黑潮延伸體區(qū)海平面異常和中尺度渦的時(shí)空特征分析

潘豐，張有廣，林明森

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081；國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京100081）

黑潮延伸體區(qū)海平面異常和中尺度渦的時(shí)空特征分析

潘豐1，張有廣2，林明森2

（國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心,北京100081；國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心,北京100081）

利用1993—2010年間的衛(wèi)星高度計(jì)資料，用EOF方法及小波分析研究了黑潮延伸體區(qū)域的海平面異常和中尺度渦的時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明：海平面EOF第一模態(tài)是季節(jié)模態(tài)，與該海域風(fēng)應(yīng)力旋度第一模態(tài)類似，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.65。EOF第二模態(tài)主要反映了黑潮南部次級(jí)環(huán)流的變化情況，顯著性周期是8—10年。通過(guò)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體南部次級(jí)環(huán)流的年代際變化與PDO有關(guān)，同時(shí)它又與風(fēng)應(yīng)力旋度第二模態(tài)有關(guān)；該海域的海面高度受到北太平洋東部SSH信號(hào)西傳的影響，信號(hào)的傳播需要大約3—4年時(shí)間。EOF第三模態(tài)是黑潮彎曲模態(tài)。日本南部的氣旋渦和反氣旋渦可以表征黑潮彎曲的形成，而且彎曲強(qiáng)度和渦的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和位置有關(guān)。

黑潮延伸體；海平面異常；中尺度渦；風(fēng)應(yīng)力旋度；次級(jí)環(huán)流

1 引言

黑潮是沿著北太平洋西部邊緣向北流動(dòng)的一支強(qiáng)西邊界海流，它具有高鹽、高溫、流量大、流速?gòu)?qiáng)、厚度大、流幅窄等特征。黑潮主干經(jīng)吐噶嘞海峽，進(jìn)入太平洋，然后沿日本列島流向東北，在35°N附近分為兩支：主干轉(zhuǎn)向東流直到160°E，稱為黑潮延伸體；一支在40°N附近與來(lái)自高緯的親潮匯合一起轉(zhuǎn)向東流匯入黑潮延伸體，一起橫過(guò)太平洋。

黑潮出現(xiàn)變異特征并不是孤立的，它與全球海洋變化有關(guān)，特別是與PDO及ENSO的發(fā)生有密切聯(lián)系。另外，黑潮本身的變化也是個(gè)大尺度效應(yīng)，黑潮不同區(qū)域上的變化是相互聯(lián)系的[1]。近年來(lái)海洋學(xué)者對(duì)黑潮延伸體，黑潮彎曲現(xiàn)象以及與ENSO等其他海洋現(xiàn)象之間的關(guān)系進(jìn)行了大量的研究。張永垂等[2]利用15年（1993—2007年）月平均的海平面高度異常（SSHA）資料,分析了SSHA在北太平洋的分布和變化趨勢(shì)。結(jié)果表明,北太平洋年際時(shí)間尺度SSHA變化的大值區(qū)在黑潮延伸區(qū)和西太平洋暖池區(qū)。高理等[3]利用12年衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)分析得出了黑潮延伸區(qū)的海平面異常和海表面溫度異常的低頻分量與Nino3指數(shù)具有較高的相關(guān)性。Mizuno[4]對(duì)1976—1979年期間黑潮的研究得出黑潮大彎曲幅度與黑潮延伸體中尺度變化有正的相關(guān)性。通過(guò)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析來(lái)檢驗(yàn)，Yasuda和Hanawa[5]發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體在1980年增強(qiáng)，比洋盆尺度的表面風(fēng)應(yīng)力增強(qiáng)落后4—5年。Miller[6]和Deser[7]把這4—5年的延后歸因于斜壓Rossby波從它們激發(fā)的北太平洋東部區(qū)域傳播到太平洋洋盆的西邊界所需要的海洋調(diào)整時(shí)間。Deser進(jìn)一步指出黑潮延伸體的增強(qiáng)被限制在相對(duì)窄的30°—38°N區(qū)域。他們對(duì)這個(gè)被限制響應(yīng)的解釋是增強(qiáng)的洋盆風(fēng)應(yīng)力增加了副熱帶和副極地次級(jí)環(huán)流中的Sverdrup流，這反過(guò)來(lái)又增加了西邊界流的輸運(yùn)，以及隨后的他們下游的延伸體。

