熱帶太平洋海平面低頻變化

陸青，左軍成，吳靈君

(1. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000；3.河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

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熱帶太平洋海平面低頻變化

陸青1，左軍成2，吳靈君3

(1. 國(guó)家海洋局第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2. 浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000；3.河海大學(xué) 文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243031)

本文選取ECMWF ORAS4再分析數(shù)據(jù)對(duì)1959-2015年熱帶太平洋海平面的低頻變化進(jìn)行了分析。熱帶太平洋海平面年際變化第一模態(tài)反映了ENSO爆發(fā)階段的海平面變化，熱帶東、西太平洋變化反相，其時(shí)間序列與Nio3.4指數(shù)高度相關(guān)。海平面第二模態(tài)則體現(xiàn)了El Nio爆發(fā)前后熱帶太平洋暖水的輸運(yùn)過(guò)程。El Nio爆發(fā)前熱帶西太平洋暖水聚集的位置，以及爆發(fā)后暖水向赤道外輸運(yùn)的位置在兩類(lèi)El Nio事件中均有所不同。此外，ENSO的周期在近半個(gè)世紀(jì)發(fā)生了顯著的年代際變化，這一變化與熱帶太平洋的年代際變化有關(guān)。熱帶太平洋的年代際變化對(duì)海平面趨勢(shì)變化也有著顯著的影響。衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)到的近20年海平面的快速上升(下降)正是由20世紀(jì)90年代后熱帶太平洋頻繁的位相轉(zhuǎn)換引起的。

熱帶太平洋；海平面；年際變化；年代際變化；趨勢(shì)變化

1 引言

近年來(lái)，海平面的低頻變化是物理海洋學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。這不僅因?yàn)楹Ｆ矫娴纳仙o人口密集且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海城市群帶來(lái)了巨大的威脅，還因?yàn)楹Ｆ矫孀兓呛Ｑ髢?nèi)部動(dòng)力與熱力過(guò)程變化的一個(gè)體現(xiàn)，它可作為研究大洋環(huán)流和氣候變化的一個(gè)指標(biāo)。由于不同海域受大氣環(huán)流和海洋環(huán)流等因素的影響不同，全球海平面變化在空間上呈現(xiàn)出顯著的區(qū)域差異性。熱帶太平洋是全球海平面變化最典型的海域之一，它不僅具有明顯的季節(jié)變化，而且年際與年代際變化也十分顯著。

隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的豐富和數(shù)值模式的發(fā)展，對(duì)海平面變化的研究也逐漸深入。研究發(fā)現(xiàn)，熱帶太平洋海平面從季節(jié)尺度到年代際尺度，甚至是長(zhǎng)期趨勢(shì)變化上均存在著顯著的變化。季節(jié)尺度上，海平面變化最強(qiáng)烈的海域在熱帶太平洋東北部，其季節(jié)信號(hào)占海平面變化總信號(hào)的60%以上[1]。年際尺度上，ENSO(El Nio-Southern Oscillation)是熱帶太平洋最顯著的年際信號(hào)[2]。海平面的變化與溫躍層厚度變化關(guān)系密切，因此許多學(xué)者通過(guò)分析熱帶太平洋的海平面變化來(lái)研究ENSO的海洋動(dòng)力過(guò)程[3-4]。關(guān)于熱帶太平洋年代際和多年代際變化的機(jī)制，目前尚未有定論，有學(xué)者認(rèn)為熱帶太平洋的年代際變化可由其自身的海氣相互作用產(chǎn)生[5-7]，也有人認(rèn)為熱帶太平洋年代際變化主要受副熱帶太平洋年代際變化影響[8-10]。

