陳云帆, 陳天然, 龍上敏, 陳澤生, 杜巖

1. 熱帶海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301;

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)海洋學(xué)院, 北京 100049;

3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511458;

4. 河海大學(xué)海洋學(xué)院, 江蘇 南京 210098

熱帶印度洋(Indian Ocean)氣候受海-陸-氣相互作用的影響, 并與其他大洋有著緊密聯(lián)系, 其氣候模態(tài)對(duì)熱帶印度洋的海氣相互作用以及周邊國(guó)家和區(qū)域的氣候都有較為重要的影響(Cai et al, 2019;Wang, 2019; Leupold et al, 2021)。對(duì)于熱帶氣候模態(tài)的刻畫(huà)主要基于海表面溫度(sea surface temperature,SST)資料, 然而與其他熱帶海洋相比, 印度洋船測(cè)資料在早期非常稀少。在1950 年以前, 印度洋沒(méi)有大規(guī)模的海洋觀測(cè)活動(dòng), 因而幾乎沒(méi)有連續(xù)的海洋觀測(cè)資料(Fairbanks et al, 1997), 目前全球尺度上的海溫資料基本上從1950 年開(kāi)始, 且空間分布很不均勻。若要獲得空間結(jié)構(gòu)場(chǎng), 則需要經(jīng)過(guò)再分析和處理(Kaplan et al, 1998), 這給印度洋早期年際、年代際甚至更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的氣候變化規(guī)律研究帶來(lái)很多困難。

利用地球化學(xué)指標(biāo)來(lái)反演氣候變化, 可以填補(bǔ)缺失的觀測(cè)數(shù)據(jù), 甚至可以將數(shù)據(jù)延伸至船測(cè)前。相對(duì)于陸地上的代用資料, 從珊瑚骨骼中獲得的信息資料可以直接反映海洋的氣候變化。珊瑚骨骼具有年輪結(jié)構(gòu)并對(duì)環(huán)境變化極其敏感, 且具有年際界線清楚、生長(zhǎng)速率較高(大約10mm·a–1)、適合高精度U-Th 放射性測(cè)年等特點(diǎn), 能夠高分辨率、長(zhǎng)時(shí)間地記錄熱帶海洋中的氣候變化信息(Yu, 2012)。珊瑚地球化學(xué)指標(biāo)如氧18 同位素(δ18O)等, 不僅可以記錄海洋環(huán)境長(zhǎng)周期的變化, 而且還可以記錄短期的和突發(fā)的極端事件。如Cobb 等(2003)利用萊恩群島中帕爾米拉島的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)重建了近一千年的ENSO 指數(shù), Abram 等(2020)根據(jù)明打威群島珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)17 世紀(jì)至少發(fā)生過(guò)一次極端印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole, IOD)事件。通過(guò)從珊瑚骨骼中得到的代用指標(biāo), 可以有效延長(zhǎng)對(duì)海洋的記錄, 能夠良好地解決實(shí)測(cè)資料不足的問(wèn)題, 從而反演早期海洋氣候變化的信息。

