ENSO事件对北赤道流分叉位置的影响

本文应用热带西太平洋海面风资料,讨论了几应力涡度场的年际变化,及其对棉兰老冷涡和北赤道流分叉位置的影响。     

热带西太平洋主要流系的季节变化和年际变化

利用美国国家环境预报中心的太平洋海域１９８０～１９９５年四维同化资料,计算了棉兰老海流和与之有密切联系的北赤道流、北赤道逆流流量的年际变化和季节变化特征。由此得出以下结论：（１）棉兰老海流对北赤道逆流的初始流量贡献较大,是北赤道充的主要水源提供之一,棉兰老海流与黑湖在季节变化中存在反相关系;（２）棉兰老海流在厄尔诺年初期加强,在反厄尔尼诺期间减弱;（３）棉兰老海流的季节变化信号强于年际变化信号。     

太平洋低纬度西边界流和涡旋结构季节变化的观测分析

利用漂流浮标、ADCP和Argo等观测资料,对太平洋低纬度西边界流和涡旋结构的季节变化进行了分析.根据漂流浮标资料计算的北赤道流、棉兰老海流和北赤道逆流具有明显的季节变化,而且北赤道流/棉兰老海流和北赤道逆流在冬春、夏秋之间具有明显的反位相变化,这一特征造成了气旋式棉兰老冷涡强度的季节变化很弱,水团分析表明,该冷涡的水团特性主要是北太平洋热带水.反气旋式的哈马黑拉暖涡强度具有明显的季节变化,其水团特性主要是南太平洋热带水.给出了棉兰老涡和哈马黑拉涡强度的垂直结构,表明这两个涡旋的强度在0～30 m迅速减弱,在30～450 m近似线性减弱,在450 m以下涡旋消失.     

热带西太平洋主要流系的季节变化和年际变化

利用美国国家环境预报中心的太平洋海域 1 980— 1 995年四维同化资料 ,计算了棉兰老海流和与之有密切联系的北赤道流、北赤道逆流流量的年际变化和季节变化特征。由此得出以下结论 :( 1 )棉兰老海流对北赤道逆流的初始流量贡献较大 ,是北赤道逆流的主要水源提供者之一 ,棉兰老海流与黑潮在季节变化中存在反相关系 ;( 2 )棉兰老海流在厄尔尼诺年初期加强 ,在反厄尔尼诺期间减弱 ;( 3)棉兰老海流的季节变化信号强于年际变化信号。     

利用Argo浮标定位信息估算分析赤道太平洋中层流场状况

本文利用Argo浮标的定位信息,经过较为严格的质量控制与误差估算,得到2003～2005年赤道太平洋区域中层流场信息,并对其进行较为详细的诊断与分析,得到以下几个结论:(1)棉兰老涡、赤道逆流和南赤道流在中层流场中多数时间清晰可辨,北赤道流较弱,有时不易分辨。(2)棉兰老涡、赤道逆流和南赤道流都存在明显的季节变化。一般在2、3月间最弱,8、9月间最强。(3)棉兰老涡、赤道逆流和南赤道流存在较明显的年际变化。(4)赤道逆流通常表现为两支,分别位于东赤道太平洋和西赤道太平洋,东太平洋支主轴位置大约在7～8°N附近,西太平洋支主轴位置大约在3°N附近。     

ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流

本文使用SODA(simple ocean data assimilation)海洋同化资料,系统分析了厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)循环中冷暖位相期间热带太平洋上层海洋环流的演变规律,探讨了形成海洋环流异常的新机制。结果表明,在厄尔尼诺成熟期,热带中东太平洋赤道潜流最弱,赤道两侧出现反气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域出现气旋性环流异常,该区南、北赤道流、棉兰老流、黑潮、新几内亚沿岸潜流及南赤道逆流增强;北赤道逆流区出现异常气旋性环流串,北赤道逆流接近正常。在厄尔尼诺衰退期和拉尼娜发展期,热带中西太平洋赤道潜流达到极强,赤道两侧出现气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域异常环流减弱,该处主要流场的强度减弱或处于正常状态;北赤道逆流区反转为异常西向流。结果表明, ENSO循环期间的上层海洋环流异常受到热带太平洋温跃层深度异常产生的压强梯度力异常调控,在赤道外热带海洋温跃层深度异常和科里奥利力共同作用产生大尺度海洋环流异常,而在赤道海域,海洋温跃层深度异常和Gill效应造成赤道潜流异常以及关于赤道对称的气旋或反气旋性环流异常。     