此外，熱帶太平洋海平面的趨勢(shì)變化也一直是研究的熱點(diǎn)。前人利用驗(yàn)潮站資料、海平面重構(gòu)資料、再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，熱帶太平洋海平面近20年的變化速率遠(yuǎn)大于過(guò)去半個(gè)世紀(jì)的變化速率，并且熱帶東、西太平洋呈現(xiàn)顯著的空間差異[11-15]。研究表明，海平面的趨勢(shì)變化與所分析數(shù)據(jù)的時(shí)間序列長(zhǎng)度有很大關(guān)系[16]。對(duì)于衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)而言，它的時(shí)間跨度僅20年左右，其海平面趨勢(shì)變化受ENSO、PDO(Pacific Decadal Oscillation)等氣候現(xiàn)象的影響顯著[17]。所以，本文選取時(shí)間序列相對(duì)較長(zhǎng)的SODA 2.2.4和ECMWF ORAS4再分析海平面數(shù)據(jù)，通過(guò)與衛(wèi)星觀測(cè)海平面的對(duì)比，選擇相對(duì)接近衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的一組資料來(lái)分析熱帶太平洋海平面近半個(gè)世紀(jì)的低頻變化特征及其原因。

2 數(shù)據(jù)介紹

本文熱帶太平洋的地理范圍定義為20°S～20°N，120°E～80°W。海平面低頻變化是本文關(guān)注的重點(diǎn)，所以季節(jié)變化以及周期小于1 a的變化均已通過(guò)低通濾波從月均海平面的時(shí)間序列中移除。

本文所用的衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于AVISO[18-19](Archivings Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)網(wǎng)站，數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間范圍為1993年1月至2015年12月，時(shí)間間隔為1個(gè)月。對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間跨度的海平面數(shù)據(jù)，本文選用的是SODA 2.2.4[20]和ECMWF ORAS4[21]的再分析資料。其中，SODA資料由美國(guó)馬里蘭大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系聯(lián)合美國(guó)德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)海洋學(xué)系共同研發(fā)，其空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間范圍為1958年1月到2010年12月；而ECMWF ORAS4資料由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心制作，空間分辨率是1°×1°，時(shí)間從1958年1月至2015年12月，兩組再分析資料均為月均資料。此外，本文選擇選擇Nio3指數(shù)(5°S～5°N，150°～90°W)來(lái)表示東部型El Nio， Nio4指數(shù)(5°S～5°N，160°E～150°W)表示中部型El Nio，Nio3.4指數(shù)(5°S～5°N，170°～120°W)來(lái)表示兩種類(lèi)型皆有的El Nio。

上述3個(gè)海平面資料的重合時(shí)段為1993年1月至2010年12月，因此，本文使用回報(bào)技巧評(píng)分將該時(shí)段內(nèi)的再分析海平面與衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比(圖1)。其中，回報(bào)技巧評(píng)分的定義為S=1-〈(h0-hp)2〉/〈(h0)2〉，h0和hp分別為觀測(cè)和回報(bào)的海平面高度異常，中括號(hào)表示時(shí)間平均。S的取值范圍為-∞

3 熱帶太平洋海平面年際變化時(shí)空特征

為研究熱帶太平洋海平面的年際變化，我們對(duì)海平面進(jìn)行了EOF分解。EOF前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為45%和16%，兩者之和超過(guò)總方差貢獻(xiàn)的一半，因此，下文主要對(duì)EOF的前兩個(gè)模態(tài)進(jìn)行深入分析。

熱帶太平洋海平面EOF第一模態(tài)反映的是ENSO變化。該模態(tài)在空間上表現(xiàn)為熱帶東、西太平洋海平面變化反相(圖2)，且其時(shí)間序列與Nio3.4指數(shù)有著很好的相關(guān)關(guān)系，兩者即時(shí)相關(guān)高達(dá)r=0.93(P<0.001)。對(duì)第一模態(tài)的時(shí)間序列進(jìn)行小波分析可以看出，ENSO的周期在近半個(gè)世紀(jì)發(fā)生了顯著的變化(圖3b)。1978年之前ENSO的周期主要是2～4 a；而1978-2000年，ENSO的周期變?yōu)?～6 a，其中4～6 a周期的能譜信號(hào)異常強(qiáng)烈。Wang和An[22]認(rèn)為ENSO周期在20世紀(jì)70年代中期表現(xiàn)出的年代際變化與熱帶太平洋平均背景風(fēng)場(chǎng)的改變有關(guān)。2000年后，4 a左右周期的能譜信號(hào)減弱，ENSO的周期變?yōu)?～3 a和5～6 a。