珊瑚骨骼中兩個(gè)最常用的地球化學(xué)指標(biāo): 1) 鍶/鈣比值(Sr/Ca), 常常作為 SST 的直接代用指標(biāo); 2)δ18O, 為SST 和海水中δ18O 含量的代用指標(biāo)(Epstein et al, 1953; Linsley et al, 2006)。而海水δ18O 同時(shí)受到降雨、蒸發(fā)以及徑流的影響, 這些過(guò)程會(huì)進(jìn)一步影響珊瑚δ18O 變化。因此, 在海表鹽度(sea surface salinity, SSS)變化劇烈而SST 變化平緩的海域, 珊瑚δ18O 主要受SSS 影響(Grottoli, 2019)。相較于珊瑚Sr/Ca, 記錄珊瑚δ18O 資料的熱帶印度洋站點(diǎn)數(shù)量更多, 并且珊瑚δ18O 資料具有更高的數(shù)據(jù)分辨率。目前相關(guān)研究已建立了70 余個(gè)珊瑚δ18O 和SST之間的經(jīng)驗(yàn)公式, 涵蓋了全球多數(shù)珊瑚礁生長(zhǎng)海域(余克服 等, 1999)。研究表明珊瑚δ18O 與SST 的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系, 溫度每下降(或上升)1℃時(shí),珊瑚δ18O 含量升高(或下降)0.18‰～0.24‰(Gagan et al, 1994)。但需要注意的是, 部分特殊海域(如巴拿馬奇里基灣)珊瑚δ18O 受SST 影響較小(Linsley et al,1994)。前人通過(guò)對(duì)珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)的研究, 揭示了過(guò)去上百年熱帶印度洋年際氣候變率的特點(diǎn)與影響因素。這些研究主要分為兩大類: 1)主要利用珊瑚δ18O數(shù)據(jù)反演印度洋海盆模態(tài)(Indian Ocean Basin Mode,IOBM)。如Charles 等(1997)通過(guò)分析塞舌爾站點(diǎn)150a 的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)印度洋西部海域的SST受到厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)和亞洲季風(fēng)的控制; Cole 等(2000)通過(guò)分析肯尼亞海岸194a 的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù), 再一次證實(shí)了赤道印度洋區(qū)域西部SST 的年際變率受到ENSO 影響。值得注意的是, 塞舌爾珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)不僅可以作為IOBM 良好的代用指數(shù), 而且可以用來(lái)指示ENSO 對(duì)熱帶印度洋的遙相關(guān)(Du et al, 2014)。2) 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)揭示IOD 事件。如Kayanne 等(2006)的研究發(fā)現(xiàn)肯尼亞海岸的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)有效地記錄了印度洋偶極子模態(tài)(Indian Ocean Dipole Mode,IODM)的信息, 并且肯尼亞月精度的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)清晰地記錄了與1 月份IOD 相關(guān)的東非降雨異常事件(Nakamura et al, 2011); Abram 等(2008)利用明打威群島、巴厘島珊瑚δ18O 時(shí)間序列作為IOD 東一極指數(shù)和利用塞舌爾珊瑚δ18O 時(shí)間序列作為中西一極指數(shù), 重建了過(guò)去近 150a 的印度洋偶極子指數(shù)(Dipole mode index, DMI), 并進(jìn)一步半連續(xù)地重建了IOD 事件, 其時(shí)間序列覆蓋了近一千年中的5 個(gè)世紀(jì)(Abram et al, 2020)。此外, 珊瑚δ18O 和Sr/Ca數(shù)據(jù)還共同揭示了Ningaloo Ni?o/Ni?a 的形成機(jī)制和變化特征(Zinke et al, 2014, Su et al, 2019)。

以上研究表明, 熱帶印度洋的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)可以良好地反演年際氣候環(huán)境的變化, 但不同站點(diǎn)對(duì)氣候變化的記錄仍存在誤差。本文在前人研究的基礎(chǔ)上, 對(duì)比分析東、西印度洋不同珊瑚站點(diǎn)的δ18O數(shù)據(jù)對(duì)熱帶印度洋氣候的記錄及其偏差, 評(píng)估不同珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)熱帶印度洋氣候變化的反演能力,這有助于深入研究熱帶印度洋氣候模態(tài)在年代際及更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的變化。

1 樣本和方法

本文選取了位于熱帶印度洋的4 個(gè)珊瑚站點(diǎn)的δ18O 資料, 4 個(gè)站點(diǎn)分別位于海盆東、西兩側(cè)(圖1),觀測(cè)時(shí)間序列較長(zhǎng)且連續(xù), 并且記錄的分辨率較高,對(duì)表征熱帶印度洋氣候變率具有一定代表性。本文所有珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)均取自美國(guó)國(guó)家海洋大氣局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)公開(kāi)發(fā)布的古氣候資料共享數(shù)據(jù)集(https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/paleoclimatology-dat a/datasets), 時(shí)間精度為月平均。其中, 3 個(gè)珊瑚站點(diǎn)位于熱帶西印度洋。最北邊的珊瑚芯取自肯尼亞的馬林迪海洋公園(Malindi; 3°12'S, 40°6'E) (Nakamura et al, 2009), 時(shí)間跨度為1886 年12 月—2002 年9月; 最南邊的珊瑚芯則取自坦桑尼亞的黑手黨島(Mafia; 8°0'S, 39°30'E)(Damassa et al, 2006), 時(shí)間跨度為1896 年8 月—1998 年2 月; 塞舌爾站點(diǎn)珊瑚數(shù)據(jù)取自塞舌爾共和國(guó)馬埃島布法龍海灣(Mahe;4°36'S, 55°0'E)(Charles et al, 1997), 本文選用1846年7 月—1995 年2 月的時(shí)間序列。位于熱帶東印度洋的珊瑚數(shù)據(jù)來(lái)源于蘇門(mén)答臘西海岸以外偏遠(yuǎn)的明打威群島(Mentawai; 0°6'S, 98°30'E)(Abram et al,2008), 本文選用1858 年4 月—1997 年12 月的時(shí)間序列。為便于各站點(diǎn)之間相互比較, 本文選用珊瑚資料與SST、SSS 資料重合最多的時(shí)間段(1880—1999 年), 以探究百年來(lái)珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)熱帶印度洋年際及年代際氣候變率的記錄情況。

