2024, Vol. 54
2. 中国海洋大学海洋与大气学院，山东 青岛 266100
热带大气环流系统对全球的天气和气候有显著影响。在赤道上存在的纬向大气垂直环流被称为沃克(Walker)环流，其三个分支分别是太平洋Walker环流、印度洋Walker环流和大西洋Walker环流[1]。其中，在太平洋和大西洋，海盆西侧的海温一般较高，造成大气对流中心在该处出现，导致了这里的上升运动和赤道上的东风。而对于热带印度洋，印太暖池和对流中心位于其东侧，在年平均意义下存在表面西风，因此印度洋Walker环流与另外两支Walker环流的方向相反。印度洋Walker环流对印度洋周边的天气气候有显著影响[2-4]，且与遥远地区乃至全球大气环流变化都有密切关系[5]。
不同洋盆的Walker环流存在显著的年际和年代际变化，当前的研究多聚焦于太平洋Walker环流的变化。例如认为太平洋Walker环流的变化与厄尔尼诺南方涛动(El Niño-southern oscillation, ENSO)相关，El Niño发生时，太平洋Walker环流减弱，其上升支较常年偏东，La Niña期间则相反[6]，也就是说，赤道东西太平洋的海温梯度会影响太平洋Walker环流的强弱[7-8]。另外，印度洋可以通过影响赤道西太平洋信风来改变太平洋Walker环流[9]。在年代际尺度上，太平洋多年代际振荡(Interdecadal Pacific oscillation, IPO)的位相转换会改变热带太平洋海温东西向的梯度，最终影响太平洋Walker环流的强度[10]。对于热带印度洋，其Walker环流也存在显著的年代际变化[11]，但前人对于印度洋Walker环流及其年代际尺度变化的研究相对较少。Han等[12]发现印度洋Walker环流在1980年之前受印度洋本身海温影响，1980年后受到印度季风影响。Deshpande等[13]发现印度洋偶极子(Indian Ocean dipole, IOD)对秋季的印度洋Walker环流年际变化有影响。岳如画等[14]分析了春季印度洋Walker环流的强度和位置的年代际变化，发现1980年之前受东印度洋海温影响，1980年之后受到太平洋ENSO型海温的影响，但少有对其他季节印度洋Walker环流的年代际变化的研究。
印度洋Walker环流与太平洋Walker环流在年际尺度上相互耦合。吴国雄和孟文[15]发现，印度洋Walker环流和太平洋Walker环流类似一对齿轮存在于热带太平洋和热带印度洋，二者存在显著的耦合关系。前人进一步研究发现，年平均的大西洋、印度洋和太平洋的纬向垂直环流之间都存在显著联系，而ENSO是印度洋Walker环流和太平洋Walker环流年际变化的调控因子[16]。在年代际尺度上，太平洋Walker环流的变化会通过影响印度洋Walker环流改变赤道印度洋温跃层深度，进而调制诸如IOD等印度洋海气耦合模态[17]。Han等[12]发现, 冬季(11月(4月)太平洋Walker环流与印度洋Walker环流共同变化，当印太暖池的对流增强时，两支Walker环流同时增强; 而在夏季(5月(10月)，太平洋Walker环流与印度洋Walker环流并不存在显著联系。另外，在年代际尺度上印度洋Walker环流具有很强的季节性，尤其是冬季和夏季具有很大差异。此外，还有研究认为, 大西洋海温的多年代际变化会通过影响大气纬向环流调节印度洋Walker环流和太平洋Walker环流的变化[18]，该变化对印度洋Walker环流季节性影响的特征，目前仍不清楚。
鉴于影响印度洋Walker环流年代际变化的海温强迫因素较多，且在不同季节存在显著的差异。因此，理解不同季节印度洋Walker环流年代际变化的海温调控因子，以及不同的动力学机制具有重要科学意义。本文聚焦北半球冬季和夏季，探究两个季节海温异常对印度洋Walker环流年代际变化的影响。
1 资料与方法本文所使用的观测资料包括：美国国家海洋和大气管理局的ERSSTv5(Extended reconstruction SST, version 5)海表面温度资料[19]，水平分辨率为2°×2°，时间范围为1854—2021年；20世纪大气再分析资料20CRv3(20th century reanalysis, version 3)的表面温度、降水、纬向风、垂直速度资料[20]，水平分辨率为2°×2°，时间范围为1836—2015年。其中，垂直速度ω资料乘上-102 Pa/s换算为垂直速度W，此时正值代表上升运动。本文的研究时间选为1900—2015年，冬季平均包括前一年的12月和当年1、2月(December-January-February, DJF)，夏季平均包括当年的6、7和8月(June-July-August, JJA)。
