熱帶太平洋海平面年際和年代際變化研究進展

陳美香，左常圣，張雯皓，賈亞茹，呂曉鳳

(河海大學海洋學院，江蘇南京210098)

熱帶太平洋海平面年際和年代際變化研究進展

陳美香，左常圣，張雯皓，賈亞茹，呂曉鳳

(河海大學海洋學院，江蘇南京210098)

回顧熱帶太平洋對海平面長期趨勢有重要影響的海平面年際和年代際變化的相關(guān)研究，總結(jié)包括近期提出的中部型厄爾尼諾在內(nèi)的2種類型厄爾尼諾對熱帶太平洋海平面年際變化的影響，揭示了熱帶太平洋海平面年代際變化與信風年代際變化之間的緊密聯(lián)系。指出赤道信風的增強對近期熱帶太平洋海平面變化格局的形成有決定性作用，厄爾尼諾強度的減弱對這種格局有貢獻，而拉尼娜的影響有待深入研究。研究資料的局限性導致年代際變化的定量研究成果較少，在研究海平面年際和年代際變化時應用的熱通量評估模型有待改進。

熱帶太平洋;海平面變化;厄爾尼諾;信風

全球變暖伴隨的海平面上升使得人類對海平面變化的關(guān)注空前增加，全球及區(qū)域海平面變化是當今氣候變化研究領(lǐng)域的重要科學問題，受到各國科學家和政府決策者的高度關(guān)注。一方面，海平面變化與氣候變化密不可分，全球變暖引起的海洋增溫和陸地、極地冰川的消融對全球海平面上升影響深遠，而海平面變化后引起的地球系統(tǒng)各個圈層的變化會反過來影響氣候變化，因而海平面變化是氣候變化的重要組成者和影響者;另一方面，海平面變化與人類的生活息息相關(guān)，海平面上升將會對近海的自然環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和人類活動產(chǎn)生廣泛而深遠的影響，如沿海濕地損失、風暴潮災害加劇、咸潮上溯加重等。

衛(wèi)星高度計資料的出現(xiàn)極大豐富了人們對近乎全球范圍海平面變化的了解，也加深了對全球及區(qū)域海平面上升這一事實的認識，是海平面變化研究歷程的重要里程碑。利用驗潮站、衛(wèi)星高度計及溫鹽等多種資料的研究結(jié)果顯示，20世紀全球平均海平面的上升速率為1．7±0．3 mm/a，1950—2000年、1993—2003年、2003年以來上升速率分別為1．8±0．3 mm/a、3．1±0．7 mm/a、2．4±0．8 mm/a，其中高精度衛(wèi)星高度計觀測以來(1993年以來)全球平均海平面上升速率較之前的時段有很大增加［1-8］。

在全球平均海平面上升速率顯著增加的同時，上述研究結(jié)果也顯示全球海平面變化存在很強的區(qū)域不均勻性。熱帶太平洋在最近20年同時出現(xiàn)了全球海平面上升最快和下降最快的區(qū)域:熱帶西太平洋海平面上升速率居全球之首，平均海平面上升速率超過10 mm/a，為全球平均值(3 mm/a左右)的3～4倍;而熱帶東太平洋是全球海平面下降最快的海域［1，9-14］;這一巨大反差格局使得熱帶太平洋海平面變化備受關(guān)注。原因之一是熱帶西太平洋島嶼遍布、國家眾多、人口密集，另外珊瑚礁資源豐富，海平面上升對這些島國及珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的影響重大，如果海平面持續(xù)快速上升將引發(fā)區(qū)域性危機，開展該海域海平面變化研究具有重要的現(xiàn)實意義;其二，熱帶西太平洋暖池是全球大氣運動最主要的熱源地和全球氣候異常的敏感區(qū)，海平面變化在很大程度上是氣候系統(tǒng)低頻變化的一種反映，如大氣環(huán)流、信風和海洋環(huán)流的變化等，故對該區(qū)域海平面變化進行深入研究兼?zhèn)渲匾目茖W意義。

考慮到氣候變化研究更關(guān)注低頻變化，盡管海平面長期趨勢是人們非常關(guān)心的問題，而本文的出發(fā)點也是熱帶太平洋海平面長期趨勢的空間分布，但準確來說長期趨勢的研究需要依賴于相當長的時間序列數(shù)據(jù)，以往眾多研究者給出的海平面長期趨勢的估計在很大程度上是長度非常有限的時段內(nèi)海平面的變化速率，準確地說，這種趨勢是年代際尺度上的變化趨勢而非嚴格意義上的長期趨勢，受到研究時段內(nèi)海平面年際和年代際變化的顯著影響［1，15-17］。因此本文主要從年際變化和年代際變化角度對熱帶太平洋海平面變化研究進行回顧，總結(jié)已有的研究成果，分析存在的主要問題，提出相應的改進建議。

