西太平洋暖池海溫的時空變化及其機理

西太平洋暖池海溫的時空變化及其機理

自20世紀(jì)80年代以來，由于ens循環(huán)過程對世界氣候變化產(chǎn)生了重大影響，人們非常重視ens循環(huán)過程。隨著熱帶太平洋大尺度海氣相互作用研究的不斷深入,人們注意到在ENSO循環(huán)過程中的暖(ElNi?o)冷(LaNi?a)事件的發(fā)生、發(fā)展與西太平洋暖池有著密切聯(lián)系。自此,西太平洋暖池成為又一研究熱點。例如中美海洋和氣象學(xué)家們聯(lián)合開展了為期6年(1985—1990)的“熱帶西太平洋海氣相互作用研究”就是很好的例證。熱帶西太平洋和東印度洋常年維持著28—30℃的高溫,比赤道東太平洋的水溫高出3—9℃。因此,該區(qū)的水溫異常變化將制約著亞太區(qū)域乃至全球的氣候變化(Kuriharaetal,1986;Kurihara,1989;黃榮輝等,1994),尤其是會導(dǎo)致重大自然災(zāi)害的形成(黃榮輝等,2002)。所以,西太平洋暖池區(qū)域海溫異常對氣候的影響是不可忽視的重要因素。自20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外學(xué)者對于ENSO形成的機理進行了深入的研究,并取得了較大進展先后提出了多種理論和學(xué)說,其中得到公認(rèn)的有信風(fēng)張弛理論(Wyrtki,1975)、不穩(wěn)定海洋波動理論(Philanderetal,1984)、延遲振子理論(Suarezetal1988;Neelin,1991),近年來提出的信號通道概念(陳錦年等,2002,2003)也得到了許多學(xué)者的認(rèn)可。這些理論的提出使人們對ENSO循環(huán)機制的認(rèn)識不斷加深。特別是在近年來的研究表明,WPWP次表層異常冷(暖)海溫的變化及其沿赤道東傳是導(dǎo)致ENSO循環(huán)的重要機制(李崇銀等,1999),因此,西太平洋暖池的變化將是維系ENSO循環(huán)的重要紐帶。本文中作者將利用分辨率較高的SODA資料,全面分析西太平洋暖池海溫的時空變化特征,探討其變化機理,并進一步分析西太平洋暖池在ENSO循環(huán)中的作用,為我國乃至全球氣候變化的研究提供理論參考。1氣候突變對wpwp海溫場的影響為了了解WPWP海溫場在不同深度上的變化特征,作者給出了WPWP(130oE—180o,10oS—10oN)不同深度上海溫距平的變化曲線。由圖1可以發(fā)現(xiàn),WPWP區(qū)域海溫場具有明顯的年際變化特征。在不同深度的海溫變化過程中,表層的異常海溫變化振幅最小(-0.7℃和0.5℃之間),隨著深度的增加,異常海溫變化振幅增大,120—170m處達(dá)到最大(-5.0℃和3.7℃之間)。隨著深度的繼續(xù)加深,異常海溫變化振幅又開始減小。另外,還可以看出,在WPWP的SST和465m處具有明顯的增溫趨勢,而次表層(120—170m)海溫則顯示出明顯的降溫趨勢。由傾向方程可知,在1958—2004年共47年中,WPWP區(qū)域的SST升高了0.15℃,隨著深度的加深,海溫升高趨勢逐漸減小,在57m深度上的海溫只升高了大約0.05℃。隨著深度的繼續(xù)增加,海溫開始降低,在深度為148m處的海溫降溫達(dá)到最大,其降溫幅度可達(dá)-0.72℃。但在465m處的海溫場又出現(xiàn)了增溫現(xiàn)象,其增溫幅度達(dá)0.14℃,增溫幅度與表層海溫相當(dāng)。這可能是由于全球氣候變暖伴隨的海溫場也變暖引起的,而次表層的降溫可能是由于80年代以后ENSO事件的發(fā)生頻率和強度都明顯增加,使得WPWP次表層向東傳播的能量增多,從而使其自身溫度降低。然而造成這種現(xiàn)象的真正原因以及其中的機理問題還需要進一步的研究。研究表明,20世紀(jì)70年代末至80年代初,經(jīng)歷了一次全球范圍的氣候突變(符淙斌,1994)。那么在這種氣候突變的背景下,對ENSO循環(huán)過程有著重要貢獻(xiàn)的WPWP區(qū)域的次表層海溫場是否也會發(fā)生相應(yīng)的突變現(xiàn)象？為此,作者取WPWP區(qū)域異常海溫變化最為顯著的溫躍層(120—170m)附近的海溫場,應(yīng)用Mann-Kendall法對其進行突變檢驗。結(jié)果表明,WPWP區(qū)域的海溫場在20世紀(jì)70年代末(1979年)也出現(xiàn)了明顯的突變過程(圖2),這一突變過程與北太平洋海溫和暖池面積的躍變過程相一致(于淑秋等,1997;趙永平等,2002),與氣候突變過程發(fā)生的時間相吻合。為了探討WPWP區(qū)域垂向海溫場在突變前后的變化特征,作者對WPWP區(qū)域海溫場突變前后的變化進行了對比分析。圖3給出了WPWP不同深度的氣候突變前(1958—1979)后(1980—2004)海溫的變化差異。由圖3可以清楚地看出,在表層至465m的垂向深度上,海溫場出現(xiàn)明顯的變化,在氣候突變后的表層海溫出現(xiàn)增溫趨勢,而在70m以深,海溫出現(xiàn)明顯的降溫過程,在150—170m降溫最為顯著,最大降溫可達(dá)-1.15℃。在300m以深,異常海溫又開始增溫,到465m處的增溫可達(dá)0.1℃以上。這一結(jié)果與Sun等(2006)提出的第二斜壓模態(tài)結(jié)果相一致。