海洋再分析資料中IOD-ENSO遙相關(guān)的海洋通道機(jī)制分析

徐騰飛，周慧

(1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋環(huán)境與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

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海洋再分析資料中IOD-ENSO遙相關(guān)的海洋通道機(jī)制分析

徐騰飛1，2，周慧3

(1. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋環(huán)境與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061；2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；3.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

本文利用滯后相關(guān)分析，研究了海洋再分析資料(SODA、ORAS4和GODAS)中的IOD-ENSO滯后遙相關(guān)關(guān)系，并與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，3套再分析資料中熱帶東南印度洋秋季海表溫度/海表高度異常和赤道太平洋冷舌次年秋季海表溫度/海表高度異常之間顯著相關(guān)，與觀測(cè)結(jié)果一致。在次表層，觀測(cè)和再分析資料均顯示，熱帶東南印度洋秋季海表溫度異常與赤道太平洋次表層海溫異常之間的顯著相關(guān)關(guān)系在冬季至次年秋季沿赤道太平洋垂向剖面向東移動(dòng)，并于次年夏季和秋季在冷舌區(qū)上升至海表。熱帶東南印度洋和赤道太平洋冷舌滯后1年的相關(guān)關(guān)系是由海洋通道機(jī)制引起的，即IOD事件引起印尼貫穿流流量異常，導(dǎo)致赤道太平洋溫躍層異常，激發(fā)赤道Kelvin波向東傳播，從而影響赤道中-東太平洋冷舌海表溫度異常。觀測(cè)及SODA與ORAS4資料中，熱帶東南印度洋和赤道太平洋冷舌滯后1年的相關(guān)關(guān)系在去除ENSO信號(hào)后仍然顯著，表明海洋通道機(jī)制是獨(dú)立于ENSO事件的；而在GODAS資料中，這些顯著相關(guān)關(guān)系在去除ENSO信號(hào)后消失。印尼貫穿流流量異常和Nio3.4及DMI(Dipole Mode Index)指數(shù)之間超前-滯后12個(gè)月的相關(guān)關(guān)系顯示，在SODA和ORAS4資料中，印尼貫穿流流量同時(shí)受到ENSO和IOD的影響，與觀測(cè)結(jié)果一致；而在GODAS中，印尼貫穿流流量異常僅與Nio3.4指數(shù)顯著相關(guān)，極少受到IOD事件的影響，這部分解釋了GODAS資料中去除ENSO信號(hào)后，IOD-ENSO滯后遙相關(guān)關(guān)系消失的原因。

印度洋偶極子；ENSO；滯后遙相關(guān)；海洋通道；印尼貫穿流

1 引言

印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole，IOD)和ENSO分別是熱帶印度洋和太平洋最為顯著的年際氣候異常模態(tài)。IOD指熱帶印度洋海表面溫度(sea surface temperature，SST)緯向的偶極型分布[1—2]。ENSO是El Nio和南方濤動(dòng)(Southern Oscillation)的合稱(chēng)[3]，具體表現(xiàn)為El Nio事件(赤道中東太平洋異常變暖)和La Nia事件(赤道中東太平洋異常變冷)的交替發(fā)生。已有研究表明，IOD和ENSO之間可以通過(guò)Walker環(huán)流，即大氣橋過(guò)程相互影響[4—7]。Izumo等[8]指出，IOD信號(hào)對(duì)1年后的ENSO預(yù)報(bào)而言是非常有效的預(yù)報(bào)因子：負(fù)(正)IOD事件往往引發(fā)次年的El Nio(La Nio)事件，其具體機(jī)制解釋為，負(fù)IOD事件使得Walker環(huán)流在北半球秋季得以增強(qiáng)，引起太平洋的東風(fēng)異常，強(qiáng)迫上升Kelvin波東傳，冷卻赤道東太平洋海表，隨后，熱帶太平洋的平流-反射過(guò)程導(dǎo)致東太平洋冷舌在1年后變暖。肖鶯等[9]的分析指出，IOD年際異常引發(fā)熱帶印度洋緯向風(fēng)異常東傳至太平洋，從而引起熱帶中東太平洋海溫的年際變化。

