呂宋冷渦的年際變化及影響機(jī)制分析

鄧思捷,謝玲玲,2*,朱振坤,李君益,2

(1.廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088;2.陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088;3.深圳朗城海洋科技公司,廣東 深圳 518000)

南海是西北太平洋最大的邊緣海之一,通過呂宋海峽與西北太平洋相連,海盆幾近封閉。自20世紀(jì)50年代南海中尺度渦被發(fā)現(xiàn)起,越來越多的水文觀測及衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)表明,南海是中尺度渦多發(fā)、頻發(fā)海域[1-2]。前人針對(duì)南海海盆中尺度渦的統(tǒng)計(jì)特征及產(chǎn)生演變機(jī)制進(jìn)行了大量研究[3-9]。

位于呂宋海峽西側(cè)的呂宋冷渦(Luzon Cold Eddy,LCE),是較早被發(fā)現(xiàn)和關(guān)注的南海中尺度渦旋,前人對(duì)其基本特征和季節(jié)變化進(jìn)行了分析[10-11]。早期,Nitani[12]在對(duì)黑潮的研究過程中發(fā)現(xiàn)呂宋島西北海域有冷渦現(xiàn)象出現(xiàn);Shaw等[13]隨后通過研究溫度、鹽度和溶解氧濃度的分布發(fā)現(xiàn),在10月至翌年1月距離呂宋島西北部約100 km處的16°～19°N存在一個(gè)上升流區(qū);劉金芳等[14]則利用近105 a的海洋調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)10月至翌年5月份在呂宋海峽的西側(cè)有冷渦的存在,在1月達(dá)到最強(qiáng),該冷渦位于(117°～120°E,16°～19°N)范圍內(nèi),且定義冬季呂宋島西北部75 m水深處水溫低于17℃的閉合冷水區(qū)為LCE;之后,姜良紅和胡建宇[15]通過分析14 a衛(wèi)星高度計(jì)資料再次證明了LCE的存在,同時(shí)指出其在冬季最強(qiáng),春季次之,中心位于(119°30′E,18°30′N)附近海域。

隨著衛(wèi)星觀測和數(shù)值模式發(fā)展,前人在對(duì)南海水文動(dòng)力特征年際變化的研究中注意到LCE海域的變化。如:程旭華等[16]分析1993—2003年南海海面高度異常均方根值的空間分布時(shí)發(fā)現(xiàn),南海東北部海域的中尺度渦存在著較明顯的年際變化;隨后,丘福文等[17]分析2000—2008年南海海表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)變化時(shí),發(fā)現(xiàn)南海SST年際振蕩的振蕩中心主要出現(xiàn)在呂宋海峽西部和中南半島東南海域;李莎莎[18]利用渦分辨率海洋環(huán)流模式(OGCN for the Earth Simulator,OFES)的62 a(1950—2011年)后報(bào)輸出,發(fā)現(xiàn)呂宋海峽上層體積輸送不僅呈現(xiàn)出約3 a和7 a的顯著年際振蕩,同時(shí)顯現(xiàn)出約14 a的顯著年代際變化;近期,He等[19]分析南海渦旋強(qiáng)度年際變化時(shí)發(fā)現(xiàn),在厄爾尼諾(拉尼娜)年的冬季,LCE會(huì)隨之減弱(增強(qiáng))。這些研究中均顯示LCE可能存在顯著的年際變化,其長期變化趨勢及系統(tǒng)研究有待開展。

