西太平洋次表层海温异常与北赤道流异常海温西传

通过对热带太平洋上层XBT温度资料分析,探讨了对厄尔尼诺(El Nino)事件发生起重要作用的西太平洋暖池区次表层海温变暖异常的变化规律,揭示了影响西太平洋暖池区次表层海温变暖异常的形成机制.分析表明:西太平洋暖池区的次表层海温异常变暖与赤道太平洋的北赤道流(10°N)的海温异常存在密切关系.在El Nino事件发生的前期,位于赤道中东太平洋的异常暖水沿北赤道流温跃层潜沉向西太平洋暖池区输送,在西太平洋暖池堆积并向赤道西太平洋扩展,当异常暖水达到一定强度,并在大气的强迫下,异常暖水沿温跃层东传至赤道中东太平洋并上浮于海面,最终导致El Nino事件的爆发.北赤道流的异常海温西传是导致西太平洋暖池区次表层海温异常的重要机制,是导致El Nino事件发生的关键.     

赤道太平洋潜流变化特征及其与异常海温东传

应用TOGA-TAO实测海流资料(ADCP)和SODA同化海流和海温资料,分析探讨了赤道太平洋潜流的季节和年际变化特征,以及与赤道异常暖水东传的内在联系.揭示了El Nino事件中异常暖水东传的物理机制.结果表明,赤道太平洋潜流具有明显的季节变化和年际变化特征.潜流的垂直最大深度可由海表层至300~400 m,其多年平均最大流速可达100 cm/s.潜流最大中心的纬向变化位置基本维持在160°W-130°W之间.在年际变化中,赤道潜流变化特征非常明显,尤其是在El Nino事件发生过程中,赤道潜流出现明显的加强现象.其最大流速可达140 cm/s以上.在西太平洋暖池区域次表层暖水东传之前,位于中东太平洋次表层的赤道潜流就已出现加强,其最大流速中心沿温跃层不断加强和东移,“引导”来自西太平洋暖池区域次表层的异常暖水向东传播.因此,可以认为西太平洋暖池区域异常暖水的东传与赤道潜流的强度和东传存在密切关系,也就是说在El Nino事件中,赤道潜流的变化是导致西太平洋暖池区域次表层异常暖水东传的重要机制.     

ENSO-7赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的循环

近几年的一系列分析研究表明，ENSO与异常东亚冬季风之间有相互影响，持续的强（弱）东亚冬季风通过引起赤道西太平洋地区的西（东）风异常对El Niño/La Niña的发生起着重要作用；赤道太平洋次表层海温异常（SOTA）的年际变化（循环）与ENSO发生有密切关系；ENSO的真正源在西太平洋暖池，暖池正（负）SOTA沿赤道温跃层东传到东太平洋，便导致El Niño/La Niña的爆发；在暖池正（负）SOTA沿赤道东传的同时，有负（正）SOTA沿10°N和10°S纬度带向西传播，从而构成SOTA的循环；热带太平洋SOTA循环的驱动者是赤道西太平洋的异常纬向风。进而可以认为：ENSO实质上是主要由异常东亚季风引起的赤道西太平洋异常纬向风所驱动的热带太平洋次表层海温距平的年际循环。     

两类ENSO事件赤道太平洋次表层海温异常的演变特征

基于美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,用个例和合成分析方法,剖析了两类ENSO事件赤道太平洋海温异常演变特征。结果指出,东部型ENSO事件的初始海温异常源来自赤道西太平洋次表层,海温异常中心沿气候温跃层向东向上传送,至赤道东太平洋表层形成ENSO事件。东部型ENSO冷暖事件互为初始场,在形成某一位相的ENSO事件的过程中也同时为相反位相的ENSO事件准备条件。中部型ENSO事件的初始海温异常源出现在赤道中太平洋次表层,海温异常中心沿气候温跃层向东向上传送至赤道中东太平洋表层形成ENSO事件。中部型ENSO事件多在前次事件减弱中断后出现。     

