南大西洋副熱帶偶極子的年際變化*

申都涵， 林霄沛

(中國海洋大學海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

南大洋約占世界大洋總面積的22%，它由南太平洋、南大西洋、南印度洋三部分組成。在離開赤道的南大西洋海域，海表溫度(Sea Surface Temperature;SST)存在一個顯著的偶極子模態(tài)，即南大西洋副熱帶偶極子(South Atlantic Subtropical Dipole;SASD)[1]。它為南大西洋海表溫度異常經(jīng)驗正交分解(Empirical Orthogonal Function;EOF)得到的第一模態(tài)，呈東北-西南偶極子分布。該模態(tài)具有年際[1-2]與年代際[2-3]兩個顯著的時間尺度，且鎖向季節(jié)為南半球的夏季[1]。隨后的研究進一步表明南印度洋[4]和南太平洋[5]也存在類似的偶極子現(xiàn)象。

Venegas最早于1996年在南大西洋海平面氣壓和海表溫度共同變化的特征研究中討論了SASD[2]。Fauchereau等在2003年提出SASD正事件的產(chǎn)生是由南大西洋副熱帶高壓增強及南移所致[6]。Sterl和Hazeleger計算了SASD生成期間混合層熱量的平衡，指出潛熱占主要作用[7]。近年來的研究則討論了海洋過程在SASD形成中的作用。2005年Hermes和Reason通過海洋環(huán)流模式(Ocean General Circulation Model;OGCM)指出，海表面熱通量、?？寺?Ekman)輸運、上升流、下降流在熱量輸送中起著重要作用，但并未定量化給出各個項的相對貢獻[8]。2011年Morioka等在研究SASD的生成時考慮混合層深度的變化。他們的結果表明，在氣候態(tài)短波輻射下，當混合層深度變淺(深)時，混合層增暖(變冷)，從而導致了SASD正(負)事件的生成[1]。

SASD在年際上會受到南極濤動(Antarctic Oscillation; AAO)[5,8]與厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation; ENSO)的調(diào)制[2，6，8-9]。2014年Morioka利用海氣耦合模式(Coupled General Circulation Model,CGCM)表明與AAO相關的羅斯貝駐波會引起南大西洋海表面氣壓異常，從而產(chǎn)生SASD。2015年Rodrigues研究指出，中太型El Nino會激發(fā)太平洋—南美波列(Pacific-South American wave train,PSA),導致南大西洋副熱帶高壓減弱,進而產(chǎn)生SASD負事件。此外，太平洋多年代際振蕩(Interdecadal Pacific Oscillation；IPO)可以通過熱帶太平洋與南大西洋遙相關波列影響SASD年代際變率[10]。

SASD作為南大西洋海氣耦合的主要模態(tài)，其會對南非[1,11]及南美[12-13]降雨產(chǎn)生影響。SASD正事件伴隨著南大西洋反氣旋的南移，將更多的水汽輸送至南非(如：剛果盆地)，增加該地的降水。同時，SASD正事件引起巴西東南部氣旋數(shù)量增多且逐漸向北移動，從而導致南美東部降水增多。

