棉蘭老隆起三維結構特征及變化規(guī)律*

徐智昕，周 慧，郭佩芳，侍茂崇

（1.中國海洋大學，山東 青島266003；2.中國科學院海洋研究所，山東 青島266071；3.國家海洋局海洋－大氣化學與全球變化重點實驗室，福建 廈門361005）

棉蘭老隆起（Mindanao Dome；MD）是指由北赤道流、棉蘭老流和北赤道逆流所構成的位于菲律賓海棉蘭老島以東一個氣旋式的再循環(huán)結構。因為MD位于熱帶西太平洋西邊界，且瀕臨熱帶西太平洋暖池，因此MD的結構特征和變異規(guī)律對于了解太平洋西邊界流的結構和變化特征以及熱量的經向輸送都非常重要。以往研究的棉蘭老冷渦（Mindanao Eddy；ME）其實是MD的西部的低溫中心，Masumoto and Yamagata［1］認識到了包含ME的這一氣旋式再循環(huán)區(qū)的整體效應，將其定義為MD并用數(shù)值模式對其季節(jié)、年際變化特征進行了研究。而在Masumoto and Yamagata之前的研究均是對于棉蘭老冷渦的研究，對這個范圍更為廣闊的氣旋式冷水區(qū)的研究較少。

Masumoto和Yamagata指出，MD在北半球冬季增強是由于與東北亞冬季季風相關的正風應力旋度增大而引起的局部上升流，在春季衰退是由于下降流的影響。這種季節(jié)變化已被很多研究證實。Tozuka等［2］利用全球海洋模式（OGCM）對MD的季節(jié)和年際變異特征進行了模擬研究。Kashino等［3］根據(jù)位于8°N，137°E；5°N，137°E；和8°N，130°E的 TRITON浮標水下傳感器數(shù)據(jù)，通過分析溫度和熱收支變化，進一步驗證了MD演變過程中的半年、一年和年際變化信號，即ENSO時間尺度上的MD區(qū)域的熱容量變化。Song等［4］利用一層半模式研究了MD區(qū)域的SSH變化并指出該區(qū)域存在顯著的0.5年、1年、2～7年和超過8年的周期變化。

由于以往的研究基于單獨的斷面觀測，關注的主要是棉蘭老冷渦且主要是表層的結構討論［5－10］，而對于MD這一更大范圍冷水區(qū)的研究，特別是其三維結構特征的研究較少。對該區(qū)域變異規(guī)律研究主要是針對棉蘭老冷渦的季節(jié)變化特征和年際變化受ENSO循環(huán)影響的討論［5，11］，鮮有其他時間尺度的討論。由于MD位于太平洋西邊界，此區(qū)域風場變化非常復雜，除與ENSO有關的風場的年際變化外，還受很強的熱帶季風及局地風場的控制。地形的復雜和氣候條件的多變性使得MD的變化異常復雜。隨著觀測手段的改進，該區(qū)域的觀測資料也越來越多。從衛(wèi)星高度計資料來看，MD是與北赤道流－棉蘭老流及北赤道逆流構成的1個氣旋式再循環(huán)結構緊密相連，其東西向尺度變化異常大，有時甚至可以達到40個經度以上。如此大范圍的冷水必然會對該區(qū)域的環(huán)流以及氣候產生重要影響。因此，本文利用近十年來構建起來的Argo剖面浮標大洋觀測網資料，來系統(tǒng)研究這一氣旋式再循環(huán)區(qū)域的三維結構以及各時間尺度的變化規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 Argo資料

文中所用的資料來自日本氣象廳（JAMSTEC）所提供的2001年1月～2009年12月間Argo全球1°×1°格點溫、鹽度資料。原始資料來源于全球Argo資料中心（GDAC）收集的約44萬條經過實時或延時質量控制的剖面資料以及該區(qū)域其他的觀測資料。在對這些資料進行了更加嚴格的質量控制（剔除了某些Argo浮標觀測存在系統(tǒng)壓力誤差的剖面以及位于邊緣?；驔]有浮標定位信息的剖面）后，又對這些剖面資料進行了鹽度漂移訂正，并剔除了鹽度值與 WGHC歷史資料（Roemmich and Gilson，2009）［12］鹽度值之差大于0.1的剖面以及觀測深度小于600m的剖面。最后對剩余的約35萬條剖面資料進行最優(yōu)插值及客觀分析得到了1°×1°全球格點溫度、鹽度資料。文中僅選用了西熱帶太平洋（15°S～15°N，120°E～140°W）的溫、鹽度剖面資料。