印尼貫穿流(Indonesian throughflow，ITF)是唯一的低緯洋間流，是連接熱帶太平洋和印度洋的重要海洋通道[10-11]。印尼貫穿流每年攜帶約10 Sv(1 Sv=106m3/s)的上層暖水自熱帶西太平洋流入印度洋，并有顯著地季節(jié)和年際變化[12]。封閉ITF的數(shù)值實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，印尼貫穿流對(duì)熱帶印太海溫異常有顯著影響[13—17]。然而，在過(guò)去的研究中，印尼貫穿流在聯(lián)系熱帶印度洋IOD和熱帶太平洋ENSO中的作用卻被長(zhǎng)期忽略。最近，Yuan等[18]基于數(shù)值實(shí)驗(yàn)，提出了IOD影響ENSO的海洋信號(hào)通道機(jī)制：IOD事件強(qiáng)迫ITF輸送更多的上層暖水自赤道太平洋流入印度洋，使得赤道太平洋溫躍層抬升，激發(fā)上升Kelvin波東傳，冷卻1年后的赤道東太平洋，有利于El Nio的結(jié)束和La Nia的產(chǎn)生。在觀測(cè)中，這一海洋通道機(jī)制表現(xiàn)為IOD-ENSO之間滯后1年的遙相關(guān)關(guān)系[19]。具體而言，熱帶東南印度洋秋季海表溫度異常(sea surface temperature anomalies，SSTA)與赤道太平洋冷舌次年秋季SSTA呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這意味著熱帶東南印度洋秋季SSTA對(duì)次年冷舌SSTA具有預(yù)報(bào)意義。海表面高度異常(sea surface height anomalies，SSHA)和次表層海溫異常(subsurface ocean temperature anomalies，SOTA)的滯后相關(guān)分析進(jìn)一步表明，在IOD達(dá)到成熟位相后的1年內(nèi)，IOD異常在次表層向東傳播并在次年秋季抵達(dá)赤道太平洋冷舌。如果IOD異常是通過(guò)大氣橋影響ENSO，那么赤道西太平洋秋季海表緯向風(fēng)異常(surface zonal wind anomalies，SZWA)和赤道太平洋冷舌SSTA之間在滯后1年的時(shí)間內(nèi)應(yīng)當(dāng)顯著相關(guān)，然而，觀測(cè)資料分析卻顯示，兩者之間的顯著相關(guān)不能維持超過(guò)1個(gè)季節(jié)。這些結(jié)果表明，IOD事件對(duì)滯后1年赤道太平洋冷舌的影響，是通過(guò)ITF的年際變化，而不是Walker環(huán)流實(shí)現(xiàn)的，IOD影響熱帶太平洋氣候年際變化的海洋通道機(jī)制很可能是突破ENSO春季預(yù)報(bào)障礙的關(guān)鍵過(guò)程。

我們?cè)贔GOALS氣候耦合系統(tǒng)，分析了其中IOD-ENSO之間的遙相關(guān)關(guān)系及其伴隨的大氣橋過(guò)程與海洋通道機(jī)制，結(jié)果顯示，F(xiàn)GOALS雖然對(duì)海洋通道描述較好，然而卻夸大了大氣橋過(guò)程，因而大大降低了其對(duì)ENSO的模擬能力[20]。本文收集了3套海洋再分析資料，利用超前-滯后相關(guān)分析，研究了其中的IOD-ENSO滯后相關(guān)關(guān)系，通過(guò)與觀測(cè)資料分析結(jié)果對(duì)比，對(duì)海洋再分析資料刻畫(huà)海洋通道機(jī)制的能力進(jìn)行了評(píng)估。

2 資料和方法

本文所使用的觀測(cè)資料如下：英國(guó)Hadley中心提供的1870年1月至今的月平均SST(HadISST)資料[21]，水平分辨率為1°×1°；海表高度月平均資料來(lái)自經(jīng)Aviso校對(duì)整理的衛(wèi)星高度計(jì)資料(ftp://ftp.aviso.ocenobs.com)，水平分辨率為(1/3)°×(1/3)°，時(shí)間跨度自1993年1月至今；次表層海溫資料來(lái)自Scripps海洋研究所聯(lián)合環(huán)境數(shù)據(jù)分析中心(Joint Environmental Data Center，JEDAC)，水平分辨率為5°×2°，垂向11層(0 m，20 m，40 m，60 m，80 m，120 m，160 m，200 m，240 m，300 m，以及400 m)[22]，起止時(shí)間為1955年1月至今。印尼貫穿流流量通過(guò)估算IX1斷面地轉(zhuǎn)流積分得到，其中溫度數(shù)據(jù)為XBT資料，氣候態(tài)鹽度數(shù)據(jù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)溫鹽關(guān)系得到，選取700 m作為無(wú)運(yùn)動(dòng)深度[19]。

