ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層 海洋異常環(huán)流*

陳永利 官 聰 ① 趙永平 王 凡

(1. 中國科學院海洋研究所 青島 266071； 2. 中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室 青島 266071； 3. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室 青島 266071； 4. 中國科學院海洋大科學研究中心 青島 266071)

厄爾尼諾-南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation， ENSO)是熱帶太平洋氣候系統(tǒng)中最顯著的年際變化信號。ENSO的暖事件稱為厄爾尼諾現(xiàn)象(El Ni?o)， 冷事件稱為拉尼娜現(xiàn)象(La Ni?a)。ENSO冷暖事件發(fā)生時， 熱帶太平洋海洋表面溫度(sea surface temperature， SST)出現(xiàn)顯著異常， 海洋環(huán)流發(fā)生異常變化， 這對環(huán)太平洋乃至全球氣候都產(chǎn)生重要的影響(McPhaden， 2006； Guanet al， 2013， 2016， 2019)。

熱帶太平洋海洋環(huán)流對ENSO循環(huán)的響應是一個重要的話題， 已有很多相關的研究。熱帶太平洋西邊界流主要流系的年際異常與ENSO循環(huán)有著密切聯(lián)系(Quet al， 2003； Kimet al， 2004； Yaremchuket al， 2004； Wanget al， 2006； Huet al， 2017)， 在El Ni?o年， 熱帶西太平洋北赤道流顯著加強， 其分叉位置偏北， 棉蘭老流比正常年份強勁， 菲律賓以東黑潮減弱。Ueki等(2003)研究指出， 新幾內(nèi)亞沿岸潛流在El Ni?o成熟期顯著增強。關于北赤道逆流年際變率與ENSO事件的聯(lián)系， 多數(shù)研究(Meyerset al， 1984； Kessleret al， 1987； Taftet al， 1991； Delcroixet al， 1992； Johnsonet al， 2002)認為在El Ni?o年， 北赤道逆流較強且輸送量增多。Johnston等(2000)分析了160°E至日界線海區(qū)的潮汐資料， 指出北赤道逆流在El Ni?o成熟期前6個月加強， 后6個月減弱， 而在El Ni?o成熟期其強度則接近正常狀態(tài)。同樣， Johnson等(2004)根據(jù)1991—2001年170°—110°W的流場觀測資料分析指出， 在El Ni?o年的8—12月期間北赤道逆流減弱。Hu等(2014)基于長期船載聲學多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profiler， ADCP)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)北赤道流流量的年際變化與ENSO循環(huán)密切相關， 且不同年代對ENSO的響應不一致。Hu等(2016)則使用錨定潛標ADCP觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在ENSO正常年份棉蘭老流的年際變化和ENSO沒有顯著的相關性。而有關次表層的赤道潛流的觀測發(fā)現(xiàn)， 在某些強El Ni?o期間出現(xiàn)過赤道潛流減弱消失、甚至反向現(xiàn)象。Firing等(1983)發(fā)現(xiàn)在1982/83年El Ni?o事件期間， 在159°W處， 赤道潛流在1982年8月減弱， 9月部分反向， 1983年1月再次出現(xiàn)。McPhaden等(1990)也發(fā)現(xiàn)1986/87年El Ni?o期間赤道潛流的減弱現(xiàn)象， 但并未發(fā)生反向。Hu等(2015)對熱帶西太平洋海洋環(huán)流與ENSO的相互關系進行了系統(tǒng)的總結(jié)和綜述。

大尺度海洋環(huán)流主要是風驅(qū)動或者密度分布不均勻所產(chǎn)生的， 而海洋環(huán)流的變化則主要是由風應力異常引起的。海表風應力異常引起海洋內(nèi)部水平壓強梯度的變化， 造成流場的輻聚、輻散、渦旋及垂直方向的運動。因此， 前人在研究熱帶太平洋海洋環(huán)流變化的物理過程時也多從大氣強迫作用入手。以往的研究指出， ENSO期間上述海洋環(huán)流的變化與其上空的異常海面風應力場有密切關系(Huet al， 2015)。

