南海西边界流时空特征初探

利用高分辨率的OFES数据,通过对中南半岛和海南岛沿岸比较有代表性的几个断面进行流速剖面分析和体积输送量计算,初步探讨了南海西边界流的时空特征.结果显示南海西边界流的季节变化特征明显:夏季向北流,冬季向南流,且冬季强于夏季.在体积输送大小上,越南沿岸流的体积输送量大小为(7.4±7.0)Sv,紧邻海南岛的沿岸流大小仅为(0.57±0.5)Sv,112.0°E以东的海南沿岸西边界流体积输送大小约为(4.8±1.9)Sv,并且常年向南流动.夏季的南海西边界流在北上到达中南半岛的东南部以后偏离岸线向东流动.随着夏季风的盛行,离岸流的流速变大,主轴发生了明显的摆动,由14.0°N移动到了10.0°N.离岸流对西边界流有着显著的影响作用.     

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。     

厄尔尼诺期间和后期南海海面温度的两次显著增暖过程

通过分析ICOADS海洋气象资料,结合ISCCP短波辐射和OISST海面温度,研究并探讨了ENSO等大尺度海气相互作用过程背景下南海海表面温度（SST）的年际变化。研究表明,南海SSTA的年际变化和ENSO关系密切,并且分为两个阶段。以增暖事件为例,在厄尔尼诺（El Nino）发生年的冬季和消亡年的夏季,南海出现了两次显著增暖。第一次增暖出现在El Nino盛期,是El Nino影响的一部分,这时南海云量减少,净太阳辐射通量增加,SST上升。第二次增暖出现在El Nino结束后的夏季,不是El Nino直接作用的结果;这时夏季风减弱,一方面使得海洋的潜热损失减少,另一方面减弱了越南东部沿岸的上升流,两者的共同作用导致SST增加。     

南海西边界强流区季节和年际变化特征

基于1951—2010年SODA海洋同化数据资料,研究分析了南海西边界强流的季节及年际变化的特征,目的是为进一步探讨南海西边界强流的季节及年际变化机理奠定基础。分析研究发现:(1)南海西边界强流空间位置、水平和垂向范围及环流形态等季节变化明显,冬季环流形态空间位置稳定,强流一般9、10月份出现并开始加强,最强出现在12月份,1月份开始逐渐减弱。强流的水平范围一般为60—110 km,垂向范围在50—200 m之间,水平和垂向范围一般随着强流的增强(减小)而扩大(缩小);夏季环流形态变化较为复杂,强流空间位置不稳定,且逐步分裂成两支,一支移至近岸,一支在离岸原中心附近,分裂过程呈现由北向南推进的趋势,近岸支强度、垂向范围季节上没有明显变化规律,但北、中和南部有差别,北部分裂不明显且流速不大,南部分裂明显且近岸支流速较大;(2)南海西边界强流存在显著的年际变化,在转换月份上,夏季形态转换月份最早为2月份,最迟则到6月份,冬季形态转换月份最早为8月份,最迟则到11月份;流量输送上,冬季最大年份的达到23.3Sv,最小的年份流量只有1.5Sv,年际最大差异20Sv以上,夏季年际最大差异幅度也有10Sv以上;利用小波能谱分析南海西边界强流在年际变化上具有两个显著的准周期振荡:36个月(3 a)和大约99个月(8—9 a);(3)在1950年至2010年61 a时间段里,南海西边界流流量体积输送总体呈现出一种缓慢增加的趋势。     

ENSO及印度洋海盆模态关联的南海SST异常年代际变化及海洋平流输送的贡献

采用国际海—气综合数据集(The International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set,ICOADS)船舶观测资料及简单海洋同化分析数据(Simple Ocean Data Assimilation,SODA),研究了厄尔尼诺(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)和印度洋海盆模态(Indian Ocean Basin,IOB)对南海海表温度(sea surface temperature,SST)影响的年代际变化,并着重讨论了不同时期海洋平流输送对SST异常的影响。结果表明,ENSO事件对南海SST的影响呈现显著的年代际变化特征;在1870~2007年期间,扣除资料较少的时期,有4个显著不同的时段,分别是1892~1915年、1930~1940年、1960~1983年、1984~2007年。在1950年之前的两个时段,南海在ENSO期间出现一次显著的增暖,而在1950年之后的两个时段中,南海出现了两次显著的增暖。除第一个时段外,其余三个时段ENSO发展期冬季大气潜热及短波辐射异常是导致南海增暖的主要原因,海洋平流作用较弱;而在最近的两个时段中,海洋平流对ENSO消亡年夏季南海增暖有重要影响。不同时段海洋平流对南海增暖贡献的差异说明ENSO及IOB对南海区域气候的影响具有明显的年代际变化特征。     