本文所使用的海洋再分析資料分別為SODA[23](Simple Ocean Data Assimilation)、ORAS4[24](Ocean ReAnalysis System 4)及NCEP GODAS[25](NCEP Global Ocean Data Assimilation System)月平均海溫、海表面高度和流場(chǎng)資料。其中SODA資料基于POP(Parallel Ocean Program)海洋模式，用ERA-40(1958—2001年)和QuickSCAT(2002—2008年)大氣強(qiáng)迫場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并同化了WOD01(World Ocean Database 2001)中收錄的溫鹽斷面觀測(cè)、TAO/TRITION(Tropical Atmosphere-Ocean/Triangle Trans-Ocean Buoy Network)潛標(biāo)觀測(cè)、Argo浮標(biāo)觀測(cè)等溫鹽剖面資料，以及COADS(Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)資料和AVHRR衛(wèi)星遙感海表溫度資料等。本文使用的資料為SODA 2.1.6版本，其時(shí)間跨度為1958—2008年，水平分辨率為0.5°×0.5°，垂直分為40層；ORAS4資料基于NEMO(Nucleus for European Modelling of the Ocean)海洋模式，采用ERA-Interim大氣強(qiáng)迫場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，同化了來(lái)自XBT(eXpendable BathyThermographs)、CTD(Conductivity-Temperature-Depth)和Argo浮標(biāo)的溫鹽剖面觀測(cè)等資料，其時(shí)間覆蓋1958—2011年，水平分辨率為1°×1°，垂直共42層；NCEP GODAS資料基于MOMv3(Modular Ocean Model)海洋模式，采用NCEP再分析資料作為大氣強(qiáng)迫場(chǎng)，利用三維變分同化方法同化了來(lái)自XBT和CTD觀測(cè)的溫鹽剖面資料。其時(shí)間覆蓋1980—2013年，水平分辨率為1°×(1/3)°，垂向40層。本文中統(tǒng)一選取1990—2010年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

熱帶海洋-大氣系統(tǒng)中敏感區(qū)域或指數(shù)的定義如下：熱帶西印度洋為( 10°S～10°N，50°～70°E)，熱帶東南印度洋為( 10°S～0°，90°～110°E)。Nio3.4指數(shù)定義為赤道中東太平洋(5°S～5°N，170°～120°W)區(qū)域平均SSTA，印度洋偶極子指數(shù)(DMI)定義為熱帶西印度洋區(qū)域平均SSTA與熱帶東南印度洋區(qū)域平均SSTA之差。滯后相關(guān)通過(guò)計(jì)算熱帶東南印度洋秋季SSTA(SSHA)與冬季及次年春、夏、秋季熱帶印太海盆SSTA(SSHA)、次表層海溫異常的相關(guān)系數(shù)得到。其中冬、春、夏、秋分別為12月—翌年2月、3—5月、6—8月和9—11月季節(jié)平均。ENSO背景場(chǎng)的移除通過(guò)減去總異常與Nio3.4指數(shù)的線性回歸值實(shí)現(xiàn)。置信度檢驗(yàn)由Student’s-t檢驗(yàn)完成。在文中，為方便起見(jiàn)，我們將IOD年稱(chēng)為Year 0，次年稱(chēng)為Year 1。

3 IOD和ENSO基本特征

從圖1中可見(jiàn)，在1990—2010年間，海洋再分析資料中Nio3.4指數(shù)時(shí)間序列和HadISST幾乎一致，相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)99%置信度檢驗(yàn)；而DMI指數(shù)的時(shí)間序列相關(guān)性略低，分別為0.93(SODA資料)，0.94(ORAS4資料)和0.91(GODAS資料)，均超過(guò)99%置信度檢驗(yàn)。但是，幾個(gè)典型的IOD事件發(fā)生時(shí)，如1994-1995和1997-1998年，再分析資料和觀測(cè)差別顯著，其中GODAS資料差別最大，接近0.5℃(圖中時(shí)間序列已經(jīng)過(guò)13個(gè)月的Gaussian低通濾波以去除年周期信號(hào))。

圖1 1993—2010年熱帶太平洋和印度洋年際變化Fig.1 Interannual variability of the tropical Pacific and Indian Oceans during 1993—2010a.Nio3.4指數(shù)；b.DMI指數(shù)a.Nio3.4 indices; b.DMI indices

圖2給出了熱帶印度洋SSTA和DMI指數(shù)及熱帶太平洋和Nio3.4指數(shù)的線性回歸系數(shù)分布。HadISST觀測(cè)資料顯示，其在熱帶東南印度洋為負(fù)，而在熱帶西印度洋和赤道太平洋冷舌區(qū)為正。這是熱帶印太SSTA典型IOD-和ENSO-型遙相關(guān)分布。和觀測(cè)相比，再分析資料完全再現(xiàn)了熱帶東南印度洋的負(fù)回歸系數(shù)，以及赤道太平洋冷舌區(qū)的正回歸系數(shù)。然而，再分析資料中熱帶西印度洋的回歸系數(shù)較弱，表明其對(duì)IOD的刻畫(huà)能力不足。由于我們所討論的海洋通道機(jī)制中，通過(guò)印尼貫穿流向赤道太平洋傳播的IOD異常起源于熱帶東印度洋，因此，仍然可以利用再分析資料，研究IOD-ENSO滯后相關(guān)的海洋通道機(jī)制。