本文使用IOWC(Indian Ocean walker cell, IOWC)指数研究印度洋Walker环流强度的变化，其定义为赤道印度洋(5°S—5°N, 60°E—90°E)区域平均的850 hPa纬向风。为了探究其他海盆对印度洋Walker环流年代际变化的影响，本文还使用了以下几个指数，具体定义如下：太平洋Walker环流(Pacific walker cell, PWC)指数，其定义为赤道太平洋(5°S—5°N, 150°E—150°W)区域平均的850 hPa纬向风速的负值；IPO指数，其定义为赤道中部太平洋(10°S—10°N, 170°E—90°W)区域平均海温与西北(25°N—45°N, 140°E—150°W)和西南(50°S—15°S, 150°E—160°W)太平洋区域平均海温之差[21]；大西洋多年代际振荡(Atlantic multidecadal oscillation, AMO)指数，其定义为北大西洋(0°—60°N, 7.5°W—75°W)区域平均的海表面温度异常[22]。另外，本文用热带东太平洋(150°W—90°W, 5°S—5°N)和热带北大西洋(55°W—15°W, 0°—20°N)两个关键区域的加权平均海温定义了热带太平洋年代际变率(Tropical Pacific decadal variability, TPDV)指数和热带北大西洋海温(Tropical north Atlantic, TNA)指数来探究海温与印度洋Walker环流的关系。
为了聚焦年代际尺度的信号，本文对所有指数、空间格点场的时间序列都去除了长期线性趋势并进行21年滑动平均，指数定义为对应的标准化时间序列。另外，对于年代际信号之间的相关系数显著性检验，我们使用有效自由度(Effective degree of freedom, EDOF)来估计样本的自由度，计算公式如下：
| $ EDOF^* \approx \frac{N}{1+2 \sum\limits_{i=1}^N \frac{(N-i)}{N} \rho_{x x}(i) \rho_{y y}(i)} 。$ | (1) |
式中：N是样本个数；ρ（i) 是在时滞i上的时间序列自相关。为了避免负的自相关的错误，最大时滞选择为N/2[23-24]。
2 冬季印度洋Walker环流的年代际变化20世纪以来，冬季赤道印度洋上空的低层纬向风具有明显的增强趋势(见图 1(a))，每100年850 hPa的60°E—90°E区域平均的纬向风增强2.8 m/s。去除趋势且平滑后的标准化IOWC指数(见图 1(b))反映了印度洋Walker环流的年代际变化特征，在20世纪30—80年代之间印度洋Walker环流处于正位相，20世纪30年代以前以及80年代以后处于负位相，2005年前后为从负位相向正位相转变的阶段。如图 1(c)所示，IOWC指数为正值时赤道印度洋上空低层为西风，高层对应东风，Walker环流上升支位于印度洋东侧，下沉支位于印度洋西侧，为负值时则表现相反。另外，可以看到冬季印度洋Walker环流与热带太平洋和大西洋的低层纬向风有显著负相关。
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( 图(c)中相关分析前，风场已去除长期线性趋势并进行21年滑动平均，打点表示通过了置信水平为95%的显著性检验。The long-term linear trend of wind field was removed and 21 a moving average was performed before correlation analysis in (c); The dot indicates the correlation significant at the 95% confidence level. ) 图 1 1900—2015年冬季(a)赤道印度洋(5°S—5°N, 60°E—90°E) 区域平均850 hPa纬向风异常时间序列(柱状图)及线性回归(黑直线)、(b)去趋势时间序列(柱状图) 及其21年平滑后的标准化时间序列(黑曲线，IOWC指数)、(c)IOWC指数与850 hPa纬向风场的相关系数分布 Fig. 1 (a) The equatorial Indian Ocean (5°S—5°N, 60°E—90°E) regional average 850 hPa zonal wind anomalies time series (histogram) and linear regression (black line), (b) the detrended time series (histogram) and 21 a moving average smoothed normalized time series (black curve, IOWC index) and (c) correlation coefficient distribution between the IOWC index and 850 hPa zonal wind field in the winter of 1900—2015 |