太平洋北赤道逆流年际变化的特征及其影响因子分析

采用SODA数据资料,分析了1950—2008年太平洋北赤道逆流(NECC)的年际变化特征及其与ENSO循环的联系。研究结果表明:(1)El Nio(La Nia)盛期是NECC流量由年际异常增大(减小)到异常减小(增大)的转折点;(2)NECC流轴的纬度在El Nio(La Nia)盛期达到年际异常最南(北)端;(3)NECC流轴在深度上呈西深东浅倾斜,El Nio(La Nia)盛期倾斜最弱(强)。通过构造典型ENSO循环的海表面风应力场,驱动一层半线性约化重力数值模式,结果验证了在NECC的年际变化中海表面风应力场是关键因素,而大洋波动(Kelvin波和Rossby波)和洋流本身是海洋内部的主要动力调整机制。     

北太平洋低纬度西边界流(NMK)的时空特征

利用高分辨率的长时间序列海洋模式资料OFES(OGCM for the Earth Simulator),对北太平洋低纬度西边界流的时空分布特征及其与.ENSO循环的联系进行了初步分析.结果表明:北太平洋低纬度西边界流具有明显的季节和年际变化特征.在季节尺度上,整个NMK系统都表现为春强秋弱,而在年际尺度上,NEC和K...     

由数据同化产品导出南海海表面高度的变化

根据47年月平均的海表面高度序列(SODA-Simple Ocean Data Assimilation数据同化产品),运用经验正交函数(Empirical Orthogoual Function-EOF)的方法,分析了南海海面高度的季节与年际变化.在季节变化尺度上,第一模态体现了对南海上层环流季节变化的传统认识,占有绝对比重(84%):第二模态解析了14%的方差,越南中部沿岸约11°～12°N向东的急流和上升流出现在该模态中.经13个月滑动平均过滤年变化信号后,南海海表面高度变化的前2个模态都表明与ENSO关系密切.年际变化的第一模态说明,厄尔尼诺年整个海面高度出现负异常,特别是南海暖池附近区域.研究结果似乎表明广东沿岸附近海面变化也与ENSO有关.     

夏季南海上层环流动力机制的数值研究

通过利用一个分区性的正压-斜压衔接模式来探讨夏季南海的上层环流特征及其动力机制,结果表明:夏季期间,由于风生环流的不稳定性促使在东沙群岛附近的气旋涡的强度及位置发生变化,并间接导致黑潮侵入南海北部的程度变化以及气旋涡南侧的反气旋式环流、西沙群岛西南侧的气旋涡的强度和范围出现波动现象;在南海南部的北向西边界流由于离岸的西南季风所驱动在中南半岛中部沿岸脱离岸线往东北方向的流动,导致沿岸的水体大量流失而在沿岸形成一支南向补偿流并在西沙群岛西南侧诱生一气旋涡,而上述的离岸西边界流则作顺时针方向流动,从而在南海南部形成反气旋式大环流;在南沙海槽附近出现的局地气旋涡和万安滩附近的气旋涡分别受β效应、底形效应的作用而形成.     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整Ⅰ.年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS 1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

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)。     

两个吕宋深层入流口对南海北部深层环流的影响

前人研究表明南海深层呈现显著的气旋式环流结构并伴有强的西边界流,该气旋式环流由两个入流口进入的吕宋深层入流所驱动。本文利用逆约化重力模成功模拟了南海深层环流,紧接着利用该模式设置了一系列实验探讨南北两个不同吕宋深层入流口对南海北部深层环流的影响。模式结果表明,两个吕宋深层入流口的贡献主要取决于输入的流量大小,但北入流口比南入流口对驱动南海北部深层环流更有效。当吕宋深层入流全部从北入流口进入南海时,南海深层环流和西边界流显著增强;相反地,当吕宋深层入流全部从南入流口进入南海时,南海深层环流和西边界流相应减弱,这可以用位涡守恒理论来解释。拉格朗日轨迹模型的结果进一步表明,不同吕宋深层入流口可能对南海北部沉积物输运有影响。     