圖2 熱帶印度洋SSTA(120°E以西)和DMI指數(shù)及熱帶太平洋(120°E以東)SSTA和Nio3.4指數(shù)的回歸系數(shù)Fig.2 Regression coefficients between the tropical Indian Ocean (west of 120°E) SSTA and DMI and between the tropical Pacific Ocean (east of 120°E) SSTA and Nio3.4 indices等值線間隔為0.3，淺(深)色陰影分別表示正(負(fù))回歸系數(shù)超過(guò)95%置信度檢驗(yàn)The contour interval is 0.3，light and dark shades indicate 95% significance level of positive and negative coefficients，respectively

4 滯后相關(guān)分析

4.1 SSTA的滯后相關(guān)分析

根據(jù)HadISST的分析結(jié)果，熱帶東南印度洋秋季SSTA和熱帶印太冬季SSTA之間的顯著滯后相關(guān)關(guān)系成IOD-和ENSO-型遙相關(guān)分布：在熱帶東南印度洋-西太平洋呈顯著正相關(guān)，而在熱帶西印度洋和赤道東太平洋為顯著負(fù)相關(guān)(圖3a)。這一遙相關(guān)關(guān)系在次年春季減弱，赤道太平洋冷舌區(qū)的顯著相關(guān)關(guān)系消失，與ENSO春季預(yù)報(bào)障礙的時(shí)間吻合(圖3b)。次年夏季，赤道太平洋冷舌區(qū)的顯著相關(guān)關(guān)系再次出現(xiàn)，但符號(hào)與冬季相反，這一顯著正相關(guān)系在次年秋季進(jìn)一步加強(qiáng)(圖3c～d)。熱帶東南印度洋秋季SSTA與赤道太平洋冷舌次年秋季SSTA之間的顯著正相關(guān)關(guān)系意味著，如果使用IOD異常作為預(yù)報(bào)因子，可以大大提高對(duì)ENSO的預(yù)報(bào)技能。

3套再分析資料都重現(xiàn)了熱帶東南印度洋秋季SSTA與熱帶印太SSTA冬季到次年秋季的顯著滯后相關(guān)分布(圖3)。但是在次年夏季和秋季，再分析資料中赤道太平洋冷舌區(qū)的正相關(guān)普遍更強(qiáng)，且顯著相關(guān)區(qū)域也較廣，這與數(shù)值模式中往往難以準(zhǔn)確描述赤道太平洋冷舌區(qū)的上升流和上層混合過(guò)程有關(guān)。特別地，再分析資料中，次年秋季除赤道中太平洋冷舌外，秘魯沿岸也存在顯著正相關(guān)關(guān)系并向赤道中太平洋冷舌延伸。海洋或氣候模式中，成功模擬IOD-ENSO的這一滯后相關(guān)關(guān)系并不困難[26]。然而，在3套再分析資料中，雖然由于加入了大量觀測(cè)資料作為同化，使得其對(duì)熱帶東南印度洋秋季SSTA和熱帶印太冬季到次年秋季SSTA的滯后相關(guān)模擬更為準(zhǔn)確，但是，由于模式系統(tǒng)中參數(shù)化過(guò)程對(duì)關(guān)鍵海域的描述存在偏差，難以準(zhǔn)確把握模式中上層海溫對(duì)溫躍層變化和海表熱通量強(qiáng)迫的響應(yīng)，使得數(shù)值模式和再分析資料雖然能夠較為準(zhǔn)確的描述熱帶印太海洋的平均態(tài)或氣候態(tài)，但是對(duì)其年際變化的描述則尚存在不足。

觀測(cè)資料的分析顯示，去除ENSO背景后，熱帶東南印度洋秋季SSTA和赤道太平洋冷舌次年夏季及秋季SSTA之間的正相關(guān)關(guān)系依然顯著(圖4a～d)，表明這一滯后相關(guān)關(guān)系是獨(dú)立于ENSO存在的，這也進(jìn)一步說(shuō)明IOD異常可以作為提高ENSO可預(yù)報(bào)性的一個(gè)有效因子，而其動(dòng)力機(jī)制則是通過(guò)ITF的年際變化這一載體實(shí)現(xiàn)的。去除ENSO的影響后，IOD和ENSO滯后一年的顯著正相關(guān)在SODA和ORAS4資料中同樣得到體現(xiàn)(圖4e～h，4i～l)。但在GODAS資料中(圖4m～p)，熱帶東南印度洋秋季SSTA和赤道太平洋冷舌SSTA之間滯后一年的顯著正相關(guān)關(guān)系消失?？梢?jiàn)，在GODAS中，IOD與ENSO之間滯后一年的顯著相關(guān)關(guān)系可能主要受控于太平洋自身的氣候年際變化。