本文利用18年的衛(wèi)星高度計(jì)資料分析1993年—2010年間日本以南及黑潮延伸體區(qū)海平面變化的時(shí)空特征，結(jié)合同期的風(fēng)應(yīng)力資料以及PDO指數(shù)的變化分析黑潮海平面，黑潮南部次級(jí)環(huán)流和黑潮大彎曲現(xiàn)象的時(shí)空變化特征。

2 數(shù)據(jù)和分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用的高度計(jì)資料是法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）的衛(wèi)星海洋存檔數(shù)據(jù)中心（AVISO）提供的SSHA資料，該資料融合了T/P及其后繼衛(wèi)星Janson1和ERS-1/2的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了儀器誤差、環(huán)境干擾、海況誤差、潮汐干擾和反變氣壓計(jì)影響等因素的校正[8]。該資料的空間為1/3°×1/3°的墨卡托投影網(wǎng)格，數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為7 d。風(fēng)應(yīng)力資料采用的是NCEP的再分析資料中的月平均的經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和緯向風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2.2 主要分析方法

2.2.1 EOF分析

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分析方法是分析大氣、海洋等物理過(guò)程的有用方法。它通過(guò)線性正交變換對(duì)海洋要素場(chǎng)進(jìn)行壓縮，提取運(yùn)動(dòng)變化的主成分，也就是把多空間點(diǎn)的時(shí)間序列數(shù)組分解成一系列相互獨(dú)立的經(jīng)驗(yàn)正交模態(tài),并將這些模態(tài)按照對(duì)波動(dòng)總能量貢獻(xiàn)的大小（方差貢獻(xiàn)率）進(jìn)行排序。每個(gè)EOF模態(tài)可由一個(gè)時(shí)間系數(shù)曲線和一個(gè)空間分布矩陣來(lái)描述[9]。在本文中，海面上每個(gè)空間點(diǎn)，某時(shí)刻的SSHA值就等于所在點(diǎn)的空間分布值與該時(shí)刻的時(shí)間系數(shù)的乘積。

2.2.1 小波分析

與Fourier變換相比，小波變換是時(shí)間和頻率的局部化分析，它通過(guò)伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，最終達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分，能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求，從而可聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，解決了Fourier變換的困難問(wèn)題。本文中用到的小波是Morlet小波，其小波函數(shù)是小波變換的公式是

經(jīng)過(guò)小波變換可以得到時(shí)間-頻率-能量的三維分布圖，可以分析時(shí)間序列不同頻率上的能量分布，也可以分析不同頻率能量的在時(shí)間上的突變。

3 結(jié)果分析

3.1 海平面異常EOF分析

由于主要是研究黑潮的季節(jié)變化和年際變化，所以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了低通濾波，濾去了60天以下的高頻分量。對(duì)18年的高度計(jì)資料經(jīng)過(guò)EOF分解，得到了日本以南及黑潮延伸體區(qū)SSHA變化的空間分布和時(shí)間系數(shù)曲線。分解得到的前三個(gè)典型場(chǎng)對(duì)原始場(chǎng)的方差貢獻(xiàn)率達(dá)46.9%（見表1），基本代表了原始場(chǎng)的主要特征。同時(shí)，為了對(duì)獲取的時(shí)間系數(shù)曲線的周期和能量進(jìn)行分析，對(duì)EOF分解得到的每個(gè)時(shí)間曲線進(jìn)行了小波變換分析。

表1 5個(gè)典型場(chǎng)的貢獻(xiàn)率

圖1a和圖1b分別是EOF分解得到的第一模態(tài)的空間分布圖和時(shí)間系數(shù)曲線，圖1c是其時(shí)間系數(shù)的小波分析譜。第一模態(tài)的解釋方差是24.9%，其空間分布的主要特征是整個(gè)日本以南及黑潮延伸體區(qū)的SSHA呈緯向的帶狀分布，存在一個(gè)正的大值中心，位于（33°—35°N，144°—146°E），而在中心往北大約（36°N，147°E）的位置是一個(gè)較弱的負(fù)值中心，整個(gè)海區(qū)除了負(fù)值中心外基本均為正值，反映了整個(gè)海區(qū)海面高度隨季節(jié)的同步漲落。這些結(jié)果都與文獻(xiàn)[2]的結(jié)果相同。再看其時(shí)間系數(shù)曲線主要呈季節(jié)變化，存在年變化周期，但也受到年際變化的影響。小波分析的結(jié)果顯示第一模態(tài)的顯著周期和第一峰值都在圖1a周期。結(jié)合空間分布和時(shí)間曲線以及小波分析的結(jié)果，每年的海平面低值區(qū)出現(xiàn)在春季，高值區(qū)出現(xiàn)在秋季，這與南海海平面異常的季節(jié)變化特征相似[2,9-12]。