14MaB.P.澳大利亚板块对赤道太平洋影响的数值模拟

文章利用美国NASA的GISS海气耦合模式,研究了14MaB.P.时期与现代情景下的澳大利亚板块不同位置对赤道太平洋的影响。结果表明:14MaB.P.澳大利亚板块位置较现代偏南时,海洋次表层南赤道海水穿过印度尼西亚通道直接进入印度洋,注入赤道潜流的南赤道海水减少,使得赤道潜流主要来源于北赤道海水,造成赤道太平洋海温比现在冷,其中以赤道西太平洋海温降低幅度最大。而在海洋近表层赤道中东太平洋地区,由于进入海洋的净能量增加和西向风应力加强的共同作用,使得14MaB.P.时海温较之现代情景下要低0.2℃左右。此外,14MaB.P.澳大利亚板块较现代偏南时,赤道太平洋地区的降水量少于现代。     

西太平洋暖池冰期旋回中的类ENSO式演化及其驱动机制

作为全球接受太阳辐射最多、表层海水温度最高的区域,西太平洋暖池区通过厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)和季风等过程影响着全球气候的变化。越来越多的沉积记录证明,在地质历史时期西太平洋暖池也存在类似于现代ENSO过程的“类ENSO式”变化。而目前类ENSO式变化与冰期—间冰期旋回之间的响应关系和驱动机制及其与东亚季风的关联仍存在争议。本文利用位于暖池核心区的B10岩心浮游有孔虫氧同位素、Mg/Ca(质量分数比)和黏土矿物参数重建了暖池区氧同位素8期以来的古气候记录,并结合已有的热带海表温度记录、中国石笋氧同位素和南大洋地区海表温度记录,研究了西太平洋暖池冰期旋回中类ENSO状态的演化规律及其与东亚季风的关系,并探讨了暖池区类ENSO演化的驱动机制。结果发现:冰期时,西太平洋暖池区温跃层变浅,赤道东、西太平洋温差减小,同时,东亚夏季风减弱,暖池区降水量相对减少,与现代El Niño时期气候态类似;间冰期时,西太平洋暖池区温跃层加深,赤道东、西太平洋温差增大,东亚冬夏季风增强,暖池区降水量相对增加,与现代La Niña时期气候态类似。频谱分析结果表明,西太平洋暖池区海表温度的变化具有偏心率周期(96 ka)。冰消期时,低纬度太阳辐射量的增加,增大了纬向上的SST梯度,并使得次表层海水储存了更多的热量,积累的热量会通过调节次表层环流向暖池区的热传输,最终调控赤道太平洋地区Walker环流强度和ENSO活动的长期变化。而冰期时,南大洋地区降温所引起的东南信风和大洋环流异常可能对类ENSO式起到调控的作用。     

末次盛冰期太平洋赤道辐合带对暖池外热带海表温度变化的敏感性

利用美国NCAR CAM3大气环流模式,分析了末次盛冰期（LGM）两个不同的热带海表温度重建方案中,北半球冬季热带中、西太平洋对流活动及大气环流对暖池外（赤道东太平洋和热带大西洋）热带SST异常的敏感性。结果表明：  1）SST异常首先引起大气环流的改变。  赤道东太平洋对流层下沉增强,而作为经向补偿,副热带东太平洋上升运动增强,其中南半球尤为明显,同时南半球热带中、西太平洋上升运动增强,加剧了该区纬向逆时针环流,说明冰期热带海气耦合过程受气候背景场（如SST）影响很大;   2）大气环流格局改变引起热带中西太平洋的大气加热、对流活动、表层风场及降雨的巨大变化。  140°E以西的婆罗洲和菲律宾区域,总的大气加热减少是由于对流与辐射加热减少所致,对应于该区风场辐散和降雨减少;   而140°E以东的南半球热带中、西太平洋,大气吸收热量增加,对流与辐射加热均增强,总降雨量也随之增加,反映该区赤道辐合带南移并增强。该项研究为探索热带太平洋在冰期/间冰期旋回中的古海洋学变化提供了新的数据支撑。此外,不同重建SST对赤道辐合带的影响比较大,因此利用重建SST进行数值模拟或者利用耦合模式研究LGM热带海气相互作用时,应该十分重视全球热带SST分布特征。     

