Variation of Indo-Pacific upper ocean heat content during 2001–2012 revealed by Argo

Understanding of the temporal variation of oceanic heat content(OHC) is of fundamental importance to the prediction of climate change and associated global meteorological phenomena. However, OHC characteristics in the Pacific and Indian oceans are not well understood. Based on in situ ocean temperature and salinity profiles mainly from the Argo program, we estimated the upper layer(0–750 m) OHC in the Indo-Pacific Ocean(40°S–40°N, 30°E–80°W). Spatial and temporal variability of OHC and its likely physical mechanisms are also analyzed. Climatic distributions of upper-layer OHC in the Indian and Pacific oceans have a similar saddle pattern in the subtropics, and the highest OHC value was in the northern Arabian Sea. However, OHC variabilities in the two oceans were different. OHC in the Pacific has an east-west see-saw pattern, which does not appear in the Indian Ocean. In the Indian Ocean, the largest change was around 10°S. The most interesting phenomenon is that, there was a long-term shift of OHC in the Indo-Pacific Ocean during 2001–2012. Such variation coincided with modulation of subsurface temperature/salinity. During 2001–2007, there was subsurface cooling(freshening)nearly the entire upper 400 m layer in the western Pacific and warming(salting) in the eastern Pacific. During2008–2012, the thermocline deepened in the western Pacific but shoaled in the east. In the Indian Ocean, there was only cooling(upper 150 m only) and freshening(almost the entire upper 400 m) during 2001–2007. The thermocline deepened during 2008–2012 in the Indian Ocean. Such change appeared from the equator to off the equator and even to the subtropics(about 20°N/S) in the two oceans. This long-term change of subsurface temperature/salinity may have been caused by change of the wind field over the two oceans during 2001–2012, in turn modifying OHC.     

21世纪海上丝绸之路海洋上层热含量及热比容海平面异常变化

气候变暖背景下,全球平均海洋变暖和海平面上升显著,为人类社会的可持续发展带来巨大挑战。上层海洋热力状况是海平面变化的主导因子之一。本文围绕"21世纪海上丝绸之路"途经海区（文中简称为丝路海区）上层海洋热含量异常的区域性时空特征,分析探讨了丝路海区热比容海平面异常的时空变化、演变特征及可能影响,以期为"21世纪海上丝绸之路"海洋环境安全保障提供服务支撑。结果表明,自20世纪70年代中后期,丝路海区上层（0~700 m）海洋已明显变暖,尤其20世纪90年代中后期增暖幅度显著加大。近60年来,在丝路海区热带海洋中,西太平洋的北赤道流区及以北海域、东海黑潮流域以及南海北部和南部海区、阿拉伯海西北部海域、马来西亚西北部海域及南印度洋部分海域具有长期增暖趋势。热带西太平洋暖池区整体增暖不明显,主要与印度洋中部海域呈反位相变化,且明显受到季节和年际变化的调制。长江口附近沿岸、南海北部沿岸、中南半岛南部沿岸以及阿拉伯海西北部沿岸的近岸海域长期增暖明显,自20世纪90年代中后期,中南半岛东部和西部沿海、澳大利亚西部沿海以及我国东南沿海热比容海平面上升明显。近岸热比容海平面的季节演变对沿海地区社会和经济发展会造成一定影响。此外,东亚夏季风与东海、黄海和渤海热比容海平面的上升显著相关,同时,ENSO、太平洋年代际振荡和印度洋偶极子的发生也均与我国东南沿海和印度洋西部沿海热比容海平面上升明显关联。特别是,气候变暖情形下,各种区域性致灾因子和气候变率的协同影响会对丝路海区海岸带和沿海地区的防灾减灾与社会经济发展带来较大挑战,开展海岸带和沿海地区全球变化综合风险研究成为当前首要任务。     

中国云南冬季降水与典型海域热含量的关系

利用GODAS月平均海温资料、NCEP/NCAR再分析资料和云南30站月平均降水数据,分析了云南冬季降水的分布特征,研究了1980—2011年期间海洋热含量与云南冬季降水的关系,并对可能影响途径进行了探讨。计算热含量时,采用分层计算并且逐层求相关的方法,找出与降水的最大相关区域及深度。结果表明:赤道太平洋暖池区11、12月上层150 m热含量与同年云南冬季降水呈超前显著负相关,赤道太平洋中部4—6月上层80 m热含量与同年冬季降水呈超前显著正相关,赤道东太平洋10、12月130—230 m热含量与同年冬季降水呈超前显著正相关,这种分布形态与赤道潜流有关;南大洋关键区90—650 m热含量与同年冬季降水全年呈现超前显著负相关。云南降水受La Nia和El Nio年的影响,La Nia年云南降水偏少。赤道太平洋地区的热含量通过Walker环流和Hadley环流的共同作用,对云南降水产生影响。     

