全球各主要季风年际变化主周期在20世纪90年代前后差异的对比

彭旭钢，陈柏洋，吴敏敏，骆鉴洲，王 磊,2#

1.广东海洋大学 海洋与气象学院，广东湛江 524088；2.广东海洋大学 近海海洋环境变化与灾害预警实验室，广东湛江 524088

季风降雨可以被比喻为季风区农业活动的“血脉”，季风降雨的变异和异常会对农业活动产生至关重要的影响。研究季风的变异规律可以为季风区广泛分布的农业活动提供有益的信息。季风会呈现显著的年际变化（2～7年周期），具体又可以细分为准2年周期和准4年周期。准2年（2～3年）周期是季风的一个重要的变异周期，在亚洲—澳洲季风系统和北美—南美季风系统都可以存在准2年周期的变化[1-4]。

季风系统在20世纪90年代发生的年代际变异在以往的研究中已经受到了广泛的关注[5-6]。本研究针对全球季风系统的年际变化主周期（尤其是准2年周期）在20世纪90年代前后是否发生了显著的年代际变异这一问题开展研究，对全球各主要季风年际变化主周期在20世纪90年代前后的特征差异进行对比分析。

1 数据和方法

研究使用的数据包括：月平均的NCEP/NCAR再 分 析 资 料[7]、GPCP全球降雨数据[8]以及ERSST全球海表面温度数据[9]。所使用数据的时间范围为1948—2020年。

西北太平洋夏季风指数的定义参 照Wang等（1999）[10]的 定 义 方 法，澳洲夏季风指数的定义参照Kajikawa等（2010）[11]的方法，东亚夏季风指数的定义参照Kwon等（2005）[12]的方法。全球其他季风（包括北美季风、南美季风、北非季风、南非季风等）的指数定义参照Yim等（2014）[13]的方法。夏季是指当地半球的夏季，即北半球（南半球）夏季取为6—7—8月（12—1—2月）。Niño3.4指数定义为（5°N～5°S，170°W～120°W）区域平均的海表面温度异常值。热带北大西洋海温指数选取的 是（5°N～25°N，80°W～0°）区域平均的海表面温度异常值。

利用小波分析方法，分析全球各主要季风年际变化主周期在20世纪90年代前后的特征差异。时间序列的异常值是从原始时间序列减去长期变化趋势和气候态季节循环计算得出的，并且通过9年高通滤波得到时间序列的年际变化信号。

2 结果与分析

图1显示了对西北太平洋夏季风指数和Niño3.4指数进行小波分析的结果。西北太平洋夏季风指数的年际变化主周期在20世纪70年代末至20世纪90年代中期以准4年周期为主，而20世纪90年代以后转变为以准2年周期变化为主。通过对比前一个时期（P1:1975—1995）和后一个时期（P2:1996—2016）的功率谱（图1b），可以观测到西北太平洋夏季风在P2时期的准2年周期显著增强，而准4年周期显著减弱。西北太平洋夏季风年际变化主周期的这种变异特征与Niño3.4指数主周期的变异特征非常相似（图1c），Niño3.4指数的年际变化主周期也在20世纪90年代发生了从准4年周期为主到准2年周期为主的转变（图1d）。

图1 （a）西北太平洋夏季风指数的小波分析结果；（b）西北太平洋夏季风指数的功率谱在20世纪90年代之前和之后时期的对比；（c）冬季Niño3.4指数的小波分析结果；（d） Niño3.4指数的功率谱在20世纪90年代之前和之后时期的对比

针对全球其他季风的年际变化主周期是否在20世纪90年代也存在特征转变的问题，进一步使用小波功率谱分析方法，对全球其他季风指数的主周期在20世纪90年代前后的特征差异进行了对比分析（图2）。

