Nino2、3區(qū)的大洋科考船測氣象海浪特征分析

黎舸，江崇波，郭可彩，商杰，朱文武

(1.中國海洋大學，青島266000；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災減災重點實驗室，青島266033)

1 引言

Nino2 區(qū)（0°—5°S，90°—80°W）和Nino3 區(qū)（5°N—5°S，150°—90°W）所在的熱帶東太平洋海域是研究熱帶大洋水氣溫變化的重要海區(qū)（見圖1 為Nino2 區(qū),Nino3 區(qū)的位置示意圖），國內(nèi)多年來在ENSO 診斷預測業(yè)務中也以上述海區(qū)的資料為主。胡桂芳等[1]的研究表明，Nino3區(qū)水溫的顯著升溫可導致次年春季副高偏強和東亞大槽偏弱，進而影響我國氣候。朱廣斌等[2]對1871年以來Nino3區(qū)的海面溫度異常時間序列的小波功率譜分析進一步驗證了與ENSO 現(xiàn)象發(fā)生時間的吻合。張立峰等[3]和杜華棟等[4]分別通過對太平洋次表層海溫距平資料的EOF時空分解,分析了ENSO循環(huán)的平均周期，驗證了ElNino的模態(tài)的時間系數(shù)與Nino3指數(shù)有很好的同時相關。王彰貴等[5]描述了厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生前熱帶太平洋海洋與氣象要素異常的特征。近年來對這一海域的水溫資料分析主要利用MODIS 等各類水色衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以及中國國家氣象局、英國氣象局（UKMO）和美國氣象預報中心（CPC）等的海面溫度資料。如范海燕等[6]利用TeraScan系統(tǒng)反演了NOAA/AVHRR 衛(wèi)星西北太平洋海表溫度的過程，王其茂等[7]利用云檢測方法分析了“海洋一號”（HY-1）衛(wèi)星數(shù)據(jù)海面溫度，董曉軍等[8]利用TOPEX衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了厄爾尼諾事件期間海面高度的變化。隨著上述水色衛(wèi)星資料和衛(wèi)星高度計資料的大量使用，在這一海域的船測氣象與海浪的資料逐漸減少，對于船測資料與衛(wèi)星資料對比分析的研究也顯得更為寶貴。劉慧等[9]利用大洋漁船在智利外海觀測的風場資料與QuikSCAT 10 m 散射風資料進行了比較分析，顯示船測風速總體上高于QuikSCAT風速。

2011年8月10日—9月4日，中國大洋科考第22 航次第七航段調(diào)查共在赤道東太平洋獲取觀測數(shù)據(jù)916組。8月15—31日在洋中脊海域（4.5°—7°S，105°W）開展氣象與海浪調(diào)查，該海域位于Nino3區(qū)東南部邊緣。8月10—14日，以及9月1—4日分兩個階段在加拉帕戈斯群島以南海域(以下簡稱“群島以南海域”，范圍為3°—4.5°S，81°—105°W)的往返航行中開展走航調(diào)查，該海域主要在Nino2 區(qū)內(nèi)。觀測要素主要為海面能見度、天氣現(xiàn)象、云、風、氣溫、氣壓、相對濕度、海浪、海水表層溫度等。在觀測項目中，風、氣溫、濕度、氣壓使用XZC6-1型船舶自動測報系統(tǒng)進行觀測；表層水溫使用SWL1-1型表層水溫表進行觀測。本文對上述觀測資料進行特征分析，進而獲取這一時期上述海區(qū)的海洋環(huán)境特征。

