热带太平洋与热带大西洋的海温梯度统计关系研究
A Study on the Statistical Relationship of SST Gradient between the Tropical Pacific Ocean and the Atlantic Ocean

作者: 范潇丹 :成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都;

关键词: 热带太平洋热带大西洋海温梯度相关分析Tropical Pacific Tropical Atlantic SST Gradient Correlation Analysis

摘要:
本文用英国哈德莱中心的全球海面温度(HadISST)数据集,先后通过海温距平场、九年滑动平均、相关分析的方法,分析了1900~2019年热带太平洋与大西洋海温距平分布特征及海温梯度统计关系。得出结论如下:1) 热带太平洋年平均海温总体呈现西高东低的分布特征,热带大西洋为带状分布,海温从低纬向高纬递减。热带太平洋与热带大西洋海温距平均在春季与冬季表现为:赤道以北海温以负距平为主,赤道以南以及赤道附近海温以正距平为主。夏季与秋季则相反。热带东太平洋海温距平在春季与秋季呈递增趋势。热带西太平洋四季海温距平变化趋势均为先降低后升高。热带东西大西洋四季海温距平变化趋势表现为上下起伏。2) 热带太平洋海温梯度与大西洋海温梯度在春季存在显著的负相关关系,热带太平洋海温梯度与北大西洋海温距平呈现中等的负相关,热带大西洋海温梯度与太平洋中部海温距平呈中等的正相关关系。

Abstract: This paper used the data set of global sea surface temperature (HadISST) from Hadley Center in the UK. By using the method of nine-year moving average and correlation analysis, this paper analyzes the distribution characteristics of seasonal sea surface temperature anomaly (SSTA) in the tropical Pacific Ocean and Atlantic Ocean and the relationship between them from 1900 to 2019. The conclusions are as follows: 1) The annual average SST in the tropical Pacific Ocean is generally high in the West and low in the East. SST in the tropical Atlantic shows a zonal distribution, and decreases from low latitudes to high latitudes. In spring and winter, the SSTA in tropical Pacific and tropical Atlantic Ocean is mainly negative in the north of the equator, and positive in the south and near the equator, while in summer and winter, it’s opposite. In spring and autumn, the SSTA of the tropical East Pacific is increasing. The trend of SSTA in the western tropical Pacific is decreasing first and then increasing. The trend of SSTA in the four seasons in the East and West Atlantic of the tropics shows ups and downs. 2) There is a significant negative correlation between the SST gradient of the tropical Pacific and the Atlantic in spring, a medium negative correlation between the SST gradient of the Pacific and the SSTA of the North Atlantic, and a medium positive correlation between the SST gradient of the tropical Atlantic and the SSTA of the Central Pacific.

1. 引言

热带太平洋与大西洋作为世界上最大的两片海洋,海域辽阔,气候多样。热带太平洋海平面温度(SST)对全球气候变化的影响是巨大的。如厄尔尼诺是赤道太平洋海温梯度异常的结果,造成全球气候与大气环流异常 [1]。而热带北大西洋海温异常也会通过影响气旋性环流,使我国盛夏华中地区降水偏多 [2]。此外,20世纪的大西洋变暖可能抑制了太平洋东部的暖化,大西洋变暖改变了沃克环流,进而导致中–东太平洋下沉运动和东风表面风异常,这些东风表面风异常在赤道太平洋引起耦合的海洋反馈,最终演变成类似拉尼娜现象的平均状态 [3]。所以热带太平洋与大西洋的海温是存在一定统计关系的,这也是本文将要着重研究的。

针对热带太平洋与大西洋海温随时间的变化特征及两者之间的联系,张启龙等 [4] 研究了西太平洋暖池海区SST的时空变化特征。董璐等 [5] 分析了20世纪太平洋SSTA的时间变化特征。Coats S等 [6] 分析了热带太平洋纬向海面温度梯度(SST梯度)的历史变化趋势。Liang Ning等 [7] 研究了自然强迫和人为强迫对热带太平洋纬向海表温度梯度的影响。曲金华等 [8] 指出,1981年以来,冬季的北大西洋中部SST维持偏高状态。郑健等 [9] 对大西洋影响赤道中东太平洋SST的途径做了详细的阐述。Carkis A. Repelli等 [10] 指出热带太平洋和热带大西洋北部的海温正相关,热带太平洋和南大西洋的海温相关可以忽略不计。而陈迪等 [11] 指出,西太平洋副热带高压与热带中东太平洋SST呈显著的正相关关系。

