對厄爾尼諾事件分類結(jié)果不一致原因的初步分析?

周一博， 方明強(qiáng)

(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 厄爾尼諾分類簡介

對于兩類厄爾尼諾事件類型的判定，一般分為定性和定量兩個(gè)角度。

1.1 定性角度

1.2 定量角度

本文認(rèn)為，在當(dāng)前厄爾尼諾分類及其相互獨(dú)立性研究結(jié)果中存在差異(后文有分析)，原因可能是多方面的，其中之一便是以往大部分研究建立的CP和EP指數(shù)是分離的，兩者之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系難以觀察。本文在Fang 等[26]研究的基礎(chǔ)上，分析了統(tǒng)一尼諾區(qū)域(詳見后文圖1)的熱中心變化情況。由于熱中心的變化直接反映了海表溫度高異常區(qū)位置的變動(dòng)情況，可以幫助動(dòng)態(tài)地觀察到高溫異常區(qū)在厄爾尼諾事件中的變動(dòng)，從而更好地分析厄爾尼諾事件的動(dòng)態(tài)特征。

圖1 統(tǒng)一尼諾區(qū)域與傳統(tǒng)尼諾區(qū)域范圍示意圖。統(tǒng)一尼諾區(qū)域即指海表溫度異常時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差0.7度等值線所包含的區(qū)域Fig.1 Coverage of the unified regions and the traditional regions

2 數(shù)據(jù)簡介

NOAA最優(yōu)插值海表溫度分析資料(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Analysis)融合了現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)再分析得到，并且在得到分析數(shù)據(jù)之前，使用了Reynolds[30]的數(shù)據(jù)分析方法對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行了偏差調(diào)整。此數(shù)據(jù)集包含周平均海溫資料和月平均的海溫資料，本文將采用此數(shù)據(jù)集月平均的海溫資料將前面數(shù)據(jù)延長到2014年，并用其來計(jì)算顯示沿赤道方向的海表溫度異常隨時(shí)間變化的分布圖。數(shù)據(jù)的時(shí)間序列是從1982年1月到2014年 12月，空間分辨率為1°(緯向)×1°(經(jīng)向)，數(shù)據(jù)的有效范圍為 90°N～90°S, 180°W～180°E。

3 結(jié)果及其分析

3.1 以往主要研究中的厄爾尼諾分類的差異性

EMI=[SSTA[A-0．5×[SSTA[B-
0.5×[SSTA[C 。

(1)

其中：A(165°E～140°W，10°S～10°N)；B(110°W～70°W，15°S～5°N)；C(125°E～145°E，10°S～20°N)內(nèi)的平均SSTA。區(qū)域A、B、C分別為EOF第二模態(tài)空間分布型的3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域，即暖異常區(qū)域和左右兩側(cè)的冷異常區(qū)域。當(dāng)EMI指數(shù)振幅大于等于0．7倍季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)偏差定義為CP型厄爾尼諾事件。

(2)

上式旨在為制造兩個(gè)相關(guān)性較低的指數(shù)來區(qū)分兩種厄爾尼諾事件。當(dāng)暖池型厄爾尼諾發(fā)生，WP指數(shù)迅速增大并達(dá)到峰值，CT指數(shù)在大部分事件中小于0.5 ℃。值得指出的是，CT和WP指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)僅為0.14，兩者接近獨(dú)立。

