索马里流系区域海温的年际变化*

赵 芳，胡瑞金

（中国海洋大学物理海洋实验室 山东省高校海洋－大气相互作用与气候重点实验室，山东 青岛266100）

索马里流系是热带印度洋越赤道经向翻转环流最重要的分支，在南北半球质量与能量交换和再分配中起重要作用，并影响热带印度洋海温结构［1－3］。在夏季，索马里流携带赤道以南次表层的水进入阿拉伯海，在索马里和阿曼沿岸产生上升流；上升的冷水引起阿拉伯海西部海表温度（Sea Surface Temperature，SST）的降低，并通过平流等过程影响其它区域，从而对印度洋暖池、季风降水和大尺度环流有重要影响［4］。在冬季，变暖的水沿索马里流向南越过赤道，并通过南赤道逆流向东输送，改变了印度洋的热收支和SST［5］。此外，索马里流系区域的海温还包括赤道西印度洋，其SST的变化有重要的气候学意义，因为它直接影响赤道印度洋东西温度梯度，从而可以影响大尺度的Walker环流［6］，对之进行研究也有利于理解它在热带印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，简称IOD［7］）中的作用。

在年际变化尺度上，索马里流系区域SST通常被认为与热带印度洋SST 2个主要变化模态一致［4］。一个是与太平洋El Nino相关的变暖信号，通常在春季达到最大，另一个是与正的热带印度洋偶极子模态相关的变暖信号，在秋季达到最大［7－9］。但 Hu等［10］发现，IOD指数定义的西部区域内部SST异常有时并非单一符号，原因之一可能是由于IOD西部区域的范围与索马里流系区域并不相同，另1个可能的原因是索马里流系独特的海洋动力过程起重要作用，且其夏季产生的SST异常可以在后面的季节里影响其它区域。

总的来说，对索马里流系区域夏季SST的年际变化研究得比较少。由于亚洲夏季风降水对这里的SST变化非常敏感［11］，开展有关工作是很有必要的。本文利用SODA （Simple Ocean Data Assimilation）资料对索马里流系区域海温的年际变化进行研究。

1 资料与方法

研究使用的是月平均的SODA海温和海面风应力资料。此资料来自美国马里兰大学，时间从1958年1月～2007年12月共50年，水平分辨率是0.5（°）×0.5（°），垂直方向上为不等间距，共40层，最大深度5 375m，上 20 层 深 度 分 别 为 5.01，15.07，25.28，35.76，46.61，57.98，70.02，82.92，96.92，112.32，129.49，148.96，171.4，197.79，229.48，268.46，317.65，381.39，465.91和579.31m。

此外，为了说明SODA资料的可靠性，本文还使用了Argo海温资料。该资料来自法国Coriolis中心，是周平均的格点化资料，时间从2003年1月1日～2008年12月31日共6年，经向分辨率为0.5°，纬向分辨率在赤道附近是0.5°，随纬度缓慢升高，垂直方向上共有59层，也呈非等间距分布，其中第1层5m；第2～7层10～60m，间距10m；第8～20层80～320m，间距20 m；第21～52层360～1 600m，间距40m；最后7层深度为1 650～1 950m，间距50m。

本文研究区域主要位于4°S～10°N附近离岸6个经度内的索马里流区，但最大范围包括38°E～115°E、30°S以北的热带印度洋，海温垂直深度取400m以上。研究方法主要有相关分析及合成分析。

1.1 SODA资料的可靠性

SODA资料时间长，空间分辨率较高，可以用来研究热带印度洋季节及以上时间尺度得变化。不少学者利用此资料开展了相关研究工作。例如Schott等［3］和Xie等［12］分别利用SODA资料对印度洋经向翻转流和温跃层进行了研究，并证实了SODA资料的可信性［13］。为了进一步说明此资料能否用于索马里区域海温的研究，作者将之与Argo资料进行了比较。Argo资料基于浮标实测数据，较为准确，被广泛应用于对海温的研究上［14］。图1给出的是根据2种资料计算的索马里区域平均的SST结果，时间选为同时段的2003—2007年。由图可见，SODA海温与Argo海温均呈现明显的半年周期变化，其中春秋季海温高，冬夏季低，最高和最低分别出现在春季和夏季；2条曲线比较接近，两者的相关系数可达0.93，大大超过99%的置信度，这说明SODA资料用于索马里区域海温的研究是可行的，尤其在8月份附近更是如此。下面的分析均基于SODA。

