热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY
2012年 第31卷 第2期: 1−6
doi:10.3969/j.issn.1009-5470.2012.02.001 www.jto.ac
收稿日期: 2010-09-26; 修订日期: 2011-01-17。孙淑杰编辑
陈宇哲基金项目: 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所)开放课题(LED0903); 国家自然科学基金项目(40676017); 中国
科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-214)
作者简介: 王宏娜(1981—), 女, 山东省乳山县人, 助理研究员, 博士, 主要从事大尺度海气相互作用研究。E-mail:******************
海洋水文学 ENSO 循环过程中次表层海洋信号的传播和变化*
王宏娜1,2, 陈锦年1,2, 刘钦燕3
1. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071;
glut42. 中国科学院海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071;
3. 热带海洋环境国家重点实验室(中国科学院南海海洋研究所), 广东 广州 510301
摘要: 利用SODA 等资料分析了热带太平洋次表层海洋要素的变化特征, 结果表明, ENSO 循环过程中次表层异常海温
百家姓图腾信号在赤道外向西传播的路径与温跃层深度的分布有一定关系, 10ºN 附近是气候平均温跃层深度的极小值区域, 温跃层在该区域形成了一个从东到西的阻隔带, 阻挡了来自赤道地区的ENSO 信号继续向北传播, 从而转向西传播; 而南半球温跃层深度的气候分布不具备这一特征, 不利于ENSO 信号在南半球的向西传播。进一步的研究还表明, ENSO 信号在整个循环过程中, 异常海温的主周期是变化的, 特别是在沿10ºN 附近向西传播的过程中, ENSO 信号的主周期变化较大。推断西太平洋暖池区域的ENSO 信号除了在循环过程中自东太平洋10ºN 传来的以外, 还受其他因素的影响, 例如局地的大气变化引起的海温异常, 以及来自中高纬度的异常海温信号等因素。
关键词: ENSO; 温跃层; 主周期
中图分类号: P731 文献标识码: A 文章编号: 1009-5470(2012)02-0001-06
Propagation and variability of subsurface oceanic signal during ENSO cycle
WANG Hong-na 1,2, CHEN Jin-nian 1,2, LIU Qin-yan 3
1. Institute of Oceanology , Chine Academy of Sciences , Qingdao 266071, China ;
2. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves , Chine Academy of Sciences , Qingdao 266071, China ;
3. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chine Academy of Sciences ), Guangzhou 510301, China
Abstract: The variability of subsurface ocean in the tropical Pacific was analyzed bad on the simple ocean data assimilation
(SODA) datat. The results indicate that the path of anomalous temperature signal transmitting to the western Pacific in an ENSO cycle has clo relationship with the depth distribution of thermocline. The climatological thermocline was very shallow along 10ºN. Therefore, the thermocline was like a ridge through the eastern to western Pacific under the a surface. As a result, the anomalous ENSO signal coming from the equator could not get across this area to the north, so the signal in the eastern Pacific could only transmit to the western Pacific along this region. On the contr
ary, the thermocline in the southern Pacific does not have such a character and could not block the signal’s propagation from the equator to higher latitude. Further rearch indicates that the signal intensity of temperature anomaly changes in the ENSO cycle, especially when the signal is transmitted from the eastern Pacific to the western Pacific along 10ºN. Except for the temperature anomaly from 10ºN in the eastern Pacific, the temperature anomaly that ultimately approaches the western Pacific warm pool was also affected by the local surface wind in the North Pacific and the temperature anomaly from higher latitude.
