近65年ENSO事件强度变化及时频特征研究

陈虹颖; 徐峰; 李晓惠; 夏天竹; 张羽

doi:10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.012

近65年ENSO事件强度变化及时频特征研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.012

1.
广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江 524088
2.
天津市滨海新区气象局，天津 300457
3.
广东省气候中心，广东广州 510640

基金项目:

国家自然科学基金 41475120

广东省自然科学基金-重大基础研究培育项目 2015A030308014

详细信息

通讯作者:
徐峰，男，安徽省人，教授，博士，研究方向：大气物理学与大气环境、海洋气象。E-mail: gdouxufeng@126.com

中图分类号: P732
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出版历程
- 收稿日期: 2016-06-29
- 修回日期: 2017-01-06
- 刊出日期: 2017-10-01

INTENSITIES AND TIME-FREQUENCY VARIABILITY OF ENSO IN THE LAST 65 YEARS

1.
College of Oceanography and Meteorology, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China
2.
Meteorological Administration of Tianjin Binhai New Area, Tianjin 300457, China
3.
Climatic Center of Guangdong, Guangzhou 510640, China

摘要

摘要: 利用海洋尼诺指数(ONI)、南方涛动指数(SOI)和多变量ENSO指数(MEI)等ENSO特征值分析了1951年1月—2016年5月近65年ENSO事件的强度与时频特征，并将其强度划分为5个等级。结果表明：近65年共发生22次暖事件（El Niño）和13次冷事件（La Niña）；对ENSO特征值进行频次分析发现，强El Niño月份所占比例比强La Niña多；使用连续小波、交叉小波和小波相干分析得出，ENSO循环主要具有2~7 a的周期，还具有10~16 a的年代际变化。
- ENSO /
- 时频特征 /
- 强度 /
- 年际及年代际变化
Abstract: Based on multiple El Niño-Southern Oscillation (ENSO) indices, Oceanic Niño index (ONI), Southern Oscillation index (SOI), Multivariate ENSO index (MEI), etc. we classified the intensities of ENSO events into five levels, analyzed the intensities and time-frequency variability of ENSO events during the period 1951-2016. Over the last 65 years, there have been 22 warm events (El Niño) and 13 cold events (La Niña). Frequency analysis is applied to the indexes of ENSO, which indicates that the percentage of strong warm events months is much more than that of strong cold events months. Three methods of time-frequency-continuous wavelet analysis, cross wavelet analysis, wavelet coherency-were used, and the results are in good agreement with the principal period (2~7-yr) and the interdecadal variability (10~16-yr) of ENSO cycle.
- ENSO /
- time-frequency features /
- intensity /
- interannual & interdecadal variability

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图 1 ONI指数的时间序列

红色线条表示ENSO暖事件，蓝色线条表示ENSO冷事件。

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图 2 ENSO事件的海温(a)和海气(b)的强度时间序列

红色柱体表示暖事件，蓝色柱体表示冷事件，绿色虚线为滑动趋势曲线。

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图 3 各季节形成ENSO事件的次数(a)和ENSO峰值月(b，基于ONI指数)

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图 4 1951年1月—2016年5月的频次分布（柱体）

a. Niño3指数；b. Niño4指数；c. Niño3.4指数；d.多变量ENSO指数。光滑曲线为正态分布对应的理论频次。

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图 5 ONI、SOI和MEI指数的Morlet小波功率谱及小波全谱(GWS)(a、c、e)和小波实部及小波全谱(b、d、f)的分析

小波功率谱中红色粗实线包围的区域表示通过5%红噪声显著性水平检验的区域，黑色实线包络的为锥形影响域(cone of influence，COI)；小波全谱中红色虚线表示通过5%显著性水平检验。

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图 6 ONI-SOI及ONI-MEI的小波方差

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图 7 ONI与SOI及ONI与MEI的2~7 a平均尺度小波能量谱

横线为5%显著性水平。

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图 8 ENSO特征值的交叉小波谱(XWT)和小波相干谱(WTC)