圖1 Nino各分區(qū)位置示意圖（圖片源于NCC）

2 調(diào)查海域氣候背景

2010年4月開始的拉尼娜現(xiàn)象于2011年4月結(jié)束后，水色衛(wèi)星獲取的資料顯示[10]，5—7月赤道東太平洋海表溫度整體上呈現(xiàn)接近正常的狀態(tài)。進入8月以后海表溫度負距平又開始逐步加強，負距平中心值低于-1.0℃。8月份NINO 1+2、NINO 3、NINO 4、NINO 3.4和NINO Z區(qū)海溫距平指數(shù)分別為-0.2℃、-0.4℃、-0.2℃、-0.5℃和-0.3℃，分別較7月下降了0.5℃、0.4℃、0.1℃、0.4℃和0.3℃。圖2 為根據(jù)NOAA 數(shù)據(jù)繪制的2011年8月赤道東太平洋月平均海表溫度（左）及距平（右）（統(tǒng)計年限1979—1998年）（℃）。由圖可見，調(diào)查海區(qū)正處于低溫水舌與高溫水舌過渡區(qū)，表層海溫總體為南高北低，與東南太平洋表層海溫北高南低的總體分布特征相反。距平圖顯示，受秘魯寒流影響的南美洲西岸近海的表層海溫較常年偏低，這與5°S 以南海域和赤道以北海域呈現(xiàn)出的表層海溫正距平形成了鮮明對比。

圖2 2011年8月赤道東太平洋月平均表層海溫（a）及距平（b）（單位/℃）

圖3 2011年8月赤道東太平洋月平均海面風速風向圖（a）與距平圖（b）（單位/(m/s)）

圖4 2011年8月赤道東太平洋月平均海面氣溫分布圖（a）與距平圖（b）（單位/℃）

圖5 2011年8月赤道東太平洋海平面氣壓月平均分布圖（a）與距平圖（b）（單位/hPa）

圖6 能見度統(tǒng)計圖（單位/km)

圖7 氣溫變化圖

圖8 表層海溫時間變化圖（a）和表層海溫空間分布圖（b）

圖9 海面氣壓變化圖

圖10 風速日變化圖

根據(jù)國家氣候中心（NCC）的監(jiān)測結(jié)果[10]，9月，赤道中、東太平洋表層海溫大范圍偏低0.5℃，NINO Z 達到-0.6℃，表明赤道東太平洋已進入拉尼娜狀態(tài)（Nino z指數(shù)≤-0.5℃）。10月赤道中、東太平洋海表溫度進一步變冷，NINO Z 為-0.7℃。由此可見，2011年8月是進入這一次拉尼娜現(xiàn)象的第一個月，在這一典型階段的船測資料是非常珍貴的。

根據(jù)2011年8月衛(wèi)星高度計提供的海面風速風向月平均數(shù)據(jù)分析，洋中脊海區(qū)風向以東南向為主，平均風速接近10 m/s。根據(jù)1979—1998年同期數(shù)據(jù)分析，平均風速較之偏高大約3 m/s，偏大的原因主要受副熱帶高壓東緣的東南信風異常偏大的影響。而東南信風偏強更易使表層海水向西偏離海岸，使中下層更冷的海水上泛到海面，進而降低海水表層溫度。這與前文提到的秘魯寒流影響海域的表層海溫較常年偏低的結(jié)果相一致。

根據(jù)圖5 海面氣溫數(shù)據(jù)分析，洋中脊海區(qū)氣溫南低北高。同時，南美洲西岸近海受秘魯寒流影響海域的海面氣溫要明顯低于同緯度海域，這是因為低溫的海面使越經(jīng)的氣團所吸收的水汽有限，同時也使氣團下層氣溫降低。根據(jù)1979—1998年同期數(shù)據(jù)對比分析，赤道東太平洋大部海域平均海面氣溫均較常年偏低0.5°—1.5℃，氣溫負距平中心的位置主要在副熱帶高壓北緣。圖6顯示副高西部海域的海平面氣壓呈現(xiàn)正距平，副高偏強是造成其東緣（南美洲西海岸）東南信風的異常偏強的一個主要原因。

3 基于船測數(shù)據(jù)的氣象與海浪概況

調(diào)查期間影響Nino2、3區(qū)海域的主要天氣系統(tǒng)為東南太平洋副熱帶高壓系統(tǒng)，氣象與海浪狀況主要由副高北緣的東南信風的強弱決定。赤道東太平洋海域能見度良好，調(diào)查期間能見度超過20 km的觀測次數(shù)占近70%（見圖7）。