为了探究冬季印度洋Walker环流年代际变化的原因，我们将冬季IOWC指数与海温场进行相关分析(见图 2(a))，在太平洋和大西洋都发现了较为显著的信号。空间相关场中太平洋区域呈现出类似于IPO的三极子型，其中热带海温的负相关信号最为明显。我们发现，使用包含中纬度信号的IPO指数与仅包含赤道东太平洋的TPDV指数相关系数为0.92(通过了95%的信度检验)，二者极其相似。然而，与印度洋Walker环流的关系中，IPO指数与IOWC指数的相关系数为-0.63(通过了95%的信度检验)，太平洋区域的TPDV指数与IOWC指数的关系更为密切(见图 2(b))，相关系数为-0.81(通过了95%的信度检验)，可见太平洋热带区域的信号对印度洋Walker环流的影响更为显著，由此对于太平洋的讨论聚焦于热带东太平洋海温。另外，大西洋区的热带海温与印度洋Walker环流表现出显著的正相关，TNA指数与IOWC指数的相关系数为0.66(通过了95%的信度检验，见图 2(c))。接下来我们将分别讨论热带东太平洋和大西洋对冬季印度洋Walker环流年代际变率的影响。
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( 打点表示通过了置信水平为95%的显著性检验。(a)中黑框分别表示TNA指数与TPDV指数定义的区域。The dot indicates passing the significance test at the confidence level of 95%. The black boxes in (a) represent the regions corresponding to the TNA index and TPDV index. ) 图 2 冬季IOWC指数与(a)海温场的相关系数分布、(b)TPDV指数的关系和(c)TNA指数的关系 Fig. 2 (a) Correlation coefficient distribution between the IOWC index and SST field, (b) relationship between the IOWC index and the TPDV index and (c) relationship between the IOWC index and the TNA index in winter |
热带东太平洋海温的年代际变化对其上空的纬向垂直环流具有显著影响(见图 3(a))。当太平洋东侧海温异常升高(TPDV指数为正值)时，在赤道中东太平洋(160°E—100°W)上空表现为大范围异常上升运动，海洋性大陆(80°E—140°E)上空的中高层表现为异常下沉运动，太平洋区域低层存在异常西风，高层存在异常东风，形成异常的闭合逆时针纬向环流，导致太平洋Walker环流被削弱。TPDV指数与PWC指数相关表现为显著的负相关(见图 3(b))，相关系数为-0.82(通过95%的信度检验)，意味着热带东太平洋海温的年代际变化的确会影响太平洋Walker环流的年代际变化。
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( (a)、(c)打点区域和黑色箭头表示通过95%的信度检验。In (a), (c), dots and black arrows indicate the correlation significant at the 95% confidence level. ) 图 3 冬季(a)TPDV指数与5°S—5°N平均的纬向垂直环流场(箭头)、垂直速度场的相关系数分布、(b)TPDV指数与PWC指数的关系、(c)IOWC指数与5°S—5°N平均的纬向垂直环流场(箭头)、垂直速度场的相关系数分布及(d)IOWC指数与PWC指数的关系 Fig. 3 (a) Correlation coefficient distribution between the TPDV index and 5°S—5°N average zonal vertical circulation (arrow), the vertical velocity field (coloring), (b) the relationship between the TPDV index and the PWC index, (c) correlation coefficient distribution between the IOWC index and 5°S—5°N average zonal vertical circulation (arrow), the vertical velocity field (coloring) and (d) the relationship between the IOWC index and the PWC index |
