袁博仑，潘增弟，刘娜，陈红霞

（1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.国家海洋局东海分局，上海 200137；3.国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛 266061）

Modoki对南半球中高纬度气候及海冰异常的影响

袁博仑1，潘增弟2，刘娜3，陈红霞3

（1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.国家海洋局东海分局，上海 200137；3.国家海洋局第一海洋研究所海洋环境科学与数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛 266061）

利用诊断分析方法分析研究了热带太平洋ENSO Modoki现象对南半球中高纬度气候和海冰的影响。分析了ENSO Modoki现象的季节变化特征，并定义了ENSO Modoki的活跃年和活跃季节。利用偏相关分析、合成分析和超前滞后相关分析等诊断分析方法，分析了1979年1月到2010年12月间ENSO Modoki影响南半球中高纬气候及海冰异常的遥相关模态及可能的遥相关动力机制。研究结果显示费雷尔环流的异常变化是两者之间遥相关的可能方式。

埃尔尼诺南方涛动的Modoki；南半球中高纬气候异常；南极海冰；遥相关

1 引言

众所周知，ENSO是发生在热带太平洋的著名海气耦合系统。ENSO发生时，热带东太平洋出现海表面温度异常［1-2］。表现为热带太平洋EOF分析第一模态，占整个方差贡献的一半左右［3-5］。近些年的研究关注了热带太平洋海表面温度异常的EOF分析第二模态，并称之为ENSO Modoki，它占整个方差贡献的12%［3，5］。如图1所示，ENSO Modoki发生时，热带太平洋中部区域与其东西两侧区域海表面温度呈反向变化，它具有一个独特的三极海表面温度模式且是独立于ENSO的海气耦合系统［3，6］。

和ENSO类似，ENSO Modoki在全球气候和大气环流中也起着重要的作用。在ENSO Modoki影响下太平洋中部降雨增加，东西部降雨减少。通过大气遥相关作用，其影响可到达澳大利亚东南部、北美洲西部、东亚南部。西亚南美等地的夏季气温异常也与ENSO Modoki活动有关［3］。Weng等［6］研究了ENSO Modoki对我国和日本的气候影响，他们的结果显示ENSO Modoki使一些区域趋向干燥，这些区域在传统ENSO影响下原本是比较湿润的。Taschetto和England［7］研究了ENSO Modoki对澳大利亚降雨的影响，结果显示ENSO Modoki影响了澳大利亚北部和西北部的降雨，其影响时间在3月到5月。

南大洋作为沟通其他三大洋的重要通道，在全球气候和海洋环流的变化中起着重要的作用。近年来在南大洋发现的南极绕极流（antarctic circumpolar current，ACW）、南极涛动（antarctic oscillation，AAO）及ADP（antarctic dipole）等大尺度周期性变化现象。探讨这些异常变化模态的激发机制是目前国内、国际的一个研究热点。前人的研究成果目前主要集中在其与热带太平洋ENSO之间的遥相关，观测和数值模拟的大量结果均显示两者之间确实存在强的遥相关，对于该遥相关模态动力学机制，可通过“慢”的海洋过程和“快”的大气过程两种不同的方式对其进行理论解释［8-15］。

图1 ENSO Modoki发生时热带太平洋海表面温度异常（正位相年的平均SST异常减去负位相年的平均SST异常）

ENSO Modoki与ENSO同处热带，并且都为海表面温度场的周期性异常变化，那么ENSO Modoki和南半球中高纬度、海冰和气候异常间是否存在遥相关呢？本文试图通过诊断分析方法来研究这个问题。

2 资料来源

位势高度场与风场资料取自月平均NCEP／NCAR（National Centers for Environment Prediction／National Center for Atmospheric Research）再分析资料，网格精度为2.5°×2.5°，SST数据为Hadley中心的海表面温度数据，网格精度为1°×1°，海冰数据为SMMR（scanning multichannel microwave radiometer on the Nimbus 7 satellite）和SSMI（spatial sensor microwave／imager on several defense meteorological satellites）资料，其分辨率为25 km×25 km。所有数据的获取时间都是从1979年1月到2010年12月，共计384个月，本研究中的分析均基于各气候和海洋要素的月平均距平数据。

本文根据Ashok等［3］的研究，按下式定义ENSO Modoki强度指数（简写为iEM，ENSO Modoki index）：

iEM＝aSSTA-0.5aSSTB-0.5 aSSTC，

式中，区域A的范围为10°S—10°N，165°E—140°W，区域B的范围为15°S—5°N，110°～70°W，区域C的范围是10°S—20°N，125°～145°E。