此外,關(guān)于LCE的形成和變化機(jī)制也存在分歧。Shaw和Chao[20]認(rèn)為LCE產(chǎn)生于大尺度的海盆環(huán)流,而并非由局地風(fēng)所引起;但Wang等[4]和王桂華[21]指出風(fēng)應(yīng)力旋度場能夠激發(fā)中尺度渦,即風(fēng)應(yīng)力旋度場可能是呂宋島西北氣旋渦的重要形成機(jī)制之一;姜良紅和胡建宇[15]也同樣認(rèn)為局地風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)是LCE形成與發(fā)展的主要原因,并詳細(xì)考慮了風(fēng)應(yīng)力方向的影響;Wang和Gan[22]通過高分辨率區(qū)域海洋模型研究了呂宋冷渦的三維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)渦旋在渦度、垂向運(yùn)動(dòng)和渦內(nèi)能量等方面均表現(xiàn)出不對(duì)稱的結(jié)構(gòu);對(duì)南海海盆渦旋整體特征的研究顯示,呂宋冷渦的位置可能受南海海盆地形和邊界條件制約[7,23],其變化可能與海盆固有模態(tài)有關(guān)[1,24]。孫成學(xué)和劉秦玉[25]通過分析衛(wèi)星觀測資料指出傳統(tǒng)的LCE可能是由2個(gè)氣旋式渦旋組成:分別位于呂宋島的西側(cè)(LCE1)和西北側(cè)(LCE2),其中LCE1的強(qiáng)度變化主要受到風(fēng)應(yīng)力旋度強(qiáng)弱變化的影響,但LCE2的強(qiáng)度變化主要受黑潮流量的影響。局地風(fēng)場和黑潮入侵在LCE的年際變化中的作用還需進(jìn)一步探究。

綜上,前人對(duì)LCE季節(jié)變化特征進(jìn)行了詳細(xì)的研究,但針對(duì)LCE年際變化的系統(tǒng)性研究尚未開展。在全球變化背景下,LCE的長時(shí)間變化規(guī)律和變化機(jī)制值得探討。為此,本文將利用多年的多源衛(wèi)星觀測資料,探究LCE的年際變化和長時(shí)間變化趨勢,同時(shí)分析風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度等大氣場和黑潮入侵等海洋背景場變化對(duì)LCE年際變化的貢獻(xiàn)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文采用的SST數(shù)據(jù)來自美國夏威夷大學(xué)Asia-Pacific Data-Research Center(APDRC)的月平均數(shù)據(jù)[26]。它是基于2個(gè)數(shù)據(jù)集整合而成,分別為Advanced Very High Resolution Radiometer(AVHRR)[27]、Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)[28]。AVHRR數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為1985年1月至2002年6月,空間分辨率為0.087 9°×0.087 9°;MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為2002年7月至2020年10月,空間分辨率為0.041 7°×0.041 7°。通過臨近線性插值統(tǒng)一空間分辨率為0.05°×0.05°。

風(fēng)場數(shù)據(jù)使用European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)再分析月平均數(shù)據(jù)[29],時(shí)間范圍為1985年1月至2020年1月,空間分辨率為0.125°×0.125°。

海表面高度(Sea Surface Height,SSH)、海面高度異常(Sea Level Anomalies,SLA)以及海面地轉(zhuǎn)流速采用COPERNICUS數(shù)據(jù)網(wǎng)站中衛(wèi)星觀測的月平均數(shù)據(jù)[30],其時(shí)間范圍為1993年1月至2019年9月,空間分辨率為0.25°×0.25°。對(duì)呂宋海峽121°E斷面表層緯向流速年際變化分析顯示,19°45′～20°45′N為西向流速主要發(fā)生區(qū)域,由此選擇該范圍內(nèi)的平均海表面緯向流速用來表征黑潮入侵強(qiáng)度。

厄爾尼諾和南方濤動(dòng)(El Ni?o and Southern Oscillation,ENSO)指數(shù)Ni?o3.4和太平洋十年濤動(dòng)(Pacific Decadal Oscillation,PDO)指數(shù)均來自中國氣象局國家氣候中心[31]。

