北大西洋上層海溫的季節(jié)變率分析

秦 璐，欒東紅，姜 超，紀(jì)旭鵬

(1.牟平區(qū)氣象局，山東煙臺(tái) 264100；2.煙臺(tái)市氣象局，山東煙臺(tái) 264000)

海溫是反映海水冷熱狀況的一個(gè)物理量，不同的海溫特征可直接影響不同海氣耦合系統(tǒng)，是大氣異常的重要驅(qū)動(dòng)因子[1]，對(duì)于全球氣候系統(tǒng)的季節(jié)、年際、年代際變化都有重要影響。梅笑冬[2]在論述中提到，大氣環(huán)流對(duì)上層海洋熱狀況有主導(dǎo)性的驅(qū)動(dòng)作用。魏萌等[3-5]通過(guò)對(duì)全球上層海溫年周期和半年周期振蕩顯著性研究后認(rèn)為，大西洋中緯度上層海溫季節(jié)變化以年變化為主，受凈熱通量影響。霍利微[6]較近期的研究也表明冬季大西洋的海溫EOF分布的第一模態(tài)30°N以南海區(qū)海溫有一致變化，第二模態(tài)表明北大西洋中25°N～45°N海溫有相同的變化趨勢(shì)，且與我國(guó)冬季氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)。張?chǎng)?，徐海明[7]的研究發(fā)現(xiàn)，中北大西洋海區(qū)為影響中國(guó)東北地區(qū)春季極端低溫的關(guān)鍵海區(qū)，我國(guó)東北地區(qū)春季極端低溫的年份，中北大西洋較常年偏冷。而熱帶北大西洋海溫與南海夏季風(fēng)存在顯著負(fù)相關(guān)，北大西洋海溫正常時(shí)，南海季風(fēng)增強(qiáng)[8]。李忠賢[9]最新研究表明，春季熱帶大西洋北部海溫異常變化特征與中國(guó)盛夏華中地區(qū)降水異常呈現(xiàn)正相關(guān)。北大西洋海溫異常的顯著性差異是導(dǎo)致夏季中國(guó)東部降水以及大尺度環(huán)流異常存在的明顯差異的原因之一[10-11]。以上研究表明北大西洋海區(qū)為影響中國(guó)氣候的重要海區(qū)，大西洋上層海溫可作為對(duì)中國(guó)區(qū)域氣候分析與研究的重要影響要素。本文對(duì)影響大西洋上層海溫的因子做更為深入的研究，可為中國(guó)區(qū)域氣候研究提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

所用資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,簡(jiǎn)稱NCEP)提供的月平均全球海溫同化資料(GODAS)。20世紀(jì)80年代以后衛(wèi)星觀測(cè)顯著提高了觀測(cè)精度，使得資料具備可靠性強(qiáng)、時(shí)間序列長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。研究選取了1981—2018年的月平均海溫資料，其空間分辨率為0.333°(緯度)×1°(經(jīng)度)，水平范圍為0°N ～64.5°N、80°W～20°E，用深度200 m的海表面上層海溫來(lái)表示上層海洋的熱力狀況。同時(shí)選取了38年間NCEP北大西洋空間分辨率相同深度同為200 m的海表向下熱通量(GODAS)、擾動(dòng)速度和平均流場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1.2 方法

利用38年海溫資料，通過(guò)將海溫的春、夏、秋、冬四季多年平均值與海溫38年年平均值分別做差值，得到海溫年內(nèi)距平分布，分析1981—2018年四季北大西洋上層海溫變化的空間分布。

對(duì)于影響北大西洋上層海溫變化的主要貢獻(xiàn)因子可根據(jù)海溫控制方程[12-13]分析得到。通過(guò)小擾動(dòng)法處理，略去非線性等高階小量，海溫控制方程可簡(jiǎn)化為式(1)：

(1)

(1)式等號(hào)左側(cè)為海溫變化的時(shí)間傾向項(xiàng)。將等號(hào)右邊各項(xiàng)進(jìn)行分類(lèi)：

由于海洋溫躍層的深度一般為200 m，常用海洋表層到其下200 m的整體海溫表征為上層海溫。將(1)式從H=200 m深度到表層積分，得到式(2)：

(2)

(3)

式(3)給出了海表熱通量的貢獻(xiàn)、擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)和平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度的平流貢獻(xiàn)與海溫變化之間的關(guān)系。

在對(duì)海表向下熱通量(GODAS)、擾動(dòng)速度和平均流場(chǎng)數(shù)據(jù)，采用和海溫類(lèi)似的季平均及其距平處理后，即可表征式(3)右側(cè)各項(xiàng)，將其與海溫距平的時(shí)間變化進(jìn)行相關(guān)分析及T檢驗(yàn)，分析各因子對(duì)北大西洋上層海溫變化的影響。

2 北大西洋上層海溫的季節(jié)變化

利用38年上層海溫春季(3-4月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月-次年2月)和年(12月-次年11月)上層海溫資料多年(38年)平均值，將四季上層海溫資料多年平均值與年海溫多年平均值做差值，得到北大西洋上層海溫季節(jié)變化的距平值。

