太平洋次表層海溫面深度插值的應(yīng)用

太平洋次表層海溫面深度插值的應(yīng)用

1在enso循環(huán)存在的溫躍層難以追蹤1966年，bjerkne指出，elnino是太平洋和南方太平洋之間的一個相互作用事件。許多研究表明,ENSO是年際氣候變化的最強(qiáng)信號,它與大氣的相互作用以及與降水、氣溫的關(guān)系十分密切。為解釋ENSO循環(huán)的原因,Wyrtki提出了信風(fēng)張弛理論,Philander等提出了海氣相互作用的不穩(wěn)定理論,Suarez等和Graham等提出時滯振蕩子或自然振蕩子理論。Qian等在用最大次表層海溫異常來表征溫躍層變化強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,研究發(fā)現(xiàn)最大次表層海溫異常與海表溫度距平在赤道西太平洋和赤道東太平洋具有顯著的局地正相關(guān),次表層海溫異常變化信號增強(qiáng)的地方在溫躍層,ENSO循環(huán)的實質(zhì)是赤道次表層海溫異常沿海洋溫躍層由西向東演變的結(jié)果。Chao等利用美國Scripps海洋研究所聯(lián)合環(huán)境數(shù)據(jù)分析中心(JEDAC)資料獲得次表層海溫距平最大值所在的深度曲面作為溫躍層,通過分析其傳播路徑提出了ENSO循環(huán)中閉合回路的設(shè)想。于衛(wèi)東等采用JEDAC提供的上層海洋(0~400m)熱含量資料研究發(fā)現(xiàn),在ENSO循環(huán)期間,熱帶太平洋上層海洋熱含量變異是分別沿著赤道和南、北緯10°緯線以及相應(yīng)經(jīng)線組成的2個閉合路徑傳播,給出了更加細(xì)節(jié)化的ENSO循環(huán)閉合回路的結(jié)果。Zhang等和李崇銀等研究指出海洋溫躍層在ENSO循環(huán)中起著關(guān)鍵的作用,與文獻(xiàn)的結(jié)果基本一致。然而,溫躍層自身的演變規(guī)律目前尚不十分清楚,上述研究海洋溫躍層與ENSO循環(huán)關(guān)系的結(jié)果也還與實際觀測到的ENSO循環(huán)所具有的準(zhǔn)3~7年顯著振蕩周期的事實還有一定的差異,從觀測事實上并未完全揭示溫躍層的異?；顒优cENSO循環(huán)的關(guān)系。在太平洋、印度洋和大西洋的赤道地區(qū),20℃等溫線位于溫躍層中,經(jīng)常用20℃等溫線的深度作為上層海洋有效熱含量的一個度量,海洋學(xué)一般在熱帶以20℃等海溫面的深度大體表示溫躍層。因此,本文在獲得可以表征躍溫層演變的等20℃海溫深度面的基礎(chǔ)上,通過連續(xù)功率譜估計,研究熱帶太平洋地區(qū)的等20℃海溫深度面的振蕩及其傳播規(guī)律,并在其顯著振蕩周期上進(jìn)行濾波,揭示海洋溫躍層振蕩在顯著性振蕩周期帶的振蕩循環(huán)與ENSO循環(huán)的密切聯(lián)系。2數(shù)據(jù)和方法2.1月—2001年12月的海溫資料資料采用由美國Scripps海洋研究所聯(lián)合環(huán)境數(shù)據(jù)分析中心提供的1955年1月—2001年12月共564個月的海平面及其以下共11層(0、-20、-40、-60、-80、-120、-160、-200、-240、-300、-400m)5°×2°的海溫資料。研究區(qū)域為20°S~20°N,120°E~80°W。2.2濾波分析的優(yōu)越性根據(jù)任一格點上不同層次的海溫,在垂直方向上應(yīng)用樣條插值得到此格點上20℃海溫深度。對研究區(qū)域中逐個格點等20℃海溫深度進(jìn)行距平化處理,對所得距平資料進(jìn)行連續(xù)功率譜估計,求出顯著的振蕩周期。譜分析方法為具有多尺度特征的運(yùn)動過程、揭示其周期規(guī)律提供了方便。