1 熱帶太平洋海平面年際變化特征及機制

1993年以來的高度計數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，傳統(tǒng)型和暖池型厄爾尼諾在海平面年際變化信號中分別表現(xiàn)為52個月和30個月的顯著周期，暖池型厄爾尼諾爆發(fā)周期更短?；贗shii海溫數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果顯示，過去60 a總共發(fā)生了21次厄爾尼諾事件，其中有11次傳統(tǒng)型厄爾尼諾，10次暖池型厄爾尼諾;20世紀80年代以前，暖池型厄爾尼諾每個年代僅發(fā)生1次，而90年代以來卻發(fā)生了6次，發(fā)生頻率明顯增加;與此同時傳統(tǒng)型厄爾尼諾發(fā)生頻率在下降［26，32-33］;海溫統(tǒng)計結(jié)果顯示的暖池型厄爾尼諾事件發(fā)生頻率的增加與高度計分析得到的此類型厄爾尼諾事件的爆發(fā)周期較短是一致的。數(shù)值模式預測結(jié)果也顯示，全球變暖背景下未來暖池型厄爾尼諾發(fā)生頻率大約是傳統(tǒng)型的5倍之多［34］。因此關(guān)注暖池型厄爾尼諾對海平面年際變化的影響具有重要的意義。

熱帶太平洋與ENSO有關(guān)的海平面年際變化與大氣和海洋過程密不可分，風場、海氣界面的熱通量、海洋垂向熱結(jié)構(gòu)以及環(huán)流的變化等都是海平面變化的原因。Chang等［26］用風場的輻聚輻散異常來解釋不同類型厄爾尼諾期間熱帶太平洋典型海域海平面的年際變化，如暖池型厄爾尼諾發(fā)展初期到成熟階段，熱帶太平洋中部和東部海平面持續(xù)上升是由輻散風場持續(xù)減弱引起的。海洋對大氣環(huán)流異常的響應是海平面發(fā)生變化的重要途徑，仍以暖池型厄爾尼諾為例:東太平洋的東風異常和西太平洋的西風異常在赤道太平洋日界線附近引起大氣輻聚，促使赤道太平洋中部溫躍層加深，層化加強，垂向?qū)α鳒p弱，導致次表層明顯增暖，海洋熱容量增加，最終赤道太平洋中部海平面出現(xiàn)上升。Lu等［35］認為熱帶太平洋海平面年際變化中熱通量的作用不可忽略，熱通量的變化通過改變上層海洋溫度從而導致海水的體積膨脹或者收縮即通過熱比容效應來改變海面高度。另外，北赤道流分叉的南北移動、赤道流系的強度變化都會引起鄰近的熱帶太平洋海平面出現(xiàn)年際差異［36-37］。

從大氣強迫的角度看，風場、熱通量的變化會引起海洋密度場和環(huán)流的變化，繼而導致熱含量等因素的變化從而引起海平面發(fā)生變化，因此風場和熱通量是引起海平面年際變化的根本原因。單純的風場的作用可以從局地的Ekman抽吸和西傳的Rossby波的影響2個方面來分析。一層半約化重力模型結(jié)果顯示，2種類型的厄爾尼諾事件期間風場的作用對傳統(tǒng)型事件的貢獻更大，而來自遙過程的Rossby波機制比局地Ekman抽吸更為重要。Ekman抽吸對傳統(tǒng)型厄爾尼諾期間海平面變化的影響僅限于發(fā)展階段和成熟階段，對消衰階段幾乎沒有作用;但對暖池型厄爾尼諾自始至終都有影響。Rossby波的貢獻在傳統(tǒng)型厄爾尼諾期間有明顯的空間形態(tài)的變化且貢獻值在50%左右，而在暖池型事件中基本沒有空間形態(tài)的差異且貢獻值僅有35%［26］。Lu等［35］指出熱通量對熱帶太平洋海平面年際變化的貢獻在東北部和西部最大，分別可以達到60%和50%，盡管不同熱通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品有較大差別。

