西太平洋暖池重心的時(shí)空變化特征分析

傅方奇，王彰貴，潘豐，尹朝暉

(1.浙江省氣象臺(tái),浙江杭州，310017；2.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

1 引言

西太平洋暖池(以下簡(jiǎn)稱暖池)是指位于太平洋中、西部赤道兩側(cè)的一片大致呈雙舌狀的、全球最暖(海表溫度常年超過28℃)的海區(qū)。暖池具有巨大的熱含量，持續(xù)向大氣提供大量的熱量，是大氣Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流的上升源地[1-2]。同時(shí)，暖池的次表層海溫異?？梢匝爻嗟劳ㄟ^Kelvin 波向東傳播，影響厄爾尼諾的發(fā)生和發(fā)展，是ENSO 循環(huán)中的重要一環(huán)[3]。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)表明，最大對(duì)流中心、最大降水中心(年降水量達(dá)5000 mm)、對(duì)流層絕熱加熱高中心與西太平洋暖池中心的位置幾乎重合[4]?？傊魈氐淖兓萍s著亞洲、太平洋區(qū)域,甚至全球氣候變化和某些重大自然災(zāi)害的形成與變化,對(duì)于它的研究具有重要的科學(xué)意義,是當(dāng)今海洋和氣象領(lǐng)域的重要研究課題。

關(guān)于暖池不同時(shí)間尺度的變化特征，不少科學(xué)家做過很多研究。西太暖池面積和暖池中心的季節(jié)變化與太陽輻射的季節(jié)變化密切相關(guān)。選取海域越小且越靠近暖池中心，海溫季節(jié)變化越小[5]。暖池表層暖水緯向運(yùn)移的年際（2—8 a）和年代際（10—16 a）變化都非常顯著。表層暖水的緯向運(yùn)移于1982年前后經(jīng)歷了一次氣候躍變，躍變后暖水東界的平均位置比躍變前東移了10 個(gè)經(jīng)度。這次躍變可能與全球增暖有一定聯(lián)系[6-7]。

暖池與El Nino/La Nina 現(xiàn)象有密不可分的關(guān)系。齊慶華等[8]研究發(fā)現(xiàn)，西太暖池的緯向運(yùn)移與ENSO 循環(huán)有著非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中在El Nino期間,暖池東擴(kuò)顯著;而在La Nina 期間,暖池西縮顯著。同時(shí)，暖池的緯向運(yùn)移具有顯著的2—5 a的變化周期,與ENSO 的主周期相近。方立新等[9]認(rèn)為，暖池中心位置在南北方向上幾乎不受厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象的影響,呈單一的年周期變化。

目前對(duì)暖池范圍尚無統(tǒng)一的定義,有些研究選擇某一固定經(jīng)緯度區(qū)域作為暖池范圍[10-14];另外一些則采用某一海面溫度閥值的等溫線所包圍的區(qū)域，例如28℃，28.5℃或29℃等溫線[4,15-18]。此外，還有一些研究[19]嘗試?yán)门w積來定義暖池范圍及強(qiáng)度，但是這些指數(shù)都不能很好的表明暖池位置的變動(dòng)。

重心是力學(xué)分析中一個(gè)重要的物理量。重心的引入大大降低了因物體形狀給物體受力分析帶來的困難。因此，本文將引入暖池重心的概念,以重心的方法來分析西太平洋暖池整體的時(shí)空變化特征。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用的全球海表溫度取自英國(guó)氣象局Hadley 氣候預(yù)測(cè)和研究中心的逐月再分析資料，時(shí)間從1870年1月—2010年12月，共141年，資料的空間分辨率為1.0°×1.0°。Nino 3區(qū)（90—150°W，5°S—5°N）海溫距平指數(shù)選自美國(guó)國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心下屬氣候預(yù)測(cè)中心(NCEP/CPC)的產(chǎn)品。.

2.2 暖池重心的定義

西太平洋暖池的年際變化范圍較大，如El Nino事件期間，暖池范圍明顯東擴(kuò)，有時(shí)28℃線可東擴(kuò)到80°W 的南美沿岸，常常與位于北美墨西哥西岸近海的赤道東太平洋暖池打通。但在La Nina 事件期間，暖池范圍明顯西撤，28℃線可撤至日界線以西170°E 附近，暖水堆積在熱帶西太平洋海域。為避免將東太平洋暖池面積計(jì)入西太平洋暖池中，本文將西太平洋暖池區(qū)域取為120°E—120°W，30°S—40°N，將這個(gè)區(qū)域內(nèi)海表溫度大于28.0°C等溫線包圍的海域定義為西太平洋暖池。

