2015/2016年超強厄爾尼諾期間熱帶西太平洋海洋環(huán)流變化特征

吳國麗, 李思航, 劉子洲, 顧艷鎮(zhèn), 翟方國, 王際朝 , 馮俊喬

(1. 中國石油大學(華東) 理學院, 山東 青島 266580; 2. 中國海洋大學 海洋與大氣學院, 山東 青島 266100; 3. 中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 4. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071)

熱帶西北太平洋存在復雜的海洋環(huán)流系統(tǒng), 其上層環(huán)流系統(tǒng)主要由北赤道流(North Equatorial Current, NEC)、棉蘭老流(Mindanao Current, MC)和黑潮(Kuroshio Current, KC)構成, 被稱為NMK環(huán)流系統(tǒng)[1-3]。在風應力和浮力通量的驅動下, 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KC和向南流動的MC。KC和MC分別是北太平洋副熱帶流環(huán)(Subtropical Gyre)和熱帶流環(huán)(Tropical Gyre)的關鍵分支, 在海洋環(huán)流和氣候變化中起著極其重要的作用[4-6]。另外, NEC分叉決定了低緯度西邊界流在熱量和物質的分配, 進一步在區(qū)域氣候以及全球氣候中起到非常關鍵的作用[7-10]。前人利用各種不同的數據資料及數值模擬對NMK環(huán)流系統(tǒng)中三支海流的輸運以及NEC分叉做了大量研究[11-22], 一致認為NEC輸運大致等于KC輸運與MC輸運之和。Nitani[11]利用34年內不同時間段的觀測數據計算得到NEC、MC和KC的平均輸運分別為55 Sv、25 Sv和30 Sv。此外, NEC分叉具有明顯的垂向結構。平均而言, NEC分叉緯度(NBL)在表層約位于13.3°N左右, 并隨著深度增加而北移[8,14]。

NMK環(huán)流系統(tǒng)具有多時間尺度變化規(guī)律。已有研究表明, NMK環(huán)流輸運以及NBL的年際變異與厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)事件密切相關[4,18-19]。通常而言, 在ENSO暖事件(厄爾尼諾)時期,NEC和MC的輸運增強, KC輸運減弱,NBL北移, 而在ENSO冷事件(拉尼娜)時期, 情況則相反。該變化主要是由熱帶西北太平洋區(qū)域在厄爾尼諾時期形成的氣旋式環(huán)流異常以及在拉尼娜時期形成的反氣旋式環(huán)流異常導致。但是, Zhai等[19]指出, NEC和MC輸運顯著增強或者減弱并不一定對應ENSO事件, 這表明NMK環(huán)流系統(tǒng)的年際變化與ENSO之間的關系還需要進一步研究。根據 CPC(Climate Prediction Center) Ni?o3.4指數, 2015年至2016年間, 熱帶太平洋地區(qū)爆發(fā)了一次異常強烈的厄爾尼諾事件, 該厄爾尼諾事件強度在2015年11月達到頂峰, 和1997/1998年厄爾尼諾事件一樣, 是一次超強厄爾尼諾事件。本文將利用高分辨率海洋再分析數據研究NMK環(huán)流系統(tǒng)在此次超強厄爾尼諾事件期間的變化特征, 探討其動力機制, 并與歷史上其他厄爾尼諾事件期間的變化特征進行對比。

1 數據和方法

1.1 數據

本文主要使用全球Hybrid Coordinate Ocean Model and Navy Coupled Ocean Data Assimilation (HYCOM+ NCODA)海洋再分析數據。HYCOM+NCODA再分析數據的水平分辨率為1/12°×1/12°, 包含全球的海表面高度、溫度、鹽度、緯向流速和經向流速等變量, 時間范圍為1992年10月至今。本文主要利用1992年10月至2017年12月期間的數據資料。該數據的水平分辨率較高, 空間間隔約為9 km, 可以細致地描繪熱帶西太平洋的環(huán)流運動, 也能更加準確地計算出環(huán)流輸運以及北赤道流的分叉緯度。該數據在垂直方向上不等間距的分為40層, 且在500 m以上的垂直分辨率較高, 因此能夠很好地展現海洋的上層結構特征。Cummings (2005)[23]詳細描述了該數據的同化方法。此外, 為了探討熱帶西太平洋環(huán)流變化的動力學機制, 本文還使用了ECMWF Interim Reanalysis再分析風場數據[24], 該數據時間范圍為1992年1月至2017年12月, 水平分辨率為1/8°×1/8°。

