太平洋南赤道流體積輸運(yùn)的年際變異

楊麗娜，吳奇儒，陳 旺，劉成龍，梁 朋

太平洋南赤道流體積輸運(yùn)的年際變異

楊麗娜1，吳奇儒1，陳 旺2，劉成龍3，梁 朋1

（1. 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；2. 國家海洋局珠海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 珠海 116023；3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266200）

【】揭示太平洋南赤道流（SEC）體積輸運(yùn)的年際變異規(guī)律，及其與ENSO（El Ni?o–Southern Oscillation）和IOD（Indian Ocean Dipole）的關(guān)系。基于與現(xiàn)場觀測海流對比良好的長時(shí)間序列的海洋再分析資料（1958－2015），研究太平洋SEC的空間結(jié)構(gòu)及其體積輸運(yùn)的年際變化特征，探討ENSO和IOD對SEC體積輸運(yùn)年際變異的調(diào)節(jié)作用。SEC主要分布在24°S－5°N，流核位于26.0σ等密度面之上，在中太平洋海盆具有最大體積輸運(yùn)和年際變率。ENSO和IOD共同調(diào)節(jié)著太平洋SEC的年際變異，在二者的正（負(fù)）位相期間，SEC體積輸運(yùn)減弱（增強(qiáng)），二者影響SEC年際變異的關(guān)鍵因素分別是赤道西中太平洋和東太平洋的西風(fēng)（東風(fēng)）異常。

太平洋南赤道流；年際變異；ENSO；IOD

太平洋南赤道流（SEC）是太平洋副熱帶環(huán)流圈的重要組成部分，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，年際變異顯著。該環(huán)流體積輸運(yùn)的變化關(guān)系著赤道太平洋東、西海盆以及中、低緯度之間物質(zhì)和能量的再分配過程，與暖池區(qū)的充放電和冷舌區(qū)的海-氣交換密切相關(guān)，故對ENSO（El Ni?o-Southern Oscillation）的演變和太平洋氣候的變化具有重要影響[1]。此外，太平洋SEC海水是印尼貫穿流（ITF）的重要水源。已有研究顯示，SEC海水既可通過新幾內(nèi)亞沿岸潛流直接進(jìn)入哈馬黑拉海和馬魯古海，構(gòu)成ITF的下溫躍層和中層水源[2–4]，又可跨過赤道匯入北赤道流，并在西邊界分叉形成棉蘭老流和黑潮，分別經(jīng)由望加錫海峽和南海進(jìn)入印尼海，構(gòu)成ITF的上溫躍層水源[3–6]。因此，太平洋SEC體積輸運(yùn)的年際變異還關(guān)系著太平洋-印度洋洋際間的水體和熱量交換，是印-太海盆氣候變化的重要調(diào)節(jié)者。

太平洋SEC流幅非常寬廣，在表層可從20°S擴(kuò)展到赤道以北。但由于現(xiàn)場觀測資料匱乏，以往針對太平洋SEC年際變異的研究較少，且只局限于部分流域。例如，Johnson 等[7]基于8°S以北的歷史海流觀測資料發(fā)現(xiàn)，太平洋南赤道流在厄爾尼諾年變?nèi)酰籞heng等[8]利用赤道附近拉格朗日浮標(biāo)反演的表層海流資料發(fā)現(xiàn)，SEC在厄爾尼諾年減弱，在拉尼娜年增強(qiáng)。也有研究認(rèn)為，SEC的增強(qiáng)和減弱與ENSO的位相變化并不同步。例如，Wang等[9]認(rèn)為，厄爾尼諾（拉尼娜）發(fā)生前數(shù)月，SEC偏弱（偏強(qiáng)），而在厄爾尼諾（拉尼娜）發(fā)生后數(shù)月，SEC偏強(qiáng)（偏弱）。Kessler和Cravatte[10]利用日界線以西的歷史溫鹽觀測資料發(fā)現(xiàn)，珊瑚海內(nèi)的SEC也在厄爾尼諾（拉尼娜）活動(dòng)發(fā)生后的數(shù)月增強(qiáng)（減弱）。此外，印度洋和太平洋風(fēng)場具有強(qiáng)烈的耦合作用[11]。印度洋偶極子（IOD）信號可通過“大氣橋”[12-13]和/或“海洋通道”[14-15]機(jī)制傳入太平洋，調(diào)節(jié) ENSO 的演變[16-18]，進(jìn)而影響太平洋SEC的年際變異。因此，為更全面認(rèn)識SEC體積輸運(yùn)的年際變異規(guī)律，需要同時(shí)考慮ENSO和IOD的影響，且有必要針對整個(gè)太平洋海盆的SEC開展研究。

