南澳大利亞海盆表層渦動能的時空特征研究

劉 佳,鄭少軍*,2,3,嚴 厲,2,3,陳航彪,劉婷甄

(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)警實驗室,廣東 湛江 524088; 2.廣東海洋大學(xué) 廣東省高等學(xué)校陸架及深遠海氣候、資源與環(huán)境重點實驗室,廣東 湛江 524088; 3.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點實驗室,北京 100081)

0 引言

南澳大利亞海盆位于澳大利亞南部(圖1),主導(dǎo)海流為南澳大利亞流(South Australian Current,SAC)和弗林德斯流(Flinders Current,FC)。SAC是利文流(Leeuwin Current,LC)沿南部海岸向東流動的分支,能夠?qū)⑽鞑繙嘏?、高鹽的海水輸送至東南部的塔斯馬尼亞島以西海域[1]。FC位于水深約500 m的大陸坡上,是一支受正風(fēng)應(yīng)力旋度控制的次表層流,從塔斯馬尼亞島以西沿海岸向西流動[2]。衛(wèi)星觀測顯示南澳大利亞海盆區(qū)存在著豐富的中尺度渦[3-4],如在艾爾半島、邦尼海岸間的陸坡[5],奧爾巴尼附近海域和海盆西部海域[6]。這些中尺度渦多起源于海盆的陸架[7]、西南部海域[8]或西南太平洋的塔斯曼海[9-10]。

圖1 南澳大利亞海盆及周邊海域環(huán)流概念圖

中尺度渦動能比平均環(huán)流場動能大一個量級,是衡量中尺度渦活動的重要指標,由背景流的正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定過程提供能量。海盆尺度的渦動能變化特征受背景流的影響很大,例如拉布拉多海渦動能的季節(jié)和年際變化主要受西格陵蘭洋流調(diào)制[11];西太平洋北赤道逆流海域的渦動能季節(jié)變化受背景環(huán)流的正壓不穩(wěn)定控制[12]。OKE 等[4]基于1994—2015年0.1°×0.1°空間分辨率的Bluelink再分析數(shù)據(jù)的研究表明,大澳大利亞灣205 m深度的渦動能的季節(jié)變化明顯,東部和西部海域在冬、春季節(jié)強(本文中季節(jié)都為南半球季節(jié))。

海盆尺度的中尺度渦年際、年代際特征受大尺度海-氣相互作用的影響[13-17]。一些研究發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾-南方濤動(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)影響南澳大利亞海盆主要通過兩種途徑:一是通過熱帶太平洋的海洋波導(dǎo)經(jīng)印尼貫穿流傳入東南印度洋,沿澳大利亞西部海岸到達南澳大利亞海盆[18-19];二是通過激發(fā)“正負正”型的太平洋南美型波列[20],引起海平面氣壓場和混合層溫度等指標發(fā)生改變[21-22]。南半球環(huán)狀模(Southern Annular Mode,SAM)是南半球中高緯大氣變率的最主要模態(tài),對南半球中高緯海洋過程的變異有著重要的影響,當(dāng)SAM處于正(負)位相時,中緯度海區(qū)產(chǎn)生正(負)的海平面氣壓異常,即造成澳大利亞海域的海平面氣壓升高(降低)[22]。另外,印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole,IOD)和印度洋海盆模(Indian Ocean Basin mode,IOB)也有可能影響南澳大利亞海盆的渦動能。有研究發(fā)現(xiàn),IOD對澳大利亞東海岸6—10月的降水具有調(diào)制作用[23],IOB對澳大利亞的夏季降水有重要影響[24]。

本文利用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù),詳細分析了南澳大利亞海盆表層渦動能的空間分布、季節(jié)和年際變化規(guī)律,利用偏相關(guān)和合成分析等方法研究了渦動能與大尺度的海-氣過程之間的關(guān)聯(lián),以期為更深入地研究南澳大利亞海盆中尺度渦提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 渦動能

渦動能依據(jù)海面高度異常(sea level anomaly,SLA)計算,該數(shù)據(jù)來源于法國國家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心(archiving validation and interpretation of satellite data in oceanography,AVISO),下載網(wǎng)址:https://marine.copernicus.eu/,數(shù)據(jù)時間為1993年1月1日至2019年12月31日,空間分辨率為1/4°×1/4°,時間分辨率為1天。