圖1 海平面異常EOF1

另外，從小波分析圖1c上可以看出，第二峰值的周期約為6—8年，但并未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，表明第一模態(tài)主要是季節(jié)模態(tài)，同時(shí)受到了年際信號(hào)的影響。從圖1b的低通濾波得到的6年以上的分量可以看出EOF1的時(shí)間曲線整體呈上升趨勢(shì)，結(jié)合空間分布的正相位可以得出海平面異常整體呈上升趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在1996和1997年，1998年后持續(xù)上升，2006年后下降，而在2008年后又持續(xù)上升，在2010年底出現(xiàn)最高值。這和Qiu[13]對(duì)黑潮延伸體區(qū)的海平面高度異常的分析結(jié)果基本吻合。

影響海平面變化的因素主要包括海水體積的變化（溫鹽變化引起的比容海平面變化、蒸發(fā)降水引起的凈體積變化等），海水質(zhì)量變化（冰融化等），動(dòng)力學(xué)因素（局地風(fēng)應(yīng)力Ekman抽吸、Rossby波傳播等）等。而引起季節(jié)變化的主要是比容海平面變化和風(fēng)應(yīng)力旋度的季節(jié)變化。在3.2節(jié)中將要討論風(fēng)應(yīng)力旋度與海平面季節(jié)變化的關(guān)系。

EOF第二模態(tài)的空間分布和時(shí)間系數(shù)曲線，以及相應(yīng)的小波分析譜見圖2，它包含海面高度異?？偰芰康?2.2%。第二模態(tài)的空間分布的主要特征是日本本州島以東海域（32°—38°N，140°—154°E）存在正負(fù)相間的“三核結(jié)構(gòu)”[2]，這幾個(gè)渦旋的尺度較大，在5—6個(gè)經(jīng)度左右，而且有8—10年的變化周期（見圖2c）。Qiu[14]指出該區(qū)域（32°—34°N，143°—146°E）經(jīng)常存在一個(gè)較大的反氣旋式次級(jí)環(huán)流，并通過(guò)模式[15]得到它的周期約在10年左右。因此第二模態(tài)主要是反映了黑潮延伸體南部的次級(jí)環(huán)流的變化。

圖2 海平面異常EOF2

根據(jù)Imawaki[16]等利用T/P資料計(jì)算了日本以南黑潮和黑潮再循環(huán)流的流量，提出了在跨黑潮的海平面高度差與錨定浮標(biāo)觀測(cè)的流之間有極高的相關(guān)，也就是說(shuō)可以用黑潮兩側(cè)的高度差δh來(lái)代表黑潮的相對(duì)流量。因此第二模態(tài)同時(shí)也反映了當(dāng)黑潮延伸體南側(cè)的反氣旋式次級(jí)環(huán)流的強(qiáng)度加強(qiáng)時(shí)，黑潮延伸體區(qū)域的流量增強(qiáng)，而當(dāng)次級(jí)環(huán)流減弱時(shí)，黑潮延伸體區(qū)域的流量減弱。

由于第二模態(tài)的顯著周期中有8—10的成分，所以有必要考察太平洋十年濤動(dòng)（PDO）指數(shù)和第二模態(tài)的時(shí)間曲線之間的關(guān)系。計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)結(jié)果顯示，海平面第二模態(tài)滯后PDO達(dá)到41個(gè)月時(shí)，二者的相關(guān)系數(shù)最大值為-0.73。這表明黑潮延伸體區(qū)南側(cè)的次級(jí)環(huán)流的變化與PDO變化呈負(fù)相關(guān)。副熱帶環(huán)流北部（40°N，170°W）是PDO的振蕩中心之一，這一區(qū)域的海氣相互作用極為明顯。許多文獻(xiàn)[15,17-18]指出這一中心附近也是大尺度的海面風(fēng)應(yīng)力旋度強(qiáng)迫最大的區(qū)域。因此風(fēng)應(yīng)力可能是產(chǎn)生調(diào)節(jié)延伸體南部次級(jí)環(huán)流強(qiáng)度信號(hào)的一個(gè)原因。在3.2節(jié)中將進(jìn)一步研究風(fēng)應(yīng)力旋度與次級(jí)環(huán)流的關(guān)系。

