO事件進(jìn)行分類。針對(duì)近年來(lái)ENSO中部型事件多發(fā)的趨勢(shì),Nio3.4指數(shù)被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)ENSO事件較權(quán)威的指標(biāo)。首先依據(jù)1963—2012年冬季標(biāo)準(zhǔn)化的Nio3.4指數(shù)確定厄爾尼諾和拉尼娜年,即標(biāo)準(zhǔn)化的Nio3.4指數(shù)大于等于1(小于等于-1)則該年為厄爾尼諾(拉尼娜)年;再利用ICP/IEP指數(shù)判定ENSO類型。圖6給出1963—2012年冬季標(biāo)準(zhǔn)化的ICP/IEP指數(shù)散點(diǎn)分布,其中黑點(diǎn)、深灰點(diǎn)、淺灰點(diǎn)分別代表Nino3.4指數(shù)處于[1,+∞)、(-∞,-1]、(-1,1)。可以看出,厄爾尼諾事件(黑點(diǎn))主要分布在第一象限,此時(shí)ICP/IEP指數(shù)均大于0,并且其中絕大多數(shù)黑點(diǎn)靠近縱軸,表明厄爾尼諾事件多表現(xiàn)為中部型,而極少數(shù)黑點(diǎn)靠近橫軸右端,表明少數(shù)厄爾尼諾事件為強(qiáng)東部型;深灰點(diǎn)主要分布在第三象限,此時(shí)ICP/IEP指數(shù)均小于0,其中IEP的值限定在(-1,0),ICP值則出現(xiàn)(-2,-1),表明強(qiáng)拉尼娜事件多表現(xiàn)為中部型的特點(diǎn)。同樣可以從圖中看出,新指數(shù)ICP和IEP之間較獨(dú)立的關(guān)系。

圖6　1963—2012年冬季標(biāo)準(zhǔn)化的ICP和IEP在相空間中的散點(diǎn)分布(黑點(diǎn)、深灰點(diǎn)、淺灰點(diǎn)分別代表Nio3.4指數(shù)處于[1,+∞)、(-∞,-1]、(-1,1)區(qū)域)Fig.6　Scatter plot of standardized values of ICPand IEP from 1963 to 2012 in phase space,with the black,dark gray and light gray dots representing the Nio3.4 index in the space domains of[1,+∞),(-∞,-1] and (-1,1),respectively

利用前述所定義ICP和IEP指數(shù)可計(jì)算其與1963—2012年冬季各El Nio指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。由表3、表4可以發(fā)現(xiàn),ICP指數(shù)和Kao and Yu(2009)定義的KaoCP指數(shù)和Ashok et al.(2007)年定義的EMI指數(shù),相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.84,而與Nino1+2指數(shù)關(guān)系最弱,相關(guān)系數(shù)在0.53左右;與IEP指數(shù)相關(guān)最好的是Kao and Yu(2009)定義的KaoEP指數(shù),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94,其次是Nio1+2指數(shù)(0.80),相關(guān)性最弱的是Nio4指數(shù)(0.01),這間接表明了與濾除了Nio4信號(hào)的KaoEP指數(shù)高相關(guān)的原因。最后,值得注意的是EMI與Nio3指數(shù)在1963—2012年冬季同期相關(guān)達(dá)到0.62,而ICP和IEP之間相關(guān)系數(shù)接近0,表明兩個(gè)新指數(shù)ICP和IEP彼此獨(dú)立,可望較好地分離東部型和中部型ENSO事件。

注意到Ren and Jin(2011)將同時(shí)相關(guān)性較高的傳統(tǒng)Nio3和Nio4指數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換而得到彼此能基本獨(dú)立區(qū)分的NCT和NWP指數(shù)組。這組指數(shù)在獨(dú)立表征兩類ENSO事件的能力上確有顯著改進(jìn)。NCT和NWP之間相關(guān)系數(shù)為0.28,相比于Nio3和Nio4之間0.83的相關(guān)要小得多。經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),IEP與NCT指數(shù)相關(guān)達(dá)到0.69,ICP與NWP指數(shù)相關(guān)達(dá)到0.83。這一結(jié)果表明新指數(shù)與Ren and Jin指數(shù)相關(guān)較好,但新指數(shù)ICP和IEP的相關(guān)近乎為0,也是極好的。

