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    西太平洋暖池三維結(jié)構(gòu)的季節(jié)和年際變化*

    2015-11-28 11:09:02秦思思張啟龍尹寶樹
    海洋科學(xué)進(jìn)展 2015年4期

    秦思思,張啟龍,尹寶樹

    (1.中國科學(xué)院 海洋研究所,山東 青島266071;2.中國科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266071;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049)

    西太平洋暖池(簡稱暖池,下同)是全球大洋中最大的暖水團(tuán)[1]和大氣運(yùn)動主要的熱源地與對流活躍區(qū)。由于具有較高的水溫和巨大的熱量,暖池的微小變化都將對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。此外暖池的緯向變動在ENSO的形成與發(fā)展中也有直接的重要作用[2-4]。

    已有研究結(jié)果表明暖池主要存在著2~7a的年際以及幾十年的年代際變化周期[1,5-17]。但應(yīng)指出的是,以往的研究大都集中于對暖池的表層(如SST、面積、東界等)或暖池的體積和熱含量等方面的探討,而對于暖池三維結(jié)構(gòu)的研究則較少,迄今尚未見到相關(guān)報道。

    由于暖池是一個巨大的不規(guī)則暖水體,也是一個集海洋、大氣過程及強(qiáng)烈的海氣耦合作用于一體的復(fù)雜系統(tǒng),因此僅研究暖池表層或其體積及熱含量的變化并不能完全了解暖池內(nèi)部的變化細(xì)節(jié),特別是迄今仍不清楚的表層以下各層暖池南、北界和東界的變化特征以及它們在年際尺度上的相互聯(lián)系。此外,大部分IPCC AR4海氣耦合模式對暖池氣候態(tài)的模擬存在面積偏小、SST和形態(tài)偏差過大等問題[18],這除了現(xiàn)有的參數(shù)化模型尚無法準(zhǔn)確刻畫暖池區(qū)的垂向混合特征外[19],可能還與對暖池三維結(jié)構(gòu)變化特征與機(jī)制的認(rèn)識不足有關(guān)。因此,開展暖池三維結(jié)構(gòu)的多時間尺度變化特征研究,對系統(tǒng)了解暖池三維結(jié)構(gòu)的變化細(xì)節(jié),進(jìn)而提高暖池的模擬水平具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價值。為此,本文利用日本氣象廳提供的各層海溫資料,系統(tǒng)地研究了暖池三維結(jié)構(gòu)的季節(jié)和年際變化及其與不同類型ENSO之間的關(guān)系,探討了暖池三維結(jié)構(gòu)在年際尺度上的相互聯(lián)系,并初步分析了暖池三維結(jié)構(gòu)的變化機(jī)制,以期為全面認(rèn)識暖池內(nèi)部的變化特征及其在ENSO與氣候變化中的作用提供科學(xué)依據(jù)。

    1 資料

    本研究所用的資料主要如下:

    1)日本氣象廳提供的1950-2011年間的太平洋月平均水溫資料。資料的水平分辨率為1°×1°(經(jīng)度×緯度),而在垂向上共有24層但其分辨隨深度而變。其中,在150m以淺資料的垂向分辨率為10~25m,而200m以深則資料的垂向分辨率為50~100m。本研究僅使用了150m以淺的各層水溫資料。

    2)美國NOAA提供的1950-2011年間的ENSO指數(shù)。由于Ni?o3和Ni?o4指數(shù)分別能夠有效地監(jiān)測東部型和中部型ENSO事件[20],因此本文利用這些指數(shù)來探討暖池三維結(jié)構(gòu)變異與不同類型ENSO之間的關(guān)系。

    由于暖池東界、南界、北界和厚度皆是表征暖池三維結(jié)構(gòu)的有效指標(biāo),因此我們利用這些指標(biāo)來具體分析暖池三維結(jié)構(gòu)的季節(jié)和年際變化。

    2 暖池三維結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化

    2.1 暖池的緯向變化

    本研究選用赤道太平洋(5°S~5°N)28℃等溫線所在的位置作為暖池的東界。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,在上表層(20m以淺),暖池的氣候態(tài)東界位于163°W附近,而在30m以深,暖池東界逐漸西移,在75m層已西移至171°W附近。這表明,暖池的緯向跨度在上表層最大(7 800km)并隨深度的增加而逐漸變小。

    各層暖池東界的季節(jié)變化都比較顯著(圖1)。3月各層?xùn)|界都到達(dá)其最西位置,但到達(dá)最東位置的時間卻隨深度的增加而推遲。在30m以淺水層,暖池東界均在5月到達(dá)最東位置(154°~157°W),而在50m和75m層則分別于6月和7月到達(dá)最東位置。這意味著,在暖池東擴(kuò)過程中,其上下層海水的運(yùn)動并不同步,而是存在著1~2個月的時間差。