研究SASD年際變化的討論有助于進一步分析南非及南美降水的年際變率，從而對周邊國家的農(nóng)業(yè)、工業(yè)發(fā)展提供指導。目前關于SASD的研究多集中于其生消機制和季節(jié)變化方面，但對SASD的年際變化鮮有討論。本文首先分析了SASD的年際變化特征，接著利用模式數(shù)據(jù)根據(jù)溫度傾向方程診斷了SASD區(qū)域內(nèi)混合層溫度的年際變化。診斷結果表明，SASD的年際變化主要來自于表面熱力強迫項。進一步分析表面熱力強迫項，可以確定SASD的年際變化受該區(qū)域短波輻射項調(diào)控。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用哈德利中心全球海冰海面溫度數(shù)據(jù)(Hadley Center Global Sea Ice and Sea Surface Temperature；HadISST),空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為1個月。(數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為：http://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst)。海表面氣壓場、風場、重力勢高度場的數(shù)據(jù)源于NCEP-NCAR再分析數(shù)據(jù)，其空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為1個月。(數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址為：https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surfaceflux.html)。對于以上數(shù)據(jù)集，本文選取時間段為1960—2016年共計56年。首先利用最小2乘法去除線性趨勢，再扣除氣候態(tài)月平均數(shù)據(jù)后得到月平均異常值。本文采用ECCO2模式數(shù)據(jù)，其包含溫鹽(TS)、流場(UV)及海表面熱通量(Qnet)等變量。數(shù)據(jù)存放格式為NetCDF格式，空間分辨率為1/4(°)×1/4(°)，時間從1992—2016年，分辨率為3天，垂直分辨率為從海表面5 m至底層5 900 m，共計50層(數(shù)據(jù)下載地址：http://apdrc.soest.hawaii.edu/datadoc/ecco2_cube92.php)。由于ECCO2模式數(shù)據(jù)未提供長波輻射，感熱通量和潛熱通量等變量，故使用NCEP-NCAR再分析數(shù)據(jù)中的海表面熱通量數(shù)據(jù)做進一步分析。其空間分辨率為2.5°×2.5°，時間分辨率為1天。本文對熱收支分析所得結果進行3個月滑動平均處理，并求取南半球夏季的平均值作為該年的代表。

1.2 數(shù)據(jù)驗證

經(jīng)過多模式數(shù)據(jù)比對，ECCO2數(shù)據(jù)可以較好捕捉到SASD事件。圖1顯示了分別利用HadISST與EC-CO2數(shù)據(jù)計算所得到的南大西洋氣候態(tài)海表溫度 (見圖1(a),(b))與合成的SASD正異常事件(見圖1(c),(d))。兩個數(shù)據(jù)集所得結果基本一致。將NCEP-NCAR與ECCO2熱通量數(shù)據(jù)進行對比(見圖2)。圖2(a)為東北極1992—2016年海表面凈熱通量。紅色線為NCEP-NCAR數(shù)據(jù)，黑色線為ECCO2數(shù)據(jù)。圖2(b)為西南極。二個數(shù)據(jù)變化大體相同，故使用NCEP-NCAR熱通量數(shù)據(jù)做下一步的分析是合理的。

(SASD正事件年份為1996/1997,2011/2012。Positive SASD year is 1996/1997,2011/2012.)

圖2 (a)東北極，(b)西南極NCEP-NCAR (紅色)與ECCO2(黑色)數(shù)據(jù)的表面凈熱通量(單位：W·m-2)Fig.2 Net surface heat flux of NCEP-NCAR(red)and ECCO2(black)for (a) northeastem pole and (b) southwestem pole(Unit: W·m-2)

1.3 研究方法

本文采用溫度傾向方程來診斷SASD混合層溫度，其表達形式如下：

(1)

其5項分別為溫度傾向項，表面熱力強迫項，平流項和垂直夾卷項和殘余項[14-15]。式中：Tm為混合層垂向平均溫度；右手邊第一項中Qnet為表面凈熱通量；qd為通過混合層底部向下傳送的熱量。由于所研究區(qū)域混合層在夏季較淺為20～30 m，所以qd不可忽略。qd的計算采用經(jīng)驗公式：

(2)

選取Jerlov所描述的TypeI水體[16]。式中：ρ為海水密度；cp為海水比熱容；H是混合層深度。本文采取混合層深度的定義為比10 m深度處位密大0.1 kg·m-3的深度[17]。右手邊第二項中：um為混合層垂向平均水平流速；Tm為混合層垂向平均溫度的水平梯度；第三項ΔT=(Tm-T-H-20m),代表著混合層與夾卷水層的溫度差。夾卷水層為混合層底下20 m處的水層[18]。we為夾卷速度，當we為負時，we取0。最后一項為殘差項，包含混合、擴散及其他高頻率的海洋過程與計算誤差。

表面凈熱通量Qnet由4項組成，分別是感熱通量Qh、潛熱通量Qe、短波輻射Qs及長波輻射Ql。

Qnet=Qh+Qe+Qs+Ql。

(3)

2 SASD的年際變化

根據(jù)Morioka的定義[1]，SASD指數(shù)為西南極40°S～30°S，30°W～10°W與東北極25°S～15°S，20°W～0°鎖向季節(jié)(12，1和2月)海表溫度異常差[1]。