1.2 NEC、MC、KC輸運以及NBL的計算方法

和前人一致[25], 圖1a給出了1992—2017年130°E斷面(8°N—18°N)上的緯向流速空間分布圖, 圖1b和1c分別給出了8°N斷面(沿岸至130°E)和18°N斷面(沿岸至130°E)上的經向流速空間分布圖。由圖1a所示, NEC主體位于26.7σθ等位勢密度面之上, 其下限從8°N處的300 m加深至18°N處的400 m左右, 最強流速發(fā)生在8.5°—12°N之間, 超過0.3 m/s。MC(圖1b)主要集中在沿岸至128°E范圍內, 下界位于500 m左右, 主體并不完全位于26.7σθ等位勢密度面之上。KC(圖1c)主要集中在沿岸至123.5°E范圍內, 其主體下邊界位于400 m左右, 位于26.7σθ等位勢密度面之上。為了計算統(tǒng)一, 在本文中選取800 m作為計算三支海流輸運的下邊界, 其計算結果和以26.7σθ等位勢密度面作為下邊界的計算結果相差不大。

圖1 沿130°E斷面(8°N—18°N)的年平均西向流速(a, 單位: m/s); 沿8°N斷面(沿岸至130°E)的年平均南向流速(b, 單位m/s); 沿18°N斷面(沿岸至130°E)的年平均北向流速(c, 單位m/s) Fig. 1 (a) Annual mean zonal westward velocities across 130°E (8°N–18°N, m/s). (b) Annual mean meridional southward velocities across 8°N (from the coast to 130°E, m/s). (c) Annual mean meridional northward velocities across 18°N (from the coast to 130°E, m/s)

由于中尺度渦的存在, 研究區(qū)域內的海流速度可能存在反向的情況, 因此本文按照兩種方式對三支海流在1992—2017年間的輸運進行了計算, 一種是NEC流量計算僅考慮向西的輸運, MC流量計算僅考慮向南的輸運, KC流量計算僅考慮向北的輸運, 另一種是三支海流流量的計算考慮整個緯向或經向的輸運。使用第一種方法計算的NEC、MC、KC的平均水體輸運分別為68.6 Sv、43.6 Sv、32.5 Sv, 使用第二種方法計算的NEC、MC、KC的平均水體輸運分別為51.9 Sv、30.9 Sv、20.9 Sv。使用第二種方法計算的結果更加接近前人的結果[1,3,24], 并且計算所得MC與KC流量之和與NEC流量差值最小(差值為0.1 Sv), 因此下文中三支海流輸運均為使用第二種方法計算所得。另外, 參照前人的計算方法[18,26], 本文定義菲律賓沿岸2個經度范圍內、海洋上100 m平均的經向流速為零處的緯度為NEC分叉緯度。

1.3 提取年際信號

為獲取月平均數據的年際異常信號, 本文首先對月平均數據減去多年氣候態(tài)月平均得到異常序列, 再對異常序列進行13個月的滑動平均去除小于年周期時間尺度的高頻信號。

1.4 厄爾尼諾事件的定義方法

本文使用Ni?o3.4區(qū)域平均的海表面溫度異常作為厄爾尼諾指數。根據中國氣象局頒布的《厄爾尼諾/拉尼娜事件判定方法》, 定義Ni?o3.4指數≥0.5℃并持續(xù)5個月以上為一次厄爾尼諾事件, Ni?o3.4指數≤–0.5℃并持續(xù)5個月以上為一次拉尼娜事件。另外, 定義事件峰值強度絕對值達到或超過2.5℃的事件為超強事件。本文使用的厄爾尼諾指數下載自http:// www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices。

