热带辐合带(Intertropical Convergence Zone，ITCZ)是南北两条副热带高压间的低压区，气流在此发生交汇，具有强烈的上升运动和降水.ITCZ作为热带大气的主要系统之一，对全球大气环流具有重要影响.最初，Alpert(1945, 1946a, 1946b)，Riehl(1954)利用风场资料对ITCZ进行了定义，因当时海洋上资料稀少，所以无法精确确定.范慧君(1985)利用云量确定ITCZ位置，发现中东太平洋ITCZ季节、年际变化较小，一般在5°N—8°N.蒋尚城(1988)利用长波辐射资料定义了ITCZ强度和位置，发现西太平洋ITCZ最强，同时也指出了双ITCZ现象.Chan和Evans(2002)，Wang和Magnusdottir(2006)分别用850 hPa和975 hPa的相对涡度定义了ITCZ.Wei等(2008)用850 hPa纬向风经向切变涡度定义ITCZ位置，其结果与通过云量资料定义的结果基本一致.马丽萍(2009)发现利用925 hPa的相对涡度定义ITCZ比975 hPa更合适.Stanfield等(2016)利用降水资料对ITCZ进行了定义，并通过这种定义比较了29个模式对ITCZ的模拟效果.前人已从多种角度对ITCZ进行了定义，用多种方法描述了ITCZ的位置和强度，使得ITCZ的基本特征得到了定量分析.

东太平洋ITCZ常年位于赤道以北，Xie和Philander(1994)，Xie(1996)从海气相互作用的角度提出了风-蒸发-SST正反馈机制，最先揭示了东太平洋ITCZ位于赤道以北的可能原因.Philander等(1996)提出的层云-SST正反馈机制以及Chang等(1998)提出的越赤道风-上升流正反馈机制又对东太平洋ITCZ常年偏北的现象做出了进一步的解释.Xie和Arkin(1998)，Gruber等(2000)指出，东太平洋SST高温区在春季会移向赤道附近，这使得东太平洋ITCZ在春季位于最南端.Xu等(2005)发现北半球冬季ITCZ位于东太平洋暖池南部，并利用模式分析了其物理机制.Vecchi和Harrison(2006)，Lengaigen和Vecchi(2010)发现在东部型厄尔尼诺年，东太平洋ITCZ会异常偏南.隋晓霞和王启(2011)在研究ITCZ上升运动的季节和年际变化时指出，东太平洋ITCZ的垂直速度极值位置在厄尔尼诺年偏南，拉尼娜年偏北.Xie和Yang(2014)指出在中部型厄尔尼诺年，东太平洋ITCZ会略微偏南，其偏南程度要小于东部型厄尔尼诺年.Hiroto等(2014)研究发现东太平洋ITCZ是连接低纬度海洋开尔文波与罗斯贝波的“大气桥”，海洋中的赤道开尔文波通过改变东太平洋ITCZ位置来激发西传的罗斯贝波.前人虽对ITCZ做出了一系列工作，但在分析与厄尔尼诺的相关性时，并未定量给出两者的相关关系以及两者在不同季节的相关性强弱，尤其是厄尔尼诺对ITCZ强度的影响，也未系统地比较两类厄尔尼诺对ITCZ影响的差异.有学者指出，21世纪以后发生的厄尔尼诺更加倾向于中部型(Larkin and Harrison, 2005; Ashok et al., 2007; Kao and Yu, 2009; Kug et al., 2009; Weng et al., 2009; Xie et al., 2014)，而厄尔尼诺的悄然变化究竟会对ITCZ产生多大的影响？本文基于降水资料，对中东太平洋ITCZ(Centre and Eastern Pacific ITCZ，CEP-ITCZ)的位置、强度与3个Niño海区的相关性分别进行了定量分析，以便根据Niño海区SST异常推测ITCZ降水位置与强度的变化，这对海气相互作用的机制研究、气候预测、模式评估等具有重要意义.