渦動能計算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:x和y分別是每個點的經(jīng)度和緯度,h′為SLA,U′g和V′g為地轉(zhuǎn)速度異常,重力常數(shù)g=9.8 N/kg,f為科氏參量。

1.2 氣候指數(shù)

ENSO是發(fā)生于赤道東太平洋的風(fēng)場和海面溫度振蕩,是低緯度的海-氣相互作用現(xiàn)象,在海洋方面表現(xiàn)為厄爾尼諾-拉尼娜的轉(zhuǎn)變。本文中ENSO用Nio3.4區(qū)(5°N—5°S,170°W—120°W)海表溫度距平指數(shù)(Nio3.4指數(shù))表征,當(dāng)指數(shù)連續(xù)5個月大于或等于0.5時,定義為厄爾尼諾,當(dāng)指數(shù)連續(xù)5個月小于或等于-0.5時,定義為拉尼娜[25-26]。根據(jù)出現(xiàn)區(qū)域、持續(xù)時間和發(fā)生周期,將ENSO劃分為兩種主要類型,即以熱帶東太平洋海表面溫度異常為主的東部型和以熱帶中太平洋海表面溫度異常為主的中部型[27]。ENSO存在明顯的季節(jié)鎖相特征,海溫異常往往在北半球冬季達到峰值而在次年的春、夏季衰退。

SAM是南半球熱帶外區(qū)域的大尺度大氣環(huán)流變化的主導(dǎo)模態(tài),SAM指數(shù)大于0.5個標準差時表征SAM正位相,小于-0.5個標準差時表征SAM負位相。當(dāng) SAM 處于正(負)位相,中緯度海區(qū)產(chǎn)生正(負)的海平面氣壓異常,位勢高度偏高(低),并出現(xiàn)東風(fēng)(西風(fēng))異常;在高緯度地區(qū)相反[22]。

IOD是熱帶印度洋西部與蘇門答臘-爪哇海岸之間的偶極海溫異常結(jié)構(gòu),是一種顯著的年際氣候變率模式,其特征是東、西印度洋的海表溫度異常相反。當(dāng)東印度洋SST異常與西印度洋異常相反,并且5個月滑動平均的IOD指數(shù)大于0.8個正標準差時為南印度洋正偶極子;當(dāng)東印度洋SST異常與西印度洋異常相反,并且5個月滑動平均的IOD指數(shù)小于0.8個負標準差時為南印度洋負偶極子[28]。

IOB是熱帶印度洋海溫年際變化的主要模態(tài),反映了熱帶印度洋海溫距平的同步變化,冬季IOB指數(shù)大于1個正標準差的年份定義為IOB暖異常年,小于1個負標準差的年份定義為IOB冷異常年,其余年份則為正常年[29]。

2 南澳大利亞海盆渦動能的空間分布和季節(jié)變化

基于AVISO數(shù)據(jù)(1993—2019年)的南澳大利亞海盆多年平均表層渦動能空間分布見圖2。圖中衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)顯示南澳大利亞海盆渦動能存在兩個高值區(qū),一個位于海盆西部,值約為140 cm2/s2,另一個位于海盆東部,值約為100 cm2/s2。兩高值區(qū)之間形成了沿著海岸分布的不連續(xù)的高渦動能帶,西部的高渦動能帶沿著陸架向東減小,與SAC的位置一致,東部的高渦動能帶沿著陸坡向西減小,與FC的位置一致。

圖2 基于AVISO的南澳大利亞海盆多年平均表層渦動能空間分布

圖3顯示:南澳大利亞海盆渦動能異常存在明顯的季節(jié)變化特征,渦動能異常的高值同樣集中在海盆的西部和東部,渦動能正異常在冬季(6、7、8月)強,秋季(3、4月)弱。從5月開始,西部的渦動能正異常隨著時間推移逐漸增加,在7月達到最大后逐漸減弱;東部的渦動能正異常在8月達到最大。