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。     

全球海洋环流模式中上层海洋对表面强迫的响应和调整 I. 年际变率

利用一个较高分辨率的全球海洋环流模式在COADS1945～1993年逐月平均资料的强迫下对海温和环流场进行了模拟试验,研究了全球热带海洋(主要是热带太平洋)海温和环流场的年际变化特征及模式ENSO冷暖事件演变的控制机理.结果表明,模式成功地再现了和观测一致的海温和环流的年际变化以及ENSO演变特征.其中热带印度洋年际SST变率的主要模态表现为与ENSO相联系的海盆尺度的一致性增暖或变冷现象,次级模态为热带印度洋偶极子模态;热带大西洋的SST年际变率表现为类ENSO的年际振荡现象.在热带太平洋,SST年际变化主要表现为ENSO型,环流的年际变率表现为与ENSO相对应的热带海洋质量循环圈的年际异常.对应于暖(冷)事件,前期赤道海洋垂直环流圈显示出减弱(增强)的特征.其中南赤道流异常的位相较Nino3区海温总体要超前5个月左右的时间;赤道上翻流异常的位相在表层要超前4个月,并随时间由上至下扩展;赤道潜流的异常则显示出东传特征,其中最早的较为显著的异常发生ENSO成熟前3个月180°附近.在模式ENSO冷暖事件的演变过程中,次表层海温异常沿赤道的东传起了关键作用,模式的ENSO模态主要表现为"时滞振子"模态.     

南海贯穿流季节变化数值模拟研究

本文采用美国伍兹霍尔研究所研发的海洋-大气-波浪-泥沙输运耦合模式COAWST(Coupled Dcean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)对南海及邻近海域进行了9 km分辨率的数值模拟研究。结果表明,南海贯穿流的季节变化再现了冬强夏弱的特征,在南海内部冬季呈现气旋环流结构,夏季呈现反气旋环流结构,尤其在冬季其流轴结构更为清晰和稳定,海水从吕宋海峡进入南海,从民都洛海峡、卡里马塔海峡、台湾海峡和巴拉巴克海峡流出,吕宋海峡断面流量与其他4个海峡流量合计在数量级上相当,保持南海海水总量不变。吕宋海峡、卡里马塔海峡、民都洛海峡的流量呈现明显相关性,吕宋海峡流量增大时,民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量也相应增大,相关系数分别达到0.78和0.9。通过更适于分析中短期变化的简化绕岛环流理论,定量计算2019年吕宋海峡、黑潮和棉兰老流流量与北赤道流分叉点位置的关系,发现夏季北赤道流分叉点NECBL(North Equatorial Current Bifurcation Latitude)偏南,在13.6°N附近;冬季NECBL偏北,在15.6°N左右,同期黑潮流量减少,棉兰老流流量增加,作为南海贯穿流入流的吕宋海峡流量可达13.4 Sv。吕宋海峡输运补偿了北赤道流到达菲律宾海岸后的北向分支的流量,与棉兰老流的流量呈正相关,相关系数达到0.5361。     

南海海面高度年际变化的S-EOF分析

应用依赖于季节的经验正交甬数(S-EOF)分析,探讨了最近15a南海海面高度随季节演变的年际变化.S-EOF分析得出南海海面高度异常各模态不同季节的空间结构以及时间演变过程,证实了季风强盛期冬季和夏季基本模态的结构,还分离出了季风转换期(春季和秋季)海面高度的分布格局.结果表明,南海海面高度随季节演变的年际变化与厄尔尼诺和拉尼娜事件密切相关.S-EOF1的结果表明,南海海面高度的变化具有明显而稳定的季节振荡,但在ENSO年海面高度的季节振荡相对减弱;S-EOF2模态显示了1998-2001年间冬季吕宋岛西侧存在一个较强的正异常,且能一直持续到春季;S-EOF3模态主要体现了南海西部一系列中尺度涡状结构的年际差异,包含1997/1998年厄尔尼诺对南海环流的影响.     