然而， 當發(fā)生ENSO事件等重大海洋事件時， 海洋溫躍層深度會出現(xiàn)大幅度顯著變化， 進而引起海洋內(nèi)部水平壓強梯度的變化， 導致海洋環(huán)流異常。比如， Wyrtki (1989)指出北赤道逆流的形成也被認為與溫躍層變化相關密切， 并認為北赤道逆流的強度變化與ENSO事件有密切關系， 表現(xiàn)為El Ni?o期間加強， La Ni?a期間減弱。此外， 赤道潛流的形成也被認為與熱帶太平洋溫躍層密切相關(Firinget al， 1983； Lukas， 1986； Pedlosky， 1987； McPhadenet al， 1990)。在太平洋赤道附近(科里奧利力接近于0)， 信風應力驅(qū)使海水向西流動， 在遇到大陸阻遏時堆積使水位升高， 溫躍層加深并形成海面向東傾斜， 從而出現(xiàn)一個向東的水平壓強梯度力形成赤道潛流。陳永利等(2013)揭示赤道海洋溫躍層深度變化是赤道潛流異常變化的主要原因， 認為赤道潛流實際上是ENSO事件的伴生現(xiàn)象。

熱帶太平洋溫躍層變化是ENSO循環(huán)中的一個重要過程， ENSO事件發(fā)生時的次表層溫度異常甚至要高于表層海溫， 使用溫躍層海溫異常為指標能更好地反映ENSO 循環(huán)過程中的海洋變化(趙永平等， 2007)。在前人研究基礎上， 本文將聚焦200m以淺的上層海洋， 重點分析ENSO期間熱帶太平洋溫躍層深度變化演變， 用聯(lián)合經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function， EOF)分析方法， 解析與ENSO相聯(lián)系的海洋異常環(huán)流， 并通過ENSO期間熱帶太平洋溫躍層深度變化變化規(guī)律探索海洋環(huán)流異常新的物理機制。

1 資料和方法

本文采用簡單海洋同化模式 SODA(simple ocean data assimilation) 數(shù) 據(jù) (CARTON-GIESE SODA2.0.2-4， 源 于 http：//iridl.ldeo.columbia.edu/ SOURCES/.ARTON-GIESE/.SODA/.v2p0p2-4)海溫和三維海流資料(水平網(wǎng)格0.5°×0.5°)。資料起訖時間為1958 年1 月—2007 年12 月。由于次表層海溫距平的最大值一般都出現(xiàn)在溫躍層附近， 本文用溫躍層曲面上海溫距平表示次表層海溫異常， 并作為溫躍層深度變化指數(shù)(thermocline depth anomaly， TCA)。次表層海溫異常為負值時， 次表層海溫下降， 溫躍層上抬變淺； 次表層海溫異常為正值時， 次表層海溫上升， 溫躍層下降加深。對其進行1 年低通濾波以去除年變化和線性趨勢， 以獲得次表層海溫異常年際變率。

熱帶太平洋上層海流用200m 以淺的垂向平均海流表示。在資料分析中， 首先對熱帶太平洋TCA 指數(shù)次表層海溫異常進行EOF 分析， 得到ENSO 事件相關的兩個模態(tài)， 然后與上層海洋流場作聯(lián)合EOF分析。在進行聯(lián)合EOF 分析時， 通過控制相關物理量的量級， 始終保持次表層海溫異常主導場地位， 以確保計算得到的相關物理量與ENSO 呈同步變化。通過上述處理， 獲得了與ENSO 事件兩個模態(tài)相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋流場。

2 ENSO 循環(huán)過程中熱帶太平洋躍層深度變化特征

基于熱帶太平洋次表層海溫場資料， Zhao等(2007)對1—8年帶通濾波后的熱帶太平洋溫躍層深度異常TCA指數(shù)進行EOF分解， 得到兩個主模態(tài)： 分別為出現(xiàn)在冬季的以160°W為縱軸的東西向偶極子分布模態(tài)和主要出現(xiàn)在夏季的以6°—8°N為橫軸的南北向蹺蹺板分布模態(tài)。第一模態(tài)確定了ENSO事件的振幅， 第二模態(tài)表征了循環(huán)過程的相變， 二者共同構(gòu)成了ENSO循環(huán)， 其實質(zhì)是信風異常和海氣耦合過程共同作用下產(chǎn)生的熱帶太平洋海洋混合層水體在赤道與12°N之間海盆內(nèi)的慣性振蕩。

