1981-1983年黑潮弯曲和埃尔尼诺事件的个例分析

在统一考虑黑潮大弯曲和埃尔尼诺事件共同存在的条件下,对水位、海水温度和风场进行了分析.结果发现,1981年黑潮发生大弯曲和1982年出现的埃尔尼诺事件均与相应风场相配合,热带风场变化不仅对黑潮变异有直接影响,而且也是判断这次埃尔尼诺事件爆发的重要依据,从而把1982-1983年的埃尔尼诺与1981-1984年的黑潮弯曲密切联系起来.     

热带西太平洋18°20′N断面上部的水团特征及其对埃尔尼诺和反埃尔尼诺的响应

笔者根据1986～1989年间中-美联合TOGA调查的CTD资料,应用模糊聚类法划分热带西太平洋中近黑潮源地(18°20′N断面)上部水域的水团,并描述它们的分布和主要特征以及其对1986～1989年发生的埃尔尼诺和反埃尔尼诺事件的响应。结果表明,该海域的1 000m以浅分布着三个水团:北太平洋热带表层水(包括黑潮表层水)、北太平洋次表层水(包括黑潮次表层水)和北太平洋中层水(包括黑潮中层水)(分别简称为NPTSW、NPSW和NPIW);它们的交界分别位于100和350m左右。在1986/1987的埃尔尼诺年,海区的温跃层明显上移,暖水量明显减少;NPTSW的垂直厚度大约减少了20m,上均匀层中的盐度略有增加,而温度则没有多大的差别。在1988/1989年发生的反埃尔尼诺事件的后期,温跃层上部的强度变弱,上均匀层则变薄,海区中的暖水量也明显减少;近海表面的盐度异常低,而温度略有降低。由此可见,不管是在1986/1987的埃尔尼诺年还是在1988/1989的反埃尔尼诺年,研究海区的暖水都减弱,也即都反映为“冷水年”。     

热带西太平洋18°20'N断面上部的水团特征及其对埃尔尼诺和反埃尔尼诺的响应

笔者根据1986～1989年间中-美联合TOGA调查的CTD资料,应用模糊聚类法划分热带西太平洋中近黑潮源地(18°20'N断面)上部水域的水团,并描述它们的分布和主要特征以及其对1986～1989年发生的埃尔尼诺和反埃尔尼诺事件的响应。结果表明,该海域的1 000m以浅分布着三个水团:北太平洋热带表层水(包括黑潮表层水)、北太平洋次表层水(包括黑潮次表层水)和北太平洋中层水(包括黑潮中层水)(分别简称为NPTSW、NPSW和NPIW);它们的交界分别位于100和350m左右。在1986/1987的埃尔尼诺年,海区的温跃层明显上移,暖水量明显减少;NPTSW的垂直厚度大约减少了20m,上均匀层中的盐度略有增加,而温度则没有多大的差别。在1988/1989年发生的反埃尔尼诺事件的后期,温跃层上部的强度变弱,上均匀层则变薄,海区中的暖水量也明显减少;近海表面的盐度异常低,而温度略有降低。由此可见,不管是在1986/1987的埃尔尼诺年还是在1988/1989的反埃尔尼诺年,研究海区的暖水都减弱,也即都反映为“冷水年”。     

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.     

热带西太平洋海－气热量交换研究

本文根据TOGA研究计划第1、2、3、8共4个航次考察结果,对热带西太平洋海-气热量交换进行了分析.结果表明,1986-1987年埃尔尼诺事件发生前,热带西太平洋海-气热量交换非常强烈,埃尔尼诺事件发生后,海-气热量交换反而减弱;在台风环流内,海-气热量交换也非常强烈.热带西太平洋对大气加热场的变化与海表面温度的变化并不一致;1986-1987年埃尔尼诺事件发生时,不但中太平洋水温异常增暖,同时西太平洋西部洋域表层水也在增暖;热带太平洋信风的加强对热带西太平洋暖池的建立和热带太平洋西风的爆发导致1986-1987年埃尔尼诺事件的发生似乎是至关重要的,西风爆发首先出现在中太平洋热带海域,然后逐渐往西扩展;西太平洋热带海域主要以潜热的方式把热量输送给大气.潜热加热效应在低纬度热带海洋上的极大值均与热带天气系统的活动有紧密联系.大气主要是从热带西太平洋洋域获得热量.     

