1. 引言
中国处在世界上最典型季风活动区，其温度、降水等要素的时空分布受亚洲季风系统的影响较大。研究证明，夏季风强度强时，长江中下游经常降水偏少；季风强度弱时，夏季长江中下游为降水偏多 [1]。因此对东亚夏季风强弱变化的研究具有深远的意义。
ENSO (El-Niño-Southern Oscillation)作为热带海洋–大气耦合系统里表现最强的年际变化信号，对东亚夏季风的变化有极重要的影响。在El Niño减弱年份的夏季，副高位置偏向西南，高压强度明显偏强。这种副高异常特征会随夏季的季节进程发生明显变化，在初夏时异常较弱，在盛夏期间异常往往会达到最强状态 [2]。
目前，有的人认为ENSO当年长江中下游地区夏季风时期降水偏少 [3]，有的人则认为长江中下游至江淮地区夏季是多雨中心区 [4]。还有些学者认为ENSO当年我国长江中下游地区降水主要表现为偏少，次年则相反 [5]。印度洋偶极子(Indian Ocean Dipole，简称IOD)是印度洋上的耦合海洋大气现象。通常的特点是，赤道印度洋西海域的表面温度异常寒冷和赤道东南部海域的表面温度较暖。Saji等分析了印度洋海温距平场，发现其第二模态空间场反映出赤道印度洋东、西部海温会出现反相变化，由此定义了赤道印度洋偶极子指数(Dipole Mode Index，简称DMI) [6]。Webster等指出赤道印度洋偶极子可能是印度洋系统内部独立的特征模态，是印度洋系统内可以自己维持的强海–气–陆相互作用系统 [7]。闫晓勇等认为印度洋SST会通过影响西南季风来影响东亚夏季风系统 [8]。肖子牛等学者通过进一步分析得出，IOD正位相可能会导致中国南方降水偏多而北方降水少于正常水平，而且IOD负位相模态不如正位相模态对中国气候的影响大；正位相时可能是通过影响西南季风系统来比较直接地影响中国的降水，而负位相则可能通过PJ波列来影响中国的降水 [9]。目前，李崇银等 [10]、谭言等 [11]、巢纪平等 [12] 通过研究发现，IOD尽管在个别年份与ENSO相互独立，事实上从长期来看，两者仍然存在较好的相关性。可见研究IOD对研究亚洲夏季风系统有着重要的意义和价值。
杨霞等研究表明消除了IOD事件影响的纯ENSO事件、消除了ENSO事件影响的纯IOD事件以及IOD事件和ENSO事件同时发生对中国夏季降水和气温等都有重要影响 [13]。本文将采用多种东亚夏季风指数、DMI指数、TIOD (Tropical Indian Ocean Dipole简称TIOD)指数、Nino3指数、通过线性回归分析、滑动相关分析及合成分析等方法来研究东亚夏季风系统与ENSO、IOD间联系的特征，并讨论其可能原因。
2. 资料与方法
2.1. 资料
本文研究分析使用的资料有：
1) 1950~2016年全球月平均的NCEP/NCAR再分析资料常规资料集，其水平分辨率为2.5˚ × 2.5˚，垂直方向为17层；
2) 1950~2016年月平均的NCEP/NCAR月度海洋表面温度资料，其水平分辨率为1˚ × 1˚；
3) 1950年至今的NCEP/NCAR月度大气和海洋时间序列：Nino3指数序列、Nino3.4指数序列；
4) JAMSTEC (http://www.jamstec.go.jp/frsgc/research/d1/iod/e/index.html)提供的1950~2016年的月度EMI、DMI指数序列；
5) 李建平教授个人网页(http://ljp.gcess.cn/dct/page/1)提供的1950~2016年东亚夏季风指数。
2.2. 研究方法
本文研究时，使用了指数定义 [14] [15]、数据标准化、线性回归分析、滑动相关分析、合成分析、显著性检验等方法 [16]。
3. 各类指数的分析
图1是1950~2016年三种东亚夏季风指数的时间序列图。图1(a)不同东亚夏季风指数随时间的变化主要体现在季风指数大小以及变化趋势上，三种指数在1960s年代之前离散程度较大，而1960s以后三种指数的趋势相对比较接近，数值离散程度也减小，总体来看近些年来东亚夏季风强度较20世纪50~60年代减弱了许多。同时通过比较观察出，由于定义指数的角度、范围不同，指数反映的相关物理场的特征不同等因素，导致了在某些年份这几种指数的数值和变化趋势并不一致甚至在有些年份处于相反的状态。为此需要将三个指数拆开来分析。