图1 SODA资料和Argo资料计算的索马里流域SST比较Fig.1 Comparison of SST near Somalia coast between SODA and Argo data

2 索马里流系区域海温的年际变化

2.1 区域差异性

从图1中可以看出索马里区域平均的SST也存在明显的年际变化；为了进行细致的分析，作者将0°～10°N范围的沿岸区域等间距分成5个区，即一区0°～2°N，二区2°N～4°N，三区4°N～6°N，四区6°N～8°N，五区8°N～10°N。逐月计算每个区的SST与整个区域的SST之间的相关系数，结果如表1所示。由表可见，除了夏季，每个区的SST与区域平均的SST相关系数都很高，表明在冬春季和秋季，索马里流系区域的SST可以作为1个整体来进行研究，而在夏季，不同区域SST的变化规律可能很不相同，必须分区进行研究。冬春季和秋季海温变化的一致性可以分别归因于太平洋ENSO和印度洋偶极子的影响，这与许多研究者的结论是一致的［4－5］。

表1 5个区的SST与整个区域SST之间的相关系数Table 1 The correlate coefficients between regional mean temperature of each of 5regions and that of average of them

鉴于夏季海温的特殊性，以及研究相对较少，本文将仅分析索马里流系区域夏季海温的年际变化，且为简洁起见，仅分析SST，并以8月份代表夏季。图1的结果表明，利用SODA资料分析夏季的海温尤其是可行的。为了方便起见，首先给出8月份索马里流系区域SST的空间分布（见图2）。由图可见，温度范围基本从22～26°C。并且在4°N以北区域SST东西温度梯度大，结构复杂。在4°N以南区域SST较高，分布单一。

图2 8月份索马里流系区域SST（℃）分布Fig.2 SST（℃）distribution near the Somalia coast in August

Mafimbo和Reason［15］发现在西南季风期间位于4°N～5°N和10°N处的上升流表现明显，并使得这两处的SST降低到大约22°C；根据表1中8月份相关系数的分布可以看出，第一、二2个区的结果与其它3个区之间存在较为显著的差别。为分析简单起见，结合图2的结果，本文以4°为界，将索马里流系区域分成南北2个区进行研究。图3给出的是2个区50年8月份SST的异常（南北两区的平均温度分别是25.4和24.8°C）。两者的相关系数为0.46，虽然通过了显著性检验（99%信度），但从图3中可以看出还存在很多不一致的年份，说明这2个区域的SST可能存在各自的变化规律。

图3 8月份索马里流系区域南区（红色）和北区（蓝色）SST（°C）异常Fig.3 The SST anomalies（°C）in the southern（red）and northern（blue）regions of the Somalia coast in August

为此，本文统计了南北2个区域8月份SST异常的具体情况。结果表明，在50年中，2区SST异常符号相同的年份有35年，占70%，不相同的有15年，占30%。在符号相同年份中，全区正异常型和负异常型分别出现16和19年，而符号不同年份中，北正南负异常型和北负南正异常型则分别出现8和7年。表2列出了各自出现的年份。

2.2 夏季海温与ENSO、IOD及印度季风的关系

为探寻夏季索马里流系区域SST不同变化类型的形成原因，本文分析了它们与ENSO指数（Nino3.4）、IOD［16］指数及印度季风指数（IMI）［17－18］的对应关系。结果分别列于表3、表4和表5。其中IMI以U850（40°E～80°E，5°N～15°N）与 U850（70°E～90°E，20°N～30°N）之差来计算，并以1倍标准差来定义强弱季风年。

表2 南北2个区域SST异常的分类统计Table 2 Statistics according to the patterns of SST anomalies in the southern and northern regions

由表3可见，在El Nino年，全区SST正异常型年份偏多，北正南负型年份不存在；La Nina年中，正好与El Nino年相反，全区负异常年最多北负南正型最少。在没有ENSO事件的年份里全区负异常年份最多。表4则表明，在负的IOD年，全区SST负异常型的年份最多，北负南正型年份最少；正的IOD年中与负的IOD年表现相反，全区正异常型的年份最多，北正南负的年份没有。而从表5可见，在负的IMI年，全区SST负异常型年份最多，其它类型的年份都很少，没有北负南正型年份；在正的IMI年，全区正异常型年份最多，其它类型年份也很少，没有全区负异常型年份。上述结果表明，索马里流系区域SST的变化与ENSO、IOD和印度季风均有一定的联系，但是对应关系是比较复杂的，可能存在其它因素的影响，值得深入研究。

