海温距平的ENSO模和类ENSO模的三维结构

用美国马里兰大学提供的海洋同化(SODA)月平均资料,深入揭示了ENSO模的海洋三维结构及其年际和年代际变率。研究结果指出,ENSO海洋模随深度呈明显规律变化。在热带太平洋,它由热带中东太平洋表层显著海温异常分布型随深度增加逐渐过渡为热带西太平洋次表层显著反号海温异常分布型;在赤道太平洋以赤道西太平洋暖池次表层海温显著异常与赤道中东太平洋表层海温反号显著异常为主要特征。El Nino期间,热带中东太平洋表层为强海温正距平中心,西太平洋暖池次表层为强海温负距平中心,在年际尺度上,160°E以西的西北太平洋副热带海域还存在一个与西太平洋海温异常变化反号、与热带东太平洋同号的区域;La Nina期间正好相反。ENSO循环主要由ENSO年际变率所决定,年际ENSO模具有东部型ENSO事件的海温异常分布特征,其循环是东部型冷暖事件之间的转换,在200m以浅,它具ENSO模相同的三维结构和3-5年的显著年际变化周期;年代际类ENSO模具有中部型ENSO事件的海温异常分布特征,年代际ENSO循环是中部型冷暖事件之间的转换,其影响主要限制在200m以浅的海洋上层,具有ENSO模相似的三维结构和9-23年的显著周期。     

近50年东中国海潜热通量的变化

利用1958—2006年OAFlux热通量资料,分析了东中国海海域潜热通量的长期变化特征,并探讨了与局地和太平洋海域影响因素的关系。结果表明:近50 a东中国海潜热通量显著增加,沿黑潮主轴增幅最大。通过分析阿留申低压区(30°N～60°N,160°E～140°W)风场的变化,发现其风应力旋度与东中国海潜热通量变化的主要影响因素海气比湿差存在显著的正相关,表明可能是北太平洋风应力旋度的变化而不是东中国海域风场的变化导致了潜热的长期增加。超前和滞后相关分析表明,东中国潜热通量的变化比北太平洋风应力旋度的变化存在4 a左右的延迟,可能是副热带环流对风场变化调整所需的时间。     

台湾以东黑潮流量的年际变化特征

利用长时间序列的石垣和基隆两个验潮站的海平面高度记录(18年)计算了台湾以东的黑潮流量,并结合风应力资料(SODA),探讨了台湾以东黑潮流量的年际变化及其和风应力旋度的关系。台湾以东黑潮流量的峰值出现在1980—1981、1982—1983、1986、1988及1991年。低值出现在1984、1990、1993—1995年。小波分析结果显示,台湾以东黑潮流量具有2—5年的显著周期(峰值在2年和5年);台湾以东北太平洋区域风应力旋度具有2—7年的显著周期(峰值在3年和6年)。在1980—1991年间,黑潮大弯曲频繁发生,台湾以东黑潮流量偏大,与台湾以东太平洋区域风应力旋度间的关系较好;而在1991—1995年间,没有黑潮大弯曲发生,台湾以东黑潮流量偏低,与台湾以东太平洋区域风应力旋度间的关系较差。     

太平洋次表层海温异常年际变率的信号通道与ENSO循环

利用SODA海洋同化资料,分析了太平洋次表层海温异常(SOTA)年际信号变异特征与ENSO循环的联系。结果表明,热带太平洋的年际变率表现为以160°W为纵轴的东西向和以6°—8°N为横轴的南北向的跷跷板分布,南太平洋和北太平洋中高纬度海洋的SOTA则与热带西太平洋SOTA同号,但强度较弱,这些变化都与ENSO事件密切相关,是ENSO事件的两个主要模态,具57和44个月显著周期。ENSO循环期间,热带西太平洋SOTA强信号中心沿赤道东传,到达赤道东太平洋后加强并北扩,导致ElNi?o或LaNi?a事件,同时从热带西太平洋有较弱SOTA信号向东北和西南传播,在南、北太平洋中高纬度海域产生弱SOTA;同期位于热带东太平洋反号的SOTA强信号中心沿10°—15°N(平均12°N)西传,至热带西太平洋后加强并南扩,为下次LaNi?a或ElNi?o事件准备条件,同时在北太平洋中高纬度海洋还存在着反号弱的SOTA。如此周而复始,完成ENSO循环。太平洋次表层海温年际变化信号除在赤道及以北的热带太平洋存在一个逆时针方向的传播通道外,同时在热带西太平洋有异常信号向南、北太平洋中高纬度海域传播,并指出ENSO循环期间太平洋次表层海温异常年际变率信号传播的可能通道。     