3 ENSO Modoki季节变化特征分析

前人在研究ENSO Modoki现象对气候变化的影响时，多是选定某个季节［6-7］，而未对ENSO Modoki现象的季节变化特征进行完整详细的分析。本文在研究ENSO Modoki现象对南半球中高纬度气候异常及海冰异常的影响时，拟选取ENSO Modoki活动最强的季节。本部分首先对ENSO Modoki的季节变化特征进行分析。

图2a采用Hadley海表面温度数据给出了自1979年1月到2010年12月的ENSO Modoki月平均时间变化指数EMI图，和Ashok等［3］给出的ENSO Modoki指数的数据源相同。Ashok等采用的数据值截止到2005年，在1979-2005年时间段上，本文给出的EMI指数时间序列和Ashok等［3］一致。

首先，采用大于或等于0.7个EMI季节标准差的方式获得ENSO Modoki季节变化的正位相和负位相年。正位相年分别为1979／1980，1981／1982，1986／1987，1990／1991，1991／1992，1994，1994／1995，2002，2002／2003，2004，2004／2005，2009／2010年；负位相年分别为1983／1984，1984／1985，1988／1989，1998／1999，1999／2000，2000／2001，2005／2006，2007／2008年，其中正位相年有12个，负位相年有8个，在1979年1月到2010年12月总计32 a的研究时间段中，共计20 a作为ENSO Modoki活跃的年份。

其次，对正位相年和负位相年的连续24个月的EMI指数进行分析，得到ENSO Modoki季节变化特征。如图2b所示，黑色和蓝色曲线分别对应正位相年和负位相年EMI指数的绝对值，红色曲线为所有正位相年和负位相年EMI指数的绝对值的均值，其中横坐标对应连续24个月的变化，1对应活跃年之前一年的1月份。EMI指数最大处在图2中对应的横坐标为13，14，15，16，即第一年冬季晚期到第二年春季（1-4月）。

第三，为了进一步验证ENSO Modoki季节强度变化的特征，给出了ENSO Modoki空间分布的季节变化特征。在热带太平洋地区（20°S—20°N），取正位相年的平均SST异常减去负位相年的平均SST异常得到每月的SST异常分布。如图1所示，在1-4月ENSO的强度最强。以下分析均集中在1-4月。

图2 1979年1月到2010年12月月平均的EMI指数变化时间序列（a），ENSO Modoki正位相年和负位相年对应的EMI绝对值24个月变化图（b）。蓝色表示正位相年，黑色表示负位相年，红色为均值

4 ENSO Modoki对南半球中高纬度气候异常影响的遥相关模态

4.1 遥相关空间模态

为消除ENSO的影响，采用偏相关分析来研究ENSO Modoki对南半球中高纬度气候异常的影响。偏相关系数的计算公式为

式中，rY1表示参数变量与EMI指数之间的简单相关，rY2表示参数变量与Nino3指数之间简单的相关；而r12表示EMI指数与Nino3指数之间简单的相关。还使用了合成分析、超前滞后相关分析等方法。海表面气压（sea level pressure，SLP）异常、不同高度位势高度（height，HGT）异常与EMI的偏相关分析结果如图3所示。

从图3可以观察到太平洋东部区域SLP异常与EMI主要以负相关为主，负相关最强位于10°～20°S，120°～140°W，而在太平洋西部到印度洋中部（20°N—30°S，50°～160°E）主要呈现正相关，在印度尼西亚、菲律宾附近海域正相关最强。在南大西洋西部、南极半岛北部（35°～60°S，40°～60°W）呈现负相关，其相关系数极值在-0.4左右。另外值得注意的是在威德尔海附近存在较弱的负相关。

图3c中白色部分是未通过90%信度检验的部分，而其余部分则是通过了90%信度检验的部分，从图上可以看到，HGT异常和EMI的偏相关在大部分区域呈现正相关，在小部分区域呈现负相关。负相关主要出现在太平洋中部偏北位置和我国南部、澳大利亚东南部分。正相关主要是在25°N—25°S的低纬度地带，其中太平洋中部的正相关程度最强。值得注意的是罗斯海和别林斯高晋海的HGT异常（200 hPa高度）与EMI呈现正相关。