表3ICP與現(xiàn)有中部型厄爾尼諾指數(shù)的相關(guān)

Table 3Correlation coefficients betweenICPand different SSTA indices of ENSO

指數(shù)Ni?o1+2Ni?o3Ni?o3.4Ni?o4KaoCPEMIICP0.530.830.940.960.840.84

表4IEP與現(xiàn)有東部型厄爾尼諾指數(shù)的相關(guān)

Table 4Correlation coefficients betweenIEPand different SSTA indices of ENSO

指數(shù)Ni?o1+2Ni?o3Ni?o3.4Ni?o4KaoEPICPIEP0.800.530.310.010.940

2.5兩類厄爾尼諾事件的差異

前述分析表明,依據(jù)兩類厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)典型的海溫異?？臻g分布特征所定義的新指數(shù)組ICP和IEP具有良好的區(qū)分和描述兩類事件及其周期變化的能力。這里進(jìn)一步采用新指數(shù)分別探討東部型和中部型厄爾尼諾事件中異常海溫、降水的不同空間模態(tài)及大氣環(huán)流異常。

1963—2012年冬季SSTA與ICP和IEP的相關(guān)系數(shù)分布表明熱帶太平洋海表溫度異常確存在二種不同的空間分布。如圖7所示,CP型海表溫度異常指數(shù)基本能夠反映CP型ENSO發(fā)生時(shí),赤道中太平洋SSTA變暖、西太平洋海表溫度異常變冷以及東太平洋SSTA微弱變暖的結(jié)構(gòu)特征(圖7a);同時(shí)EP型海表溫度異常指數(shù)也基本能夠體現(xiàn)EP型ENSO成熟階段SST異常的“東正西負(fù)”的緯向偶極型結(jié)構(gòu),其中冷異常中心主要位于北半球,暖異常中心主要分布于赤道及南半球地區(qū)(圖7b)。這些與Kao and Yu(2009)等描寫(xiě)年平均SSTA型的結(jié)構(gòu)基本一致。但注意到CP型與El Nio Modoki在東太平洋地區(qū)SSTA符號(hào)仍存在差別(Ashok et al.,2007)。另外,盡管圖7a所示相關(guān)系數(shù)較圖7b中的大,但經(jīng)過(guò)計(jì)算,EP型海溫異常的振幅(約5.2 ℃)還是要比CP型海溫異常振幅(約4.8 ℃)要大一些。

熱帶太平洋不同的海表溫度異常增暖現(xiàn)象,將導(dǎo)致不同的大氣響應(yīng)。海表風(fēng)場(chǎng)異常顯示出西太平洋存在明顯的反氣旋環(huán)流異常(Guan and Li,2008),只是中心位置在CP型中偏西(圖7a),而EP型中則更偏東(圖7b)。沃克環(huán)流亦產(chǎn)生不同的異常分布。圖8給出了1963—2012年冬季200 hPa和850 hPa的速度勢(shì)和輻散風(fēng)場(chǎng)與ICP和IEP時(shí)間序列的回歸?？梢钥闯?冬季發(fā)展成熟的兩類ENSO在對(duì)流層低層均表現(xiàn)出西部輻散、東部輻合的偶極分布型,但是輻合輻散中心位置存在明顯差異。中部型ENSO的輻合輻散中心相對(duì)位置更偏西。對(duì)應(yīng)地在對(duì)流層高層,靠近海洋性大陸一側(cè)的熱帶西太平洋上空為輻合中心,中東部大范圍地區(qū)為輻散區(qū)。特別指出的是,中部型ENSO的對(duì)流層高層出現(xiàn)兩個(gè)輻散中心,究竟是何原因?qū)е略摤F(xiàn)象出現(xiàn),還需做進(jìn)一步研究。

