引言

南海位于亚洲大陆、印度洋与太平洋交合处，是南海季风的核心区和影响东亚天气气候的重要水汽通道。在南海形成的台风和来自南海的暖湿气流对中国气候有重要影响^[1-2]。南海海面温度(sea surface temperature, SST)异常对东亚季风环流系统和中国气候也有显著影响。中国夏季降水，在前期春季，南海、孟加拉湾和阿拉伯海SST为正(负)异常时，呈现长江流域偏多(偏少)、华南和华北地区偏少(偏多)的分布^[3]；华南地区冬季降水在厄尔尼诺事件发生时或南海SST为暖异常时会增多^[4-5]，因此关于南海SST异常变化的研究具有重要意义。

ENSO(El Niño-Southern Oscillation)事件对南海SST的变化有重要影响，南海SST异常在ENSO事件发生次年呈现双峰值的特征^[6-8]。当赤道东太平洋发生ENSO暖(冷)事件时，南海SST也会出现强度相当的异常偏高(低)现象^[6]，在厄尔尼诺事件发生后，南海SST异常会出现双峰值的演变过程，两次峰值分别出现在ENSO事件发生次年的2月和8月，第一个峰值的出现主要与短波辐射和潜热通量异常有关，而第二个峰值主要由南海南部的平均地转热平流导致^[7]，夏季风减弱、越南东部沿岸上升流减弱也会导致SST升高^[8]。

除ENSO外，印度洋对南海SST异常也有重要作用。厄尔尼诺事件发生在冬季，在厄尔尼诺事件衰减年夏季显著的气候异常依然存在于南海，厄尔尼诺的影响能持续到夏季是由于赤道印度洋的“电容器”效应^[9]：厄尔尼诺事件达到盛期时，在遥相关的作用下，赤道印度洋会由于西南海盆的下沉Rossby波而增暖^[10]，这是“充电”过程；赤道印度洋的SST异常会持续到厄尔尼诺事件衰减年的夏季，在厄尔尼诺衰退后影响西北太平洋地区的气候，这是“放电”过程。印度洋对南海产生影响主要是通过西北太平洋反气旋实现的，ENSO导致的赤道西太平洋对流异常冷却激发的海洋Rossby波传到西南印度洋会导致海温增暖，在赤道两侧形成反对称风场，赤道北侧的异常东北风会持续到夏季造成北印度洋的二次增暖^[11-12]，增暖激发的斜压Kelvin波东传到赤道西太平洋，由于边界层摩擦作用而产生Ekman辐散，抑制局地的对流并形成反气旋式环流，其西南侧的东风异常会反过来减弱南海夏季的西南季风，抑制海表蒸发作用，导致海表潜热损失减少，南海海温升高^[9]。南海SST异常与ENSO和印度洋均有关，但ENSO与南海SST异常之间的关系是不稳定的，ENSO对南海SST的影响在1870—2007年发生了明显的年代际变化，1940年之前呈单峰值特征，1960年之后呈双峰值特征^[13]。关于大气过程对ENSO期间南海SST年代际变化的贡献，已有研究进行了探讨^[13-14]：ENSO与南海SST关系发生年代际变化，一方面是由于赤道印度洋对ENSO的响应发生了变化，ENSO增强，赤道印度洋的海温异常响应增大，由此导致的西北太平洋大气异常更强烈^[13]；另一方面，是因为PJ/EAP波列增强导致更强烈的东风异常使南海SST异常的持续时间更长^[14]。大部分学者在研究ENSO对南海影响时没有考虑到印度洋和ENSO的相互作用。本文用偏相关等方法探究ENSO、印度洋对南海SST的独立影响以及在印度洋“电容器”效应加强的背景下，ENSO与南海SST异常的关系有无变化，发生的是什么样的变化以及导致这种变化的物理过程。

1 资料与方法 1.1 资料

采用的资料为：美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的重建ERSSTv3^[15]、v4^[16]、v5^[17]资料，时间是1854—2017年；美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析大气资料^[18]，包括表面风场，850 hPa风场和位势高度场，潜热通量，感热通量，长波辐射和短波辐射资料，时间是1948—2017年。由于NCEP资料时间短，为统一时间跨度，选择1948—2017年为研究对象。

1.2 方法

用Niño3.4指数表征ENSO，用[0]表示厄尔尼诺发展年，[1]表示厄尔尼诺衰减年，南海海温取102°~120°E，2°~20°N的区域平均，热带印度洋海温取40°~100°E，20°S~20°N的区域平均。为研究ENSO与南海SST异常的关系是否存在年代际变化，首先求得海温距平并去除全球变暖的线性趋势，然后将南海SST异常与Niño3.4指数进行21 a滑动相关分析。其次，用偏相关分析的方法分别研究ENSO、热带印度洋对南海的独立影响。最后，用相关分析和回归分析的方法探究可能导致ENSO对南海SST影响发生年代际变化的原因。