隨著數(shù)值模式和資料同化技術(shù)的發(fā)展，高質(zhì)量海洋再分析資料的出現(xiàn)為進(jìn)一步理解太平洋SEC的年際變異規(guī)律提供了可能。本研究將利用長時(shí)間序列的ORAS4（Ocean Reanalysis System 4）海洋再分析資料，揭示太平洋海盆各經(jīng)度SEC體積輸運(yùn)的年際變異與ENSO和IOD的關(guān)系，有助于加深對熱帶太平洋環(huán)流變異特征與機(jī)理的認(rèn)識。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 實(shí)時(shí)海流觀測數(shù)據(jù)

熱帶太平洋TAO/TRITON (Tropical Atmosphere Ocean/Triangle Trans-Ocean Buoy Network) 計(jì)劃的錨碇浮標(biāo)陣列提供了數(shù)個(gè)站位10 m深處的實(shí)時(shí)海流觀測數(shù)據(jù)（http://www.pmel.noaa. gov/tao/data_deliv/deliv.html），觀測時(shí)間主要在1982年以后，將其作為對比基準(zhǔn)，來驗(yàn)證再分析海流資料的準(zhǔn)確性。

1.2 海洋再分析資料

本研究所使用的ORAS4海洋再分析溫度、鹽度和海流資料由歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供，水平分辨率為1° × 1°，垂向共42層，從5 m延伸到5 350 m，時(shí)間分辨率為月平均，時(shí)間長度從1958年到2015年（下載地址為ftp://ftp-icdc.cen.uni-hamburg.de）, 已廣泛地應(yīng)用到印度洋和太平洋海流相關(guān)研究中[19-24]。為驗(yàn)證ORAS4海流可靠性，將其與TAO/TRITON計(jì)劃實(shí)測海流進(jìn)行對比（圖1），二者無論在振幅還是相位上都具有較好相關(guān)性。由于本研究主要關(guān)注太平洋SEC體積輸運(yùn)的年際變異規(guī)律，故將年平均的ORAS4海流也與實(shí)測海流進(jìn)行對比（圖2），發(fā)現(xiàn)盡管實(shí)測海流時(shí)間序列較短，但在絕大部分站位（0°, 110°W和0°, 140°W除外），ORAS4緯向流與實(shí)測海流的振幅和相位都基本吻合。

1.3 OSCAR（Ocean Surface Current Analysis Real-time）海流

OSCAR海流是基于衛(wèi)星高度計(jì)、表層漂流浮標(biāo)和遙感風(fēng)場等觀測數(shù)據(jù)反演得到的大洋15 m層海流資料[25]。本研究使用的OSCAR海流資料空間分辨率為1°×1°，時(shí)間分辨率為月平均，起止時(shí)間為1993年1月－2013年12月（下載地址為http://www.oscar.noaa.gov/datadisplay/oscar_datadownload.php），計(jì)算其年平均海流，并與ORAS4年平均緯向流進(jìn)行對比（如圖3所示，填色區(qū)域超過了99%的顯著性檢驗(yàn)）。結(jié)果顯示，二者在SEC的主要流域均具有相似的年際變異規(guī)律，進(jìn)一步證實(shí)了ORAS4海流資料的可靠性。

(a) 0°, 110°W; (b) 0°, 140°W; (c) 0°, 147°E; (d) 0°, 156°E; (e) 0°, 165°E; (f) 0°, 170°W; (g) 2°N, 137°E; (h) 2°N, 147°E; (i) 2°N, 156°E; (j) 2°S, 156°E; (k) 5°N, 137°E; (l) 5°N, 147°E; (m) 5°N, 156°E; (n) 5°S, 156°E

藍(lán)線為ORAS4緯向海流，紅線為TAO計(jì)劃實(shí)測海流，數(shù)字代表二者在共同時(shí)間范圍內(nèi)的相關(guān)系數(shù)

The blue and red lines represent ORAS4 zonal currents and current-meter measurements by TAO program, respectively, and the value written in the top right corner of each panel is the correlation coefficient during their overlapping time period

圖1 月平均ORAS4緯向海流與TAO/TRITON計(jì)劃實(shí)測海流的比較

Fig. 1 Comparison between the monthly ORAS4 zonal current and the observational current from the TAO/TRITON project

