应用气象学报  2002, 13 (6): 711-717   PDF    
引用本文
程彦杰, 卞林根, 陆龙骅. 南极海冰涛动与ENSO的关系[J]. 应用气象学报, 2002, 13(6): 711-717.
Cheng Yanjie, Bian Lingen, Lu Longhua. ANTARCTIC SEA-ICE OSCILLATION AND ITS RELATIONSHIP WITH ENSO[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2002, 13(6): 711-717  
南极海冰涛动与ENSO的关系
程彦杰, 卞林根, 陆龙骅     
中国气象科学研究院, 北京 100081
2001-06-23 收到, 2001-11-16 收到修改稿.
资助项目: 本文得到国家科技部社会公益研究专项资助    
摘要: 对近30年南极海冰密集度资料的EOF和SVD分析，发现南极地区在罗斯海外围和别林斯高晋海的海冰密集度场存在着“翘翘板”的变化特征，并与ENSO有密切联系。由此定义两个海冰关键区的差值为南极海冰涛动指数（ASOI），ASOI超前SOI和Nino3指数2个月时，其正、负相关系数达到最大，并通过α=0.001的信度检验。ASOI高、低指数阶段对应的南半球海平面气温、气压场和风场的合成分析表明，海冰关键区的异常变化可能引起温度、气压、风场的响应而影响南太平洋的洋流，进而对ENSO的发生、发展产生影响。
关键词: 南极    海冰    涛动    ENSO    
ANTARCTIC SEA-ICE OSCILLATION AND ITS RELATIONSHIP WITH ENSO
Cheng Yanjie, Bian Lingen, Lu Longhua     
Chinese Academic of Meteorological Sciences, Beijing 100081
Abstract: Antarctic Sea-ice oscillation and its relationship with indices of the atmospheric circulation of the Southern Hemisphere are examined by using 30 year Antarctic sea-ice concentration and NCEP data from January 1968 to December 1997 based on the EOF and SVD methods. A out-phase relationship is found between Ross Sea and Bellingshausen Sea, whose characteristics of the variation is defined as Antarctic Sea-ice Oscillation. Its index (ASOI) has a high correlation with SOI and Nino 3 Index when it is two months ahead of them. The high index and low index composite figures reveal the completely reverse patterns of SAT, SLP, and wind circulation in the Southern Ocean for the two extreme states. The sea-ice anomalies of the two key regions accompany with the opposite wind circulation which may influence the currents of the Southern Pacific ocean and the development of E1 Nino/La Nina events. This evidence indicates a possible ENSO signal between Ross sea and Bellingshausen sea.
Key words: Antarctic     Sea-ice     Oscillation     ENSO    

南极海冰变化与ENSO 之间的关系已有很多研究[1-4]。罗斯海域海冰的减少与El Niñno 事件的发生有很高的相关关系[5]。Gloseren 应用多通道谐波分析,发现南北极海冰存在与ENSO 变化相联系的准两年和准4 年周期[6]。White 等指出:南极海冰范围 (SIE)、海表温度(SS T)、海平面气压(SLP)和风场异常,在ENSO 时间尺度上存在自西向东传播,周期为4-5 年的南极绕极波列(ACW)[7]。最近,哥伦比亚大学的研究人员使用近20 年的海冰资料,通过对海平面气温(SAT)和海冰边缘指数的分析得到,中东太平洋和大西洋的南极海冰区存在一对具有“翘翘板” 变化特征并与ENSO 联系的“南极耦极子”(Antarctic Dipole,ADP),并认为ADP 是由ACW 激发的强驻波信号[8]。ADP 的发现为进一步研究海冰和ENSO 的关系提供了思路。本文将利用自然经验正交分析(EOF)、 奇异值分解(SVD)和合成分析方法对近30 年的南极海冰密集度资料进行空间模态和关键区的提取,研究海冰关键区异常和ENSO 的相互关系和影响过程。

1 资料及处理方法

本文所用资料为近30 年(1968 年1 月~1997 年12 月)空间分辨率为2.5°×2.5°的 NCEP /NCAR 的海平面SLP、SAT、风场再分析资料[9],及空间分辨率为3°×1°的海冰密集度资料(ICE)[8]。为突出气候变化的低频特征和计算结果的稳定性,对资料进行了分月求距平和低通滤波(去掉1 年以下的高频季节变化)和空间格点标准化等预处理。