但因譜分析基于一種統(tǒng)計平均的概念,無法顯示各種尺度運(yùn)動的實際演變過程,濾波分析卻在這些方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。因此本文采用帶通濾波,保留等20℃海溫深度顯著性振蕩周期帶里的值,而把相對較高頻部分和相對較低頻部分都濾掉,這樣通過尺度分離可以突出研究等20℃海溫深度在顯著性振蕩周期帶運(yùn)動的特性及其物理過程。本文在等20℃海溫深度顯著性振蕩周期帶上采用Butterworth帶通濾波器對數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波,具體方法介紹見文獻(xiàn)。3結(jié)果分析3.1等20海溫深度面方差的年變化特征根據(jù)插值獲得的熱帶太平洋的等20℃海溫深度面的資料,繪制了年氣候平均態(tài)(圖1a)及其方差分布(圖1b)。由圖1a可見,等20℃海溫深度面的年氣候平均在赤道東太平洋地區(qū)(20°S~3°N,100~80°W)的值較大,中心值為-40m,表明溫躍層在赤道東太平洋地區(qū)較淺;而在赤道西中太平洋地區(qū)(20°S~20°N,130°E~170°W)等20℃海溫深度面的值較小,中心值為-240m,表明溫躍層在赤道西中太平洋地區(qū)較深。從西向東的等20℃海溫深度面越來越淺,深度由102m量級減小到101m量級,并在赤道東太平洋附近地區(qū)達(dá)到最淺;在西太平洋地區(qū),從南到北的等20℃海溫深度面呈現(xiàn)出“深-淺-深”的分布;在5°N附近達(dá)到最淺;而在東太平洋地區(qū),等20℃海溫深度面的分布則呈現(xiàn)出“淺-深-淺”的分布。熱帶太平洋地區(qū)的等20℃海溫深度面的春、夏、秋、冬四季氣候平均態(tài)的空間分布特征(圖略)與年氣候平均態(tài)空間分布特征基本一致,只是其深淺程度存在一定差異,突出表現(xiàn)為隨季節(jié)的不同,-40m線和-240m線覆蓋的范圍有所不同,以春季的覆蓋范圍最小。從等20℃海溫深度面方差的年變化空間分布(圖1b)可看出,其變化劇烈的海區(qū)集中在3個位置:即赤道西太平洋暖池、從西到東的整個赤道附近的太平洋海區(qū)以及南美西岸的赤道東太平洋海區(qū),其中赤道西太平洋暖池區(qū)(15~5°S,150~180°E)的等20℃海溫深度面的方差變化最大中心值達(dá)到240m。這些大值中心可能與等20℃海溫深度面的振蕩信號傳播路徑相聯(lián)系。等20℃海溫深度面方差的春、夏、秋、冬變化空間特征(圖略)與年方差空間分布特征基本一致,僅在方差變化強(qiáng)度方面存在一定差異,其中秋、冬季的方差變化值明顯大于春、夏季,這可能與ENSO事件多發(fā)生在秋、冬季有關(guān)。對比等20℃海溫深度面的春、夏、秋、冬、年氣候平均值與方差的變化空間分布特征可知,等20℃海溫深度面的氣候平均值的大值中心和方差變化中心并不一一對應(yīng),這表明20℃等溫線所在深度值的大小與變率大小并不一一對應(yīng)。3.2海溫深度面的時間分布取最大落后時間步長m為180個月,對所得熱帶海洋地區(qū)(20°S~20°N,120°E~80°W)的20℃等溫深度面進(jìn)行連續(xù)功率譜分析(圖2)。根據(jù)周期T與波數(shù)K的關(guān)系T=2m/K,由圖2可以得出等20℃海溫深度面存在準(zhǔn)7.5年(波數(shù)為4)、準(zhǔn)3年(波數(shù)為10)、1年(波數(shù)為30)和6個月(波數(shù)為60)的顯著振蕩周期,其中準(zhǔn)3~7年振蕩是除去年循環(huán)之外的最顯著振蕩周期。于是可以繪制等20℃海溫深度面相應(yīng)的準(zhǔn)3~7年顯著振蕩周期的空間分布(圖3)。圖3是將各格點在波數(shù)為10至4,對應(yīng)周期為3年、3.33年、3.75年、4.3年、5年、6年和7.5年頻段上通過信度檢驗的次數(shù)相加所得,圖中的數(shù)值愈大表示該格點在3~7年頻段上的振蕩越顯著。