近年來厄爾尼諾期間北赤道流輸運的年際變化

吳國麗, 王慶業(yè), 翟方國, 胡敦欣(. 中國科學院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 26607; 2. 中國科學院大學, 北京0009; 3. 中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島266580; . 中國海洋大學 海洋環(huán)境學院, 山東 青島26600)

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近年來厄爾尼諾期間北赤道流輸運的年際變化

吳國麗1, 2, 3, 王慶業(yè)1, 翟方國4, 胡敦欣1
(1. 中國科學院海洋研究所 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京100049; 3. 中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島266580; 4. 中國海洋大學 海洋環(huán)境學院, 山東 青島266100)

為了研究近年來厄爾尼諾期間北赤道流輸運的年際變化, 本文利用海洋客觀分析數(shù)據(jù)MOAA GPV(Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis)以及P-vector方法計算了北太平洋絕對地轉流,探討了2001~2013年期間厄爾尼諾與北赤道流輸運之間的關系。在此期間發(fā)生的4次厄爾尼諾事件中,北赤道流輸運在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄爾尼諾成熟期都出現(xiàn)了明顯的增強, 但是在2004~2005年的厄爾尼諾成熟期并沒有明顯的增強。進一步分析發(fā)現(xiàn), 在2002~2003年、2006~2007年、2009~2010年的厄爾尼諾成熟期, 10°N以南的熱帶西北太平洋區(qū)域出現(xiàn)了負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常, 這主要是由熱帶環(huán)流區(qū)域出現(xiàn)的西風異常和正的Ekman抽吸通過Rossby波西傳到熱帶西太平洋區(qū)域所致; 但是在2004~2005年厄爾尼諾成熟期, 海面溫度異常的分布明顯不同, 西風異常和正的Ekman抽吸異常明顯北移, 導致負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常出現(xiàn)在了10°N以北的西北太平洋區(qū)域, 使得北赤道流輸運在2004~2005年的厄爾尼諾成熟期沒有明顯的增強。

北赤道流輸運; 厄爾尼諾; 年際變異

[Foundation: “Global Change and Air-Sea Interaction” Project, No. GASI-03-01-01-05; National Basic Research Program of China, No. 2012CB417401, No. 2013CB956202]

在熱帶北太平洋, 北赤道流(North Equatorial Current, NEC)自東向西流動, 到達菲律賓海岸附近分叉形成向北流動的黑潮(Kuroshio Current, KC)和向南流動的棉蘭老流(Mindanao Current, MC), 組成了NEC-MC-KC(NMK)海流系統(tǒng)[1-3]。NEC作為NMK海流系統(tǒng)的核心, 它對西太平洋暖池的熱量收支[4-5]、全球的熱鹽環(huán)流[6]等都具有非常重要的作用, 幾十年以來, 受到世界各國物理海洋學家們廣泛的關注和研究。前人通過對觀測數(shù)據(jù)、海洋同化數(shù)據(jù)的分析以及數(shù)值模式的模擬等重點研究了NEC的分叉和輸運等問題, 其中對NEC輸運在時間變異上的研究主要集中在季節(jié)和年際尺度上[4, 7-15]。已有的研究結果表明, NEC輸運的年際變化與厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件密切相關, 在ENSO暖事件(厄爾尼諾)時期, NEC輸運增強, 在ENSO冷事件(拉尼娜)時期, NEC輸運減弱[4, 13-16]。但是, Qiu等[8]以及Zhai等[14]分別利用沿137°E觀測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)的研究結果指出, 并不是所有的NEC輸運的極值都與ENSO事件有關。因此, NEC輸運與ENSO之間存在著復雜的關系。近年來, 主要基于Argo浮標資料構建的三維客觀分析網(wǎng)格數(shù)據(jù)MOAA GPV(Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis)被廣泛地用來研究全球變化問題[17]以及一些復雜的區(qū)域問題[18-19]。因此, 本文將基于利用MOAA GPV數(shù)據(jù)計算的北太平洋絕對地轉流來檢驗2001~2013年厄爾尼諾與NEC輸運之間的關系, 并討論其動力學過程。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文主要用到的MOAA GPV數(shù)據(jù)提供了2001 年1月~2013年12月月平均的溫度和鹽度資料[20], 其水平分辨率為1°×1°, 垂直方向從10 dbar到2 000 dbar分為25層。MOAA GPV數(shù)據(jù)是主要利用Argo浮標資料, 同時結合TRITON(Triangle Trans-OceanBuoy-Netword)浮標資料以及現(xiàn)有的CTD(conductivity-tem-perature-depth)資料通過客觀分析方法所構建。關于構建過程中所涉及的數(shù)據(jù)處理過程、網(wǎng)格化技術和誤差分析等方面的詳細描述可參考文獻[20]。