黑色粗实线包围为通过5%红噪声显著性水平检验的区域，细实线为影响锥；箭头向右表示两者同相位，向左表示两者反相位。

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表 1 多种ENSO指标及对应的ENSO事件确立标准

指标	提出者	ENSO事件确定标准
Niño 3区(150~90 °W，5 °N~5 °S)海温距平	日本气象厅	Niño 3区海温距平5个月滑动平均持续6个月≥0.5 ℃(≤~0.5 ℃)为一次El Niño(La Niña)事件
Niño 4区(160 °E~150 °W，5 °N~5 °S)海温距平		对El Niño的响应较弱^[18]
Niño 3.4区(170~120 °W，5 °N~5 °S)海温距平	Trenberth^[19]	Niño 3.4区海温距平5个月滑动平均持续6个月≥0.4 ℃(≤-0.4 ℃)为一次El Niño(La Niña)事件
Niño C区(180 °~90 °W，0~10 °S)海温距平	Angell^[20]
Niño综合区(又称Niño Z区，即Niño1+2+3+4区)海温距平	李晓燕等^[5]	Niño综合区海温距平指数≥0.5 ℃(≤-0.5 ℃)至少持续6个月（过程中间可有1个月未达标准）则定义为一次El Niño(La Niña)事件
标准化的SOI与赤道东太平洋SST距平(160 °W，4 °N~4 °S到南美沿岸)	Kiladis等^[21]	海温距平至少3个季节≥0℃且至少1个季节≥0.5 ℃，同时SOI为负值且≤-1.0定义为一次El Niño事件
海洋尼诺指数(ONI)	美国NOAA/NCEP/CPC	ONI连续5个月≥0.5 ℃(≤-0.5 ℃)定义为1次El Niño(La Niña)事件

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表 2 ENSO事件的海温强度指标单位：℃。

海温强度	极弱	弱	中等	强	极强
El Niño	≤3.45	3.46~6.64	6.65~13.01	13.02~16.20	≥16.21
La Niña	≥-4.97	-4.98~-8.95	-8.96~-16.90	-16.91~-20.88	≤-20.89

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表 3 各指数间的斯皮尔曼相关系数

指数	Niño3	Niño4	Niño3.4	ONI	SOI	MEI
Niño3		0.801	0.897	0.891	-0.631	0.891
Niño4	0.801		0.854	0.859	-0.682	0.854
Niño3.4	0.897	0.854		0.993	-0.701	0.888
ONI	0.891	0.859	0.993		-0.715	0.897
SOI	-0.631	-0.682	-0.701	-0.715		-0.748
MEI	0.891	0.854	0.888	0.897	-0.748

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表 4 ENSO事件的海气综合强度指标

海温强度	极弱	弱	中等	强	极强
暖事件	≤-2.0	-1.9~-1.0	-0.9~0.9	1.0~1.9	≥2.0
冷事件	≥2.0	1.9~1.0	0.9~-0.9	-1.0~-1.9	≤-2.0