2 结果分析 2.1 ENSO对南海SST的影响

为了研究ENSO与南海SST关系的年代际变化，给出了南海SST异常与Niño3.4指数21 a滑动相关(图 1a)。从图中可以看出，1948—1988年间，ENSO对南海地区SST的影响呈双峰值特征，与前人的研究结果^[7]一致，两个峰值分别出现在厄尔尼诺事件次年的1月和6月左右，第二个峰值可以一直持续到8月。1988年之后，ENSO对南海地区SST的影响发生了明显的年代际变化，厄尔尼诺年冬季的第一个峰值明显减弱，厄尔尼诺衰减年夏季的第二个峰值仍然存在且出现时间更晚。ENSO对南海SST影响的年代际变化特征用NOAA的其他版本资料和HadISST资料也得到了同样的结果(图略)。

前人的研究表明ENSO对南海SST的影响与印度洋有关^{[9, 11-12, 14, 19]}，为了研究ENSO对南海的独立影响，将Niño3.4指数与南海SST异常做偏相关(图 1b)。从图中可以看出，去掉热带印度洋的作用后，1988年之前ENSO对南海SST异常影响的第二个峰值明显减弱，1988年之后第二个峰值基本消失，这说明印度洋“电容器”效应对ENSO影响南海SST异常这一过程在1988年之后增强。图 2a也可以证明这一观点，由南海SST异常与热带印度洋5、6月SST异常的相关系数可以看出印度洋对南海的影响在1976/1977年之后开始增强，在1988年后更加显著。这是由于20世纪70年代前，热带印度洋增暖持续不到ENSO事件衰减年的夏季，西北太平洋的大气异常很弱；而在20世纪70年代后，热带西南印度洋温跃层变浅，ENSO引起的印度洋增暖在1976/1977年之后明显增强^[20]，印度洋增暖持续的时间更长，由此导致的西北太平洋的大气异常也更加显著^[14]，从而导致更强的“电容器”效应。

热带印度洋对南海SST的影响是ENSO间接作用的结果，ENSO通过遥相关作用在西南赤道印度洋的温跃层脊处造成持续的SST异常增暖现象，增暖导致赤道两侧形成反对称风场，赤道北侧的东北风异常会引起北印度洋的“二次增暖”。北印度洋增暖激发的斜压Kelvin波传到赤道西太平洋形成异常的反气旋式环流，反气旋环流西南侧的偏东风会反过来减弱南海的西南季风，引起南海夏季的SST异常^[9]。图 2b是南海SST异常与印度洋5、6月SST异常的偏相关，从图中可以看出去掉ENSO的影响之后热带印度洋的作用变得不显著，这说明热带印度洋对南海的影响确实是通过ENSO作用间接实现的。

2.2 ENSO与南海SST关系发生年代际变化的可能原因

ENSO对赤道太平洋以外海域的影响是通过沃克环流形成的“大气桥”实现的^[21]，在ENSO暖阶段，赤道西太平洋的对流活动会东移导致沃克环流改变，在赤道中部和东部太平洋出现异常上升气流，赤道大西洋和赤道印度洋—西太平洋地区出现异常下沉气流，因此哈得来环流在东太平洋加强而在大西洋和印度—西太平洋地区减弱。异常的沃克环流和哈得来环流会引起海面风场的变化，从而导致SST异常。根据图 1a中ENSO对南海影响年代际变化的特征，将1948—2017年分为两个时期：1948—1988年和1989—2017年，分别探究在不同年代际背景下，ENSO对南海SST异常产生影响的物理过程。

图 3是Niño3.4指数与南海SST异常、表面风异常的相关系数，与图 1a的相关系数分布基本一致。在厄尔尼诺年冬季，1948—1988年南海SST显著增暖，但1989—2017年南海SST增暖很弱。两个时期的风场存在显著的差异，1948—1988年南海南部出现的是东南风异常，南海北部出现的是西南风异常，异常偏南风与南海冬季盛行的东北季风方向相反，利于增暖；1989—2017年的厄尔尼诺年冬季，南海北部出现的也是异常南风，南海南部风场变化明显，异常风为东风，不利于增暖。厄尔尼诺事件衰减年的夏季，两个时期南海SST都存在显著增暖，1948—1988年增暖从晚春初夏开始出现，1989—2017年的增暖比前一个时期晚，持续时间更长。从风场来看，两个时期的异常风都是东北风，与盛行季风风向相反，利于增暖，1989—2017年6—7月的东北风异常更强，这可能是导致增暖持续时间更长的原因。

ENSO事件衰减年的夏季，南海的海温异常与印度洋的“电容器”效应关系密切^[9]，20世纪70年代以后印度洋的增暖持续时间更长，在西北太平洋形成的反气旋式环流会更强, 对周围地区的影响也更加明显^[22]。图 4是Niño3.4指数与冬、夏季节850 hPa风场和位势高度场的回归系数图，从环流场来看，厄尔尼诺事件衰减年夏季西北太平洋存在明显的反气旋式环流(图 4a、b)，与前一时期相比，1989—2017年西北太平洋反气旋更强，反气旋式环流西南侧的偏东风异常也更明显，异常东风会减弱南海夏季盛行的西南季风，导致南海SST异常增暖。