圖3 PDO時(shí)間曲線(a)及其與第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)分析圖(b)

EOF3模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率是9.8%，它的空間分布和時(shí)間曲線見圖4。EOF3的空間分布的顯著特征是日本以南大約（32°—33°N，138°—140°E）出現(xiàn)的正值區(qū)，和它附近的（30°N，136°E）一個(gè)相對(duì)較弱的負(fù)值區(qū)，另外在黑潮延伸體區(qū)域出現(xiàn)數(shù)個(gè)正負(fù)相間的高異常值區(qū)，其中最明顯的是（35°N，144°E）和（33.5°N，144°E）的兩個(gè)正負(fù)相對(duì)的區(qū)域。該模態(tài)的分析結(jié)果與潘家祎等[1]利用Geosat數(shù)據(jù)EOF分解的第一模態(tài)類似。

圖4 海平面異常EOF3

圖4c對(duì)EOF3時(shí)間系數(shù)的小波分析顯示，第三模態(tài)的顯著周期是2—4年，過(guò)去的研究結(jié)果[19]指出黑潮的大彎曲具有準(zhǔn)3.5年及7—9年的振蕩周期。根據(jù)日本氣象廳的報(bào)告數(shù)據(jù)得到的黑潮主軸變化（見圖4b紅色虛線），可以看出1993年，2000—2001年，2004—2005年，2007年及2009年黑潮主軸都發(fā)生了較大的彎曲，這與EOF3的時(shí)間曲線正好吻合。從圖5a可以看出EOF3與黑潮主軸位置變化存在正相關(guān)，正相關(guān)系數(shù)最大達(dá)到了0.664。因此EOF3可以表征黑潮主軸在日本南部彎曲的出現(xiàn)和結(jié)束。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證EOF3模態(tài)對(duì)黑潮彎曲模態(tài)的指示性，對(duì)海平面異常場(chǎng)沿138°E得到時(shí)間-緯度剖面（見圖5b）的分析發(fā)現(xiàn)氣旋渦在32°N以南出現(xiàn)時(shí)，圖4b的黑潮主軸發(fā)生彎曲，并且氣旋渦的強(qiáng)度越大，位置越靠南則黑潮彎曲的程度越大。這表明日本南部的一對(duì)氣旋和反氣旋渦可以表征黑潮彎曲模態(tài)的形成。這和孫湘平[20]等人根據(jù)水文觀測(cè)資料得到的結(jié)果相同。當(dāng)彎曲發(fā)生時(shí)，也就是當(dāng)EOF3的時(shí)間系數(shù)是負(fù)值時(shí)，日本南部的正值區(qū)出現(xiàn)的是氣旋渦，負(fù)值區(qū)出現(xiàn)的是反氣旋渦，黑潮處于彎曲模態(tài)；而當(dāng)時(shí)間系數(shù)處于正值時(shí)，彎曲結(jié)束。

圖5 EOF3與黑潮主軸的相關(guān)分析圖(a)和SLA沿138°E的時(shí)間-緯度剖面圖(b)

根據(jù)Imawaki[16]的結(jié)論，EOF3中延伸體區(qū)域的兩個(gè)正負(fù)值中心反映了在黑潮發(fā)生彎曲時(shí)，延伸體區(qū)域的流速變化。因?yàn)镾LA負(fù)值區(qū)在正值區(qū)以南，所以黑潮大彎曲成長(zhǎng)的時(shí)候，延伸體內(nèi)彎曲增加，流速較弱；而當(dāng)黑潮大彎曲消失時(shí)，延伸體的彎曲減弱，流速增強(qiáng)。