降水数据选用1979—2015年GPCP与CMAP两种月平均资料，分辨率均为2.5°×2.5°.SST数据采用欧洲天气预报中心月平均资料，分辨率1°×1°.

考虑到降水带能够最直观地反映ITCZ的强度与位置，且本文研究范围主要针对中东太平洋，CEP-ITCZ位置常年偏北，降水具有显著的带状分布特征.因此，本文采用Stanfield等(2016)从降水角度对CEP-ITCZ进行的定义.此定义方法远离陆地，可排除中美山脉对CEP-ITCZ的影响(Xu et al., 2005).

CEP-ITCZ关键区域为(180°W—110°W，2°S—21°N)，如图 1虚线框.将GPCP或CMAP降水资料由2.5°×2.5°格点插值到1°×1°格点，插值法为双线性插值.对关键区域内降水率大于4 mm/day的格点进行描点，将每条经线上一系列连续点的最北端连线作为CEP-ITCZ北边界，同理可画出南边界.每条经线上南北端点的中点在纬向连线后为CEP-ITCZ中线，本文即以此中线表示其位置.注意：(1)同一经线上，北端点至南端点的描点无中断.(2)若某经线上最大降水率小于4 mm/day，则此经线的ITCZ中点由相邻经线插值得到.(3)若某一经线以东(西)至区域边界的最大降水率均小于4 mm/day，则利用中线上最东(西)端10个点连线的平均倾斜程度将中线延长至区域边界.此外，因CEP-ITCZ的年平均态在经向上约占8~9个纬距，所以定义中线向南北两侧各延长4个纬距后降水率的平均值作为CEP-ITCZ的强度.

图 1

Fig. 1

图 1 CEP-ITCZ定义 虚线框为CEP-ITCZ关键区域，浅棕、棕色和深棕色描点分别表示降水率大于4、5和6 mm/day的格点，绿色实线为CEP-ITCZ南北边界，白色实线为CEP-ITCZ中线，阴影为降水率，单位：mm/day. Fig. 1 Definition of the CEP-ITCZ The dashed box represents the pivotal area of the CEP-ITCZ. Light brown, brown and dark brown dots indicate a gridded precipitation rate greater than 4, 5 and 6 mm per day, respectively. Green solid lines represent the north and south boundaries of the CEP-ITCZ. White solid line shows the centerline of the CEP-ITCZ. Shaded area represents the precipitation rate with unit mm/day.

根据秦坚肇和王亚非(2014)提出的描述两类厄尔尼诺类型的指数CPI(Centre Pacific ENSO Index)与EPI(Eastern Pacific ENSO Index)，并采用11月至次年1月的SST平均值资料(图 2)，可以找出典型的东部型厄尔尼诺年(EP-El)包括：1982/83，1997/98；较强的中部型厄尔尼诺年(CP-El)包括：1987/88，1991/92，1994/95，2002/03，2006/07，2009/10.

图 2

Fig. 2

图 2 两类厄尔尼诺指数时间序列 Fig. 2 Time series of two types of El Niño indices

利用降水资料对CEP-ITCZ基本特征在普通年份的季节变化进行分析，其结果与前人利用云量、长波辐射、垂直速度等要素的统计结果基本一致.在与东太平洋各气压层的ITCZ垂直速度统计结果(隋晓霞和王启，2011)对比时发现，CEP-ITCZ降水位置与850 hPa层ITCZ垂直速度极值位置最接近，且强度有相同的季节变化规律.对于CEP-ITCZ在两类厄尔尼诺年的季节变化，尚无具体资料可供对比.