圖4 熱帶東南印度洋秋季SSTA與熱帶印太不同季節(jié)SSTA的滯后相關(guān)系數(shù)分布(1990-2010年)(去除ENSO信號(hào))Fig.4 Lag correlations between the SSTA in the southeastern tropical Indian Ocean in fall and the tropical Indo-PacificSSTA in the following seasons over the period of 1990 to 2010 (ENSO signal removed)等值線間隔為0.3，淺(深))色陰影表示正(負(fù))相關(guān)系數(shù)超過(guò)95%置信度水平The contour interval is 0.3, light and dark shades indicate 95% significance level of positive and negative correlation, respectively

圖5 熱帶東南印度洋秋季SSHA與熱帶印太不同季節(jié)SSHA的滯后相關(guān)系數(shù)分布(1990—2010年)Fig.5 Lag correlations between the SSHA in the southeastern tropical Indian Ocean in fall and the tropical Indo-Pacific SSHA in the following seasons over the period of 1990 to 2010等值線間隔為0.3，淺(深)色陰影表示正(負(fù))相關(guān)系數(shù)超過(guò)95%置信度水平The contour interval is 0.3，light and dark shades indicate 95% significance level of positive and negative correlation，respectively

圖6 熱帶東南印度洋秋季SSHA與熱帶印太不同季節(jié)SSHA的滯后相關(guān)系數(shù)分布(1990-2010年)(去除ENSO)Fig.6 Lag correlations between the SSHA in the southeastern tropical Indian Ocean in fall and the tropical Indo-Pacific SSHA in the following seasons over the period of 1990 to 2010 (ENSO signal removed)等值線間隔為0.3，淺(深)色陰影表示正(負(fù))相關(guān)系數(shù)超過(guò)95%置信度水平The contour interval is 0.3, light and dark shades indicate 95% significance level of positive and negative correlation, respectively

4.2 SSHA的滯后相關(guān)分析

圖5給出了熱帶東南印度洋秋季SSHA和熱帶印太冬季到次年秋季SSHA之間的滯后相關(guān)關(guān)系分布，其中圖5a～d為Aviso衛(wèi)星高度計(jì)的分析結(jié)果。在冬季，SSHA的滯后相關(guān)分布呈IOD-和ENSO-型遙相關(guān)，即在熱帶東印度洋和西太平洋為顯著正相關(guān)，而熱帶西印度洋和東太平洋為顯著負(fù)相關(guān)，與SSTA的滯后相關(guān)分布一致。在次年春季到秋季，SSTA在赤道太平洋的顯著滯后相關(guān)已經(jīng)消失，而SSHA的滯后相關(guān)則不然，從圖中可以看到，顯著正相關(guān)區(qū)域從赤道西太平洋不斷向東移動(dòng)，在次年夏季和秋季到達(dá)赤道中-東太平洋冷舌。這一顯著正相關(guān)區(qū)域東移的現(xiàn)象是IOD異常激發(fā)的赤道西太平洋Kelvin波向東傳播的直接證據(jù)[19]。再分析資料同樣再現(xiàn)了SSHA自冬季到次年秋季的滯后相關(guān)分布和演變，但是在次年秋季，顯著正相關(guān)區(qū)域較Aviso衛(wèi)星高度計(jì)資料普遍更為向東延伸。

去除ENSO背景后，衛(wèi)星高度計(jì)SSHA的滯后相關(guān)分析仍然顯示，顯著正相關(guān)區(qū)域不斷向東擴(kuò)展，并于次年夏季和秋季抵達(dá)赤道中-東太平洋(圖6a～d)。這表明IOD異常影響赤道太平洋ENSO的過(guò)程是獨(dú)立于ENSO事件的。事實(shí)上，去除ENSO后的SSHA滯后相關(guān)分析，更加清楚的描述了由IOD引起的赤道東南印度洋上升流異常，通過(guò)改變ITF流量，導(dǎo)致赤道西太平洋溫躍層抬升，激發(fā)赤道Kelvin波并向東傳播這一過(guò)程。在再分析資料中，去除ENSO背景后，次年秋季赤道太平洋冷舌區(qū)的顯著滯后相關(guān)關(guān)系均有不同程度的減弱，范圍也有所縮小(圖6)。特別地，在GODAS資料中，次年秋季赤道太平洋冷舌區(qū)的顯著相關(guān)關(guān)系幾乎消失(圖6p)。