在洋中脊海區(qū)的的調(diào)查期間由于其地理位置位于副高北部邊緣，調(diào)查期間信風時有加強,東南向風和涌浪較大，海況總體較差。天氣狀況主要以少云和多云天氣為主。平均風速10.0 m/s，1/3以上觀測時次風速在6 級及以上。平均有效風浪波高為1.1 m，最大有效風浪波高為1.3 m；平均有效涌浪波高為2.6 m，最大有效涌浪波高為3.0 m。風浪和涌浪波高最大值出現(xiàn)在8月19—20日。氣溫、相對濕度、氣壓和表層水溫的變化幅度均較小。

群島以南海域位于副高東北部邊緣，這一區(qū)域的觀測分為兩階段，第一階段為8月10—14日，這期間天氣形勢較為穩(wěn)定，天氣系統(tǒng)較弱，主要以少云和多云天氣為主。風力最大5級，最小3級，平均風速7.6 m/s，最大風速10.5 m/s。平均有效風浪波高為1.1 m，最大風浪波高為1.2 m；平均有效涌浪波高為1.6 m，最大涌浪波高為2.0 m。第二階段為9月1—4日，這一階段由于副高東北邊緣的東南信風強度維持增強，調(diào)查海區(qū)風速總體較高且涌浪較大。風力最大6級，最小5級。平均風速10.5 m/s，最大風速為11.4 m/s。平均有效風浪高為1.0 m，最大風浪高為1.2 m；平均有效涌浪高為2.5 m。第二階段由于觀測站點從深海向秘魯寒流控制的近岸海域分布，因此氣溫、水溫也呈逐漸下降的趨勢，平均氣溫為22.7 ℃，平均表層海水溫度為24.4 ℃。表1是對洋中脊海區(qū)和群島以南海區(qū)調(diào)查的氣象、海浪要素資料平均狀況的分析結(jié)果。

表1 氣象與海浪觀測資料平均值統(tǒng)計表

圖11 風向散點分布圖（a）及風向頻率玫瑰圖（b）

4 基于船測數(shù)據(jù)的氣象數(shù)據(jù)時間變化特征

分析洋中脊海域和群島以南海域氣象與海洋要素的時間變化特征。洋中脊海區(qū)的氣溫穩(wěn)定分布在24.0 ℃附近，最低氣溫22.7 ℃，最高氣溫24.6 ℃。8月28—29日受局地對流天氣影響，氣溫有小幅下降。群島以南海域的氣溫較洋中脊海區(qū)明顯偏低，第一階段最低氣溫19.4 ℃，最高氣溫23.8 ℃；第二階段最低氣溫21.6 ℃，最高氣溫23.9 ℃，8月11日和9月4日位于受秘魯寒流影響的海域，其氣溫也在水溫影響下明顯降低。

表層海溫分布在24°—25℃之間，8月23日之后表層海溫較前期總體略有升高。群島以南海域的表層海溫與氣溫變化趨勢較為一致，在航行至寒流控制海域時表層海溫下降明顯。調(diào)查海域內(nèi)表層海溫均較氣溫偏高。利用船測表層海溫數(shù)據(jù)，使用普通克里格插值方法繪制表層海溫空間分布等值線圖（見圖9 右），清晰顯示了低溫水舌由北向南延伸，SST 總體分布呈現(xiàn)北低南高的特征。這與本文氣候背景分析中水色衛(wèi)星的解譯結(jié)果一致。

由于影響海區(qū)的天氣系統(tǒng)穩(wěn)定，因此海面氣壓穩(wěn)定分布在1010.0—1017.0 hPa 之間。氣壓值的分布顯示出明顯的日變化規(guī)律，上午18時（世界時）和夜間06 時（世界時）的氣壓相差不大且明顯偏高于其他時次,而清晨12時（世界時）的氣壓均偏低于上午和夜間約2 hPa,傍晚00 時（世界時）的氣壓均為每日最低。最氣壓為1012.6 hPa，最高氣壓1016.9 hPa出現(xiàn)在9月3日06時(世界時)。

風速主要分布在8.0—11.0 m/s 之間，洋中脊海區(qū)8月16—23日風速相比較高，最大值為15.3 m/s。在Nino2 區(qū)海域內(nèi)8月13日前后風速相比較低，曾一度下降至5.0 m/s附近（見圖11）。