1979—2015年CEP-ITCZ的季节变化如图 3所示.从CEP-ITCZ位置的季节变化角度来看，GPCP(CMAP)资料显示，普通年份CEP-ITCZ的中线位置在3月份移至最南端，约5.27°N(5.32°N)，9月份移至最北端，约9.68°N(9.82°N).两类厄尔尼诺发生时，CEP-ITCZ位置的季节变化规律与普通年份相似，均在6—8月份发生北跳，11月—次年1月份快速南撤，并且也在3月份移至最南端，9月份移至最北端.具体位置为，中部型厄尔尼诺年CEP-ITCZ最南端移至5.00°N(5.03°N)，最北端移至9.75°N(9.86°N)；东部型厄尔尼诺年CEP-ITCZ最南端移至0.74°N(0.96°N)，最北端移至8.11°N(8.67°N).

图 3

Fig. 3

图 3 CEP-ITCZ中线位置及强度的季节变化 Fig. 3 Seasonal variations of the position and intensity of the CEP-ITCZ

从CEP-ITCZ强度的季节变化角度来看，GPCP(CMAP)资料中，普通年份CEP-ITCZ的强度具有明显的季节差异，在2月份最弱，为4.28 mm/day(4.89 mm/day)，8月份最强，为8.79 mm/day(9.49 mm/day)，此外在11月份会达到一个次高峰，约8.29 mm/day(9.13 mm/day).强度最值发生的月份比位置达到最北端或最南端要超前一个月.当两类厄尔尼诺发生时，CEP-ITCZ强度的季节差异会被削弱，在11月至次年2月份，CEP-ITCZ强度相对普通年份均有较大程度的增强，这是厄尔尼诺在冬季发展至极盛的结果.在中部型厄尔尼诺年，CEP-ITCZ最强月份发生在11月，强度为10.36 mm/day(10.91 mm/day)，最弱月份为2月，强度为5.10 mm/day(5.62 mm/day).在东部型厄尔尼诺年，CEP-ITCZ最强仍发生在8月份，强度为11.18 mm/day(11.22 mm/day)，在1月份再次达到一个峰值，强度为10.20 mm/day(9.77 mm/day).

气候平均态上，GPCP(CMAP)资料显示，普通年份CEP-ITCZ通常位于7.55°N(7.65°N)，强度均值为6.85 mm/day(7.65 mm/day)；中部型厄尔尼诺年则略微偏南，平均位于7.34°N(7.40°N)，强度增强为8.52 mm/day(9.22 mm/day)；东部型厄尔尼诺年偏南程度较大，平均位于4.55°N(4.84°N)，强度增强为9.04 mm/day(9.46 mm/day).不难发现，东部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的位置与强度均有较大影响，而中部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ的位置影响不大，但对CEP-ITCZ强度的影响却不亚于东部型厄尔尼诺.可见，两类厄尔尼诺与CEP-ITCZ之间有着不同的相关性.

为探讨Niño海区SST对CEP-ITCZ的影响，分别绘制CEP-ITCZ位置异常(图 4a，4c)、强度异常(图 4b，4d)与SST异常的相关系数分布场，图中黑色等值线内通过99.9%的信度检验.两种降水资料显示出了相似的结果：在图 4(a，c)中，东太平洋赤道附近出现了负相关，通过信度检验的区域从美洲沿岸一直延伸至170°W，表示东太平洋赤道地区SST越高，CEP-ITCZ位置越偏南.相关系数极小值出现在Niño 3海区，最小值达到-0.8以下，说明CEP-ITCZ位置与Niño 3海区SST具有良好的相关性.图 4(b，d)中，太平洋赤道附近出现了大面积的正相关，通过信度检验的区域在160°E—110°W，表示中太平洋赤道地区SST越高，CEP-ITCZ强度越强.相关系数最大值出现在Niño 4海区，达到0.8以上，说明CEP-ITCZ强度与Niño 4海区SST的相关性较大.经对比可以发现，影响CEP-ITCZ位置与强度的海区均在赤道附近，但与CEP-ITCZ位置相关性较大的海区更倾向于东太平洋，CEP-ITCZ强度则更加倾向于中太平洋.