基于再分析数据的南大西洋上层海洋热含量变化研究

南大西洋在地理上连接着北大西洋、南大洋和印度洋。通过环流输运或海表温度变化,该海域的上层海洋热含量(OHC)的变化可能对与之相连的各个洋盆间的再分布产生影响。本文基于1958—2015年的ORAS4全球海洋再分析数据和中国科学院大气物理研究所的格点海温数据集,利用经验正交函数(EOF)分析、相关分析等方法,分析了南大西洋上层海洋不同积分深度(0~100 m,0~300 m,0~500 m,0~700 m)OHC的时空变化特征。EOF第一模态显示,过去60 a来,南大西洋上层700 m存在一个洋盆尺度的变暖趋势,而且随着热含量积分深度的增加,第一模态所解释的方差占比也明显增加。OHC变化EOF第一模态与以年际变化为主的NAO和ENSO指数相关性很低,而与代表较长时间变率的AMO和PDO指数却有较好相关性,且与AMO的相关性随着积分深度的增加而提高。超前滞后相关分析显示AMO滞后南大西洋OHC变化9~12 a,显示南大西洋OHC变化对北大西洋气候变化的潜在影响。南大西洋OHC变化EOF第一模态与PDO之间相关性随着积分深度的增加而降低,显示PDO对OHC的影响主要在表层。另外发现整个洋盆的热含量变化与温跃层变化呈正相关,热含量的变化反映温跃层的动态波动。     

热带西北太平洋0~300 m热含量的年代际变化

太平洋是海表温度年际变化和年代际变化发生的主要区域,但对太平洋海洋热含量变化的研究相对较少。为此, 本文分析了1980—2020年太平洋上层(0~300 m)热含量的时空变化特征。基于IAP数据,本文首先利用集合经验模态分解法(EEMD)提取不同时间尺度的海洋热含量信号,并利用正交经验分解法(EOF)对不同时间尺度的海洋热含量进行时空特征分析,得到了太平洋0~300 m海洋热含量的年际变化、年代际变化以及长期变暖的时空特征。结果表明,除了年际变化之外,热带西北太平洋上层热含量还存在明显的年代际变化和长期变暖趋势。在东太平洋和高纬度西太平洋,热含量的年代际变化特征并不突出。热带西北太平洋热含量的年代际变化在1980—1988年和1999—2013年较高,而在1989—1998年和2014—2020年期间较低。此外,针对热带西北太平洋热含量的经向、纬向和垂向特征分析,发现这种年代际变化主要发生在5°N—20°N,120°E—180°E,次表层50~200 m范围内。热带西北太平洋热含量的年代际变化对全球海表温度的年代际变化有着重要作用。     

西北太平洋热带气旋与上层海洋热含量的关系

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海温资料和Unisys Weather的热带气旋资料,研究了1960-2008年期间北太平洋上层150 m的热含量分布特征及其与西北太平洋热带气旋发生频次的关系。考虑了纬度的变化对热含量的影响后,北太平洋热含量的高值中心位于10°N左右,与上层海温结构相符,计算结果更加符合物理意义。北太平洋热含量与西北太平洋热带气旋频数年际相关性研究表明在北太平洋中高纬度大洋内区和赤道东太平洋热带不稳定波发生区呈现出前期冬季正相关性。此相关性存在显著年代际的变化,在1970-1975年和1984-2008年期间最强,1976-1983年期间较弱。在北太平洋中高纬度大洋内区,同期春夏秋季同样存在强正相关。在西太平洋暖池区,同期秋季负相关最为显著。赤道中太平洋区域在夏季呈显著的正相关,秋季减弱。赤道东太平洋海域的相关性前期冬季负相关最为显著,春季负相关性减弱,夏季和秋季无显著相关。     

CMPI5多模式对南海上层海洋热含量的模拟比较

Seventeen models participating in the Coupled Model Intercomparison Project phase 5（CMIP5） activity are compared on their historical simulation of the South China Sea（SCS） ocean heat content（OHC） in the upper 300 m. Ishii＇s temperature data, based on the World Ocean Database 2005（WOD05） and World Ocean Atlas 2005（WOA05）, is used to assess the model performance by comparing the spatial patterns of seasonal OHC anomaly（OHCa） climatology, OHC climatology, monthly OHCa climatology, and interannual variability of OHCa. The spatial patterns in Ishii＇s data set show that the seasonal SCS OHCa climatology, both in winter and summer, is strongly affected by the wind stress and the current circulations in the SCS and its neighboring areas. However, the CMIP5 models present rather different spatial patterns and only a few models properly capture the dominant features in Ishii＇s pattern. Among them, GFDL-ESM2 G is of the best performance. The SCS OHC climatology in the upper 300 m varies greatly in different models. Most of them are much greater than those calculated from Ishii＇s data. However, the monthly OHCa climatology in each of the 17 CMIP5 models yields similar variation and magnitude as that in Ishii＇s. As for the interannual variability, the standard deviations of the OHCa time series in most of the models are somewhat larger than those in Ishii＇s. The correlation between the interannual time series of Ishii＇s OHCa and that from each of the 17 models is not satisfactory. Among them, BCC-CSM1.1 has the highest correlation to Ishii＇s, with a coefficient of about 0.6.     