1.2 風場資料

本文所用的風場資料是由NOAA提供的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率為1／4°，時間間隔包括6h，日平均和11年（1995—2005）氣候態(tài)平均，數(shù)據(jù)發(fā)布時間從1987年7月至今。本文采用從2001年1月～2009年12月月平均的風速數(shù)據(jù)。

1.3 采用方法

由于MD瀕臨熱帶西太平洋暖池，表層容易收到暖池的伸展而冷信號被掩蓋，其低溫中心在次表層到中層比較顯著。作者根據(jù)資料得到西太平洋多年平均溫度場以及MD中心位置的垂直溫鹽圖，確定100m處的溫度場最能代表MD的強度。應用統(tǒng)計分析方法如相關分析和功率譜分析方法討論MD的變化機制。

2 結果分析

2.1 三維結構特征

根據(jù)Argo資料分別計算得到西太平洋各層多年平均的溫度分布和鹽度分布（見圖1，2）。

圖1 西太平洋各層多年平均溫度分布Fig.1 Annual average temperature distribution in different layers in the Western Pacific

由圖1可以看出，由于MD瀕臨西太平洋暖池，所以在表層（見圖1a）和50m（見圖1b）看不到明顯的冷水。而到了100m（見圖1c）處，由于暖池在此深度上的強度變弱，棉蘭老島東部就出現(xiàn)了明顯的低溫區(qū)域。本文以25℃等溫線包圍區(qū)域來定義MD在100m的核心位置，由該圖可看出MD呈1個東西長、南北窄的狹長形狀，中心位置大約在7.5°N，128.5°E。由圖1的a～g分圖可看出，MD的頂部位于50m層，而其底部則見于600m層。在50m層，MD中心的水溫低于28℃，比周圍低0.2～0.4℃（見圖1b），而在600m層MD中心的水溫降至6.4℃以下，比周圍低0.1～0.5℃（見圖1g）。應注意的是，在100m層MD中心的水溫低于22℃，比周圍低3℃多（見圖1c），而在200m層MD中心的水溫則降至12.5℃以下，比周圍低2℃多（見圖1d）。顯然，MD的強度并非表現(xiàn)在表層而是在次表層100～200m附近最顯著。

圖2 西太平洋各層多年平均鹽度分布Fig.2 Annual average salinity distribution in different layers in the Western Pacific

由圖2可以看出，在MD中心及其附近海域，鹽度的垂直結構比較復雜。其中，在100m層（見圖2c）鹽度偏高，約為34.7；而在200m層以下鹽度降至34.5（見圖2d～g），均比周圍低0.2～0.3。管秉賢認為，這一鹽度極小值是北太平洋中層水所固有的，它隨著棉蘭老海流進入蘇拉威西海，并遍及棉蘭老島以東、4°N～5°N以北的200～300m層水域［6］。

模式研究表明［1，13］，在熱帶西太平洋，亞洲冬季季風正的風應力旋度的增強引起的局地Ekman上升流，促使了MD的產生。圖3是128.5°E斷面處的溫度和鹽度分布。從圖3a可以看到，在4°N～9°N之間300m以淺的等溫線明顯地上凸。這是由于Ekman抽吸效應引起的下層冷水涌升所造成的。鹽度垂直分布也可以說明這一點，如圖3b所示。在4°N以北有一股低鹽水，其鹽度最小值小于34.3，從400m以深向斜上方涌升。正是由于下層低鹽水的涌升，形成了位于4°N附近的鹽度鋒面（100～300m），此外還使得4°N以北的鹽度躍層（中心位置在50m附近）比4°N以南的淺，且垂直梯度也大得多。在該鹽度鋒面的南側為來自東南方向的高鹽水南太平洋熱帶水（SPTW），其核心附近的最大鹽度值為34.9，該水團由新幾內亞沿岸潛流（NGCUC）攜帶，沿著巴布亞新幾內亞沿岸向 W－NW方向流動跨越赤道進入北太平洋。對照圖3中溫度和鹽度斷面在4°N～10°N附近出現(xiàn)明顯的等溫線和等鹽線抬升的現(xiàn)象，表明MD的低溫低鹽特征是一致的。另外，從圖3b還可以看到北太平洋中層水（NPIW）在MD中的強烈涌升現(xiàn)象，該水團沿著26.8等密度面經過北太平洋副熱帶環(huán)流的下潛過程可以到達西邊界流區(qū)域。在15°N附近其鹽度為34.2，深度在500m，在其到達低緯度區(qū)域逐步抬升至400m，鹽度也因為混合效應達到34.4～34.5。但是從圖3b可以看到在 MD核心位置，由于劇烈的涌升，34.5鹽度等值線抬升到了200m，相對于其他位置平均的500m深度抬升了300m左右。