图 4

Fig. 4

图 4 CEP-ITCZ位置异常(a，c)、强度异常(b，d)与SST异常相关系数分布 黑色等值线内通过99.9%的信度检验，绿线框为CEP-ITCZ关键区域，黑实线框为Niño 3.4海区，黑虚线框由左至右分别为Niño 4与Niño 3海区. Fig. 4 Distribution of correlation coefficients between position anomalies (a, c), intensity anomalies (b, d) of the CEP-ITCZ and SST anomalies Black contours represent the 99.9% confidence level. Green box in each image represents the pivotal area of the CEP-ITCZ. Black box with solid lines shows Niño 3.4. Black boxes with dashed lines represent Niño 4 on the left side and Niño 3 on the right side, respectively.

由此可以说明，对于东部型厄尔尼诺，CEP-ITCZ异常更倾向于位置偏南；对中部型厄尔尼诺，CEP-ITCZ异常将会更倾向于强度增强.为进一步验证此结论，本文采用1979—2015年11月至次年1月CEP-ITCZ位置及强度的平均值，绘制了标准化位置-强度二维散点图(图 5).由散点图可以发现，1987、1991等年份的CEP-ITCZ强度异常较大，位置异常较小，强度异常大于位置异常.1982年与1997年的CEP-ITCZ强度异常也较大，但位置却有更大的异常，其位置异常大于强度异常.

图 5

Fig. 5

图 5 CEP-ITCZ位置-强度标准化的散点图 Fig. 5 Scatter plot of standardized position and intensity of the CEP-ITCZ

根据3.1节发现的与CEP-ITCZ异常密切相关的海区，分别绘制CEP-ITCZ年平均位置与Niño 3海区SST异常、强度与Niño 4海区SST异常的回归曲线(图 6)，F为回归效果显著性检验统计量，大于7.40则代表通过99%的信度检验.GPCP(CMAP)资料中，CEP-ITCZ年平均位置与Niño 3海区SST相关性可达-0.82(-0.76)，回归曲线斜率约为-1.20(-0.90).根据回归曲线，倘若Niño 3海区SST异常升高1 ℃，则CEP-ITCZ位置可能会向南偏移1°左右.CEP-ITCZ年平均强度与Niño 4海区SST相关性可达0.84(0.78)，回归曲线斜率约为1.46(1.53)，倘若Niño 4海区SST异常升高1 ℃，则CEP-ITCZ降水率可能会增强1.5 mm/day左右.

图 6

Fig. 6

图 6 CEP-ITCZ位置异常与Niño 3海区SST异常、强度异常与Niño 4海区SST异常的回归曲线 等式为回归方程，R为相关系数，F为回归效果显著性检验统计量. Fig. 6 Regression curve between position/intensity anomalies of CEP-ITCZ and SST anomalies in Niño 3/Niño 4 The regression equation is on the top. R is correlation coefficient. F is the significance test statistic of the regression effect.

由CEP-ITCZ月平均特征与各Niño海区SST异常超前滞后相关系数曲线(图 7)可以发现，Niño海区SST异常超前CEP-ITCZ异常一个月时，两者的相关性最显著.其中CEP-ITCZ位置异常与超前一个月的Niño 3海区SST异常相关性最大，相关系数可达-0.75；CEP-ITCZ强度异常与超前一个月的Niño 4海区SST异常相关性最大，相关系数达0.70.

图 7

Fig. 7

图 7 CEP-ITCZ位置异常(a)、强度异常(b)与各Niño海区SST异常超前滞后相关系数 直线两侧通过95%的信度检验. Fig. 7 Lead-lag correlation coefficients between the position (a) and intensity (b) anomalies of the CEP-ITCZ and the SST anomalies in each Niño area Straight lines represent the 95% confidence level.