熱帶太平洋海平面EOF第二模態(tài)反映的年際變化與ENSO的發(fā)展過(guò)程有關(guān)。第二模態(tài)的時(shí)間序列提前Nio3.4指數(shù)7個(gè)月時(shí)，兩者呈最大正相關(guān)(r=0.41，P<0.001)；而第二模態(tài)的時(shí)間序列滯后Nio3.4指數(shù)8個(gè)月時(shí)，兩者呈最大負(fù)相關(guān)(r=-0.55，P<0.001)。第二模態(tài)時(shí)間序列的小波分析顯示，1978年前及2000年后，第二模態(tài)的周期是2～4 a，而1978-2000年，周期為2～6 a，其中4～6 a周期的能譜信號(hào)異常強(qiáng)烈(圖3d)。

圖1 SODA 2.2.4(a)和ECMWF ORAS4(b)對(duì)熱帶太平洋衛(wèi)星觀測(cè)海平面的回報(bào)技巧評(píng)分(圖中等值線(xiàn)間隔為0.1，黑色等值線(xiàn)表示S=0)Fig.1 Skills of reanalysis data from SODA 2.2.4 (a) and ECMWF ORAS4 (b) in explaining the variance of altimetry-derived sea surface height anomalies in the tropical Pacific (contours indicate a skill of 0.1， black contours denote S=0)

圖2 熱帶太平洋海平面年際變化第一模態(tài)與第二模態(tài)的空間分布Fig.2 The spatial patterns of the first two EOF modes of interannual sea level variation in the tropical Pacific

圖3 熱帶太平洋海平面年際變化第一模態(tài)和第二模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(黑線(xiàn)，彩色直方圖表示Nio3.4指數(shù))及其小波能譜圖Fig.3 The first two principal components (black lines， color histogram indicates the Nio3.4 index) of interannual sea level variation and theirs wavelet power spectrum diagrams

圖4 1979-1999年和2000-2015年熱帶太平洋SSH分別與Nio3(左列)和Nio4(右列)指數(shù)的滯后相關(guān)系數(shù)空間分布(圖中a～g分別表示海平面高度滯后Nio3指數(shù)-9，-6，-3，0，3，6，9個(gè)月時(shí)的相關(guān)系數(shù)，h～n分別表示海平面高度滯后Nio4指數(shù)-9，-6，-3，0，3，6，9個(gè)月時(shí)的相關(guān)系數(shù)，負(fù)號(hào)表示提前)Fig.4 Lagged-regression coefficients between the 1979-1999 sea surface height and the Nio3 index (left panels， figs. a-g mean sea surface height lag the Nio3 index-9，-6，-3， 0， 3， 6， 9 months)， and between the 2000-2015 sea surface height and the Nio4 index (right panels， figs. h-n mean sea surface height lag the Nio4 index-9，-6，-3， 0， 3， 6， 9 months)

4 熱帶太平洋海平面年代際變化

關(guān)于熱帶太平洋年代際變化的機(jī)制，到底是由熱帶太平洋本身的海氣系統(tǒng)相互作用產(chǎn)生的[5-7]，還是由副熱帶年代際變化通過(guò)海洋通道或者大氣橋影響熱帶太平洋的[8-10]，目前還沒(méi)有定論。

圖5 熱帶太平洋海平面年代際變化第一模態(tài)的空間分布以及標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(黑線(xiàn)，彩色直方圖表示PDO指數(shù)) Fig.5 The spatial pattern and principal components (black line， color histogram indicates the PDO index) of the first EOF mode of decadal sea level variation in the tropical Pacific

5 熱帶太平洋海平面趨勢(shì)變化

熱帶太平洋海平面趨勢(shì)變化因資料長(zhǎng)度的不同，影響其變化的因素也有所不同。當(dāng)海平面的時(shí)間序列長(zhǎng)度在10 a左右時(shí)，其趨勢(shì)變化受年際變化(如ENSO循環(huán))影響顯著；而當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為幾十年時(shí)，海平面趨勢(shì)變化除受年際變化影響外，還受年代際變化和全球氣候變化的影響。