2 熱帶太平洋海平面年代際變化特征及機制

1993年以來整個太平洋海平面變化趨勢的空間分布表現(xiàn)為洋盆西升東降的特征，熱帶西太平洋平均海平面上升速率居全球之首而熱帶東太平洋是全球海平面下降最快的海域［1，9-14，38］;然而上述海平面變化的空間形態(tài)并非一直如此。1950—2000年太平洋海平面變化趨勢與1993年以來的空間分布形態(tài)有很大差別，其空間特征表現(xiàn)為赤道外海域洋盆東升西降，全球范圍內(nèi)海平面上升速率最快的海域在赤道外東太平洋，整個赤道太平洋海平面以下降為主，而熱帶西太平洋及熱帶東印度洋海平面下降速率最大［1，39-40］。通過比較不難看出，熱帶太平洋海平面變化趨勢在不同時段差異很大。實際上海平面變化趨勢的年代際差異并不是一個新事物，研究海平面變化的學者們早已發(fā)現(xiàn)了在時間序列長度有限的情況下，海平面的年際信號和年代際振蕩尤其是后者會嚴重影響海平面變化趨勢，短時間內(nèi)的趨勢變化可能僅僅是海平面年代際信號的反映［1，15-17］。因此，盡管1993年以來熱帶西太平洋海平面在快速上升，但如果這種上升只是受年代際變化的影響，那么這種快速上升可能不會持久，這對預測未來海平面長期變化很有意義，所以關(guān)注熱帶太平洋海平面年代際變化非常重要。

1993年以來高精度衛(wèi)星高度計資料的時間序列最長不過23 a，像太平洋年代際濤動(PDO，Pacific Decadal Oscillation)［41］甚至更加低頻的信號很難從時間序列中完全分離出來。但迄今為止基于長期驗潮站數(shù)據(jù)和高度計數(shù)據(jù)仍有一些重要的結(jié)論被發(fā)現(xiàn)，如熱帶太平洋海平面年代際振蕩與PDO指數(shù)存在很好的相關(guān)關(guān)系，尤其是20世紀70年代中后期以及90年代初期太平洋氣候轉(zhuǎn)型伴隨的PDO位相的轉(zhuǎn)變在熱帶太平洋海平面信號中有很好的體現(xiàn)［42-45］;同時北太平洋環(huán)流濤動(NPGO，North Pacific Gyre Oscillation)可能對熱帶太平洋海平面年代際變化也有重要影響［12，46］。其實熱帶太平洋的年代際變化與PDO和NPGO存在相關(guān)并不奇怪，因為PDO和NPGO分別對應太平洋海平面年代際變化的經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)的第一模態(tài)和第二模態(tài)，二者從根本上講是對大尺度大氣強迫的一種響應，而赤道大氣耦合過程在太平洋乃至全球的大氣運動中起著重要作用［47］。另外，ENSO本身也有較為明顯的年代際特征，如Timmermann等［48］指出1993—2008年間厄爾尼諾事件的平均強度從強到弱的年代際變化有利于熱帶西太平洋海平面的上升。

在年代際時間尺度上，熱帶太平洋海平面存在的幾十年的年代際振蕩與熱帶太平洋信風強度的年代際變化有很好的對應關(guān)系。實測資料分析方面，F(xiàn)eng等［43］指出澳大利亞Fremantle站的海平面在20世紀50年代到70年代中期出現(xiàn)高值與太平洋信風增強有關(guān)，而70年代中期到90年代中期海平面維持較低水平則與該時段信風減弱有關(guān);近期基于更長的時間序列眾多研究者認為熱帶太平洋海平面存在的年代際變化在很大程度上受制于1950—1990年太平洋信風的減弱以及1990年以來的信風增強［12，16，44-45，48-51］。數(shù)值研究則證明了風的強迫是決定熱帶太平洋海平面變化空間分布的重要因素，尤其是1993年以來高度計觀測時段［13，37，52-54］。

文獻［12，43，54］基于1950年以來的風場數(shù)據(jù)和海平面重構(gòu)數(shù)據(jù)認為可以用緯向風應力增強與壓強梯度保持平衡的理論來解釋赤道太平洋海平面出現(xiàn)的年代際振蕩如熱帶西太平洋暖池近期的快速上升，而在赤道外海域海平面變化可以用風應力旋度變化導致的Ekman抽吸以及Rossby波的傳播來解釋，但這些研究僅僅止于定性分析并未給出定量估計。Qiu等［13］利用風應力強迫的非線性一層半模型模擬了1993—2009年熱帶西太平洋海平面變化是為數(shù)不多的定量研究，分析發(fā)現(xiàn)風場的驅(qū)動可以很好地刻畫這一時段西太暖池海平面線性趨勢的空間分布，但研究時段較短難以反映風場的低頻變化對海平面年代際變化的影響。