結(jié)果表明北大西洋上層海溫最冷的季節(jié)是春季，春季比冬季的海溫更冷、位置更偏南；最暖的是秋季，秋季比夏季海溫更高，秋季和夏季海溫分布位置基本相同，但低緯副熱帶海區(qū)海溫極值位置分布與春季相同，海溫距平值正負(fù)相反(圖1)。

夏半年夏、秋二季在北大西洋的西北側(cè)海區(qū)出現(xiàn)海溫暖中心，極值高達(dá)1.5 ℃以上。在秋季暖海溫正中心范圍很大，緯向橫跨半個(gè)大西洋，海區(qū)分布在30°N～50°N，在熱帶地區(qū)有高值，副熱帶存在低值中心。夏季高值中心位置雖與前者相同但強(qiáng)度明顯減弱、范圍縮小，高值中心也不存在。兩季的海溫冷(負(fù)距平)中心皆在靠近赤道的海區(qū)出現(xiàn)，負(fù)距平值超過(guò)-1 ℃，但秋季負(fù)距平中心強(qiáng)度強(qiáng)、范圍大，位置靠北。

冬半年冬、春季的海溫距平中心與夏半年的高值區(qū)和負(fù)高值區(qū)位置重合且出現(xiàn)反向趨勢(shì)，負(fù)中心出現(xiàn)在北大西洋的西北沿岸，正中心在赤道附近海域出現(xiàn)。春季負(fù)值中心相比冬季明顯強(qiáng)度更強(qiáng)且范圍更大，而高值中心強(qiáng)于冬季。

由分析可見(jiàn)，北大西洋四季的海溫距平在中緯大洋西側(cè)海區(qū)海溫最暖(最冷)，出現(xiàn)正(負(fù))值中心，低緯熱帶與副熱帶海區(qū)分布出現(xiàn)相對(duì)的暖海溫(冷海溫)值與冷海溫(暖海溫)值中心。由于海洋特性，上層最暖季節(jié)出現(xiàn)在秋季，最冷季節(jié)出現(xiàn)在春季，而非氣候夏季、冬季，四季中海溫的季節(jié)變化出現(xiàn)滯后，相比大氣滯后一個(gè)季節(jié)。

圖1 1981—2018年北大西洋上層海溫的四季分布圖

3 各項(xiàng)因子對(duì)北大西洋上層海溫季節(jié)變化的影響

3.1 各項(xiàng)因子對(duì)北大西洋上層海溫變化的貢獻(xiàn)

海氣界面的能量交換(即海表向下熱通量)是影響上層海溫的重要因子，海水熱通量?jī)羰杖霑r(shí)海溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，熱通量?jī)糁С鰰r(shí)海溫表現(xiàn)下降趨勢(shì)[14]。以簡(jiǎn)化的海溫控制方程為基礎(chǔ)，進(jìn)行線性化處理，對(duì)式(3)右側(cè)三項(xiàng)因子在北大西洋上層海溫變化所起作用進(jìn)行分析。

將海溫變化的時(shí)間傾向(圖2)與熱通量的貢獻(xiàn)(圖3)對(duì)比，可以看出二者季節(jié)分布對(duì)應(yīng)較好，具有很高的相似度，中高緯地區(qū)尤其明顯。春、夏季和冬季的海溫在熱通量貢獻(xiàn)的影響下，在北大西洋西北海區(qū)出現(xiàn)了極大值中心，夏、冬季的溫度變化略弱且位置偏南；春季兩個(gè)變量范圍分布相同，海溫距平的時(shí)間變化貢獻(xiàn)強(qiáng)度略強(qiáng)于熱通量貢獻(xiàn)。秋季強(qiáng)度較弱，總體分布呈現(xiàn)一致性。

對(duì)比分析海溫變化的時(shí)間傾向(圖2)與擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)(圖4)，可以看出在低緯地區(qū)此項(xiàng)因子對(duì)海溫有影響，這種作用夏季、冬季表現(xiàn)強(qiáng)烈，春、秋影響較弱，冬季表現(xiàn)的最為明顯，同時(shí)大西洋西北沿岸也出現(xiàn)了次高值中心。

對(duì)比分析海溫變化的時(shí)間傾向(圖2)與平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度的平流貢獻(xiàn)(圖5)表明，此項(xiàng)因子總體上對(duì)大西洋海溫的影響表現(xiàn)較弱，夏季與秋季對(duì)大西洋西岸有產(chǎn)生小范圍影響。

綜上，熱通量貢獻(xiàn)項(xiàng)在上層海溫變化中起主要作用，高緯地區(qū)大西洋西岸與海溫變化的時(shí)間傾向在空間分布上四季均有一致性；擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)起次要作用，主要表現(xiàn)在熱帶低緯海區(qū)；與前兩者相比，平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度的平流貢獻(xiàn)的影響較弱。

圖2 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海溫變化的時(shí)間傾向分布圖

圖3 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海洋熱通量對(duì)上層海溫變化的貢獻(xiàn)分布圖

