西太平洋暖池热盐结构盐度场变异的主模态

基于1950~2011年间的月平均温、盐度资料,以28℃等温线作为西太平洋暖池的定义标准,并取ΔT=-0.4℃,分别计算了暖池区(20°N~15°S,120°E~140°W)各格点混合层、障碍层和深层的平均盐度,构成了暖池热盐结构的盐度场.据此,运用EOF分解法分析了暖池热盐结构盐度距平场主要模态的变化特征及其与ENSO间的关系,并探讨了主要模态的年际变异机理.结果表明,暖池热盐结构盐度场第一模态揭示了盐度场变异的关键区位于暖池中部;该模态具有2~4a的年际变化和准10a的年代际变化,并在1977年前后经历了一次气候跃变(此外,深层盐度场第一模态还在1999年前后发生了一次气候跃变),且在跃变前后与不同类型的ENSO事件有较密切的联系.暖池中部混合层和障碍层盐度的变化比较一致,即在跃变前盐度为偏高期,而在跃变后则变为偏低期.暖池中部深层盐度在1977年以前和1999年之后皆处于偏高期,而在1978~1999年间则处于偏低期.而且,从混合层至深层,盐度的变化幅度逐渐变小.进一步分析表明,暖池中部混合层和障碍层盐度的年际变化主要是由纬向风、南赤道流(SEC)和降水共同引起的,即当东风增强(减弱)时,强(弱)SEC将携带更多(少)的高盐水进入混合层或潜沉至障碍层,同时局地降水的减少(增多),也使得混合层和障碍层的盐度增加(减少);深层盐度的年际变化主要是由SEC和赤道潜流(EUC)导致的,即当SEC增强(减弱)时,将有更多(少)的高盐水进入暖池,而当EUC增强(减弱)时则有更多(少)的低盐水流出暖池,从而使得暖池的深层盐度升高(降低).     

西太平洋暖池纬向变异及其对ENSO的影响

基于SODA再分析资料以及SST、JEDAC和TAO观测资料,利用加权平均法建立了具有良好代表性的暖池整体暖水的纬向运移指标序列,并利用Morlet小波变换等分析方法,研究了暖池的纬向变异特征及其对ENSO的影响。结果表明,暖池具有明显的年际(2—7年)和年代际(10—16年)纬向变异,并在1976年前后经历了一次由弱到强的气候跃变。暖池内部的暖水大致可以50m为界分为上、下两部分,其上半部分的纬向变异幅度非常大,而其下半部分的纬向变异幅度则相对较小。但两者具有很一致的年际、年代际变化趋势。暖池的年代际纬向变异对赤道中太平洋纬向风应力和纬向流有较好的响应,而且对赤道西太平洋上层热含量变化有较大影响。相关和合成分析表明,暖池的东扩、西缩对ENSO暖(El Nio)、冷(La Nia)事件的形成和发展具有直接的影响,而且暖池的异常东扩对El Nio有增强作用。     

赤道太平洋纬向风和流异常与西太平洋暖池纬向运移

基于SODA再分析资料和TAO资料,利用EOF和统计分析等方法,分别研究了赤道太平洋海面纬向风应力异常和赤道太平洋上层纬向流异常的时空特征及其对西太平洋暖池纬向运移的影响。结果显示,赤道太平洋海面纬向风应力距平场第一模态具有2—5年的年际变化特征,其时空分布呈东、西向的反位相变化;而赤道太平洋上层纬向流距平场的第一模态则为1—2年的年和年际变化,且整个研究区域位相统一。纬向风应力和纬向流异常变化最显著的区域都在赤道中太平洋。相关分析显示,赤道中太平洋海面纬向风应力异常和赤道西太平洋上层纬向流异常分别对西太平洋暖池纬向运移有约2个月和4—6个月的超前影响,是暖池纬向运移的两个重要动力因素。回归分析表明,赤道中太平洋海面纬向风应力异常和赤道西太平洋上层纬向流异常对西太平洋暖池纬向运移有很好的预报意义。     