4.3 次表層海溫的滯后相關(guān)分析

圖7是熱帶東南印度洋秋季SSTA和赤道太平洋次表層海溫的滯后相關(guān)。在冬季，由于赤道太平洋處于ENSO的成熟位相，赤道太平洋垂直剖面上為西正東負(fù)的ENSO型，與SSTA和SSHA的分析一致，而IOD異常只能蟄伏于次表層，形成赤道西太平洋次表層的顯著正相關(guān)關(guān)系。次年春季，雖然海表的顯著滯后相關(guān)消失，但是在次表層，赤道西太平洋的顯著正相關(guān)關(guān)系仍然存在，并向東移動(dòng)。隨著ENSO在次年夏季和秋季的衰退，IOD異常上浮至海表，引起自赤道中-東太平洋SSTA發(fā)生改變，產(chǎn)生了SSTA滯后相關(guān)分析中次年夏季和秋季的赤道太平洋冷舌的顯著正相關(guān)(圖7a～d)。這一過(guò)程背后的動(dòng)力機(jī)制是，負(fù)(正)IOD異常驅(qū)動(dòng)ITF輸送更少(多)的西太平洋海水流入印度洋，引起赤道西太平洋溫躍層在秋季和冬季加深(抬升)，激發(fā)下沉(上升)赤道Kelvin波向東傳播，導(dǎo)致次年赤道中—東太平洋冷舌暖(冷)異常。在海洋再分析資料中，赤道太平洋垂直剖面上顯著相關(guān)關(guān)系在冬季到次年秋季的分布和移動(dòng)均得到體現(xiàn)，表明再分析資料對(duì)海洋通道機(jī)制具有較好的描述能力。不足的是，再分析資料中顯著正相關(guān)的區(qū)域、范圍和深度普遍超過(guò)了JEDAC的觀測(cè)結(jié)果，這表明再分析資料所依托的數(shù)值模式中在赤道太平洋海域的垂向混合可能偏強(qiáng)，導(dǎo)致其溫躍層較觀測(cè)而言更深，這一缺陷妨礙了赤道太平洋海表溫度對(duì)溫躍層變化的響應(yīng)。

圖7 熱帶東南印度洋秋季SSTA與赤道太平洋不同季節(jié)次表層海溫異常的滯后相關(guān)系數(shù)分布(1990—2010年)Fig.7 Lag correlations between the SSTA in the southeastern tropical Indian Ocean in fall and the temperature anomalies in the equatorial Pacific vertical section in different seasons over the period of 1990 to 2010等值線間隔為0.3，淺(深)色陰影表示正(負(fù))相關(guān)系數(shù)超過(guò)95%置信度水平The contour interval is 0.3，light and dark shades indicate 95% significance level of positive and negative correlation，respectively

圖8 熱帶東南印度洋秋季SSTA與赤道太平洋不同季節(jié)次表層海溫異常的滯后相關(guān)系數(shù)分布(1990-2010年)(去除ENSO信號(hào))Fig.8 Lag correlations between the SSTA in the southeastern tropical Indian Ocean in fall and the temperature anomalies in the equatorial Pacific vertical section in different seasons over the period of 1990 to 2010 (ENSO signal removed)等值線間隔為0.3，淺(深)色陰影表示正(負(fù))相關(guān)系數(shù)超過(guò)95%置信度水平The contour interval is 0.3, light and dark shades indicate 95% significance level of positive and negative correlation, respectively

圖9 1990—2008年間的ITF體積輸送Fig.9 ITF volume transport from 1990 to 2008

圖10 印尼貫穿流流量異常和Nio3.4及DMI指數(shù)的超前-滯后相關(guān)Fig.10 Lag correlations between ITF transport anomalies and the Nio3.4 and DMI indices橫坐標(biāo)月份為正表示印尼貫穿流流量異常滯后Nio3.4或DMI指數(shù)。實(shí)線代表95%置信度水平Positive months indicate that the ITF lags the Nio3.4 or DMI indices. The solid lines stand for the 95% significance level