热带太平洋-印度洋上层海温、热含量和混合层深度的年变化特征

根据1955~2003年次表层海温、海洋上层400m热含量和混合层深度资料,采用EOF分析方法,研究热带太平洋-印度洋上层海温、热含量和混合层深度的年变化特征及其与厄尔尼诺、印度洋偶极子、热带辐合带分布和活动的关系。结果表明:海表温度SST的分布和变化不能代表海洋上层热含量的分布和变化,热含量HST的分布与混合层MLD分布比较相似,尤其在热带印度洋和东太平洋,MLD季节变化比HST和SST提前2~3个月左右。太平洋10°N附近HST带状强扰动区和赤道地区HST反相变化是热带太平洋上层海水温度扰动最主要特征。HST的强扰动区主要由60~300m次表层海温距平的扰动引起,80m左右扰动最强,这种扰动沿着斜温层由上向下,自东向西传递,上半年增温,下半年降温,具有明显的年周期变化。这种变化对ENSO循环期间热含量异常信号传播的影响值得关注。热带太平洋HST的扰动变化和太平洋的ITCZ和SPCZ的移动和变化也有一定的关联。印度洋的西北部和东南部次表层海温距平呈年周期的反相振荡,但这种固有振荡和印度洋偶极子DMI振荡反相,这可能是导致印度洋大部分偶极子生命史都很短的原因之一。     

基于观测资料的海浪与混合层深度相关性分析

从观测数据角度出发,考察海浪与上层海洋混合层深度的变化关系。采用卫星高度计和三套温度观测数据,利用改进的混合层深度提取方法,获得海洋混合层深度。简要分析了多年月平均的有效波高和混合层深度的空间分布特征及时间变化规律,并进一步分析了它们的相关性。二者直接相关性分析的结果表明,在南北半球的中纬度地区二者的相关系数较大,而赤道地区较小。滤除年周期的气候态月平均场后,计算的距平相关系数在赤道区域较小;但在太平洋东部、南部和南印度洋存在一个大值区。此外,进一步研究了有效波高和混合层深度年际距平的相关系数,其空间分布特征与二者的距平相关系数的分布特征类似。为探究混合层深度的影响因素,同时也分析了风场与混合层深度的相关系数。综合上述结果,海浪和上层海洋的混合层深度之间存在着一定的相关性,海浪过程是风输入能量向次表层海洋传播的一个重要途径。     

利用Argo资料研究2001-2004年期间西北太平洋海洋上层对热带气旋的响应

利用Argo剖面浮标观测资料,对2001-2004年11月期间西北太平洋热带气旋经过后海洋上层的响应作了分析研究.结果显示,热带气旋经过后,55.6%的观测剖面其混合层深度会加深,范围在0-60m,并且在气旋过后5d内更为明显;由于混合加剧,大约有77.8%的观测剖面其混合层温度会下降,最多达5℃;61.1%的混合层盐度会下降,平均降盐约0.12;表层流速增大的占54%,平均增大30cm·s,表层流速的变化与风速的大小呈正相关,相关系数仅为0.06;混合层内温度变化与热带气旋风速呈负相关,相关系数为-0.15;混合层温度下降有明显的右偏现象,在气旋路径右侧50-150km处,温度下降尤为明显,而混合层盐度在气旋路径两侧的变化基本呈对称状分布;混合层深度在气旋路径右侧加深更为明显,在右侧100 150km范围内达到最大;混合层深度的变化与气旋经过前混合层的初始深度呈明显的负相关,相关系数达-0.42.     