圖7　1963—2012年冬季ICP(a)和IEP(b)指數(shù)與熱帶太平洋SSTA(陰影)及海表面風(fēng)場(chǎng)異常(箭頭)的相關(guān)系數(shù)(點(diǎn)影區(qū)表示SSTA相關(guān)系數(shù)通過(guò)了0.05顯著性水平的t-檢驗(yàn),粗(細(xì))箭頭表示緯向風(fēng)/經(jīng)向風(fēng)分量均(任意一個(gè))通過(guò)0.05顯著性水平的t-檢驗(yàn))Fig.7　Correlation of the tropical Pacific SSTA(shaded contours) and surface wind anomalies(vectors) with the indices (a)ICP and (b)IEP[the vectors in (a) are composed of the zonal and meridional components,indicated respectively by the correlations of ICPwith the zonal and meridional components of anomalous surface winds;the vectors in (b) are the same as in (a) but for IEP;stippled areas indicate values at and above the 95% confidence level,based on the t-test;bold arrows represent both the zonal and meridional components at and above the 95% level of confidence,and vice versa for thin arrows]

圖8　1963—2012年冬季CP型(a、c)和EP型(b、d)ENSO發(fā)生時(shí),200 hPa(a,b)和850 hPa(c,d)速度勢(shì)和輻散風(fēng)異常向ICP、IEP的回歸系數(shù)分布(點(diǎn)狀陰影區(qū)表示通過(guò)0.05顯著性水平的t-檢驗(yàn))Fig.8　Coefficients of regression of winter seasonal mean velocity potential(contours) and divergent wind anomalies(vectors) onto (a,c)ICP and (b,d)IEP:(a,b)200 hPa;(c,d)850 hPa level(stippled areas indicate values of velocity potential at and above the 95% level of confidence,based on the t-test)

圖9　1963—2012年冬季赤道地區(qū)(10°S～10°N平均)Walker環(huán)流異常(陰影區(qū)表示垂直速度通過(guò)0.05顯著性水平的t-檢驗(yàn))　　a.異常輻散風(fēng)和垂直速度向ICP回歸;b.異常輻散風(fēng)和垂直速度向IEP回歸Fig.9　Anomalous Walker circulation(streamlines) averaged meridionally from 10°S to 10°N in boreal winter during 1963—2012,as obtained by regressing both the zonal component of anomalous divergent winds and the vertical velocity anomalies onto (a)ICP and (b)IEP(shading indicates the values of vertical velocity anomalies at and above the 95% level of confidence,based on the t-test;the vertical velocity was artificially enlarged before plotting)

CP型ENSO和EP型ENSO對(duì)應(yīng)的緯向垂直環(huán)流與圖8中高低層輻合輻散中心相對(duì)應(yīng)(圖9),主要表現(xiàn)為CP型發(fā)生時(shí)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)向西偏移15～20個(gè)經(jīng)度。具體而言,ENSO事件發(fā)生時(shí),赤道西太平洋出現(xiàn)異常的下沉氣流,而赤道中東太平洋則為異常強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。同時(shí),兩類ENSO的沃克環(huán)流又略有差異,東部型的上升支范圍在180°～90°W之間,而中部型ENSO上升支的范圍則相對(duì)偏西,在145°E～100°W之間。

圖10　1963—2012年冬季CMAP降水與ICP(a)和IEP(b)指數(shù)相關(guān)系數(shù)分布(等值線和陰影表示與SSTA相關(guān)系數(shù):點(diǎn)區(qū)表示超過(guò)0.05信度的顯著性水平的區(qū)域)Fig.10　Correlation between CMAP(CPC Merged Analysis of Precipitation) data and (a)ICP and (b)IEP(color-shaded contours indicate values larger than 0.4,with stippled areas for values at and above the 95% level of confidence,based on the t-test)

