利用3种百年时间尺度的海温资料,探讨了印度洋偶极子(India Ocean Dipole,IOD)向海盆一致模(Indian Ocean Basin,IOB)年际转变的年代际变化,结果发现1940—1970年几乎不存在这一转变现象,1970年以后该现象则十分显著。研究表明,IOD与ENSO之间海气耦合作用的年代际变化是这一转变现象的主要原因,1940—1970年IOD与ENSO之间发生发展相互独立,而1970年以后联系密切。通过进一步对物理量场的诊断分析,揭示了其中主要的动力机理:1970年以前,热带印度洋上空形成的季风环流异常无法与热带太平洋的沃克环流异常进行耦合,IOD事件发生时无法与热带太平洋产生联系。反之,1970年以后,热带两大洋上空两个纬圈环流异常之间耦合作用强烈,正(负)IOD事件发生时,通过海气相互作用,促进El Niño(La Niña)发展,印度洋又会受到来自ENSO的正反馈作用。因此这种“齿轮式”耦合模型能一直持续到冬季和次年春季,热带印度洋上空持续受到东(西)风异常的影响和低层环流的引导,西印度洋有次表层暖水的流入(出),加上印度洋本身海盆尺度较小,西边的暖(冷)水区显著增大,东西海温异常差异迅速减小并向海盆一致变暖(冷)转变,导致了后期冬季、春季正(负)IOB事件的出现。
AbstractBased on three centennial SST data,this paper investigated the interdecadal variation of the interannual transition from Indian Ocean Dipole (IOD) to Indian Ocean Basin Mode (IOB) by using statistical analysis and interannual signal removal methods.Results show that there is almost no such transition from 1940 to 1970,but it is very significant after 1970.It is found that the interdecadal variation of air-sea coupling between IOD and ENSO is the main reason for this transition.The occurrence and development of IOD and ENSO are independent from 1940 to 1970,but they are closely related after 1970.Through further diagnostic analysis of physical quantity fields,this paper reveals the main dynamic mechanism.Before 1970,the anomalous monsoon circulation over the tropical Indian Ocean could not be coupled with the anti-walker circulation over the tropical Pacific Ocean,and the IOD event cannot be connected with the tropical Pacific when it occurs.On the contrary,after 1970,the coupling effect between the two latitudinal circulation anomalies over the two tropical oceans is strong.When the positive (negative) IOD event occurs,it promotes the development of El Niño (La Niña) through air-sea interaction,and the Indian Ocean will receive the positive feedback from ENSO.Therefore,this “geared-like” coupling model can last until winter and the following spring,and the tropical Indian Ocean is continuously affected by the easterly (westerly) anomaly and guided by the low-level circulation.There is an inflow (outflow) of subsurface warm water in the western Indian Ocean,coupled with the small basin size of the Indian Ocean itself,so the western warm (cold) water area increases significantly,the difference between the east and west SST anomalies rapidly decreases,and it changes to the uniform warming (cold) of the basin,which leads to the occurrence of positive (negative) IOB events in the late winter and spring.
关键词印度洋偶极子 ； 印度洋海盆一致模 ； 年际转变 ； 年代际变化 ； ENSO
KeywordsIndian Ocean Dipole (IOD) ； Indian Ocean Basin Mode (IOB) ； interannual transition ； interdecadal variation ； ENSO
印度洋尤其热带地区对邻近大陆及海洋的气候有着至关重要的影响,其一直是热带海洋、气象研究的重点对象之一(Han et al.,2014;杨萌洲和袁潮霞,2023)。研究表明,热带印度洋海温年际气候变化的第一模态为海盆一致模态(Indian Ocean Basin,IOB),表现为海盆一致的变暖或变冷,通常冬季开始发展,第二年春季达到最强,其发生常常伴随其他区域的海温异常,并且还通过多个途径影响东亚、南亚夏季气候(晏红明等,2000;Hu et al.,2011;Qu and Huang,2012;Huang et al.,2016;张玲等,2023)。第二模态是偶极子模态(India Ocean Dipole,IOD;Saji et al.,1999),表现出较强的纬向海温距平梯度,有东西符号相反特征,还具有明显的秋季锁相特征,不仅与ENSO联系紧密,同样对南亚、东亚地区的季风、降水等有十分显著的影响(Li and Mu,2001;Saji and Yamagata,2003;闫晓勇和张铭,2004;杨霞等,2007;王旭栋等,2017)。因此,了解IOD和IOB发生发展的规律,提高年际异常的预测水平是目前热带印度洋气候研究的重点。
近几十年热带印度洋年际变化的研究表明,IOB、IOD两种年际异常具有不同的空间分布和生命史,但并非相互独立,而是存在IOD向IOB转变的过程(杜振彩等,2006)。谭言科等利用小波分析发现在年际时间尺度上,IOD先于秋季达到峰值,并在之后约6mon时IOB发展强盛,完成一次印度洋年际异常的转变(谭言科等,2003)。这种转变是否是IOD发生时的必然规律?研究还进一步发现,IOD向次年IOB演变的过程并非印度洋自身内部变率的规律,而是IOD和ENSO海气耦合相互作用的结果(谭言科等,2004;Nagura and Konda,2007;Yang et al.,2015)。其动力过程往往表现为,从IOD成熟期到ENSO成熟期,由于IOD和ENSO相互耦合作用的维持,以及印度洋较小的海盆尺度,当热带东印度洋持续受西或东风异常的影响时,热带印度洋的东西海温差在IOD成熟期后会迅速衰减并进一步转化成显著的IOB现象。
然而,大量研究已经表明,随着20世纪70年代全球大气环流的显著变化,各大洋区的年际现象对气候的影响也发生了一定的变化。例如,在1976/1977年之前,IOB不能维持到夏季,从而对西北太平洋反气旋的影响比较弱,而在1976/1977年之后IOB的维持时间更长,对东亚气候的影响更加显著(Huang et al.,2010)。IOD对东亚、南亚的气候影响也发生了一定的年代际变化(孙炜文等,2017)。热带印度洋与热带太平洋间的各类年际相互作用也存在明显的年代际变化(Ashok et al.,2003;Dong and McPhaden,2017)。基于上述国内外研究进展,发现以下一些问题,IOD向次年IOB的转变在年代际尺度上是否存在显著变化?若存在显著变化,原因是什么?IOD和ENSO的相互作用是否在转变环节起到重要影响?为此,