热带西太平洋上层热结构和海流异常及其对副高的影响

本文以中美双边TOGA考察期间所获得的资料为主,说明了1986/1987年埃尔尼诺期间,热带西太平洋上层热结构和海洋环流的异常变化.讨论了这些异常变化对西北太平洋副热带高压的影响.在埃尔尼诺期间,(1)热带西太平洋东部(以165°E断面的次表层温度资料为代表),高于29℃的表层暧水沿经向扩展,使大面积的海表面出现温度正距平;(2)在热带西太平洋西部(以137°E断面的次表层温度资料为代表),表层暖水(T>28℃)的横截面积变小;表层温度出现负距平;(3)165°E断面的上层东向流增强;(4)从黑潮源地,即18°20'N以南、130°E以西至菲律宾沿岸的热带洋域向北的暖水流量变小.在这些异常变化发生时,西北太平洋低空(1 000hPa)的大气辐散加强,这有利于西北太平洋副高的加强.     

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,讨论了风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。分析结果表明,风应力涡度场、棉兰老冷涡以及北赤道流分叉位置三者之间的年际变化存在密切相关。特别是在ＥＮＳＯ期间（厄尔尼诺－南方涛动）,热带西太平洋风场的变异,导致了风应力涡度场的变化,从而致使棉兰老冷涡加强和扩张,最终引起北赤道流分叉位置北移。相反,在ＬａＮｉｎａ（反厄尔尼诺）期间,风应力涡度减弱,冷涡减弱和西缩,从而引起北赤道流分叉位置南移。     

热带西太平洋海－气热量交换研究

本文根据ＴＯＧＡ研究计划第１、２、３、８共４个航次考察结果，对热带西太平洋海－气热量交换进行了分析。结果表明，１９８６－１９８７年埃尔尼诺事件发生前，热带西太平洋海－气热量交换非常强烈，埃尔尼诺事件发生后，海－气热量交换反而减弱；在台风环流内，海－气热量交换也非常强烈。热带西太平洋对大气加热场的变化与海表面温度的变化并不一致；１９８６－１９８７年埃尔尼诺事件发生时，不但中太平洋水温异常增暖，同时西太平洋西部洋域表层水也在增暖；热带太平洋信风的加强对热带西太平洋暖池的建立和热带太平洋西风的爆发导致１９８６－１９８７年埃尔尼诺事件的发生似乎是至关重要的，西风爆发首先出现在中太平洋热带海域，然后逐渐往西扩展；西太平洋热带海域主要以潜热的方式把热量输送给大气。潜热加热效应在低纬度热带海洋上的极大值均与热带天气系统的活动有紧密联系。大气主要是从热带西太平洋洋域获得热量。     

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。     

1964—1983年西太平洋北赤道流的变化特征

据西太平洋七个经向剖面上北赤道流南北界面上20℃等温线深度差(ΔD),分析了西太平洋北赤道流的平均季节变化和年际变化。并探讨了它与黑潮、北赤道逆流及埃尔尼诺之间的关系。各剖面上的ΔD平均变化曲线表明,西太平洋北赤道流平均强度自东向西增强。从ΔD距平值的时间经度剖面图中可以得出一些有趣的结果。例如,ΔD距平向西传播,并有与埃尔尼诺事件相一致的3—4年的变化周期;当日本南部黑潮大弯曲及埃尔尼诺事件发生时,西太平洋北赤道流强度均明显减弱;但对此两种不同的现象,北赤道流的减弱又有不同的特点。     