圖1 熱帶印度洋1880—1999 年平均SST 及珊瑚站點(diǎn)分布圖該圖基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4399 號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作, 底圖無(wú)修改Fig. 1 Map of SST of the tropical Indian Ocean (1880—1999 mean) and coral sites

海溫?cái)?shù)據(jù)選用了英國(guó)氣象局哈德萊中心的HadISST 數(shù)據(jù)集(Hadley Centre SST data set)(Rayner et al, 2003), 其時(shí)間跨度為1870 年1 月至2020 年12月, 為逐月精度, 空間分辨率為1°×1°。本文研究選用其中的1880 年1 月至1999 年12 月共120a 的數(shù)據(jù)。同時(shí), 選用NOAA 提供的全球海溫重構(gòu)數(shù)據(jù)(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature,ERSST.v5)(Huang et al, 2017)作為對(duì)比, 其時(shí)間跨度為1854 年1 月至2020 年12 月, 為逐月精度, 空間分辨率為2°×2°。此外, 鹽度數(shù)據(jù)選用了哈德萊中心EN 系列數(shù)據(jù)集的第4 版鹽度分析數(shù)據(jù)(Good et al,2013), 時(shí)間精度為月平均, 空間分辨率為 1°×1°,時(shí)間范圍為1950 年1 月到1999 年12 月, 共50a。

2 結(jié)果與討論

2.1 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)熱帶印度洋海溫季節(jié)循環(huán)的反演

在季節(jié)循環(huán)的分析中可以發(fā)現(xiàn), 印度洋各站點(diǎn)的珊瑚δ18O 與局地SST 在季節(jié)演變上保持高度一致,其中肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾和明打威4 個(gè)站點(diǎn)的結(jié)果如圖2 所示。不同站點(diǎn)會(huì)存在一些超前或滯后現(xiàn)象, 如塞舌爾站點(diǎn)珊瑚δ18O 變化超前局地SST約1 個(gè)月, 而位于西澳大利亞的一些站點(diǎn)珊瑚δ18O變化則滯后局地SST 約1 個(gè)月。其原因有二: 一是礁址局地海溫?cái)?shù)據(jù)的記錄存在偏差。雖然HadISST與ERSST 是目前最好的全球海溫重構(gòu)數(shù)據(jù)之一, 但是它們是基于在空間和時(shí)間上不規(guī)則的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而來(lái), 并且得到的大尺度數(shù)據(jù)信息具有很強(qiáng)的一致性, 由于缺乏對(duì)近岸地區(qū)的實(shí)際觀測(cè), 許多礁址的小尺度局地變化無(wú)法被重建海溫?cái)?shù)據(jù)捕捉到。二是珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)內(nèi)插處理, 且珊瑚骨骼具有非線性生長(zhǎng)的特點(diǎn), 在高緯度地區(qū)(如夏威夷、佛羅里達(dá)), 最佳生長(zhǎng)溫度出現(xiàn)在夏季。在低緯度地區(qū)(如赤道太平洋地區(qū)、澳大利亞大堡礁), 最佳生長(zhǎng)溫度出現(xiàn)在較冷的月份(Grottoli, 2019)。總體上, 珊瑚δ18O數(shù)據(jù)能夠比較準(zhǔn)確地反映局地SST 的季節(jié)變化。

圖2 珊瑚δ18O 與局地SST 季節(jié)循環(huán)(1880—1999 年月平均)Fig. 2 Seasonal cycles of coral δ18O and local SST (1880—1999 monthly mean)