圖2中的紅色線給出了1992—2017年間的厄爾尼諾指數。根據厄爾尼諾事件的定義, 1992年到2017年期間共發(fā)生了7次厄爾尼諾事件, 時間分別為1994/ 1995, 1997/1998, 2002/2003, 2004/2005, 2006/2007, 2009/2010, 2015/2016。其中, 2015/2016年厄爾尼諾事件峰值強度為2.8℃, 因此是一次超強厄爾尼諾事件。

圖2 Ni?o 3.4指數(紅線, ℃)與NEC輸運異常(黑線, Sv)(a); Ni?o 3.4指數(紅線, ℃)與NBL異常(黑線, Sv)(b); Ni?o 3.4指數(紅線, ℃)與MC輸運異常(黑線, Sv)(c); Ni?o 3.4指數(紅線, ℃)與KC輸運異常(黑線, Sv)(d) Fig. 2 a: Ni?o 3.4 (red line, ℃) and NEC transport anomalies (black line, Sv); b: Same as (a) but of Ni?o 3.4 (red line, ℃) and NBL anomalies (black line, °N); c: Same as (a) but of Ni?o 3.4 (red line, ℃) and MC transport anomalies (black line, Sv); d: Same as (a) but of Ni?o 3.4 (red line, ℃) and KC transport anomalies (black line, Sv)

2 結果

2.1 NMK環(huán)流系統(tǒng)的年際變化特征

圖2展示了1992—2017年NEC輸運、MC輸運、KC輸運和NBL的年際異常與厄爾尼諾指數的對比, 其中黃色區(qū)域表示厄爾尼諾事件。如圖所示, 在厄爾尼諾時期NEC、MC輸運增強, NBL北移, 但是輸運增加的強度和NBL北移的程度因事件各異。在2015/ 2016年厄爾尼諾時期, NEC、MC輸運均顯著增強, 最大值分別為66 Sv(1 Sv =106m3/s)和49.4 Sv, NBL也顯著北移, 最北可達16°N。通過數據對比發(fā)現, 此次厄爾尼諾事件期間, NEC、MC輸運異常序列最大值分別超前Ni?o3.4指數最大值約5個月和3個月, 而NBL異常序列最大值滯后Ni?o3.4指數最大值約8個月。超前滯后相關分析表明(圖3), 2014—2016年, NEC和MC輸運與Ni?o3.4指數之間的最大相關系數分別約為0.8和0.9(高于95%置信水平), 均發(fā)生在前者超前后者約4個月時; NBL與Ni?o3.4指數之間的最大相關系數約為0.8(高于95%置信水平), 發(fā)生在前者滯后后者約6個月時, 與前面的分析基本一致。可見, 在2015/2016年厄爾尼諾時期, NEC、MC輸運以及NBL的年際變化與此次厄爾尼諾事件具有高度相關性。而另一方面, KC輸運在此次厄爾尼諾事件期間并沒有明顯增強。但是值得指出的是, 2014—2016年, KC輸運異常與Ni?o3.4指數的同期相關性系數約為0.8(高于95%置信水平)。

圖3 2014—2016年24個月的Ni?o 3.4指數與NEC輸運異常(a)、NBL異常(b)、MC輸運異常(c)以及KC輸運異常(d)的超前滯后相關系數 Fig. 3 Lead–lag correlation coefficients of Ni?o 3.4 with the NEC transport anomalies (a) and NBL anomalies (b) and MC transport anomalies (c) and KC transport anomalies (d) for 24 months from 2014 to 2016. Positive (negative) times indicate that Ni?o 3.4 lags (leads).

前人研究表明NMK環(huán)流系統(tǒng)的年際變化與熱帶西北太平洋環(huán)流的年際變化密切相關[7]。圖4 展示了1992—2017年水深200 m以淺平均的水平流場和海面高度分布圖以及1997/1998年、2015/2016年厄爾尼諾期間水深 200 m 以淺平均的流異常和海面高度異常分布圖。如圖所示, 在1997/1998年以及2015/2016年厄爾尼諾時期熱帶西北太平洋區(qū)域均出現了明顯的氣旋式環(huán)流異常和負的海面高度異常, 其中2015/2016年厄爾尼諾時期的氣旋式環(huán)流異常和海面高度異?，F象更加明顯。下面將進一步分析2015/2016年厄爾尼諾時期熱帶北太平洋環(huán)流的變化特征, 并與歷史上其他厄爾尼諾事件期間的變化特征進行對比。