热带东太平洋海温通过影响太平洋Walker环流对印度洋Walker环流产生调控作用。如图 3(a)所示，当热带东太平洋海温异常增暖时，印度洋上空中低层的异常上升运动与海洋性大陆上空的中高层异常下沉运动构成异常顺时针环流，意味着印度洋Walker环流被削弱。另外，从纬向垂直环流场与IOWC指数的相关系数分布也能看出(见图 3(c))，不同海盆赤道上空的纬向垂直环流之间存在密切联系，印度洋Walker环流与太平洋Walker环流像齿轮一样耦合在一起，当太平洋Walker环流增强时，海洋性大陆附近的上升运动增强，印度洋Walker环流随之增强。在时间序列上，IOWC指数与PWC指数呈现显著正相关(r=0.84，通过95%的信度检验，见图 3(d))。
因此，当太平洋东侧海温异常暖(冷)时，其上空的上升运动异常增强(减弱)，太平洋上空形成异常的顺(逆)时针纬向环流，太平洋Walker环流减弱(增强)，由于冬季太平洋Walker环流与印度洋Walker环流相互耦合，印度洋Walker环流也会减弱(增强)。
2.2 热带北大西洋海温对印度洋Walker环流年代际变化的影响从IOWC指数和海温年代际的相关场可以发现(见图 2(a))，热带大西洋海温也与印度洋Walker环流有显著联系。进一步研究发现，热带大西洋海温与赤道纬向垂直环流也具有显著的相关性(见图 4(a))。当热带北大西洋海温异常升高时，其上空形成异常的上升运动，在高层有异常东风，太平洋中东部上空表现为异常的下沉运动，太平洋西部上空表现为异常的上升运动，太平洋Walker环流增强。从时间序列上(见图 4(b)) 也可以看到TNA指数与PWC指数呈显著的正相关，相关系数为0.8(通过95%的信度检验)。由于冬季太平洋Walker环流和印度洋Walker环流存在较好的耦合关系，印度洋Walker环流随之增强。
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( (a)打点区域和黑色箭头表示通过95%的信度检验。(a) The dot area and the black arrow indicate the correlation significant at the 95% confidence level. ) 图 4 冬季TNA指数与(a)5°S—5°N平均的纬向垂直环流场(箭头)、垂直速度的相关系数分布、(b)PWC指数的关系和(c)TPDV指数的关系 Fig. 4 (a) Correlation coefficient distribution between the TNA index and 5°S—5°N average zonal vertical circulation (arrow), the vertical velocity field (coloring), (b) the relationship between the TNA index and the PWC index and (c) the relationship between the TNA index and the TPDV index in winter |
热带北大西洋海温与热带东太平洋海温都通过太平洋Walker环流影响印度洋Walker环流。两个海区的海表面温度之间也存在一定的联系，从时间序列上(见图 4(c))来看，TNA指数与TPDV指数在同期表现出显著的负相关(相关系数为-0.63，通过95%的信度检验)，这是由于，北大西洋海温升高会增强太平洋中东部的跨赤道风，从而使得东太平洋的海温降低，北大西洋海温变化超前东太平洋海温10年左右[25]。由此，TNA不仅在同期上对印度Walker环流有影响，还可能是影响其变化的前期预测因子。
3 夏季印度洋Walker环流的年代际变化与冬季相比，夏季赤道印度洋(5°S—5°N, 60°E—90°E)上空气候态的区域平均850 hPa纬向风长期趋势(见图 5(a))为每100年增加1.5 m/s，显著小于冬季。去除趋势并平滑后的标准化IOWC指数(见图 5(b)) 表现出了年代际波动的特征，2000年以来处于负位相，与冬季显著不同。如图 5(c)所示，夏季IOWC指数为正值时赤道印度洋上空低层为西风，高层对应东风，上升支位于印度洋东侧，下沉支位于印度洋西侧，为负值时则表现相反。