綜上所述，MD的強弱變化對局地溫鹽結構的形態(tài)有著非常顯著的影響。當MD強盛時，深層低鹽冷水向上涌升增強，溫躍層深度變淺，上混合層厚度變薄；反之當MD較弱時，深層低鹽冷水向上涌升減弱，溫躍層深度變深，上混合層厚度變厚，這些也體現(xiàn)了MD是1個氣旋式冷水區(qū)的特征。

圖3 多年平均128.5°E斷面溫度分布（a）和鹽度分布（b）Fig.3 Annual average temperature distribution（a）and salinity distribution（b）of the cross section at 128.5°E

為了更全面分析MD的三維結構，同理繪制MD核心緯度上7.5°N處斷面的溫度和鹽度分布圖（見圖4）。由圖4可以看出，溫度等值線和鹽度等值線在127°E～145°E范圍內有抬升現(xiàn)象。因為MD的東西向范圍大約從127°E一直延伸到145°E，所以由圖4a顯示的溫度垂向分布比較均勻。在100m存在鹽度最大值，約為34.75，小于該層其他緯度處的鹽度，這正是由于深層低鹽水向上涌升導致34.8鹽度等值線在MD核心處斷裂。而往下至200～300m，鹽度值有所下降，原因如上所說是由于北太平洋中層水的影響。接著往下鹽度又有所升高，這可能是由于來自南半球的相對高鹽水的影響（見圖4b）。

圖4 多年平均7.5°N斷面溫度分布（a）和鹽度分布（b）Fig.4 Annual average temperature distribution（a）and salinity distribution（b）of the cross section at 7.5°N

2.2 季節(jié)變化特征

根據(jù)Argo資料繪制西太平洋100m層冬（1月）、春（4月）、夏（7月）、秋（10月）4個季節(jié)的溫度分布和鹽度分布（見圖5、6）。

圖5 100m層西太平洋多年月平均溫度分布Fig.5 Years of monthly mean temperature distribution at 100mdepth in the Western Pacific

圖6 100m層西太平洋多年月平均鹽度分布Fig.6 Years of monthly mean salinity distribution at 100mdepth in the Western Pacific

由圖5可以看出，若以24℃等溫線作為MD核心的界限，其分布范圍的季節(jié)變化是非常顯著的。其中，冬季MD的分布范圍最大，其南北、東西向尺度分別為750和2 000km；秋季最小，其南北、東西向尺度分別為300和1 000km。由圖6的a～d分圖可明顯看出，MD是一低鹽區(qū)域。這一低鹽特征與赤道附近的高鹽水形成十分明顯的對比。春季時，MD的鹽度最低，達到34.6以下。秋季時，其鹽度偏高。

由100m層的多年平均溫度分布，可大體取MD的范圍為5°N～10°N，126°E～145°E。對100m層 MD平均溫度作功率譜分析，結果如圖7所示。

圖7 100m層MD平均溫度功率譜圖Fig.7 The power spectrum of MD at loom depth

圖7 是對100m深度上的MD平均溫度作的功率譜分析。有2個通過顯著性檢驗的信號周期，1個是12個月的季節(jié)循環(huán)，另1個就是6個月的信號。由于MD處于東亞季風影響范圍內，故其溫度變化表現(xiàn)出顯著的季節(jié)信號特征。分析還發(fā)現(xiàn)1個僅次于季節(jié)循環(huán)的周期為6個月左右的半年信號特征，該信號也明顯通過了顯著性檢驗。已有研究表明，MD存在著比較顯著的半年周期變化［2－4］，本文則首次利用 Argo觀測資料揭示了MD存在的半年周期信號，其動力機制尚需進一步研究。

2.3 年際變化特征

圖8 100m層MD溫度異常與Nino3指數(shù)時間序列Fig.8 The time series of the temperature anomaly of MD at loom depth and Nino3index