在8次公認(rèn)的EP型厄爾尼諾事件中，除了，1881年之外，所有事件發(fā)生的同時(shí)，熱中心都有向東移動(dòng)的趨勢。1918—1919年厄爾尼諾事件被定義為EP型，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，緯向熱中心異常為正值并增大，在SSTA達(dá)到峰值之前開始減小，直至SSTA小于0.5 ℃時(shí)，緯向熱中心異常處于0附近。1982—1983年厄爾尼諾事件為EP型，當(dāng)SSTA達(dá)到事件開始閾值時(shí)，緯向熱中心異常從負(fù)值開始增大超過0并持續(xù)增大，在事件結(jié)束之前，緯向熱中心異常開始減小。1997—1998年的厄爾尼諾事件為較為明顯的強(qiáng)EP型厄爾尼諾事件，當(dāng)事件開始時(shí)，緯向熱中心異常從0附近開始增大，幾乎和SSTA峰值同時(shí)達(dá)到峰值并一同減小。這表明，EP型厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)熱中心都有向東移動(dòng)的趨勢，并在事件達(dá)到高潮的前后向東移動(dòng)的趨勢開始減弱。

表1 四種分類方法對1870—2010年發(fā)生過的厄爾尼諾事件的分類結(jié)果(該表引用自Yu和Kim[25])Table 1 Comparisons between the results by the four classification methods for El events that occurred within 1870—2010(from Yu and Kim,2013)

注:紅色表示公認(rèn)為EP型厄爾尼諾，藍(lán)色表示公認(rèn)為CP型厄爾尼諾。

在發(fā)生的5次公認(rèn)的CP型厄爾尼諾事件中，熱中心都有向西移動(dòng)的趨勢。1994—1995年、2004—2005年厄爾尼諾事件為CP型，當(dāng)SSTA達(dá)到閾值事件開始時(shí)，緯向熱中心異常為負(fù)值，隨SSTA增大緯向熱中心異常也開始增大，當(dāng)SSTA達(dá)到峰值前后，緯向熱中心仍處于負(fù)值并開始減小直至事件結(jié)束。2009—2010年厄爾尼諾事件為CP型，SSTA達(dá)到閾值時(shí)，緯向熱中心異常處于正值并開始減小至負(fù)值，SSTA增大達(dá)到峰值時(shí)，緯向熱中心異常達(dá)到極小值開始增大。直至事件結(jié)束，緯向熱中心仍為負(fù)值。這表明，在CP型厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí)，熱中心都有向西移動(dòng)的趨勢，并在事件達(dá)到高潮的前后向西移動(dòng)的趨勢開始減弱。

兩種厄爾尼諾事件緯向熱中心的不同表現(xiàn)能夠清楚地反映出兩種事件動(dòng)態(tài)變化的差異性，也證明緯向熱中心在兩種厄爾尼諾的分類方面可以提供參考。

但是除了上述比較公認(rèn)的分類外(約占三分之一)，其余的厄爾尼諾事件目前還無法定量歸類(約占三分之二)，目前現(xiàn)有的分類方法存在許多矛盾和不確定性。從赤道太平洋海表溫度異常隨時(shí)間的演變圖(見圖3，限于本文篇幅及數(shù)據(jù)來源、質(zhì)量等方面考慮，僅用NOAA最優(yōu)差值數(shù)據(jù)進(jìn)行分析)可以看到，在分類結(jié)果不一致的年份中，在赤道太平洋的中部和東部均有不同程度的海溫異常增高現(xiàn)象，沒有哪一次厄爾尼諾現(xiàn)象中的海溫異常增暖僅僅發(fā)生在赤道太平洋中部(或僅起源于該處)或者僅僅發(fā)生在赤道太平洋東部(或僅起源于該處)。甚至在分類結(jié)果一致的情況中，也并不是單一海域的海表溫度異常升高。這些情況給分類帶來一定障礙。

實(shí)際上，Trenberth和Stepaniak、Ren 和Jin、Yu和Kim，Ashok 等、Li等、Yeh等、Kug等均給出了有關(guān)兩類厄爾尼諾事件的有關(guān)獨(dú)立性或者關(guān)聯(lián)性的不同結(jié)論[7，10，17，19-20，24-25]，目前要完全對所有事件進(jìn)行分類似乎還不現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，從圖2中，我們也可以看到，即使在確定的分類中，尼諾區(qū)域的熱中心位置的變化范圍、位置的變化速度，穿過零點(diǎn)的月份也不盡相同。結(jié)合圖2、3等可見，每個(gè)厄爾尼諾都有自己的特征，僅僅CP、EP分類不能提供完整信息，熱中心位置異常這一動(dòng)態(tài)特征量的提出一定程度上豐富了厄爾尼諾的特征指數(shù)系統(tǒng)[26]。