圖1為ENSO循環(huán)過程中的熱帶太平洋TCA演變， 實線表示溫躍層面上溫度異常偏高， 溫躍層加深， 虛線表示溫躍層面上溫度異常偏低， 溫躍層變淺。熱帶太平洋TCA呈西淺東深時出現(xiàn)El Ni?o事件(圖1c)， 反之出現(xiàn)La Ni?a事件(圖1a)。此時， 熱帶太平洋溫躍層的分布形勢為， 熱帶西太平洋極值中心位于赤道北側(cè)的150°E附近的暖池海域， 熱帶東太平洋極值中心位于赤道90°—120°W海域， 后者絕對值稍高于前者。TCA沿赤道海洋加深、沿12°N北太平洋變淺時為El Ni?o發(fā)展或La Ni?a衰退階段(圖1b)， 反之為La Ni?a發(fā)展或El Ni?o衰退階段(圖1d)。此時， 熱帶太平洋溫躍層的分布形勢為， 平均以6°—8°N為橫軸南北向TCA蹺蹺板分布， 沿6°—8°N南北兩側(cè)存在反號的TCA大值區(qū)， 南側(cè)TCA大值區(qū)出現(xiàn)在沿赤道太平洋中東部海域， 北側(cè)TCA大值區(qū)出現(xiàn)在10°—15°N(平均12°N)北太平洋中東部海域。根據(jù)熱帶太平洋平均溫躍層深度和年平均SST與溫躍層面上溫度(約20°C)差異粗略估算表明， 在熱帶太平洋， 溫躍層面上溫度變化1°C大致相當于躍層面上抬或下降10m左右。由于上層海洋垂直溫度梯度主要出現(xiàn)在溫躍層附近， 熱帶西太平洋混合層深厚， 溫躍層深度變化很難引起SST顯著變化， 但熱帶東太平洋溫躍層較淺， 溫躍層變化常導致SST明顯變化。1997年強El Ni?o事件時， 熱帶東太平洋躍層面上溫度變化可達5°C左右， 此時溫躍層深度較常年下降50m左右， 該海域SST顯著上升； 1975年強La Ni?a事件時， 熱帶東太平洋溫躍層面上溫度變化達3.5°C， 溫躍層深度較常年升高35m左右， 該海域氣候溫躍層50—60m， 意味此時溫躍層已接近露頭， 該海域SST顯著下降。

圖1 ENSO 循環(huán)過程中熱帶太平洋溫躍層深度異常演變的平均狀況 Fig.1 Evolutions of tropical Pacific thermocline depth anomalies during the ENSO cycle

Zelle 等(2004)研究表明， 在ENSO 循環(huán)過程中， TCA 標志了El Ni?o 事件的形成和結(jié)束全過程， 它是通過水體上升流和混合來實現(xiàn)， 而SST 異常僅是El Ni?o 事件在海洋表層的表現(xiàn)。Zhao 等(2007)的研究表明， 在ENSO 形成階段， 海面風應力的作用造成海洋環(huán)流和海溫異常及TCA 不均勻分布。在ENSO 事件形成后， 熱帶太平洋海洋混合層水體在赤道與12°N 之間海盆內(nèi)的慣性振蕩， 造成熱帶太平洋大范圍TCA 規(guī)則變化和海洋環(huán)流及海溫異常。由此可見， 在ENSO 循環(huán)的全過程中， 熱帶太平洋海洋環(huán)流和海 溫異常都與TCA 有重要關系。

