热带三大洋海-气耦合主模态及其相互作用的研究进展

从地球气候系统的角度,回顾了国内外热带太平洋、大西洋和印度洋海洋-大气相互作用研究,特别是有关这三大洋海-气耦合主模态研究已取得的成就;提出了热带印度洋、大西洋在被热带太平洋“充电”的同时,如何通过大气桥“放电”,从而改变热带太平洋海洋动力过程是目前面临的重要科学问题.指出了海洋动力过程在三大洋相互作用中的重要性.     

热带三大洋海表温度和云水关系的初探

热带太平洋、大西洋和热带印度洋是全球海洋-大气相互作用最显著的海域。为了探讨热带三大洋局地海洋-大气相互作用中的某些特征,利用新的卫星遥感资料对热带三大洋的云水和海表温度(SST)异常变化进行了统计相关分析。研究发现:在赤道太平洋和赤道大西洋云水和SST二者在超前或滞后5周内都呈现明显的正相关关系,表明3个赤道海域云水和SST之间具有明显的相互作用正反馈机制;在热带西印度洋SST异常超前CLW异常一周时,正相关系数最大,SST的变化导致云水的变化;而在以较冷海水为下垫面的赤道外东北太平洋,东南太平洋以及赤道外的南大西洋海域,二者呈明显的负相关关系,云水的变化会引起SST的变化。位于菲律宾以东的热带西北太平洋区,云水量的变化引起SST的变化;而赤道东印度洋暖池区即存在云水量的增加(减少)引起SST降低(升高)的现象,也存在SST降低(升高)引起云水量的减少(增加)的现象。以上结果将为进一步理解海洋-大气相互作用,在数值模式中正确设计海洋-大气边界层参数化方案提供参考。     

利用太平洋海表温度作西北太平洋热带气旋年频数预测

本文利用1950—2000年全球月平均海表温度，计算分析海表温度与西北太平洋热带气旋频数之间的相关性，确定太平洋海表温度与西北太平洋热带气旋相关性好的海域作为预测模式的相关海区。从相关海区中选取代表格点海表温度资料构造出综合预测因子。利用综合预测因子建立一元线性和一元多项式非线性预测模式。经检验，两种模式预测效果较为理想。因此，利用太平洋海表温度与西北太平洋热带气旋频数的相关性建立预测模式作西北太平洋热带气旋频数预测是可行的。同时发现，经过以上方法建立的线性模式和非线性模式预测结果相差甚微，表明西北太平洋热带气旋频数与前一年太平洋某些海区海表温度经以上方法得到的综合预测因子之间线性相关性较为明显。     

北半球热带中太平洋与印度洋海表温度梯度对夏季西北太平洋热带气旋生成频数变化的影响

基于1951—2018年哈德里中心海温资料、美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心再分析资料和第四代欧洲中心汉堡模式, 针对1994年、2018年等西北太平洋热带气旋(TC)生成异常多的年份, 研究了引起TC增加的海表温度异常(SSTA)模态及其影响机制。结果表明, 北半球热带中太平洋增暖与印度洋变冷是夏季西北太平洋TC生成频数增加的主要原因, 北大西洋负三极型式SSTA促使TC生成的进一步增加。热带中太平洋增暖与印度洋冷却在菲律宾以东激发出西风异常和气旋性环流异常。北大西洋负三极型式SSTA在我国南海、菲律宾至东南沿岸激发出气旋性环流异常。前者在西北太平洋中部, 后者在南海产生有利于TC生成的局地环境。1994年和2018年夏季热带中太平洋出现暖SSTA、印度洋为冷SSTA、北大西洋呈现负三极型式SSTA, 西北太平洋TC生成频数极端增多。近30年来, 当出现热带中太平洋增暖和印度洋冷却时, 北大西洋表现出比1989年以前更强的负三极型式SSTA, 使西北太平洋TC生成频数和北半球热带印度洋-太平洋SSTA梯度的线性相关更显著。     