图3b表示HGT异常（500 hPa高度）与EMI的偏相关，由图可知，在赤道附近（25°N—25°S）低纬度呈现正相关，这一点与200 hPa高度的HGT异常的偏相关情况类似，观察到太平洋中部偏北区域（30°N—40°S，120°～180°W）、太平洋中部偏南区域（30°～40°S，115°～155°W）呈现负相关，近似南北对称的关系。另外在罗斯海和别林斯高晋海区域呈现正相关，在罗斯海中部正相关程度最强。

4.2 遥相关时间模态

对SLP，HGT的月平均异常与EMI做偏相关，可得到偏相关结果的最大值位置，以该位置的384个月异常值（SLP异常和HGT异常）为相应变量的指数，与EMI作超前滞后的相关分析，时间是±24个月，其结果如图4所示。从图4可以看到EMI与SLP异常的超前滞后相关结果表明其极大值处滞后2个月，极小值提前1个月。由图4a，b，c等综合分析，200 hPa高度的HGT异常比EMI的相关值极值滞后2个月，这与1 000 hPa高度的HGT异常滞后时间相同，而500 hPa高度的HGT异常的超前滞后相关的极大值则是在滞后3个月发生。值得注意的是HGT异常在不同的高度的超前滞后相关的取样位置并不相同。

图3 EMI与SLP异常的偏相关系数分布（a），EMI与500 hPa HGT异常高度的偏相关系数分布（b），EMI与200 hPa HGT异常的偏相关系数分布（c）。彩色区域为通过90%t检验的区域

图4 EMI-SLPa的±24个月超前滞后相关（a）、EMI-HGTa（500 hPa）的±24个月超前滞后相关（b）和EMI-HGTa（200 hPa）的±24个月超前滞后相关（c）

4.3 ENSO Modoki对南极海冰的影响

海冰是南大洋区别于其他海洋最重要的环境特征，观测［16-19］和数值模拟［20-21］都表明无论在一个较长或较短的时间尺度上南大洋海冰对局地或全球的大气和海洋环流的变化都起着重要作用［22-23］。Fletcher［16］首先观察到南极海冰面积具有很大的年际变化这一事实，Cavalieri等［24］和Zwally等［25］指出了整个南极海冰范围增加速度为14 300 km2／a，海冰面积增长为13 800 km2／a。按区域分析，正增长趋势出现在罗斯海、南大洋太平洋扇区和威德尔海区域，负增长趋势出现在别林斯高晋海、南大洋印度洋扇区和阿蒙森海。Liu等［26］在2004年的研究中指出一个明显的反位相变化存在于西威德尔海和别林斯高晋海区域的海冰与南大洋太平洋中部扇区区域的海冰之间。ENSO和ENSO Modoki都与亚热带太平洋中部的海表面气候变化有关，而ENSO和ENSO Modoki现象是否与海冰的变化相关，为了获取ENSO Modoki对南极海冰的影响，首先对EMI和南极海冰密集度（sea ice concentration，SIC）异常进行偏相关分析。图5a显示南极海冰密集度异常和EMI在其活跃季节（1-4月）的偏相关结果。海冰北界异常（sea ice edge）是评价评价南极海冰的另一参数，图5b显示了南极海冰北界异常和EMI在其活跃季节（1-4月）的偏相关结果。

图5 南极海冰密集度异常与EMI在1，2，3，4月的偏相关系数分布（a）和南极海冰北界异常与EMI在1，2，3，4月的偏相关系数（b）

如图5a所示，在威德尔海中部地区（63°～77°S，30°～60°W）有显著的正异常，其最大偏相关系数大于0.2，通过90%信度检验；在别林斯高晋海区域（67°～73°S，75°～110°W）呈现正的异常值，其极大值区域位于南极半岛西侧沿岸，其偏相关系数接近0.3，通过了95%信度检验；在罗斯海中部区域（70°～75°S，125°～180°W）呈现较强的负相关异常值，其最大偏相关系数超过-0.3，在极值区域超过-0.4，通过99%信度检验。

从图5b的结果看，海冰北界（SIE）异常与EMI的偏相关结果显示，30°～150°E的SIE异常呈负相关，最大值在70°E附近，其极值可达到-0.22；150°～175°E的SIE异常呈正相关，最大值在160°E附近，而110°～180°W的SIE异常呈负异常，而且相关负异常值最大达到-0.4，在140°W位置附近负异常达到最大值；0°～110°W的SIE异常与EMI指数呈正相关，其中最大的正相关值出现在80°W附近，达到0.33。相对应的区域是别林斯高晋海域，在20°～40°W处有一正相关小峰值，其最大正相关值达到0.18，而此处是威德尔海区域。