热带太平洋障碍层厚度的时空特征分析

利用中国Argo实时数据中心提供的9 a(2000—2008年)网格化Argo剖面浮标温、盐数据(G Argo),分析热带太平洋障碍层厚度的气候态分布和低频变化特征。气候平均结果表明,较厚的障碍层主要出现于西太平洋暖池区,并有3条纬向障碍层带状分布,从暖池出发向东延伸至120°W,分别位于以15°N,5°N和12°S为中心的纬度带上。经验正交函数(EOF)基本模态分析表明,热带太平洋障碍层低频振荡以季节和年际变化为主,在季节尺度上主要表现为15°N和12°S障碍层纬度带呈反相变化,都在当地冬季最大,夏季最小;在年际尺度上则主要表现为暖池东边界附近障碍层与厄尔尼诺南方涛动(ENSO)相关的变化,以及暖池中部障碍层与热带准2 a周期振荡(TBO)相关的变化。     

赤道太平洋温度、流场距平EOF分析及与厄尔尼诺的关系

利用EOF分析方法,讨论了最近20a赤道太平洋次表层温度、纬向流距平与厄尔尼诺的关系.结果表明:赤道太平洋海温距平EOF分析第一、二主分量占总量的近80%,其中第一主分量类似于厄尔尼诺模态,第二主分量类似于暖池模态;后一模态存在着突变和渐变两种过程,其中由冷位相变暖位相过程为渐变过程,而暖位相变冷位相过程为突变过程.厄尔尼诺事件是赤道西太平洋暖池突变过程的结果.赤道太平洋纬向流距平EOF的第二主分量代表赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流的变化,这个模态存在着半年左右的振荡和与厄尔尼诺同位相的年际振荡两种频率.另外,它还存在明显的年代际变化.赤道西太平洋潜流和东太平洋南赤道流减弱是产生厄尔尼诺的必要条件.统计回归分析表明,赤道太平洋海温距平和纬向流距平EOF的第二特征向量的时间系数对厄尔尼诺和拉尼娜均有一定的预报意义.     

西太平洋暖池表层暖水的纬向运移

基于1950～2000年太平洋月平均SST资料,运用Morlet小波分析等方法研究了西太平洋暖池表层暖水的纬向运移特征.结果表明:暖池表层暖水纬向运移的年际(2～8a)和年代际(10～16a)变化都非常明显;表层暖水的纬向运移于1982年前后经历了一次气候跃变,跃变后暖水东界的平均位置比跃变前东移了10个经度;表层暖水的纬向运移对ENSO暖(ElNiño)、冷(LaNiña)事件的形成和发展具有直接的作用.     

西北太平洋上层热含量的时空变化

基于全球月平均海温资料、137°E断面海温观测资料、同化水位资料和太平洋850 hPa纬向风资料,利用EOF、功率谱和最大熵谱等分析方法,分析了西北太平洋上层热含量的时空变化,并讨论了热含量变化与水位和赤道太平洋纬向风异常的关系.结果表明,西北太平洋上层热含量具有明显的年际和年代际变化;热含量的年际变化与热带太平洋大尺度海气系统异常相联系,即在El Ni(n)o期间,热含量减少,而在La Ni(n)a期间热含量增多;热含量在20世纪70年代末发生了一次气候跃变,在跃变前热含量偏多,而在跃变后则偏少;热含量与水位间存在着非常一致的同位相年际变化,而这种变化与赤道西、中太平洋的纬向风异常有关.     