SASDI=[SSTA]西南極-[SSTA]東北極。

SASD指數(shù)如圖3(d)所示，其具有明顯的年際周期。在1975,1980,1981年出現(xiàn)正最大值,在1963,1972,1983年為出現(xiàn)負最大值。本文將SASD指數(shù)超過1的年份記為SASD事件，在1960—2016年中共計6個SASD正事件與9個SASD負事件。正事件與負事件在表一中列出。

表1 SASD正負事件Table1 Positive and negative SASD events

圖3(b)，(c)分別合成了SASD正、負事件海表溫度異常分布。在正事件時，東北極為負異常，西南極為正異常，負事件則與之相反。SASD的生成主要是副熱帶高壓的南北移動所致。圖3(a)給出南大西洋氣候態(tài)風場及海表溫度場，在該海域常年存在一個反氣旋風場。當SASD正事件發(fā)生時(見圖3(b))，東北極東南風加強，增加了海表面蒸發(fā)及上層海洋混合。此外加強的東南風還會引起離岸的Ekman輸運及沿岸上升流，這些作用共同導致東北極變冷。西南極西風減弱，海表面蒸發(fā)及上層海洋混合相應減弱，使西南極升溫。SASD負事件發(fā)生時，在南大西洋同樣的位置會產(chǎn)生一個異常氣旋(見圖3(c))。其會減弱東北極的東南風，加強西南極的西風，使東北極變暖，西南極變冷。

SASD指數(shù)為西南極與東北極海表溫度異常之差。因此，本文先分別對SASD兩個關鍵區(qū)的混合層溫度進行診斷，后將兩者做差得到SASD混合層溫度的年際變化。

2.1 東北極與西南極混合層溫度的年際變化

利用公式(1)對東北極混合層進行熱收支分析，結果如下：

(SASD指數(shù)利用標準差進行標準化。The values are normalized by the standard deviation.)

圖4 東北極(a)溫度傾向項，(b)表面熱力強迫項，(c)平流項，(d)垂直夾卷項，(e)殘差項異常時間序列(單位:10-7 ℃·s-1)Fig.4 Time series of anomalies of (a)temperature tendency terms,(b)surface thermal forcing terms,(c)horizontal advection terms,(d)vertical entrainment terms, and (e)residual terms for northeastem pole (Unit:10-7 ℃·s-1)

圖4顯示了東北極1992—2016年南半球夏季混合層溫度傾向項、表面熱力強迫項、平流項、垂直夾卷項和殘余項五項的年際變化?？梢钥闯鰷囟葍A向項具有明顯的年際信號。在2008年前，東北極混合層溫度變化趨勢較大，2008年后該趨勢減小。在1992、1994—1995、1998、2000、2002、2005—2007，2010—2013年混合層有增溫的趨勢，且在1994、2002、2007年增溫趨勢強烈。1993、1996—1997、1999、2001、2003、2008—2009、2014—2015年混合層呈現(xiàn)降溫趨勢，1996、1999、2003年降溫趨勢明顯。觀察圖4(b)～(e)可以看出，溫度傾向項主要由表面熱力強迫項做主導，水平項與垂直夾卷項可以忽略不計。但2009—2010年、2014—2015年溫度傾向項與熱力強迫項相反，其混合層溫度的變化可能由平流項與垂直夾卷項所致。

圖5為西南極混合層的熱收支分析，可以看出西南極在1992、1994、2001—2003、2005、2007、2010、2012、2014年混合層有降溫的趨勢，且在2007年降溫趨勢最大。在1993、1995—2000、2004、2006、2008—2009、2011、2013混合層有升溫的趨勢，在2008年升溫趨勢明顯。在1995、1998、2000、2001、2003、2006、2011、2013、2014年西南極與東北極混合層溫度具有同樣的變化趨勢。由圖5(b)～(e)可以得出混合層溫度傾向項仍是由表面熱力強迫項所主導。西南極水平項要大于東北極，這與Sterl和Hazeleger 2003年的研究吻合。在西南極有異常向南的巴西暖流，這會引起異常的經(jīng)向平流熱輸送，所以西南極平流項的貢獻大于東北極。西南極的殘差項在2011年較大。在該年表面熱力強迫項遠大于溫度傾向項。對于其原因現(xiàn)在尚不明確，可在以后的研究中進一步討論。