3 ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流

ENSO 事件是源于熱帶太平洋次表層海洋最顯著的年際變化， ENSO 正負位相的循環(huán)顯然會影響該海域的大尺度海洋環(huán)流。圖2 為ENSO 的兩個模態(tài)(a1， a2)及其相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常水平環(huán)流(b1， b2)和異常垂直環(huán)流(c1， c2)空間分布型及時間系數(shù)(d1)。ENSO 事件兩種模態(tài)TCA 分布(圖2a)同圖1c 和a， 其時間系數(shù)的譜分析結(jié)果(圖2d2)表明， 第一模和第二模具有56 和44 個月顯著周期。相關分析表明， Ni?o3 指數(shù)與后期一個月第一模有密切相關， 相關系數(shù)達0.89， 與后期9 個月第二模相關系數(shù)達0.67。Zhao 等(2007)認為正是上述二個模態(tài)組合構(gòu)成了ENSO 循環(huán)。當溫躍層深度異常為東深西淺(圖2a1)時為El Ni?o 成熟期， 反之為La Ni?a 成熟期， 當溫躍層深度異常為北深南淺(圖2a2)時為El Ni?o衰退期或La Ni?a 發(fā)展期， 反之為El Ni?o 發(fā)展期或La Ni?a 衰退期。

圖2 ENSO 循環(huán)的熱帶太平洋溫躍層深度變化的兩個EOF 模態(tài) Fig.2 The two leading EOF modes of ENSO cycle

圖2b 為ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流， 它們均隨ENSO 事件的演變而變化。在El Ni?o 成熟期， 熱帶中東太平洋赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外南、北熱帶海域出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流， 導致該區(qū)北赤道流、南赤道流、棉蘭老流、黑潮(指北赤道流分叉后的北分支)、新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道潛流顯著加強； 沿北赤道逆流流區(qū)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流串， 北赤道逆流南北兩部分異常流場方向相反， 其總體強度接近正常； 中東太平洋北部熱帶海洋出現(xiàn)弱異常反氣旋性， 此處北赤道流有增強趨勢。

在El Ni?o 衰退期或La Ni?a 發(fā)展期， 熱帶中西太平洋赤道潛流最強， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外熱帶海域異常氣旋性環(huán)流明顯減弱， 北部轉(zhuǎn)為弱的反氣旋性環(huán)流， 南部出現(xiàn)小范圍的異常反氣旋性環(huán)流， 這些海域主要流場的強度減弱或接近正常狀態(tài)； 北赤道逆流流區(qū)為異常西向流， 哈馬黑拉渦、棉蘭老渦和北赤道逆流最弱； 中東太平洋北部熱帶海洋為強的異常反氣旋性環(huán)流， 該海域北赤道流最強。La Ni?a 事件時相反。

表1 列出了ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋主要異常環(huán)流演變特征， 表中減弱或增強表示由強到弱或由弱到強的過渡階段， 此時環(huán)流強度接近正常狀態(tài)。由表1 可見， 在熱帶太平洋西部邊界海域， 除出現(xiàn)在赤道北側(cè)的哈馬黑拉渦和棉蘭老渦外的主要流系， 如熱帶西太平洋北赤道流及分叉后的黑潮和棉蘭老流， 赤道南側(cè)的南赤道潛流和新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道流， 它們均隨ENSO 事件規(guī)律變化， 在El Ni?o 成熟期達最強， 發(fā)展期和衰退期為過渡狀態(tài)， 強度接近正常。La Ni?a 事件時相反。南赤道流受ENSO 事件期間赤道兩側(cè)與赤道潛流同步產(chǎn)生的異常環(huán)流的影響， 熱帶太平洋中東部北赤道流與南赤道流的演變規(guī)律有不同的特征， 北赤道流在 La Ni?a 發(fā)展期最強， El Ni?o 發(fā)展期最弱， 南赤道流在La Ni?a 成熟期最強， El Ni?o 成熟期最弱。北赤道逆流與相聯(lián)的哈馬黑拉渦和棉蘭老渦有相同的演變過程， 在El Ni?o 發(fā)展期最強， 衰退期最弱。赤道潛流的演變在赤道太平洋的不同位置有不同的變化特征， El Ni?o 發(fā)展期赤道中西太平洋最弱， 成熟期赤道中東太平洋最弱， 衰退期在赤道中西太平洋最強。

表1 ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流演變特征 Tab.1 ENSO-related anomalies of the ocean circulations in the upper layer-tropical Pacific