热带太平洋对风应力拖曳系数响应的敏感性试验

为了检验一个准全球的海洋环流模式中热带太平洋对风应力变化的响应,使用NCEP月平均再分析资料计算的强迫场强迫该模式进行控制试验,在(10.5°S～9.5°N,159.75°E～110.25°W)的区域增大或减小风应力拖曳系数进行敏感性试验,并把试验结果与同时段的SODA资料进行分析比较.该模式基本能模拟出海洋环流的基本气候态,但是对一些细节描述还不够准确.试验结果表明,风应力减小时可以改善模式对热带东太平洋冷舌的模拟,而对次表层温度和流场的刻画能力较弱.增大风应力则对次表层温度和流场的模拟有所改善.通过对模式中热量收支的分析可知,平流过程、扩散过程对热带太平洋海表温度的变化起到了重要的作用;海表面热交换可以促使海温距平向相反的方向发展.垂直输送对赤道中东太平洋表层的降温起重要作用,抑制了次表层的增暖,水平平流过程则促进了赤道太平洋次表层的增暖.     

黑潮延伸体区海平面异常和中尺度涡的时空特征分析

利用1993-2010年间的卫星高度计资料,用EOF方法及小波分析研究了黑潮延伸体区域的海平面异常和中尺度涡的时空变化特征.研究结果表明:海平面EOF第一模态是季节模态,与该海域风应力旋度第一模态类似,相关系数达0.65.EOF第二模态主要反映了黑潮南部次级环流的变化情况,显著性周期是8-10年.通过相关分析发现黑潮延伸体南部次级环流的年代际变化与PDO有关,同时它又与风应力旋度第二模态有关;该海域的海面高度受到北太平洋东部SSH信号西传的影响,信号的传播需要大约3-4年时间.EOF第三模态是黑潮弯曲模态.日本南部的气旋涡和反气旋涡可以表征黑潮弯曲的形成,而且弯曲强度和涡的持续时间、强度和位置有关.     

基于IPCC预测结果的北太平洋海表面温度变化分析

利用IPCC-AR4气候模式诊断与比较计划(PCMDI)20C3M试验和A1B情景试验模拟数据,研究了在温室气体排放情景下,北太平洋海表面温度的变化及其对太平洋风应力旋度变化的响应。结果表明,温室气体中等排放A1B情景与20C3M情景相比,北太平洋年平均海表面温度表现为一致增温的趋势,且最大的增温中心位于黑潮及其延伸体区。与20C3M试验相比,CO2增加情景下北太平洋中部东风加强,增加向北的Ekman输送,使得北太平洋内区增温。风应力旋度零线也向北略有移动,导致黑潮延伸体向北移动并得到加强,从而引起延伸体区较强增温。风应力旋度零线的纬度附近产生的Rossby波,向西传播到黑潮延伸体区,进一步加强黑潮延伸体区的温度异常。海洋对北太平洋风应力场变化的局地响应及延迟响应,使黑潮延伸体海域海表面增温远大于周围海区。     

北太平洋海表面温度的年际变化特征及其与东亚气候的相关关系

本文利用了EOF方法分析了1951-1980年北太平洋(包括赤道东太平洋)海表面温度各月逐年的年际变化特征。分析的结果表明:(1)冷暖洋流区也就是北太平洋暖流区,加利福尼亚寒流区、赤道东太平洋海区的收敛速度最快,其次是冬季黑潮和西部北赤道暖流区。(2)空间特征向量场前3项的物理意义非常清楚,第一特征向量场表示海温场南高北低沿纬度分布的特征,分为西北部和东南部两大反相的区域,零线的走向呈东北东-西南西。第二特征向量场分成了三块区域,零线的走向仍呈东北东-西南西。中间是正区,南、北分别是以赤道东太平洋和北太平洋暖流区为中心的负区,突出了这两大海区的作用,第三特征向量场北面是以北太平洋暖流区为中心的负区,而东南、西分别是以加利福尼亚、赤道太平洋和黑潮三大洋流区为中心的正区,中央太平洋是弱的负区。(3)由时间振幅系数分析得到的SST的各月逐年的变化特征,五十年代具有5-6年、六十一七十年代具有2-3年的准周期振荡,并且海温的这些固有变化特征与东亚气候有密切的关系。     