(a) 0°, 110°W; (b) 0°, 140°W; (c) 0°, 147°E; (d) 0°, 156°E; (e) 0°, 165°E; (f) 0°, 170°W; (g) 2°N, 137°E; (h) 2°N, 147°E; (i) 2°N, 156°E; (j) 2°S, 156°E; (k) 5°N, 137°E; (l) 5°N, 147°E; (m) 5°N, 156°E; (n) 5°S, 156°E

藍(lán)線為ORAS4緯向海流，紅線為TAO計(jì)劃實(shí)測海流

The blue and red lines represent ORAS4 zonal currents and current-meter measurements by TAO program, respectively

圖2 年平均ORAS4緯向海流與TAO/TRITON計(jì)劃實(shí)測海流的比較

Fig. 2 Comparison between the annual mean ORAS4 zonal current and the observational current from the TAO/TRITON project

1.4 ENSO和IOD指數(shù)

太平洋ENSO事件的相位通常用Ni?o3.4區(qū)（5°N－5°S, 170°W－120°W）區(qū)域平均的海表溫度異常來表征[26]。印度洋IOD事件的相位由熱帶印度洋西部（50°E－70°E，10°S－10°N）和東部海盆（90°E－110°E，10°S－0°）海表溫度異常之差來表征，稱為DMI指數(shù)（Dipole Mode Index）[27]。本研究使用的Ni?o3.4指數(shù)和DMI指數(shù)均是基于HadISST（Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature）海表溫度數(shù)據(jù)計(jì)算，時(shí)間從1958年1月到2015年12月，由美國國家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室（NOAA ESRL）發(fā)布，下載地址為https://psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/。

1.5 SEC體積輸運(yùn)的計(jì)算方法

其中，V(x)代表每條經(jīng)度處SEC的體積輸運(yùn)；u代表SEC的緯向流速；φ1和φ2分別為SEC的南和北經(jīng)度邊界，本研究分別設(shè)為24°S和5°N；z′ 代表SEC垂向分布的下界，本研究采用的是26.0σθ等密度面的深度。

1.6 偏相關(guān)和偏回歸系數(shù)

變量和之間偏相關(guān)系數(shù)（去除變量的影響）的計(jì)算方法如下[28]：

其中，r、r和r分別代表變量和之間、和之間、以及和之間的線性相關(guān)系數(shù)。

將變量對自變量進(jìn)行線性回歸，假設(shè)殘差為，再將因變量對進(jìn)行線性回歸，所得回歸系數(shù)即為去除了影響之后對的偏回歸系數(shù)[29]。

2 結(jié)果

2.1 太平洋SEC的空間分布

如圖4(a)所示，SEC表層流主要分布在24°S－5°N，橫跨整個(gè)太平洋海盆，最大流速超過50 cm/s，位于赤道附近。在12°S－6°S，南赤道逆流占據(jù)了西部海盆（165°W以西），將SEC分成南北兩支，其中南支流速普遍小于10 cm/s，明顯弱于北支。圖4(b-g)顯示，在垂向上，SEC具有顯著的表層強(qiáng)化特征，主要分布在26.0σ等密度面之上（與Johnson等[7]對SEC的定義相符），且沿著海盆自東向西和自赤道附近向副熱帶的方向，SEC的流核都在逐漸加深。與北赤道流自東向西逐漸增強(qiáng)[30]不同的是，SEC的強(qiáng)流區(qū)位于赤道附近（6°S－5°N）中東太平洋，且與Ni?o3.4區(qū)位置較為接近，這意味著SEC的年際變異與ENSO具有潛在的重要聯(lián)系。

（a）表層多年平均緯向流速（單位：cm/s），黑色實(shí)線代表海表溫度（℃）；160°E（b）、180°（c）、160°W（d）、140°W（e）、120°W（f）和100°W（g）經(jīng)向斷面上800 m層的緯向流速（cm/s），黑色點(diǎn)虛線代表流速為2cm/s，黑色實(shí)線代表位勢密度（-1000 kg/m3）

2.2 太平洋SEC的體積輸運(yùn)