    由于南赤道流(South Equatorial Current,SEC)具有北半球冬夏季強(qiáng)、春季弱的季節(jié)變化,而北赤道逆流(North Equatorial Counter Current,NECC)則存在著冬弱、秋強(qiáng)的特點(diǎn)[21],因此可以認(rèn)為,暖池緯向的季節(jié)變化主要是由SEC和NECC的強(qiáng)弱變化引起的。

    圖1 各層暖池東界的季節(jié)變化Fig.1 Seasonal variability of the WPWP eastern edge at different depths

    2.2 暖池的經(jīng)向變化

    從暖池的氣候態(tài)分布(圖2)可以看出,165°E斷面大致位于暖池的中部,因而該斷面附近的暖池南、北界的變動能夠在一定程度上反映出暖池的經(jīng)向變化。因此,本研究分別選用該斷面赤道南、北部海域28℃等溫線所在的位置作為暖池的南界和北界指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,0~30m層暖池南、北界分別位于14°S和16°N附近,而在50m層則分別位于12°S和15°N附近。暖池在表層的經(jīng)向跨度約為3 300km。

    營運(yùn)資本是企業(yè)生存發(fā)展的重中之重,樂視15年以前多年流動負(fù)債超過流動資產(chǎn),整體的營運(yùn)資本情況不佳。應(yīng)收賬款的逐年上漲以及無形資產(chǎn)占總資產(chǎn)比例未見下降,其現(xiàn)金比率水平較低,2014年甚至低至0.11這嚴(yán)重影響了樂視的營運(yùn)能力,一定程度上增加了樂視的財務(wù)風(fēng)險。同時流動負(fù)債比率2014年末近80%,提示短期償債能力相對較弱。在長期償債能力方面,樂視2013-2015年資產(chǎn)負(fù)債率遠(yuǎn)高于同期同行業(yè)資產(chǎn)負(fù)債率平均水平(約30%)。

    圖2 暖池厚度的氣候態(tài)分布(m)Fig.2 Distribution of the climatologic WPWP averaged thickness(m)

    各層暖池南界的季節(jié)變化較為一致(圖3a),均在2月到達(dá)最南位置,而在9月則到達(dá)最北位置,但其年變幅卻隨著深度的增加而變小。在30m以淺水層,暖池南界最南可達(dá)19°S附近(2月),而最北僅及10°S附近(9月),其年變幅約為9°;在50m層,暖池南界最南可達(dá)15°S附近(2月),而最北僅及9.9°S(9月),其年變幅約為5°。

    圖3 165°E斷面各層暖池南、北界的季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variability of south and north edge at different depths on Section 165°E

    各層暖池北界均在2月到達(dá)最南位置(7.7°N附近),而到達(dá)最北位置的時間卻有所不同(圖3b)。在10 m以淺水層,暖池北界均在8月到達(dá)最北位置(26.5°N附近),而在50m層則于10月到達(dá)最北位置(21°N附近)。這意味著,在暖池北擴(kuò)過程中,其上下層海水的運(yùn)動也存在著1~2個月的時間差。而且這種現(xiàn)象也出現(xiàn)在137°E斷面(圖略)。比較而言,暖池北界的季節(jié)變化較南界大,其中表層和50m層北界的年變幅分別為19°和14°。

    暖池的經(jīng)向變化主要受太陽輻射、風(fēng)及風(fēng)生流所控制[22]。在北半球冬(夏)季,南太平洋獲得的熱量要多(少)于北太平洋,而且南太平洋盛行較弱(強(qiáng))的東南風(fēng),而北太平洋則盛行較強(qiáng)(弱)的東北風(fēng),這有利于暖池南移(北擴(kuò))。

    2.3 垂向變化

    暖池厚度(或深度)是表征暖池垂向變化的一個有效指標(biāo)。Wyrtki[1]基于XBT資料研究了4個季節(jié)的暖池厚度分布并指出,暖池呈現(xiàn)中央厚、邊緣薄的分布特征,其最大厚度約100m,位于赤道和日期變更線附近。張啟龍和翁學(xué)傳[6]基于137°E斷面的調(diào)查資料分析得出,暖池厚度存在著夏季厚、冬季薄的季節(jié)特征。