3 研究現(xiàn)狀剖析

總體來看，已有研究對熱帶太平洋海平面變化的規(guī)律有較為清晰的認識，包括海平面年際變化與不同類型厄爾尼諾的關(guān)系，海平面年代際變化與PDO、ENSO和NPGO的聯(lián)系等;機制方面已經(jīng)認識到風場、熱通量等強迫對熱帶太平洋海平面年際和年代際變化的影響，并且已經(jīng)建立了相對完善的理論或者模型來描述這些機制。然而目前我們能夠掌握的關(guān)于熱帶太平洋海平面低頻變化的定量分析結(jié)果，主要針對的是年際尺度，年代際尺度的結(jié)果非常少，其原因可以歸結(jié)為3個方面資料的局限性。

a．海平面資料的不完善。高精度的近乎覆蓋全球范圍的衛(wèi)星高度計資料是從1993年開始的，到目前大約23 a的長度，這個長度用于分析年際變化尚可，但對于幾十年的年代際信號的提取資料長度遠遠不夠。衛(wèi)星高度計資料出現(xiàn)之前只能依賴于長期驗潮站數(shù)據(jù)，由于驗潮站空間分布稀疏，多半分布在北半球以及大洋沿岸，資料長度參差不齊等原因限制了驗潮站數(shù)據(jù)在全球及區(qū)域海平面研究中的應用。近年來出現(xiàn)了利用高度計資料結(jié)合驗潮站資料進行的海平面數(shù)據(jù)重構(gòu)研究，被廣泛引用的有Church等［1］和Hamlington等［55-56］的成果，但由于重構(gòu)方法及數(shù)據(jù)資料的局限性不同重構(gòu)數(shù)據(jù)分析結(jié)果差別較大，對于這些重構(gòu)數(shù)據(jù)的可靠性尚存在爭議。

b．風場數(shù)據(jù)的局限性。不同風場數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供的歷史風場數(shù)據(jù)的差異是導致這項研究存在難度的另外一個原因，尤其是年代際尺度。如Merrifield等［45］在研究風場對熱帶太平洋海平面年代際變化的影響時發(fā)現(xiàn)，美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)再分析風場數(shù)據(jù)顯示1950—1990年赤道信風呈減弱趨勢，1990年以來呈增強趨勢，這可以很好的解釋1950—1990年以及20世紀90年代以來熱帶西太平洋海平面在2個時段分別出現(xiàn)的下降和上升趨勢;然而歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的ORA-S3資料卻顯示1950—1990年間赤道信風基本無趨勢變化而20世紀90年代以來出現(xiàn)增強趨勢，這樣基于ECMWF風場數(shù)據(jù)不能給出1950—1990年間赤道信風與熱帶太平洋海平面年代際變化之間的對應關(guān)系。

c．熱通量數(shù)據(jù)產(chǎn)品的不一致性，這是導致無法定量給出熱通量對海平面低頻變化影響的一個主要原因。Lu等［35］在分析熱通量對熱帶太平洋海平面年際變化的影響時發(fā)現(xiàn)，基于同樣的理論進行計算，常用的幾種熱通量數(shù)據(jù)中OAFlux與CORE．2和ORA－S3數(shù)據(jù)結(jié)果有很大差異，而后兩者也存在明顯的不符合之處。筆者在分析熱通量對全球上層海洋比容變化的影響時也發(fā)現(xiàn)，NCEP－NCAR、GODAS以及OAFlux數(shù)據(jù)也都存在不小的差異。

除數(shù)據(jù)的局限性以外，評估熱通量對海平面影響所用的數(shù)值模型可能不夠完善。目前幾乎所有研究者都在采用Stammer等［57］提出的理論模型，這個模型在早期研究中僅僅用于剔除熱通量引起的海平面變化中的季節(jié)信號［57-59］，只是近幾年才被一些年輕學者用于分析熱通量對海平面低頻變化的影響［35，60］。筆者通過研究發(fā)現(xiàn)，該模型用于評估熱通量對海平面季節(jié)變化這樣相對高頻變化的影響是可以的，但是用于像年際乃至更低頻的變化可能需要謹慎。原因是其他一些刻畫低頻過程的理論模型都有考慮耗散作用［26，35，60］，而這個模型是沒有考慮耗散的。由于耗散作用有一定的時間尺度，季節(jié)尺度上因時間相對較短，采用這個模型不考慮耗散可能沒有太大影響，但在年際或者更長的時間尺度上不考慮耗散效應可能會導致對熱通量作用的估計失真。這或許是Lu等［35］發(fā)現(xiàn)熱通量給出的熱帶太平洋海平面長期趨勢與實測資料有很大差異的部分原因。

