全球海温变化的方差及其相关性分析＊

张 巍，周广超，高新院

（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100）

全球海温变化的方差及其相关性分析＊

张 巍，周广超，高新院

（中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100）

为了研究全球变暖背景下不同海域海温的变化特征，利用1854—2008年共155a的全球海温数据资料——ERSST V2，通过对全球年平均海温方差的空间分布进行分析，发现全球海温变化较大的海域主要分布在赤道东太平洋海域，北半球太平洋中纬度海域，北半球大西洋中纬度海域，非洲西南端海域；赤道与中纬度地区海温变化较剧烈，太平洋较大西洋和印度洋海温变化更剧烈。海温变化方差值较大的区域多为具有较明显海温变化模态的区域。在不同的时期，全球海温方差的空间分布也是不同的。随着全球气候变暖，海温方差值较大的区域越来越多，而且海温的振荡模式也发生了改变，其高频振荡部分有所增强。通过观察方差值较大区域其海温振荡模式在全球的分布情况，可以发现：在低纬度地区高频振荡模式占主要地位，而在中高纬度地区则主要是低频振荡模式。

海表温度；SST；方差；相关性

海洋覆盖了地球表面的70%左右，是大气中水汽的主要源泉。通过海气交互作用，海洋对全球气候有着重要的影响。20世纪，全球气候开始逐渐变暖，尤其是20世纪70年代以后，全球气温的变暖趋势尤为明显，整个20世纪，全球年平均气温上涨了约0.5℃［1］。气候在变化，与气候变化联系紧密的海洋也在发生着相应的变化。为了研究气候的变化规律，人们开始更多的关注海洋。

海表温度（Sea Surface Temperature，SST）是表现海洋特征的重要因子。与全球气温相似，全球海温在20世纪也呈现着上升的趋势。为了研究全球海温变化的规律，研究者们作了许多工作。W.Cai和P.H.Wetton指出对全球海温变化起主导作用的主要有3种模态：ENSO（El Nio－Southern Oscillation），南北半球涛动（Interhemispheric Oscillation）和北太平洋涛动（Northern Pacific Oscillation）［2］。Susana M.Barbosa和Ole B.Andersen通过分析低频模对全球海温变化的贡献，指出低频模可以表示90%以上的全球海温变动［3］。林志强利用奇异谱分析方法对全球海温进行分析，指出全球海温的变化具有81a，准10a和2.6～6a的变化周期［4］。周亚军等通过研究指出全球各个大洋的海温变化在数十年尺度上具有很好的同步性［5］。王晓玥等通过研究发现各大洋之间海温变化具有明显的同期和时滞关系［6］。

全球海温的变化会引起气候的改变，局部海温的改变对全球气候的影响也不容忽视。以ENSO现象为例，龚道溢和王绍武指出ENSO现象最多能解释全球年平均温度方差的20.6%［7］。龚志强等也发现ENSO现象与中国北方以及西南区域的温度变化有很强的相关性［8］。许多学者对ENSO现象进行了研究。郭文娟等利用小波变换分析对1951—1999年的海温资料进行分析，发现El Nio现象发生海域具有多层次的冷暖结构特征［9］。李崇银等提出了产生ENSO现象的1种新的可能性机理，并对ENSO现象的预报进行了改进，提高了ENSO预报的技巧［10］。

虽然全球气候正在变暖，但并不是全球每个地方的气候都在变暖［1］。海洋的变化也是如此，全球不同地区的海域具有不同的变化特征［11］，也正是由于这些区域的典型特征，才更容易了解海洋与大气之间的相互联系，以及海洋对全球气候变化的影响。将方差作为标准，可以确定全球变暖背景下海温变化较剧烈的区域。本文通过对全球海温方差以及其相关性的分析，确定全球海温变化较大的敏感区域，研究它们的分布和变化规律，以及这些区域海温振荡模式的变化与空间分布特征。

1 数据资料

本文所用的数据为美国国家海洋大气局（NOAA）提供的全球海温数据：ERSST V2。数据的空间分辨率为2（°）×2（°），时间分辨率为1个月。所研究数据的空间范围为80°S～80°N，时间范围为1854年1月～2008年12月，共155a。

ERSST V2数据是利用国际综合海气数据集（International Comprehensive Ocean－Atmosphere DataSet，ICOADS）中的SST数据，并使用改进的统计方法重新建立的。随着新数据的加入，ERSST数据也会进行相应的更新。