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。     

2015/2016年超强厄尔尼诺期间热带西太平洋海洋环流变化特征

本文利用HYCOM （Hybrid Coordinate Ocean Model）再分析数据对北赤道流（NEC）、棉兰老流（MC）以及黑潮（KC）所构成的NMK环流系统在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间的变化特征及其影响机制进行了研究，并与其他厄尔尼诺期间的变化特征进行了对比。结果表明，在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间，NEC和MC输运均显著增强，最大值分别达到66 Sv （1 Sv=10⁶ m³/s）和49.4 Sv，北赤道流分叉纬度最北可达16°N，KC输运没有明显增强。NMK环流系统的年际变化主要与此次厄尔尼诺事件期间热带西北太平洋15°N以南、160°E以西海域出现的气旋式环流异常有关。该环流异常出现自厄尔尼诺事件的前期阶段，并于爆发阶段达到顶峰，主要是由15°N以南区域出现的强西风异常所引起的。进一步分析表明，此次厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运和NBL的平均值均大于1992— 2014年间所有厄尔尼诺事件的平均状况，但与1997/1998年超强厄尔尼诺事件期间的平均值相近。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

北赤道流分叉点及南海北部环流的研究进展

介绍了北赤道流分叉点、南海北部环流的一些研究成果,并就黑潮对南海的影响所作的研究进行了回顾.北赤道流分叉点的位置对于北赤道流系水体疏运变化及在黑潮和MC之间水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用.北赤道流分叉点位置约在14.6°N上,分叉点位置随深度增加而北移.分叉点有明显的季节变化和年际变化,在春、夏季向南移动,而在秋、冬季则向北移动.年际变化与ENSO现象相关紧密,在El Nio事件NEC分叉纬度处于最北端,在La Nio事件处于最南端.对于分叉点位置的定量化研究,仍然需要更多的观测结果进行研究.季风和黑潮是影响南海北部环流的两种主要因素.南海北部上层流场主要由广东沿岸流、黑潮入侵流套、东沙海流、南海暖流和吕宋海流组成.除海盆、次海盆尺度环流外,受季风、黑潮和地形等因素的影响,南海表现出多涡结构.通过近些年的卫星观测和数值模拟的结果,人们对南海中尺度涡的认识大大加深,但要想模拟出风应力形成涡的机制,还需要提高风场和模式的分辨率.由于观测资料的限制,对南海流场的垂直结构、以及春-秋季季风转相时期的流场结构等还研究得较少.吕宋海峡水交换是西太平洋对南海影响的主要途径.黑潮在吕宋海峡附近的形变一直是有争议的热点问题,目前对于黑潮入侵有3种观点:(1) 认为黑潮经过吕宋海峡形成流套结构,并分离出中尺度涡影响南海流场、水团结构;(2) 认为黑潮有一直接分支分离出来进入南海形成黑潮分支;(3) 认为吕宋海峡水交换不属于以上两种情况,西太平洋对南海的水团输送另有机制.北赤道流分叉点在对黑潮的水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用,黑潮对南海北部环流的影响可能与NEC的分叉点位置有关,但目前对NEC的分叉点位置与南海北部环流相关性的研究甚少.最后提出了对未来加强该方面研究的一些展望.     

热带太平洋平均环流数值模拟

用中国科学院大气物理研究所发展的高分辨率自由表面热带太平洋环流模式(区域为南北纬30°,经纬圈方向水平分辨率分别为1°和2°,垂直方向分为不等距14层),在观测到的海表面风应力和热量及淡水通量驱动下,对热带太平洋平均环流进行了数值模拟.结果表明,模式成功地模拟了海面起伏中赤道槽、赤道脊、北赤道逆流槽及中小尺度涡旋(如棉兰老涡)系统等分布;与这些槽脊分布相对应的北赤道流,南赤道流和北赤道逆流等热带流系;对气候有重大影响的海表温度分布;次表层温跃层结构和赤道潜流等.文中特别讨论了海面起伏与模式其他变量场间的关系及其应用.     