本文用到的衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)(由網(wǎng)站http: //www. aviso.oceanobs.com/下載)包括衛(wèi)星觀測的海面高度以及由地轉關系得到的海表地轉流。其原始數(shù)據(jù)為周數(shù)據(jù), 為了分析變量的低頻變化, 周數(shù)據(jù)被平均到了月數(shù)據(jù)。另外, 本文用到的月平均的風場數(shù)據(jù)來自ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)海洋分析/再分析系統(tǒng)3(ECMWF ORA-S3)[21]。

1.2 P-vector方法

本文利用P-vector方法計算北太平洋絕對地轉流。P-vector方法是在地轉平衡和Boussinesq近似下基于位勢密度和位勢渦度守恒的一種計算絕對地轉流的方法[22-23]。其中地轉流的方向由等位勢面與等密度面交叉的方向決定, 地轉流的方向也被稱為P-vector, 地轉流的大小由任意兩層之間的熱成風關系來計算。以往的研究表明P-vector方法能夠較好描述大洋和邊緣海中海洋環(huán)流的基本特征[22, 24-25]。

由于在上混合層海洋運動不能精確的遵守位勢密度和位勢渦度守恒, 因此, 本文參照Zhang等[26]和Yuan等[27]的做法, 僅僅對大洋中層的地轉流使用P-vector方法重構, 即800~2 000 dbar之間的絕對地轉流使用P-vector方法計算, 然后用800 dbar層的絕對地轉流作為參考面, 通過動力計算方法獲得800 dbar以上的絕對地轉流。已有的研究結果表明,如此計算的絕對地轉流能夠很好地描述位于北太平洋的NEC等海洋環(huán)流的結構特征及動力特征[26-27]。

1.3 2001~2013年的厄爾尼諾事件

根據(jù)CPC(Climate Prediction Center, http: //www. cpc.ncep.noaa.gov/data/indices)Ni?o-3.4指數(shù), 本文定義Ni?o-3.4指數(shù)≥0.5°C并持續(xù)5個月的事件為一個厄爾尼諾事件。2001年1月~2013年12月一共發(fā)生了4次厄爾尼諾事件(分別記為2002~2003、2004~ 2005、2006~2007和2009~2010年厄爾尼諾事件), 其中在2004~2005年厄爾尼諾期間, 海面溫度(Sea Surface Temperature, SST)正異常的極值發(fā)生在2004年的9月, 其它厄爾尼諾期間的SST正異常的極值分別發(fā)生在2002年的11月、2006年的12月和2009年的12月(圖1a)。

圖1 Ni?o-3.4 SST異常(a)和NEC分別基于MOAA GPV數(shù)據(jù)(b)以及衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)(c)沿130°~180°E輸運的時間序列Fig. 1 Ni?o-3.4 SST anomaly (a) and the NEC transport at 130°~180° E from MOAA GPV (b) and altimeter products (c), respectively

1.4 月平均數(shù)據(jù)年際信號的提取

本文利用3階Butterworth濾波器對月平均變量進行13個月的低通濾波去除高頻信號, 得到月平均數(shù)據(jù)的年際信號。為了獲取月平均數(shù)據(jù)的年際異常信號, 在對月平均變量進行13個月的低通濾波后,再減去多年平均。

2 主要結果

2.1 NEC輸運的年際變化

根據(jù)MOAA GPV數(shù)據(jù)中137°E斷面上的年平均緯向速度圖(圖2), NEC沿137°E的主體位于8°~ 18°N、26.7σθ等密度面以上, 在其它的經(jīng)度斷面上也有類似的分布特征。因此, 本文定義NEC沿某一經(jīng)度的輸運為8°~18°N、26.7σθ等密度面以上的西向流速的積分, 其中西向流速來自利用MOAA GPV數(shù)據(jù)通過P-vector方法計算的北太平洋絕對地轉流。圖1a是Ni?o-3.4 SST異常的時間序列圖, 其中黃色帶代表4次厄爾尼諾事件, 圖1b是NEC分別沿130°~ 180°E輸運的時間序列圖, 其中圖1a、圖1b中的紅色橫直線對應的是4次厄爾尼諾期間SST正異常最大的月份。由圖1b可以看出, 在2002~2003、2006~ 2007、2009~2010年厄爾尼諾期間SST正異常最大的月份, NEC輸運都出現(xiàn)了明顯的增強, 但是, 在2004~2005年厄爾尼諾期間SST正異常最大的月份, NEC輸運并沒有出現(xiàn)明顯的增強。為進一步增加這一現(xiàn)象的可信性, 本文利用衛(wèi)星高度計從2001年1月~ 2013年8月的數(shù)據(jù)資料計算了NEC沿130°~180°E的海表輸運(圖1c)。由圖1c可以看出, 厄爾尼諾期間SST正異常與NEC輸運之間的對應關系和利用MOAA GPV數(shù)據(jù)得到的結果非常吻合。因此, 以上描述的NEC輸運與4次厄爾尼諾之間的對應關系是可信的。