3.2 厄爾尼諾事件初始階段的CP區(qū)域的增溫現(xiàn)象

圖4顯示了1982—1983年和1997—1998年兩次極典型的強(qiáng)EP厄爾尼諾事件。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，事件開始階段，170°附近的海水出現(xiàn)增暖的趨勢。這與圖2中SSTA開始增暖的同時(shí)緯向熱中心異常為負(fù)值相吻合，隨著時(shí)間的推移，在3月份東部附近開始增暖隨即發(fā)展成為EP型厄爾尼諾事件?？梢?，此類強(qiáng)EP類型厄爾尼諾事件似乎也與CP地區(qū)的增暖不無關(guān)系。

圖5顯示的是1994—1995年和2004—2005年的兩次較典型的CP型厄爾尼諾，從圖中明顯可以看到事件的開始階段，首先增暖的區(qū)域都位于170°附近。隨著事件的發(fā)展，逐漸形成CP型厄爾尼諾事件。對比圖2，在SSTA開始增大的同時(shí)，緯向熱中心異常處于負(fù)值或者處于零值附近，表明熱中心完全不像類似于1997—1998，或者1982—1983的典型EP型厄爾尼諾，那時(shí)的熱中心中具有高的正異常值(處于東部)。

圖6顯示了2002—2003年和1991—1992年的厄爾尼諾事件分類不明確基本原因。從圖中可見事件最初開始變暖的區(qū)域?yàn)?80°附近，逐漸形成一次厄爾尼諾事件，在事件的鼎盛時(shí)期同時(shí)在中太平洋和東太平洋出現(xiàn)2個(gè)SSTA的極值點(diǎn)，因此可能導(dǎo)致對該事件的分類不明確。

圖3 1982—2014年赤道SSTA(用NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算)隨時(shí)間演變圖，右側(cè)為對應(yīng)事件四種分類方法的分類結(jié)果對照(白色等值線為零異常值)Fig.3 Equatorial SSTA (derived from NOAA SST data) evolutions from 1982 to 2014(with the white lines showing the zero contours). The results of the corresponding El classification are put at the right side for comparison

圖4 1982—1983與1997—1998赤道SSTA(用NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算)隨時(shí)間演變圖(白色等值線為零異常值)Fig.4 Equatorial SSTA (derived from NOAA SST data) evolutions from 1982 to 1983 (a) and from 1997 to 1998 (b) with the white lines showing the zero contours

圖5 1994—1995與2004—2005赤道SSTA(用NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算) 隨時(shí)間演變圖(白色等值線為零異常值)Fig.5 Equatorial SSTA (derived from NOAA SST data) evolutions from 1994 to 1995 (a) and from 2004 to 2005 (b) with the white lines showing the zero contours

從前面圖3也可以看到，在從1982年以來的所有厄爾尼諾事件的初始階段中，僅有2009—2010時(shí)間段內(nèi)，是較明顯的EP處異常增溫(CP處并非沒有海表溫度異常增高，只是相對較弱而已)，這和圖7中的熱中心位置異常僅在2009—2010時(shí)間段中略微偏東(正值)完全一致。其它的厄爾尼諾事件的初始階段中，圖3中的CP處海表溫度異常的增高均比較明顯，這也和圖7中熱中心位置異常在厄爾尼諾初始期間偏西(負(fù)值)完全一致。