热带太平洋-印度洋上层热含量年际变化的主模态

利用多种海洋资料,采用经验正交函数分解(EOF)与合成分析等方法研究了热带太平洋-印度洋热含量年际变化的主要模态及其对应的转换过程。结果表明其第一模态对应El Nino事件成熟位相时的空间分布,即热带西太平洋和东印度洋为一冷中心,西南印度洋和赤道东太平洋为暖中心;第二模态对应着El Nino事件过渡期的空间分布,太平洋10°N附近以及赤道带为变化中心,而印度洋的变化中心主要在苏门答腊岛西部的赤道东印度洋海区。这2个模态基本刻画了ENSO循环过程中热带两大洋热含量变化的关键海区。利用合成分析结果与EOF分解结果的相似性,探讨了EOF分解前两个模态之间的转换过程,发现第一模态可能主要是通过海洋波动的传播过程调整到第二模态的,而第二模态还可以作为El Nino或La Nina事件的预报因子。此外,分析结果还表明,El Nino事件与La Nina事件对应的热含量变化并不是反对称的。     

热带太平洋-南海-印度洋海面风与海面温度年际变化整体耦合的主模态

利用COADS资料和相关分析、经验正交函数分解、奇异值分解和小波分析等方法对热带太平洋-南海-印度洋的海表面温度(SST)及海面风场(SSW)进行了研究,确定了热带太平洋、南海以及印度洋作为1个整体时海面风场及海面温度场相互作用的主模态。在把热带太平洋、南海和印度洋作为整体的情况下,研究了该模态的时空分布特征。各种方法研究均表明,该模态在热带太平洋上为ENSO模态;在热带印度洋上为对应于ENSO态的印度洋“单极型”模态;在南海则表现为整个海盆尺度上的一致型。     

热带印度洋和太平洋海气相互作用事件的协调发展

对次表层海温距平的分布和变化的分析表明,在热带印度洋和太平洋都存在海温距平的偶极子模态,即在赤道附近大洋东、西两个部分的海温距平在不少年份呈反符号分布。进一步分析表明,两大洋海温距平的偶极子模态间有密切的联系。在分析它们和850hPa纬向风距平后指出,正是Walker环流异常把两大洋的海温距平变化联系起来。     

印度洋-太平洋海表温度年际变化的联合模态

利用1870～2004年的HadiSST的月平均海表面温度(SST)资料,对去除了全球增暖趋势的印度洋-太平洋海表温度异常(SSTA)作季节经验正交函数(Season-reliant Empirical Orthogonal Function, S-EOF)分解,得到了印度洋-太平洋海表温度年际变化的2个联合模态,并且分析了与之相对应的大气环流特征.结果表明:低频的厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)是控制印度洋-太平洋的主导模态,能使赤道印度洋维持一异常反气旋性环流,削弱印度洋夏季风的作用并且将东印度洋暖池的暖水输送到西印度洋,印度洋SSTA在一年四季中都出现全海盆同号变化,因此,第一主模态是ENSO的低频模与印度洋海盆一致模的联合模态;第二模态表现为太平洋上准2 a的ENSO位相转换模与印度洋偶极子模的联合模态,ENSO的位相转换发生于春季,与季风的异常转换有关,印度洋上出现异常的气旋性环流,叠加在印度洋夏季风上,增大东西印度洋的温差,在秋季出现西低东高的偶极子型海温分布,印度洋夏季风和这个模态的产生发展有很大的联系.     

西北太平洋海表温度变化主成分分析

对西北太平洋1982—2010年NOAA系列卫星海表温度(Sea Surface Temperature,SST)产品进行月平均等处理,采用Reynolds SST月平均场对数据进行质量控制、数据融合等处理,建立高空间覆盖、长时间序列的SST场数据集。对月距平场进行经验正交函数(EOF)分解,分析时空模态特征,并将第一模态时间序列与相关气候时间序列进行比较。主成分分析结果显示西北太平洋SST存在显著的约13a周期的年代际模态和2~5a的类厄尔尼诺模态,年代际变化和西太平洋暖池的年代际振荡相似;类厄尔尼诺模态与Ni珘no-3.4区SST周期变化较为相关,并相对于厄尔尼诺具有约10个月的滞后。本研究显示,西北太平洋可能在多种不同时间尺度气候机制的控制之下。     