由圖3可以看出,大致與20℃海溫深度面的方差變化中心分布相對應(yīng),數(shù)值較大的區(qū)域分別位于赤道附近、15°N附近和10°S附近的海域。表明這些區(qū)域具有顯著的準(zhǔn)3~7年振蕩特征。3.3強(qiáng)lanina事件表現(xiàn)根據(jù)以上分析,采用Butterworth濾波器對等20℃海溫深度距平場進(jìn)行3~7年的帶通濾波,不難獲得1955—2001年南、北緯15°沿140°E(135~145°E平均)等20℃海溫深度的距平信號向北、向南傳播時間-緯度剖面、沿赤道(4°S~4°N平均)的距平信號東傳時間-經(jīng)度剖面、沿100°W(95~105°W平均)向南、向北傳播的時間-緯度剖面、沿南北緯15°(南北緯10°~20°平均)等20℃海溫深度的距平信號西傳時間-緯度剖面(圖4、5)。由圖4、5可知,首先在熱帶太平洋西界南、北緯15°附近的等20℃海溫深度距平信號向北、南傳回到赤道附近,為東傳做好準(zhǔn)備;之后在熱帶太平洋西界處的赤道附近區(qū)域,等20℃海溫深度距平信號開始快速東傳,之后沿赤道從西太平洋東傳至赤道東太平洋海域,受大洋東岸地形的影響反射為向兩極傳播等20℃海溫深度距平信號;等20℃海溫深度距平信號向兩極傳至南、北緯15°附近海域后又向西傳播回到西太平洋海域,然后傳回赤道,為下一次東傳做準(zhǔn)備,完成這一回路過程的時間大致是3~7年。為清楚起見,下面將以1986—1987年、1997—1998年發(fā)生的強(qiáng)ElNi?o和1988—1989年、1998—2000年發(fā)生的強(qiáng)LaNi?a事件為例,分析等20℃海溫深度面的振蕩與ElNi?o和LaNi?a事件的關(guān)系,在1955—2001年間發(fā)生的ElNi?o(12次)和LaNi?a(7次)事件見表1。圖4、5中深色箭頭表示負(fù)等20℃海溫深度距平信號(表示次表層為暖水)的傳播路徑,淺色箭頭表示正等20℃海溫深度距平信號(表示次表層為冷水)的傳播路徑。由圖4可以看出,在1986/1987年ElNi?o過程中,早在1984年初熱帶太平洋西界的15°N附近負(fù)等20℃海溫深度距平信號開始向南傳回赤道,為東傳做準(zhǔn)備;1984年7月起赤道西太平洋開始被暖水控制并開始沿赤道東傳,1986年7月東傳到赤道東太平洋海域并爆發(fā)ElNi?o事件,且一直維持到1987年7月左右;負(fù)等20℃海溫深度距平信號沿赤道從西太平洋東傳至赤道東太平洋海域,受大洋東岸地形的影響反射為向兩極傳播的負(fù)等20℃海溫深度距平信號,負(fù)等20℃海溫深度距平信號向兩極傳至南北緯15°附近海域后,又向西傳播回到西太平洋海域;1988年初熱帶太平洋西界的15°N附近負(fù)等20℃海溫深度距平信號又向南傳回赤道,為下一次東傳做好準(zhǔn)備。1988/1989年的LaNi?a過程中,早在1986年初熱帶太平洋西界的15°N附近正等20℃海溫深度距平信號開始向南傳回赤道,為東傳做好準(zhǔn)備;1986年10月左右起赤道西太平洋就開始為冷水控制,并開始沿赤道東傳,1988年初東傳到赤道東太平洋海域并爆發(fā)LaNi?a事件,且冷水一直維持到1989年初;1987年初正等20℃海溫深度距平信號沿赤道從西太平洋東傳至赤道東太平洋海域受大洋東岸地形的影響反射為向兩極傳播的正等20℃海溫深度距平信號,正等20℃海溫深度距平信號向兩極傳至南北緯15°附近海域后,又向西傳播回到西太平洋海域;1988年末熱帶太平洋西界的15°N附近正等20℃海溫深度距平信號又向南傳回赤道,為下一次東傳做準(zhǔn)備。