赤道行星波对西赤道太平洋暖池热传播的作用

利用热带海洋和全球大气试验(TOGA)期间(1980～1996年)热带大气海洋观测阵(TAO)的长期浮标资料,分析了赤道行星波对西赤道太平洋暖池热传播的作用。结果表明,西赤道太平洋暖池纬向热传播主要出现在次表层水体中,并沿温跃层向东传播;而向西传播的季节热结构变化主要出现在中、西赤道太平洋的混合层中;驻波型传播在西赤道太平洋主要出现于温跃层,在中赤道太平洋主要出现于混合层和温跃层,在东赤道太平洋主要出现于混合层。在平均条件下,赤道太平洋上层水温纬向热传播信号以驻波型和东传型较强,西传型较弱。赤道Kelvin波压力分量贯穿西、东赤道太平洋并向东输送暖池热能,纬向流分量的热输送主要出现在西赤道太平洋;Rossby波压力分量的热输送主要出现在东、中赤道太平洋;混合Rossby重力波激发纬向流的热输送作用比相应温跃层扰动强。在平均条件下,赤道太平洋上层水温的驻波型变化制约了西赤道太平洋暖池热量的持续向东输送,因此形成了赤道太平洋水温的正常季节变化形态。当水温的驻波型变化减弱而东传型变化加强时,随后将形成厄尔尼诺现象。     

西太平洋暖池水体振荡与赤道中东太平洋海表温度异常的关联性初探

赤道中东太平洋海表温度异常是研究ENSO(El Ni?o-South Oscillation)的重要指标。本文利用海洋再分析数据,着眼于西太平洋暖池暖水体三维结构的年际变异特征,分析西太平洋暖池水体变动与赤道中东太平洋海表温度异常的关联性,并从前期西太平洋暖池三维暖水体的结构演变及其在上层海洋质量与热量配置中的作用角度,探究了赤道中东太平洋关键Ni?o分区海表温度异常变化的内在一致性,以期为ENSO的预测预报提供新的思路和依据。分析表明,ENSO尺度上西太平洋暖池三维结构变异主模态表现为暖水体平均约以170oE为轴的纬向时空振荡,其可超前赤道中东太平洋海表温度异常变化约达6个月,并以在赤道中东太平洋及附近海域形成双舌状异常"暖池"为显著特征。前期暖池暖水体的纬向振荡是赤道中东太平洋海表温度异常变化的重要前兆信息之一。作为海洋中ENSO暴发的重要源区和驱动因子,西太平洋暖池纬向振荡通过在中东太平洋形成不同强度(泛指暖水量及其深度和范围等的大小)的异常"暖池",进而在上层海洋质量和热量的纬向配置中起关键性作用,并且可能与不同EI Ni?o事件的触发机制密切相关,从这种意义上讲,不同ENSO事件的发生和发展存在一定的同源一致性。     

赤道暖池温跃层海温对低纬大气环流的影响

本文利用1967-1985年间,西太平洋137°E剖面(34°N-1°S)的深层海温调查资料及500hPa月平均图,首先分析了该剖面上深层海温变化的分布结构和年际变率特征,发现西太平洋赤道暖池温跃层(取纬度4°-8°N,厚度75-200米)海温年际间的变化与赤道逆流流量呈反位相的关系,在埃尔尼诺年期间,赤道逆流(自西向东)加强,赤道暖池温跃层海温下降.当埃尔尼诺结束时,赤道逆流流量迅速减小、温跃层海温上升在此基础上进一步研究了赤道暖池温跃层海温对低纬大气环流的影响,发现赤道暖池温跃层海温与低纬大气的关系比赤道东太平洋海表温度要明显,尤其是对夏季低纬大气和副热带高压强弱的关系更为密切,这一统计事实说明,赤道暖池温跃层海温的变化可能是影响低纬大气环流异常变化的重要热源.     