由圖3c 可見， 熱帶太平洋上層海洋垂直流場隨ENSO 事件的變化主要出現(xiàn)在10°N—10°S 范圍內(nèi)的熱帶海洋。El Ni?o 成熟期赤道太平洋為強下沉流區(qū)， 赤道中東太平洋尤為顯著， 兩側(cè)為帶狀上升流區(qū)； El Ni?o 衰退期赤道中東太平洋為上升流區(qū)， 赤道太平洋東邊界海域更強， 赤道西太平洋為顯著下沉流區(qū)。La Ni?a 期間相反。

為詳細了解ENSO 期間熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流實況， 基于SODA 海洋同化資料， 本文統(tǒng)計了1958 年以來出現(xiàn)的6 次較強El Ni?o 事件(1965/66， 1965/66， 1972/73， 1982/83， 1991/92， 1997/98 和2002/03)和出現(xiàn)6 次較強La Ni?a 事件(1964/65， 1970/71， 1973/74， 1974/75， 1988/89， 1998/99)峰值前后12 個月水平異常流場， 合成得到ENSO 事件不同階段熱帶太平洋上層海洋異常流場分布。圖3 為El Ni?o 發(fā)展期(圖3a)、成熟期(圖3b)和衰退期(圖3c)上層海洋異常環(huán)流分布。由圖可見， 在El Ni?o 發(fā)展期最顯著的特征是， 西太平洋南、北赤道外熱帶海域出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流， 該海域主要流場均呈加強趨勢； 赤道中西太平洋為以赤道對稱的顯著異常反氣旋性環(huán)流， 沿赤 道為異常西向流， 赤道潛流最弱； 北赤道逆流自棉蘭老渦和哈馬黑拉渦交匯處向東為強異常東向流， 北赤道逆流最強。

圖3 上層海洋異常環(huán)流分布 Fig.3 Anomalies of the upper-layer ocean circulation

在El Ni?o 成熟期， 異常流場的特征更加明顯， 在熱帶西北太平洋和西南太平洋為以赤道準對稱的強異常氣旋性環(huán)流， 北赤道流、棉蘭老流、黑潮、南赤道潛流和新幾內(nèi)亞沿岸潛流達最強； 北赤道逆流的流區(qū)為異常氣旋性環(huán)流串， 北赤道逆流處于由強變?nèi)醯倪^渡階段， 強度接近正常； 赤道中東太平洋為異常西向流， 赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)為顯著的異常反氣旋性環(huán)流， 5°—10°S 和5°N 附近為較強異常東向流。

在El Ni?o 衰退期， 熱帶太平洋異常環(huán)流分布形勢與El Ni?o 發(fā)展期相反， 熱帶西北和西南太平洋異常氣旋性環(huán)流減弱， 并開始出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流， 該海域主要流場呈減弱傾向； 赤道中西太平洋為以赤道對稱的顯著異常氣旋性環(huán)流， 赤道潛流最強； 北赤道逆流流區(qū)為強異常西向流， 北赤道逆流最弱。在El Ni?o 發(fā)展期、成熟期和衰退期中東太平洋北部熱帶海域異常環(huán)流呈現(xiàn)從氣旋性到反氣旋性的轉(zhuǎn)變， 導致北赤道流從弱到強的變化。La Ni?a 期間熱帶太平洋異常環(huán)流分布(圖略)與El Ni?o 期間相反。對照圖2b(圖2b 反號即為El Ni?o 發(fā)展期)， 二者在El Ni?o各階段的異常流場分布形勢非常相似。

4 ENSO 期間溫躍層深度變化對海洋環(huán)流異常影響的可能物理機制

溫躍層深度異常TCA是大氣和海洋相互作用的結(jié)果。在赤道太平洋偏東信風應力場的作用下， 暖水在熱帶西太平洋堆積， 熱帶西太平洋溫躍層較深， 熱帶東太平洋溫躍層較淺。在西風爆發(fā)或信風減弱情況下， 有利于El Ni?o事件的發(fā)生。無論是Schopf等(1988)提出的時滯振子理論， 還是Zhao等(2007)提出的混合層水體振蕩模型， 都表明ENSO事件實質(zhì)上表現(xiàn)為熱帶太平洋TCA的大范圍規(guī)律變化。但溫躍層深度變化怎樣影響海洋環(huán)流變化的呢？