环日本岛沿岸海平面长期变化特征与机制的研究

利用环日本岛沿岸38个验潮站连续36 a的实测水位资料,分析了环日本岛沿岸平均海平面的长期变化特征,结果表明平均海平面的异常变化在1984年前后发生较大转折,近20多年来主要呈现持续上升趋势,部分站位在1997年前后也有较明显的下降趋势,表明海平面的长期变化中存在较长周期的波动情况。通过对所有验潮站的日平均海平面序列进行平均,发现与西北太平洋SST异常变化呈正相关,相关系数为0.908;与太平洋年代际变化(PDO)指数呈负相关,相关系数为-0.6;与西北太平洋风旋度场的异常变化呈正相关,相关系数为0.402。结果表明环日本岛沿岸平均海平面的长期变化受到海水热膨胀效应、太平洋年代际变化以及风应力引起的海水堆积和流失等因素的影响。同时,发现从2000年开始西北太平洋的SST开始下降,而平均海平面仍然在持续上升,其上升原因还需作进一步研究与探讨。     

1998年冬季南海环流的三维结构

利用1998年11月28日至12月27日南海的调查资料,采用三维海流诊断模式,计算了冬季南海三维海流,所得结果如下:(1)冬季南海环流系统方面:1)南海北部,在吕宋西北海域分别存在一个气旋式、反气旋式涡.2)南海中部,在越南近岸存在较强的、南向的西边界射流.其以东海域出现较强的气旋式环流.南海中部东侧海域存在一个较弱的反气旋式环流.3)南海南部,一般流速较弱.在112°E以西受反气旋式环流所控制,加里曼丹岛西北海域存在气旋性环流.由于受调查海域所限,这两个环流只部分出现.(2)上述环流系统与200 m层水平温度、密度分布对应较好.(3)南海冬季环流垂向速度分布方面:1)表层,南海北部,在吕宋西北为范围较大的上升流海区.而在东沙群岛附近海域出现了下降流.海南岛以南及东南海域也存在下降流.南海中部,越南以东海域出现范围较大的下降流,其以东为上升流海域,而在巴拉望岛西北海域又出现下降流.南海南部,基本上被上升流海域所控制.2)次表层与表层不同,例如在次表层,海南岛东南部海域出现上升流.中层和深层垂向速度分布与次表层相似.(4)关于南海垂向速度分量分布的动力原因:在表层,风应力旋度场起着主要作用;在次表层,β效应与斜压场相互作用是重要的动力因子,而风应力旋度场和β效应与正压场相互作用也有一定影响;在南海中部等区域的中层以及在南海的深层,主要受B效应与斜压场相互作用和B效应与正压场相互作用的共同作用.     

西风爆发、次表层暖水东移与厄尔尼诺现象

利用最近20 a的大气海洋资料,分析了厄尔尼诺事件与赤道太平洋西风异常以及赤道太平洋次表层海温之间的关系.结果表明,赤道西太平洋(5°S～5°N,120°～160°E)和赤道中东太平洋(5°S～5°N,160°E～160°W)西风异常都存在着与厄尔尼诺周期一致的年际变化,但前者还包含有显著的2～3个月季节内振荡.赤道西太平洋次表层冷暖水东移也呈现年和年际时间尺度的振荡周期.在厄尔尼诺发生前,赤道西太平洋次表层海水出现持续性增暖,赤道西太平洋西风异常频率加快,强度增强.随后赤道中太平洋(160°E～160°W)出现持续性(3个月以上)强西风异常(即西风爆发),并进一步向东扩展,同时次表层暖水沿着赤道波导东移到赤道东太平洋混合层,导致赤道东太平洋海表大面积异常增暖,形成一次厄尔尼诺现象.最后,模式模拟了1980～1984年赤道太平洋海温的变化,进一步证实了赤道纬向西风异常对暖水东移起着重要的作用.     

关于黑潮延伸体海域水体的三维热结构时-空变化特征研究

基于西北太平洋Argo数据资料,利用参数化方法,从Argo温盐剖面数据中提取出一系列特征动力参数,定量分析黑潮延伸体海域水体的三维热结构的时-空变化特征、季节变化特征及其与地形和环流的关系。结果表明:黑潮延伸体海域水体的海表面温度存在着明显的冬春弱,夏秋强的季节变化特征,冬季平均海表面温度为15℃,夏季则达到了27℃;混合层深度在春季和夏季都较深,在180 m左右,秋冬较浅,在17 m左右,在水平方向上混合层深度有较强的梯度;温跃层春、夏、秋、冬4季的平均温度表现出明显的南北差异,夏季南部海域平均温度为14℃左右,北部海域较低为5℃左右;季节性温跃层深度大约在100 m左右;黑潮延伸体海域水体的温跃层底部最大深度在800 m左右;黑潮延伸体主体海域中心位置冬天在36°N左右,夏天大约移到34°N。     