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( 相关分析前，风场已去除长期线性趋势并进行21年滑动平均，打点表示通过了置信水平为95%的显著性检验。The long-term linear trend of wind field was removed and 21 a moving average was performed before correlation analysis; The dot indicating the correlation significant at the 95% confidence level. ) 图 5 1900—2015年夏季(a)赤道印度洋(5°S—5°N, 60°E—90°E) 区域平均850 hPa纬向风异常时间序列(柱状图)及线性回归(黑直线)、(b)去趋势时间序列(柱状图)及其21年平滑后的标准化时间序列(黑曲线，IOWC指数)及(c)IOWC指数与850 hPa纬向风场的相关系数分布 Fig. 5 (a) The equatorial Indian Ocean (5°S—5°N, 60°E—90°E) regional average 850 hPa zonal wind anomalies time series (histogram) and linear regression (black line), (b) the detrended time series (histogram) and 21 a moving average smoothed normalized time series (black curve, IOWC index), (c) correlation coefficient distribution between the IOWC index and 850 hPa zonal wind field in the summer of 1900—2015 |
夏季印度洋Walker环流与冬季类似，为逆时针环流，但是其与热带太平洋上空的纬向风相关不显著(见图 5(c))，IOWC指数与PWC指数的相关系数仅为-0.26(未通过95%的信度检验)，二者关系在冬季显著而夏季不显著可能与印度-太平洋地区的地理情况有关。冬季对流中心位于海洋性大陆附近，而夏季对流中心位于赤道以北的南亚一带[26]。也就是说，冬季印度太平洋上的季节性对流更靠近赤道。然而在夏季，与印度季风相关的赤道外对流会对印度洋Walker环流产生强烈影响，从而导致太平洋与印度洋Walker环流之间的联系减弱[12]。但是，IOWC指数与赤道大西洋上空的纬向风仍然显著相关，说明在夏季，热带大西洋的海温异常对印度洋Walker环流的异常变化具有重要的调控作用。
4 热带北大西洋海温对印度洋Walker环流年代际变化的影响从夏季海温场与IOWC指数的相关系数分布(见图 6(a))可以看到，热带北大西洋区域表现为显著的负相关。在夏季，AMO指数(包括北大西洋整体区域)与TNA指数(热带北大西洋区域) 的相关系数为0.9(通过95%的信度检验)。两个指数高度相似，二者与IOWC指数的相关系数均为0.66(通过95%的信度检验)，由于使用AMO指数和TNA指数的结果类似，下文仅展示TNA指数的结果(见图 6(b))。
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( 打点区域表示通过95%的信度检验。Dotted shading indicates correlations above the 95% confidence level. ) 图 6 夏季IOWC指数与(a)海温场的相关系数分布和(b)TNA指数的关系 Fig. 6 (a) Correlation coefficient distribution between the IOWC index and the SST field and (b) the relationship between the IOWC index and the TNA index in summer |
当热带北大西洋的海温异常暖时，其上空对流增强，使得热带北大西洋以及非洲北部地区降水增多(见图 7(a))，其中降水异常的最大区域位于非洲大陆北部20°E附近，该区上空存在着强烈的对流上升运动，使得低层气流从两侧向降水异常中心辐合。我们将图中矩形区域60°W—40°E, 0°—20°N加权平均的降水异常定义为热带北大西洋降水(TNA precipitation, TNAP)指数。结合850 hPa纬向风场与TNAP指数的相关分布(见图 7(b))来看，从热带北大西洋至非洲东北部一带(70°W—20°E)都表现为显著的西风异常，而非洲东侧至海洋性大陆一带(30°E—110°E)都有东风异常。从纬向垂直环流相关图(见图 7(c))中也可以看出，在大气高层降水中心东侧有异常西风，西侧表现为异常东风，意味着印度洋的Walker环流被削弱。