Upper ocean heat content and atmospheric anomaly fields in the off-equatorial North Pacific related to ENSO

We have investigated interannual-scale variations of oceanic and atmospheric anomaly fields, such as upper ocean heat content (OHC), sea surface temperature (SST), latent heat flux (LHF) through the sea surface, sea level pressure (SLP) and wind stress curl (WSC) in the tropical Pacific and their relationships to El Niño/Southern Oscillation (ENSO) events. The results reported here show that the OHC and SST anomalies are almost in phase and lead LHF anomalies in the western tropical Pacific (WTP) region, which are preferable to the generation of subsequent atmospheric anomalies in the WTP. We also describe linear relationships between the amplitudes of these variables in the WTP. In addition, the results show that the both WSC and LHF anomalies are in phase with the temporal trend of OHC anomalies in the WTP, and suggest a combined effect of the local WSC and LHF anomaly in the WTP and ENSO-related, off-equatorial, westward propagating OHC anomaly to generate a large OHC anomaly in the WTP. In contrast to the WTP, OHC and SST anomalies are not in phase to the east of the WTP. The results also indicate that OHC anomalies in the WTP have a potential effect on the generation of an equatorial OHC anomaly via both a reflection of waves at the western boundary and atmospheric variations, which force the enhancement of western equatorial OHC anomaly. Therefore, the WTP is a key region where ENSO events are significantly modulated, and OHC anomalies in the WTP play an important role in the subsequent ENSO event.     

西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量初步研究

基于2001年1月～2014年7月期间的Argo温盐剖面资料,利用循环平稳经验正交函数（CSEOF）分解、最大熵谱分析和相关分析等方法,研究了西太平洋暖池海域上层海洋热盐含量的空间分布、季节和年际变化特征,并探讨了其影响机制。结果表明,暖池海域近表层与次表层热含量逐年变化呈反位相变化模态,同样盐含量变化趋势也不尽相同。无论热含量还是盐含量,都存在着明显的季节和年际变化。CSEOF分析表明,暖池海域热含量第一模态空间场具有显著的东—西反相位年际振荡,盐含量第一模态则呈正-负-正的三极子模态,但时间序列显示,热含量在2007年以后经过3次位相调整,而盐含量2007年以后只经过一次位相调整,且这种年际变化都与ENSO事件有关,且热含量相比于盐含量受ENSO影响更大。El Niño期间,暖池海域西部热含量减少, 东部增加,La Niña期间则相反;研究海域南北部盐含量在El Niño期间增加,中部（暖池高温中心）减少,La Niña期间则相反;进一步分析表明,热含量变化主要受到局地风场以及纬向流的影响,而盐含量变化则受淡水通量和纬向流的影响。     

全球变暖背景下最近40年太平洋海面高度和热容量变化数值模拟

用Non-Boussinesq POP模式和1960—1999年NCEP的1 000hPa大气温度和风场资料,模拟了最近40a太平洋海面高度和热容量的变化,通过与实际观测结果比较,得出模拟结果可信的结论,并且得到了如下有意义的结果。1960—1999年由热膨胀引起的太平洋海面高度平均以0.5mm.a-1的速度上升,如果在此之后假设全球气温不再升高,由于海洋特别是深海还没有达到平衡,在未来282a太平洋深海继续增温导致平均海面高度还将以0.15mm.a-1的速度上升。1960—1999年太平洋海面高度平均变化率的水平分布显示,最大的下降率在热带中西太平洋,为7mm.a-1;最大的上升率在热带东太平洋,为8mm.a-1左右;中纬度太平洋中部海面高度是下降的,下降率1mm.a-1左右;另外在南半球的中太平洋南部海面高度也是下降的,下降率小于1mm.a-1,而在太平洋沿岸则基本上是上升区域;中国沿海海面高度的上升率为1.0mm.a-1左右,它相对于东太平洋沿岸的上升率要小很多。太平洋热容量从海表向下传播的速度是由快变慢的,到170m再由慢变快,到500m达到最快,在500m深度以下又逐渐变慢;在大多数情况下,El Ni o年份整个太平洋的热容量是比较高的,而La Ni a年份的热容量则比较低。