赤道太平洋温度纬向对流距平分析及其与El Ni(n)o/La Ni(n)a的关系

本文用最近 20 年赤道太平洋温度、流场资料,诊断了绝热不可压缩热平衡方程中纬向对流项,并且利用 EOF 分析方法,讨论了纬向对流距平变化及其与 El Nino/La Nina 的关系。分析发现:赤道太平洋温度纬向对流距平 EOF 分析第一模态反映了在经向的振荡,第二模态反映了在纬向的振动,它们都与 El Nino/LaNina 有密切的联系。这两个模态占了总量的 70%左右。纬向温度对流距平在 3°S~3°N、3°S 以南和 3°N 以北分为正负相间的三个不同的区域,当 3°S 以南和 3°N 以北的区域温度纬向对流正/负距平沿着斜温层向西太平洋移动时,赤道区域的温度纬向对流负/正距平则穿越斜温层向东太平洋移动,形成以赤道为对称的南北两个回路。对应赤道,在 3°S 以南和 3°N 以北区域的纬向温度对流距平并不是对称的,它们在位相、中心强度和中心强度位置上都是不同的,其中 3°N 以北与赤道区域形成一个比较明显的回路,而赤道以南的回路就不是那么明显。在赤道西太平洋暖池,温度的纬向对流有很大的贡献。在 El Nino 发生前一年,赤道西太平洋暖池,主要暖的对流发生在赤道和其以南地区。     

西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量初步研究

基于2001年1月—2014年7月期间的Argo温盐剖面资料,利用循环平稳经验正交函数(CSEOF)分解、最大熵谱分析和相关分析等方法,研究了西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量的空间分布、季节和年际变化特征,并探讨了其可能的变化原因。结果表明,暖池海域次表层热含量的变化要远远大于表层,盐含量以表层变化为主,次表层变化不大,且热含量受ENSO事件影响较大,而盐含量受ENSO事件的影响并不大,以气候态变化为主;CSEOF分析表明,暖池海域热含量第一模态空间场具有显著的东-西反相位年际振荡,盐含量第一模态则呈正-负-正的三极子变化模态,时间序列显示,热含量在2007年以后伴随ENSO事件经过了3次位相调整,盐含量在2007年以后只经过一次位相调整。进一步分析表明,热含量变化主要受到ENSO、局地风和纬向流的影响,而引起盐含量变化的原因更为复杂,其中纬向流和淡水通量对研究海域盐含量的影响均为正反馈效应。     

海洋上层热含量的分布特征、变化模态及观测手段综述

综述了近20年来国内外在有关西太平洋暖池热含量、热带西太平洋上层热含量与西太平洋年际变化事件(ENSO)的关系、热带太平洋上层热含量变化的主要模态以及热含量估算等方面所取得的主要研究成果。研究表明:(1)热带西太平洋暖池区是太平洋上层热含量异常变化最大的区域,上层热含量异常影响了暖池上空的环流(如南海夏季风、副热带高压系统)特征,进而影响气候;(2)赤道西太平洋温跃层以浅的热含量在ENSO发生之前有明显的积聚,其变化明显领先于赤道东太平洋SSTA的变化,领先时间可达数月之久,从而使热含量与ENSO的相关性,以及利用热含量的变异对ENSO进行更长时间的预报成为可能;(3)西太平洋上层热含量存在纬向变异和经向变异两种模态,其中纬向变异模态占主导地位,且超前经向变异模态;(4)由于海洋深层资料难以获取,各种仪器本身存在系统误差,以及采用不同的计算方法,对海洋上层热结构分布与变异的研究受到了一定的限制。随着由3000多个浮标组成的全球Argo实时海洋观测网的建成,Argo数据库每年可以提供多达10万个剖面(0～2000m层)的温、盐数据。Argo资料与其它海洋资料的结合,有助于研究全球海洋温、盐度和海流场结构及其变化规律,准确估算逐月甚至逐年的全球海洋热含量及其季节和年际变化将成为现实。     

北太平洋西边界流的低频变化特征

基于日本气象厅长时间序列的温、盐度再分析资料,利用动力计算方法分析了北太平洋西边界的北赤道流及其下游黑潮和棉兰老流流量的年际和年代际变化,并探讨了北赤道流变化的可能原因。结果表明,北赤道流和黑潮具有比较一致的年际和年代际变化,均在1976年前后发生了一次气候跃变,之后有长期偏强的趋势,而棉兰老流的年际和年代际变化则有所不同。特别是,北赤道流1976年之后增加的流量似乎大多进入黑潮,而流入棉兰老流的流量则减少。进一步的分析还表明,西传的Rossby波和棉兰老冷涡的变动可能对北赤道流的年际变化有重要影响。     