综合海冰密集度异常与EMI偏相关分析结果和海冰北界异常与EMI的偏相关分析结果可以观察到EMI的变化与南极海冰变化具有较大的相关性，其遥相关模态空间分布主要位于罗斯海、别林斯高晋海和威德尔海，其中在罗斯海中部和东部的区域海冰异常与EMI的负相关程度达到最大，而在别林斯高晋海东部（接近南极半岛的部分）的海冰异常则与EMI达到较强的正相关。

5 机制分析

以上研究结果显示ENSO Modoki和南半球中高纬度气候和海冰之间存在遥相关关系。那么两者之间的遥相关是通过怎样的途径实现的，本部分将采用合成分析的方法从大气环流变化的角度探索两者之间遥相关机制。合成分析步骤：第一，求ENSO Modoki正位相年南半球变量距平平均值；第二，求ENSO Modoki负位相年南半球变量距平平均值；第三，正位相年变量距平平均值减去负位相年变量距平平均值得到合成分析结果。

图6显示了南半球经圈环流的异常。图6a所描述的异常情况显示，在南半球低纬度（0°～20°S）是正常的赤道环流，而在30°～75°S的对流层环流则有较大的异常，其中40°～50°S没有自上而下的气流，只有从下往上贯穿对流层的上升气流异常，该异常空气流的存在必然引起此纬度带内位势高度的异常减小；在50°～75°S，均存在由北向南的气流异常，这将导致中低纬度的热量、水汽等通过该环流模式传输到南极极地附近。在80°～90°S有向北与向地面移动的气流异常，这与中纬度气流在75°～80°S内交汇并造成一定的影响。图6b描述了别林斯高晋海区域经圈环流异常的纬向均值，在30°～50°S，有一由北向南、由低到高的上升气流异常，而在50°～85°S，则有自北向南、从上往下的气流异常出现，两者在50°S附近交汇。图6c描述了威德尔海区域经圈环流异常的纬向平均，在30°～50°S，有一股由北向南、由低到高的上升气流异常。与6b不同，在6b中有部分气流异常指向低纬度赤道方向，而在图6c中却没有这样的现象产生。在40°S附近的区域有极强的上升气流异常。在75°～80°S，有一下沉气流异常，随着高度的降低而不断向赤道方向和极地方向扩散，往极地方向的气流异常和在80°～90°S之间的上升气流交汇，向极地方向运动，而往赤道方向的气流异常则在50°S附近形成一个较强的下沉气流异常。

图6 南半球经圈环流（v-omega）异常合成分析

图7 南半球极地急流异常合成分析（200 hPa经向风U）

图7显示了南半球极地急流异常的合成分析结果，从图7可以观察到南太平洋中部（20°～40°S，110°～180°E）急流呈正异常，而在（45°～60°S，90°～150°E）则呈负异常。在罗斯海区域上空（65°～80°S，70°～150°E）呈较弱的正异常。

如图8所示在南太平洋区域500，700，850 hPa高度的大气环流异常基本呈正压分布，可以明显看到两个环流异常，即中纬度与赤道低纬度间的环流、中纬度与高纬度间的环流，其中中纬度与低纬度的环流方向是顺时针，而中高纬环流则为顺时针，但在1 000 hPa，即在海面及陆地区域时，与对流层中上层有较大的差别。在澳大利亚东部有一自西向东的气流异常使中低纬环流东移，并且从赤道往中纬度方向的气流也向低纬度转移，另外在中高纬度地表环流强度也比高空中要弱，其中由极地返回中纬度的气流变为向极地东南方向的异常。这些气流异常的区域包括罗斯海的海域和别林斯高晋海区域。在南大西洋区域，500 hPa高度与其他700，850，1 000 hPa等高度的气流异常状况不同，其中500 hPa的中低纬环流是顺时针而其余为逆时针，但500 hPa高度的中高纬环流和其他高度的中高纬环流方向一致，均为顺时针，而且其合成结果与图6c的结果吻合，即在80°S附近有下沉气流异常并向赤道方向和极地方向分别扩散。在南印度洋的范围可以观察到在500，700，850 hPa等高度均有明显的中高纬度间环流的存在，而位于1 000 hPa高度则不明显，这或许与其靠近地面或海面而受到海气或陆地大气作用有关。