本文在前人研究成果的基础上,研究了热带太平洋与热带大西洋的海温梯度在各个季节上的变化特征及统计关系,为更进一步探究热带太平洋与热带大西洋的相互作用及其对全球气候与大气环流的影响提供了背景资料。

2. 资料与方法

2.1. 资料概况

本研究中使用的每月SST数据集(1900~2019)全部来自哈德莱中心的全球海冰和海表温度(HadISST)分析数据集,选取了海表温度SST数据。HadISST1的优点是分辨率和精度较高,缺测值较少。该数据时间长度为1900年1月至2019年12月,空间范围为90˚S~90˚N,0˚E~359˚E,空间分辨率为1˚ × 1˚,数据格式为netcdf格式,使用的变量为海面温度。

2.2. 研究方法

2.2.1. 距平

距平表现了气候变量与正常情况的偏离,距平序列由一组气候变量数据 x 1 , x 2 , , x n 与其均值 x ¯ 之差构成,即

x 1 x ¯ , x 2 x ¯ , , x n x ¯ (1)

2.2.2. 滑动平均法

滑动平均法就是沿数据在逐一小区间上,不断对样本量为m的非稳定数据y作局地平均,从而滤去其随机误差,得到更平滑的结果。其一般表达式为:

y ^ k = 1 n j = 1 n y k + j 1 ( k = 1 , 2 , , m n + 1 ) (2)

其中n表示用每n个相邻非平稳数据的均值,表示n个非平稳数据中每一个的取值。n越大则平滑作用越强。

2.2.3. 相关分析及其显著性检验

相关系数可用于测量两个气象要素之间的相关性。设样本数为n的两个变量xn和yn,其相关系数计算公式为:

r = i = 1 n ( x i x ¯ ) ( y i y ¯ ) i = 1 n ( x i x ¯ ) 2 i = 1 n ( y i y ¯ ) 2 (3)

其中 x ¯ , y ¯ 分别表示变量xn和yn的均值。相关系数的取值范围为−1.0至1.0,数值越接近1.0,则正相关越强,越接近−1.0,则负相关越强。r = 0则表示两者相互独立。判断相关系数是否显著,还需进行显著性检验,本文采取的是t检验的方法。

t = n 2 r 1 r 2 (4)

其中 n 2 代表t分布的自由度,r代表相关系数,给定显著性水平α,查t分布表可得tα,如果t > tα,则认为相关系数通过显著性检验。

3. 热带太平洋与大西洋海面温度平均与区域平均

3.1. 热带太平洋与大西洋海面温度年平均

本节对120年(1900~2019年)的SST海温数据进行时间平均,得到热带太平洋与热带大西洋的海温空间分布图,并对两者进行横向对比。为了便于描述,本文将5˚S~5˚N,80˚W~150˚W范围的海区定义为热带东太平洋(EPac),5˚S~5˚N,170˚W~120˚E (跨180˚经线)范围的海区定义为热带西太平洋(WPac)。将5˚S~5˚N,0˚W~20˚W范围的海区定义为热带东太平洋(EAtl),5˚S~5˚N,25˚W~45˚W范围的海区定义为热带西大西洋(WAtl),如图1中绿框区域。

图1可看出,热带西太平洋具有明显的暖池,暖池中心温度最高,周围逐渐递减。而东太平洋冷舌温度明显低于周围海域,东太平洋从纬向上看,呈现明显的北暖南冷的分布特征,海温由南向北递增。对于西热带太平洋暖池和东太平洋冷舌的形成原因,吴增茂等 [12] 进行了解释。