同樣,在1997/1998年ElNi?o過程中,早在1992年初熱帶太平洋西界的15°N附近負(fù)等20℃海溫深度距平信號開始向南傳回赤道,1993年初起赤道西太平洋就開始為暖水控制并開始沿赤道東傳,1994年有弱的負(fù)等20℃海溫深度距平信號傳到赤道東太平洋海域并在此堆積,與1997上半年強(qiáng)的負(fù)等20℃海溫深度距平東傳到赤道東太平洋海域的信號合并后,最終爆發(fā)一次強(qiáng)ElNi?o事件,且一直維持到1998年5月左右;負(fù)等20℃海溫深度距平信號沿赤道從西太平洋東傳至赤道東太平洋海域受大洋東岸地形的影響反射為向兩極傳播的負(fù)等20℃海溫深度距平信號,其向兩極傳至南北緯15°附近海域后,又向西傳播回到西太平洋海域;1998年末熱帶太平洋西界的15°N附近等20℃海溫深度距平信號又向南傳回赤道,為下一次東傳做準(zhǔn)備。1998/2000年的LaNi?a過程中,早在1998年初熱帶太平洋西界的15°N附近正等20℃海溫深度距平信號開始向南傳回赤道,為東傳做好準(zhǔn)備;1998年初赤道西太平洋就開始為冷水控制,并開始沿赤道東傳,1998年末東傳到赤道東太平洋海域并爆發(fā)LaNi?a事件,且冷水一直維持到2000年初;1998年末等20℃海溫深度距平信號沿赤道從西太平洋東傳至赤道東太平洋海域受大洋東岸地形的影響反射為向兩極傳播的正等20℃海溫深度距平信號,正等20℃海溫深度距平信號向兩極傳至南北緯15°附近海域后,又向西傳播回到西太平洋海域;2000年末熱帶太平洋西界的15°N附近正等20℃海溫深度距平信號又向南傳回赤道,為下一次東傳做好準(zhǔn)備。圖5a~5d中箭頭也清楚呈現(xiàn)出南半球1986—1987年、1997—1998年發(fā)生的兩次強(qiáng)ElNi?o事件和1988—1989年、1998—2000年發(fā)生的兩次強(qiáng)LaNi?a事件時等20℃海溫深度面振蕩傳播的回路,只是北半球3~7年振蕩傳播的回路更清楚些。由上述分析可發(fā)現(xiàn),在ElNi?o(LaNi?a)年的前一段時間,赤道西太平洋海域就處在暖(冷)水的控制中,只是暖(冷)水到后來才明顯東移,并且從暖(冷)水明顯東移到ElNi?o(LaNi?a)爆發(fā)期間約為3~4個月,可以得出其傳播的平均速度約為1.28~1.43m/s,這一速度與孫即霖等所得出的在赤道上振蕩從西太平洋傳播到東太平洋較深水層的水平平均速度(1.3m/s)非常接近,也與層化海洋第二斜壓模態(tài)的Kelvin波的傳播速度相對應(yīng),但這種東傳是否完全是Kelvin波過程需進(jìn)一步確認(rèn)。4等20海溫深度面存在的準(zhǔn)37年振蕩特征(1)對于全年及四季而言,等20℃海溫面在赤道東太平洋地區(qū)較淺,在赤道西中太平洋地區(qū)較深,即從西向東越來越淺,在赤道東太平洋附近地區(qū)達(dá)到最淺;在西太平洋地區(qū)從南到北呈現(xiàn)深、淺、深的分布,在東太平洋地區(qū)呈現(xiàn)淺、深、淺的分布。赤道西太平洋暖池從西到東的整個赤道附近的太平洋海區(qū)以及南美西岸的赤道東太平洋海區(qū)為方差變化的三個大值區(qū),這些方差大值中心可能與等20℃海溫深度面振蕩信號傳播路徑相聯(lián)系。(2)等20℃海溫深度面存在的準(zhǔn)3~7年振蕩是除去年循環(huán)之外的最顯著振蕩周期,其中赤道附近、15°N附近和10°S附近,這些區(qū)域的準(zhǔn)3~7年振蕩特征最為顯著。(3)負(fù)(正)等20℃海溫深度距平信號的準(zhǔn)3~7年振蕩的大致特征為:在熱帶太平洋西界的南、北緯15°附近等20℃海溫深度距平信號向北、南傳回到赤道附近,為東傳做準(zhǔn)備;之后在熱帶太平洋西界處的赤道附近區(qū)域,等20℃海溫深度距平信號開始東傳,沿赤道從西太平洋東傳至赤道東太平洋海域,受大洋東岸地形的影響反射為向兩極傳播的等20℃海溫深度距平信號,等20℃海溫深度距平信號向兩極傳至南、北緯15°附近海域后,又向西傳播回到西太平洋海域,然后傳回赤道,