基于海温遥相关的渤黄海冬季气温与海冰预测方法

选取渤黄海历史冰情和气温资料、全球海温资料,分析了1971—2015年渤黄海冬季气温和冰情的变化特征。基于遥相关分析法,选取影响渤黄海冬季气温的前期海温关键区,建立了渤黄海冬季气温和冰级的预测模型。结果表明:渤黄海气温和冰情具有明显的年际和年代际变化,二者呈负相关关系;根据全球海温遥相关型,冰季前期的夏季海温对渤黄海冬季气温影响明显,海温关键区为赤道以北低纬度中东太平洋海域、北太平洋白令海西南海域、西南印度洋和澳大利亚东南沿岸海域。由此建立的预测模型与实际观测值具有较好的一致性。     

热带中东太平洋海域10°N断面水团分析

本文基于实测温盐数据等资料，利用水团的浓度混合分析等方法，揭示了热带中东太平洋海域10°N断面的水团构成自上而下分别为东部赤道–热带水团、北太平洋中央水团、加利福尼亚流系水团、南太平洋中央水团、太平洋亚北极水团和太平洋深层水团。分析发现，受热带辐合带影响，9°～10°N海域常年持续的正风应力旋度诱发上升流出现，北太平洋中央水团、加利福尼亚流系水团、南太平洋中央水团和太平洋亚北极水团4个通风潜沉水团经向运动至该纬度带时被抽吸至次表层和中层，并散布在不同深度。以往研究仅指出上述4个水团在海表通风形成后将潜沉并向赤道方向运动，本研究进一步阐明了4个水团潜沉后向热带海域运动的动力机制及其在热带中东太平洋10°N断面的散布深度。研究成果揭示了热带中东太平洋水团与北太平洋副热带、亚极地和南太平洋副热带海区中上层水团间的循环过程，对认识北太平洋高–中–低纬度间物质和能量的交换和再分配具有重要科学价值。     

全球海温变化的方差及其相关性分析

为了研究全球变暖背景下不同海域海温的变化特征,利用1854-2008年共155 a的全球海温数据资料——ERSST V2,通过对全球年平均海温方差的空间分布进行分析,发现全球海温变化较大的海域主要分布在赤道东太平洋海域,北半球太平洋中纬度海域,北半球大西洋中纬度海域,非洲西南端海域;赤道与中纬度地区海温变化较剧烈,太平洋较大西洋和印度洋海温变化更剧烈.海温变化方差值较大的区域多为具有较明显海温变化模态的区域.在不同的时期,全球海温方差的空间分布也是不同的.随着全球气候变暖,海温方差值较大的区域越来越多,而且海温的振荡模式也发生了改变,其高频振荡部分有所增强.通过观察方差值较大区域其海温振荡模式在全球的分布情况,可以发现:在低纬度地区高频振荡模式占主要地位,而在中高纬度地区则主要是低频振荡模式.     

基于Argo的热带印度洋上层海温研究

利用2004年1月—2008年8月的月平均Argo再处理资料和NCEP风场资料,对热带印度洋2.5~500 m深度范围内的海温时空变化特征与机制进行了研究。结果表明:表层的阿拉伯海、孟加拉湾和赤道东印度洋是海温高值中心,同时是海温标准差低值中心,海温高的地方海温变化小,两者的分布型一致。在次表层,西南热带印度洋是海温高值区,赤道东西印度洋是海温低值区,次表层的海温变化最大,尤其在10°S~10°N之间的赤道印度洋。热带印度洋不同区域和深度的海温的显著周期不同,主要有1和0.5 a的显著周期。热带印度洋表层海温年周期变化主要受太阳辐射的影响,而0.5 a周期与季风有关。次表层以下海温变化主要是热带印度洋自身内部的动力作用,其1 a周期除了与太阳辐射和风有关,还与Rossby波和沿岸Kelvin波有关;其0.5 a周期除了季风这个主要因素,还与Wyrtki急流有关。海表面风场和LaNi~na是影响2006和2007年的正偶极子强度不同的重要因素。     

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。