圖4 1992—2017年 200 m 以淺平均的水平流場(箭頭, m/s)和海面高度(色標, m)(a); 1997/1998年厄爾尼諾期間200 m 以淺平均的流異常(箭頭, m/s)和海面高度異常(色標, m)(b); 2015/2016年厄爾尼諾期間200 m 以淺平均的流異常(箭頭, m/s)和海面高度異常(色標, m)(c) Fig. 4 a: Upper 200-m mean flow (arrow, m/s) and sea surface height (color, m) during the 1992–2017 period; b: Anomalies of the upper 200-m mean flow (arrow, m/s) and the sea surface height (color, m) during the 1997/1998 El Ni?o event; c: Anomalies of the upper 200-m mean flow(arrow, m/s)and the sea surface height (color, m) during the 2015/2016 El Ni?o event

2.2 動力學機制

為了能夠細致地研究2015/2016年厄爾尼諾期間熱帶北太平洋環(huán)流的變化特征, 本文參考文獻[27-28]等的做法, 將2015/2016年厄爾尼諾事件劃分為以下六個階段: 前期(2014.8—2014.10); 初始(2014.11—2015.1); 發(fā)展(2015.3—2015.5); 爆發(fā)(2015.7—2015.9); 成熟(2015.11—2016.1); 衰減(2016.2—2016.4)。

圖5給出了130°E斷面上的緯向流速異常隨2015/2016年厄爾尼諾事件演變的時間變化和空間分布圖。如圖所示, 在2015/2016年厄爾尼諾期間, 130°E斷面上NEC區(qū)域存在顯著的西向流異常。該西向流異常主要集中于10°N—15°N, 從前期階段開始逐漸加強, 于發(fā)展階段最強, 然后逐漸減弱。同時我們也注意到10°N和17°N附近存在較弱的東向流異常。值得指出的是, 該東向流異常幅度和空間范圍均較小。此外, 北赤道逆流(NECC)區(qū)域存在顯著的東向流異常, 于爆發(fā)階段最強。該西向流異常和東向流異常分別導致NEC和NECC的水體輸運顯著增加, 且最大值均發(fā)生在厄爾尼諾成熟階段之前, 這與上文得出的NEC輸運最大值超前Ni?o3.4指數最大值5個月的現象一致。

圖6給出了8°N斷面上的經向流速異常隨2015/ 2016年厄爾尼諾事件演變的時間變化和空間分布圖。由圖可見, 在2015/2016年厄爾尼諾期間, 8°N斷面上MC區(qū)域存在顯著的南向流異常。該流異常主要集中于棉蘭老島沿岸到128°E的空間范圍內, 自前期階段開始加強, 在爆發(fā)階段達到頂峰, 隨后減弱, 與該厄爾尼諾期間MC輸運最大值超前Ni?o3.4指數最大值3個月的現象一致。

圖7展示了18°N斷面上的經向流速異常隨2015/ 2016年厄爾尼諾事件演變的時間變化和空間分布圖。由圖可以看出, 在2015/2016年厄爾尼諾期間, 18°N斷面上KC區(qū)域存在顯著的南向流異常。該流異常主要集中于呂宋島沿岸到124°E的空間范圍內, 隨著厄爾尼諾事件的演變先減弱再增強, 最弱的南向流異常發(fā)生在爆發(fā)階段。該南向流異常導致KC輸運在該厄爾尼諾期間為負異常。

圖5 2015/2016年厄爾尼諾期間沿130°E斷面的緯向流速度異常(m/s) Fig. 5 Zonal velocity anomalies (m/s) at 130°E during the 2015/2016 El Ni?o event

圖6 2015/2016年厄爾尼諾期間沿8°N斷面的經向流速度異常(m/s) Fig. 6 Meridional velocity anomalies (m/s) at 8°N during the 2015/2016 El Ni?o event