3.2 風(fēng)對(duì)海平面異常的影響

在對(duì)海平面異常的EOF第一模態(tài)的時(shí)間曲線分析中我們發(fā)現(xiàn)海平面的季節(jié)變化特征與南海海平面的季節(jié)變化類似，而南海的海平面與季風(fēng)有著很大關(guān)系；第二模態(tài)中的低頻信號(hào)是從170°W產(chǎn)生的SSH信號(hào)西傳所致，而與北太平洋十年濤動(dòng)（PDO）有關(guān)的北太平洋表面風(fēng)應(yīng)力變化的活動(dòng)中心在大約160°W[15]。因此有必要研究風(fēng)場(chǎng)對(duì)黑潮延伸體區(qū)的海平面異常的季節(jié)和年代際變化的影響。

圖6和圖7分別是根據(jù)NCEP提供的月均風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)求得的北太平洋風(fēng)應(yīng)力旋度異常的EOF第一模態(tài)和第二模態(tài)。其中第一模態(tài)是典型的季節(jié)模態(tài)，占總方差的49%。第一模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)出明顯的緯向分布特征，中緯度海域?yàn)樨?fù)位相，低緯度海域?yàn)檎幌?。比較圖6a和圖1a后發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力旋度第一模態(tài)的空間分布和海平面異常第一模態(tài)的空間分布基本成負(fù)相關(guān)性。再觀察二者的時(shí)間系數(shù)曲線（見圖6b），發(fā)現(xiàn)二者的季節(jié)變化周期相似。計(jì)算得到二者的相關(guān)系數(shù)表明當(dāng)風(fēng)應(yīng)力旋度提前海平面3個(gè)月時(shí)，二者的相關(guān)系數(shù)最大為0.65（見圖6c）。因此整個(gè)北太平洋風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)變化對(duì)黑潮延伸體區(qū)域海平面的季節(jié)變化有重要影響。風(fēng)場(chǎng)通過(guò)Rossby波的西傳對(duì)海平面的季節(jié)變化產(chǎn)生影響，負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度引起垂直向下的Ekman抽吸，從而引起海水輻聚，導(dǎo)致了海面高度上升；相反地，正的風(fēng)應(yīng)力旋度引起垂直向上的Ekman抽吸，引起海水的輻散，從而導(dǎo)致海面高度下降。

圖7 風(fēng)應(yīng)力旋度EOF2

在分析海面高度異常第二模態(tài)的時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)次級(jí)環(huán)流強(qiáng)度的變化具有8—10年的周期，并且和PDO的周期具有相關(guān)性。為了進(jìn)一步研究引起次級(jí)環(huán)流強(qiáng)度變化的可能原因，以下對(duì)風(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖7是風(fēng)應(yīng)力旋度的第二模態(tài)。從圖7a的空間分布中可以明顯地看出，正值中心位于160°E—160°W的區(qū)域，這也就是Miller[17]，Deser[18]和Qiu[15]等人在研究中指出的北太平洋東部表面風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫幅度最大的地方。從圖7b的風(fēng)應(yīng)力旋度異常的低頻分量（黑色實(shí)線）可以明顯地看出在1997年底和2007年異常從正相位切換到負(fù)相位，而在2002年初從負(fù)相位切換到正相位，這與圖3a中的PDO相位切換的時(shí)間基本吻合。這就表明了風(fēng)應(yīng)力旋度第二模態(tài)與PDO有關(guān)。

因?yàn)楸碧窖蟊砻骘L(fēng)應(yīng)力場(chǎng)變化的中心在170°W附近，所以為了研究風(fēng)應(yīng)力旋度強(qiáng)迫與黑潮延伸體區(qū)域海面高度變化的關(guān)系，我們沿著黑潮延伸體主軸南側(cè)的32°—34°N和北側(cè)的37°—38°N得到海平面異常關(guān)于時(shí)間-經(jīng)度的剖面圖。從圖8能發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)緯度帶的信號(hào)雖然在傳播過(guò)程中幅度有變化，但是在緯度帶西側(cè)的大部分的年際SSH信號(hào)都能追溯到170°W附近，也即海面風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫最大的地方。注意到在洋盆東部，這兩個(gè)緯度帶受風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫的SSH異?；旧险?fù)符號(hào)相同。比如，170°W附近，在1998—1999年間兩個(gè)緯度帶的SSH異常都從負(fù)變?yōu)檎?，而?003—2004年又從正變?yōu)樨?fù)。北太平洋東部的SSH變換是對(duì)局地風(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)的直接響應(yīng)（見圖8），正的風(fēng)應(yīng)力旋度異常引起海平面下降，負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度異常引起海平面上升。但是在洋盆西部SSH信號(hào)不再有相同的符號(hào)，這可能是由于斜壓羅斯貝波在兩個(gè)緯度帶所具有的不同的傳播速度造成的。比較圖8a和圖8b不難發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體南側(cè)和北側(cè)的SSH信號(hào)傳播速度有明顯差異，南側(cè)的速度比北側(cè)的更快。當(dāng)風(fēng)應(yīng)力旋度異常切換后，在170°W產(chǎn)生的與之前相反的SSH信號(hào)以不同速度在南北兩側(cè)傳播；由于南側(cè)的信號(hào)傳播的更快，所以在西邊界追上了之前的北側(cè)傳播的切換前信號(hào)，這樣使得穿過(guò)延伸體的δh產(chǎn)生較大的變化。這可能是次級(jí)環(huán)流強(qiáng)度變化影響黑潮流量變化的一個(gè)原因。