在1958-2015年整個(gè)時(shí)間段上，熱帶太平洋海平面趨勢(shì)變化存在顯著的空間差異，如圖6中所示，趨勢(shì)變化最顯著的區(qū)域在熱帶西北太平洋(區(qū)域A，5°～15°N，125°～160°E)，最大上升趨勢(shì)為2.7 mm/a；赤道中太平洋(區(qū)域B，5°S～5°N，180°～140°W)呈微弱的下降趨勢(shì)(-0.8 mm/a)；而赤道東太平洋(區(qū)域C，5°S～5°N，110°～80°W)無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)。下文將選取上述3個(gè)區(qū)域，分別討論它們?cè)诓煌瑫r(shí)段的海平面趨勢(shì)變化。

前人的研究表明，全球平均表面氣溫在PDO的冷位相時(shí)無(wú)明顯的趨勢(shì)變化，在PDO的暖位相時(shí)加速上升，而2000年后這一趨勢(shì)變化又趨于停滯[32]。熱帶太平洋在其年代際變化的冷位相時(shí)(1958-1978年)，熱帶西北太平洋海平面上升趨勢(shì)明顯(3.8 mm/a，圖7)，赤道中、東太平洋海平面雖然均呈下降趨勢(shì)，但赤道中太平洋的下降趨勢(shì)更為顯著(-3.5 mm/a)；而在熱帶太平洋的暖位相時(shí)(1979-1998年)，赤道中太平洋變化停滯，熱帶西北太平洋海平面下降(-2.9 mm/a)，赤道東太平洋海平面上升(1.5 mm/a)；2000年后，3個(gè)區(qū)域的海平面均呈上升趨勢(shì)。換言之，在全球平均表面氣溫加速上升時(shí)，熱帶太平洋的海平面并未表現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)，甚至熱帶西太平洋海平面出現(xiàn)下降趨勢(shì)；而在全球平均表面氣溫趨勢(shì)變化停滯的近十多年，熱帶太平洋海平面呈顯著的上升趨勢(shì)。

圖6 1958-2015年熱帶太平洋海平面趨勢(shì)變化空間分布Fig.6 Linear trend in sea surface height in the tropical Pacific over the period 1958-2015

圖7 熱帶西北太平洋(a)，赤道中太平洋(b)以及赤道東太平洋(c)海平面低頻變化時(shí)間序列(黑線(xiàn)，紅線(xiàn)表示衛(wèi)星高度計(jì)的時(shí)間序列，兩者均通過(guò)4 a低通濾波)及其趨勢(shì)(藍(lán)線(xiàn))Fig.7 Low-frequency sea level time series (black lines， red lines indicated the AVISO sea surface height， both two have pass the 4 a low-pass filter) and their trends(blue lines) in the northwestern tropical Pacific (a)， central equatorial-Pacific (b) and eastern equatorial-Pacific (c)

此外，如圖7所示，熱帶太平洋海平面(ECMWF ORAS4和衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù))在1993-1999年表現(xiàn)出3～4 cm/a的上升或下降速率，這與熱帶太平洋的年代際變化有關(guān)。熱帶太平洋在1993-1999年期間由暖位相轉(zhuǎn)變?yōu)槔湮幌啵?000-2003年期間迅速地由冷位相變?yōu)榕幌?，而后?004-2014年又由暖位相轉(zhuǎn)變?yōu)槔湮幌?。所以，熱帶西太平洋海平面?993-1999年迅速上升，而在2000-2003年快速下降，而赤道中太平洋海平面的變化與之相反(圖8)。熱帶太平洋信風(fēng)的變化是造成熱帶太平洋海平面趨勢(shì)年代際變化的直接原因[33-36]。

圖8 1993-1999年(a)，2000-2003年(b)以及2004-2014年(c)熱帶太平洋海平面趨勢(shì)變化空間分布Fig.8 Linear trends in sea surface height in the tropical Pacific over the period 1993-1999(a)， 2000-2003(b)， and 2004-2014(c)

6 小結(jié)

通過(guò)與1993-2010年AVISO衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的比較，發(fā)現(xiàn)在熱帶太平洋大部分區(qū)域，SODA 2.2.4與ECMWF ORAS4均能較好地再現(xiàn)實(shí)際海平面變化，然而在熱帶東南太平洋，SODA 2.2.4與衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)差異較大，所以本文的結(jié)論基于對(duì)1959-2015年ECMWF ORAS4海平面數(shù)據(jù)的分析。