圖2 MOAA GPV數(shù)據(jù)中沿137°E斷面的年平均緯向西向速度(cm/s)Fig. 2 Annual mean zonal westward velocities (cm/s) across 137°E from the MOAA GPV

為了更清楚地研究厄爾尼諾和NEC輸運之間的關系, 圖3給出Ni?o-3.4 SST異常和基于MOAA GPV數(shù)據(jù)計算的140°E斷面上NEC輸運異常的時間序列, 為方便比較, 這里取NEC的西向輸運為正值。由圖可見, 自2001年以來的4次厄爾尼諾事件中, NEC輸運在2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾成熟期都出現(xiàn)了西向的異常極值, 但是, 在2004~2005年厄爾尼諾成熟期, NEC輸運并沒有出現(xiàn)西向的異常極值, 而是出現(xiàn)了東向異常。另外, 沿140°E斷面, NEC輸運異常超前Ni?o-3.4 SST異常大約2個月(相關系數(shù)為0.59, 高于95%置信水平), 這與Zhai等[15]得出的NEC沿138°~156°E的輸運異常超前Ni?o-3.4指數(shù)1~2個月的結果一致。

圖3 Ni?o-3.4 SST異常和NEC沿140°E輸運異常的時間序列Fig. 3 Ni?o-3.4 SST and NEC transport anomalies at 140°E

2.2 流場的演變

由于NEC輸運的年際變異與北太平洋海洋環(huán)流的變化有關, 因此利用合成分析法研究2002~2003、2006~2007、2009~2010年以及2004~2005年厄爾尼諾期間熱帶北太平洋環(huán)流異常的演變過程。圖4是2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾期間熱帶北太平洋上200 m平均的流異常和海面高度異常的演變合成圖, 其中T=0表示每次厄爾尼諾期間Ni?o-3.4 SST正異常最大的月份, 負值表示T=0之前的月份, 正值表示T=0之后的月份(以下類似)。由圖可見, 從T= –6個月開始, 在10°N以南、赤道以北的熱帶西太平洋區(qū)域, 出現(xiàn)了負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常。隨著時間的演變, 負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常逐漸加強, 在T=0個月的時候達到極值, 之后逐漸的減弱。在西北太平洋, 氣旋式環(huán)流異常將會加強NEC的輸運。

為了進一步研究熱帶西北太平洋環(huán)流變化的垂直分布, 圖5給出的是2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾期間140°E斷面上緯向流異常的合成圖。由圖可以看出, T= –8個月的時候, 在大約12°N的南北兩側分別出現(xiàn)了西/東向流異常。隨著時間的演變, 西向流異常逐漸地加強并向北移動, 到T=2個月的時候, 在10°N以南完全變成了東向流異常, 而西向流異常的核心移動到大約18°N附近。因此, NEC輸運在2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾的成熟期達到極大值, 然后逐漸減弱。

圖6是2004~2005年厄爾尼諾期間熱帶北太平洋上200 m平均的流異常和海面高度異常圖。由圖可見, 在厄爾尼諾成熟期之前, 從T= –8個月到T= –2個月, 在10°N以南的熱帶西太平洋區(qū)域出現(xiàn)了比較強的負的海面高度異常和氣旋式的環(huán)流異常,由此導致在2004~2005年厄爾尼諾成熟期之前出現(xiàn)了NEC輸運增強的現(xiàn)象。但是, 從T=0個月開始, 負的海面高度異常和氣旋式的環(huán)流異常逐漸擴展到10°N以北的區(qū)域。

由2004~2005年厄爾尼諾期間沿140°E斷面的緯向流異常圖(圖7)可以看出, 在T= –8個月的時候, 10°N的南北兩側分別出現(xiàn)了較強的東/西向流異常,這些緯向流異常構成了圖6中氣旋式環(huán)流異常的一部分, 并且隨著時間的演變逐漸減弱。從T= –2個月開始, 西向流異常的核心移動到15°N以北, 而東向流異常逐漸移動到10°N以北, 并逐漸加強。因此, 在2004~2005年厄爾尼諾的成熟期并沒有出現(xiàn)NEC輸運的加強, 反而出現(xiàn)了NEC輸運的東向異常。