與環(huán)流異常相應(yīng),降水異常在CP型與EP型ENSO發(fā)生時(shí)的分布亦存在很大不同。由圖10可以看出,中部型ENSO事件發(fā)生時(shí),相關(guān)的降水異常出現(xiàn)“負(fù)—正—負(fù)”的緯向三極型結(jié)構(gòu),顯著的降水正異常中心主要出現(xiàn)在150°E～180°～150°W的赤道中太平洋地區(qū),在海洋性大陸區(qū)域、SPCZ區(qū)域均出現(xiàn)顯著的負(fù)的強(qiáng)相關(guān)。而東部型則表現(xiàn)為東正西負(fù)的偶極型結(jié)構(gòu),正的異常中心出現(xiàn)在150°W以東的赤道東太平洋地區(qū),負(fù)的異常僅出現(xiàn)在印度尼西亞中部以及赤道西太平洋地區(qū)。這些均表明,在北半球冬季,CP和EP型SSTA對(duì)降水異常的影響確實(shí)存在明顯不同的分布。

3　結(jié)論與討論

然而,新指數(shù)因其在反映海溫異常變化時(shí)在空間上正交而時(shí)間上獨(dú)立,因而其可更好地刻畫(huà)CP和EP型ENSO事件的相互獨(dú)立的特征。新指數(shù)構(gòu)建依據(jù)是函數(shù)的互相正交,以及兩者在時(shí)間域上的獨(dú)立性,故可利用新指數(shù)在時(shí)間、空間域上對(duì)冬季CP/EP型ENSO進(jìn)行較好的分離。為方便使用,附錄A中給出了所構(gòu)建的新指數(shù)的更為簡(jiǎn)單的表述和計(jì)算步驟。

利用新指數(shù)組所揭示的中部型和東部型厄爾尼諾事件相關(guān)的熱帶太平洋主要的海氣耦合特征表明,與傳統(tǒng)的東部型厄爾尼諾最大暖海溫中心位于赤道東太平洋地區(qū)不同,中部型厄爾尼諾事件的異常增暖中心位于赤道中太平洋。中部型異常上升支偏西,異常降水集中于日界線附近的熱帶中太平洋,不似東部型限定在赤道太平洋地區(qū)。

要強(qiáng)調(diào)的是,用于定義CP/EP型SSTA的空間函數(shù),即公式(1)、(2)和表(2)可被用來(lái)對(duì)冬季ENSO的類型作出監(jiān)測(cè),而利用C和E區(qū)域的海溫異常大小|[TSS]|可被用來(lái)對(duì)兩類事件強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于兩類ENSO的不同氣候影響,這種監(jiān)測(cè)將具有重要意義。

還要說(shuō)明的是,在公式(2)中隱含了一個(gè)假定,即CP型海溫異常是ENSO事件變化過(guò)程中的主要形態(tài),本質(zhì)上是假設(shè)了中太平洋地區(qū)是海氣相互作用最強(qiáng)烈的地區(qū),而東部型海溫異常則成為中部型的補(bǔ)充。因而利用公式(1)—(2)和表(2)所定義的EP型ENSO指數(shù)IEP超過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的事件數(shù)較中部型的要偏少。

另外,若采用與公式(2)不同的做法,將可突出對(duì)El Nino-Modoki事件的變化的描寫(xiě),這將在未來(lái)進(jìn)一步研究。

致謝:南京信息工程大學(xué)地球科學(xué)部南京大氣資料服務(wù)中心提供了資料服務(wù);NCEP/NCAR再分析資料取自NOAA—CIRES Climate Diagnostics Center(http://www.cdc.noaa.gov)。使用了GrADS軟件繪制了文中圖形。

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附錄A:新構(gòu)建指數(shù)的簡(jiǎn)要表述