全球变暖背景下对太平洋环流（1960—1999）的模拟

我们用Non—Boussinesq POP海洋模式和NECP 1000 hPa的风应力和气温场资料，模拟了1960—1999年太平洋环流，结果显示：在过去的40年，热带太平洋环流变弱了，另外，由于全球变暖，由北赤道流产生的向热带西太平洋沿岸的热输送和由南赤道流产生的向南太平洋中高纬度的热输送随着时间是减弱的，而在北半球，由北赤道流产生的向中高纬度的热输送是增加的。     

黑潮入侵南海的强弱与太平洋年代际变化及厄尔尼诺-南方涛动现象的关系

在黑潮入侵南海强弱的问题上,到底是太平洋年代际变化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)还是厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)现象在起关键作用,目前还存在着较大争议。本文先以高盐水作为黑潮入侵强弱的示踪物,用120°E断面的高盐水数据和北赤道流分叉点(North Equator Current Bifurcation,NEC-Y)的南北变动进行相关分析,接着,进一步用学者所用的黑潮入侵指数(KI指数,Kuroshio intrusion index和NEC指数,North Equatorial Current index)与北赤道流分叉点南北变动进行相关分析。最后,用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法和相关关系分析法分别分析了PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点南北变动的关系并用NECP风场数据探讨其影响机制。结果表明:(1)通过对120°E断面的高盐水的KI指数、NEC指数与NEC-Y的相关分析,表明了北赤道流分叉点的南北变动能够很好地指代黑潮入侵南海的强弱;(2)通过PDO指数和Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动的相关性分析,发现PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动都具有较好的相关性,都在0.5水平。这些良好的相关性表明了PDO和ENSO对黑潮入侵南海的强弱都具有重要的影响;(3)当处于厄尔尼诺年(拉尼娜)时,赤道太平洋发生西(东)风异常,使得北赤道流分叉点偏北(南),使吕宋岛东侧的黑潮流速减弱(加强),黑潮入侵南海增强(减弱);当PDO处于暖(冷)阶段时,会加强热带太平洋的西(东)风异常,使得黑潮入侵南海增强(减弱)。     

近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化

为了研究近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化,本文利用海洋客观分析数据MOAA GPV(Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis)以及P-vector方法计算了北太平洋绝对地转流,探讨了2001~2013年期间厄尔尼诺与北赤道流输运之间的关系。在此期间发生的4次厄尔尼诺事件中,北赤道流输运在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期都出现了明显的增强,但是在2004~2005年的厄尔尼诺成熟期并没有明显的增强。进一步分析发现,在2002~2003年、2006~2007年、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期,10°N以南的热带西北太平洋区域出现了负的海面高度异常和气旋式环流异常,这主要是由热带环流区域出现的西风异常和正的Ekman抽吸通过Rossby波西传到热带西太平洋区域所致;但是在2004~2005年厄尔尼诺成熟期,海面温度异常的分布明显不同,西风异常和正的Ekman抽吸异常明显北移,导致负的海面高度异常和气旋式环流异常出现在了10°N以北的西北太平洋区域,使得北赤道流输运在2004~2005年的厄尔尼诺成熟期没有明显的增强。     

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。     

太平洋北赤道流表层流速及分叉点位置

确定太平洋北赤道流表层流速及分叉点位置的变化是海洋环境研究中的1个重要问题。使用1987～1998年的WOCE浮标资料,通过估算得到了季节平均和年平均意义下北赤道流表层流速(1989～1998)。计算结果显示:北赤道流表层流的流速冬季最大,夏季最小,春秋两季相仿。在厄尔尼诺发生年的第2年,夏季平均流速往往较大。对浮标轨迹的逐年分析表明表层北赤道流分叉点的位置在11°N～14 .7°N之间,从轨迹较为密集的4年的分析可以看出,表层流分叉点的位置具有年际变化,其中,2个ElNino年分叉点偏北。     

热带西太平洋表面风场的变化及其对海洋上部热结构的影响

据1962～1980年逐月平均表面似风应力资料,用调和分析及功率谱分析等方法分析了热带西太平洋表面风场的季节变化和年际变化.结果表明,该海区表面风场的季节变化,主要与热带辐合带(ITCZ)的季节位移有关,其年际变化则有明显的与埃尔尼漆南方涛动现象(ENSO)相对应的变化.且表面风场通常比ENSO有超前的异常变化.文中还初步探讨了表面风场变化对海洋次表层热结构的影响.结果表明,表面风应力涡度引起的埃克曼抽吸作用(Ekman pumping)可近似解释该海区温跃层深度的平均季节变化.该海域赤道附近表面纬向风应力的变化与西太平洋暖水区体积变化之间有较密切的关系.     