通過上述例子的分析，可以比較清楚地看到，大部分厄爾尼諾事件的初始階段，雖然從屬的分類不同，但均伴隨著CP區(qū)域的增溫過程。事實(shí)上，最近還在發(fā)展的2015年強(qiáng)厄爾尼諾事件亦不例外。由此可見，雖然通過厄爾尼諾事件的鼎盛時(shí)期的特征進(jìn)行分類似乎能體現(xiàn)出該時(shí)刻高溫異常位置的分布特征，但在厄爾尼諾初期，初始的高溫異常位置卻均與CP區(qū)域密切相關(guān)。

厄爾尼諾初始階段的CP區(qū)域增溫現(xiàn)象似乎是厄爾尼諾事件的共性。但眾所周知，厄爾尼諾事件特征千差萬別[24]，此處CP區(qū)域在厄爾尼諾事件初始階段共性增暖特征的提出一定程度上豐富了對厄爾尼諾事件的深入理解。CP區(qū)域的增暖對后續(xù)厄爾尼諾進(jìn)一步發(fā)展的差異性影響作用值得進(jìn)一步深入研究。

圖7 用NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算的1982—2014年統(tǒng)一尼諾區(qū)域SSTA與緯向熱中心異常變化(紅色陰影相當(dāng)于厄爾尼諾事件)Fig.7 Unified regional SSTA and zonal thermal center anomaly for the years 1982—2014 from NOAA data(red shades represent the El events)

3.3 熱中心位置異常在單一厄爾尼諾現(xiàn)象中的特征分析

上述分析顯示，目前還沒有建立完全統(tǒng)一的厄爾尼諾分類標(biāo)準(zhǔn)，事實(shí)上大部分的厄爾尼諾事件不能進(jìn)行明確的歸類；在厄爾尼諾事件的發(fā)展過程中，高溫異常位置分布實(shí)際上一直在變動(dòng)，形態(tài)各異，因此，當(dāng)前對厄爾尼諾事件的分類還遠(yuǎn)未成熟。當(dāng)前，已有研究傾向于認(rèn)為CP類型厄爾尼諾可能不是一種特定的模態(tài)[21，27-28]。

還有一些研究已經(jīng)明確顯示了兩種厄爾尼諾伴隨發(fā)生的可能性[10，17，20],并且這兩種厄爾尼諾事件有許多內(nèi)部聯(lián)系[29]。故而本研究認(rèn)為，對厄爾尼諾事件的靜態(tài)分類似乎值得進(jìn)一步商榷。

圖7為用NOAA數(shù)據(jù)計(jì)算的統(tǒng)一尼諾區(qū)域的SSTA和熱中心的位置異常曲線。觀察圖7中緯向熱中心異常在厄爾尼諾事件中的變化可以發(fā)現(xiàn)，在單一厄爾尼諾事件中存在緯向熱中心跨越0值的現(xiàn)象，這代表在單一事件過程中，高溫異常區(qū)域的位置實(shí)際上是變化的。比如1982—1983年發(fā)生的EP型厄爾尼諾事件中，當(dāng)SSTA達(dá)到厄爾尼諾發(fā)生的閾值時(shí)，緯向熱中心異常處于負(fù)值并開始增大，跨越了0值并持續(xù)增大，表明熱中心在事件開始時(shí)位于中太平洋并向東移動(dòng)形成了EP型厄爾尼諾。比如2009—2010年發(fā)生的CP型厄爾尼諾事件中，當(dāng)SSTA達(dá)到閾值時(shí)，緯向熱中心異常正處于正值并開始減小，跨越0值并持續(xù)減小，表明熱中心在事件開始時(shí)位于東太平洋區(qū)域并向西移動(dòng)最終形成CP型厄爾尼諾。比如1986—1987年和1987—1988年的兩次厄爾尼諾事件并未有明確的分類。當(dāng)其SSTA達(dá)到發(fā)生的閾值時(shí)，緯向熱中心先為負(fù)值并開始增大超過0并持續(xù)增大，增大到極值點(diǎn)后開始下降并在1988年厄爾尼諾事件結(jié)束之前下降至負(fù)值，表明熱中心起初位于中太平洋區(qū)域并向西移動(dòng)到達(dá)東太平洋區(qū)域又回到中太平洋區(qū)域。熱中心跨越中部和東部的現(xiàn)象在眾多厄爾尼諾事件中很常見。