热带太平洋海平面高度年变化与季节内变化特征

利用小波分析方法 ,对热带太平洋 ( 30°S— 30°N ,1 30°E— 80°W ) 1 992年 1 0月 3日—1 996年 1 0月 9日期间的海平面高度资料从振荡周期、强度和传播等方面进行了全面分析。研究结果表明 ,海平面高度存在明显的年变化、5 8— 1 39天振荡和 2 9— 35天振荡。其中年变化主要存在于 0°— 1 5°N、1 35°E— 95°W ,传播不明显。 5 8- 1 39天振荡主要位于以 2 0°N和 2 0°S为中心的两个副热带区域中 (范围约为 1 6°N— 30°N、1 30°E— 1 5 0°W和 1 7°S— 30°S、1 5 0°E—1 5 0°W) ,它们向西传播 ,传播速度随纬度增高而变慢 ,在 2 0°N传播速度约为 1 0cm/s,波长约为80 0km。 90天左右的振荡具有年变化且与ElNi no事件有很好的对应关系。 2 9— 35天振荡主要存在于中东太平洋以 5°N和 5°S为中心的带状区域中 ,经度范围约为 1 60°W— 1 0 5°W和1 70°W— 1 40°W ,传播不明显。年变化、5 8— 1 39天和 2 9— 35天振荡方差占总方差的百分比分别约为 :2 0 %— 40 %、1 0 %和 1 %— 2 %。     

热带印度洋上层水温的年循环特征

通过分析多年气候月平均的Levitus水温资料,结合多年气候月平均海表面风场资料以及观测的热带印度洋上层海流的分布状况,探讨热带印度洋上层水温的时空分布特征,剖析了热带印度洋混合层深度及印度洋暖水的季节变化规律。分析表明：热带印度洋的海表面温度低值区始终位于大洋的南部,而高值区呈现明显的季节变化,冬季位于赤道附近,在夏季则处于大洋的东北部;在热带印度洋的中西部、赤道偏南海域的次表层终年存在一冷心结构;热带印度洋表面风场的季节变化是影响该海域混合层深度季节性变化的主要因素;印度洋暖水在冬、春季范围较大,与西太平洋暖池相连,而在夏、秋季范围较小,并与西太平洋暖池分开。     

北太平洋海温的遥相关型

本文研究了北太平洋海水表面温度的遥相关型,指出:北太平洋海温有3个遥相关区,分别在西风漂流区、亦道东太平洋区和阿拉斯加湾区。这3个相关区的结构十分类似于大气中的PNA结构。用赤道东太平洋和西风漂流区之间的海温差作为太平洋海温指数PTI,它能代表北太平洋65％海区的海温变化,可以作为太平洋海温场PNA结构的变化指数,用来监视剧Nino和反E1 Nino事件的发生和发展。     

太平洋延绳钓长鳍金枪鱼及渔场水温分析

根据收集到的渔获量数据、海水表层温度数据及有关文献资料,应用GIS技术对太平洋长鳍金枪鱼延绳钓渔业进行定量和定性综合分析。结果表明:太平洋延绳钓长鳍金枪鱼渔场分布范围广泛,具纬向分布特征,集中分布在30°N线附近的西北太平洋海域和~40°S之间的西南太平洋海域。对渔获产量同海表温度的分月统计显示:太平洋长鳍金枪鱼渔场最适月平均表层水温约28~29℃,渔场出现频次为偏态分布型。文中结合有关文献综合讨论了海表温度、溶解氧含量、海流等环境因子与金枪鱼渔场分布和形成机制的关系。     

热带西太平洋海水氧同位素组成特征的初步研究

根据１９９１年ＷＯＣＥ首航中从热带西太平洋采集的水样的δ＾１８Ｏ数据，论述了该海区的氧同位素组成及其分布特点。结果表明，氧同位素的平面分布在一定程度上反映了热带西太平洋表层环流的基本特征，提供了北赤道流和黑潮源地的同位素示踪物证据。此外，还对δ＾１８Ｏ值的垂直分布，断面分布，及δ＾１８Ｏ值与盐度，温度，溶解氧相互关系等进行初步探讨。     