根據(jù)圖2, 對(duì)4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 與局地SST 在高、低溫月份作比對(duì) (圖3)。其中, 熱帶西印度洋珊瑚站點(diǎn)(肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾站點(diǎn))高溫月份取2—4 月, 低溫月份取7—9 月; 東印度洋珊瑚站點(diǎn)(明打威站點(diǎn))高溫月份取4—6 月, 低溫月份取10—12月。西印度洋站點(diǎn)珊瑚δ18O 與SST 在低溫月份的相關(guān)性較好, 尤其是塞舌爾站點(diǎn)的相關(guān)性達(dá)到了-0.57(neff=236,p<0.01)。而在高溫月份珊瑚δ18O 與SST的相關(guān)性普遍低于低溫月份, 這是由于高溫季節(jié)的蒸發(fā)加強(qiáng)(珊瑚δ18O 與SSS 在高溫月份的相關(guān)性高于低溫月份), 從而削弱了珊瑚δ18O 對(duì)SST 的記錄能力。事實(shí)上, 蘇瑞俠等(2006)在對(duì)南海北部的珊瑚研究中也指出珊瑚δ18O 與SST 在冬季極冷時(shí)的相關(guān)性很密切,而在夏季則與SSS 呈現(xiàn)較好的相關(guān)性。明打威站點(diǎn)位于東印度赤道附近, 全年溫差小, 不管冬季還是夏季,SSS 對(duì)珊瑚記錄的影響都很弱(珊瑚δ18O 與SSS 的相關(guān)性接近于0), 所以珊瑚δ18O 與SST 在低溫月份與高溫月份的相關(guān)性差異不大。總體來(lái)說(shuō), 本文選用的4個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 與局地SSS 的相關(guān)性(普遍|R|<0.28)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其與SST 的相關(guān)性, 揭示了海溫變化是控制這4 個(gè)站點(diǎn)δ18O 含量變化的主要因素, 進(jìn)而證實(shí)了利用該4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 反演SST 的合理性。

圖3 珊瑚δ18O 與局地SST 于高溫、低溫月份的散點(diǎn)對(duì)比圖黑色三角形代表4 個(gè)站點(diǎn)珊瑚δ18O 與SST 的均值, 圖中珊瑚δ18O 與SST 坐標(biāo)軸反向Fig. 3 Scatter diagrams of coral δ18O and local SST in high and low temperature months

2.2 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)熱帶印度洋氣候年際變率的反演

2.2.1 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)局地SST 的反演

為了進(jìn)一步分析4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與局地SST 在年際尺度上的相關(guān)性, 所有數(shù)據(jù)均通過(guò)減去當(dāng)月氣候態(tài)平均(1880—1999 年)來(lái)去除季節(jié)循環(huán)的影響。由于觀測(cè)誤差和重建方法的局限性,HadISST 數(shù)據(jù)存在一定的誤差?？紤]到ERSST.v5也具有百年尺度, 并且有較高的時(shí)空分辨率, 現(xiàn)將其與HadISST 作為比對(duì)參考數(shù)據(jù)。通過(guò)珊瑚δ18O 與局地SST 的年際異常值相比較(圖4), 發(fā)現(xiàn)珊瑚δ18O可以較好地刻畫(huà)局地 SST 的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。在1880—1999 年間, 與SST 長(zhǎng)期上升趨勢(shì)相對(duì)應(yīng), 珊瑚δ18O 具有明顯且穩(wěn)定的減少趨勢(shì), 符合印度洋SST 的長(zhǎng)期增暖趨勢(shì)(Alory et al, 2007; Du et al,2008)。根據(jù)公式dδ18O/dT=-0.22(‰/℃)(Epstein et al,1953)計(jì)算發(fā)現(xiàn), 1880—1999 年間珊瑚δ18O 反演的溫度變化幅度比重構(gòu)海溫變化幅度略大, 肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾、明打威站點(diǎn)珊瑚骨骼δ18O 反演得到的SST 變化幅度分別為1.38℃、0.89℃、1.08℃、0.84℃, 而重構(gòu)的SST 變化幅度則分別為0.70℃、0.76℃、0.67℃、0.36℃(ERSST)和0.13℃、0.38℃、1.33℃、0.34℃(HadISST)。1950—1999 年間SST 上升幅度愈加顯著, 然而只有肯尼亞站點(diǎn)珊瑚δ18O 記錄的SST 增暖幅度較為接近重構(gòu)值(SSTcoral=0.60℃,SSTERSST=0.55℃, SSTHadISST=0.48℃)。坦桑尼亞站點(diǎn)的珊瑚δ18O 于1950—1999 年間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(即反演的SST 呈現(xiàn)下降趨勢(shì)), 同時(shí)其與SSS 的相關(guān)性高于其他3 個(gè)站點(diǎn)(|R|坦桑尼亞=0.26, |R|其他<0.18), 由此推斷在該時(shí)段 SSS 對(duì)δ18O 的影響干擾了珊瑚對(duì)SST 的記錄。總體來(lái)說(shuō), 珊瑚δ18O 記錄可以反映出印度洋海溫的長(zhǎng)期增暖趨勢(shì), 但會(huì)高估增溫幅度。