利用物體重心的概念，得到暖池重心的計(jì)算公式為：

式（1—2）中，M=?ΩT(λ,φ)r2cos φdλdφ ，λ 為經(jīng)度；φ為緯度；T(λ,φ)為海表溫度；γ為地球半徑。

3 結(jié)果分析

3.1 暖池重心的季節(jié)變化

圖1 西太平洋暖池重心的季節(jié)變化軌跡

通常取1971—2000年，30年平均海表溫度作為氣候值。圖1 是根據(jù)上述30年計(jì)算得到的西太平洋暖池重心的季節(jié)變化。從圖中可以看出，暖池重心的季節(jié)變化呈一個(gè)西北—東南傾斜的“8”字型結(jié)構(gòu)。1月份，西太暖池重心位于165.7°E，4.6°S，然后往東南偏東方向移動(dòng)，2月份暖池重心位于一年中最南端的位置（5.9°S）。隨著的時(shí)間推移，重心繼續(xù)東移，3月到達(dá)一年中的最東端（169.1°E）。然后，重心開始向西北方向移動(dòng)，直至8月到達(dá)最西北端（161.6°E，9.8°N）。接著暖池重心開始往偏東方向移動(dòng)，進(jìn)入9月份，重心開始向南移動(dòng)。重心在南北方向的變化可達(dá)16個(gè)緯度，但在東西方向的變化略小，大約8個(gè)經(jīng)度。實(shí)際上，暖池重心的南北移動(dòng)主要反映了地球軌道的變動(dòng)引起的海洋表面太陽輻射的季節(jié)變化。一般，隨著海面吸收短波輻射及海面熱量?jī)羰罩У脑龃?，暖池范圍擴(kuò)大，隨著太陽輻射和熱量?jī)羰罩д咧祬^(qū)在北半球由冬至夏向北推移，暖池重心相應(yīng)北推。這個(gè)結(jié)果與周春平等[5]一致。

3.2 暖池重心的年際變化特征

圖2 為西太平洋暖池重心的經(jīng)度、緯度的小波分析。從圖中可以看出，西太平洋暖池重心的經(jīng)緯向變化周期是不一致的。重心的緯向變化存在3—5 a的年際變化和10—20 a的年代際變化，而重心的經(jīng)向變化則存在3—8 a的年際變化。

圖2 年平均暖池重心位置經(jīng)度（a）和緯度（b）的小波分析

圖3是暖池重心年均值的時(shí)間演變。從整體線性趨勢(shì)來看，緯向方向上，暖池有微弱東移的趨勢(shì)。19 世紀(jì)90年代至20 世紀(jì)初，重心經(jīng)度值有變大的趨勢(shì)，大約增大了10°，即重心東移。20世紀(jì)前10年，經(jīng)度值減小，重心西移，隨后經(jīng)度值開始緩慢增大，重心逐漸東移。20 世紀(jì)40年代至50年代中期，經(jīng)度值明顯減小，大約減小了8°，重心西撤。70年代初，經(jīng)度值開始明顯的增大，說明重心又恢復(fù)東移趨勢(shì)，直至90年代中期，大約增大了12°。

經(jīng)向方向上則表現(xiàn)出不同的變化特征。從19世紀(jì)90年代開始，重心緯度值持續(xù)減小，重心南移，直到20 世紀(jì)20年代末，重心到達(dá)百年來的最南端。隨后緯度值開始增大，重心開始北進(jìn)，持續(xù)到20 世紀(jì)70年代初。接著重心重新南移。近30年來，重心在南北方向以振蕩為主，沒有明顯的趨勢(shì)變化。

為了進(jìn)一步分析年際變化的空間分布特征，取1870—2010年時(shí)間段內(nèi)15 個(gè)具有明顯年際變化的完整周期進(jìn)行合成，以重心經(jīng)度值為標(biāo)準(zhǔn)。具體做法為，從波谷（即經(jīng)度極小值）到下一個(gè)相鄰的波谷取為一個(gè)周期，每個(gè)周期分為8 個(gè)位相。從波谷至波峰（即經(jīng)度極大值）均分為1—4個(gè)位相，波鋒至波谷均分為5—8 位相，然后對(duì)15 個(gè)周期中相應(yīng)的位相進(jìn)行合成。圖4 是15 個(gè)年際變化周期合成的暖池重心空間變化圖。由圖可見，從第一位相開始，暖池重心一直東移，直到第五位相時(shí)到達(dá)最東邊，接著開始西撤，但第八位相時(shí)重心的經(jīng)度位于第一位相的北側(cè)。需要指出的是，重心在南北方向的變化（約0.3°）遠(yuǎn)小于海溫資料的分辨率，而東西方向變化很大（約12°）。

3.3 暖池重心的年代際變化特征

上節(jié)表明，暖池重心除年際變化外，還存在10-20a的年代際變化。圖5為1901—2010年每10年暖池重心的分布圖?？梢?，在最近110年里，暖池重心位置的空間變化可分為三個(gè)階段。第一階段：20世紀(jì)最初的前3個(gè)10年，暖池重心幾乎在同一緯度上從西向東移動(dòng)；第二階段：開始于上世紀(jì)30年代，重心以北移為顯著特征，60年代到達(dá)最北端（2.0°N）；第三階段：70年代至本世紀(jì)前10年。重心迅速南跳并保持東移，本世紀(jì)前10年，重心又呈現(xiàn)西移。暖池重心的緯向-經(jīng)向-緯向變化，其轉(zhuǎn)折期出現(xiàn)在上世紀(jì)30年代和70年代，這與全球氣候突變的時(shí)間相一致[20-21]，其內(nèi)在的聯(lián)系有待進(jìn)一步分析。