圖4 大范圍不均勻溫躍層深度變化指數(shù)(thermocline depth anomaly， TCA)導致熱帶海洋異常環(huán)流的概念模型 Fig.4 A conceptual model of anomalous circulation in the tropical Pacific induced by large scale heterogeneous TCA

圖4 為大范圍不均勻TCA 在北半球熱帶海洋(圖4a， 南半球相反)和在赤道海域(圖4c)呈圓形或橢圓形及北半球熱帶海洋呈緯向平直形(圖4b)分布導致熱帶海洋異常環(huán)流的概念模型， 圖中G為水平壓強梯度力，C為科里奧利力， 深黑色箭矢表示流向。在離赤道熱帶海洋為圓形或橢圓形(圖4a)， 流體運動服從地轉(zhuǎn)平衡， 當TCA＞0 時， 壓強在溫躍層深度異常的中心最大， 在科里奧利力的作用下， 水體流向壓強梯度方向右側(cè)(北半球)或左側(cè)(南半球)， 均呈反氣旋式異常環(huán)流， 溫躍層深度變化區(qū)內(nèi)有異常下降流， 中心處最大。當TCA＜0 時， 壓強在溫躍層深度中心最小， 無論是在南半球還是北半球， 在壓強梯度力和科里奧利力共同作用下， 水體均呈氣旋式異常環(huán)流， 溫 躍層深度變化區(qū)內(nèi)有異常上升流， 中心處最大。當TCA 在離赤道熱帶海洋呈緯向分布(圖4b)時， 在壓強梯度力和科里奧利力共同作用下， 北向壓強梯度時產(chǎn)生異常東向流， 南向壓強梯度時產(chǎn)生異常西向流， 在離赤道南側(cè)海域則流向相反。在赤道海域(圖4c)， 赤道上科里奧利力為零， 基于Gill 理論(Gill， 1980)， 當大范圍TCA＞0 跨越赤道出現(xiàn)時， 由于沿赤道壓強梯度力的作用， 在TCA 中心以西沿赤道為較強的異常西向流并伴有異常上升流， 赤道兩側(cè)為異常反氣旋性環(huán)流， 環(huán)流中心為異常下降流， 在TCA 中心以東赤道兩側(cè)則會出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流(圖略)， 沿赤道為異常東向流和異常下降流； 當TCA＜0 時， 由于沿赤道壓強梯度力的作用， 在TCA 中心以西沿赤道為較強的異常東向流并伴有異常下降流， 赤道兩側(cè)流場為異常氣旋性環(huán)流， 環(huán)流中心為異常上升流， TCA中心以東出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流(圖略)沿赤道為異常西向流和異常上升流。

由此不難解釋ENSO 期間熱帶太平洋上層海洋異常水平環(huán)流的規(guī)律變化。對照圖2a—b 和圖4 可以清楚看到， TCA 正值區(qū)往往伴隨異常反氣旋性環(huán)流， 而TCA 負值區(qū)則伴有異常氣旋性環(huán)流。ENSO 期間西太平洋低緯度邊界流呈顯著規(guī)律性變化， 在 El Ni?o 成熟期(圖2a1， b1)， 熱帶西太平洋溫躍層顯著變淺， 離赤道南、北兩側(cè)為兩個TCA 負值中心， 據(jù)圖4a， 在科里奧利力作用下， 離赤道南、北兩側(cè)的熱帶海域為兩個異常氣旋性環(huán)流， 它們共同造成西太平洋北赤道流、棉蘭老流、黑潮、南赤道流、新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道潛流等主要邊界流的變化； 在熱帶太平洋東北海域有TCA 次大值中心， 該處為較弱的異常反氣旋性環(huán)流； 在El Ni?o 衰退期(圖2a2， b2)， 沿12°N 附近海域及熱帶西南太平洋為大范圍較弱的正TCA， 據(jù)圖4a， 這些海域為較弱異常反氣旋性環(huán)流。北赤道逆流隨ENSO 演變過程中TCA 的不同分布有顯著變化， 在El Ni?o 成熟期(圖2a1， b1)TCA 極大負值中心沿北赤道逆流軸線位置呈緯向分布， 表現(xiàn)為異常氣旋性環(huán)流串(圖4a)， 平均北赤道逆流流速變化較小， 處于正常狀態(tài)。