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( 打点区域和黑色箭头表示通过95%的信度检验。The dot area and the black arrow indicate the correlation significant at the 95% confidence level. ) 图 7 夏季(a)TNA指数与降水场的相关系数分布、(b)TNAP指数与850 hPa纬向风场与相关系数分布及(c)TNAP指数与纬向垂直环流场的相关系数分布 Fig. 7 Correlation coefficient distribution between (a) the TNA index and precipitation field, (b) the TNAP index and 850 hPa zonal wind field and (c) the TNAP index and zonal vertical circulation field in summer |
从时间序列上来看，TNA指数与TNAP指数(见图 8(a))为显著正相关，相关系数为0.64(通过95%的信度检验)。另外，IOWC指数与TNAP指数具有显著的负相关，相关系数为-0.68(通过95%的信度检验)，说明在年代际尺度上，热带北大西洋海温异常可以通过调控局地对流活动来影响印度洋Walker环流的异常变化。
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图 8 夏季TNAP指数与(a)TNA指数、(b)IOWC指数的关系 Fig. 8 The relationship between (a) the TNAP index and the TNA index, (b) the TNAP index and the IOWC index in summer |
综上所述，与冬季不同，夏季热带北大西洋海温的年代际变化与热带大西洋与非洲北部的降水紧密相关，在降水异常中心伴随着较为强烈的垂直运动，对应高低层的辐合辐散，从而影响印度洋Walker环流的变化。前人研究中也指出，热带大西洋变暖造成的对流异常，会通过大气开尔文波引起印度洋-西太平洋的东风异常[18]。这些结果都证实了北大西洋海温对印度洋Walker环流的调控作用。当北大西洋海温异常升高时，热带大西洋与非洲北部的降水增多，在非洲北部的降水异常中心形成较为强烈的上升运动，低层风向降水异常中心辐合，高层风从降水异常中心辐散，在印度洋上空低层(高层)呈异常东风(西风)，导致印度洋Walker环流的减弱。
5 结语通过对观测资料的统计分析，我们发现印度洋Walker环流的年代际变化与跨洋盆的海表面温度年代际信号有关，且存在显著的季节性差异。在北半球冬季，热带东太平洋与热带北大西洋对印度洋Walker环流的年代际变化有影响，不同海区的海温异常通过驱动太平洋Walker环流，进而调制印度洋Walker环流。相较而言，在夏季太平洋海温对印度洋Walker环流的影响不显著，而热带大西洋海温对印度洋Walker环流年代际变化有重要的调控作用。
在北半球冬季，太平洋Walker环流与印度洋Walker环流通过“齿轮”耦合紧密联系，热带东太平洋与热带北大西洋海温的年代际变化信号通过调制太平洋Walker环流影响印度洋Walker环流，其中热带东太平洋海温年代际变化与印度洋Walker环流年代际变化为负相关，热带东太平洋海温的冷(暖)异常会增强太平洋Walker环流东侧的异常下沉(上升)运动，从而增强(减弱)太平洋Walker环流和印度洋Walker环流。热带北大西洋海温年代际变化与印度洋Walker环流年代际变化为正相关，当热带北大西洋海温异常暖(冷)时，其上空形成异常上升(下沉)运动，太平洋东侧存在异常下沉(上升)运动，间接使得太平洋Walker环流东侧的下沉支增强(减弱)，并进一步通过“齿轮”耦合效应增强(减弱)印度洋Walker环流。
在北半球夏季，热带太平洋Walker环流与印度洋Walker环流的年代际耦合关系消失，甚至在西太平洋上空出现与印度洋上空同向的低层纬向风变化。此时，热带东太平洋对印度洋Walker环流的调控作用消失，而热带北大西洋海温年代际变化仍对印度洋Walker环流有重要的调控作用，二者呈负相关。具体而言，当热带北大西洋的海温异常暖(冷)时，从热带北大西洋向东延伸横跨大西洋与非洲大陆区域均表现为降水正(负)异常，热带北大西洋降水伴随着较强的上升(下沉)运动，其周围气流向降水中心辐合(辐散)，从而在赤道印度洋对流层低层形成异常东(西)风，高层形成异常西(东)风，印度洋Walker环流减弱(增强)。
值得注意的是，热带北大西洋海温在冬季与夏季对印度洋Walker环流年代际变化都有作用，但由于影响路径不同，导致对印度洋Walker环流的作用正好相反。在冬季，热带北大西洋通过其西侧的太平洋Walker环流进一步向西影响印度洋Walker环流，二者为正相关；在夏季，热带北大西洋通过影响其东侧的降水从而进一步向东影响印度洋Walker环流，二者为负相关。本研究从季节差异性的角度，探讨了不同海区海温异常对印度洋Walker环流年代际变化的调控作用, 为气候长期变化的预测提供了理论参考。
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