1.2 研究區(qū)域

前人研究指出,LCE通常位于(117°～120°E,16°～19°N),始于10月,翌年1月強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)并開始逐漸減弱,至5月消亡。本文通過分析氣候態(tài)的月平均SST,也得出了相似的結(jié)論。圖1a～圖1c為呂宋島西北部海域氣候態(tài)月平均SST和SSH的分布,由圖1a～圖1c可見,冬季,該海域SST等值線分布大致呈NE—SW走向,在(119°E,18°N)等溫線出現(xiàn)明顯南凸,SSH等值線存在0.5 m的閉合等值線,表明冷渦中心的存在。圖1d～圖1f為本文研究區(qū)域的風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度,由圖1d～圖1f可見在冬季呂宋島西側(cè)海域主要受東北季風(fēng)的控制,并且在呂宋島的西側(cè)形成了正的風(fēng)場渦度。本文將LCE常出現(xiàn)的(117°～120°E,16°～19°N)的低溫、低海面海域作為LCE代表區(qū),即A區(qū)。將同緯度、黑潮主軸外側(cè)、渦旋活動(dòng)相對(duì)較少的西北太平洋內(nèi)125°～128°E范圍作為背景參考區(qū)域,即B區(qū)。同時(shí),對(duì)A、B區(qū)域的大小和位置進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)顯示,A、B區(qū)域的范圍大小和位置移動(dòng)對(duì)后文計(jì)算的冷渦強(qiáng)度指數(shù)變化規(guī)律和趨勢影響很小。

圖1 呂宋附近海域冬季氣候態(tài)月平均的海表溫度(SST)和海面高度(SSH)以及風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度Fig.1 Climatological monthly-mean sea surface temperature(SST),sea surface height(SSH),wind stress and wind stress curl in winter near the Luzon Island

1.3 指數(shù)計(jì)算方法

關(guān)于LCE的研究,前人大多采用直觀且易獲取的參數(shù)來表征冷渦強(qiáng)度,如海表溫度場[14]、海流場[21]、海平面高度[25]和溫鹽資料計(jì)算所得的動(dòng)力高度[32]等。本文主要探討冷渦的年際變化,因此選用時(shí)間序列較長的SST數(shù)據(jù)來估算冷渦指數(shù)?？紤]絕對(duì)SST的變化還受到背景場變化的影響,本文選用冷渦海域A的海表面溫度異常與同緯度西北太平洋內(nèi)海域B的海表溫度異常的差值ΔT來定義冷渦指數(shù)(Cold Eddy Index,CEI),即:

式中:TA和TB分別為為A、B區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)i(對(duì)應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)為x i、y i)的海表溫度異常;ΔT為該網(wǎng)格點(diǎn)上的溫度異常差。CEI為負(fù)值,數(shù)值越大表示冷渦越強(qiáng)。

圖2a為氣候態(tài)月平均的冷渦指數(shù)。由圖2可見,CEI于每年11月至翌年2月為負(fù)值,并在1月達(dá)到最低值,表明LCE在冬季達(dá)到最強(qiáng)盛,這與前人結(jié)果類似[12-14],表明本文選取的冷渦指數(shù)是合理的。為了排除季節(jié)變化的影響,后文在分析LCE年際變化時(shí),每年CEI選取本年冬季12月至翌年2月的月平均。本文還在后文討論了海面高度異常及海面地轉(zhuǎn)流場渦度(ζ)等指標(biāo)下的冷渦強(qiáng)度變化,結(jié)果與這里選用的溫度指標(biāo)類似。

由風(fēng)應(yīng)力經(jīng)向分量τy和緯向分量τx計(jì)算海表面風(fēng)應(yīng)力旋度curlzτ:

圖2b～圖2c為冷渦海域(A區(qū))氣候態(tài)月平均的經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度分布?？梢?冷渦出現(xiàn)的月份中,風(fēng)應(yīng)力為負(fù)值(偏北風(fēng)),同時(shí)風(fēng)應(yīng)力旋度為正值,兩者極值均出現(xiàn)在12月,比CEI極值早一個(gè)月。故本文分析風(fēng)應(yīng)力以及風(fēng)應(yīng)力旋度年際變化時(shí),選取超前一個(gè)月的數(shù)據(jù),即11月至翌年1月的平均作為年平均值。