現(xiàn)有的研究已證明，西太平洋暖池次表層異常海溫的變化及其沿赤道東傳是導致ENSO循環(huán)的重要機制。故在同一副圖上繪制100m層MD溫度異常與Nino3指數(shù)時間序列（見圖8）。進一步對兩者進行相關分析，得到的相關系數(shù)是－0.414 8，超過99%的信度檢驗，說明兩者呈現(xiàn)很好的負相關性。具體來說，對照圖8中MD溫度異常與Nino3指數(shù)時間序列分布，可看出在2004年和2006年弱厄爾尼諾年的時候，MD的溫度均偏高，強度減弱；在2002—2003年厄爾尼諾中等強度的時候，大體前半年溫度偏高，后半年溫度偏低，所以大致是接近平均值的；在2009—2010年厄爾尼諾較強的時候，MD溫度有明顯下降的趨勢，強度增強。

3 討論

3.1 MD變化與風應力旋度的關系

為了研究MD變化與風應力旋度的關系，繪制100m層的MD多年平均溫度分布的時間過程曲線，同時利用該范圍內的衛(wèi)星風場數(shù)據(jù)求風應力旋度，并將兩者繪制在同一幅圖上（見圖9）。然后對兩者做相關分析，相關系數(shù)為－0.346，超過99%的信度檢驗。表明兩者呈負相關，也就是說正的風應力旋度產生向上的Ekman抽吸將下層冷水上翻，使得MD的強度增加，反之亦然。

圖9 100m層MD平均溫度與風應力旋度時間序列Fig.9 The time series of the average temperature of MD and wind stress curl

3.2 MD變化與暖池的關系

前面討論了MD變化與Nino3指數(shù)的關系，其相關系數(shù)為－0.414 8，雖然已經通過顯著性檢驗，但是，作者認為直接與暖池相關，可能會進一步提高相關系數(shù)。因為暖池位于MD上方，與MD變化應該有更密切的關聯(lián)。本文選取暖池的范圍為15°S～10°N，120°E～140°W之間的海域。在同一幅圖上繪制100m層MD溫度異常與暖池溫度異常時間序列（見圖10），并對兩者進行相關分析，得到相關系數(shù)為－0.702，超過99%的信度檢驗。這表明，在暖池發(fā)展比較充分時候，由于其暖水范圍的增大，暖水厚度的增加，在某種程度上會抑制MD的發(fā)展；反之亦然。

圖10 100m層MD溫度異常與暖池溫度異常時間序列Fig.10 The time series of hte temperature anomaly of MD and the temperature anomaly of warm pool at loom depth

4 結論

（1）MD的水平位置大致在5°N～10°N，126°E～145°E范圍內1個緯向延伸的狹長帶狀結構。其垂向范圍大致在50～600m之間，其強度并非表現(xiàn)在表層，在次表層100～200m附近最顯著。該MD具有明顯的季節(jié)變化信號，表現(xiàn)為冬強秋弱。冬季MD的分布范圍最大，其南北、東西向尺度分別為750和2 000km；秋季最小，其南北、東西向尺度分別為300和1 000km。

（2）MD溫鹽結構表現(xiàn)為深層低溫、低鹽冷水向上涌升增強，溫躍層深度變淺，上混合層厚度變薄的特征。高溫高鹽的南太平洋熱帶水（SPTW），由新幾內亞沿岸潛流（NGCUC）攜帶，沿著巴布亞新幾內亞沿岸向W－NW方向流動跨越赤道進入到MD次表層，北太平洋中層水（NPIW）則在MD的核心位置抬升到了200m。

（3）MD變化具有明顯的季節(jié)和年際變化特征。其中較為顯著的變化周期分別為：一年和半年。在El Ni珘no期間，MD的次表層水溫明顯下降，冷渦增強；而在La Ni珘na期間，MD的次表層水溫上升，冷渦減弱。

（4）MD的變化與該處風應力旋度的變化具有較好的負相關關系，相關系數(shù)為－0.346，超過99%的信度檢驗。（5）MD的變化和暖池的變化具有較好的負相關關系，相關系數(shù)為－0.702，超過99%的信度檢驗。在暖池發(fā)展比較充分時候，由于其暖水范圍的增大，暖水厚度的增加，在某種程度上會抑制MD的發(fā)展；反之亦然。

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