2.2 SASD混合層溫度的年際變化

前文分析了東北極與西南極的混合層溫度的年際變化。根據(jù)SASD定義，SASD指數(shù)為西南極與東北極海表溫度異常之差。由此，本文得到對于SASD混合層的熱收支分析(見圖6)。在1992、1994—1995、2001—2002、2005、2007、2010、2012年SASD指數(shù)呈下降趨勢。多數(shù)年份SASD指數(shù)下降是由于西南極降溫東北極升溫所致。但1995年西南極與東北極混合層均增暖，西南極增暖幅度小于東北極。2001年西南極與東北極混合層均降溫，但西南極降溫幅度大于東北極。在1993、1996—2000、2003—2004、2006、2008—2009、2011、2013—2015年SASD指數(shù)呈上升趨勢，多數(shù)年份是由于西南極升溫東北極降溫所致。但2000、2006、2011年西南極、東北極均升溫，西南極升溫幅度較東北極明顯。2003年兩者均降溫，東北極降溫大于西南極。2015年西南極溫度不變，東北極降溫。

圖5 同圖4，但是為西南極混合層溫度傾向方程各項異常的時間序列(單位:10-7 ℃·s-1)Fig.5 As in fig.4,but for time series of components anomalies for mixed layer temperature tendency equation in southwestem pole(Unit： 10-7 ℃·s-1)

圖6 同圖4，但是為SASD混合層溫度傾向方程各項異常的時間序列(單位:10-7 ℃·s-1)Fig.6 As in fig.4,but for time series of components anomalies of mixed layer temperature tendency equation for SASD(Unit：10-7 ℃·s-1)

SASD混合層溫度變化趨勢仍是由表面熱力強迫項做主導，但有所差異，如在2004、2015年表面熱力強迫項與溫度傾向項相反，2011年2者差異較大。水平項相對于垂直夾卷項較大，但二者貢獻都很小。所以前人提出的由于Ekman輸運導致SASD的形成原因可忽略。1998、2010—2011年殘差項相對較大，該殘差來自于西南極?？傮w而言對東北極混合層溫度傾向的診斷較西南極更為準確。

圖7 SASD(a)表面熱力強迫項,(b)短波輻射項,(c),長波輻射項,(d)潛熱通量項,(e)感熱通量項異常的時間序列(單位：10-7 ℃/s)

對比圖6(b)第二項與圖7(a)，由于所使用表面熱通量數(shù)據(jù)不同，圖6(b)為ECCO2熱通量數(shù)據(jù)，圖7(a)為NCEP-NCAR熱通量數(shù)據(jù)，所以量值有所差別但整體趨勢保持一致。短波輻射項在1993、1996—2001、2003、2005—2006、2008、2010—2011年為正，且在1996—1999與2011年量值較大。在1992、1994—1995、2002、2004、2007、2009、2012—2015年為負，且在1994、2002、2004、2014年量值較大。長波輻射項和潛熱通量項與短波輻射項變化趨勢一致，但符號相反。三者可能受同樣的因素影響。從量值而言，短波輻射項最大，是表面熱力強迫項、長波輻射項與潛熱通量項的2倍。后三者量值相近，感熱通量項趨近于0。SASD的表面熱力強迫項由短波輻射項，長波輻射項，及潛熱通量項三者共同作用所致，感熱通量項最小可忽略。表面熱力強迫項的變化與短波輻射項的變化大體一致，與長波輻射項及潛熱通量項相反。當短波輻射項使混合層有增溫的趨勢時，長波輻射項與潛熱通量項的共同作用使混合層降溫,反之亦然。但在1999—2001、2007、2009—2010、2012年表面熱力強迫項與短波輻射項相反，其主要由潛熱通量項所致。故表面熱力強迫項的年際變化主要由于短波輻射項的年際變化所調(diào)控，長波輻射項與潛熱通量項對其起抑制作用。Moriaka在研究SASD的生成及消退機制時強調(diào)短波輻射通量的重要性，本文發(fā)現(xiàn)SASD的年際變化也仍由短波輻射項的年際變化所引起。