圖8 SLA沿32°—33°N(a)和38°—39°N(b)的時(shí)間-經(jīng)度剖面圖及風(fēng)應(yīng)力旋度第二模態(tài)的低頻分量(c)

結(jié)合對(duì)次級(jí)環(huán)流區(qū)域SSH信號(hào)傳播的分析，以及引言中提到的Miller和Deser等人提出的斜壓羅斯貝波從北太平洋東部傳播到西邊界流的時(shí)間，我們不難得出以下結(jié)論：（1）黑潮延伸體南部次級(jí)環(huán)流的8—10年的年代際變化與PDO有關(guān)，同時(shí)它又與風(fēng)應(yīng)力旋度第二模態(tài)有關(guān)；（2）該海域的海面高度受到北太平洋東部SSH信號(hào)西傳的影響，信號(hào)的傳播需要大約3—4年時(shí)間，這是斜壓Rossby波從它們激發(fā)的北太平洋東部區(qū)域傳播到太平洋洋盆的西邊界所需要的海洋調(diào)整時(shí)間；（3）SSH信號(hào)向西傳播的速度在黑潮兩側(cè)有很大不同，南側(cè)的速度比北側(cè)更快，這引起穿過(guò)黑潮的δh年際變化。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)日本以南及黑潮延伸體區(qū)域的18年高度計(jì)資料的EOF分析，并結(jié)合NCEP的風(fēng)應(yīng)力資料以及PDO數(shù)據(jù)，我們研究了西北太平洋的黑潮及延伸體區(qū)域海面高度的空間分布和時(shí)間變化。通過(guò)EOF分析并結(jié)合小波變換譜我們發(fā)現(xiàn)：

（1）日本以南及黑潮延伸體區(qū)域的海平面異常整體呈上升趨勢(shì)，EOF第一模態(tài)是季節(jié)模態(tài)，空間分布的主要特征是整個(gè)日本以南及黑潮延伸體區(qū)的SSHA呈緯向的帶狀分布，存在一個(gè)負(fù)的大值中心。小波譜顯示的顯著性周期是1年，春季海平面異常值較低，秋季海平面異常值較高，與南海類似；

（2）EOF第二模態(tài)主要反映了黑潮南部次級(jí)環(huán)流的變化情況。第二模態(tài)的空間分布的主要特征是日本本州島以東海域存在正負(fù)相間的“三核結(jié)構(gòu)”。小波譜顯示次級(jí)環(huán)流的最顯著性周期是8—10年，與PDO的振蕩周期較為接近。利用沿32.4°N和38.1°N的SLA時(shí)間-經(jīng)度剖面研究黑潮延伸體南北兩側(cè)渦的傳播后發(fā)現(xiàn)，SSH信號(hào)來(lái)自于北太平洋東部日際線到170°W產(chǎn)生的海面高度異常的西傳，這表明次級(jí)環(huán)流的強(qiáng)度變化和PDO可能有關(guān)；

（3）EOF第三模態(tài)是黑潮彎曲模態(tài)。這一模態(tài)的空間分布的特征是日本南部區(qū)域出現(xiàn)的一對(duì)較大的氣旋渦和反氣旋渦，小波譜的結(jié)果顯示顯著性周期是2年和4—5年，這與水文觀測(cè)資料得到的黑潮大彎曲振蕩周期接近。通過(guò)與日本氣象廳的黑潮主軸位置數(shù)據(jù)比較后發(fā)現(xiàn)，第三模態(tài)的氣旋渦和反氣旋渦可以表征黑潮彎曲的形成，而且彎曲強(qiáng)度和氣旋、反氣旋渦的持續(xù)時(shí)間，強(qiáng)度，位置有關(guān)。黑潮大彎曲成長(zhǎng)的時(shí)候，延伸體內(nèi)的彎曲增加，流速較弱；而當(dāng)黑潮大彎曲消失時(shí)，延伸體的彎曲減弱，流速增強(qiáng)。