赤道太平洋海表面温度同南方涛动和副热带高压的相互关系

本文选用1951—1986年赤道太平洋(10°S—10°N,180—85°W)海表面温度(SST)与南方涛动指数及副热带高压特征指数,重点探讨了海洋与大气之间的相互作用过程,得出了起主导作用的因素,认为与选取代表赤道太平洋平均海面温度的海区范围和选用代表南方涛动的两个气压站有直接关系。     

热带西太平洋表层水温异常的区域性特征

本文采用复经验正交函数(CEOF)对热带西太平洋1951—1986年的月平均表层水温距平进行了分析,结果发现,这一区域的水温异常包括准静止型、经向传播型和纬向传播型三个主要模态(mode),它们对总方差的贡献具有同等重要性,平均为15.5%。本文还用数字滤波和滞时相关等方法分析了各模态的准周期振荡及其与南方涛动、西太平洋副热带高压之间的相关关系。     

赤道太平洋-印度洋海洋上层海温分析

用来自美国Scripps海洋研究所的海温再分析资料,通过对1955-2001年赤道印度洋和太平洋上层0-400m的海温月平均距平分析,讨论了该两大洋海温之间的联系,得到了一些有意义的结果.赤道印度洋和太平洋虽然有马来半岛、苏门答腊岛、爪哇岛等岛屿阻隔,但海洋上层海温距平在东西方向上的分布是连续的,基本呈正负正或者负正负的分布格局,这3大冷暖中心分别位于赤道中印度洋、赤道东印度洋-西太平洋和赤道中东太平洋,正负区域的交界处分别位于印度洋80°E和太平洋160°-135°W附近,正好对应于赤道印度洋和太平洋温跃层深度的不连续处,在该不连续处赤道印度洋的温跃层深度变化大于太平洋的温跃层深度变化.在赤道印度洋和太平洋的3大冷暖中心中,赤道东印度洋-西太平洋的冷暖中心是一个系统,在太平洋它的移动路径是由赤道西太平洋出发,沿着赤道向东,到赤道东太平洋转向北,到10°N再转向西,到赤道西太平洋再转向南回到赤道西太平洋,组成一个逆时针回路;而在印度洋则是由赤道东印度洋出发,向赤道西北印度洋移动,和赤道中南印度洋组成一个逆时针回路;而且这2个移动回路是同时存在的,由赤道东印度洋和西太平洋开始分别同时完成冷暖中心交替的时间大约是10个月.     

热带东印度洋-西太平洋海域OLR季节内振荡空间分布特征

利用卫星观测的ＯＬＲ（Ｏｕｔｇｏｉｎｇ Ｌｏｎｇｗａｖｅ　 Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）候平均资料（１９７９－１９９３年）分析热带东印度洋－西太平洋海域大气对流季节内振荡的空间分布特征。发现热带东印度洋－西太平洋海域（３５°Ｎ－３５°Ｓ,７５°Ｅ－１８０°Ｅ）大气对流运动的季节内振荡在４个区域中表现较明显：（１）热带东印度洋大气对流季节内振荡信号最强,显著的振荡周期集中在６．５－１２．５候;（２）澳大利亚西北洋面季节内振荡强信号主要周期表现为９．５－１５．５候;（３）澳大利亚东北洋面振荡周期集中在６．５－９．５候和９．５－１５．５候,南半球的大气对流活动季节内振荡显著区沿１０°Ｓ呈纬向带状分布;（４）南海北部、吕宋海峡附近及日本群岛以南的西北太平洋区域。ＩＳＯ振荡周期集中在６．５－１２．５候,南海南部季节内振荡周期集中在６．５－１５．５候。     

热带西太平洋水位的年际变化与ENSO事件

根据美国ＴＯＧＡ水位中心所提供的１９７５—１９８８年水位月平均资料，分析、讨论了热带西太平洋水位的年际变化特征，特别是与ＥＮＳＯ事件有关的低水位现象。此外，还重点叙述了１９８６—１９８７年ＥＮＳＯ事件中水位沿经向和赤道剖面的变化，以及与此有关的赤道流系的变化。文中还定性地讨论了赤道开尔文波沿赤道剖面的传播特性。