圖4 珊瑚δ18O 與局地SST 異常值的時(shí)間序列圖圖中為珊瑚δ18O 和局地SST 時(shí)間序列進(jìn)行13 點(diǎn)平滑的結(jié)果Fig. 4 Time series of coral δ18O and local SST anomalies

雖然在1880—1999 年間珊瑚δ18O 總體上可以較好地反映SST 長(zhǎng)期的變化, 但是在1947—1958 年期間, 西印度洋站點(diǎn)珊瑚δ18O 與局地SST 的相關(guān)性存在顯著的變化, 二者甚至出現(xiàn)正相關(guān)。對(duì)比ERSST 與HadISST 記錄的SST 時(shí)間序列, 發(fā)現(xiàn)ERSST 會(huì)稍微“高估”海溫上升(如西印度洋1901 年、1942 年、1973 年等)或下降(如塞舌爾1891 年、1899年、1907—1912 年、1934 年等)的幅度, 在這些年份中HadISST 與珊瑚記錄更為接近。因此, 珊瑚δ18O與局地SST 具有一定的相關(guān)性(p<0.01), 但二者的相關(guān)性在某些時(shí)段會(huì)出現(xiàn)降低的情況。

由于ENSO 對(duì)印度洋氣候的年際變化有顯著影響, 且ENSO 周期為2～7a, 同時(shí)考慮到印度洋受季風(fēng)和ENSO 活動(dòng)的共同作用, 二者的相互作用會(huì)產(chǎn)生明顯的準(zhǔn)兩年周期的震蕩(Charles et al, 1997), 因此將4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與局地SST 的時(shí)間序列做3～7a 的帶通濾波處理。在年際尺度上的分析中,所有時(shí)間序列均去除了長(zhǎng)期趨勢(shì)。為了比較SSS 與SST 對(duì)珊瑚δ18O 的貢獻(xiàn), 所有時(shí)間序列選取1950—1999 年。除了坦桑尼亞站點(diǎn), 其他3 個(gè)站點(diǎn)處理后的SST 與珊瑚δ18O 均具有較強(qiáng)的相關(guān)性(R坦桑尼亞=-0.10,R肯尼亞=-0.74,R塞舌爾=-0.82,R明打威=-0.74), SSS與珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)的相關(guān)性也較濾波前有了一定的提升(R坦桑尼亞=0,R肯尼亞=-0.44,R塞舌爾=-0.24,R明打威=-0.31)。比較4 個(gè)站點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn), 在年際尺度上坦桑尼亞站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)受SST 與SSS 的影響均較小, 肯尼亞、塞舌爾、明打威站點(diǎn)的珊瑚δ18O 則主要受SST 的影響。

2.2.2 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)年際氣候模態(tài)的反演

前人研究表明, 熱帶印度洋海溫年際變化主要是對(duì)ENSO 事件的被動(dòng)響應(yīng)(Cadet et al, 1984), 呈現(xiàn)出非常顯著的空間分布特征, 主要表現(xiàn)為兩個(gè)空間模態(tài)——IOBM(Xie et al, 2009, 2016)與IODM(Saji et al, 1999)。