POM模式在日本南部黑潮路径变异研究中的应用

日本南部黑潮路径变异对北太平洋地区的气候和环境具有显著的影响,对黑潮路径变异的研究具有重要的意义。本文利用POM(Princeton Ocean Model)数值模式模拟了日本南部黑潮的路径变异情况,分析了黑潮大弯曲路径形成的可能机制。研究结果表明,当黑潮处于非大弯曲路径时,相对位势涡度的平均值呈现递减趋势,说明日本南部低位势涡度水在不断积累,这样会使得四国再循环流的强度增强,迫使黑潮保持平直路径,同时,近岸黑潮垂直流速剪切增大,斜压不稳定性的作用也逐渐增大;当黑潮从非大弯曲路径向大弯曲路径过渡时,再循环流强度的减弱会导致黑潮的流速剪切减小。根据海表高度异常场以及海洋上层流场信息发现,近岸黑潮附近的气旋涡会随着再循环流区域反气旋涡的东侧向南运动,最终导致黑潮大弯曲的发生。分析涡流的能量,结果显示,黑潮大弯曲路径的形成与斜压不稳定性密切相关。     

热带海洋-大气耦合的主模态

依据1948年1月～2005年12月NCEP的海表温度(SST)和大气再分析的月平均资料,利用MCA方法,首次确定了代表全球热带海洋-大气相互作用的最主要信号的热带海洋-大气耦合主模态,该主模态随时间的变化与热带太平洋埃尔尼诺-南方涛动(ENSO)模态非常一致,揭示了该主模态包含以下海洋-大气相互作用物理过程:秋季印度尼西亚海洋-大陆区上空850 hPa出现异常的纬向风辐散和经向风辐合导致赤道东、中太平洋海温正异常,热带印度洋海温则出现东冷-西暖的—"偶极子"型异常;冬季热带太平洋出现典型的ENSO盛期对应的海洋-大气耦合型,在南海和热带远西太平洋出现低空反气旋环流异常,热带印度洋出现海盆一致增暖,而热带大西洋海温异常不明显;冬季热带太平洋和热带印度洋的SST异常可以导致春季赤道中太平洋西风异常,南海冬季风减弱,热带西北太平洋出现更明显的低空反气旋环流异常和赤道东风异常,热带西北大西洋出现西南风异常;该模态对夏季大气环流的影响主要表现为热带印度洋海盆一致模态对东亚季风的影响。     

1987及1988年夏季西北太平洋主流系和水位与大气环流关系的数值研究

用一个包括风应力项的二维绝热非线性数值模式计算分析了1987及1988年夏季北太平洋主流系和水位与大气环流的关系。将模拟的1987和1988年流场作比较可知:1987年南赤道流较弱,而北赤道逆流、北赤道流及北太平洋流较强,同时各流系位置也都偏南1—2个纬距;模拟的1987年黑潮及对马暖流也明显比1988年强。分析表明,1987年夏季南赤道流弱、北赤道逆流强的主要原因是该年东南信风弱,而北赤道流、黑潮及对马暖流较强则主要与该年12°—25°N之间较强的东风以及东海较强的南风有关。模拟结果可对管秉贤提出的夏威夷群岛附近风应力涡度与黑潮强度的统计关系给出一个动力学解释。根据1987及1988年夏季气压场及风场对比分析。可以认为1987年北赤道流、黑潮及对马暖流较强可能与1987El Nino年副热带高压较强有关。     

东北太平洋冬季风的异常与埃尔尼诺

东太平洋南美沿岸热带地区海温的经向季节性变化十分显著.冬季中高纬地区的冷水南侵,赤道北侧的暖水带南移造成暖水浸入赤道南,造成南美沿岸的海温升高.本文指出海温的季节变化受东北太平洋冬季风影响十分明显,埃尔尼诺发生年和次一年冬季,持续偏强的东北风对于冬季赤道北暖水的南浸,进而对埃尔尼诺的发生、发展和维持起着重要作用.     