在El Ni?o 發(fā)展期， 赤道與12°N 之間TCA 呈南高北低分布， 二者之間存在北向壓強梯度， 據(jù)圖4b， 地轉(zhuǎn)平衡后產(chǎn)生東向異常流， 北赤道逆流顯著加強； El Ni?o 衰退期相反， 赤道與離赤道的北熱帶太平洋之間為南向壓強梯度， 地轉(zhuǎn)平衡后出現(xiàn)西向異常流， 北赤道逆流顯著減弱。赤道潛流及鄰近的異常環(huán)流是TCA 在赤道海洋緯向不均勻分布和Gill 效應共同作用結(jié)果， 在El Ni?o 成熟期(圖2a1， b1)， 日界線以東的熱帶東太平洋溫躍層顯著加深， 正TCA 最大中心位于120°W 附近的赤道海域， 赤道上科里奧利力為零， 基于Gill 效應， 據(jù)圖4c， TCA 中心以西的赤道中東太平洋海域， 沿赤道為異常西向流， 赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)為異常反氣旋性環(huán)流； 在El Ni?o 衰退期(圖2a2， b2)， 負TCA 中心以西的赤道中西太平洋為異常東向流， 赤道潛流最強， 赤道兩側(cè)為異常氣旋性環(huán)流； 可能由于熱帶東太平洋異常TCA 分布范圍較小且強度較弱， Gill 效應和流場變化不很明顯。La Ni?a 期間相反。由此我們獲得與表1 和圖2 所示的ENSO 循環(huán)期間熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流和已有的多數(shù)研究基本一致的結(jié)果。

5 討論

海洋環(huán)流是指風引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生的密度流、大洋環(huán)流中流旋等。有關產(chǎn)生海洋環(huán)流異常的原因， 人們多歸因于海面風應力異常， 它改變海洋內(nèi)部水平壓強梯度導致海洋環(huán)流異常。誠然， 海面風應力異常在海洋環(huán)流變化有重要作用， 但在年際尺度上， ENSO 循環(huán)是一種赤道Kelvin 波動或海洋混合層水體振蕩， 一旦振蕩形成后溫躍層深度隨即發(fā)生大范圍規(guī)律變化， 同樣改變海洋內(nèi)部水平壓強梯度和海洋環(huán)流。ENSO 期間熱帶太平洋出現(xiàn)的某些異常海洋環(huán)流很難直接用海面風應力異常來解釋， 如赤道潛流及兩側(cè)的異常環(huán)流， 它是TCA 分布不均勻造成沿赤道壓強梯度力所致。又如北赤道逆流的異常， 據(jù)本文結(jié)果表明， 在 El Ni?o 發(fā)展期， 赤道與12°N 之間為南高北低TCA 分布， 存在北向壓強梯度， 地轉(zhuǎn)平衡后產(chǎn)生東向異常流， 加強了北赤道逆流， 在El Ni?o 衰退期相反， 顯然北赤道逆流異常也與熱帶太平洋溫躍層變化密切相關。本文的結(jié)果基于熱帶太平洋溫躍層振蕩的新視角， 認為這種在西太平洋赤道外南、北熱帶海域出現(xiàn)的準對稱海洋異常環(huán)流是受到ENSO 期間西太平洋暖池區(qū)大范圍顯著溫躍層抬升或下降的影響。相反， 此時上述海域海面風應力場異常則可能是熱帶海洋大氣對ENSO 導致的熱帶太平洋異常熱力場變化的同步響應。