1) IOBM

IOBM 導(dǎo)致印度洋SST 呈海盆尺度變化(Xie et al, 2009)。4 個(gè)熱帶印度洋珊瑚站點(diǎn)的數(shù)據(jù)對(duì)IOBM變化的記錄情況可以反映印度洋氣候的年際變化。比較圖5、圖6, 可以發(fā)現(xiàn)SST 和珊瑚δ18O 時(shí)間序列經(jīng)過(guò)濾波(3～7a 帶通濾波)后的相關(guān)性有了顯著提高。由于塞舌爾站點(diǎn)位于IOBM 的核心區(qū)域, 并且受沿岸流的影響較小, 該站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與IOBM 指數(shù)的時(shí)間序列基本一致, 兩者的相關(guān)系數(shù)最高(RERSST=-0.73,RHadISST=-0.81,neff=10,p<0.01),因此該站點(diǎn)的珊瑚數(shù)據(jù)對(duì)IOBM 年際變化的反演最為準(zhǔn)確。Du 等(2014)的研究結(jié)果也表明塞舌爾珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)可作為IOBM 的代用指標(biāo), 且珊瑚δ18O 所反演的IOBM 呈現(xiàn)3～7a 周期變化的特征。其次是位于東印度洋的明打威站點(diǎn), 其珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與IOB指 數(shù) 的 相 關(guān) 性 系 數(shù) 較 高 (RERSST=-0.53,RHadISST=-0.59,neff=10,p<0.01), 也基本能夠反演IOBM 的年代際變率。值得注意的是, 1947—1958年間IOBM 一直處于顯著的冷相位, 該時(shí)段西印度洋珊瑚站點(diǎn)的δ18O 數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確記錄海溫變化,而位于東印度洋的明打威站點(diǎn)的δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)海溫的記錄能力則沒(méi)有受到明顯的擾動(dòng)(圖5)。

圖5 珊瑚δ18O 與IOBM 指數(shù)異常值的時(shí)間序列圖紅線、藍(lán)線分別為珊瑚δ18O 與IOBM 指數(shù)異常值進(jìn)行13 點(diǎn)平滑的結(jié)果Fig. 5 Time series of coral δ18O and IOBM index anomalies

圖6 珊瑚δ18O 與IOBM 指數(shù)異常值3～7a 濾波圖Fig. 6 Coral δ18O and IOBM index anomalies after applying 3-7 years filter

2) IODM

IODM 是位于熱帶印度洋的一個(gè)涉及緯向海洋—大氣相互作用的年際變化模態(tài)(Saji et al, 1999;Yang et al, 2010)?？紤]到東、西印度洋珊瑚站點(diǎn)對(duì)局地SST 的反演存在一定偏差, 而兩者相減得到的指數(shù)可能會(huì)使偏差增大, 所以將東、西印度洋站點(diǎn)分別與IOD 東、西極進(jìn)行相關(guān)性分析。塞舌爾站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)與IOD 西極的年際變率基本能夠重合(RERSST=-0.76,RHadISST=-0.80,neff=10,p<0.01) (圖7)。但1947—1958 年間西印度洋海溫受IOBM 冷相位的影響出現(xiàn)了異常降低(圖8), 西印度洋珊瑚δ18O 的反演能力也出現(xiàn)了明顯下降。然而, 在該時(shí)段東印度洋SST 并未出現(xiàn)大幅降低, 其與珊瑚δ18O 的時(shí)間序列基本吻合, 即明打威站點(diǎn)的珊瑚在該時(shí)段的反演能力并未受到影響。由此可知, 1947—1958 年間該珊瑚站點(diǎn)并沒(méi)有位于印度洋IOBM 冷相位的區(qū)域,故明打威站點(diǎn)的珊瑚數(shù)據(jù)對(duì)IOD 東極的記錄沒(méi)有受到擾動(dòng)。前人研究發(fā)現(xiàn)重建DMI 的珊瑚最佳位置位于赤道印度洋東南部的爪哇和蘇門(mén)答臘外海(約3°—7°S)(Abram et al, 2015)。本文選用的明打威站點(diǎn)的珊瑚位于赤道附近(0°6′S), 離蘇門(mén)答臘較遠(yuǎn), 在IOD 東極的邊緣海域, 較為準(zhǔn)確地記錄了極端IOD事件(1997 年), 但正常或弱IOD 事件對(duì)局地SST 影響較小, 導(dǎo)致珊瑚δ18O 對(duì)其響應(yīng)也較弱。Abram 等(2020)利用明打威另一處珊瑚樣本(約2°—3°S)的δ18O 資料(時(shí)間序列長(zhǎng)達(dá) 500a), 發(fā)現(xiàn) 1960 年以前極端IOD 事件雖然出現(xiàn)次數(shù)較少, 但在17 世紀(jì)至少出現(xiàn)了一次, 且強(qiáng)度比1997 年的極端IOD 事件大27%～42%。此外, Abram 等(2008)利用明打威群島、巴厘島與塞舌爾的珊瑚δ18O 時(shí)間序列重建了過(guò)去近150a 的DMI, 并指出加強(qiáng)的東南信風(fēng)可能是導(dǎo)致20 世紀(jì)IOD 事件強(qiáng)度和頻率增大的原因。