本文通过EOF 分析从海冰密集度资料中提取气候变化的主要空间模态,确定海冰变化关键区；然后使用SVD 方法找出与海冰模态紧密联系的SAT、SLP 空间分布特征,进而诊断海冰关键区与ENSO 相互联系的可能机制。

2 南极海冰变化关键区以及与ENSO 的关系

对30 年逐月海冰场的EOF 分析表明,前4 个模态(特征向量)占原始场总方差的 41 %,其中第1、2 模态分别达总方差的10 %以上。对北极多年海冰逐月资料的EOF 分析[10] 也有类似结果,其前4 模态只占总方差的30 %,第1 模态达总方差的11 %。图 1 给出了由南极海冰密集度距平场EOF 分析得到的首要模态(ICE1)。由图 1 可见,该模态正负距平区分布与聚类分析方法划分的南极海冰聚类分区结果基本一致[11],绕南极大陆存在着5 个海冰变化特征不同的气候分区。在图 1 中,海冰密集度变化最大的正负距平中心分别位于南极半岛西侧的别林斯高晋海(63°W,62°S)及罗斯海外围(140°W,62°S)。这是两个具有“翘翘板”特征的关键区。此外,在威德尔海(15°W,65°S)有一较弱的正距平中心,在南印度洋(45°E,68°S)另有一负距平中心,这一组正负距平中心的范围和强度都比列为关键区的别林斯高晋海和罗斯海外围小。

图 1. 南极海冰EOF分析的首要状态

鉴于El Niñno/La Niña 现象不但表现为海表水温(SS T)异常变化,而且在海平面气温 (SAT)上也有类似的变化,且气温的空间连续性较海温更好；南方涛动(SO)则主要反映在海平面气压场上。因此,可以用ICE 与SA T、S LP 之间的SVD 关系来讨论海冰模态与 ENSO 的关系。图 2 给出了与ICE 配对的SAT、SLP 两要素场SVD 第1 模态的空间分布,海冰SVD 第1 模态与其EOF 的首要模态(ICE1)的正负距平中心的位置和范围基本一致(图略)。因此,借助于SVD 可得到与ICE1 对应的SAT、SLP 分布特征。由图 2 可见,SA T 的SVD 第1 模态表现为赤道中东太平洋出现大范围正距平区,具有El Niño 成熟位相的特征；同时在南半球中高纬度地区,罗斯海与南极半岛附近的威德尔海存在典型的“南极偶极子”ADP 分布特征,其中心位置和海冰关键区大致相对应。SLP 的SVD 第1 模态在中低纬度的中东太平洋地区出现气压负距平,西太平洋和澳大利亚出现正距平,呈现出南方涛动“西高东低”的气压距平场分布特征；在高纬度地区,与别林斯高晋海海冰正距平区相对应,南极半岛附近存在一个强烈的正距平中心,中心位置位于南极半岛附近的海温变化中心的西侧；同时,罗斯海以西地区,出现一个弱的气压负距平中心。SAT 和 S LP 的SVD 第一模态与ICE 首要模态是基本一致的,物理意义是清楚的。当海冰面积增加后,下垫面的反照率增加,吸收短波辐射减少,使得周围气温下降、气压上升；同时,减少了海水和大气的热量交换,也会使气温下降、气压上升。

图 2. 温度场（a）,气压场（b）的SVD分析第1模态

众所周知,南半球SLP 场季节变化小,与北半球相比气候系统分布较为稳定。南极大陆上由于冰雪覆盖,常年维持一个大陆冷高压,大陆周边地区是极地低涡经常出现的地方。中东太平洋中高纬度地区常年维持一个高压,这些相对固定的天气系统使得南太平洋上的盛行风向稳定,和其逆时针旋转的洋流系统相一致。但如上所述,当南极海冰异常出现后,可能对周围温度、气压场会产生影响,进而影响大洋海表的盛行风场变化,而风场对冷暖洋流的影响就可能对ENSO 的发展维持产生影响。

3 南极海冰涛动指数及其与ENSO 的关系

由海冰EOF、SVD 首要模态和相关分析确定的海冰密集度变化的两个关键区,分别位于罗斯海外围A 区(61°~63°S,138°~144°W)和别林斯高晋海B 区(61°~63°S,60°~ 66°W)。可以把对各自区域作空间平均后的差值,并经标准化处理后的新序列,称为南极海冰涛动指数ASOI(Antarctic Sea-ice Oscillation Index)。