在東南熱帶太平洋海盆，26.0σ等密度面上的西向流速大致為-2 cm/s（圖4(g)），故將26.0σ等密度面之上、流速小于-2 cm/s的西向海流作為SEC的流核，主要位于25°S－5°N之間，據(jù)此計(jì)算各經(jīng)度上SEC流核的體積輸運(yùn)。圖5(a)是1958－2015年間太平洋SEC在各經(jīng)度的多年平均體積輸運(yùn)，其中負(fù)值代表海流的流向?yàn)橄蛭?。結(jié)果顯示，SEC平均體積輸運(yùn)在中部海盆達(dá)到最大值，約-45 Sv（1 Sv = 1×106m3/s），位于180°－125°W之間。將年平均SEC體積輸運(yùn)減去多年平均值即得到其年際異常，如圖5(b)所示，SEC體積輸運(yùn)在各經(jīng)度都具有顯著的年際變異，尤其是在中太平洋海盆，年際變異程度超過24 Sv。

圖5 1958－2015年間SEC的平均流量與年際變異

2.3 太平洋SEC體積輸運(yùn)的年際變異與ENSO和IOD的關(guān)系

將各經(jīng)度SEC體積輸運(yùn)的年際變異分別與Ni?o3.4指數(shù)和DMI指數(shù)進(jìn)行偏相關(guān)分析，如圖6(a)所示，紅線代表SEC體積輸運(yùn)年際異常與Ni?o3.4指數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)（去除了DMI指數(shù)的影響），藍(lán)線代表與DMI指數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)（去除了Ni?o3.4指數(shù)的影響），黑色虛線以上的相關(guān)系數(shù)超過了99%的顯著性檢驗(yàn)?？梢?，整個(gè)太平洋海盆的SEC都受到ENSO活動(dòng)的影響，尤其是在165°W－120°W的中太平洋，區(qū)域平均的SEC體積輸運(yùn)異常與ENSO的偏相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.59（圖6(b)）。由于SEC是西向流，其體積輸運(yùn)為負(fù)值，因此，在ENSO正位相（厄爾尼諾年）期間，SEC的體積輸運(yùn)減??；在ENSO負(fù)位相（拉尼娜年）期間，SEC的體積輸運(yùn)則增大。另外，在130°W以東，SEC體積輸運(yùn)與DMI指數(shù)的偏相關(guān)性也超過了99%的顯著性檢驗(yàn)，說明印度洋IOD活動(dòng)也是影響東太平洋海盆SEC年際變異的重要因素之一。在120°W－100°W之間區(qū)域平均的SEC體積輸運(yùn)與IOD的相關(guān)性最高，達(dá)0.45（圖6(c)），說明在IOD正位相期間，SEC體積輸運(yùn)偏小，反之亦然。

（a）各經(jīng)度上SEC流量年際異常分別與ENSO（紅線）和IOD（藍(lán)線）的偏相關(guān)系數(shù)；（b）165°W–120°W之間區(qū)域平均的SEC流量年際異常（黑線）與年平均Ni?o 3.4指數(shù)（紅線）的對比，二者偏相關(guān)系數(shù)為0.55；（c）120°W–100°W之間區(qū)域平均的SEC流量年際異常（黑線）與年平均DMI指數(shù)（藍(lán)線）的對比，二者偏相關(guān)系數(shù)為0.45。

為進(jìn)一步理解ENSO和IOD事件與太平洋SEC年際變異間的關(guān)系，分別計(jì)算太平洋風(fēng)場異常（相對于1958－2015年多年平均）對月平均標(biāo)準(zhǔn)化（除以標(biāo)準(zhǔn)差即得到標(biāo)準(zhǔn)化的指數(shù)）的Ni?o3.4指數(shù)和DMI指數(shù)的滯后偏回歸系數(shù)（圖7）。當(dāng)滯后Ni?o3.4指數(shù)12個(gè)月時(shí)，赤道西太平洋出現(xiàn)明顯的西風(fēng)/東風(fēng)異常（當(dāng)Ni?o3.4指數(shù)為正時(shí)是西風(fēng)異常，為負(fù)時(shí)是東風(fēng)異常），之后西風(fēng)/東風(fēng)異常逐漸向中太平洋海盆擴(kuò)展，當(dāng)滯后Ni?o3.4指數(shù)0個(gè)月時(shí)，西風(fēng)/東風(fēng)異常最為強(qiáng)盛，向東可達(dá)140°W（圖7(a-e)），可見赤道中西太平洋海盆的西風(fēng)/東風(fēng)異常是ENSO發(fā)生時(shí)SEC減弱/增強(qiáng)的關(guān)鍵因素。由于SEC年際異常只在東太平洋海盆與IOD具有顯著的相關(guān)性，故本研究重點(diǎn)分析了東太平洋風(fēng)場對DMI指數(shù)的回歸系數(shù)分布。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滯后DMI指數(shù)12個(gè)月時(shí)，赤道東太平洋120°W－100°W之間出現(xiàn)了西風(fēng)/東風(fēng)異常（當(dāng)DMI指數(shù)為正時(shí)是西風(fēng)異常，為負(fù)時(shí)是東風(fēng)異常），此后該西風(fēng)/東風(fēng)異常范圍略有增大，當(dāng)滯后DMI指數(shù)0個(gè)月時(shí)，西風(fēng)/東風(fēng)異常擴(kuò)展到5°S－5°N和135°W－90°W，對局地SEC具有減弱/增強(qiáng)的作用。但I(xiàn)OD發(fā)生時(shí)如何在赤道東太平洋誘導(dǎo)出西風(fēng)或東風(fēng)異常的機(jī)理尚不清楚，有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