70万年来西太平洋暖池北缘有孔虫氧碳同位素特征及其古海洋学意义

选取西太平洋暖池北缘西菲律宾海本哈姆高原的MD06-3047B孔沉积物柱状样为研究材料,通过分析70万年来有孔虫氧碳同位素变化特征发现:在M1S 14～ 13期,西菲律宾海由于受夏季风影响增强,可能存在上升流活动;在冰期终止期Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ和Ⅴ期出现Pulleniatina obliquiloculata δ13C极小值事件,表明在这几个冰期终止期来自南极的低δ13C海水到达了西太平洋暖池北部边缘地区.次表层种P.obliquiloculata与表层种Globigerinoides ruber 氧同位素差值恢复的温跃层变化具有冰期逐渐变浅,间冰期逐渐变深的特点.进一步将其与西太平洋暖池核心区ODP805站和赤道东太平洋ODP847站的次表层、表层有孔虫氧同位素差值进行对比,结果显示在过去70万年来西太平洋暖池效应逐渐加强,并且存在长时间尺度的类厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)式变化,冰消期时表现为类厄尔尼诺状态.     

赤道西太平洋暖池区1.0MaB．P．以来的放射虫和硅藻丰度变化

“西太平洋暖池”是指赤道两侧从太平洋西部（包括南海南部和苏禄海）到印度洋东部一片全球最暖、长期年平均水温超过28℃的海区,其温度比赤道其它地区高出约2～5℃,核心部位在新几内亚以北,平均水温超过29℃。西太平洋暖地不仅是全球大洋热量和水汽的主要源区而且与南方涛动、厄尔尼诺密切相关。西太平洋暖他又处在三大季风环流汇合区域,其巨大的热存储容量对于调节全球气候有举足轻重的影响。由于硅质生物沉积物、放射虫和硅藻等能够反映表层水初级生产力的变化,因此保存在沉积物中的放射虫和硅藻等可以用来揭示过去表层水的生产力状…     

赤道印度洋海温异常与偶极子季节变化特征

利用Scripps海温再分析资料,对赤道印度洋0～400m深度范围内海温变化和偶极子异常变化特征进行了初步分析。结果显示,赤道印度洋上层海温呈现西低东高,而次表层以下海温则为西高东低。同时发现,温跃层是赤道印度洋上、下层很好的分界面。温跃层之上海温变化受海气相互作用明显,之下海温变化主要受海洋自身的运动影响。赤道印度洋偶极子现象存在于各个深度,其偶极子指数变化存在半年周期,季节变化表现为双峰双谷型,并从深层（400m）向表层传递。分析发现,海气相互作用不是表层赤道印度洋偶极子变化的决定因素。较深层偶极子变化决定于海洋自身的运动变化特征（如洋流）,并向上层传输,进而影响上层偶极子的异常变化。赤道印度洋偶极子指数由西印度洋和东印度洋海温变化共同制约,但西印度洋海温变化起主导作用,东印度洋仅起到加强或减弱偶极子强度变化的作用。     

日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制

潮汐变化引起的大气圈、海洋圈和岩石圈差异旋转的计算结果显示:地球扁率变大时,赤道面的高速气流和洋流产生与地球自转方向相反的由东向西运动,类似赤道东风带;地球扁率变小时,大气和海洋赤道突起减小并向两极流动,在南北纬35°线以上的中高纬度地区,形成两极突起,该计算结果与全球风带分布完全符合。综合分析表明,太阳在赤道面时,赤道东风加强,海洋南北赤道暖流加强;太阳在南北回归线时,西风带加强。日、地、月在同一直线上时将增强这一效应。日月大潮引起的大气、海洋和固体地球的差异旋转是日食多次发生在赤道引发拉尼娜事件产生的动力学机制。     