圖3 基于AVISO(1993—2019年)的南澳大利亞海盆月平均表層渦動能異?？臻g分布

月平均表層渦動能的年內(nèi)變化顯示,渦動能在冬季強,秋季弱,最大值出現(xiàn)在7月(57±9 cm2/s2),最小值出現(xiàn)在3月(40±5 cm2/s2),全年的標準差差異不大(圖4)。該變化與OKE 等[4]的研究結(jié)果不完全相同,可能與數(shù)據(jù)來源和深度的不同有關(guān)。OKE 等[4]通過1994—2015年再分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),大澳大利亞灣205 m深度的渦動能呈現(xiàn)冬季強,夏季弱的季節(jié)特征。

圖4 基于AVISO(1993—2019年)的南澳大利亞海盆月平均表層渦動能變化

南澳大利亞海盆地轉(zhuǎn)流的多年平均逐月空間分布(圖5)顯示:東向的SAC在5—7月的流速較大,橫跨整個海盆,在其他月份的流速較小,在1、2、12月甚至消失不見,總體表現(xiàn)為冬季強,夏季弱。

圖5 南澳大利亞海盆月平均地轉(zhuǎn)流和月平均地轉(zhuǎn)流速空間分布

3 渦動能的年際變化

圖6是南澳大利亞海盆表層渦動能、渦動能異常和一年低通濾波渦動能異常的時間變化序列,其中,渦動能異常由月平均渦動能減去多年月平均渦動能得到,一年低通濾波處理用以去除其季節(jié)變化。海盆表層渦動能在1994年最小,僅為 23 cm2/s2,在2000年最大,達到74 cm2/s2。一年低通濾波渦動能異常呈現(xiàn)明顯的年際變化特征,在1993—1998年、2002—2010年和2017—2019年為負異常,1999—2001年和2011—2012、2013—2015年為正異常。

圖6 南澳大利亞海盆表層渦動能(a)、渦動能異常(b)和一年低通濾波渦動能異常(c)的時間序列

圖7為南澳大利亞海盆一年低通濾波渦動能異常和4類氣候指數(shù)的時間序列。在1997—1998年、2006—2007年及2014—2016年東部型厄爾尼諾期間,對應(yīng)的1998年、2007年和2017年渦動能異常為負值;在2002—2003年、2004—2005年及2009—2010年的中部型厄爾尼諾期間,對應(yīng)的2003年、2005年和2010年渦動能異常也為負值,這表明不同類型的厄爾尼諾對海盆渦動能的影響沒有明顯差異。拉尼娜期間也同樣,在1998—2000年的東部型和2000—2001年、2011—2012年的中部型發(fā)生期間,對應(yīng)的1999年、2000年、2001年和2013年渦動能異常為正值。從圖6a可以看出,研究區(qū)域的渦動能和ENSO有較好的對應(yīng)關(guān)系,渦動能在厄爾尼諾期間呈負異常,在拉尼娜發(fā)生期間呈正異常。尤其是2006—2007年溫和東部型厄爾尼諾發(fā)生期間,2007年渦動能表現(xiàn)為強的負異常。從圖6b和6c可以得出研究區(qū)域的渦動能與IOB和IOD不存在明顯的時間響應(yīng)關(guān)系。從 圖6d 可以發(fā)現(xiàn),1998—1999年SAM處于正相位,對應(yīng)的2000年—2001年渦動能異常為正值;2002年和2007年SAM處于負相位,對應(yīng)的2003年和2008年渦動能異常為負值。上述結(jié)果表明研究區(qū)域的渦動能對SAM也有較好的響應(yīng)。

圖7 南澳大利亞海盆一年低通濾波渦動能異常和Nio3.4指數(shù)(a)、IOB指數(shù)(b)、IOD指數(shù)(c)及SAM指數(shù)(d)的時間變化

圖8是南澳大利亞海盆一年低通濾波渦動能異常和氣候指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。渦動能異常在滯后9個月時與Nio3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達到極值(-0.47),并通過95%顯著性檢驗(圖8a);在滯后25個月時與IOB指數(shù)相關(guān)系數(shù)達到了0.29(圖8b),與IOD指數(shù)的最大相關(guān)系數(shù)僅為-0.25(圖8c),但均沒有通過顯著性檢驗;在滯后14個月時與SAM指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達到極值(0.37),并通過95%顯著性檢驗(圖8d)。上述結(jié)果顯示,南澳大利亞海盆渦動能與Nio3.4指數(shù)和SAM指數(shù)存在顯著相關(guān)性,而與IOB和IOD不存在顯著相關(guān)性。