圖2 氣候態(tài)月平均的冷渦指數(shù)CEI、經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度Fig.2 Climatologically monthly-mean cold eddy index CEI,meridional wind stress and wind stress curl

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

1.4.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)是Huang等[34]提出的分析非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的方法,可以使復(fù)雜信號(hào)分解為有限個(gè)本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function,IMF),所分解出來的各IMF分量包含了原信號(hào)的不同時(shí)間尺度的局部特征信號(hào)[35]。Wu和Huang[36]改進(jìn)EMD方法為EEMD方法,以去除原EMD的模態(tài)混合問題。本文采用EEMD方法分析冷渦指數(shù)和研究區(qū)域的風(fēng)應(yīng)力以及風(fēng)應(yīng)力旋度年際變化的固有變化周期。

1.4.2 時(shí)序因果分析

本文利用皮爾森方法計(jì)算相關(guān)系數(shù)[37]。然而相關(guān)并不一定代表具有因果關(guān)系,為分析變量間的因果關(guān)系,本文也同時(shí)采用Liang提出的信息流理論分析因果關(guān)系[38]。若給定2個(gè)時(shí)間的時(shí)間序列,則事件2到事件1的信息流的最大似然估計(jì)為:

式中,C ij為x i與x j的協(xié)方差,C i,dj為x i與x j經(jīng)前差構(gòu)成的新序列的協(xié)方差(i=1,2;j=1,2)。如果T2→1≠0,則x2是x1的因(或者說x1是x2的果),若為0則不是。

2 結(jié) 果

2.1 LCE強(qiáng)度的年際變化及其變化趨勢

圖3給出了1985—2020年冬季呂宋島西北海域A、B區(qū)海表溫度和CEI的年變化?？梢?研究區(qū)域(A區(qū))SST為25～27℃,而背景區(qū)域(B區(qū))SST為26.0～27.5℃。由于冷渦的存在,研究區(qū)比背景區(qū)普遍低0.5～1.0℃。近35 a來,A、B區(qū)的海溫均呈現(xiàn)上升的趨勢,其中冷渦A區(qū)平均增溫率為0.032℃/a,B區(qū)平均增溫率為0.025℃/a,即冷渦區(qū)比背景區(qū)域升溫略快。進(jìn)一步計(jì)算CEI的年變化,結(jié)果顯示CEI在-1.5～0℃變化,長期變化的年平均變化率較小,為0.007℃/a,即LCE在1985—2019年間呈現(xiàn)緩慢減弱的趨勢。

圖3 1985—2019年冬季A、B區(qū)的平均海表面溫度和冷渦指數(shù)CEI的時(shí)間變化Fig.3 Variation of the winter SST in regions A and B,and the CEI from 1985 to 2020

對(duì)CEI的年變化時(shí)間序列去掉變化趨勢后進(jìn)行EEMD分解,分析其年際變化的固有規(guī)律。圖4為方差最大的3個(gè)本征模態(tài)IMF1～I(xiàn)MF3,其對(duì)應(yīng)的變化周期分別為3.2 a、7.5 a以及13.5 a。其中,IMF1的振幅最大達(dá)0.5℃,方差貢獻(xiàn)率也最大,為41.9%,是LCE強(qiáng)度年際變化的主要周期。其次為7.5 a周期的年際變化,最大振幅也可達(dá)0.5℃,方差貢獻(xiàn)率為23.1%。13.5 a周期方差貢獻(xiàn)率與7.5 a接近,為21.2%。

圖4 1985—2019年冷渦指數(shù)CEI的前3個(gè)本征模態(tài)Fig.4 The first three IMFs of the variation of CEI from 1985 to 2019

2.2 LCE中心位置的年際變化及其變化趨勢

氣候態(tài)下的LCE通常在(118°30′E,18°30′N)附近(圖1)。劉金芳等[13]分析100 m層海水溫度發(fā)現(xiàn)冬季LCE中心位置會(huì)隨著季節(jié)變化,10月至翌年1月,冷渦中心位置逐漸北移。本文將冬季研究區(qū)(A區(qū))ΔTi負(fù)值極值處定義為LCE中心位置,對(duì)應(yīng)的經(jīng)、緯度為LCE中心經(jīng)、緯度,以探究冷渦中心位置的年際變化規(guī)律。