圖7 珊瑚δ18O 與IOD 單極異常值3～7a 濾波圖Fig. 7 Coral δ18O and monopole of IOD anomalies after applying 3-7 years filter

圖8 珊瑚δ18O 與IOD 單極異常值的時(shí)間序列圖紅線、藍(lán)線分別為珊瑚δ18O 與IOD 單極異常值進(jìn)行13 點(diǎn)平滑的結(jié)果Fig. 8 Time series of coral δ18O and monopole of IOD anomalies

2.3 珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)熱帶印度洋氣候年代際變率的反演

對(duì)熱帶印度 洋(35°—100°E, 20°S—20°N)1880—1999 年SST 的時(shí)間序列作譜分析, 發(fā)現(xiàn)年代際信號(hào)的主要周期為9a, 故作9a 以上的低通濾波來(lái)表現(xiàn)年代際變率。比較SSS、SST 與珊瑚δ18O 的相關(guān)性發(fā)現(xiàn), 坦桑尼亞站點(diǎn)的珊瑚δ18O 對(duì)局地SST 年代際變率記錄較好, 而其余3 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 與SST呈現(xiàn)的相關(guān)性(R坦桑尼亞=-0.35,R肯尼亞=-0.10,R塞舌爾=-0.08,R明打威=-0.09)則較低; 珊瑚δ18O 與SSS 的相關(guān)性(R坦桑尼亞=0.38,R肯尼亞=0.43,R塞舌爾=0.11,R明打威=0.21)整體優(yōu)于SST。坦桑尼亞站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)SST 的年代際變化記錄優(yōu)于其對(duì)SST 的年際變化記錄, 而肯尼亞、塞舌爾、明打威站點(diǎn)的珊瑚δ18O 則未能記錄到SST 的年代際變化?？傮w上, 4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 在年代際尺度上的變化情況受SSS 的影響大于SST。

對(duì)濾波處理后的SST 進(jìn)行EOF 分析, 計(jì)算得到第一空間結(jié)構(gòu)和主成分時(shí)間序列(方差貢獻(xiàn)為79.47%), 兩者用以表示熱帶印度洋年代際信號(hào)的時(shí)空變化。根據(jù)空間分布圖(圖9)所示, 本文選取的4 個(gè)珊瑚站點(diǎn)位于熱帶印度洋SST 在年代際尺度上一致增加或減少的海區(qū), 并且塞舌爾站點(diǎn)局地SST在年代際尺度上的增減幅度最大(圖9a)。從時(shí)間序列圖上可以看出, 1940—1950 年間熱帶印度洋SST存在冷暖相位轉(zhuǎn)變(圖9b), 該時(shí)段熱帶印度洋SST受年代際變率影響顯著。

圖9 熱帶印度洋SST 年代際信號(hào)空間分布(a)和時(shí)間序列(b)圖a 基于國(guó)家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2020)4399 號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作, 底圖無(wú)修改Fig. 9 Spatial distribution (a) and time series (b) of interdecadal signals in the tropical Indian Ocean