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表 5 1951—2016年的ENSO事件特征量综合表

	起止年月	持续时间/月	ONI极值/℃	∑ONI/℃	海温强度	SOI极值	∑SOI	OSI	海气强度	MEI极值	∑MEI
暖事件	1951.07—1952.01	7	0.9	4.7	弱	-1.8	-9.5	-1.00	弱	0.82	4.55
	1953.01—1954.01	13	0.8	9.1	中等	-2.8	-7.1	-0.55	中等	0.78	3.81
	1957.04—1958.07	16	1.7	16.6	强	-3.1	-6.8	0.59	中等	1.47	16.09
	1958.10—1959.02	5	0.6	2.8	极弱	-2.3	-5.4	-1.71	弱	0.79	2.68
	1963.07—1964.02	8	1.2	7.9	中等	-2.0	-7.1	-0.74	中等	0.87	5.47
	1965.06—1966.04	11	1.8	13.4	中等	-3.0	-15.2	0.94	中等	1.44	12.61
	1968.11—1969.06	8	1.0	6.0	弱	-2.4	-3.6	-1.39	弱	0.84	5.03
	1969.08—1970.01	6	0.8	4.2	弱	-1.9	-4.6	-1.57	弱	0.67	2.28
	1972.05—1973.03	11	2.0	14.5	强	-2.6	-14.7	1.06	强	1.83	15.59
	1976.09—1977.02	6	0.8	4.1	弱	-1.9	0.7	-2.12	极弱	1.03	3.79
	1977.09—1978.01	5	0.8	3.4	极弱	-2.1	-7.3	-1.42	弱	0.99	4.39
	1979.10—1980.02	5	0.6	2.7	极弱	-1.2	-0.9	-2.18	极弱	1.00	3.67
	1982.05—1983.06	14	2.1	19.0	极强	-6.0	-37.6	4.08	极强	3.01	29.69
	1986.09—1988.02	18	1.6	19.7	强	-2.4	-23.2	2.74	极强	2.14	26.01
	1991.06—1992.07	14	1.6	14.1	强	-4.7	-21.9	1.73	强	2.28	20.25
	1994.10—1995.03	6	1.0	4.6	弱	-2.0	-4.5	-1.52	弱	1.42	7.00
	1997.05—1998.05	13	2.3	20.3	极强	-4.4	-30.3	3.55	极强	3.05	32.73
	2002.06—2003.02	9	1.3	8.5	中等	-1.8	-8.3	-0.52	中等	1.12	8.78
	2004.07—2005.04	10	0.7	6.2	弱	-5.2	-9.5	-0.76	中等	1.06	6.52
	2006.09—2007.01	5	1.0	3.9	弱	-2.1	-4.8	-1.60	弱	1.32	5.09
	2009.07—2010.04	10	1.3	9.0	中等	-2.4	-6.9	-0.59	中等	1.52	11.01
	2015.03—2016.05	15	2.3	21.5	极强	-3.6	-23.1	3.01	极强	2.53	28.89
冷事件	1954.05—1956.05	25	-1.6	-18.1	强	3.1	37.9	-1.58	强	-2.28	-36.82
	1964.05—1965.01	9	-0.8	-6.3	弱	2.5	8.4	1.78	弱	-1.51	-10.56
	1967.12—1968.04	5	-0.8	-3.2	极弱	2.1	2.3	2.56	极弱	-0.96	-3.33
	1970.07—1972.01	19	-1.3	-16.7	中等	3.8	32.5	-1.06	强	-1.90	-24.37
	1973.06—1974.07	14	-1.9	-17.6	强	4.3	32.7	-1.19	强	-1.93	-19.62
	1974.10—1976.03	18	-1.6	-16.8	中等	3.5	35.8	-1.28	强	-1.99	-23.09
	1984.10—1985.06	9	-1.1	-6.9	弱	2.0	4.5	1.95	弱	-0.72	-4.10
	1988.05—1989.05	13	-1.8	-16.0	中等	3.0	26.9	-0.62	中等	-1.50	-13.15
	1995.08—1996.03	8	-1.0	-6.2	弱	1.9	4.1	2.06	极弱	-0.63	-3.49
	1998.07—2001.03	33	-1.6	-32.7	极强	3.0	50.9	-4.24	极强	-1.21	-21.87
	2007.08—2008.06	11	-1.4	-10.9	中等	4.4	18	0.59	中等	-1.58	-9.84
	2010.07—2011.04	10	-1.4	-11.1	中等	4.8	35.1	-0.52	中等	-1.95	-15.83
	2011.08—2012.03	8	-0.9	-5.6	弱	4.1	13.3	1.55	弱	-1.00	-5.93

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表 6 标准峰度系数与标准偏度系数峰度系数=3，偏度系数=0为标准正态分布。

指数	Niño3	Niño4	Niño3.4	MEI
标准峰度系数	4.1841	2.6613	3.0953	3.0243
标准偏度系数	0.7425	-0.2624	0.2737	0.2922

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