圖5為冬季LCE中心所處位置的年際變化?？梢?冷渦強(qiáng)中心在經(jīng)向和緯向上都存在振蕩變化,振蕩范圍分別為117°～120°E和16°36′58″～19°00′00″N,強(qiáng)中心最大概率落在(117°54′E,18°06′N)附近。分析冷渦中心位置的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)近35 a來,LCE中心在經(jīng)向上略向西偏移,偏移幅度為0.011°/a;而在緯向上則向北偏移,偏移幅度為0.017°/a,可知北向偏移明顯大于西向。

圖5 1985—2019年冷渦強(qiáng)中心位置的年際變化Fig.5 Interannual variation of the location of the LCE center from 1985 to 2020

對(duì)冷渦中心位置的振蕩進(jìn)行EEMD分解,并提取方差貢獻(xiàn)率最大的前3個(gè)模態(tài)。如圖6所示,冷渦中心徑向和緯向位置變化的周期分別為2.8 a(圖6a)、6.0 a(圖6b)和12.3 a(圖6c)以及2.8 a(圖6d)、6.0 a(圖6e)和11.7 a(圖6f)。3個(gè)本征模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為經(jīng)向36.4%、29.4%和20.0%,緯向39.9%、23.2%和15.3%。3 a周期變化也是LCE中心位置變化的主模態(tài),經(jīng)向變化振幅最大為1.7°,緯向變化振幅為1°。

圖6 冷渦中心位置經(jīng)向和緯向變化EMD分解的3個(gè)本征模態(tài)Fig.6 The first three IMFs of the LCE central position variation in meridional and zonal directions

2.3 LCE 的年際變化和長期變化的影響機(jī)制

如前文所述,經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度通常被認(rèn)為是LCE形成的動(dòng)力機(jī)制[15]。此外,黑潮入侵也被認(rèn)為是LCE變化的機(jī)制[18]。所以本文分別針對(duì)局地風(fēng)場和黑潮在LCE年際變化中的作用進(jìn)行分析。

2.3.1 風(fēng)場和黑潮入侵強(qiáng)度的年際變化

圖7a～7b為研究區(qū)(A區(qū))的冬季經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度的年際變化?？梢钥吹?1985—2020年冬季研究區(qū)經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力均為南向負(fù)值,風(fēng)應(yīng)力大小由0.052 N/m2減弱到0.038 N/m2,經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力呈現(xiàn)減弱的趨勢,年變化率為4.1×10-4N/m2。LCE對(duì)應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力旋度均為正值,近35 a呈現(xiàn)微弱的減弱趨勢,年變化率為-2.3×10-11N/m3。

圖7 1985—2019年冬季A區(qū)的經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度以及黑潮入侵強(qiáng)度的時(shí)間變化Fig.7 Variation of meridional wind stress and wind stress curl in the study area A and Kuroshio intrusion velocity in the Luzon Strait from 1985 to 2019 in winter

以冬季(12月至翌年2月)呂宋海峽121°00′E斷面19°45′～20°45′N的平均西向地轉(zhuǎn)流速作為黑潮入侵強(qiáng)度的特征值,圖7c為黑潮入侵強(qiáng)度的年變化?？梢?黑潮入侵平均強(qiáng)度在-0.28 m/s,其中1994—1996年西向流速最強(qiáng)超過-0.35 m/s,2013年最小低于-0.2 m/s。1993—2020年西向流速長期變化為減弱趨勢,年變化率為0.001 4 m/s。