表3 ENSO指数与4种类型年份的统计关系Table 3 Statistics according to the ENSO index and four patterns of SST anomalies in the southern and northern regions

表4 IOD指数与4种类型年份的统计关系Table 4 Statistics according to the IOD index and four patterns of SST anomalies in the southern and northern regions

表5 印度季风指数与4种类型年份的统计关系Table 5 Statistics according to the IMI and four patterns of SST anomalies in the southern and northern regions

2.3 夏季海温与热带印度洋风应力的关系

2.3.1 全区一致型海温分布 为了探究影响夏季索马里流系区域SST变化的具体过程，根据表2的统计，首先对符号相同的两类典型年的SST进行合成分析。图4给出的是8月份索马里流系区域全区正异常和全区负异常年的SST异常场和原始场的合成结果。由图4可见，正异常年SST异常的分布在空间上并不是均匀的，在5°N附近有1个高值中心，量值在0.6°C以上，在9°N略北也是1个高值区，而其它地方正异常值较小。负异常年与其类似。在6°N和9°N略北SST负异常明显，量值在－0.6°C以下，而其它地方负异常的绝对值较小（见图4a）。从SST原始场看（见图4b），等温线基本与海岸线平行的特征在4°N以北表现更为明显，且在9°N的沿岸附近有明显的冷中心，尤其在负异常年，中心值在22.5°C以下。

其次，本文利用SODA风应力资料计算了整个热带印度洋的风应力旋度和风应力大小，并用这2个量与索马里流系区域8月份SST分别进行超前－滞后相关分析。图5给出的是6月份风应力旋度和风应力大小与8月份索马里流系区域平均的SST相关系数的空间分布，为清晰起见，仅绘制了过信度部分（99%信度）。由图5可见，在5°S～10°S的西印度洋，6月份的风应力旋度与8月份索马里流系区域的SST呈显著正相关，而风应力大小呈显著负相关。有趣的是，在6°N～9°N附近的索马里沿岸风应力大小与索马里流系区域平均的SST也呈显著负相关关系。

为了直观，本文同时给出了6月份热带印度洋风应力对应8月份索马里区域SST异常全区一致型的2类典型年的合成结果（见图6）。其中图6a反映的是风应力旋度异常，图6b为风应力矢量和风应力大小异常。由图可见，在2类典型年中，热带西南印度洋、索马里沿岸和阿拉伯海的风应力呈现相反的变化特点。在全区正（负）异常年，热带西南印度洋和6°N以南的索马里沿岸风应力旋度为正（负）异常，风应力大小为负（正）异常，风应力矢量则分别表现为西北（东南）风和东（西）风异常的形式，其中的风应力大小和风应力矢量异常分界纬度还可北推至10°N附近。尤其是热带西南印度洋风应力呈现相反的变化特点与图3的相关分析结果相互印证。

可以这样来解释上述结果：设6月份西南印度洋风应力旋度为正（负）异常，则有利于那里大气的辐合上升（辐散下沉）活动，从而引起其西北侧的西北风（东南风）异常，这种异常有利于向南（向北）的越赤道气流，从而导致赤道以北至10°N附近的东风（西风）异常的出现。由于6月份包括整个夏季的风场在赤道以南为东南信风，在赤道以北为西南季风（图略），与异常风向的方向相反（相同），这样就使得实际风场减弱（增强），从而使得索马里沿岸SST升高（降低）。这种升高（降低）一方面是由于风速减小（增大）引起蒸发减弱（增强），尤其在6°N以南的索马里沿岸，是SST升高（降低）的主要原因；另一方面是由于上升流的减弱（增强），尤其在6°N～10°N的索马里沿岸，那里风速减小（增大）引起的蒸发减弱（增强）也对其SST升高（降低）有贡献。这就解释了图5b中有关风应力大小的负相关分布。图5a中有关风应力旋度的正相关分布也很好理解，因为图5a中西南印度洋的风应力旋度的符号可以很容易地从图6b中的风应力矢量异常分布看出。需要说明的是，与8月份索马里沿岸SST异常对应关系最好的并不是同期8月的风应力，而是6月份，这可能是由于海洋的反应需要一定的时间，尤其对于上升流引起的SST的变化。Izumo［11］在研究西阿拉伯海与印度季风降水关系中发现当晚春时期的印度洋西南季风弱（强）时，会使得索马里和阿曼附近的上升流减弱，从而使该地区夏季的SST升高（降低）。