Key words: ENSO; thermocline; primary period
2 热带海洋学报Vol. 31, No. 2 / Mar., 2012
自1969年Bjerkness [1]提出Walker环流及El Niño发生的正反馈机制以来, ENSO现象便成为全世界科学家关注和研究的热点问题。近半个世纪来, 人们对ENSO的研究取得了诸多成果, 例如Wyrtki[2]提出的信风张弛理论、Philander[3]提出的不稳定海洋波动理论以及Suarez等[4-5]提出的延迟振子理论等, 都从不同角度给出了El Niño的负反馈机制。后来随着计算机的迅速发展, McCreary等[6]利用数值模式对ENSO进行了研究, Zebiak等[7]还利用Z-K耦合模式成功预测了1986/1987年的El Niño事件。Wang[8]分析了El Niño事件的年代际变化特征, McPhaden等[9]则强调了ENSO是一个全球性的概念,
它的变化对全球的气候变化都有重要影响。Ashok 等[10]的最新研究表明, El Niño事件的类型发生了变化, 即El Niño Modoki事件, 并初步分析了其形成机理。这些研究都使人们对ENSO的认识越来越深刻。尽管如此, 由于ENSO的复杂性, 目前对ENSO 事件进行准确的预测仍存在一些困难, 因此ENSO 循环的研究仍具有重要的科学意义。
形容深情的成语自热带海洋和全球大气计划/热带海洋大气计划[Tropical Ocean-Global Atmosphere (TOGA) Program/Tropical Atmosphere Ocean (TAO) Project]实施后, 人们对ENSO事件异常冷暖信号的起源已经达成了共识, 即ENSO过程中异常冷暖信号首先出现在西太平洋暖池次表层区域, 然后从西太平洋暖池沿赤道温跃层向东传播到东太平洋, ENSO事件爆发。后来Zhang等[11]、巢纪平等[12-13]及陈锦年等 [14-15]许多学者对不同的资料分析都表明, ENSO 事件爆发后, 东太平洋的异常冷暖信号又沿着温跃层在赤道外地区传回到西太平洋暖池区域, 为下一次ENSO事件的爆发积蓄能量, 这样形成一个ENSO循环。这些研究使得人们对ENSO有了更清楚的认识。尽管如此, 人们对ENSO异常信号在赤道外向西传播的路径问题仍没有达成共识, 目前主要有2种观点。一种观点是, ENSO循环过程中异常海温信号在南、北两半球都存在向西传播的通道, 只是在南半球的信号较弱, 如巢纪平[12]、李崇银[16]、于卫东等[17]、乔方利等[18], 他们的分析都支持这一观点, 但他们的分析大多是以1997/1998年的强El Niño事件为例进行研究的。而另一种观点是, ENSO 循环过程中的异常海温信号只在北半球存在向西传播的通道, 信号并没有在南半球向西传播。支持这一观点的学者主要有Zhang等[11], 他们利用现场观
测资料得出了这一结论; 陈锦年等[15]、孟祥凤等[19]以及赵永平等[20]其他学者也利用其他资料从不同的角度分析得到了这一结论。
前人的研究还发现, 沿10ºN向西传播的异常海温信号有时会出现强弱变化或不连续现象[13-14,17], 这些研究都是对现象的定性描述, 并没有定量地给出ENSO信号在传播过程中的变化情况。针对以上问题, 本文将对热带太平洋海洋要素进行综合分析, 探讨ENSO过程中异常信号在赤道外地区向西传播的路径及原因, 并定量地给出ENSO信号在循环过程中的变化情况。天文时间
1 资料
1)美国马里兰大学(University of Maryland)提供的1958—2007年的40层月平均海洋要素资料(Simple Ocean Data Assimilation, SODA), 水平分辨率为0.5º×0.5º。
2)美国国家环境预报中心(National Center for Environmental Prediction, NCEP) 提供的月平均温跃层深度资料(Global Ocean Data Assimilation System, GODAS), 分辨率为1º×(1/3)º, 时间是1980—2009年。
2 结果与分析
2.1 ENSO信号在赤道外的传播
ENSO循环的异常海温信号主要是沿次表层传播的[21], 即温跃层附近, 因此我们分析了ENSO循环过程中热带太平洋南北纬20度之间的温跃层曲面上海温的变化情况(此处温跃层是指气候平均20℃等温线所在的曲面), 给出了几次强El Niño事件(1982/1983、1991/1992、1997/1998)合成的温跃层海温距平分布图(图1)。从图中可以清楚地看到, 在海温正距平信号沿赤道向东传播的同时, 有海温负距平信号在北半球(8º—10ºN)向西传播, 传回到西太平洋暖池区域; 然而南半球却没有西传的海温信号。La Niña事件时, 温跃层异常海温信号的传播也具有同样的特征(即海温负距平信号沿赤道温跃层向东传播的同时, 海温正距平信号沿8º—10ºN向西传播)。