图1(b)显示Iljp指数在过去67年里有明显的减弱趋势，在20世纪70年代以后以负值为主；图1(c)显示，Isn指数在20世纪60年代开始减弱，之后变得平稳且数值波动小以负值为主；图1(d)显示，Izcw在20世纪60~80年代长期处于一个下滑状态，之后指数总趋势变得平稳。三个指数显示的总体趋势变化比较接近。根据Iljp > 1.0选出10个夏季风强年，根据Iljp < −1.0选出了7个季风偏弱年；根据Isn > 1选出7个夏季风强年，选出Isn < −0.75选出7个季风偏弱年，Izcw按照±2选则的典型年份。
Figure 1. Time series of the three East Asian summer monsoon indices from 1950~2016 (the blue unsigned solid line is the time series of the exponential 5-year running mean)
图1. 1950~2016年三种东亚夏季风指数的时间序列(蓝色无符号实线是指数5年滑动平均的时间序列)
图2给出了1950~2016年三种ENSO指数的时间序列。从图2(a)看出ENSO指数随时间的变化主要体现在指数大小以及变化趋势上，从数据最开始Nino3和Nino3.4无论变化趋势还是数值都十分接近。这主要与两个监测区接近甚至重合有关。EMI指数于这两个指数相比其变化趋势整体有滞后，而在1975年之后与Nino3和Nino3.4指数的变化趋势十分接近，在数值上EMI指数离散程度小比较整齐且与Nino3和Nino3.4指数相比差异较大。相对来说，Nino3和Nino3.4指数更容易判断ENSO事件的强度变化。现在我们可以将Nino3、EMI指数单独列出来分析，得到图2(b)、图2(c)。
从图2(b)，可以看出EMI指数显示自1950以来总体趋势稳定，但是波动较大。根据图2(c)，可知Nino3指数在20世纪70年代后期有所上升，之后主要以正值为主。根据EMI > 0.3选出10个ENSO正相位年，根据EMI < −0.3选出16个ENSO负相位年。同样根据Nino3 > 1.0，选出11个ENSO正相位年，根据Nino3 < −1.0，选出9个ENSO正相位年。
Figure 2. Time series of the three ENSO indices from 1950~2016 (the blue unsigned solid line is the time series of the index 5-year running mean)
图2. 1950~2016年三种ENSO指数的时间序列(蓝色无符号实线是指数5年滑动平均的时间序列)
两种IOD指数趋势完全相同只是数值不同(图略)，主要是因为它们同样用海表温度来反映热带印度洋偶极子。所以我们可以任取一种进行具体分析，IOD指数的时间序列主要趋势是上升的，根据DMI < −0.3的标准，选出8个IOD负位相年，根据DMI > 0.3的标准，选择19个正位相年。
为更详细地了解东亚夏季指数与各海温模式指数之间的相关密切程度，表1给出了1950~2016年各指数之间两两相关系数。
Table 1. Linear correlation coefficients between the various indices (where the data are labeled *, **, *** have passed the 90%, 95%, 99% confidence tests, respectively)
表1. 各种指数之间的线性相关系数(其中数据上标为*、**、***分别是通过了90%、95%、99%的置信度检验)
分析表1可知：1) 3种季风指数间，两两相关系数都通过了95%置信水平的相关系数检验，相关性很高。其中Izcw和Iljp相关高达0.791，与Isn的相关高达0.631，可能是由于祝从文 [15] 定义的东亚夏季风指数是综合类的，同时分析了海平面气压场及风场的特征变化。不同的ENSO和IOD指数对东亚夏季风强弱变化的反应能力差异较大。2) 3种指数与ENSO Modoki型的ENSO事件相关性都不高，未通过检验，说明东亚夏季风受ENSO Modoki型的ENSO事件影响不大。Izcw、Isn与Nino3、Nino3.4的相关性都很高，所以后文我们只讨论传东亚夏季风与统型ENSO事件的联系，而且Izcw、Isn与Nino3的相关系数都很高，数分别是−0.261、−0.288，都通过了95%置信水平的相关系数检验，比Nino3.4效果更好，所以我们可以选用Nino3指数，来研究东亚夏季风与ENSO事件的特征分析。