本研究利用與實(shí)測海流對比良好的ORAS4海洋再分析資料，研究了1958－2015年期間太平洋SEC的空間分布及其體積輸運(yùn)的年際變異規(guī)律，發(fā)現(xiàn)太平洋SEC主要分布在24°S－5°N，垂向上位于26.0σ等密度面之上，強(qiáng)流區(qū)位于赤道（5°S－5°N）中東太平洋，最大體積輸運(yùn)出現(xiàn)在中太平洋（約-45 Sv），年際變異顯著，變幅最大可達(dá)24Sv。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，ENSO可影響整個(gè)太平洋海盆SEC的年際變異，在厄爾尼諾（拉尼娜）發(fā)展期間，赤道中西太平洋140°W以西出現(xiàn)顯著的西風(fēng)（東風(fēng)）異常，是減弱（增強(qiáng)）SEC體積輸運(yùn)的關(guān)鍵因素。此外，印度洋IOD對東太平洋SEC的年際變異也具有重要的調(diào)節(jié)作用，在正（負(fù)）IOD期間，SEC體積輸運(yùn)減弱（增強(qiáng)），這與IOD發(fā)展期間赤道東太平洋135°W以東出現(xiàn)的西風(fēng)（東風(fēng)）異常有關(guān)，但該異常風(fēng)場產(chǎn)生的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

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Interannual Variability of the Volume Transport of the Pacific South Equatorial Current

YANG Li-na1, WU Qi-ru1, CHEN Wang2, LIU Cheng-long3,LIANG Peng1

（1.,,524088,; 2.,116023,;3.,266200,）

【】To reveal the interannual variability of the volume transport of the Pacific South Equatorial Current (SEC) , and its relationship with ENSO (El Ni?o – Southern arbitration) and IOD (Indian Ocean dipole).【】Analyze the spatial structure as well as the interannual variability of the Pacific SEC using long-term time series of ocean reanalyses which coincide well observational currents（1958－2015）, and examine how the ENSO and IOD modulate the variations of the SEC on interannual timescales.【】The SEC is mainly located between 24°S and 5°N, and above 26.0σisopycnals in the vertical direction. The mean volume transport as well as the interannual variability of the SEC is largest in the central Pacific basin. Both ENSO and IOD modulate the interannual variability of the Pacific SEC, with the volume transport of the SEC weakening (strengthening) during their positive (negative) phases. The key factors that ENSO and IOD in positive (negative) phases impact the interannual variability of the SEC are westerlies (easterlies) respectively in the equatorial central-west Pacific and in the equatorial eastern Pacific.

Pacific South Equatorial Current; interannual variability; ENSO; IOD

P731.21

A

1673-9159（2021）06-0036-08

10.3969/j.issn.1673-9159.2021.06.005

楊麗娜，吳奇儒，陳旺，等. 太平洋南赤道流體積輸運(yùn)的年際變異[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（6）：36-43.

2021-06-30

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（41706033，42006023）；廣東海洋大學(xué)科研啟動(dòng)費(fèi)資助項(xiàng)目（R20020，R20023）

楊麗娜（1988―），女，博士，講師，從事大洋環(huán)流和海氣相互作用研究。E-mail: ylina_001@sina.com

梁朋（1988―），男，博士，講師，從事大洋環(huán)流可預(yù)報(bào)性研究。E-mail: liangpeng0405@gmail.com

（責(zé)任編輯：劉嶺）