Figure 1. Annual mean SST in tropical Pacific and tropical Atlantic

图1. 热带太平洋与热带大西洋的海温年平均(1900~2019年)

Figure 2. Seasonal anomaly of SST in the Pacific and Atlantic Ocean

图2. 热带太平洋与热带大西洋的海温季节距平

3.2. 热带太平洋与大西洋海温距平季节平均

本文通过计算120年(1900~2019年)海温季节距平场,分析得到热带太平洋与大西洋不同季节的海温变化特征。如图2所示,热带太平洋与热带大西洋海温距平均在春季与冬季表现为:赤道以北海温以负距平为主,赤道以南以及赤道附近海温以正距平为主。夏季与秋季则相反。从图2中可以看到,春季与秋季的海温距平分布特征极为相似:秋季整体上海温自南向北递增,春季反之,仅距平正负相反,赤道附近的东西太平洋存在明显的海温梯度。夏季与冬季的海温距平分布特征同理:夏季整体上海温自南向北递增,冬季反之。

3.3. 热带太平洋东西海温距平区域平均

本节分别选取热带东太平洋(EPac)和西太平洋(WPac)海域进行海温四季的区域平均计算,得到了120年(1900~2019年)海温变化的时间序列。为了突出海温年代际的变化,本文对区域平均与海温梯度进行了九年滑动平均,滤去了年际波动。得到了如图3所示的曲线图,其中蓝虚线代表区域平均,红实线代表九点滑动平均后的海温区域平均,黑实线为零参考线。

图3可知,热带东太平洋海温距平在春季和秋季海温整体表现为递增趋势。如图4所示,热带西太平洋四季的海温距平变化趋势均为先降低后升高,在1900年至1970年递减,1970年至今迅速升高。

3.4. 热带大西洋东西海温距平区域平均

图5图6分别表示热带东、西大西洋海温四季的区域平均。如图5所示,热带东大西洋春冬季海温变化特征为上下起伏,其波峰分别位于1940年、1964年、2008年。夏季与秋季则在1900~1964年存在先递增后递减的过程,波峰位于约1940年。

图6中热带西大西洋的海温距平四季约在1900~1935年递增,1935~1980年递减,1980年至今递增。

Figure 3. Seasonal regional mean of SST anomalies in the tropical eastern Pacific

图3. 热带东太平洋海温距平的季节区域平均

Figure 4. Seasonal regional mean of SST anomalies in the tropical western Pacific

图4. 热带西太平洋海温距平的季节区域平均

Figure 5. Seasonal regional mean of SST anomalies in the tropical eastern Atlantic

图5. 热带东大西洋海温距平的季节区域平均

Figure 6. Seasonal regional mean of SST anomalies in the tropical western Atlantic

图6. 热带西大西洋海温距平的季节区域平均

4. 热带太平洋与大西洋海温梯度及相关性

4.1. 热带太平洋海温梯度

本节定义热带太平洋海温梯度为热带西太平洋与热带东太平洋海温区域平均之差(WPac-EPac)。如图7所示,热带太平洋海温梯度在春季为负值,而秋季多为正值,意味着春季热带西太平洋海温低于东太平洋,秋季反之。

4.2. 热带大西洋海温梯度

本节定义热带大西洋海温梯度为热带西大西洋与热带东大西洋海温区域平均之差(WAtl-EAtl)。如图8所示,热带大西洋海温梯度春季与冬季为负值,在夏季与秋季为正值,意味着春季与冬季热带西大西洋海温低于东大西洋,而夏季与秋季热带西大西洋海温高于东大西洋。

Figure 7. SST gradient in tropical Pacific

图7. 热带太平洋海温梯度

Figure 8. SST gradient in tropical Atlantic

图8. 热带太平洋海温梯度

4.3. 热带太平洋海温梯度与大西洋海温梯度的相关系数

本文对热带太平洋与热带大西洋的海温梯度进行了相关分析,还通过t检验的方法对相关系数进行了显著性检验。结果如图9所示,春季相关系数达到−0.25,且通过了99%的显著性检验,可以认为春季两者存在显著的负相关关系,而其他季节的相关性较低。