北太平洋风应力与流场联合EOF的主模态分析

采用了SODA资料,将海面风应力场与大洋各层流场看作一个整体做了赤道外北太平洋风应力和流场异常的联合EOF分析,此时风应力场与各层流场有相同的时间系数,这样就可揭示海气耦合的结构和演变,这是该方法的特点和优点。得到的主要结论有:诊断得到的主模态的风应力异常体现了北太平洋大气活动中心的异常,两者关系密切;在冬、春、秋三季均表征为阿留申低压的异常,在夏季则表征为副热带高压的异常。该主模态的风应力和流场异常均是PDO模态在其上的体现,且前者处海气相互作用中矛盾的主要方面,后者处次要方面,前者起着主动作用,后者则处被动状态。主模态在四季均有明显的年际变化和年代际变化;对北太平洋风场和上层流场而言,年际变化反映了ENSO的影响,而约20a的年代际变化则反映了太平洋年代际振荡(PDO)的影响。主模态中北太平洋海盆尺度的风应力异常、大洋环流异常和上层海温的动力异常这三者具有紧密的联系,这三者的连锁作用则造成了北太平洋SSTA的PDO模态;而在此大洋环流异常则起着关键中介作用。主模态的风应力异常与黑潮系统流场的异常有紧密联系;对于明显的正(负)异常,冬、夏两季135°E以东的黑潮都偏强(弱),黑潮续流则偏弱(强);对于黑潮以南的回流涡旋,冬季则偏强(弱),夏季则偏弱(强);而ENSO和PDO对黑潮流场系统的异常均有明显影响。     

北太平洋环流与风应力场关系的初步探讨

关于东海黑潮变异的原因,管秉贤曾提出东海黑潮的变化是受北太平洋副热带上空风应力涡度的影响,即东北信风边界处的风应力场几乎控制了东海黑潮的变异.那未,如何解释这种海-气之间的遥相关呢? 本文试图通过分析大洋上空风应力场的变异引起大洋水位的升降,大洋海平面的变化导致大洋环流(北赤道流)强度的变化,进而导致近海环流(东海黑潮)强弱的变化这一海气相互作用系统,对上面提到的海-气之间的这种远距离相关关系作进一步的物理解释.     

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。     

北太平洋风应力场变异规律及其与黑潮大弯曲和El—Nino的联系

利用COADS资料,计算北太平洋(包括赤道海区)1949—1979年海表面风应力,对其距平场进行矢量场的EOF分解,得到几个主要的距平风应力模态(EOF1—3)。分析了各自的时空分布特征,分析发现,风应力距平场的EOF1和EOF2模态分别对黑潮大弯曲和E1—Nino事件有重要影响,并讨论了其影响过程,为黑潮大弯曲预报的可能性提供了依据。     

简易海洋同化数据中的厄尔尼诺现象

为研究在厄尔尼诺现象演变过程中海气相互作用的性态特征,该文再次应用拓展伴随模态分析于简易海洋同化数据(SODA data).结果表明:通过相互作用形成厄尔尼诺/拉尼娜现象的海洋与大气具有明显不同的性态,气候系统中并不存在一个相对独立的热带太平洋大气变异,但是的确存在一个相对独立的热带太平洋海洋变异;原因在于大气是底部界面受热而海洋是顶部界面受热,从而导致前者具有较后者强烈得多的斜压不稳定性和能够覆盖大部分热带太平洋的赤道辐合带; 再次证实了正是直接来自中纬度海域的西风爆发和海面风辐聚导致赤道太平洋上层海水的东向移动和经向辐聚造就了厄尔尼诺所特有的增温信号.     

ENSO十年际尺度变率的机制初探

利用太平洋次表层海温、热含量和洋表风应力等资料探讨了ENSO十年际尺度变率的可能机制。结果表明，热带西南太平洋不仅是年代际信号的显著区，同时也有可能是影响ENSO循环十年际变化的关键区。热带西南太平洋的海温暖异常经热带中太平洋东传到热带东太平洋，导致热带东太平洋产生暖的海温异常，这种海温异常进而激发了澳大利亚东部沿岸的大气，产生反气旋性风应力异常。在这种风场的作用下，其下方海水向四周辐散，使热带西南太平洋的温跃层变浅，产生负的温度异常，此后发生反位相的循环。整个循环过程所需的时间约为13a。