3) Izcw、Isn与DMI指数的相关性比较低。Iljp与TIOD指数相关系数为0.209，Izcw与DMI相关性为−0.216都通过了90%置信水平的相关系数检验。Iljp是用大范围风场直接定义的夏季风指数，这与行星尺度季风环流异常存在联系，因而较其他夏季风指数与IOD的相关更高。由于ISN主要反映的是小尺度的海陆热力差异，因此它对印度洋上海气相互作用对东亚季风系统的影响的反映较弱。所以这两种IOD指数在下文研究中都能用到。综上，对于ENSO指数我们则选取Nino3，对于IOD指数DMI和TIOD根据具体情况使用。
4. 东亚夏季风与ENSO、IOD间联系的特征分析
4.1. 时间上的联系分析
通过讨论发现：1963、1972、1982、1997，2015年等很多年份正IOD事件和厄尔尼诺事件同时发生的。图3给出了1950~2016年6~8月原IOD指数、纯IOD指数及原Nino3指数、纯Nino3指数标准化海温指数时间序列。图3显示：纯IOD指数与原IOD指数相比，所显示的IOD强度明显变小(图3(a))，同时纯Nino3指数也小于原Nino3指数(图3(b))。事实上，当IOD与ENSO同时发生时，存在共同影响 [13]。本文需要讨论IOD、ENSO对东亚夏季风单独的影响，于是需要用到纯DMI或纯TIOD (已滤除ENSO信号)、纯Nino3 (已滤除IOD信号)指数。
Figure 3. Standardized original IOD index (IDMI, blue), pure IOD index (IPDMI, red) (a) and original Nino3 index (INino3, blue), pure nino3 index (IPnino3, red) (b) from June 1950~August 2016
图3. 1950~2016年6~8月原IOD指数(IDMI，蓝色)、纯IOD指数(IPDMI，红色) (a) 及原Nino3指数(INino3，蓝色)、纯Nino3指数(IPNino3，红色) (b) 标准化海温指数时间序列
图4给出了已滤除ENSO信号的DMI或纯TIOD、已滤除IOD信号的Nino3指数与3种夏季风指数之间的11年滑动相关系数随时间的变化(Iljp与DMI指数未通过相关系数的显著性检验，故而选取其与TIOD作11年滑动相关)。由图4可知：1) 东亚夏季风指数分别与海温模式指数的滑动相关关系有年代际变化。在20世纪九十年代之前在50年代，70年代中期及90年代初李建平定义的夏季风指数与ITIOD关系比较强，其余时段均与ITIOD具有相对偏弱的正的相关关系，在20世纪90年代之后则表现为明显的负的相关关系(图4(a))；图4(b)显示Isn除了在21世纪前后与IDMI有较弱的相关关系外其余时间内均显示为较明显的正的相关关系；由图4(c)可以看出Izcw指数与IDMI在21世纪前后呈现负的相关关系，其余时间段内主要显示为正的相关关系。1985~1998年由环流场定义的Iljp指数与ENSO的相关系数显示为正相关时，ENSO与由海平面气压场定义的Isn指数的相关性仍显示为负值，当1998年之后才变化为正相关。而所有的指数在70年代末~80年代早期以及20世纪90年代后期至今都与ENSO相关关系偏强，其他时期关系较弱。所以每个指数对东亚夏季风受IOD和ENSO影响的反应能力不同。尽管如此，三个指数之间还是有很好的共同性。2) 当季风指数与IOD指数为正相关时，其与ENSO则呈负的相关关系。反之，当季风指数与IOD指数为负相关时，其与ENSO则呈正的相关关系，当这说明两者对夏季风的作用是相反的。3) 当季风指数与IOD指数开始增强时，季风指数与ENSO指数的相关性也开始反向增强，这体现了大气海洋系统的自动调节能力。4) 在某些年份当季风指数与IOD正相关关系很密切时，其与ENSO的相关较弱；如1950年到1955年，当季风指数与INino3呈密切的负相关时，其与IOD指数的相关性相对较弱，如70年代末至80年代初期。这一结论与Ashok等 [17] 得出的IOD、ENSO和印度季风之间的关系相似，与杨霞等 [13] 所得出东亚季风分别与IOD和ENSO相关性结果一致。5) 通过参考图2在这些年份末对应的东亚夏季风指数往往有较强的绝对值(图4(a)~(c))。