圖8 一年低通濾波渦動能異常與Nio3.4指數(shù)(a)、IOB指數(shù)(b)、IOD指數(shù)(c)和SAM指數(shù)(d)的相關(guān)關(guān)系

圖9 一年低通濾波渦動能異常與Nio3.4指數(shù)(a)、SAM指數(shù)(b)的偏相關(guān)關(guān)系

為探究南澳大利亞海盆表層渦動能對厄爾尼諾和拉尼娜事件的響應(yīng),分別對兩個時期的渦動能異常進行空間合成(圖10～圖11)。在滯后厄爾尼諾3個月時,海盆西部和東部的渦動能負異常相對較弱,東部正異常和負異常大小相當(dāng)(圖10c);在滯后6個月時,西部和東部渦動能負異常逐漸增大,東部渦動能正異常逐漸減小(圖10d);在滯后9個月時,西部和東部都呈現(xiàn)強的渦動能負異常(圖10e)。渦動能異常在滯后拉尼娜0個月和3個月時,海盆西部和東部渦動能正異常相對較弱(圖11b,11c),在滯后6個月時西部和東部正異常逐漸增大(圖11d);在滯后9個月時,西部和東部呈現(xiàn)強的正異常(圖11e)。上述結(jié)果表明海盆渦動能對ENSO有明顯的響應(yīng)。

圖10 厄爾尼諾時期表層渦動能異?？臻g分布

圖11 拉尼娜時期表層渦動能異常空間分布

同樣,分別對SAM正、負位相時的渦動能異常進行空間合成(圖12～圖13),研究南澳大利亞海盆表層渦動能對其的響應(yīng)。在滯后SAM正位相6個月和10個月時,海盆西部渦動能負異常和渦動能正異常顯現(xiàn),東部渦動能異常較弱(圖12c,12d);在滯后14個月時,西部和東部呈現(xiàn)相對強的渦動能正異常(圖12e)。在滯后SAM負位相6個月和10個月時(圖13c,13d),海盆西部正渦動能異常顯著,東部存在較弱的負渦動能異常;在滯后14個月時,西部渦動能呈現(xiàn)強的負異常,東部負渦動能異常增強(圖13e)。上述結(jié)果表明海盆渦動能對SAM有明顯的響應(yīng)。

圖12 SAM正位相時期表層渦動能異?？臻g分布

圖13 SAM負位相時期表層渦動能異?？臻g分布

4 小結(jié)

本文基于1993—2019年衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)分析了南澳大利亞海盆表層渦動能的時空變化特征。研究發(fā)現(xiàn),南澳大利亞海盆表層渦動能分布呈不連續(xù)帶狀,在海盆的西部和東部存在兩個高值區(qū)。渦動能存在明顯的季節(jié)變化,冬季強,秋季弱,7月達到最大值,3月達到最小值。由偏相關(guān)分析和合成分析結(jié)果可知,渦動能與ENSO呈顯著負相關(guān)關(guān)系,偏相關(guān)系數(shù)在滯后Nio3.4指數(shù)9個月時達到極值,即在厄爾尼諾(拉尼娜)衰退年,西部和東部的表層渦動能都顯著減弱(增強),表明ENSO對海盆表層渦動能的年際變化起著重要的調(diào)節(jié)作用。同時,渦動能與SAM 呈顯著正相關(guān)關(guān)系,偏相關(guān)系數(shù)在滯后SAM指數(shù)14個月時達到極值,在滯后SAM正(負)位相14個月后,渦動能顯著增強(減弱),表明SAM對海盆表層渦動能的年際變化也有重要影響。

南澳大利亞海盆具有顯著的中尺度渦現(xiàn)象,其季節(jié)、年度變化的相關(guān)海-氣相互作用的調(diào)控機制還有待進一步探究。