為了進(jìn)一步探討印度洋珊瑚δ18O 對(duì)海溫記錄出現(xiàn)的擾動(dòng)情況, 將局地 SST 分別與珊瑚δ18O、Ni?o3.4 指數(shù)進(jìn)行21a 時(shí)間窗口的滑動(dòng)相關(guān)性分析,并與熱帶印度洋年代際變率的時(shí)間序列(去除長(zhǎng)期趨勢(shì))比較。如圖10 所示, 1950 年后熱帶西印度洋局地SST 與Ni?o3.4 指數(shù)的相關(guān)性出現(xiàn)降低, 揭示了熱帶印度洋SST 存在年代際調(diào)整, 即該時(shí)段SST 主要受自身的年代際變率調(diào)制, 而受ENSO 影響較小。該遙相關(guān)減弱的現(xiàn)象被塞舌爾、坦桑尼亞站點(diǎn)的珊瑚所記錄(珊瑚δ18O 與局地SST 的相關(guān)性也出現(xiàn)明顯的下降), 這是由于該時(shí)段西印度洋受到的年代際氣候變化影響大于年際變化, 而在年代際尺度上珊瑚δ18O 受SSS 影響較大, 因此無(wú)法準(zhǔn)確記錄SST 的變化情況。前人對(duì)塞舌爾珊瑚站點(diǎn)的研究也證實(shí)了珊瑚δ18O 在1940—1975 年間以年代際變化為主導(dǎo)(Du et al, 2014)。在年代際尺度上, 肯尼亞站點(diǎn)的珊瑚δ18O 變率受SSS 的影響遠(yuǎn)大于SST, 因此無(wú)法指示熱帶印度洋SST 與ENSO 的遙相關(guān)的變化情況。明打威站點(diǎn)的珊瑚對(duì)SST 的記錄也存在明顯的年代際變化。總體來(lái)說(shuō), 坦桑尼亞、塞舌爾站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)能夠較為準(zhǔn)確地指示熱帶印度洋SST 與ENSO 的遙相關(guān)。

圖10 珊瑚δ18O 與局地SST、Ni?o3.4 指數(shù)的21a 滑動(dòng)相關(guān)性藍(lán)線為珊瑚δ18O 與局地SST 的相關(guān)系數(shù)時(shí)間序列; 黃線為珊瑚δ18O 與Ni?o3.4 指數(shù)的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)時(shí)間序列; 紅線為局地SST 與Ni?o3.4 指數(shù)的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)時(shí)間序列; 粗灰線為熱帶印度洋的SST 年代際變率; 灰色細(xì)實(shí)線為95%的置信線Fig. 10 The 21-year sliding correlations of coral δ18O with local SST and Ni?o3.4 index

3 結(jié)論

本文選取熱帶印度洋中肯尼亞、坦桑尼亞、塞舌爾和明打威4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù), 結(jié)合前人的研究成果, 對(duì)比分析了1880—1999 年間4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O 在不同時(shí)間尺度上對(duì)熱帶印度洋海溫變化的反演能力。本文結(jié)果表明4 個(gè)站點(diǎn)的珊瑚δ18O數(shù)據(jù)和熱帶印度洋SST 在長(zhǎng)期趨勢(shì)上保持一致。珊瑚δ18O 能夠準(zhǔn)確地刻畫(huà)出SST 的季節(jié)循環(huán), 且在低溫季節(jié)中珊瑚δ18O 與SST 的相關(guān)關(guān)系更為密切。珊瑚δ18O 能夠反演IOBM 和IODM 的年際變率情況,尤其是塞舌爾站點(diǎn)位于開(kāi)放海域, 受沿岸氣候的影響較弱, 并且是 IOBM 核心海域, 該站點(diǎn)的珊瑚δ18O 數(shù)據(jù)對(duì)印度洋海溫年際變率的反演情況最為準(zhǔn)確。在年代際尺度上, 珊瑚δ18O 由于受SSS 影響較大, 對(duì)SST 的記錄存在偏差, 因此在1950 年后熱帶西印度洋以年代際變化為主導(dǎo)的時(shí)段, 珊瑚無(wú)法準(zhǔn)確記錄SST 的變化。此外, 坦桑尼亞站點(diǎn)的珊瑚δ18O對(duì)熱帶印度洋SST 與ENSO 之間遙相關(guān)年代際變化的記錄最為準(zhǔn)確。綜上所述, 由于地理位置、數(shù)據(jù)處理方法等原因, 不同珊瑚站點(diǎn)對(duì)氣候的記錄存在不同的擾動(dòng), 通過(guò)互相對(duì)比修正, 可以使珊瑚數(shù)據(jù)對(duì)古氣候的反演更為準(zhǔn)確。