2.3 風場的影響

已有的研究結果表明, 在熱帶西北太平洋, 海洋環(huán)流的低頻變異主要由海面風強迫所導致[4, 8, 11-14]。因此, 圖8給出的是2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾期間風應力異常和相應的Ekman抽吸速度異常的合成圖。由圖可見, 從T= –6個月到T= –2個月, 在赤道以北、20°N以南的熱帶北太平洋的中西部都出現(xiàn)了比較強的西風異常和正的Ekman抽吸速度異常, 之后逐漸減弱。正的Ekman抽吸速度異常將會引起西向傳播的上升Rossby波, 導致在熱帶西北太平洋出現(xiàn)負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常。

圖9是2004~2005年厄爾尼諾期間風應力異常和相應的Ekman抽吸速度異常的時間演變圖。由圖可以看出, 從T= –8個月到T= –6個月, 在15°N以南的熱帶北太平洋的中西部也出現(xiàn)了較強的正的Ekman抽吸速度異常。但是, 隨著時間的演變, 正的Ekman抽吸速度異常逐漸的向北移動至大約20°N附近。因此, 在2004~2005年厄爾尼諾成熟期, 氣旋式環(huán)流異常的中心比2002~2003、2006~2007、2009~ 2010年厄爾尼諾成熟期時偏北。

圖5 2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾期間沿140°E斷面的緯向流速度異常的合成Fig. 5 Composite anomalies of the zonal velocity at 140° E during the 2002~2003, 2006~2007, 2009~2010 El Ni?o events

圖6 2004~2005年厄爾尼諾期間上200 m平均的流異常和海面高度異常Fig. 6 Anomalies of the upper 200 m mean flow and sea surface height during the 2004~2005 El Ni?o event

圖7 2004~2005年厄爾尼諾期間沿140°E斷面的緯向流速度異常Fig. 7 Anomalies of the zonal velocity at 140° E during the 2004~2005 El Ni?o event

圖9 2004~2005年厄爾尼諾期間風應力異常和相應的Ekman抽吸速度異常Fig. 9 Anomalies of the wind stress vector and associated Ekman pumping velocity during the 2004~2005 El Ni?o event

在熱帶北太平洋, 海面風場和Ekman抽吸與海面溫度分布有關, 因此, 圖10給出了2002~ 2003、2006~2007、2009~2010和2004~2005年厄爾尼諾成熟期(厄爾尼諾期間SST正異常最大的月份以及之前和之后的一個月)平均的SST異常圖。由圖可見, 在2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾成熟期, 太平洋中東部的赤道區(qū)域出現(xiàn)了較強的SST正異常; 而在2004~2005年厄爾尼諾成熟期, 太平洋中部的赤道區(qū)域雖然也出現(xiàn)了SST正異常, 但強度較弱, 大范圍的正的SST異常出現(xiàn)在北太平洋區(qū)域, 特別是在20°N以北出現(xiàn)了較強的SST正異常。因此2004~2005年厄爾尼諾成熟期的Ekman抽吸速度正異常相對于其它3次厄爾尼諾成熟期偏北。

另外值得關注的是, Wu[28]指出ENSO對西北太平洋的影響與北太平洋年代際濤動(PDO)的位相有關, 在PDO的暖位相時, ENSO和季風的年際關系比較弱。2004~2005的厄爾尼諾事件恰好發(fā)生在新世紀的一次暖的PDO時期, 而暖的PDO位相會影響東亞夏季風, 進而使得ENSO對風場的調(diào)制作用變?nèi)? 導致2004~2005年厄爾尼諾時期的風場相對于其它3次厄爾尼諾時期偏北。

圖10 2002~2003、2006~2007、2009~2010以及2004~2005年厄爾尼諾成熟期平均的SST異常Fig. 10 Anomalies of the mean SST in mature phases during the 2002~2003, 2006~2007, 2009~2010, and 2004~2005 El Ni?o events