為了進一步顯示各斷面上的流速異常與大尺度環(huán)流異常之間的關系, 圖8給出了2015/2016年厄爾尼諾事件期間熱帶北太平洋上200 m平均的流矢量異常和海表面高度(SSH)異常的時間變化和空間分布。如圖所示, 在2015/2016年厄爾尼諾期間, 熱帶西北太平洋區(qū)域出現顯著的SSH負異常和氣旋式環(huán)流異常。這些異常主要集中于赤道以北、15°N以南、160°E以西的空間范圍內, 自厄爾尼諾前期階段開始加強, 在爆發(fā)階段達到頂峰, 隨后減弱。氣旋式的環(huán)流異常將會增強由風驅動的氣旋式熱帶環(huán)流, 導致熱帶西太平洋區(qū)域NEC和MC輸運增加以及NBL 北移, 這與Zhai等[7]的結果一致。

圖7 2015/2016年厄爾尼諾期間沿18°N斷面的經向流速度異常(m/s) Fig. 7 Meridional velocity anomalies (m/s) at 18°N during the 2015/2016 El Ni?o event

圖8 2015/2016年厄爾尼諾期間200 m平均流異常(箭頭, m/s)及SSH異常(填色, m) Fig. 8 Anomalies of the upper 200-m mean flow (arrow, m/s) and the sea surface height (color, m) during the 2015/2016 El Nio event

前人研究指出, 熱帶西太平洋海洋環(huán)流的低頻變異主要是由太平洋海盆的海面風強迫引起的[4,7,13,16-18]。為了探討此次厄爾尼諾事件期間熱帶西北太平洋海洋環(huán)流的年際變異機制, 圖9展示了該事件不同階段中風應力異常和Ekman抽吸速度異常的空間分布。其中Ekman抽吸速度的計算公式為是海表面風應力, f是科氏參數, ρ0是平均海水密度。如圖所示, 在2015/2016年厄爾尼諾事件期間, 10°N以南的北太平洋區(qū)域存在顯著的西風異常和正的Ekman抽吸速度異常。該風場異常在海洋中會激發(fā)產生西向傳播的上升流Rossby波, 從而導致熱帶西太平洋海域出現負的SSH異常和氣旋式環(huán)流異常[7,19]。

圖9 2015/2016年厄爾尼諾期間海表面風應力矢量異常(箭頭, N/m2)和Ekman抽吸速度異常(填色, ×10–6 m/s) Fig. 9 Anomalies of the sea surface wind stress vector (arrow, N/m2) and associated Ekman pumping velocity (colors, ×10–6 m/s) during the 2015/2016 El Ni?o event

2.3 與歷史厄爾尼諾事件期間變化特征的對比

如圖2所示, 相較于其他厄爾尼諾事件, 2015/ 2016年厄爾尼諾事件期間NEC、MC輸運均顯著增強, NBL北移幅度更大。通過數據對比發(fā)現, 1992—2014年所有厄爾尼諾事件期間NEC、MC輸運和NBL的平均值分別為53.2 Sv、31.5 Sv和12.8°N, 峰值分別為79.1 Sv、48.3 Sv和15.2°N, 均發(fā)生在2004/2005年厄爾尼諾事件期間。而2015/2016年厄爾尼諾事件期間NEC、MC輸運和NBL的平均值分別為54.1 Sv、39.9 Sv和13.5°N, 峰值分別為66 Sv、49.4 Sv和16°N。顯然, 2015/2016年厄爾尼諾事件期間NEC、MC輸運的平均強度和NBL北移幅度比1992—2014年所有厄爾尼諾期間的平均狀況偏大。同時, 1997/1998年厄爾尼諾事件也是一次超強厄爾尼諾事件(峰值強度為2.5℃), 在此厄爾尼諾事件期間NEC、MC輸運和NBL 的平均值分別為56.1 Sv、31.7 Sv和13.3°N, 峰值分別為74.2 Sv、40.1 Sv和15.1°N。與1997/1998年厄爾尼諾事件相比, 2015/2016年厄爾尼諾事件期間NEC輸運的平均值和峰值均偏小、NBL的平均值和峰值均偏北, MC輸運的平均值和峰值均偏大, 從而導致KC輸運的平均值和峰值均偏小?？梢? 厄爾尼諾期間, NEC輸運和MC輸運顯著增強, NBL明顯北移, 且增強和北移的程度與厄爾尼諾指數呈一定的正相關性。但同時我們也注意到強度相近的厄爾尼諾期間, 熱帶西北太平洋海域的環(huán)流異常并不一定相同。