對(duì)經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度和黑潮入侵西向流速的年際變化進(jìn)行EEMD分解,同樣提取方差貢獻(xiàn)率最大的前3個(gè)模態(tài),結(jié)果如圖8所示。可見,經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度和黑潮入侵與冷渦強(qiáng)度有著相似的3 a、7 a和13 a左右的周期變化。經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力的前3個(gè)本征模態(tài)(3.2 a、5.4 a和8.9 a)(圖8a～圖8c)的方差貢獻(xiàn)率分別為43.9%、20.9%和20.1%,風(fēng)應(yīng)力旋度(2.9 a、6.2 a和18.0 a)(圖8d～圖8f)的方差貢獻(xiàn)率分別為42.0%、24.5%和9.7%,而黑潮入侵的前3個(gè)模態(tài)(2.8 a、7.0 a和15.0 a)(圖8g～圖8i)的方差貢獻(xiàn)率分別為31.6%、35.7%和17.2%。表明3 a周期變化是經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度的主模態(tài),而黑潮入侵強(qiáng)度則以7 a左右的第二模態(tài)為主周期。

圖8 研究區(qū)A區(qū)經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度和黑潮入侵西向流的前3個(gè)本征模態(tài)Fig.8 The first three IMFs of the meridional wind stress,wind stress curl the Kuroshio intrusion velocity in the study area A

2.3.2 風(fēng)場和黑潮入侵與LCE強(qiáng)度變化的因果關(guān)系

為探究LCE強(qiáng)度變化與上述3種影響因子的關(guān)系,并分別對(duì)其時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)性和因果分析。表1為CEI與3種影響因子總時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)以及因果信息流。結(jié)果顯示,冷渦強(qiáng)度指數(shù)CEI和風(fēng)應(yīng)力τy總變化的相關(guān)系數(shù)最高,為0.38,而與黑潮入侵和風(fēng)應(yīng)力旋度的相關(guān)系數(shù)較低,分別為0.20和-0.16。三者均為正相關(guān)(CEI為負(fù)值、風(fēng)應(yīng)力旋度為正值,二者相關(guān)系數(shù)為負(fù)表示正相關(guān),為正則為負(fù)相關(guān))。

表1 CEI、經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度以及黑潮入侵強(qiáng)度的因果分析Table 1 Causal analysis of the CEI,meridional wind stress,wind stress curl and Kuroshio intrusion velocity

進(jìn)一步分析CEI與風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度的信息流,結(jié)果顯示無論在正向還是反向上信息流都不為零,意味著它們互為因果關(guān)系,即風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度作用于LCE,而LCE反作用于風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度。同時(shí),由信息流的數(shù)值也得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:①風(fēng)場和CEI之間互有信息流,從CEI到經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力的信息流略大于經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力到CEI的信息流,說明局地風(fēng)場和LCE相互作用,LCE對(duì)風(fēng)應(yīng)力影響較大,其他海域的研究也指出中尺度渦可以影響局地風(fēng)場[39];②風(fēng)應(yīng)力旋度和CEI的信息流值大于CEI對(duì)風(fēng)應(yīng)力旋度,但均小于風(fēng)應(yīng)力和CEI的信息流值,表明風(fēng)應(yīng)力旋度和CEI總體變化的因果性較小,這與相關(guān)系數(shù)較小相一致;③黑潮入侵與LCE總體變化的因果信息流相當(dāng),均小于LCE和風(fēng)應(yīng)力間的信息流,進(jìn)一步說明總體變化上黑潮入侵與LCE的相關(guān)性不高。

進(jìn)一步探討風(fēng)場變化和黑潮入侵與冷渦指數(shù)本征周期變化的內(nèi)在相關(guān)性。前文冷渦指數(shù)、經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度和黑潮入侵西向流速的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解均顯示,3 a左右周期的IMF1是冷渦和風(fēng)場的主周期,而7 a周期的IMF2是黑潮入侵的主周期。表2給出了IMF1～I(xiàn)MF3冷渦與風(fēng)場和黑潮入侵的相關(guān)系數(shù)和因果關(guān)系。