印度夏季风指数的年际变化主周期呈现出与西北太平洋夏季风相反趋势的变化特征（图2b）。在20世纪90年代之前，印度洋夏季风以准2年周期为主，准4年周期不显著。而在20世纪90年代之后，印度夏季风的主周期在3年和6年附近周期出现峰值，转变为以准4年周期为主，而准2年周期则趋向减弱。北美夏季风在P1和P2时期都可以观测到显著的准2年周期和准4年周期（图2d），后一时期的周期与前一个时期相比较有略微加长的趋势。针对北非季风（图2f）和南美季风（图2h），在P1时期都以准4年周期为主，并且准4年周期都存在2个峰值的功率谱分布形态；在P2时期，这2个季风都转变为准4年周期为最大峰值、准2年周期为第二大峰值的功率谱分布形态，并且准4年周期由之前的双峰型转变为单峰型。南非季风的准4年周期在P2时期显著增强（图2j），并且由P1时期的准4年和准2年双峰型转变为P2时期的准4年单峰型的功率谱分布形态。与南非季风变化趋势相反的，澳洲季风的准4年周期在P2时期显著减弱（图2l），在P1时期可以观测到准4年和准2年2个峰值的功率谱分布形态，然而，在P2时期仅能够观测到准2年1个峰值。东亚夏季风在P2时期以准4年周期为主，在P1时期相对来说以准2年周期为主（图2n）。

图2 全球不同季风指数的小波分析和前后时期功率谱的对比

通过对全球各主要季风的主周期的对比分析，发现西北太平洋夏季风具有其他季风所没有的周期转变特征：由20世纪90年代之前的准4年周期为主转变为20世纪90年代之后的准2年周期为主。与其他季风相比较，西北太平洋夏季风年际变化主周期在20世纪90年代前后发生的变化与El Niño-Southern Oscillation(ENSO)年际变化主周期的变化特征更加一致。

由于年际变化主周期在20世纪90年代的转变，与全球其他季风相对比，西北太平洋夏季风在20世纪90年代以后存在更明显的准2年周期加强的现象。Wang等(2017)[14]认为热带太平洋与大西洋之间跨洋盆相互作用过程可以促使ENSO和西北太平洋副热带高压的准2年周期变化在20世纪90年代以后显著增强。通过滑动相关分析（图3），发现春季热带北大西洋海表面温度异常与西北太平洋夏季风指数的相关关系在最近年代呈现显著加强的趋势。热带太平洋和大西洋之间跨洋盆相互作用的增强，可能是引起西北太平洋夏季风在20世纪90年代以后准2年周期变化显著增强的重要驱动因素[15]，并且可以导致西北太平洋夏季风和ENSO呈现出比较一致的年际变化主周期的变化趋势。

图3 西北太平洋夏季风指数与春季热带北大西洋海表面温度异常的21年滑动相关系数（a）和21年滑动偏相关系数（去除了前冬Niño3.4指数的影响）（b）

3 结论

对比全球各主要季风年际变化主周期在20世纪90年代前后的特征差异，得出以下结论：

（1）全球各主要季风年际变化主周期在20世纪90年代前后的特征具有明显的差异性。西北太平洋夏季风的年际变化主周期由20世纪90年代之前的准4年周期为主转变为20世纪90年代之后的准2年周期为主。相反地，印度夏季风由20世纪90年代之前的准2年周期为主转变为20世纪90年代之后的准4年周期为主。南非夏季风在20世纪90年代之后出现准4年周期的显著增强，与之相反地，澳洲夏季风在20世纪90年代之后出现准4年周期的显著减弱。

（2）与全球其他季风相比较，西北太平洋夏季风年际变化主周期在20世纪90年代的变异特征与ENSO年际变化主周期的变异特征更一致，都表现出主周期在20世纪90年代附近由准4年为主向准2年为主的转变。热带太平洋和大西洋之间跨洋盆相互作用的增强可能是引起西北太平洋夏季风和ENSO在20世纪90年代以后准2年周期变化显著增强的重要驱动因素。