以上分析表明, 在ENSO循环过程中异常信号在北半球8º—10ºN附近向西传播, 南半球没有明显的西传现象。那么为什么ENSO信号的传播在南、北半球会存在这种差异？它是由什么原因引起的？很显然, 这一问题并不能用传统的Rossby波西传理论来解释。
附桂理中丸
王宏娜等: ENSO循环过程中次表层海洋信号的传播和变化 3
下雨了
图1 合成的El Niño事件爆发前后太平洋温跃层海温距平的分布图
a. 爆发前6个月;
b. 成熟期;
c. 爆发后6个月
Fig. 1 Anomalous temperature of the thermocline in the Pacific before and after an El Niño event. a) Six months before El Niño; b) mature pha; and c) six months after El Niño
关于这一问题, 已有学者做了相关的研究, 并取得了一定成果。例如, 孟祥凤等[19]研究指出, ENSO信号在北半球传播是由于北太平洋存在大范围的斜压或正压不稳定区域, 有利于ENSO异常信号的传播, 而南半球的不稳定区域较小, 并且局限于海盆东侧, 不利于异常信号的传播。赵永平等[20]研究表明, ENSO循环是热带太平洋混合层水体在赤道和12ºN之间的海盆内逆时针振荡的结果, 并指出这一振荡过程是由信风异常和海气耦合过程共同作用而产生的。信风异常引起散度场在赤道和12ºN 区域的反位相变化, 引起赤道和12ºN之间的温跃层深度的反位相变化, 从而产生逆时针振荡。然而信风异常不能使南半球产生与赤道相反位相的散度场, 所以ENSO异常信号在南半球只能在东边界减弱消失, 而不能向西传播。巢纪平等[22]研究指出, 由经向风引起的沿岸Kelvin波产生沿岸上升(下沉)流, 上升(下沉)流在
各纬度激发向西的Rossby波, 这些Rossby波的振幅在10ºN附近最大, 这样距平冷暖水最容易在该纬度向西传播。
可见, 不同学者对这一问题的观点各不相同。为了对这一问题有更深入的了解, 我们对ENSO循环信号所在的温跃层曲面的变化特征进行了分析。图2是热带太平洋温跃层深度的多年平均分布图。从图中可以看到, 温跃层深度在南北半球的分布存在较大差异, 它在8º—10ºN的分布特征较为独特, 主要表现为从东到西呈现带状分布的极小值区域, 在其两侧分别是南北半球的高值中心, 加上赤道东太平洋的低值中心, 构成了一个沿8º—10ºN从东向西延伸的温跃层较浅的带状区域, 这就造成了温跃层在该区域表现为向上的凸起, 并且是从东向西倾斜的。然而南半球的温跃层分布则表现为0º—20ºS 的太平洋区域是一个极大值中心, 而不是像北半球那样存在从东到西的带状浅中心。从图中我们还可以看到, 在东太平洋的赤道上, 也存在一个温跃层深度较浅的区域, 但这一浅中心的范围很小, 只延伸到150ºW左右, 这有利于ENSO期间异常冷暖信号的向西扩展。
我们知道温跃层处海水温度梯度和密度梯度都很大, 可以阻挡其上下层能量和物质的交换, 因此, 在太平洋8º—10ºN的温跃层隆起相当于在海洋内部
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图2 热带太平洋多年平均温跃层深度分布图(单位: m)
Fig. 2 Mean depth of the thermocline averaged over many years in the Pacific Ocean (units: m)
形成了一个“山脊”, 使得来自南北两侧的异常信号都很难穿过这一区域。这样来自赤道的异常海温信号到达该纬度之后, 就很难继续向北传播, 而只能沿该纬度向西传播。同样, 来自北半球向南传播的信号也很难穿过这一区域。McPhaden等[23]在研究北太平洋潜沉水向赤道传播时指出, 由于10ºN附近位势涡度的阻挡, 使得来自北半球的中纬度潜沉水在东太平洋向南传播的过程中不能穿过该纬度直接到达赤道地区, 而是沿该纬度向西传播, 到达西太平洋以后再沿西边界向南传播到达赤道地区。他的这一研究也证实了10ºN附近的海洋对南北两侧信号有阻挡作用, 因此, ENSO信号只能在该纬度向西传播。南
半球的温跃层和位势涡度的分布都不具备这一特征, ENSO信号可以一直向南传播到高纬度地区, 这与Chen等[24]研究的ENSO信号在南半球向极地传播的结果是一致的。