4.4. 热带太平洋海温梯度与太平洋和大西洋海温距平的相关系数

图10表示热带太平洋海温梯度与太平洋和大西洋海温距平的相关系数,其中打点区域表示通过了99%以上的显著性检验。从图10中可看出热带太平洋海温梯度分别与东西太平洋海温距平呈显著的负正相关关系。春季太平洋海温梯度与热带北大西洋海温距平呈现中等的负相关关系。表示春季当太平洋海温梯度增强(或减弱)时,对应北大西洋变冷(或变暖)。总体来看,热带太平洋海温梯度与赤道大西洋海温距平,特别是在夏季,呈现一定的正相关关系,这与Kucharski等(2011)的结论是一致的。

Figure 9. The correlation of SST between the Pacific SST gradient and the Atlantic SST gradient

图9. 热带太平洋海温梯度与大西洋海温梯度的相关系数

Figure 10. Correlation between the Pacific SST gradient and SSTA over the tropical Pacific and Atlantic

图10. 热带太平洋海温梯度与太平洋和大西洋海温距平的相关系数

4.5. 热带大西洋海温梯度与太平洋和大西洋海温距平的相关性

图11表示热带大西洋海温梯度与太平洋和大西洋海温距平的相关系数,热带大西洋海温梯度与东大西洋海温距平在四个季节均表现为较强的负相关关系,而分别与南北大西洋存在强的负正相关。意味着当热带大西洋海温梯度增强(或减弱)时,东大西洋变冷(或变暖),北大西洋变暖(或变冷),南大西洋变冷(或变暖)。在春季与夏季,热带大西洋海温梯度与东太平洋与太平洋中部海温距平为中等的正相关关系。意味着当热带大西洋海温梯度减弱,即东大西洋海温升高时,对应太平洋中部及东部海温降低。这可能是由于赤道东大西洋海温上升产生向上的气流,于太平洋中部下沉,有助于使太平洋温跃层变浅,并以与上升流开尔文波一致的速度向东传播。整个过程中Bjerknes反馈增强了东西向海温梯度,并可能使次年冬天拉尼娜现象盛行于太平洋 [13]。

Figure 11. Correlation between the Atlantic SST gradient and SSTA over the tropical Pacific and Atlantic

图11. 热带大西洋海温梯度与太平洋和大西洋海温距平的相关系数

5. 结论

本文通过分析热带太平洋与大西洋海温分布特征及海温梯度统计关系,得出以下结论:

1) 热带太平洋年平均海温总体呈现西高东低的分布特征,西太平洋为团状分布,中心海温最高,南部自西向东递减。热带大西洋为带状分布,海温从低纬向高纬递减。热带太平洋与热带大西洋海温距平在春季与冬季表现为:赤道以北海温以负距平为主,赤道以南以及赤道附近海温以正距平为主。夏季与秋季则相反。

2) 热带东太平洋海温距平在春季与秋季呈递增趋势。热带西太平洋四季海温距平变化趋势均为先降低后升高。热带东大西洋海温距平在春季与冬季120年(1900~2019年)间有三个先递增后递减的过程;夏季与秋季在1900~1964年先递增后递减。热带西大西洋的海温距平四季约在1900~1935年递增,1935~1980年递减,1980年至今递增。

3) 热带太平洋海温梯度在春季为负值,而秋季多为正值,热带大西洋海温梯度春季与冬季为负值,在夏季与秋季为正值。热带太平洋海温梯度与大西洋海温梯度在春季存在显著的负相关关系。春季热带太平洋海温梯度与北大西洋海温距平呈现中等的负相关,热带大西洋海温梯度与太平洋中部海温距平为中等的正相关关系,并可能因此在次年冬天使拉尼娜盛行于太平洋。

致谢

感谢成都信息工程大学四年的培养。

文章引用: 范潇丹 (2020) 热带太平洋与热带大西洋的海温梯度统计关系研究。 气候变化研究快报, 9, 700-710. doi: 10.12677/CCRL.2020.96077

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