圖3 西太暖池重心經(jīng)度值(a)和緯度值(b)的時(shí)間演變

圖4 西太平洋暖池重心年際變化周期的空間特征 圖5 1901—2010年西太平洋暖池重心位置的時(shí)空變化

3.4 El Nino 和La Nina 時(shí)期西太平洋暖池重心的分布

赤道中東太平洋海域（90—150°W，5°S—5°N）海表溫度距平連續(xù)6個(gè)月大于（小于）正（負(fù)）0.5℃作為El Nino(La Nina)現(xiàn)象的判斷指標(biāo)。1950—2010年共發(fā)生13次El nino事件，15次La nina事件。圖6是1950年以來，El Nino 和La Nina 發(fā)生年暖池的重心位置。可見，發(fā)生El nino 事件時(shí)，西太平洋暖池重心明顯偏東，而發(fā)生La nina時(shí)，重心則顯著偏西，兩者重心幾乎沒有重合。相對(duì)重心的東西向變化，重心南北向位移幅度較?。ù蠹s1 個(gè)緯度）。暖池重心的緯向變化與ENSO 密切相關(guān)，實(shí)際上反映了赤道太平洋的緯向風(fēng)異常。在El Nino年，西太平洋海域有不斷的西風(fēng)異常，在異常風(fēng)應(yīng)力的作用下，暖水向東運(yùn)移,使暖池向東擴(kuò)展;相反在La Nina年，中東太平洋海域東風(fēng)比常年強(qiáng)，在東風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下，暖水在西太平洋堆積同時(shí)赤道次表層的冷水上翻，赤道冷舌加強(qiáng)，導(dǎo)致暖池向西收縮。在El Nino（La Nina）事件中,暖池重心東（西）移程度有很大差異，主要與El Nino（La Nina）事件的強(qiáng)弱有關(guān)。當(dāng)El Nino 事件持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)，暖池重心東移明顯，反之則不明顯。1997年發(fā)生的El Nino事件是記錄以來最強(qiáng)的一次（見圖6）。

3.5 暖池重心與海溫強(qiáng)度、面積的關(guān)系

在過去的研究中，暖池區(qū)的面積（S）和海溫（SST）常用來表征暖池的強(qiáng)度。表1 是西太平洋暖池面積、溫度與重心年平均值的相關(guān)系數(shù)?？梢?，暖池重心的經(jīng)度與暖池面積和溫度正相關(guān)，均通過了99%的置信度檢驗(yàn)，而暖池重心的緯度與面積和溫度的相關(guān)均沒有通過置信度檢驗(yàn)。當(dāng)西太平洋暖池重心位置偏東時(shí)，暖池強(qiáng)度和面積比常年偏大。由于西太平洋的西邊界固定，當(dāng)暖池強(qiáng)度和面積增大時(shí)，重心只能往東位移，因此暖池重心的經(jīng)度與暖池面積存在正相關(guān)是合理的。

圖6 El Nino（紅色）和La Nina（藍(lán)色）發(fā)生年西太平洋暖池的重心位置分布（距平）

表1 西太平洋暖池的重心（經(jīng)度和緯度）與溫度和面積的相關(guān)系數(shù)

4 結(jié)論

海洋科學(xué)的許多基本概念來自于物理學(xué),引入新的物理方法對(duì)于拓展和深化海洋科學(xué)研究有十分重要的意義。本文用重心的方法分析西太平洋暖池的長(zhǎng)期變動(dòng),得到了一些新的結(jié)果，可歸納為以下幾點(diǎn):

（1）在季節(jié)變化方面，西太平洋暖池重心呈一個(gè)西北-東南傾斜的“8”字型結(jié)構(gòu)，3月和8月分別為暖池重心運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。3月，暖池重心到達(dá)一年中的最東端，之后重心開始向西北方向移動(dòng)。8月，重心到達(dá)最西北端，之后重心開始向東南方向移動(dòng);

（2）暖池重心的經(jīng)度存在3—5 a的年際變化和10—20 a 的年代際變化，而重心的緯度則以3—8 a的年際變化為主。從空間位置變化來看，年際變化周期的重心位置呈東西往復(fù)擺動(dòng)，而年代際變化周期的暖池重心則呈現(xiàn)“緯向-經(jīng)向-緯向”的移動(dòng)特征，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別與上世紀(jì)氣候突變的時(shí)間相一致;

（3）發(fā)生El nino時(shí)，暖池重心明顯偏東，而發(fā)生La nina時(shí)，重心則顯著偏西。南北向差異則并不明顯。事件發(fā)生強(qiáng)度越大，這樣的重心趨勢(shì)就越明顯。

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