圖10展示了熱帶北太平洋在2015/2016年厄爾尼諾期間的環(huán)流異常與1992—2014年所有厄爾尼諾期間平均環(huán)流異常的差。由圖可以看出, 相比于歷史厄爾尼諾事件的平均情況, 2015/2016年厄爾尼諾事件期間熱帶西北太平洋海域的海表面高度負異常更為顯著, 氣旋式環(huán)流異常也更強, 從而導致該厄爾尼諾事件期間NEC輸運和MC輸運更強, NEC分叉點也更為偏北。

圖11進一步展示了熱帶北太平洋在2015/2016年厄爾尼諾期間的風場強迫異常與1992—2014年間所有厄爾尼諾期間平均風場強迫異常的差。如圖所示, 相比于其他厄爾尼諾事件, 2015/2016年厄爾尼諾事件的前四個階段中, 15°N以南的北太平洋區(qū)域出現了更為顯著的西風異常和EPV正異常, 由此導致在熱帶西太平洋出現更為顯著的負的海面高度異 常和氣旋式環(huán)流異常。

圖10 2015/2016年厄爾尼諾期間環(huán)流異常與歷史厄爾尼諾期間平均環(huán)流異常的差 Fig. 10 Difference between circulation anomaly during the 2015/2016 El Ni?o event and that averaged over the historical El Ni?o events

圖11 2015/2016年厄爾尼諾期間風場強迫異常與歷史厄爾尼諾期間平均風場強迫異常的差 Fig. 11 Difference between sea-surface wind-forcing anomaly during the 2015/2016 El Ni?o event and that averaged over the historical El Ni?o events

3 結論

已有的研究結果表明, 熱帶西太平洋NMK環(huán)流系統(tǒng)的年際變異與ENSO事件密切相關[4,18-19], 在ENSO暖事件(厄爾尼諾)時期, NEC和MC的輸運增強, KC輸運減弱, NBL北移。根據Ni?o3.4指數, 2015/2016年厄爾尼諾事件是一次超強厄爾尼諾事件。本文利用高分辨率海洋再分析數據研究了NMK環(huán)流系統(tǒng)在2015/2016年超強厄爾尼諾事件期間的變化特征及其動力機制, 并將其與歷史上其他厄爾尼諾事件期間的變化特征進行了對比。研究表明, 在2015/2016年厄爾尼諾事件期間, NEC、MC輸運均顯著增強, 最大值分別達到66 Sv和49.4 Sv, 北赤道流分叉緯度最北可達16°N, KC輸運沒有明顯增強, NEC、MC輸運均超前Ni?o3.4指數約4個月, NBL滯后Ni?o3.4指數約6個月。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, NMK環(huán)流系統(tǒng)的年際變化主要與此次厄爾尼諾事件期間熱帶西北太平洋15°N以南、160°E以西海域出現的氣旋式環(huán)流異常有關。該環(huán)流異常出現自該厄爾尼諾事件的前期階段, 在爆發(fā)階段達到頂峰, 主要由15°N以南區(qū)域出現的強西風異常引起。該西風異常導致Ekman抽吸速度正異常, 并在海洋中引發(fā)西向傳播的上升流Rossby波, 從而導致熱帶西北太平洋海域出現氣旋式環(huán)流異常。

相比與1992—2014年所有厄爾尼諾事件的平均狀況, 2015/2016年厄爾尼諾事件期間NEC、MC輸運的平均強度和NBL北移幅度更大, 但與1997/1998年超強厄爾尼諾事件期間的平均值相近。另外, 值得注意的是1992年以來NEC、MC輸運的極值分別發(fā)生在2004/2005年以及2015/2016年厄爾尼諾事件期間, 可見, 厄爾尼諾指數越大, 并不意味著NEC、MC輸運越強。