关于厄尔尼诺成因的新认识

据前人统计,厄尔尼诺出现于地球自转速度急剧变慢的第二年。造成这种现象的主因,是地球间歇性不对称膨胀,引起自转速度几年一次的准周期性急剧变慢。在该时期南北半球岩石圈产生强烈的离开赤道的体力,使赤道地区发生东西向张性断裂活动。位于阻力较小的软流层之上的太平洋岩石圈,不仅规模大、动力强,而且存在着东太平洋海隆薄弱带,并与秘鲁海沟应变空间毗邻,故现今太平洋东部赤道地区的东西向张性断裂最为发育,形成规模宏大的卡内基断裂带和加拉帕戈斯断裂带。它们活动促使海底的岩浆和热水喷溢,导致厄尔尼诺的海水升温多从秘鲁－厄尔多尔沿岸开始。地球自转速度变慢过程中,赤道地区的大气和海水获得较多的向东角动量,造成该地区的信风和向西流动洋流减弱、东太平洋冷水上翻涌升流衰缓,加速赤道东太平流海域温度变暖,助长厄尔尼诺的形成。全球大气角动量的季节性变化,也引起地球自转速度冬季慢夏季快的周年项变化,使厄尔尼诺年增温盛期一般出现于年末前后。     

Oceanic conditions in the eastern equatorial Pacific during the onset of ENSO in the Holocene

Records from South America show that modern ENSO (El Nino-Southern Oscillation) did not exist 7000 cal yr B.P. and has developed progressively since then. There has been little information available on oceanic conditions in the eastern equatorial Pacific (EEP) to constrain explanations for ENSO onset. We report quantitative observations on thermocline and mixed-layer conditions in the EEP during ENSO start up. We found important changes in both the thermocline and the mixed layer, indicating increased upwelling of cooler waters since 7000 cal yr B.P. This resulted from change in the source and/or properties of waters supplying the Equatorial Undercurrent, which feeds upwelling along the equator and the Peru margin. Modeling shows that ENSO is sensitive to subsurface conditions in the eastern equatorial Pacific and that the changes in the thermocline we observed were driven by extratropical processes, giving these a role in conditioning the development of ENSO. This is in contrast to models that call for control of equatorial Pacific oceanography by tropical processes only. These infer stronger upwelling and cooler surface waters for the EEP during the mid-Holocene, which is not supported by our results.     

晚中新世西太平洋暖池的浮游有孔虫和氧同位素证据

浮游有孔虫深水种Globoquadrina dehiscens于10Ma左右从西太平洋和南海绝灭, 要比其他地区早大约3Ma.伴随这一事件还见以表层暖水种增多而深水种大幅度减少为主要特征的生物群变化.古生物和氧同位素结果指示当时表层水变暖和温跃层变深, 我们认为是与早期西太平洋暖池的发育有关.该种在西北和西南太平洋呈阶段性消失也说明暖水堆集比赤道区更强, 尽管印尼海道在晚中新世已大为变窄, 穿越印尼海道的径流可能尚保持较高的通量水平而使赤道区暖水堆集不特别明显.南海的浮游氧同位素值通常比开放西太平洋的低, 也说明中新世时期的上层海水环境与现代相似, 都是暖池边缘区比中心区变化大.暖池边缘区水体环境多变和温度梯度较高可能是受季风的影响, 结果造成深水种的降低和G.dehiscens提早从南海地区绝灭.      