图4 8月份索马里流系区域南北区域SST异常符号相同时的2类典型年异常场（a）和原始场（b）的合成（°C）Fig.4 The composites of SST anomalies（a）and SST （b）near the Somalia coast for two typical years with the same sign of SST anomaly between southern and northern region（°C）in August

图5 6月份热带印度洋风应力旋度（左）和风应力（右）大小与8月份索马里区域平均的SST相关系数的空间分布（SODA资料）Fig.5 The correlation coefficients between the curl（left）as well as the magnitude（right）of wind stress of the tropical Indian Ocean in June and the regional mean SST of the Somalia region in August

2.3.2 南北反位相型海温分布 对南北两区SST异常符号不同的2类典型年进行相应的合成分析。首先是8月份索马里流系区域的SST异常（见图7）。由图可见，北正南负和北负南正2类典型年的差异很明显，而且南北区的分界线确实在4°N附近（见图7a）。这进一步证实了本文前面以4°N分区的可行性，也说明此时的索马里流系区域SST不能作为1个整体来研究。在北正南负年，在9°N附近有1个SST正异常中心，中心值在0.8°C以上，而在3°N附近有1个负异常中心，中心值在－0.3°C以下。在北负南正年，在8°N附近有1个SST负异常中心，离岸稍远，正异常在赤道附近。可见两类典型年中的SST异常分布并非完全反对称。从SST原始场看（见图7b），4°N分界的特点也比较明显，且等温线在4°N以北更接近于与海岸线平行。

图7 同图4，但为索马里流系南北区域SST异常符号不同Fig.7 Same as Fig.4，but the sign of SST anomaly between southern and northern region being opposite

图7 给出的是5月份热带印度洋风应力对应8月份南北两区SST异常符号不同的两类典型年的合成结果。选择5月份的原因是由于此时风应力变化信号最明显，这与前述风应力出现在6月份是不同的。由图可见，在北正（负）南负（正）年，在4°N左右热带印度洋风应力旋度基本为负（正）异常，风应力大小为正（负）异常，而在10°S，50°E～70°E附近的西南印度洋风应力旋度和风应力大小基本都为正（负）异常。与此同时，风应力旋度在东南印度洋为负（正）异常，风应力大小还在赤道中东印度洋为负（正）异常。风应力矢量从南（北）到北（南）则分别表现为从东南（东北）风到西南（西北）风异常的顺（逆）时针环流形式，其中在赤道中东印度洋为东（西）风异常。当然两类典型年中的风应力异常分布并非完全反对称。例如在索马里沿岸，风应力矢量在北负南正年较北正南负要强很多。由于5月份的风场也在赤道以南为东南信风，在赤道以北为西南季风（图略），这样，北正（负）南负（正）年中的南区SST异常可以像前面那样利用上升流和蒸发异常进行解释，但北区的SST异常利用风场就很难解释，其它因素应该起主导作用，作者推测可能与大涡旋（Great Whirl）［6］有关。此外，西南印度洋的作用似乎没有全区一致型的明确。这些皆与全区一致型很不相同，具体原因和过程值得深入研究。

3 结论

利用SODA资料分析了索马里流系区域SST的年际变化及影响因素，主要结论如下：

（1）春、秋季和冬季的索马里流系区域SST呈现全区一致型的变化，但是夏季除了有全区一致型的变化外，还存在南北反位相的变化。

（2）夏季索马里流系区域SST的2种变化类型与ENSO、IOD及印度季风均有一定的联系，但是对应关系比较复杂，可能存在其它因素的影响。

图8 同图6，但为索马里南北区域SST异常符号不同Fig.8 Same as Fig.6，but the sign of SST anomaly between southern and northern region being opposite

（3）合成分析表明，索马里流系区域夏季SST在全区一致型变化时，6月份热带西南印度洋、索马里沿岸的风应力旋度和大小与阿拉伯海均呈现相反的变化特点，夏季索马里流系区域海温变化主要受上升流和蒸发共同影响；在南北反位相型时，5月份的风应力变化信号最明显，且显著区域的位置和大小与全区一致型时的6月份不完全对应，夏季索马里流系南区SST异常可以利用上升流和蒸发异常进行解释，但北区的SST异常并非如此，具体原因和过程值得深入研究。

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