2 数据分析

2.1 全球的海温方差

某区域的海温变化幅度越大，其海温变化往往也具有较典型的特征。为了确定百余年来海温变化较大的区域，首先对ERSST V2数据进行简单的计算处理，得到全球每个数据格点的年平均海温；然后计算每个格点155a年平均海温的方差值；最后通过对比确定方差值较大的区域，即海温变化较大的区域。其结果如图1。

图1 全球年平均海温方差分布图Fig.1 Distribution of the variance of global annual mean SST

如图1所示，全球不同海域的海温有着不同的变化幅度，本文将方差值大于0.3的海域称为高值区。从图中可以看出，高值区主要分布在4个区域：赤道东太平洋海域，北半球太平洋中纬度海域，北半球大西洋中纬度海域，非洲西南端海域。本文分别以A，B，C，D来代表分布在这4个区域的高值区。

从各个高值区的空间分布来看，A区位于赤道附近，B，C，D区都分布在中纬度地区，并且各区域的高值区中心在北半球更靠近于大陆的东岸，在南半球更靠近于大陆的西岸。A区内高值区的分布基本上占据了整个热带中东太平洋，这是由于该区域是ENSO事件的产生区域，ENSO暖相位（El Nio现象）和ENSO冷相位（La Nia现象）交替出现，因此该区域的海温年际变化会比较剧烈，方差值也会相应较大；B区高值区几乎分布于整个北半球中纬度太平洋地区，且在B区内具有3个高值区中心，其中有2个高值区中心靠近亚洲大陆的东侧；C区相对于B区要小，它主要分布在北半球中纬度大西洋的西部，C区并没有分布在整个中纬度大西洋地区，欧洲西侧的海域海温的变化较小，但是与B区相比，C区具有更高的纬度分布；D区是这4个区域中最小的，而且其高值区面积和最大值都要小于其他3个区域，但是与南半球同纬度海域相比，D区海温变化要更剧烈。

从纬度的角度来看，全球高值区主要分布在赤道和中纬度地区，两极地区的海温变化比较小。并且很明显北半球中纬度地区的海温变化比南半球中纬度地区的海温变化剧烈。经计算南北半球中纬度高值区格点数目分别为：北半球，336个；南半球，31个。这主要是由于南半球中纬度地区的海洋面积较大，海水的热容量较大，因此与北半球相比，吸收相同的热量其海温的变化幅度较小，南半球中纬度各大洋也并未出现相应较大的高值区。这样的观察结果与他人的研究结论是相符合的。江志红等利用多窗谱方法对南北半球的月平均温度序列进行分析，发现在全球变暖的背景下，北半球温度变化的稳定性要小于南半球［12］。

从经度的角度来看，全球各大洋的海温变化也有着很大的差异。A，B高值区分布在太平洋中，C，D高值区分布于大西洋中，而印度洋区域则没有较为显著的高值区存在。与太平洋和大西洋相比，印度洋的海温变化较为平稳。太平洋与大西洋都具有较大的纬度跨度，印度洋则大部分位于南半球，同时南半球的海温变化较小，并且太平洋与大西洋中存在着ENSO和大西洋涛动等气候现象，这些气候现象中海温所表现出的周期性变化，造成了2个大洋中高值区的产生。虽然印度洋中同样也存在着海温周期性振荡的气候现象［13］，但是热带印度洋东西部海温单、偶极的变化模态并没有以方差的方式明显的表现出来。

Chen等通过对ERSST海温数据资料的分析处理，绘制了主要的全球海温变化模态分布图［14］。通过对比发现，海温方差高值区的分布与海温变化模态的分布相似。即海温变化的周期性振荡，比较容易形成方差上的高值区。

2.2 不同时期的海温方差值比较

图2 全球年平均海温变化曲线Fig.2 Global annual mean sea surface temperature

全球气候变暖的原因不仅包括自然因素，同时人类对气候的影响也是不可忽视的。随着科技的发展，生产力的提高，人类的活动范围也越来越大，生产活动对气候的影响也越来越明显。因此，在不同的时期，人类活动对海洋的影响程度也并不相同。利用ERSST V2数据，本文得到了155a来全球年平均海温变化曲线（见图2）。

从总体变化来看，全球海温呈现着上升的趋势。与19世纪中期相比，21世纪初的海温升高了约0.5℃；与20世纪初相比，海温升高了约0.7℃。从海温变化的各个阶段来看，155a来海温的变化主要有变冷（19世纪中期～1910年）、变暖（1910年代～1960年代）和再次变暖（1970年代～今）3个阶段。其中在第2阶段后期，即20世纪50、60年代，海温的增长速度明显变缓，增温不如第2阶段其他时期明显。