風向分布分析結(jié)果顯示（見圖12），海面風向大部分布于110°—150°之間，以東南向風為主，這與調(diào)查海區(qū)的天氣系統(tǒng)穩(wěn)定密切相關。

5 討論

根據(jù)本文對赤道東太平洋調(diào)查海區(qū)的氣象與海洋要素的特征分析，有以下幾點討論結(jié)果：

（1）洋中脊海區(qū)的氣溫穩(wěn)定分布在24.0℃附近。群島以南海域的氣溫較洋中脊海區(qū)明顯偏低，其最低氣溫可低至19.4℃。洋中脊海區(qū)的表層海溫分布在24°—25℃之間，船測資料的分析結(jié)果顯示低溫水舌由北向南延伸，這與水色衛(wèi)星的分析結(jié)果一致，再次驗證了目前的衛(wèi)星遙感方式的可行性。8月23日之后洋中脊海區(qū)水溫較前期總體略有升高。群島以南海域的表層水溫與氣溫變化趨勢較為一致，表層水溫在寒流控制海域下降明顯。總體而言上述兩海域的表層水溫均較氣溫偏高；

（2）洋中脊海區(qū)的風向主要分布于110°—150°S之間，為東南向風。風向分布和海面氣壓的穩(wěn)定都體現(xiàn)了副熱帶高壓作為這一海域主要天氣系統(tǒng)的穩(wěn)定分布和持續(xù)影響；

（3）洋中脊海區(qū)位于5°S 附近，距離赤道較近，而風速資料的分布顯示超過1/3以上觀測時次的風力為6 級及以上。根據(jù)同期氣候背景分析，這一時期的東南太平洋副熱帶高壓強度偏強，造成了東南信風偏強。仲桂清[11]等的研究結(jié)果表明海水溫度的變化是對風場異常的響應。因此這一海域東南信風的持續(xù)較強分布對2011年8月開始的拉尼娜現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展的影響還有必要在今后進行更進一步的研究和分析；

對于熱帶東太平洋船測氣象與海浪資料特征分析的研究，有利于更為精準地分析Nino2 區(qū)和Nino3 區(qū)的熱帶大洋氣象狀況，對比驗證衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準確性。同時也將對洋中脊海區(qū)熱液硫化物的研究提供更多的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)支持。

[1]胡桂芳，鄒瑾、張璇.下半年Nino3區(qū)海表升溫對東亞春季大氣環(huán)流及山東春季降水的影響[J].應用氣象學報，2005，16（6）:772-774.

[2]朱廣彬，丁劍．NINO3海面溫度異常時間序列的小波分析[J]..測繪科學，2006，31（3）:33-36.

[3]張立峰,許建平,何金海.太平洋次表層海溫距平的立體EOF分析及其與ENSO的關系[J].海洋預報,2005年,22(4):27-35.

[4]杜華棟,李婧,葉志敏,等.赤道太平洋次表層海溫距平的EEOF分析及與厄爾尼諾的關系[J].海洋預報,2006,23(4):21-27.

[5]王彰貴,劉克威,陳幸榮,等.厄爾尼諾現(xiàn)象及預測現(xiàn)狀[J].海洋預報,2005,22(5):140-146.

[6]范海燕,滕軍,管磊,等.NOAA/AVHRR 衛(wèi)星海表溫度在西北太平洋的印證及分析[J].海洋預報,2009,26(2):7-14.

[7]王其茂,金振剛,孫從容.“海洋一號”(HY-1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的海面溫度反演[J].海洋預報,2003,20(3):53-59.

[8]董曉軍,黃城,鄭大偉,等.利用TOPEX 衛(wèi)星測高技術監(jiān)測1997年度El Nino過程[J].科學通報,1998,19:2062-2064.

[9]劉慧,胡松,鄒曉榮.船測資料與智利外海QuikSCAT 風場比較分析[J].遙感技術與應用，2012，27（5）.

[10]龔志強、韓榮青.ENSO 監(jiān)測簡報（第46 期中文版）[K]，國家氣候中心，2011年10月27日.

[11]仲桂清,王輝,姜斌,等.1997—1998年厄爾尼諾與相關的天氣現(xiàn)象之分析[J].海洋預報,2000,17(4):34-40.