兩類ENSO發(fā)生時(shí),冬季熱帶太平洋海溫異常的空間分布存在顯著差異?；谶@一空間分布的基本認(rèn)知,利用回歸方法,設(shè)計(jì)出了兩個(gè)新的指數(shù)。除了一些基本的資料準(zhǔn)備工作外,主要計(jì)算步驟如下:

1.構(gòu)建海溫異?？臻g型:

(A1)

(A2)

和

(A3)

2.計(jì)算新指數(shù):

求取SSTA在區(qū)間[φa,φb]上的平均,即:

(A4)

(A5)

則兩個(gè)指數(shù)可通過(guò)下式計(jì)算:

(A6)

(A7)

其中:|[TOS(λ,t)]CB|和|[TOS(λ,t)]EB|分別為CP型和EP型海溫異常關(guān)鍵區(qū)SSTA的區(qū)域平均值的絕對(duì)值,關(guān)鍵區(qū)間分別取為CB:[174～136°W],EB:[120～85°W]?？梢?jiàn),根據(jù)公式(A6)和(A7)可容易地計(jì)算出CP和EP型海溫異常指數(shù)。

ENSO is the strongest interannual variability in our climate system.Recently,it has been found to vary as two types in spatial terms;the Central Pacific(CP) type,whose SST anomalies(SSTAs) are strongest in the central Pacific;and the Eastern Pacific(EP) type,characterized by SSTAs being strongest in the eastern equatorial Pacific.These two types of El Nio involve different teleconnections and climatic impacts,as the intensity and location of their associated SST-induced heating are different.Many studies have pointed out that CP El Nio events have increased in frequency in recent decades.

Several kinds of indices have been designed for different types of El Nio events.For instance,the El Nio Modoki index(EMI) captures the second EOF pattern of equatorial Pacific SST anomalies.Another somewhat complicated index pair called the Central and Eastern Pacific Index(CPI/EPI),which is also an EOF-based index but with the SSTA related to the Nio1+2 or Nio4 index removed,has also been put forward.The most striking difference between the two types of El Nio is the longitudinal displacement of maximum anomalous SST along the equator in their mature stages.Motivated by this method of classification,we redefined two indices of SST anomalies,i.e.,ICPandIEP,for describing CP and EP El Nio/La Nia events and their interactions during boreal winter,by using both NCEP/NCAR reanalysis data and SST data from the Hadley Centre,for the period 1963—2013.This index pair was reconstructed based on the function for the CP pattern that changes with longitude and is perpendicular to the function for the EP pattern.

Both of the reconstructed SSTA indices developed in this study are expected to be highly useful for monitoring ENSO events,and helpful in improving our understanding of the similarities and differences in the influence of CP-and EP-type ENSO events on climate variation at the global and regional(particularly East Asia) scale.

boreal winter;CP ENSO;EP ENSO;SSTA index;Maritime Continent

(責(zé)任編輯：張福穎)

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150123001

Reconstruction of equatorial Pacific SST anomaly indices for two types of ENSO during boreal winter

WANG Mei1,2,GUAN Zhaoyong1,PI Dongqin1,3

1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisaster,MinistryofEducation(KLME)/JointInternationalResearchLaboratoryofClimateandEnvironmentChange(ILCEC)/CollaborativeInnovationCenteronForecastandEvaluationofMeteorologicalDisasters(CIC-FEMD),NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2TaizhouMeteorologicalBureau,Taizhou318000,China;3FujianMeteorologicalInformationCenter,Fuzhou350001,China

引用格式：王美,管兆勇,皮冬勤,2016.冬季赤道太平洋不同類型海溫異常表征指數(shù)的再構(gòu)建[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),39(4):455-467.

Wang M,Guan Z Y,Pi D Q,2016.Reconstruction of equatorial Pacific SST anomaly indices for two types of ENSO during boreal winter[J].Trans Atmos Sci,39(4):455-467.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150123001.(in Chinese).

*聯(lián)系人，E-mail:wmlydia@163.com