根据全球海温的变化趋势，可以将1854—2008年大致分为3个阶段：第1阶段，1854—1909年；第2阶段，1910—1969年；第3阶段，1970—2008年。通过对比不同时期海温方差的空间分布差异，可以了解不同时期海温的变化特点。

图3 不同阶段全球年平均海温方差分布Fig.3 Distribution of the variance in different periods

从总体上来看，随着全球气候的变暖，全球海温变化越来越剧烈，越来越多的区域变为了高值区。经计算，3个阶段中全球年平均海温的方差值分别为0.008，0.011和0.013，全球高值区格点数目分别为：283，737，700，其中A区的变化最为明显。155a来，A区的面积和最大方差值一直在增大，高值区从最初的秘鲁沿海逐渐生长到占据整个赤道中东太平洋地区。近年来发生ENSO事件的周期越来越短，发生的强度越来越强，表现在方差值上，也就是高值区面积的扩大和高值区最大方差值的增大。B区在第2阶段中具有最大的面积，同时在这个阶段B区出现了3个明显的中心，这是第1阶段与第3阶段所不具备的特点。C区的变化不如B区更为明显，但同样C区的面积也在增大，并且高值区中的方差最大值也在逐渐的增大。这或许是因为在1960年代，全球气候发生了跃变，使得北半球中纬度海域海温产生了较大的波动。李崇银等通过对海平面月平均气压资料的分析，发现气候跃变与北太平洋涛动和北大西洋涛动的异常有着密切的联系［15］。D区与A，B，C区相比，其高值区面积小得多，但与B，C区的变化相似，D区在第1阶段与第3阶段，并未出现较大的海温方差值，而在第2阶段，则表现的较为明显。

不同的高值区代表了不同的海温振荡模态，随着气候的变化，海温振荡模态也了发生相应的变化。利用离散功率谱估计的方法计算出4个高值区不同阶段所具有的周期，并进行了95%的信度检验，其结果如表1。

表1 不同时期各高值区的显著周期（单位：年）Table 1 Obvious cycles of SST variability in different periods

通过计算各高值区的海温振荡周期发现，各高值区海温变化都同时存在着高频振荡和低频振荡，但不同的是B，C，D区域表现出的是较强的低频振荡，大都为年代际振荡，而A区则表现为较强的高频振荡，其显著周期大都在2～7a内。由于高频振荡模式所引起的较频繁的海温变化，因此A区较B，C，D 3个高值区具有更大的方差值。

同时，4个区域不同的阶段其显著周期也不尽相同，这主要表现在高频振荡部分。1910—1969年是全球海温迅速上升的阶段。在全球海温上升的背景下，各高值区的海温振荡模态也发生了变化。从表1中可以看到，在第2阶段中，4个高值区的海温振荡周期大都比第1阶段小，尤其是其高频振荡部分。由于第3阶段海温时间序列的样本数比第1、2阶段要少，因此其计算结果中低频振荡的周期要小于第1、2阶段。但第3阶段中高频振荡的显著周期与第2阶段相似，变化并不大。

通过各高值区不同阶段方差值与显著周期的对比，作者发现，随着气候的改变，全球海温变化越来越剧烈，尤其在出现气候跃变的时期，局部区域的海温会出现较剧烈的变化。并且气候变暖的同时，全球海温振荡模式也发生了变化，其高频振荡部分越来越强，从而全球更多的海域出现了较强的海温振荡。

2.3 高值区海温与全球海温的相关性分析

不同水域的海温变化构成了全球海温的整体变化。但由于全球不同水域的海温具有不同的变化模态，因此不同水域的海温与全球海温的相关性也有差异。通过计算可以得到高值区海温与全球海温变化之间的相关系数为0.7576，非高值区海温与全球海温的相关系数为0.9963，均超过了95%的信度。并且，高值区海温与全球海温的相关性并不是一成不变的。根据2.2节中所划分的时期计算可得，高值区海温与全球海温在第1阶段的相关系数为0.814 1，在第2阶段为0.762 7，在第3阶段为0.7448，均超过了95%的信度。随着全球气候的变化，以及高值区水域对于气候变化的敏感性，其相关系数逐渐减少也是必然的结果。