Chlorophyll modulation of mixed layer thermodynamics in a mixed-layer isopycnal General Circulation Model — An example from Arabian Sea and equatorial Pacific

Western tropical Indian Ocean, Arabian Sea, and the equatorial Pacific are known as regions of intense bio-chemical-physical interactions: the Arabian Sea has the largest phytoplankton bloom with seasonal signal, while the equatorial Pacific bloom is perennial with quasi-permanent upwelling. Here, we studied three dimensional ocean thermodynamics comparing recent ocean observation with ocean general circulation model (OPYC) experiment combined with remotely sensed chlorophyll pigment concentrations from the Coastal Zone Color Scanner (CZCS). Using solar radiation parameterization representing observations that a higher abundance of chlorophyll increases absorption of solar irradiance and heating rate in the upper ocean, we showed that the mixed layer thickness decreases more than they would be under clear water conditions. These changes in the model mixed layer were consistent with Joint Global Ocean Flux Study (JGOFS) observations during the 1994-1995 Arabian Sea experiment and epi-fluorescence microscopy (EFM) on samples collected during Equatorial Pacific Ocean Climate Study (EPOCS) in November, 1988. In the Arabian Sea, as the chlorophyll concentrations peak in October (3 mg/m³) after the summer plankton bloom induced by coastal upwelling, the chlorophyll induced biological heating enhanced the sea surface temperature (SST) by as much as 0.6‡C and sub-layer temperature decreases and sub-layer thickness increases. In the equatorial Pacific, modest concentrations of chlorophyll less than 0.3 mg/m³ is enough to introduce a meridional differential heating, which results in reducing the equatorial mixed layer thickness to more than 20 m. The anomalous meridional tilting of the mixed layer bottom enhances off equatorial westward geostrophic currents. Consequently, the equatorial undercurrent transports more water from west to east. We proposed that these numerical model experiments with use of satellite andin situ ocean observations are consistent under three dimensional ocean circulation theory combined with solar radiation transfer process.     

Hindcast/forecast of ENSO events based upon the redistribution of observed and model dynamic height in the Western Tropical Pacific, 1964–1986

Anomalous sea level, anomalous observed dynamic height (0/400 db) and anomalous model dynamic height are examined at the locations of 13 island sea level stations in the tropical Pacific for each bimonth of the four year period 1979 to 1982. Starting in 1981, the anomalous dynamic height data show off-equatorial Rossby waves propagated toward the W boundary of the Pacific basin. At the W boundary, the model Rossby wave activity was found to have excited coastally trapped Kelvin-Munk waves which transmitted the anomalous dynamic height equatorward. At the equator, coastally trapped wave activity excited eastward propagating equatorial Kelvin waves, yielding a pair of anomalous peaks in dynamic height variability in the E equatorial Pacific associated with the 1982–1983 ENSO event. The evolution of the peaks in dynamic height associated with the Rossby and Kelvin wave activity reflects the redistribution of observed upper-ocean heat content in the W tropical Pacific, providing a qualitative hindcast for the 1982–1983 ENSO event. In consequence of these results, and the results of a related study (Inoue et al. 1985), the redistribution of both observed and model heat content, as evidenced in dynamic height in the W Pacific during the 23-year period 1964–1985, is examined for its ability to hindcast and forecast ENSO events in this period. Complex EOF analysis is applied to the Onset Phase of ENSO events occurring in 1968–69, 1972–73, 1976–77, and 1982–83; it is used to determine the characteristic redistribution of heat content (dynamic height) prior to the Mature Phase of ENSO events. This analysis found both model and observed dynamic height in the N hemisphere to be characterized by wind-driven, westward propagating, baroclinic Rossby wave activity, having a remarkably stable period of 3 years over the 23-year period. The complex time series associated with these first spatial eigen-functions are used to construct observed and model hindcast indices that yield high values one year prior to the Mature Phase of ENSO events of the period. These indices achieve these values due to the incidence upon the Philippine coast in fall/winter of a positive anomaly in dynamic height propagating from the east at nondispersive Rossby long wave speeds.