次表層海溫異常的滯后相關(guān)分析也支持IOD異常影響赤道太平洋海溫變化獨(dú)立于ENSO這一結(jié)論。當(dāng)去除ENSO信號(hào)后，SODA和ORAS4資料中，顯著正相關(guān)關(guān)系在次表層向東移動(dòng)，并在次年夏季和秋季在赤道中-東太平洋冷舌區(qū)并上浮至海表，與觀測(cè)資料保持一致(圖8)。然而，在GODAS資料中，不但次表層的顯著正相關(guān)關(guān)系與觀測(cè)及SODA和ORAS4相比均較弱，而且在次年秋季，顯著正相關(guān)被限制在50 m以深，未能上浮至海表，與SSTA和SSHA的滯后相關(guān)分析一致。

4.4 印尼貫穿流的年際變化

本節(jié)分析了印尼貫穿流的年際變化特征及其與IOD和ENSO之間的關(guān)系，來(lái)研究3套再分析資料中ITF年際變化在IOD-ENSO滯后遙相關(guān)關(guān)系中的作用。目前，并沒(méi)有長(zhǎng)期、連續(xù)的ITF流量觀測(cè)。長(zhǎng)時(shí)間序列的ITF流量通常通過(guò)地轉(zhuǎn)流和Ekman流[12，27]，或者基于衛(wèi)星高度計(jì)資料，利用回歸分析的方法，來(lái)進(jìn)行估算[28]。本文中采用基于IX1斷面溫鹽觀測(cè)計(jì)算的700 m以上地轉(zhuǎn)流估算穿過(guò)該斷面的ITF流量。再分析資料中的ITF流量定義為穿過(guò)IX1斷面的海流法向分量在700 m以上的面積分。

整體而言，再分析資料中ITF年平均流量模擬偏大，分別為13.3 Sv、12.3 Sv和9.4 Sv，大于觀測(cè)平均值，其中，SODA中ITF流量在3套再分析資料中最大，其最大值超過(guò)18 Sv，而GODAS模擬的ITF流量最弱，ORAS4中的ITF流量居中(圖9a)。然而，海洋再分析資料中ITF流量的年際變化卻普遍較觀測(cè)偏弱，特別是GODAS，其ITF流量的年際變化方差僅為觀測(cè)結(jié)果的1/2(圖9b)。從ITF流量異常的時(shí)間序列來(lái)看，觀測(cè)中ITF流量在2004—2005年和2006—2007年El Nio事件發(fā)生時(shí)，ITF流量為負(fù)異常；而在1994—1995年IOD事件發(fā)生時(shí)，ITF流量為正異常。這可以解釋為，El Nio(IOD)事件發(fā)生時(shí)，赤道西太平洋(東印度與)溫躍層抬升，削弱(增強(qiáng))了西太平洋-東印度洋之間的海平面壓力梯度，導(dǎo)致ITF流量減弱(增強(qiáng))。由于1997—1998年既是強(qiáng)El Nio年，也是典型的IOD年，受到兩者的共同影響，ITF流量在1997—1998年反而沒(méi)有顯著變化。

事實(shí)上，ITF流量異常與ENSO和IOD的關(guān)系可以通過(guò)將其與Nio3.4及DMI指數(shù)進(jìn)行超前-滯后相關(guān)來(lái)比較(圖10)。根據(jù)IX1斷面地轉(zhuǎn)流積分得到的ITF流量異常和ESNO及IOD事件的密切聯(lián)系，當(dāng)Nio3.4指數(shù)超前3～12個(gè)月時(shí)，ITF流量異常和Nio3.4指數(shù)之間呈顯著正相關(guān)，最大相關(guān)系數(shù)為0.33，發(fā)生在Nio3.4指數(shù)超前ITF流量異常約7～8個(gè)月時(shí)；當(dāng)Nio3.4指數(shù)滯后ITF流量異常約2～6個(gè)月時(shí)，兩者之間為顯著負(fù)相關(guān)。同時(shí)，當(dāng)DMI指數(shù)滯后ITF流量異常1～5個(gè)月時(shí)，兩者之間為顯著負(fù)相關(guān)；當(dāng)DMI指數(shù)超前ITF流量異常約6～12個(gè)月時(shí)，兩者之間為顯著正相關(guān)。ITF流量異常和Nio3.4指數(shù)及DMI指數(shù)的超前-滯后相關(guān)分析表明，ITF同時(shí)受到ENSO事件和IOD事件的影響，由IOD事件引起的ITF流量變化則進(jìn)一步導(dǎo)致赤道西太平洋溫躍層異常，進(jìn)而通過(guò)赤道波動(dòng)過(guò)程和海氣相互作用對(duì)ENSO循環(huán)產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

本文基于SODA、ORAS4和NCEP GODAS海洋再分析資料，通過(guò)滯后相關(guān)方法，分析了其中的IOD-ENSO滯后遙相關(guān)關(guān)系，并與觀測(cè)資料相對(duì)比，得到了以下結(jié)論：