Figure 4. Changes in 11a running correlation coefficients between pure DMI (I(PIOD)) and summer monsoon index (filtered ENSO signal), pure nino3 index (I(PNino3)) and summer monsoon index (filtered IOD signal) (dashed lines indicate t test up to 90% confidence levels)
图4. 纯DMI (I(PIOD))与夏季风指数(滤除ENSO信号)、纯Nino3指数(I(PNino3))与夏季风指数(滤除IOD信号)之间的11a滑动相关系数的变化(虚线表示达90%置信水平的t检验)
4.2. 空间上的联系分析
为了更好地研究东亚夏季风与ENSO、IOD间联系的特征，图5给出了1950~2016年季风偏强年(左)、偏弱年(右)三种东亚夏季风指数与海温的合成分析图。
海温距平分布图(图5(a)~(c))显示，在东亚夏季风偏强年：赤道印度洋整体偏冷，赤道东印度洋比赤道西印度洋更偏冷一些；太平洋上，赤道东部异常偏暖，赤道西部太平洋异常偏冷，估计同期出现ENSO暖事件；IOD事件表现不如ENSO事件明显，只有图5(a) Iljp指数偏强年显示印度洋上出现西高东低正相位变化，其他都显示赤道印度洋整体偏冷。可能是由于IOD事件通常在夏季开始发展，秋季才达到顶峰，冬季又开始衰弱这一变化特征的缘故。故而夏季印度洋偶极子海温模态对同期东亚夏季风影响并不明显。
在东亚夏季风偏弱年：赤道印度洋整体偏暖，而且暖中心的值可达0.5左右；不同的东亚季风指数显示的偏弱年太平洋上海温状态并不相同。图5(d)显示Iljp指数定义的东亚夏季风偏弱年，赤道中东太平洋异常偏冷，冷中心距平值可达−0.7度，赤道西部太平洋异常偏暖，同期可能发生ENSO冷事件；图5(e)显示Isn指数定义的东亚夏季风偏弱年，赤道太平洋大部分地区海温异常偏暖，暖中心距平值在0.6度以上，赤道西部东南亚附近太平洋海温偏冷；图5(f)显示Izcw指数定义的东亚夏季风偏弱年，赤道东部和西部太平洋地区海温异常偏暖，暖中心距平值在0.5度以上，赤道中部太平洋海温则偏冷。这可能是由于Iljp反映的是行星尺度季风环流状况，而Isn反映的是小尺度季风强弱状况，而太平洋海温模式不同，影响不同地区的气候特征。
同时通过对各图内粗实线内显著区分析发现由于Iljp使用风场直接定义，而Isn反映的是海陆热力差异，故而Iljp指数强弱与太平洋海表温度变化相关性的能力不如Isn和Izcw这也与表1中的相关系数相佐证了。
Figure 5. Synthetic analysis plots of three East Asian summer wind indexes (Iljp(a, d), Isn(b, e), Izcw(c, f), sea temperature) and sea temperature from 1950~2016 monsoon strong year (left), weak year (right). (Regions within the thick solid line passed the 90% t test)
图5. 1950~2016年季风偏强年(左)、偏弱年(右)三种东亚夏季风指数(Iljp(a,d)、Isn(b,e)、Izcw(c,f))与海温的合成分析图。(粗实线内区域通过了90%的t检验)
5. 结论
本文通过从各方面分析IOD指数、Nino3指数和普遍使用3种东亚夏季风指数来比较分析ENSO、IOD与东亚夏季风间联系的特征变化。得到以下几点结论：
1) IOD指数、Nino3指数与各个东亚夏季风指数呈现年代际变化特征。20世纪90年代以前东亚夏季风与IOD指数具有很好的正相关，20世纪90年代后期开始则开始转变为负相关。所有的夏季风指数在20世纪70~80年代早期与ENSO负的相关很明显，在21世纪初期呈现正相关。
2) 季风指数与IOD指数表现为正相关，与Nino3指数通常表现为负相关，1990s后期开始呈现相反状态，说明这两者对夏季风的作用是相反的。
3) 不同的东亚夏季风指数受到ENSO和IOD的影响程度不同。在季风偏强年，赤道印度洋整体偏冷，赤道东太平洋异常偏暖，赤道西太平洋异常偏冷，同期出现ENSO暖事件；在东亚夏季风偏弱年：赤道印度洋整体偏暖，不同的东亚季风指数显示的偏弱年太平洋上海温状态不相同。