為了研究風(fēng)場(chǎng)與海平面異常的關(guān)系，尤其是風(fēng)場(chǎng)與黑潮南部次級(jí)環(huán)流的變化關(guān)系，我們對(duì)北太平洋海區(qū)的風(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)也進(jìn)行了EOF分析。EOF分析的第一模態(tài)呈現(xiàn)出與海平面異常類似的空間分布和時(shí)間周期，與延伸體區(qū)域海平面異常EOF1的相關(guān)系數(shù)在高度場(chǎng)滯后風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)3個(gè)月時(shí)達(dá)到最大的0.82。這表明整個(gè)北太平洋風(fēng)應(yīng)力的季節(jié)變化對(duì)黑潮延伸體區(qū)域海平面的季節(jié)變化有重要影響。

風(fēng)應(yīng)力旋度的第二模態(tài)與PDO有關(guān)。通過(guò)分析風(fēng)應(yīng)力旋度第二模態(tài)的時(shí)間曲線和海平面異常第二模態(tài)時(shí)間曲線以及PDO指數(shù)的關(guān)系我們發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體南部次級(jí)環(huán)流的年代際變化與PDO有關(guān)，同時(shí)它又與風(fēng)應(yīng)力旋度第二模態(tài)有關(guān)；該海域的海面高度受到北太平洋東部SSH信號(hào)西傳的影響，信號(hào)的傳播需要大約3年半到4年時(shí)間。黑潮延伸體南側(cè)和北側(cè)的SSH信號(hào)傳播速度有明顯差異，南側(cè)的速度比北側(cè)的更快，這樣使得穿過(guò)延伸體的δh產(chǎn)生較大的變化。這可能是次級(jí)環(huán)流強(qiáng)度變化影響黑潮流量變化的一個(gè)原因。

由于本文并未對(duì)黑潮流量與次級(jí)環(huán)流的變化進(jìn)行深入討論，因此黑潮彎曲與次級(jí)環(huán)流是否有關(guān)，以及黑潮延伸體區(qū)域流量的年代際變化還需要通過(guò)進(jìn)一步的研究來(lái)回答這些問(wèn)題。

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Spatial and temporal variability of the sea level anomalies and mesoscale eddies in the region of the Kuroshio Extension

PAN Feng1，ZHANG You-Guang2，LIN Ming-Sen2
(1.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China；2.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081 China)

Based on the satellite altimeter data from 1993 to 2010,the temporal and spatial variations of the sea level anomalies and mesoscale eddies in the region of the Kuroshio Extension has been studied by EOF and wavelet spectrums analysis.The result of EOF analysis is as following：the first EOF mode of the sea level is a seasonal mode,which indicates that it tends to increase in the total region.Compared to the first EOF mode of the wind stress curl,it is found that the spatial and temporal variability is similar,and the correlation is high.It can be concluded that the wind stress plays a key role in the seasonal variations of the sea level in the Kuroshio Extension.The second EOF mode of the SLA shows the variation of the southern sub-circulation gyre,whose significant cycle is 8-10 years.It is suggested that the decadal variation of the southern sub-circulation gyre is associated with the PDO.It is also found that the decadal modulation needs 4 years oceanic adjustment time for the baroclinic Rossby waves propagating from the eastern North Pacific to the Kuroshio.The third EOF mode of the SLA reveals the meandering state of the Kuroshio.The cyclonic and anti-cyclonic eddies in the south of Japan can characterize the formation of the meandering state of the Kuroshio,and the strength of the meandering state is related to the duration time,intensity and locations of the eddies.

Kuroshio Extension;sea level anomaly;mesoscale eddy;wind stress curl;sub-circulation gyre

book=327,ebook=327

P731

：A

：1003-0239（2012）05-0029-10

2011-11-11

潘豐(1985-),男,碩士研究生,主要從事高度計(jì)應(yīng)用于中尺度渦和海平面變化的研究。E-mail:panfeng291@126.com