基于OFES模式数据的北赤道流分叉研究

利用1957—2006 共50 年高分辨率的长时间序列海洋模式OFES(OGCM for the Earth Simulator)数据, 对北赤道流(NEC)的分叉规律及其与ENSO循环的关系进行了分析。结果表明: (1) NEC分叉纬度具有明显的季节和年际变化, 周期主要呈现为3—6个月的季节内振荡和2年、2—7年左右ENSO尺度周期振荡以及10年以上的年代际变化。在季节尺度上, 分叉位置春季偏南, 秋季偏北, 并且分叉纬度随深度的增加向北移动, 其北移幅度冬季最大, 夏季最小。而在年际变化尺度上, NEC分叉纬度具有较强的年际变化信号, 与ENSO循环密切相关, El Ni?o 年分叉位置偏北, La Ni?a年分叉位置偏南。(2)NEC分叉纬度的变化与北太平洋0—30°N之间的纬向风应力旋度积分零线位置密切相关, 零线的南北偏移导致了分叉位置的改变, 在不同深度上, 零线位置对分叉纬度改变的影响时间不同, 表层需1个月, 而500 m深度则需4个月左右。(3)NEC分叉影响着黑潮(KC)与(棉兰老流)MC的流量分配率, 其年际异常变化与冷、暖ENSO事件发生密切相关, 当El Ni?o发生时, KC流量分配率减少, MC 流量分配率增加; La Ni?a年情况则相反。     

海洋的季节变化及风应力异常对海洋影响的数值试验

对一个6层5°×4°网格的全球海洋模式作了一些改进,建立了10层5°×4°网格的全球海洋模式,进行了季节变化数值模拟,积分250a,取得稳定的结果.除了高纬度海洋外,模拟的季节变化与实际观测十分接近.在此基础上,作了热带太平洋海温场对热带季风异常响应的3组敏感性实验,第1组为赤道西太平洋异常西风向东传播的试验;第2组为整个赤道太平洋风应力振荡异常试验;第3组为赤道西太平洋异常西风、东风交替向东传播的敏感性试验.模拟结果表明:(1)第1组风应力敏感性实验结果揭示出,西太平洋西风异常的向东传播的风应力异常可以产生类似厄尔尼诺的赤道东太平洋变暖;(2)第2组试验结果表明,热带太平洋风应力的局地振荡首先在中太平洋东西部激发出海温扰动,然后海温扰动分别向东太平洋和西太平洋传播,从而引起东、西太平洋海温的异常;(3)第3组试验验证风应力QBO可以产生海洋中类似的QBO振荡.     

两类厄尔尼诺事件期间热带大气GILL响应分析

分析了1979—2018年两类厄尔尼诺事件期间月平均热带太平洋海面温度(sea surface temperature,SST)异常、对流降水异常、大气环流异常等特征,发现东部型、中部型厄尔尼诺期间海洋及大气加热场并不是赤道对称,赤道以南热源强度大于赤道以北。大气对热源的响应表现在:1)低层在大气热源西侧出现南、北半球热带相对应的气旋环流异常,但是赤道以南气旋的涡度大于赤道以北,且两类厄尔尼诺事件期间涡度中心的位置不同;到高层赤道中东太平洋呈现赤道对称的反气旋环流控制。2)低层热源的西侧出现西风异常,东侧为东风异常,西风异常的强度与范围明显大于东风异常,且东部型西风异常的强度大于中部型;而到高层,纬向风的风向和低层正好相反。3)低层东部型、中部型厄尔尼诺上升运动异常分别位于赤道中东太平洋和赤道中太平洋,下沉运动出现在热源东西两侧及赤道两侧5°N以北、5°S以南的热带地区;东部型到中层上升运动异常强度达到最大,而中部型到高层上升运动异常强度达到最大。4)低层东部型、中部型厄尔尼诺期间位势高度在中东太平洋为负异常,西太平洋为正异常;到高层,整个赤道中东太平洋地区均为位势高度正异常,并且在赤道两侧分别出现位势高度正异常中心,与反气旋环流涡度中心及下沉运动异常中心相对应。5)除西风异常范围大于东风异常,其他特征与赤道非对称热源GILL响应的理论计算模态基本一致。