西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量初步研究

基于2001年1月～2014年7月期间的Argo温盐剖面资料，利用循环平稳经验正交函数（CSEOF）分解、最大熵谱分析和相关分析等方法，研究了西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量的空间分布、季节和年际变化特征，并探讨了其影响机制。结果表明，暖池海域近表层与次表层热含量逐年变化呈反位相变化模态，同样盐含量变化趋势也不尽相同。无论热含量还是盐含量，都存在着明显的季节和年际变化。CSEOF分析表明，暖池海域热含量第一模态空间场具有显著的东—西反相位年际振荡，盐含量第一模态则呈正-负-正的三极子模态，但时间序列显示，热含量在2007年以后经过3次位相调整，而盐含量2007年以后只经过一次位相调整，且这种年际变化都与ENSO事件有关，且热含量相比于盐含量受ENSO影响更大。El Niño期间，暖池海域西部热含量减少， 东部增加，La Niña期间则相反；研究海域南北部盐含量在El Niño期间增加，中部（暖池高温中心）减少，La Niña期间则相反；进一步分析表明，热含量变化主要受到局地风场以及纬向流的影响，而盐含量变化则受淡水通量和纬向流的影响。     

赤道东印度洋和孟加拉湾障碍层厚度的季节内和准半年变化

利用2002—2015年ARGO网格化的温度、盐度数据, 结合卫星资料揭示了赤道东印度洋和孟加拉湾障碍层厚度的季节内和准半年变化特征, 探讨了其变化机制。结果表明, 障碍层厚度变化的两个高值区域出现在赤道东印度洋和孟加拉湾北部。在赤道区域, 障碍层同时受到等温层和混合层变化的影响, 5—7月和11—1月受西风驱动, Wyrtki急流携带阿拉伯海的高盐水与表层的淡水形成盐度层结, 同时西风驱动的下沉Kelvin波加深了等温层, 混合层与等温层分离, 障碍层形成。在湾内, 充沛的降雨和径流带来的大量淡水产生很强的盐度层结, 混合层全年都非常浅, 障碍层季节内变化和准半年变化主要受等温层深度变化的影响。上述两个区域障碍层变化存在关联, 季节内和准半年周期的赤道纬向风驱动的波动过程是它们存在联系的根本原因。赤道东印度洋地区的西风(东风)强迫出向东传的下沉(上升)的Kelvin波, 在苏门答腊岛西岸转变为沿岸Kelvin波向北传到孟加拉湾的东边界和北边界, 并且在缅甸的伊洛瓦底江三角洲顶部(95°E, 16°N)激发出向西的Rossby波, 造成湾内等温层深度的正(负)异常, 波动传播的速度决定了湾内的变化过程滞后于赤道区域1~2个月。     

西太平洋暖池重心的时空变化特征分析

利用英国气象局Hadley气候预测和研究中心1870年1月—2010年12月全球海表温度逐月再分析资料,引入物体重心的概念,研究了西太平洋暖池的季节、年际和年代际变化,以及在El Nino年和La Nina年的演变特征。结果表明,就季节变化而言,西太平洋暖池重心呈一个西北-东南倾斜的"8"字型结构。2月和8月暖池重心分别达到其一年中位置的最南端和最北端。西太平洋暖池重心的年际变化以纬向变动为主,显著周期为3—5年,变动幅度可达12个经度。在年代际变化上,重心呈现"纬向-经向-纬向"的移动特征,其转折点分别与上世纪气候突变的时间相一致。El Nino时期,西太平洋暖池重心偏东,而LaNina时期,重心则偏西,其南北差异则并不明显。     