    為了能夠深入了解暖池厚度的季節(jié)變化,本研究利用由線性內(nèi)插得到的垂向間隔為1m的月平均水溫資料計(jì)算了暖池內(nèi)各點(diǎn)的厚度值,并將各點(diǎn)的等權(quán)平均厚度值稱之為暖池平均厚度。圖2和圖4分別給出了暖池厚度的氣候態(tài)分布和平均厚度的季節(jié)變化。由圖2可見,暖池大致呈現(xiàn)為中央厚、邊緣薄、南部厚、北部薄的分布特征,其最大厚度為117m,位于7°S,180°E附近。這與Wyrtki的結(jié)果有所不同。如圖4所示,暖池平均厚度的季節(jié)變化大致呈雙峰結(jié)構(gòu),2個峰值分別出現(xiàn)在5月(71.54m)和11月(69.24m),而2個谷值則分別見于2月(65.63m)和9月(64.23m)。顯然,暖池平均厚度的最大年變幅為7.31m。

    圖4 暖池平均厚度的季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variability of the WPWP thickness

    已有研究表明,熱帶太平洋太陽輻射通量的最高值分別出現(xiàn)在3月和9月,而其最低值則見于6月和12月[22];SEC在2月和8月皆較強(qiáng),而在5月和12月則較弱[21]。顯然,暖池垂向的季節(jié)變化主要是由太陽輻射和SEC引起的。

    3 暖池三維結(jié)構(gòu)的年際變化

    為了突出暖池的年際變化信號,本研究分別對暖池東、南、北界和平均厚度距平序列進(jìn)行了13個月滑動平均濾波。

    3.1 暖池的緯向變化

    對比分析表明,各層暖池東界的年際變化趨勢較為一致,但其變幅卻隨著深度的增加而變小(表層的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大,為18°,而75m層的最小,僅12°)。由圖5可見,東界距平序列的年際變化非常大,并與ENSO循環(huán)有密切的聯(lián)系。其中,在 El Ni?o(1957,1965,1972,1977,1982,1987,1991,1997,2002和2009年)期間,東界為較大的正距平,即暖池東擴(kuò),而在La Ni?a(1950,1955,1964,1971,1974,1975,1984,1985,1989,1996,1999,2000,2008和2010年)期間則為較大的負(fù)距平,即暖池西縮。這與以往的研究結(jié)果[3-4]較為一致。功率譜分析表明,0~20m層暖池東界的主周期依次為3.7a,5a和準(zhǔn)2a,而30~75m層的主周期則為準(zhǔn)2a,5a和3.7a。盡管各層?xùn)|界的主周期不盡相同,但它們與ENSO間的關(guān)系均超過了99.9%的顯著性檢驗(yàn)。比較而言,20m層?xùn)|界與Ni?o3指數(shù)間的關(guān)系最密切(當(dāng)前者超前后者1個月時其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94),而50m層?xùn)|界則與Ni?o4指數(shù)間的關(guān)系最密切(其同期相關(guān)系數(shù)為0.92)。顯然,20m層和50m層暖池東界分別對東部型和中部型ENSO有重要影響,可作為研究不同類型ENSO的新的指標(biāo)序列。

    圖5 20m層暖池東界距平的年際變化Fig.5 Interannual variability of the WPWP eastern edge anomaly at 20mdepth(solid line)

    3.2 暖池的經(jīng)向變化

    各層暖池南界的年際變幅相對較小,其標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.3°~1.9°。圖6為30m層暖池南界距平序列的年際變化??梢钥吹剑谝恍?qiáng)El Ni?o期間南界為較大的正距平,即暖池北移,而在一些強(qiáng)La Ni?a期間則為較大的負(fù)距平,即暖池南撤,但各層暖池南界的顯著周期有所不同。其中,0,10和50m層南界的主周期均為5.7a,而20~30m層的主周期則為5.3a。相關(guān)分析表明,各層暖池南界與東部型ENSO有較密切的正相關(guān),而與中部型ENSO的關(guān)系則較弱。在30m層南界超前Ni?o3指數(shù)3個月時,其相關(guān)系數(shù)為0.40(超過了99.9%的顯著性檢驗(yàn))。這表明,在El Ni?o(La Ni?a)發(fā)生之前3個月時,暖池南界已開始北移(南撤)。

    圖6 165°E斷面30m層暖池南界距平的年際變化Fig.6 Interannual variability of the WPWP south edge anomaly at 30mdepth on Section 165°E

    圖7 165°E斷面10m層暖池北界距平的年際變化Fig.7 Interannual variability of the WPWP north edge anomaly at 10mdepth on Section 165°E

    3.3 暖池的垂向變化

    暖池厚度的年際變化也非常顯著,并與ENSO相聯(lián)系(圖8)。在El Ni?o期間,暖池厚度出現(xiàn)較大的負(fù)距平,即暖池變薄,而在La Ni?a期間則出現(xiàn)較大的正距平,即暖池增厚。暖池厚度的主周期依次為5.3a,3.7a和準(zhǔn)2a,與ENSO的主周期相近。時滯相關(guān)分析表明,暖池厚度在超前Ni?o3指數(shù)3個月時,兩者間的關(guān)系最密切(相關(guān)系數(shù)為-0.63)。這表明,在El Ni?o(La Ni?a)發(fā)生之前3個月時,暖池已開始變?。ㄔ龊瘢?。