(1)3套海洋再分析資料均體現(xiàn)了熱帶東南印度洋秋季SSTA(SSHA)和熱帶印太海盆SSTA(SSHA)在冬季至次年秋季的顯著滯后相關(guān)關(guān)系分布，與HadISST資料集Aviso衛(wèi)星高度計(jì)資料的結(jié)果一致，表明了海洋通道機(jī)制在IOD事件影響ENSO循環(huán)這一過(guò)程中的作用。熱帶東南印度洋秋季SSTA和赤道太平洋次表層海溫異常的滯后相關(guān)分析進(jìn)一步揭示了IOD信號(hào)在赤道太平洋次表層向東傳播抵達(dá)冷舌海區(qū)并上翻至海表的過(guò)程。

(2)在SODA和ORAS4資料中，去除ENSO背景后，IOD和ENSO之間的滯后相關(guān)關(guān)系在海表及次表層依然存在，與觀測(cè)資料一致，表明IOD事件影響ENSO循環(huán)的海洋通道機(jī)制是獨(dú)立于ENSO事件的物理過(guò)程。但在GODAS資料中，去除ENSO背景后，在赤道太平洋冷舌區(qū)滯后一年的顯著正相關(guān)關(guān)系消失。

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Oceanic channel dynamics of the IOD-ENSO teleconnection in oceanic reanalysis datasets

Xu Tengfei1，2，Zhou Hui3

(1.LaboratoryofMarineEnvironmentandNumericalSimulation，F(xiàn)irstInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Qingdao266061，China; 2.LaboratoryforRegionalOceanographyandNumericalModeling，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266061，China; 3.KeyLaboratoryofOceanCirculationandWaves，InstituteofOceanology，ChineseAcademyofSciences，Qingdao266071，China)

IOD-ENSO lag teleconnection in oceanic reanalysis datasets (SODA，ORAS4，and NCEP GODAS) are analyzed and compared with those in observations based on lag correlation analysis. The results show significant lag correlations between the sea surface temperature anomalies (SSTA)/ sea surface height anomalies (SSHA) in the southeastern tropical Indian Ocean (STIO) in fall and those in the equatorial Pacific cold tongue in the following fall in the three datasets，which are in agreement with observations. In the subsurface，lag correlations between the STIO SSTA in fall and the temperature anomalies in the equatorial Pacific vertical section show that the significant positive correlations moved eastward in the following winter through fall and outcropped at the cold tongue in the following summer and fall in both observation and assimilation datasets. The significant lag correlations between the STIO and the Pacific cold tongue are attribute to the oceanic channel dynamics，i.e.，the IOD induced Indonesian Throughflow transport anomalies results in thermocline anomalies in the equatorial Pacific，driving equatorial Kelvin waves to propagate eastward，thereby contributing to the SSTA in the central-eastern Pacific cold tongue. These significant lag correlations are robust even if the ENSO signal is removed in the SODA and ORAS4 datasets，which are in agreement with those in the observations，suggesting that the oceanic channel dynamics are independent of ENSO. In comparison，the significant lag correlations have disappeared if the ENSO signal is regressed out in the GODAS dataset. Lag correlations between the Indonesian Throughflow (ITF) volume transport anomalies and the Nio3.4/DMI indices with lag time from -12 to 12 months suggest significant influences of both ENSO and IOD events on the ITF transport in the SODA and ORAS4 datasets，consistent with the analyses of observations. The ITF transport anomalies，however，shows significant correlation only with Nio3.4 indices in the GODAS dataset，suggesting that the ITF transport is poorly dominated by the IOD anomalies in the GODAS. This explains why the lag correlation of IOD-ENSO teleconnection disappears at one year time lag if ENSO signal was removed in the GODAS dataset．

Indian Ocean Dipole; ENSO; teleconnection; oceanic channel; Indonesian Throughflow

2016-03-20；

2016-04-18。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1406404)；全球變化與海氣相互作用專(zhuān)項(xiàng)(GASI-IPOVAI-03)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M561883)；山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目專(zhuān)項(xiàng)資金(201403019)。

徐騰飛(1986—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)錫盟市人，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)楹庀嗷プ饔眉皵?shù)值模擬。E-mail：xutengfei@fio.org.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2016.12.003

P732.5

A

0253-4193(2016)12-0023-13

徐騰飛，周慧. 海洋再分析資料中IOD-ENSO遙相關(guān)的海洋通道機(jī)制分析[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2016，38(12)：23—35，

Xu Tengfei，Zhou Hui. Oceanic channel dynamics of the IOD-ENSO teleconnection in oceanic reanalysis datasets[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(12)：23—35，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.12.003