ASOI 能够反映出两个海冰关键区具有“翘翘板”式的变化关系。高(低)指数对应着罗斯海外围海冰增加(减少),南极半岛附近的别林斯高晋海海冰明显减少(增加)。图 3 给出了近30 年来ASOI 和SOI 及Nino 3 的变化曲线。由图可见,ASOI 与SOI 存在显著的正相关(r =0.44)、而与Nino 3 呈显著的负相关(r =-0.31),二者都通过了自由度(n-2)为358,信度α为0.001 的假设检验。

图 3. 海冰涛动指数(ASOI)和SOI、Nino 3 指数的时间序列

上文的SVD 分析可以看出海冰和大气的同期相关关系十分密切,其配对的空间分布型有清晰的物理意义。为了进一步探讨海冰和ENSO 的相互关系,我们使用建立的 ASOI 指数与SOI、Nino 3 指数进行超前和滞后相关分析。结果显示:当南极海冰涛动指数ASOI 超前于SOI、Nino 3 指数2 个月时相关程度最为密切(图 4)；并且当SOI、Nino 3 超前于海冰指数30 和48 个月左右又出现了另外两个相关高值。这说明南极海冰涛动指数对ENSO 的发生发展具有一定的指示性。

图 4. 南极海冰涛动指数ASOI 与南方涛动指数
SOI(实线)、Nino 3 指数(虚线)超前和滞后的相关系数(海冰超前为(-),滞后为(+))

为了解海冰两个关键区异常影响大气的异常空间分布特征,对ASOI 达到最高(低) 指数阶段2 个月后的海平面气温、气压和风的距平场分别进行合成分析。选取的高指数年包括:1974 年8 月,1981 年8 月,1985、1989、1990 年3 年的10 月,1996 年9 月,低指数年有:1978、1980、1986、1987 年4 年的9 月和1995 年8 月。在ASOI 指数达到高指数阶段,也就是罗斯海外围海冰异常增多,南极半岛附近海冰减少2 个月以后,如图 5a、5b、5c 所示,以45°S 为界,在45°S 以南的南太平洋上,罗斯海附近温度下降,其中心位于130°W左右,罗斯海以西的气压上升,在距平风场合成图上,配合气压正距平出现逆时针旋转的距平风环流；南极半岛附近温度上升,气压下降,气压负异常中心出现在别林斯高晋海,并在距平风场上伴随着一个顺时针方向旋转的距平风环流。在45°S 以北,中东太平洋出现大范围的气温下降,气压上升,同时澳大利亚及西太平洋暖池附近的温度上升,气压下降,出现顺时针距平风环流,使得澳大利亚以东的偏北风加强(红色箭头)。南美沿岸和赤道中东太平洋出现东南风异常(蓝色箭头)。整个南太平洋的风场叠加上一个图 5c 所示的逆时针(顺着洋流)方向的距平风分量,这使得南美沿岸来自高纬的秘鲁寒流加强。同时中、低纬地区东太平洋的冷水向西输送加强。并使得西太平洋暖水向东输送得到抑制,从而有利于La Nina 事件的发展和维持。

图 5. ASOI高指数阶段的海平面温度（a）、气压（b）、风场（c）合成图ASOI低指数阶段的海平面温度（d）、气压（e）、风场（f）合成图

低指数阶段各要素场的特征(图 5d、5e、5f)和上述结果相反,出现有利于El Niñno 维持和发展的距平风场。

4 结论

对近30 年南极海冰密集度资料的EOF 分析及海冰和全球海平面气温、气压场的 SVD 分析表明,南极海冰场在罗斯海外围和南极半岛附近的别林斯高晋海地区存在着有 “翘翘板”变化特征并和ENSO 有密切联系的两个关键区；由此定义的南极海冰涛动指数 ASOI,可表征南极两个关键区的变化强度和位相特征。在高(低)指数阶段,罗斯海海冰增多(减少),南极半岛附近海冰减少(增多)。该指数与南方涛动指数呈明显的正相关,与 Nino 3 指数呈显著的负相关；两个关键区海冰变化与ENSO 有紧密联系。罗斯海外围的海冰增加(减少),温度下降(上升),罗斯海以西气压上升(下降),南太平洋上有利于形成顺(逆)洋流方向的距平风场,使得秘鲁洋流向北输送冷水增强(减弱),赤道中东太平洋冷水向西输送增强(减弱),有利于La Niña(El Niñno)的持续和发展。

对南极海冰涛动及其与ENSO 可能联系的研究将加深对南极海冰自身变化规律及其影响的认识,而南极海冰涛动指数的建立,将为进一步认识南极海冰变化对大气环流及中国天气气候影响的研究提供新的思路。

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