图8 南半球不同高度的经向风与纬向风异常的合成矢量图

6 结论

针对南极地区海表面压力场、海表面和陆地表面的空气温度场、地面经向风场、对流层各层的位势高度场和海冰场等气候要素，首先给出EMI变化的时间序列，再得出各要素和EMI之间遥相关的空间模态，之后从大气环流异常引起的气候变化的角度对遥相关的空间模态给出了动力机制解释。得到的基本结论如下：

（1）在南半球中高纬度大尺度低频气候和海冰的变化不但包含热带太平洋的ENSO信号，热带太平洋SST变化的ENSO Modoki现象亦被包含在其中。

（2）EMI和南极地区海冰异常遥相关空间的遥相关模态在EMI的鼎盛期表现为高低相间的分布，最明显的海冰密集度异常出现在德雷克海峡两侧的海域和罗斯海海海域。对于EMI和南极地区海冰密集度异常之间的动力机制，以EMI正位相为例，在德雷克海峡两侧海域和罗斯海海域海冰密集度异常最明显的地方，给出这样的动力机制解释：EMI发生时，在南半球德雷克海峡两侧海域／罗斯海海域所在的经度带引起Hadley环流强度的异常减小／增加，伴随着该经度带上亚热带急流向赤道／向南极移动，急流的变化引起了南半球中高纬度经向大气环流（费雷尔环流）的异常，该经向大气环流异常在对流层的中下层将携带向北／向南的经向热通量异常，而经向热通量异常是导致这两个区域海冰密集度异常的直接原因。

致谢：感谢国家海洋局第一研究所的刘娜老师对于本文的指导和帮助！感谢第一海洋研究所的研究生林丽娜和郭延良在数据处理方面的指导！

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The impact of ENSO Modoki on the middle and high latitude climate and sea-ice anomalies in the Southern Hemisphere

Yuan Bolun1，Pan Zengdi2，Liu Na3，Chen Hongxia3

（1.State Key Laboratory of Marine Geology，Tongii University，Shanghai 200092，China；2.East China Sea Branch，State Oceanic Administration，Shanghai 200137，China；3.Key Laboratory of State Oceanic Administation Marine Science and Numerical Modeling，First Institute of Oceanography State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

By hiring CSD（climatological statistical diagnosis），the impacts of ENSO（El Niño-Southern Oscillation）Modoki on the middle and high latitude climate in the Southern Hemisphere and sea-ice anomalies of the South Pole are discussed.Active year and active months of ENSO Modoki are defined by combination of the former research and Modoki's seasonal variation.the CSD methods like correlation analysis，partial correlation analysis，composite analysis，lead-lag correlation analysis and so on are then imported to analyze meteorological elements field and ice data between January 1979 and December 2010.Through deep analysis and discussion，the teleconnection pattern and corresponding dynamic mechanism of ENSO Modoki are revealed.The result shows that there is an important relationship between ENSO Modoki and middle-high latitude climate and sea-ice anomalies in the Southern Hemisphere，the Ferrel Circulation is the most possible way of occurrence of teleconnection.

Modoki；middle and high latitude climate anomaly in Southern Hemisphere；sea-ice anomaly；teleconnection

P731.15

A

0253-4193（2014）03-0104-09

2013-05-23；

2013-07-23。

国家“九七三”重点基础研究发展计划“南大洋海-冰-气相互作用及其对南印度洋的影响”（2010CB950301）；国家科技支撑计划子课题“全球海洋环境和极地海冰数值预报关键技术研究”（2011BAC03B02-03-03）；国家高科技研究发展计划课题“冰架热水钻关键技术与系统研发”（2011AA090401）；国家海洋局海洋公益行业专项“极地海洋环境监测网系统研发及应用示范”（201305035）。

袁博仑（1989—），男，江西省九江市人，主要从事GIS研究、开发以及GIS与数值模式耦合等工作。E-mail：qwop369258＠gmail.com

袁博伦，潘增弟，刘娜，等.Modoki对南半球中高纬度气候及海冰异常的影响［J］.海洋学报，2014，36（3）：104—112，

10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.011

Yan Bolun，Pan Zengdi，Liu Na，et al.The impact of ENSO Modoki on the middle and high latitude climate and sea-ice anomalies in the Southern Hemisphere［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：104—112，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.011