由此可見， 海洋環(huán)流異常確是海洋內(nèi)部壓強梯度變化的結(jié)果， 但造成海洋內(nèi)部壓強梯度變化的原因有二， 一是海面風應力場異常引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生， 二是ENSO 事件造成的熱帶太平洋大范圍顯著溫躍層深度變化所致。本文從ENSO 事件導致的溫躍層深度異常來探索引起海洋環(huán)流變化的新機制， 用海洋內(nèi)部動力過程來解釋海洋環(huán)流異常現(xiàn)象。然而， ENSO 期間熱帶太平洋溫躍層的振蕩， 與海面風應力變化相互作用、息息相關。因此， 很難對風應力和溫躍層對環(huán)流異常的驅(qū)動機制進行嚴格的劃分， 溫躍層振蕩機制是對以往研究的補充。本文旨在提出溫躍層機制的定性概念理論， 而對ENSO 期間形成的氣旋/反氣旋環(huán)流對各海洋環(huán)流的超前滯后關系等問題并沒有展開定量的計算和分析， 這些精確的定量計算將在接下來的工作中展開， 期待進一步研究將加深對熱帶太平洋海洋環(huán)流異常特征及其形成機制的了解。這里值得關注的是赤道海域流場的變化， ENSO 事件過程中赤道潛流及兩側(cè)對稱性異常氣旋性或反氣旋性渦旋的出現(xiàn)， 大大增加了赤道海洋流場變化的復雜性。這種與ENSO 同步出現(xiàn)的異常渦旋將對南赤道流及北赤道逆流及該海區(qū)的垂直環(huán)流有重要作用， 同時也為赤道海水與赤道外熱帶海洋及垂直方向上熱量和物質(zhì)傳輸提供途徑。

6 結(jié)論

本文基于SODA 海洋同化資料， 對ENSO 循環(huán)中的熱帶太平洋上層海洋環(huán)流的演變規(guī)律進行了系統(tǒng)的分析， 并探討了形成海洋環(huán)流異常的新機制。結(jié)果表明：

(1) ENSO 循環(huán)過程中熱帶太平洋溫躍層深度異常TCA 呈大范圍規(guī)則變化， 表現(xiàn)為冬季的以160°W為縱軸的東西向偶極子分布和夏季的以6°—8°N 為橫軸的南北向蹺蹺板分布兩種主要分布型。熱帶太平洋TCA 呈西淺東深時為El Ni?o 成熟期， 反之出現(xiàn)La Ni?a 成熟期； TCA 沿赤道海域加深、沿12°N 北太平洋變淺時為El Ni?o 發(fā)展或La Ni?a 衰退階段， 反之為La Ni?a 發(fā)展或El Ni?o 衰退階段。

(2) ENSO 事件導致的熱帶太平洋TCA 的規(guī)律分布引發(fā)了上層海洋異常環(huán)流。在El Ni?o 成熟期， 熱帶中東太平洋赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外南、北熱帶海域出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流， 該區(qū)北赤道流、南赤道流、棉蘭老流、黑潮、新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道潛流達最強； 沿北赤道逆流流區(qū)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流串， 北赤道逆流接近正常。在El Ni?o 衰退期， 熱帶中西太平洋赤道潛流最強， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外熱帶海域異常環(huán)流減弱， 該處主要流場強度減弱或處于正常狀態(tài)； 北赤道逆流流區(qū)為異常西向流， 北赤道逆流反向。La Ni?a 事件期間相反， 由此造成ENSO 循環(huán)期間熱帶太平洋上層海洋環(huán)流的周期性變化。

(3) ENSO 循環(huán)中熱帶太平洋TCA 大范圍規(guī)律演變， 導致水體內(nèi)部壓強梯度水平不均勻分布， 造成海洋環(huán)流場變化。在離赤道海域， 當TCA 呈圓形或橢圓形分布時， TCA 為正時， 壓強在溫躍層深度中心最大， 由于科里奧利力的作用， 水體流向壓強梯度方向右側(cè)(北半球)或左側(cè)(南半球)， 均呈反氣旋式異常環(huán)流， 溫躍層深度變化區(qū)內(nèi)有異常下降流， 中心處最大； TCA 為負時相反。當TCA 呈緯向分布時， 赤道北側(cè)熱帶海域TCA 為北向壓強梯度力時， 科里奧利力作用產(chǎn)生東向異常流， 北赤道逆流加強， TCA 為南向壓強梯度力時反之。在赤道海域科里奧利力為零， 基于Gill 理論(Gill， 1980)， 在沿赤道壓強梯度力作用下， TCA 為正時， TCA 中心以西赤道上為強西向異常流并伴有異常上升流， TCA 中心以東赤道海洋出現(xiàn)相反異常環(huán)流。