北半球冬季南太平洋海表温度异常的主要模态及其与ENSO的关系

利用新版本的NOAA扩展重构的海温资料,研究了1950/1951年-2008/2009年北半球冬季(12月-翌年2月平均)南太平洋海温异常的主要模态,并探讨了海温主要模态在年际和年代际时间尺度上与ENSO的关系。研究结果表明:北半球冬季南太平洋海温变化主要存在两个模态,第1模态基本反映了南太平洋海温异常南－北的反相变化特征,第2模态基本反映了南太平洋海温异常东－西的反相变化特征。两个模态的年代际周期均比其年际周期显著,其中第1模态的主要年代际周期为11~16 a,第2模态的主要年代际周期为18~24 a。主要模态与ENSO关系的分析表明,第1模态与同期ENSO事件的关系最显著,主要显示其对ENSO的响应,而第2模态对滞后其1 a的ENSO事件存在一定的影响。为进一步研究它们的年际和年代际关系特征,分别对它们进行滤波后的分析表明,在年际时间尺度上,南太平洋海温两个主模态同ENSO事件的关系与滤波前的基本一致;在年代际时间尺度上,第1模态的年代际变化可能对ENSO的年代际变化存在一定的响应,而第2模态可能不仅对前期的ENSO事件存在一定的响应,还可能对后期的ENSO事件存在一定程度的影响作用。     

ENSO背景下南海海表温度异常的跷跷板模态

基于多种海洋气象数据,对南海海表温度距平在ENSO背景下的年际变化特征进行了分析。发现南海海表温度距平具有明显的东北-西南反向变化的跷跷板模态:在厄尔尼诺年,南海西南部以越南南部沿岸为中心有明显的升温现象,东北部特别是吕宋海峡附近有明显的降温现象,拉尼娜年份相反。分析南海海表面的净热通量收支,发现除北部较浅的沿岸海外,其对海表温度升高起抑制作用。研究显示,南海海表温度异常的跷跷板模态主要与海洋动力结构变化相关。在厄尔尼诺年,南海西南部正的风应力旋度减弱,Ekman抽吸减弱,冷水上涌减少,导致温度升高;而东北部,则可能是由于低温的吕宋贯通流增强导致的温度降低。     

南海贯穿流荷载中尺度过程能量学诊断

本文利用南海海洋再分析产品REDOS(Reanalysis Dataset of the South China Sea)和风场资料CCMP(Cross-Calibrated,Multi-Platform),通过能量诊断探讨了越南沿岸南海西边界流(南海贯穿流主体部分)区域夏季(6—9月)涡流相互作用的年际变化特征以及平均流对中尺度过程的贡献。结果显示,在季风和西边界强流、南海贯穿流的共同影响下,越南沿岸东向急流和双涡结构的能量分布和收支有显著的年际差异。尽管涡动能(EKE,Eddy Kinetic Energy)和涡动有效势能(EPE,Eddy available Potential Energy)的量级基本一致,但二者在水平和垂向空间分布上存在明显差异,这与夏季风影响下的南海西部边界流,越南离岸流的上层海洋密度梯度、流速大小和剪切导致的斜压、正压不稳定性等因素相关。同时随着深度的增加,密度梯度变化相对水平速度剪切对海洋涡流过程的影响逐渐凸显。EKE能量收支分析表明,压强与风应力主要做正功,是维持EKE稳定的主要能量来源,而EKE平流项既可以促进涡旋的增长,也会造成涡旋的消耗,对EKE的年际变率影响比较显著。正压不稳定导致的能量转换主要影响南海西部边界流区域,并存在显著年际变化,并且在风和平均流的影响下,沿贯穿流方向存在显著空间分布差异。越南离岸流正异常年,整体呈现平均流向涡旋传递能量;负异常年,出现EKE反哺平均动能的情况。     

热带不稳定波的年际变化及其与ENSO的关系

使用最优插值的1/4?逐日海温再分析资料(NOAA OISST V2.0)逐日海温资料研究了热带不稳定波(TIWs)的年际变化特征及其与厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的关系。结果表明:TIWs一般在每年的5~7月开始出现,在11~12月末或次年1月末消亡。TIWs和ENSO存在负相关关系,即在ENSO暖位相年(厄尔尼诺年),TIWs强度减弱;在ENSO的冷位相年(拉尼娜年),TIWs强度增强。进一步分析表明,在TIWs活跃的6~12月,其与ENSO存在很好的负相关,且相关性在12月最好。对TIWs和尼诺3.4区指数(NINO 3.4)海表面温度距平(SSTA)进行超前滞后相关分析,发现在TIWs超前ENSO 2~3个月时两者的相关性最显著,这意味着TIWs可能对ENSO循环具有调控作用。