图4 全球与各高值区年平均海温变化曲线Fig.4 Annual mean SST of global and high variance regions

图4为各高值区海温与全球海温的变化趋势图。由图可看出，不同时期各高值区海温与全球海温变化趋势并不完全一致。在进入20世纪后A区并未表现出明显的降温与升温趋势。而B，C高值区不仅在20世纪初出现了海温的下降，并且在20世纪60、70年代仍有海温的降低。这样的变化减缓了全球海温升高的速度，使全球海温在20世纪60、70年代海温没有太大的升高。与A，B，C区域不同，D区域的海温变化与全球海温的变化趋势基本一致，但D高值区并没有在20世纪初表现出较强的海温降低趋势。可以看出在不同时期占主要地位的海温振荡模态是不一样的。

通过计算各高值区海温与全球各格点海温的相关性，可以清楚的看出不同高值区海温变化模态的空间分布（见图5）。A区的海温振荡模式不仅存在于赤道中东太平洋地区，同时也存在于赤道印度洋以及南太平洋中纬度海域，可见印度洋海域也存在着类似于ENSO现象的海温振荡模式。B区的海温振荡模式主要存在于太平洋与印度洋的中纬度海域，赤道暖池地区也具有相似的变化模式。不仅如此，C区的振荡模式在该地区也有分布，可见暖池地区海温的变化与北太平洋和北大西洋地区海温的变化有着密切的联系。与B区振荡模式不同，C区振荡模式的分布大都局限在大西洋的赤道及北半球中纬度海域。D区的海温振荡模式是全球较普遍的海温振荡模式，其在大西洋和印度洋上有着广阔的分布，而在太平洋中的分布较少。

虽然各区域的海温振荡模式的分布特点不同，但总体来说，仍有一定的规律：低纬度地区的海温振荡模式多为高频振荡，而低频振荡模式则多分布在中高纬度地区。

图5 高值区振荡模态的空间分布Fig.5 The distribution of SST oscillation modes of high variance regions

3 结语

通过对全球海温方差空间分布的分析，发现全球海温变化幅度并不相同，方差值大于0.3的高值区主要分布在赤道东太平洋海域，北半球太平洋中纬度海域，北半球大西洋中纬度海域，非洲西南端海域。这些区域普遍具有较明显的年际或年代际海温变化模态。从高值区的分布以及方差值的大小来看，北半球海温的变化比南半球大，太平洋海温的变化要比大西洋和印度洋更大。不同的时期，海温方差的分布也是不同的。当出现气候跃变时，高值区海温的变化通常表现的更为强烈。随着全球气候的变暖，全球海温振荡模式的低频部分逐渐增强，这也是全球海温方差值增大的深层次原因。

在近一个半世纪以来，高值区海温的变化趋势与全球海温的变化趋势并不完全相同。不同的高值区其海温振荡模式也不相同。通过计算各高值区海温与全球各格点海温之间的相关性，作者发现，海温振荡模式在空间上的分布有一定的规律性：在低纬度海域占主要地位的是高频振荡模式，在中高纬度海域则主要是低频振荡模式。

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Analyses of Global Sea Surface Temperature Variance and Correlation

ZHANG Wei，ZHOU Guang－Chao，GAO Xin－Yuan
（College of Information Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In order to study the SST variability of different sea regions under the background of global warming，according to the 155years'SST data from 1854to 2008－ERSST V2and analyzing the space distribution of the global average annual SST variance，we can find that the oceans with large fluctuations in SST in the globe mainly distribute in the equatorial eastern Pacific waters，the northern hemisphere midlatitude Pacific Ocean waters，the northern hemisphere Atlantic mid－latitude waters，and African southwestern end waters.The SST varies dramatically in equatorial and mid－latitude waters.There is more dramatic SST variability in Pacific than that in Atlantic and Indian Ocean.The water is mostly the water with more obvious SST variability modes.In different periods，the distribution of SST variance is also different.As global warming，the high variance water is becoming more and more，and the modes of SST oscillations are changing gradually，of which the high frequency part is intensified.By observing the distribution of global SST oscillations modes，we find：the mode of high frequency oscillation mainly distribute in low－latitude waters，and in middle and high latitude waters is mainly the low frequency oscillation modes.

sea surface temperature；SST；variance；correlation

P731.11

A

1672－5174（2012）1－2－017－06

国家重点基础研究发展规划课题（2009CB723903）；国家自然科学基金项目（40706056）资助

2010－10－31；

2010－12－07

张 巍（1975－），男，副教授，硕士生导师。E－mail：ihcil＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