不同类型的ENSO产生的气候影响也存在差异^[23]，在1988/1989年冬季ENSO类型发生了年代际变化，在1988/1989年后，西太平洋温度变化大，东太平洋温度变化小，CP型ENSO显著^[24]，CP型ENSO事件发生时菲律宾海反气旋位置与EP型ENSO相比位置更加偏西^[25]。由图 4b来看，厄尔尼诺年的冬季，两个时期西北太平洋反气旋的强度和位置存在显著差异：1989—2017年冬季菲律宾海反气旋的强度更强，反气旋中心也更加偏西，南海地区的南风异常偏弱，对冬季东北季风的抵消作用相对小，不利于南海增暖，这可能是1989—2017年厄尔尼诺年冬季南海异常峰值减弱的原因。

在厄尔尼诺发生时期，大气和海洋会发生异常变化。厄尔尼诺发生时，赤道东太平洋SST异常升高，赤道东风风力减弱甚至转为西风，沃克环流上升支东移，南海地区出现异常的下沉气流；西太平洋副热带高压的位置更加偏南、偏西，副热带高压南部的东风气流会在其西侧转为西南向的气流，导致南海夏季风增强^[26]。图 5a中等值线表示1948—1988年南海SST异常与Niño3.4指数的相关性，1月相关性达到峰值，呈现从西南向东北递减的特征，1月之后相关性开始减弱，随着厄尔尼诺的消亡，南海SST异常达到第一个峰值的过程结束。4月相关系数逐渐增大，在7月左右再次达到最大值。将两个时期的SST异常与Niño3.4指数的相关系数进行比较可以看出，1989—2017年的相关系数普遍比1948—1988年低。从风场来看，1989—2017年，1月南海南部的异常南风有减弱趋势，在东南部海域甚至转为与气候态风场一致的东北风，这会导致1月东北季风风力增大，海表蒸发作用加强，潜热通量损失增加(图 6a)，带走更多的海表热量，导致南海SST异常1月峰值减弱。

ENSO影响造成的风场异常不仅会影响南海地区的热力过程，还会导致异常的动力过程——Ekman抽吸。图 5中填色部分显示的是Niño3.4指数与海面风场的回归系数以及由此计算得到的垂直涡度，南海地区受ENSO的影响会在北半球的冬春季节造成南风异常，在夏季造成东风异常(图 3)，异常风会导致异常的Ekman抽吸，从而引起上升和下沉运动，异常的下沉运动会抑制低层冷水的上翻，利于SST升高。将图 5的垂直涡度进行对比可以看出：与1948—1988年相比，1989—2017年1月只有南海的南部和北部存在弱的上升运动，大部分海域发生的是下沉运动，不利于SST冷却，因而Ekman抽吸作用对1月峰值减弱的贡献很小。

南海和赤道东太平洋SST异常之间的关联是通过ENSO驱动的大气遥相关改变表面热通量和风场来实现的，这一部分从热通量的角度讨论可能导致1月峰值减弱的原因。将图 6中两个时期的热通量进行比较可以看出：1989—2017年，潜热通量在南海15°N以北有增暖作用，15°N以南有冷却作用，冷却作用比1948—1988年更强；1989—2017年，短波辐射对南海增温作用更明显，南海地区云量减少导致短波辐射增加，不利于1月峰值消失；长波辐射和感热通量都有利于1月峰值的减弱，但由于二者的量级较小，对南海SST异常的贡献较其他两项也相对小。

3 结论

通过分析NOAA的重建SST资料和NCEP的再分析大气资料，探究了ENSO对南海SST影响的年代际演变特征和导致二者关系发生年代际变化的物理机制。采用相关分析、偏相关分析和回归分析的方法，初步得到了以下结论。

1) ENSO对南海地区SST异常的影响在1988年发生了明显的年代际变化，20世纪80年代之前，ENSO对南海地区SST异常的影响呈双峰值特征，两个峰值分别出现在厄尔尼诺年的1月和厄尔尼诺年次年的6月左右；20世纪80年代之后，厄尔尼诺年冬季的第一个峰值明显减弱，第二个峰值出现时间推后。

2) 印度洋对南海的影响是ENSO的间接作用，印度洋“电容器”效应对ENSO影响南海SST异常这一过程在20世纪70年代之后开始增强，20世纪80年代后更加显著，这可能是印度洋“电容器”效应在20世纪70年代后增强导致的：印度洋的电容器效应在1976/1977年发生了稳态转换，1976/1977年后印度洋增暖持续时间更长，ENSO发生的次年夏季在西北太平洋形成的反气旋式环流更强，由此导致的海气相互作用也更强。

3) 厄尔尼诺年冬季ENSO对南海地区SST异常的第一个峰值减弱可能是因为1988/1989年后ENSO类型发生了年代际变化，1989年后CP型ENSO更加显著，冬季菲律宾海反气旋的强度更强、反气旋中心更加偏西，异常风导致冬季南海地区风增强，潜热损失增加，从而抑制了南海SST的异常增暖。