表2 CEI、經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力、風(fēng)應(yīng)力旋度和黑潮入侵流速本征變化的相關(guān)性和因果信息流Table 2 Correlation and causality of the IMFs of CEI,meridional wind stress,wind stress curl and Kuroshio intrusion velocity

由表2可見,在3 a周期上,經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力與CEI的相關(guān)性最高,為0.55。其次為其與風(fēng)應(yīng)力旋度的相關(guān)系數(shù),-0.24,而其與黑潮入侵的相關(guān)系數(shù)最小,為0.17。風(fēng)場和冷渦之間的信息流相當(dāng),而CEI到黑潮入侵的信息流大于黑潮入侵到CEI;在7 a左右周期上,黑潮入侵和經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力與CEI正相關(guān),其中黑潮入侵的相關(guān)系數(shù)最高,為0.23,而風(fēng)應(yīng)力旋度和CEI為負(fù)相關(guān)。各因子對(duì)CEI的信息流均大于CEI對(duì)各因子,其中黑潮入侵對(duì)CEI的信息流最大,為0.07;在13 a左右周期上,黑潮入侵流速與CEI呈現(xiàn)顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.53,CEI對(duì)黑潮入侵的信息流也最大達(dá)到0.26。而風(fēng)應(yīng)力和CEI則為負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.46。在該周期上,風(fēng)應(yīng)力旋度的相關(guān)性最小。上述結(jié)果表明:①在短時(shí)間尺度下(約3 a)風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)LCE變化過程中起了主要作用,且風(fēng)場和LCE之間互為因果;②在7 a周期上,黑潮入侵和風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)LCE的變化作用較大,而與風(fēng)應(yīng)力旋度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);③在年代際的長時(shí)間尺度上(約13 a),LCE與黑潮入侵相關(guān)性最高,二者互為因果且LCE對(duì)黑潮入侵影響更大。

2.3.3 LCE強(qiáng)度變化與ENSO以及PDO的關(guān)系

南海風(fēng)場和黑潮入侵受ENSO和PDO過程的影響[40-44],因此CEI變化可能與太平洋的這兩種過程相關(guān)。圖9為ENSO和PDO指數(shù)的年際變化及其和研究區(qū)冬季CEI距平(CEI減去平均值)的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢?Ni?o3.4指數(shù)為正值時(shí),CEI距平多為正值,即LCE比平均態(tài)偏弱;而Ni?o3.4指數(shù)為負(fù)值時(shí),CEI距平多為負(fù)值,即LCE偏強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)可知:CEI距平為正值的年份共16 a,其中發(fā)生在Ni?o3.4指數(shù)為正的年份共12 a,占比75%;CEI距平為負(fù)值的共19 a,其中發(fā)生在Ni?o3.4指數(shù)為負(fù)的年份共10 a,占比52.6%。說明厄爾尼諾年LCE偏弱,拉尼娜年LCE偏強(qiáng)。這與He等[19]利用海面高度得到的結(jié)果類似。對(duì)CEI距平和PDO位相的統(tǒng)計(jì)顯示,CEI距平為正值即LCE變?nèi)醯?4 a中有9 a為PDO負(fù)位相,占比64.3%;反之LCE增強(qiáng)的19 a中有11 a為PDO正位相,占比57.9%。該結(jié)果顯示PDO與CEI距平反相關(guān),PDO正位相時(shí),CEI距平為正,LCE增強(qiáng),反之則減弱。

圖9 1985—2020年Ni?o3.4指數(shù)和PDO指數(shù)與CEI距平的變化Fig.9 Variation of Ni?o3.4 index,PDO index and CEI anomaly from 1985 to 2018

3 討 論

本文利用海表溫度差作為LCE強(qiáng)度指數(shù)(CEI)進(jìn)行分析,前人研究中也有使用海面高度異常SLA或海面流場渦度[45]來表征渦旋強(qiáng)度的。相比SLA和流場渦度,海表溫度SST觀測時(shí)間序列相對(duì)較長。本文使用1993年以來的SLA和地轉(zhuǎn)流場渦度作為指征進(jìn)一步分析LCE的年際變化。其中流場渦度,由COPERNICUS網(wǎng)站[30]提供的海面地轉(zhuǎn)流速u g和v g計(jì)算得到。