對于明確類型的厄爾尼諾事件，熱中心跨越兩區(qū)域的現(xiàn)象發(fā)生于事件的開始或結(jié)束階段，對整個(gè)厄爾尼諾事件的類型判讀影響較小。但對于未能確定分類的厄爾尼諾事件，跨越現(xiàn)象多發(fā)生于事件的鼎盛時(shí)期，因此對于判定該事件的類型具有很大的影響。

由此引發(fā)對于厄爾尼諾事件分類中問題的思考：現(xiàn)有的分類方法僅能將具有典型熱中心異常位置特征的厄爾尼諾事件區(qū)分開來而達(dá)成共識，但絕大多數(shù)的厄爾尼諾事件并未表現(xiàn)出非常明顯的位置特征。

實(shí)際上，幾乎所有的厄爾尼諾事件過程中，熱量中心的位置情形各不相同，且是動(dòng)態(tài)變動(dòng)的。由于熱中心的位置很大程度上反映了高溫異常區(qū)域的分布變化，圖7深刻揭示了靜態(tài)的CP、EP類型分類，不能反映出厄爾尼諾的動(dòng)態(tài)變化特征。因此本研究認(rèn)為單純地將厄爾尼諾事件劃分為CP或者EP類型的分類方法仍需進(jìn)一步的修正或者補(bǔ)充，其中熱中心異常信息不失為參考之一。

4 結(jié)語

本文簡單統(tǒng)計(jì)分析了當(dāng)前厄爾尼諾事件分類研究中的差異性，指出了目前還沒有建立統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。雖然各個(gè)厄爾尼諾現(xiàn)象體現(xiàn)出不同的高溫異常位置的分布特征，但幾乎所有的厄爾尼諾事件均伴隨著CP區(qū)域的增溫現(xiàn)象。無論所將要發(fā)生的厄爾尼諾事件將會演變成EP型或CP型，通常會在CP區(qū)域觀察到變暖的現(xiàn)象。這可能預(yù)示著不同類型的厄爾尼諾事件之間有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系，不同類型的事件之間的獨(dú)立與否需要更深入的研究。

通過對緯向熱中心異常與以往各種分類結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，緯向熱中心異常與已經(jīng)明確分類的厄爾尼諾事件具有很明顯的一致性，緯向熱中心異常的波動(dòng)變化可以很好地反映厄爾尼諾事件發(fā)生的類型。通常EP型厄爾尼諾的發(fā)生都伴隨著很明顯的緯向熱中心異常增大(東移)。相對于較弱的CP型厄爾尼諾事件，緯向熱中心異常通常為負(fù)或在零值附近擺動(dòng)。因此，緯向熱中心異常可以作為厄爾尼諾事件的分類的一項(xiàng)參考指標(biāo)。

由此可見，絕大多數(shù)的厄爾尼諾事件的分類尚未明確，現(xiàn)有的分類方法僅能將具有明顯異常位置特征的厄爾尼諾事件區(qū)分。因此當(dāng)前單純地將厄爾尼諾事件劃分為CP或者EP等類型的分類方法不能提供完整的厄爾尼諾動(dòng)態(tài)變化特征，可能需要其他動(dòng)態(tài)指數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，比如本文所提到的Fang等建立的統(tǒng)一尼諾區(qū)域的熱中心位置異常指數(shù)[26]。

本文首次主要從統(tǒng)一尼諾區(qū)域熱中心的動(dòng)態(tài)變化特征角度部分解釋了厄爾尼諾分類過程中大部分事件不能明確或者不能統(tǒng)一歸類的原因，具有一定的科學(xué)參考意義。

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