以上分析表明, ENSO循环信号之所以在10ºN 附近向西传播, 是由多种因素造成的, 在此我们仅从温跃层深度的分布特征进行了分析。此外大气风场、海洋流场等因素也可能对ENSO信号在10ºN的传播有一定影响。
2.2 ENSO信号在传播过程中的变化
既然ENSO信号在赤道和10ºN之间形成了一个逆时针的循环通道, 那么在ENSO循环过程中, 其信号强度是否有变化呢？ENSO循环是不是自我维持的循环呢？为了对这一问题有较清晰的认识, 我们分析了ENSO循环过程中异常海温强度的变化情况, 分别对循环通道中10ºN附近的东、中、西太平洋次表层异常海温信号进行了小波分析(图3—5)。从图3中我们可以看到, 10ºN附近东太平洋的异常海温主要表现为1—2a的周期较显著, 小波谱通过了95%的信度检验, 但该区域4—5a的周期信号并不明显。与ENSO周期比较可知, ENSO事件爆发后, 4—5a的周期信号并没有沿10ºN附近向西传播, 由此可见ENSO信号的强度在循环过程中发生了明显的变化。
图3 东太平洋10ºN附近次表层异常海温的小波分析图
a.小波能谱, 粗线为边缘效应曲线, 阴影部分通过95%信度检验;
b.小波谱, 虚线为95%的信度检验
Fig. 3 Wavelet analysis for subsurface ocean temperature anomaly at 10ºN in the eastern Pacific Ocean. a) Wavelet power spectrum, where the thick line is the curve of cone of influence and shaded areas are for greater than the 95% confidence level.
b) Global wavelet spectrum, where the dashed line is the 95% confidence level
王宏娜等: ENSO 循环过程中次表层海洋信号的传播和变化 5
我们进一步分析了中太平洋10ºN 附近的次表层异常海温的周期分布情况(图4)。从图中可以看出, 与东太平洋相似, 具有显著的1—2a 的周期信号, 其他周期没有通过信度检验。但是从能谱中我们可以看到, 与东太平洋相比, 中太平洋4a 左右的周期信号有所增加, 并且在1970—1975年通过了95%的信度检验。我们又对西太平洋10ºN 附近的次表层异常海温进行了分析(见图5), 结果表明, 其1—5a 的
周期信号都较显著, 通过了95%的信度检验, 与东、中太平洋相比, 西太平洋4—5a 的周期信号显著增强。从能谱图中可以看到, 自1970年以后, 西太平洋区域4—5a 的周期都通过了95%的信度检验。可见, 次表层异常海温在10ºN 附近从东到西的传播过程中存在明显的变化, ENSO 并不是自我维持的循环现象, 在循环过程中有其他信号的补充, 那么这些信号来自何处呢？
法人授权书图4 中太平洋10ºN 附近次表层异常海温的小波分析图
a.小波能谱, 粗线为边缘效应曲线, 阴影部分通过95%信度检验;
b.小波谱, 虚线为95%的信度检验
Fig. 4
Same as Fig. 3, except at 10ºN in the central Pacific Ocean
图5 西太平洋10ºN 附近次表层异常海温的小波分析图
a.小波能谱, 粗线为边缘效应曲线, 阴影部分通过95%信度检验;
b.小波谱, 虚线为95%的信度检验
Fig. 5 Same as Fig. 3, except at 10ºN in western Pacific Ocean
在前面的分析中, 我们提到McPhaden 等[23]的研究表明, 北太平洋中高纬度的潜沉水向南传到10ºN 附近后, 又沿该纬度向西传播, 到西太平洋再转向南传到赤道地区。另外, Yeh 等[25]研究指出北太平洋海温的年际和年代际变化超前于热带海温变化5—7a 。由此我们猜测, 这些来自中高纬度的潜沉水可能对10ºN 附近的次表层异常海温的变化有一定影响。李崇银等[21,26-27]研究指出, 热带大气的低频振荡也有明显的年际变化特征, 并且它的变化对ENSO 循环有一定影响, 这说明ENSO 循环过程中
能量的变化与上层大气的变化也有关系。此外, 我们知道10ºN 附近正好是热带辐合带(ITCZ)所在的位
置, 该区域的大气变化较为复杂, 也可能对ENSO 信号的变化有一定影响。关于大气风场和热带外海洋变化对ENSO 信号的影响, 还需要我们利用数值模式进行深入的研究, 从而对这一问题有更深的理解。
3 结论
对不同资料的海温异常变化进行的分析表明,