圖4 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海洋擾動(dòng)速度對(duì)上層海溫變化的貢獻(xiàn)分布圖

圖5 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海洋平均流場(chǎng)對(duì)上層海溫變化的貢獻(xiàn)分布圖

3.2 各項(xiàng)因子與北大西洋上層海溫變化的相關(guān)性分析

圖6a給出了38年海溫變化的時(shí)間傾向與熱通量貢獻(xiàn)的相關(guān)系數(shù)(r)的分布圖，其中白色標(biāo)示未通過(guò)檢驗(yàn)的區(qū)域，暖色為通過(guò)檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)域，冷色區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)檢驗(yàn)的負(fù)相關(guān)區(qū)域?？梢钥闯觯瑑烧叩南嚓P(guān)程度穩(wěn)定，通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。正相關(guān)區(qū)域中心位于北大西洋海區(qū)中高緯大部分地區(qū)以及副熱帶大洋沿岸,r最高值超過(guò)0.8；赤道附近海區(qū)存在負(fù)相關(guān)，負(fù)相關(guān)中心也具有很好的穩(wěn)定性，通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)，負(fù)相關(guān)系數(shù)最高可達(dá)-0.6。在通過(guò)正負(fù)顯著性檢驗(yàn)的海區(qū)，存在少量未通過(guò)檢驗(yàn)的海區(qū)。表明雖然整個(gè)海區(qū)的海溫與熱通量值存在連續(xù)的相關(guān)關(guān)系，但不同區(qū)域也存在一定差異?？梢?jiàn)熱通量的貢獻(xiàn)對(duì)在中高緯上層海溫的變化起到了很好的相關(guān)影響。

海溫變化的時(shí)間傾向與擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)的相關(guān)系數(shù)(r)如圖6b所示，以通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)的負(fù)相關(guān)區(qū)域?yàn)橹鳎饕植荚诟呔暫偷途暤貐^(qū)。通過(guò)0.01顯著性檢驗(yàn)的正相關(guān)海區(qū)分布于中緯。兩者的相關(guān)穩(wěn)定性程度明顯弱于熱通量貢獻(xiàn)的溫度變率。

從海溫變化的時(shí)間傾向與平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度平流貢獻(xiàn)的相關(guān)系數(shù)(r)分布圖(6c)可以看出，檢驗(yàn)效果次于熱通量貢獻(xiàn)、擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)。在高緯與副熱帶表現(xiàn)為正相關(guān)，中緯與赤道地區(qū)表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，正負(fù)相關(guān)分別通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)區(qū)域分布零散。

圖6 1981—2018年北大西洋上層海溫變化的時(shí)間傾向與熱通量貢獻(xiàn)(a)、擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)(b)和平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度的平流貢獻(xiàn)(c)的相關(guān)系數(shù)分布

4 結(jié)論

(1)北大西洋在中緯大洋西側(cè)海區(qū)冬半年(春、冬)出現(xiàn)海溫距平負(fù)值中心，夏半年(夏、秋)出現(xiàn)海溫距平正值中心，副熱帶與熱帶赤道附近也隨季節(jié)變化出現(xiàn)反相位的海溫距平正負(fù)中心。其中海溫距平的正、負(fù)極值分別出現(xiàn)在秋季和春季，北大西洋上層海溫季節(jié)變化出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，受海洋特性影響上層海溫變化相比氣溫變化滯后一個(gè)季節(jié)。

(2)簡(jiǎn)化后的海溫控制方程進(jìn)行積分處理(H=200 m)，得到了影響北大西洋上層海溫變化的三項(xiàng)影響因子：熱通量貢獻(xiàn)、擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)與平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度的平流貢獻(xiàn)。

(3)第一項(xiàng)因子熱通量貢獻(xiàn)在上層海溫變化中起主要作用，其中高緯度海區(qū)與北大西洋海溫變化的時(shí)間傾向在四個(gè)季節(jié)都高度重合；第二項(xiàng)因子擾動(dòng)速度對(duì)平均溫度的平流貢獻(xiàn)表現(xiàn)出次要作用，在低緯地區(qū)對(duì)海溫有影響，其作用夏季、冬季表現(xiàn)強(qiáng)烈，春秋影響較弱；第三項(xiàng)因子平均流場(chǎng)對(duì)擾動(dòng)溫度的平流貢獻(xiàn)表現(xiàn)較弱，在夏季與秋季對(duì)北大西洋西岸有產(chǎn)生小范圍影響。

(4)北大西洋上層海溫變化與各因子的相關(guān)性分析中，第一項(xiàng)影響因子熱通量貢獻(xiàn)在整個(gè)海區(qū)基本通過(guò)顯著性為0.01的正相關(guān)檢驗(yàn)，相關(guān)性良好。第二項(xiàng)影響因子在高緯和低緯地區(qū)，以負(fù)相關(guān)為主，相關(guān)穩(wěn)定性程度弱于第一項(xiàng)影響因子。第三項(xiàng)影響因子在高緯與副熱帶表現(xiàn)為正相關(guān)，中緯與赤道地區(qū)表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，相關(guān)區(qū)域分布零散。