3 結論

已有的研究結果普遍認為NEC輸運的年際變化與ENSO事件密切相關, 在ENSO暖事件時期, NEC輸運增強[4, 13-16], 但是, 也有研究結果表明, 并不是所有的NEC輸運的極值都和ENSO事件有關[8, 14],因此, NEC輸運與ENSO之間存在著復雜的關系。本文基于利用海洋客觀分析數(shù)據(jù)MOAA GPV通過P-vector方法計算出的北太平洋絕對地轉流, 研究了2001~2013年期間厄爾尼諾與NEC輸運之間的關系。結果顯示, 2001年以來的4次厄爾尼諾事件中, NEC輸運在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄爾尼諾成熟期都出現(xiàn)了明顯的增強, 但是在2004~ 2005年厄爾尼諾成熟期并沒有明顯的增強。通過分析熱帶北太平洋的環(huán)流異常和海面高度異常發(fā)現(xiàn), 在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄爾尼諾成熟期, 10°N以南的熱帶西北太平洋區(qū)域出現(xiàn)了較強的負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常, 而在2004~2005年厄爾尼諾成熟期, 負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常出現(xiàn)在了10°N以北的西北太平洋區(qū)域。進一步分析北太平洋的風場發(fā)現(xiàn), 在2002~ 2003、2006~2007、2009~2010年的厄爾尼諾成熟期之前, 赤道以北、20°N以南的熱帶北太平洋的中西部出現(xiàn)了比較強的西風異常和正的Ekman抽吸速度異常, 之后逐漸的減弱。正的Ekman抽吸速度異常將引起西向傳播的上升Rossby波, 導致在熱帶西北太平洋出現(xiàn)負的海面高度異常和氣旋式環(huán)流異常,而氣旋式的環(huán)流異常有利于加強北赤道流的輸運。在2004~2005年厄爾尼諾的成熟期之前, 15°N以南的熱帶北太平洋中西部也出現(xiàn)了較強的正的Ekman抽吸速度異常, 但是之后, 正的Ekman抽吸速度異常明顯北移。因此, 在2004~2005年厄爾尼諾成熟期,氣旋式環(huán)流異常的中心比2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄爾尼諾成熟期時偏北。最后, 由熱帶太平洋平均的SST異常分布圖發(fā)現(xiàn), 在2004~2005年厄爾尼諾成熟期, 北太平洋出現(xiàn)了大范圍的正的SST異常, 特別是在20°N以北的區(qū)域強度較大, 而在赤道區(qū)域強度較弱, 因此, 2004~2005年厄爾尼諾時期的Ekman抽吸速度正異常相對于其他三次厄爾尼諾時期偏北。另外, 暖的PDO位相也使得在2004~2005年厄爾尼諾時期, ENSO對風場的調(diào)制能力變?nèi)?。在未來的工作? 我們將繼續(xù)關注PDO和NEC輸運在年際尺度上的關系。

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(本文編輯: 李曉燕)

Interannual variations of the North Equatorial Current transport in recent years during El Ni?o events

WU Guo-li1, 2, 3, WANG Qing-ye1, ZHAI Fang-guo4, HU Dun-xin1
(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 4. College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Jan., 30, 2015

the North Equatorial Current transport; El Ni?o; interannual variation

In this study, we calculated the absolute geostrophic currents in the North Pacific Ocean using the P-vector method and ocean Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis using Argo data (MOAA GPV). We then investigated the relationship between the North Equatorial Current (NEC) transport and El Ni?o events occurring between 2001~2013. During the four El Ni?o events since 2001, the NEC transport significantly increased during the mature phases of the 2002~2003、2006~2007 and 2009~2010 El Ni?o events, but did not significantly increase in the mature phase of the 2004~2005 El Ni?o event. We performed further analyses and found that negative sea surface height and cyclonic gyre anomalies took place south of 10° N in the tropical North Pacific Ocean during the mature phases of the 2002~2003、2006~2007 and 2009~2010 El Ni?o events. These were mainly induced by the westerly wind anomaly and positive Ekman pumping in the tropical gyre area through westward-propagating Rossby waves. However, during the mature phase of the 2004~2005 El Ni?o event, the distribution of sea surface temperature anomalies was obviously different. The westerly wind anomaly and positive Ekman pumping moved significantly northward, which led to negative sea surface height and cyclonic gyre anomalies taking place north of 10° N in the northwest Pacific Ocean. As such, the NEC transport did not significantly increase during the mature phase of the 2004~2005 El Ni?o.

P731.27

A

1000-3096(2016)02-0118-10

10.11759/hykx20150130002

2015-01-30;

2015-03-27

“全球變化與海氣相互作用”任務專項(GASI-03-01-01-05);國家基礎研究項目(2012CB417401, 2013CB956202)

吳國麗(1981-), 女, 山東菏澤人, 講師, 博士研究生, 主要從事物理海洋學研究, 電話: 18254230560, E-mail: wuguoli81@163.com