当Niño海区SST异常超前CEP-ITCZ异常一个月时，两者相关性的季节变化如图 8所示.图 8a描述的是CEP-ITCZ位置异常.不难发现，在所有月份，Niño 3海区对CEP-ITCZ位置异常的影响程度大于Niño 3.4海区且远远超过Niño 4海区.这进一步说明，在任意季节，中部型厄尔尼诺对CEP-ITCZ位置的影响都较弱.此外，两种降水资料均显示12月份CEP-ITCZ位置异常与11月份Niño 3海区SST异常相关性最好，相关系数为-0.89；之后至3月份，相关性逐渐减弱，3月份CEP-ITCZ位置异常与2月份Niño 3海区SST异常相关系数仅为-0.64，由前文可知此时CEP-ITCZ位置正位于一年中的最南端；其后两者的相关性又会增强，4—5月份达到次峰值后再次逐渐减弱，8—9月份两者的相关性再次达到一个低谷.

图 8

Fig. 8

图 8 月平均CEP-ITCZ位置异常(a)、强度异常(b)与超前一个月的Niño海区SST异常相关系数季节变化曲线 Fig. 8 Seasonal variation of the correlation coefficients between the anomalous position (a) and intensity (b) of the monthly mean CEP-ITCZ and the SST anomalies ahead of one month in each Niño area

图 8b中可知CEP-ITCZ强度与Niño 3.4和Niño 4海区SST的相关性较好.具体表现为，在北半球的初春至夏中(3月至7月)，CEP-ITCZ强度异常与超前一个月的Niño 4海区SST异常相关系数较大，夏中至冬末(8月至次年2月)，CEP-ITCZ强度异常与超前一个月的Niño 3.4海区SST异常相关系数较大.这说明两类厄尔尼诺对CEP-ITCZ强度都会产生较大影响.GPCP(CMAP)资料中，5月(4月)CEP-ITCZ强度异常与4月(3月)Niño 4海区SST异常的相关系数最大，为0.83(0.81)；其后相关性快速减弱，7月两者的相关系数仅为0.50左右.7月之后，CEP-ITCZ强度与Niño海区SST的相关性不断增大，且Niño 3.4海区开始大于Niño 4海区.综合分析CEP-ITCZ强度异常与Niño海区SST异常相关系数变化曲线发现，冬季的相关系数较大，而夏季却远远小于冬季，这可能是因为厄尔尼诺通常在11月至次年2月达到极盛，这也意味着CEP-ITCZ强度与厄尔尼诺的相关性最大值应出现在12月至次年3月，图中Niño 3.4曲线基本符合此规律，而Niño 4曲线却在3月至5月达到最大值，且Niño 4曲线相位要落后于Niño 3.4曲线相位1~2个月.

根据4.1节中得到的影响CEP-ITCZ特征的关键海区，绘制各月份CEP-ITCZ位置与超前一个月的Niño 3海区SST异常回归曲线(图 9)和强度与超前一个月的Niño 3.4(或Niño 4)海区SST异常回归曲线(图 10).图 9中，各月曲线与年平均曲线相似，均为负斜率，Niño 3海区SST升高会伴随着次月CEP-ITCZ位置的偏南.由GPCP(CMAP)资料发现，4月份曲线斜率为最小值-1.82(-1.89)，这说明4月份CEP-ITCZ位置对Niño 3海区SST的变化最敏感，相同程度的SST异常会使4月份CEP-ITCZ位置有相对更大的偏移.其后，曲线的斜率会逐渐增加，CEP-ITCZ位置对Niño 3海区SST的敏感性降低，9月份曲线斜率达到最大-0.65(-0.49).9月至次年的4月，曲线斜率又会降低，CEP-ITCZ位置对Niño 3海区SST敏感性增强.

图 9

Fig. 9

图 9 各月CEP-ITCZ位置异常与超前一个月的Niño 3海区SST异常的回归曲线 (A)图为GPCP资料，(B)图为CMAP资料.等式为回归方程，R为相关系数，F为回归效果显著性检验统计量. Fig. 9 Regression curve between position anomalies of CEP-ITCZ every month and SST anomalies ahead of one month in Niño 3 (A) is GPCP data. (B) is CMAP data. The regression equations are on the top. R is correlation coefficient. F is the significance test statistic of the regression effect.