3 總結與討論

本文利用HadISST數(shù)據(jù)計算得SASD指數(shù)。該指數(shù)具有5—8年周期,在1975,1980,1981年表現(xiàn)為正極大值,在1963,1972,1983年表現(xiàn)為負極大值。1960—2016年中共發(fā)生6次SASD正事件和9次SASD負事件。

本文進一步基于ECCO2模式數(shù)據(jù)，根據(jù)溫度傾向方程分析了SASD混合層溫度的年際變化。在1992、1994—1995、2001—2002、2005、2007、2010、2012年SASD指數(shù)呈下降趨勢。在1993、1996—2000、2003—2004、2006、2008—2009、2011、2013—2015年SASD指數(shù)呈上升趨勢。多數(shù)年份SASD指數(shù)下降是由西南極降溫東北極升溫所致。但也有例外，如1995年西南極與東北極混合層均增暖，但增暖幅度西南極小于東北極。SASD指數(shù)上升多是由西南極升溫東北極降溫所致。但2000、2006、2011年兩極均降溫，東北極降溫更明顯。

SASD混合層溫度的年際變化是由短波輻射項的年際變化所致。對SASD混合層溫度進行熱收支分析，結果表明表面熱力強迫項起主要作用，水平項與垂直夾卷項貢獻較小。后對表面熱力強迫項進行分解，最終確定SASD混合層溫度的年際變化是由短波輻射項的年際變化所造成。

(SASD指數(shù)先去除線性趨勢再進行13年滑動平均。圖中畫點區(qū)域代表置信水平通過95%的顯著性檢驗。 SASD index is linearly detrended first, and then processed with 13 year running mean. Stippling denotes areas where are statistically significant at the 95% confidence level.)

圖8 500 hPa重力勢高度異常(填色和等值線，單位：gpm)的年代際SASD指數(shù)回歸場
Fig.8 Regression map of 500 hPa geopotential height anomalies (colors and contour,
Unit：gpm)against normalized decadal SASD index

本文目前只討論到SASD的年際變化是由短波輻射項的年際變化所致，但對于引起短波輻射項年際變化的原因尚不明晰。短波輻射項受到短波輻射的變化與混合層深度的變化兩個因素的調(diào)控。短波輻射與混合層深度二者相對貢獻是如何分布的？短波輻射會受到云量的影響，同時局地風場也會改變混合層深度。進而風場與云量的年際變化又是如何產(chǎn)生的？這些問題將在下一步工作中繼續(xù)討論。

此外，SASD還具有顯著的年代際信號，在這一低頻時間尺度上，它可以通過海洋通道和大氣通道影響南半球氣候。在海洋通道方面，SASD信號可以由準靜止的海洋羅斯貝(Rossby)波傳播到西南印度洋，造成SST增暖[19-20]。在大氣通道方面，SASD引起的海表溫度異常會在大氣中激發(fā)向東傳遞的南大西洋-澳大利亞波列，影響印度洋與澳大利亞[21]。本文將500 hPa重力勢高度異常場回歸到SASD年代際信號上得到向東傳遞的大氣波列，如圖8所示。該波列具有5個交替的正負中心。三個正中心位于南大西洋，印度洋東部中緯度海域及整個太平洋中高緯度地區(qū)。兩個負中心位于印度洋高緯地區(qū)及澳大利亞。該波列作為大氣橋?qū)⒛洗笪餮笈c下游連接起來。類似的波列曾在北大西洋研究過[22]。值得注意的是，SASD指數(shù)為正時，伴隨著南太平洋中高緯度顯著的正重力勢高度異常。這表明SASD很有可能通過大氣波列在年代際時間尺度上影響南太平洋中高緯度的風場降水等因素。而前人針對SASD影響南太平洋的研究較少，對南大西洋和南太平洋之間跨海盆過程認識不多。我們未來將進一步探討SASD年代際信號通過大氣波列，對南太平洋降水分布和強度等的氣候影響。