圖10a和10b分別為冬季研究區(qū)海表流場渦度和海面高度異常在1993—2019年的變化。結(jié)果顯示,研究區(qū)冬季流場渦度是逐年減弱的,平均每年的變化率為-4.5×10-10N/m3,這與前文利用溫度差定義的CEI逐年減弱的結(jié)論一致,可以作為LCE減弱的又一證據(jù)。同時(shí),研究區(qū)1993—2019年SLA逐年增高,年增長率為3.3×10-3m/a(圖10b),該顯著升高特征一方面反映了LCE的減弱,另一方面也反映出全球變暖導(dǎo)致的海面升高起到很大作用。SLA直接作為LCE指數(shù)可能會(huì)引入全球變暖所導(dǎo)致的誤差。對(duì)渦度場的EEMD分解顯示,渦度場3 a左右為主周期,方差貢獻(xiàn)率52.2%。采用海表溫差作為冷渦指數(shù)CEI,與海面渦度作為指標(biāo)得到的結(jié)果較為一致。

圖10 1993—2019年研究區(qū)冬季海表流場渦度和SLA的年際變化Fig.10 Interannual variation of sea surface current vorticity and SLA in the study area from 1993 to 2019

本文的研究還給出了近20～30 a來呂宋冷渦海域平均SST的年增溫率(0.032℃/a,圖3)和SLAS年增長率(3.3×10-3m/a,圖10)。張秀芝等[46]的研究也指出1980年以來南海北部海溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,其中20世紀(jì)80至90年代增溫最快,增幅達(dá)到0.03℃/a,且在1998年達(dá)到近百年的溫度峰值。這與本文研究區(qū)域的SST年際變化趨勢較為一致。對(duì)于SLA年際變化趨勢,余榮臻等[47]最新研究指出1993—2017年南海SLA呈現(xiàn)增長趨勢,其中冬季增長率最大,為4.53×10-3m/a。相比于南海平均值,呂宋冷渦區(qū)域增長率偏低約26%。

4 結(jié) 論

LCE是冬春季出現(xiàn)在呂宋海峽西側(cè)的顯著渦旋過程。本文利用1985—2020年的海表溫度場、風(fēng)場和海表流場數(shù)據(jù)分析LCE強(qiáng)度和中心位置的年際變化規(guī)律及影響機(jī)制,得到主要結(jié)論如下:

1)CEI的季節(jié)變化顯示,LCE形成于11月,一直持續(xù)到翌年4月,并在1月份達(dá)到最強(qiáng)。相比南向風(fēng)應(yīng)力和正風(fēng)應(yīng)力旋度極值出現(xiàn)的時(shí)間,CEI極小值的出現(xiàn)時(shí)間會(huì)滯后1個(gè)月。

2)1985—2019年期間,LCE強(qiáng)度呈緩慢減弱的趨勢,LCE的中心位置呈向西、向北偏移趨勢。EEMD分解后發(fā)現(xiàn),LCE強(qiáng)度和位置變化均存在著周期為2～3 a、6～7 a和12～13 a的本征周期,其中2～3 a周期為主模態(tài)。

3)局地風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度與LCE變化互為因果關(guān)系,其因果信息流顯示,LCE變化對(duì)風(fēng)場的影響強(qiáng)于風(fēng)場對(duì)LCE變化的影響。

4)對(duì)各指標(biāo)內(nèi)在變化模態(tài)的因果關(guān)系分析顯示,短時(shí)間尺度下(約3 a)風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度在LCE變化過程中起到了重要的作用,但是在長時(shí)間尺度(約13 a)下LCE與黑潮入侵相關(guān)性最高,且二者互為因果。

5)以海表流場渦度為指標(biāo)的LCE呈現(xiàn)出與利用溫差得到的指標(biāo)類似的減弱趨勢。