西太平洋暖池區(qū)域熱狀況變化及其對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)

西太平洋暖池區(qū)域熱狀況變化及其對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)

根據(jù)最近的研究，在次熱帶太平洋的次表面上存在“異常海溫信號(hào)通道”（陳金堂等，2002）。異常海溫信號(hào)通道對(duì)整個(gè)ens循環(huán)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。而WPWP區(qū)域次表層異常海溫變化和東傳是“異常海溫信號(hào)通道”中的重要樞紐,也是導(dǎo)致ENSO循環(huán)過(guò)程的關(guān)鍵區(qū)域(李崇銀等,1999)。因此,該區(qū)域次表層的海溫異常變化將制約著ENSO循環(huán)的發(fā)生發(fā)展。所以WPWP區(qū)域次表層海溫異常對(duì)氣候的影響是不可忽視的重要因素。近年來(lái)許多學(xué)者采用不同方法和途徑分析研究WPWP區(qū)域的熱狀況,有的使用熱含量初步探討了季風(fēng)爆發(fā)以及與中國(guó)降水之間的關(guān)系(陳永利等2003;張啟龍等,2003)。由大尺度海氣相互作用理論可知,對(duì)于季風(fēng)爆發(fā)和中國(guó)降水過(guò)程與海洋表面熱狀況分布特征及其相伴隨的熱帶大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)存在密切關(guān)系。但這些工作未給出熱含量影響海洋表面熱狀況,進(jìn)而影響熱帶大氣環(huán)流的可靠證據(jù)。本文中作者試圖通過(guò)對(duì)WPWP區(qū)域熱含量變化特征與海表面熱狀況(SST)和不同深度海溫場(chǎng)的分析,探討它們之間的內(nèi)在聯(lián)系,揭示熱含量影響海溫場(chǎng)的可能機(jī)制,為深入研究海洋與大氣相互作用過(guò)程提供理論依據(jù)。1海升溫?zé)醩imilation本文的分析資料來(lái)自美國(guó)Scripps海洋研究所環(huán)境數(shù)據(jù)分析中心(JEDAC;JointEnvironmentalDataAnalysisCenter,USA)和美國(guó)Maryland大學(xué)大氣海洋科學(xué)系(SODA1.4.3;theDataSetofSimpleOceanDataAssimilation,USA)的再分析海溫和熱含量資料。本文中作者重點(diǎn)分析了西太平洋暖池(以下簡(jiǎn)稱WPWP)的熱含量、次表層海溫以及SST的變化特征,試圖給出熱含量與次表層異常海溫和SST的內(nèi)在聯(lián)系,為深入研究大尺度海氣相互作用過(guò)程提供參考。2wpwp的季節(jié)變化特征以前對(duì)WPWP的特征及其相關(guān)的研究,人們大多依據(jù)28.0℃定義的區(qū)域進(jìn)行分析(Wyrtki,1975)。作者通過(guò)對(duì)1950年以來(lái)的熱帶太平洋海溫資料進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn),采用28.0℃定義的西太平洋暖池區(qū)域出現(xiàn)與東太平洋暖池合為一體現(xiàn)象。特別是在70年代出現(xiàn)氣候突變后,在氣候平均場(chǎng)的6—8月均出現(xiàn)東、西太平洋暖池合并現(xiàn)象,這一現(xiàn)象對(duì)深入研究西太平洋暖池(或東太平洋暖池)的時(shí)空變化特征、形成機(jī)理以及對(duì)氣候的研究過(guò)程帶來(lái)不便。為了能夠從赤道太平洋暖池分離出西太平洋暖池,有時(shí)不得不加以人為限定(趙永平等,2002)。鑒于上述原因,作者在對(duì)長(zhǎng)序列(1950—2004年)熱帶太平洋海溫資料分析研究的基礎(chǔ)上,給出了WPWP的新界定,即以28.5℃等溫線所包圍的海表面區(qū)域定義為WPWP。圖1是新界定的WPWP表層海溫不同季節(jié)的變化特征。由圖1可以看出,新界定的WPWP更為客觀地反映了WPWP的變化特征,避免了由28.0℃定義的WPWP與東太平洋暖池合為一體的現(xiàn)象,同時(shí)也避免了由29.0℃定義出現(xiàn)季節(jié)變化偏小的問(wèn)題。由研究表明,新界定的WPWP在三維形態(tài)變化中,具有明顯的季節(jié)變化特征,在冬春季節(jié),WPWP經(jīng)向(南北)偏小,位置偏東,其范圍基本維持在10oS—10oN,140oE—140oW。在夏秋季節(jié),WPWP經(jīng)向(南北)變大,位置偏西,其范圍基本維持在10oS—20oN,120oE—160oW。WPWP的最大深度基本盤踞在南半球5oS,180o,多年平均最大深度基本為130m左右。根據(jù)上述分析,選取10oS—16oN,130oE—180o的范圍來(lái)表征WPWP特征,為了探討WPWP熱狀況的變化,選取了500m以淺的熱含量以及120m和溫躍層曲面上的最大異常海溫進(jìn)行分析(圖2),由圖2可以看出,WPWP區(qū)域的熱含量和次表層海溫以及溫躍層曲面上的最大異常海溫的變化基本一致。