熱帶太平洋年際變化第一模態(tài)反映的是ENSO爆發(fā)階段的海平面變化，空間上呈東西反相變化，時(shí)間序列與Nio3.4指數(shù)高度相關(guān)。ENSO的周期在近半個(gè)世紀(jì)發(fā)生了顯著的變化，1978年之前ENSO的周期主要是2～4 a；而1978-2000年，ENSO的周期變?yōu)?～6 a，其中4～6 a的周期信號(hào)異常強(qiáng)烈；2000年后，4 a左右的周期信號(hào)減弱，ENSO的周期變?yōu)?～3 a和5～6 a。年際變化的第二模態(tài)體現(xiàn)了ENSO的發(fā)展過(guò)程。為區(qū)別兩類(lèi)El Nio事件的發(fā)展過(guò)程，本文分別將1979-1999年和2000-2015年的SSH分別與Nio3指數(shù)和Nio4指數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析。El Nio爆發(fā)前熱帶西太平洋暖水聚集的位置，以及爆發(fā)后暖水向赤道外輸運(yùn)的位置在兩類(lèi)El Nio事件中均有所不同。

年代際尺度上，熱帶太平洋有著與PDO變化類(lèi)似的位相變化。熱帶太平洋在1978年前處于冷位相，1979-1998年為暖位相，1999-2015年經(jīng)歷了由冷位相轉(zhuǎn)為暖位相然后又轉(zhuǎn)變?yōu)槔湮幌嗟倪^(guò)程。

熱帶太平洋海平面趨勢(shì)變化因資料長(zhǎng)度不同，影響因素不同而有所不同。在1958-2015年整個(gè)時(shí)間段上，熱帶太平洋海域的海平面上升(或下降)趨勢(shì)不超過(guò)3 mm/a，但存在顯著的空間差異。在1958-1978年的冷位相時(shí)期，熱帶太平洋的海平面趨勢(shì)變化相對(duì)緩慢。然而20世紀(jì)90年代后，熱帶太平洋頻繁的位相轉(zhuǎn)換，使得1993-1999年海平面最大上升(或下降)速率能夠達(dá)到3～4 cm/a。這也使得衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)到的近20年的海平面變化速率遠(yuǎn)大于過(guò)去近半個(gè)世紀(jì)的海平面變化速率。

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Low-frequency variation in sea level in the tropical Pacific

Lu Qing1， Zuo Juncheng2， Wu Lingjun3

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics，SecondInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China; 2.MarineScienceandTechnologyCollege，ZhejiangOceanUniversity，Zhoushan316000，China; 3.WentianCollege，HohaiUniversity，Maanshan243031，China)

The ECMWF ORAS4 reanalysis is used to study the low-frequency variation in sea level in the tropical Pacific in this paper. The first mode of interannual sea level variation in the tropical Pacific reflects the burst of El Nio. The sea level change in the tropical eastern Pacific is opposite to that in the tropical western Pacific， and the principal component of the first mode is highly correlated with the Nio3.4 index. The second mode shows the warm water transport process during the El Nio. The locations where the warm water gathered in before El Nio， and the positions where the warm water started to transport to high latitude are different in the two types of El Nio events. Besides， there is a remarkable decadal change in the cycles of ENSO， and this is linked with the decadal variation in the tropical Pacific. The sea level trends are also affected by the decadal variation. The high rise (descend) rate after 1993 that observed by altimeter is caused by the phase-switching．

tropical Pacific; sea level; interannual variation; decadal change; trend

2016-11-27；

2017-03-16。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41690120,41690121,41621064)；國(guó)家海洋局第二海洋研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(JG1510)。

陸青(1986—)，女，江蘇省鎮(zhèn)江市人，博士，助理研究員，從事氣候與海平面變化研究。E-mail：luqinghhu@hotmail.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.005

P731.23

A

0253-4193(2017)07-0043-10

陸青，左軍成，吳靈君. 熱帶太平洋海平面低頻變化[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2017， 39(7): 43-52，

Lu Qing， Zuo Juncheng， Wu Lingjun. Low-frequency variation in sea level in the tropical Pacific[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 43-52， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.005