4 結(jié)論與展望

近20年來熱帶西太平洋海平面持續(xù)快速上升而熱帶東太平洋卻表現(xiàn)為下降使得熱帶太平洋的關(guān)注度在ENSO等現(xiàn)象的基礎(chǔ)上再次升溫，一方面是因為熱帶太平洋是全球大氣海洋運動能量的源地，全球氣候變化的發(fā)動機，熱帶太平洋海平面變化是氣候變化的承載者;另一方面則與熱帶西太平洋島嶼國家眾多，熱帶珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)非常寶貴，海平面持續(xù)上升將會帶來危險后果有關(guān)。

關(guān)于海平面的眾多研究成果是基于1993年以來的高精度高分辨率的衛(wèi)星高度計資料的，熱帶太平洋也不例外?？紤]到1993年以來西太暖池出現(xiàn)的海平面持續(xù)快速上升，以及人們對于大尺度海氣過程的認識，有必要弄清這種快速上升是否受年際和年代際變化的影響。這是筆者選擇研究時間尺度的出發(fā)點。

熱帶太平洋海平面年際變化主要受ENSO事件的影響，不同類型ENSO事件期間熱帶太平洋海平面變化形態(tài)不同。海平面年代際變化主要受制于PDO和NPGO等大尺度海氣過程以及ENSO的年代際變化。ENSO、PDO和NPGO主要通過太平洋信風的變化來影響海平面變化，也有熱通量等因素的作用。目前海平面和風場之間的聯(lián)系已經(jīng)基本確定，如年際尺度上ENSO期間緯向風的輻聚輻散會導致海平面出現(xiàn)升降，年代際尺度上不同的PDO位相對應的信風強弱會導致海平面發(fā)生變化。從已有研究的定性結(jié)論來看，厄爾尼諾在近20年平均強度的減弱有利于近期熱帶西太平洋海平面出現(xiàn)上升趨勢;而拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生時西太暖池海平面會升高，研究熱帶西太平洋海平面近期快速上升與海平面年際變化之間的關(guān)系也需要關(guān)注拉尼娜事件的變化。年代際尺度上PDO或者NPGO通過信風強度的調(diào)整可能是近期熱帶西太平洋海平面快速上升的主要原因。

風場、熱通量等因子對海平面變化影響的定量分析結(jié)果，以年際尺度較多，年代際尺度相對缺乏。資料的長度和數(shù)據(jù)的質(zhì)量是影響熱帶太平洋海平面變化定量分析結(jié)果的關(guān)鍵因素。高空間分辨率的長時間序列的海平面資料的缺乏，重構(gòu)海平面數(shù)據(jù)的不確定性，不同來源的風場數(shù)據(jù)和熱通量數(shù)據(jù)的巨大差異都是造成上述問題的原因。另外，熱通量模型可能并不完善是一個需要深入研究的問題。

數(shù)據(jù)的可靠性和模型的準確性是決定熱帶太平洋海平面低頻變化研究能否取得合理結(jié)論的主要因素。在目前的情況下，數(shù)據(jù)開發(fā)者在不斷探尋新的分析方法和處理手段，繼續(xù)開展深入研究需要盡可能利用最新的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，多來源的資料，在總結(jié)不同數(shù)據(jù)結(jié)果一致性的基礎(chǔ)上也要注意比較不同數(shù)據(jù)結(jié)果的差異，這樣才能給出客觀準確的分析結(jié)果。

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Research progress of inter-annual and multi-decadal sea level variability in tropical Pacific Ocean

CHEN Meixiang，ZUO Changsheng，ZHANG Wenhao，JIA Yaru，LYU Xiaofeng
(College of Oceanography，Hohai University，Nanjing 210098，China)

2016－08－15

國家自然科學基金(41506006，41376028，41506020，41276018);江蘇省自然科學基金(BK20140846);全球變化與海洋相互作用專項(GASI-03-01-01-09，GASI-IPOVAI-04);國家海洋局海洋數(shù)據(jù)分析與應用重點實驗室開放基金(LDAA-2013-01)

陳美香(1981—)，女，山東濰坊人，講師，博士，主要從事氣候與海平面變化研究。E-mail:chenmeixiang@hhu．edu．cn

P714

A

1000－1980(2017)03－0249－07

10．3876/j．issn．1000－1980．2017．03．010