為了進(jìn)一步說(shuō)明WPWP區(qū)域熱含量與不同深度海溫之間的關(guān)系,對(duì)WPWP區(qū)域熱含量和該區(qū)不同深度的海溫場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)分析(圖3)。由圖3可知,WPWP區(qū)域熱含量與不同深度的海溫變化存在較大差異,它們之間的最大相關(guān)場(chǎng)出現(xiàn)在次表層(120—200m),在同期的最大相關(guān)系數(shù)為r=0.92(樣本n=552),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)99.9%信度檢驗(yàn)水平。而在表層,熱含量與SST的相關(guān)較弱,相關(guān)系數(shù)僅為0.3。另外,在次表層,從熱含量超前海溫變化的10個(gè)月到熱含量滯后海溫變化的10個(gè)月,相關(guān)系數(shù)均超過(guò)了99.9%的信度檢驗(yàn)水平。這一結(jié)果說(shuō)明,熱含量變化與次表層的海溫場(chǎng)之間存在顯著而穩(wěn)定的密切聯(lián)系。相反,熱含量與SST之間的聯(lián)系不太密切。為了進(jìn)一步分析WPWP熱含量與SST和次表層海溫變化之間的關(guān)系,選擇了WPWP區(qū)域的熱含量與熱帶太平洋海表面溫度和次表層海溫進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖2),WPWP區(qū)域的熱含量與熱帶太平洋海溫場(chǎng)的相關(guān)存在以西太平洋和中、東太平洋為主的正和負(fù)的相關(guān)分布特征。前者的相關(guān)關(guān)系表明,WPWP區(qū)域的熱含量主要受前期位于西太平洋SST的影響,當(dāng)SST出現(xiàn)高(低)時(shí),WPWP區(qū)域的熱含量也會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)大(小),其影響可以追遡至SST超前1年的時(shí)間。后者的相關(guān)關(guān)系表明,WPWP區(qū)域的熱含量變化與中東太平洋SST存在反位相關(guān)系。當(dāng)中、東太平洋SST出現(xiàn)高(低)時(shí),WPWP區(qū)域的熱含量會(huì)出現(xiàn)偏小(大),這種現(xiàn)象與次表層異常海溫東傳有關(guān)。值得注意的是,當(dāng)SST滯后熱含量變化時(shí),西太平洋熱含量與SST相關(guān)不顯著。上述結(jié)果表明,WPWP區(qū)域的熱含量變化主要體現(xiàn)的是次表層海溫場(chǎng)的變化,在熱帶太平洋,最大的海溫異常發(fā)生在溫躍層曲面上,因此,在熱帶太平洋次表層異常海溫信號(hào)通道(陳錦年等,2002)中,來(lái)自于北赤道流區(qū)域的異常海溫信號(hào)傳播到WPWP區(qū)域次表層時(shí),使得WPWP區(qū)域次表層出現(xiàn)異常冷(暖)海溫,從而導(dǎo)致熱含量的減少(增加)。由本文的分析結(jié)果表明,WPWP區(qū)域的SST對(duì)局地?zé)岷恳泊嬖谝欢ǖ呢暙I(xiàn)。3溫躍層對(duì)wpwp區(qū)域次表層異常海溫的時(shí)滯相關(guān)分析WPWP區(qū)域次表層異常海溫沿赤道東傳是導(dǎo)致ENSO事件的重要機(jī)制(李崇銀等,1999)。由上述分析可知,WPWP區(qū)域次表層異常海溫變化與該區(qū)域熱含量變化存在相同的變化趨勢(shì),即WPWP區(qū)域的熱含量變化特征實(shí)質(zhì)上反映了次表層異常海溫場(chǎng)的變化特征。因此,WPWP區(qū)域熱含量變化或次表層海溫場(chǎng)對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在東向傳播對(duì)ENSO的影響上。為了進(jìn)一步探討WPWP區(qū)域次表層異常海溫東傳與溫躍層變化的內(nèi)在聯(lián)系,應(yīng)用WPWP區(qū)域次表層異常海溫與熱帶太平洋溫躍層變化(20℃等深面)進(jìn)行時(shí)滯相關(guān)分析(圖略)。結(jié)果表明,在WPWP區(qū)域次表層海溫滯后溫躍層變化8個(gè)月至同期,存在較好的相關(guān)關(guān)系,同期最為顯著。這說(shuō)明WPWP區(qū)域次表層異常海溫變化主要是受溫躍層變化的影響,而在溫躍層滯后WPWP區(qū)域異常海溫的4—12個(gè)月,正的相關(guān)區(qū)域明顯沿赤道向東擴(kuò)展。