    圖8 暖池平均厚度距平的年際變化Fig.8 Interannual variability of the averaged WPWP thickness

    暖池三維結(jié)構(gòu)的年際變化主要是由熱帶太平洋的緯向風(fēng)異常、赤道Kelvin波和Rossby波引起的緯向流異常和 Ekman輸送導(dǎo)致的[11,23-25]。具體講,在 El Ni?o(La Ni?a)期間,赤道太平洋盛行西(東)風(fēng)異常,并激發(fā)出東傳的Kelvin波(西傳的Rossby波),因而在赤道海域的上表層形成較強(qiáng)的東(西)向流,使得暖池東擴(kuò)(西縮);與此同時,赤道兩側(cè)的暖水隨Ekman輸送向赤道輻聚(輻散),導(dǎo)致暖池向赤道收縮(向赤道外擴(kuò)展)。

    3.4 暖池三維結(jié)構(gòu)在年際尺度上的相互聯(lián)系

    時間滯后相關(guān)分析結(jié)果表明,各層暖池東界與南界之間均有較密切的正相關(guān),其中50m層暖池東界滯后南界8個月時兩者間的關(guān)系最密切,其時的相關(guān)系數(shù)為0.60,而各層暖池東界與北界卻存在著較好的負(fù)相關(guān),特別在10m層兩者間的關(guān)系最密切,其同期相關(guān)系數(shù)為-0.36(超過了99.9%的顯著性檢驗(yàn));各層暖池南界和北界之間也存在著較密切的負(fù)相關(guān),尤其在20m層兩者間的關(guān)系最密切,當(dāng)南界超前北界3個月時其相關(guān)系數(shù)為-0.61??梢?,暖池的緯向變化與經(jīng)向變化并不完全同步,而是存在著3~8個月的時間差。

    暖池厚度與各層?xùn)|界、南界和北界之間皆存在著顯著的負(fù)相關(guān)。其中,當(dāng)厚度超前30m層?xùn)|界3個月時,其相關(guān)系數(shù)為-0.68;當(dāng)厚度超前30m(20m)層南(北)界2(3)個月時,其相關(guān)系數(shù)為-0.79(0.67)。還應(yīng)指出的是,50m層南界超前厚度1個月時兩者間的相關(guān)系數(shù)為-0.78。這似乎表明,暖池的垂向變化可能是由50m以深暖池南界的變動引起的。但這一問題尚需從動力學(xué)方面加以驗(yàn)證。

    4 結(jié)論

    本研究利用1950~2011年間的太平洋月平均水溫資料和ENSO指數(shù),以28℃等溫線作為暖池的定義標(biāo)準(zhǔn),研究了暖池三維結(jié)構(gòu)的季節(jié)和年際變化,并簡要探討了暖池三維結(jié)構(gòu)在年際尺度上的相互聯(lián)系及其變化機(jī)制,得到的研究結(jié)果主要如下:

    1)暖池三維結(jié)構(gòu)存在著顯著的但并不完全一致的季節(jié)變化。在緯向上,暖池冬季西縮,春季東擴(kuò);在經(jīng)向上,暖池冬季偏南,夏季偏北;在垂向上,暖池在春、秋季變厚,而在冬、夏季則變薄。暖池三維結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化主要是由太陽輻射、風(fēng)和海洋環(huán)流引起的。

    2)暖池三維結(jié)構(gòu)的年際變化頗為顯著,并與ENSO循環(huán)相聯(lián)系。在El Ni?o(La Ni?a)發(fā)生前1~3個月,暖池異常東擴(kuò)(西縮),暖水向赤道輻合(向赤道外輻散),暖池厚度變薄(增厚)。由于20m和50m層暖池東界分別與東部型和中部型ENSO有非常密切的關(guān)系,因此可將其作為研究不同類型ENSO的新的指標(biāo)序列。暖池三維結(jié)構(gòu)的年際變化主要是由熱帶太平洋的緯向風(fēng)異常、赤道Kelvin波和Rossby波引起的緯向流異常與Ekman輸送共同導(dǎo)致的。

    3)暖池三維結(jié)構(gòu)在年際尺度上存在著較密切的相互聯(lián)系。其中,暖池東界與南界有較密切的正相關(guān),而與北界則有較好的負(fù)相關(guān);暖池南界和北界也有較好的負(fù)相關(guān);暖池平均厚度與東界和南界皆為顯著的負(fù)相關(guān),而與北界則為顯著的正相關(guān)。但其年際變化并不完全同步,而是存在著3~8個月的時間差。

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