图 10

Fig. 10

图 10 各月CEP-ITCZ强度异常与超前一个月的Niño 3.4(或Niño 4)海区SST异常的回归曲线 (A)图为GPCP资料，(B)图为CMAP资料，等式为回归方程，R为相关系数，F为回归效果显著性检验统计量. Fig. 10 Same as Fig. 9 but for intensity of CEP-ITCZ and Niño 3.4 or Niño 4

在图 10中，各月份均表现出Niño海区SST升高会使次月CEP-ITCZ增强的特征.根据相关系数季节变化曲线，图中4月至7月采用了Niño 4海区，其他月份为Niño 3.4海区.由GPCP(CMAP)资料得到，在4月份，CEP-ITCZ强度对Niño 4海区的SST敏感度最强，回归曲线斜率为2.30(2.43).4月至11月，曲线斜率整体呈现减小趋势，11月份曲线斜率最小，为0.86(0.56).11月至次年4月，曲线斜率整体呈增加趋势.

综合分析上述回归曲线斜率的变化趋势可以发现，在CEP-ITCZ位于最南端时(3月)的次月，CEP-ITCZ位置与强度对相关Niño海区SST异常的敏感程度最强.在CEP-ITCZ北跳过程中，相应的敏感程度会减弱.在CEP-ITCZ位于最北端(9月)之后的1~2个月内，CEP-ITCZ位置与强度对相关Niño海区SST异常的敏感程度达到最弱，其后在CEP-ITCZ南撤时又会增强.

ITCZ作为热带大气的重要组成部分，其异常变化会对全球大气环流产生重要影响，ITCZ的异常变化也可以作为中纬度灾害性天气预测的依据.本文用GPCP和CMAP降水资料对中东太平洋ITCZ的基本特征做出了统计分析，并定量分析了其异常变化与厄尔尼诺的相关性，得到如下结论.

(1) 普通年份，CEP-ITCZ平均位置约为7.6°N，强度7.25 mm/day，东部型厄尔尼诺年位置偏南约2.9°，强度增强1.9 mm/day；而中部型厄尔尼诺年位置偏南仅有0.2°，强度增强1.7 mm/day.两类厄尔尼诺期间，CEP-ITCZ位置的季节变化规律与普通年份相似，均是3月位于最南端，9月位于最北端，而强度的季节差异则被削弱.

(2) 分析CEP-ITCZ的年平均特征发现，中部型厄尔尼诺年的强度异常较大，位置略有偏移，强度异常大于位置异常；东部型厄尔尼诺年的CEP-ITCZ强度异常也较大，但位置却有更大的偏移，其位置异常大于强度异常.

(3) 分析CEP-ITCZ的月平均特征发现，与CEP-ITCZ位置相关性最大的海区为超前一个月的Niño 3海区，而与CEP-ITCZ强度相关性最大的海区则为超前一个月的Niño 3.4(8月—次年2月)或Niño 4(3—7月)海区.

(4) 在CEP-ITCZ达到最南端时(3月)的次月，CEP-ITCZ位置与强度对相关Niño海区SST异常的敏感程度最强；而在达到最北端(9月)之后的1~2个月内，前者对后者的敏感程度达到最弱.

根据本文研究结论，若厄尔尼诺在21世纪后更加倾向于中部型，则CEP-ITCZ异常应更多地表现为强度的变化.此外，通过分析Niño海区SST异常超前CEP-ITCZ异常一个月的相关关系，可对次月CEP-ITCZ异常进行预测.本文主要从统计学角度对CEP-ITCZ与厄尔尼诺的相关性做了定量分析，下一步将对两者相互作用的物理机制进行研究.

两位审稿专家以及中国海洋大学高山红教授、国防科技大学郭海龙博士、刘爽博士对本文提出了非常宝贵的修改意见，在此一并致谢.