當(dāng)溫躍層變化與WPWP區(qū)域異常海溫為同期時(shí),最大相關(guān)出現(xiàn)在WPWP區(qū)域,但達(dá)到99.9%信度的相關(guān)場(chǎng)位于中太平洋;當(dāng)溫躍層變化滯后WPWP區(qū)域異常海溫4個(gè)月時(shí),達(dá)到99.9%信度的相關(guān)場(chǎng)可達(dá)赤道東太平洋140oW;當(dāng)溫躍層滯后8個(gè)月時(shí),達(dá)到99.9%信度的相關(guān)場(chǎng)已東移到110oW;當(dāng)溫躍層滯后12個(gè)月時(shí),達(dá)到99.9%信度的相關(guān)場(chǎng)已達(dá)東海岸。這種相關(guān)場(chǎng)的演變過(guò)程大致用時(shí)1年。由這一相關(guān)關(guān)系可知,位于WPWP區(qū)域的異常海溫沿赤道東傳時(shí),導(dǎo)致沿赤道的溫躍層出現(xiàn)相應(yīng)的變化,溫躍層的深度變化與異常海溫東傳的時(shí)空分布相一致,無(wú)論是異常海溫還是溫躍層變化,從西太平洋暖池區(qū)域到赤道東太平洋,大約需要時(shí)間為1年左右,這一傳播速度與赤道潛流流速相當(dāng)。4試驗(yàn)結(jié)果分析為了探討WPWP區(qū)域異常海溫變化與ENSO循環(huán)之間的關(guān)系,對(duì)它們分別對(duì)其進(jìn)行小波分析,試圖給出它們的周期變化特征。結(jié)果表明,WPWP次表層海溫(80—227m)與NINO3指數(shù)變化周期基本一致,所不同的是它們的變化呈反位相關(guān)系。在50—60年代中期,存在2—3年和5—9年的周期,年代際變化特征不明顯。在60年代中期以后,周期發(fā)生了明顯變化,以3—7年的周期為主,同時(shí)也出現(xiàn)了明顯的10—13年的年代際變化周期。值得注意的是,從1958—2004年間,只有3—6年的周期通過(guò)了95%信度的檢驗(yàn)。從年際和年代際變化來(lái)看,它們存在鎖相現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)生在1982/1983,1986/1987,1990—1995和1997/1998ElNi?o事件發(fā)生年(圖略)。上述分析結(jié)果表明,在溫躍層曲面上的WPWP海溫變化與ENSO循環(huán)過(guò)程存在密切關(guān)系,WPWP次表層異常海溫影響ENSO循環(huán)過(guò)程的主要途徑是沿溫躍層?xùn)|傳,而且普遍認(rèn)為是以Kelvin波的形式向東傳播所致(李崇銀等,2000;巢紀(jì)平等,2003)。作者曾對(duì)赤道太平洋異常海溫東傳與赤道潛流之間的關(guān)系進(jìn)行初步分析(陳錦年等,2005),認(rèn)為赤道潛流變化對(duì)WPWP次表層異常海溫東傳有重要的作用。為進(jìn)一步給出赤道潛流在ENSO循環(huán)過(guò)程中的作用,選取6次ElNi?o事件(1972,1976,1982/1983,1986/1987,1991/1992,1997/1998)和6次LaNi?a事件(1970/1971,1973/1974,1984/1985,1988/1989,1998/1999),分別進(jìn)行了合成分析。在ElNi?o發(fā)生前到結(jié)束,赤道東太平洋潛流出現(xiàn)明顯變化,這種變化主要體現(xiàn)在,第一階段(ElNi?o孕育期),西太平洋暖池區(qū)域暖水堆積,潛流最大中心位于中東太平洋,潛流流速開(kāi)始增大。第二階段(ElNi?o形成期),西太平洋暖池區(qū)域的暖水開(kāi)始東傳,赤道東太平洋潛流仍保持強(qiáng)勢(shì)。第三階段(ElNi?o事件強(qiáng)盛期),位于赤道東太平洋的潛流開(kāi)始減弱。在LaNi?a事件過(guò)程中,赤道潛流的變化與ElNi?o事件過(guò)程中存在明顯差異。第一階段(LaNi?a孕育期),西太平洋暖池區(qū)域已堆積了大量冷水,中西太平洋的赤道潛流開(kāi)始加強(qiáng)。第二階段(LaNi?a形成期),赤道中西太平洋赤道潛流仍然保持較強(qiáng),且最大流速中心向赤道東太平洋擴(kuò)展和移動(dòng)。第三階段(LaNi?a事件強(qiáng)盛期),赤道東太平洋潛流較前期更為強(qiáng)盛,為下次ElNi?o事件提供條件。由上面分析結(jié)果表明,在ENSO循環(huán)過(guò)程中,除了Kelvin波的東傳作用外,沿赤道的潛流變化對(duì)異常海溫的東傳起到重要作用。至于赤道潛流和Kelvin波在ENSO循環(huán)過(guò)程中的貢獻(xiàn)占多大比重,將是今后深入研究的問(wèn)題。5wpwp的海溫特性通過(guò)對(duì)重新界定的WPWP區(qū)域熱狀況(熱含量、次表層和海表溫度)時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,探討了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系,再次論證了WPWP次表層海溫變化與ENSO循環(huán)的關(guān)系。同時(shí),進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了赤道潛流在WPWP區(qū)次表層異常海溫東傳過(guò)程中起重要作用。(1)分析研究了WPWP不同深度的海溫變化特征,進(jìn)一步證