主流系与西太平洋暖池变异机制研究进展

中国科学院战略性先导科技专项重点任务2以热带西太平洋主流系和暖池为主要研究对象,基于西太平洋和印尼海科学观测网综合观测数据,结合动力理论分析和数值模拟结果,在主流系和西太暖池的三维结构、变异规律和动力机制,以及西太与周围海域之间物质能量交换等方面取得了原创性成果。在上层主流系和暖池变异方面,首次直接观测到棉兰老潜流(MUC)、吕宋潜流(LUC)和北赤道潜流(NEUC)等次表层潜流及其多尺度变异,给出了三支潜流相互间的水源关系,揭示了潜流系统强劲的季节内变化特征及其与中尺度涡旋活动的关系,并进一步分析了棉兰老流(MC)/MUC年际变异及其控制因素。西太平洋主流系平流输送在暖池形成中起到了主要作用,而且暖池北部区域自20世纪90年代起出现显著的扩张现象,是由混合层厚度变浅导致。在中深层环流特征和机制方面,发现南北半球中层水团的交换通道、机制和显著交换周期;丰富了对赤道西太平洋中层流结构特征和变异的认识,同时突破了对西太平洋深层环流结构特征和变异规律的认知局限,例如中深层流流速自北向赤道增加,其变化远大于平均值,菲律宾海盆中部深层流以西南-东北方向为主,赤道区域中深层流以纬向东西交替的射流为主等。在西太与周围海域之间物质能量交换方面,通过在印尼贯穿流(ITF)源区及印尼海的同步走航及定点潜标观测,揭示了MC在苏拉威西海和马鲁古海峡交汇处的流径跃变在2015—2016超强El Ni?o的发生起重要作用,西边界流区的非线性反射对ENSO事件的发生发展起至关重要的作用。上述原创性成果显著提升了热带西太平洋环流动力学的认知水平。     

东印度洋-西太平洋暖池的年代际变化特征研究

采用1958~2002年海洋同化资料SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海温场,定义了东印度洋-西太平洋永久性暖池(简称印-太暖池)指数,即不随季节变化的27.5℃等温面所包含的>27.5℃的暖水体积或强度,并采用功率谱和小波分析的方法研究了其周期变化特征。结果表明,印度洋暖池和西太平洋暖池均具有显著的准10 a的周期振荡和1976~1986年前后的年代际突变特征,暖池由1976年前的"冷"暖池转变为1986年后的"热"暖池;暖池指数的季节循环也存在显著的年代际突变特征,特别是西太平洋暖池在异常暖年代其季节变化还呈现出明显的增暖趋势;暖池三维结构的年代际变化主要表现为在暖年代热带南印度洋暖水的向西向南扩张和西太平洋暖池东边界的向东及北边界的向北扩张,暖异常主要分布在60 m以浅的上混合层中暖池的东边界区域,而其下面的温跃层内则为更强的异常降温,垂向上表现出上暖下冷的斜压模态结构,而温跃层和混合层深度的变化在不同暖池区则有不同的特点,表明东印度洋暖池和西太平洋暖池的年代际变化可能由不同的机制引起,尚需进一步分析其海洋动力学和热力学过程。     

西太平洋暖池三维结构的季节和年际变化

基于1950-2011年间的太平洋月平均水温资料和ENSO指数,以28℃等温线作为暖池的定义标准,研究了暖池三维结构的季节和年际变化,并探讨了暖池三维结构与不同类型ENSO的关系。结果表明,暖池三维结构存在着较显著、但并不一致的季节和年际变化。其中,在季节变化方面,暖池冬季西缩、春季东扩,冬季偏南、夏季偏北,春、秋季变厚,冬、夏季变薄;在年际变化方面,暖池的三维结构在超前1~3个月时与ENSO有较密切的对应关系。在El Nio(La Nia)发生前1~3个月时,暖池异常东扩(西缩),暖水向赤道辐合(向赤道外辐散),暖池变薄(增厚)。初步分析表明,暖池三维结构的季节变化主要是由太阳辐射、风和海洋环流引起的,而其年际变化则主要是由热带太平洋的纬向风异常、赤道Kelvin波和Rossby波引起的纬向流异常以及Ekman输送共同导致的。此外,20m和50m层的暖池东界分别与东部型和中部型ENSO事件有非常密切的关系,可作为研究不同类型ENSO的指标序列。