WPWP區(qū)域出現(xiàn)這種強烈的海溫異常變化過程可能與氣候突變存在密切關(guān)系,其機制目前尚不完全清楚,仍需要進一步深入研究。但這一現(xiàn)象恰好與20世紀(jì)80年代前后ENSO發(fā)生強度和頻率變化相對應(yīng)。2wp區(qū)域海上溫場和ens循環(huán)2.1異常海溫nino3—WPWPSST和次表層海溫變化與ENSO的關(guān)系為了進一步探討上述WPWP上層海溫和次表層海溫對ENSO的貢獻(xiàn),作者對其分別進行小波分析(圖略)。結(jié)果表明,WPWP次表層海溫(80—227m)與NINO3的海溫變化周期基本一致,所不同的是它們的變化呈反位相關(guān)系。從WPWP區(qū)域次表層海溫的周期變化來看,在1958—1960年代末,存在2—3年和10—13年的周期,但后者相對較弱。在1970年以后,周期發(fā)生了明顯變化,以3—7年的周期為主,同時也出現(xiàn)了相對明顯的10—13年的年代際變化周期。特別指出的是,在1980年以來,其3—7年的周期明顯加強,10—13年的周期也存在類似的變化特征,但仍未通過95%信度檢驗。另外,從年際和年代際變化來看,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)生期間。NINO3異常海溫的周期變化與WPWP區(qū)域次表層海溫周期具有相同的變化趨勢。由小波分析可知,WPWPSST的周期變化與NINO3和WPWP次表層海溫的周期明顯不同(圖略)。在1960年中期以前,其周期主要發(fā)生在4—6年的頻段上,其后4—6年周期變?nèi)?出現(xiàn)了2—5年的周期。該周期維持到80年代中期,之后又恢復(fù)到4—6年的周期。綜上所述,WPWP次表層海溫和NINO3的海溫變化周期基本一致,而WPWPSST與次表層海溫和NINO3的海溫變化周期存在較大差異。根據(jù)小波分析的結(jié)果,應(yīng)用帶通濾波技術(shù)提取了WPWP和赤道東太平洋(150o—90oW;5oS—5oN)海溫3—7年和10—13年年際和年代際兩個頻段上的信息,后者年代際變化未通過95%信度檢驗,本文中暫不作分析。由圖4可以清楚地看出,WPWP區(qū)域次表層海溫的3—7年周期的信號非常顯著,自上世紀(jì)50年代以來,顯著的冷(暖)海溫主要發(fā)生在次表層(50—250m),而最大冷(暖)海溫恰好對應(yīng)于ENSO循環(huán)過程中的(ElNi?o)(LaNi?a)事件。值得注意的是,隨著時間的變化WPWP區(qū)域異常海溫變化強度也出現(xiàn)了較為顯著的變化,以WPWP海溫突變前后的表現(xiàn)最為突出,突變后的變化強度明顯較突變前加強。對應(yīng)圖5可以看出,位于赤道東太平洋異常冷(暖)海溫的最大變化發(fā)生在50—100m之間,突變前的異常冷(暖)海溫變化信號較弱,突變后的異常冷(暖)海溫變化信號較強。這一變化過程與WPWP區(qū)域不同深度上的海溫變化有著相同的變化趨勢。所不同的是,它們之間存在反位相的變化特征。另外,赤道東太平洋異常海溫變化的深度淺于WPWP區(qū)域。值得注意的是,位于WPWP區(qū)域和赤道東太平洋的最大異常海溫信號變化的深度恰好出現(xiàn)在溫躍層曲面上。2.2epoi與太平洋海溫場的相關(guān)性根據(jù)小波分析可知,在赤道太平洋溫躍層曲面上的WPWP海溫與赤道東太平洋區(qū)域海溫變化的周期相吻合。為了探討它們內(nèi)在的聯(lián)系,作者選取了可以表征WPWP次表層海溫變化特征區(qū)域(150o—170oE,5oS—5oN)溫躍層曲面上(選取20℃等溫線深度所在層面為溫躍層曲面)的海溫平均值與熱帶太平洋溫躍層曲面上的海溫場進行相關(guān)分析,結(jié)果表明,WPWP區(qū)域溫躍層曲面上的海溫平均值不僅與其周圍的海溫存在密切的正相關(guān),而且與赤道東太平洋海溫場存在明顯的負(fù)相關(guān)。這一結(jié)果表明,在赤道太平洋溫躍層曲面上也存在“蹺蹺板”現(xiàn)象(圖6)。當(dāng)WPWP區(qū)域的次表層海溫降低時,赤道東太平洋上層海溫升高;當(dāng)WPWP區(qū)域的次表層海溫升高時,赤道東太平洋上層海溫降低。這種“蹺蹺板”現(xiàn)象在ElNi?o或LaNi?a事件發(fā)生期間更加明顯。為了給出東西太平洋溫躍層曲面上異常海溫的強度變化指數(shù),作者選取了溫躍層曲面上赤道東太平洋(120o—80oW,5oS—5oN)海溫平均值與WPWP(150o—170oE,5oS—5oN)海溫平均值的差值,定義為赤道太平洋溫躍層曲面上的異常海溫強度指數(shù)(簡稱為EPOI)。其中,EEPT表示(120o—80oW,5oS—5oN)平均異常海溫,WPWPT表示(150o—170oE,5oS—5oN)平均異常海溫。將新定義赤道太平洋異常海溫強度指數(shù)與南方濤動指數(shù)(SOI)進行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩者具有非常顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。由相關(guān)分析表明,EPOI與SOI的最佳相關(guān)出現(xiàn)在前者滯后1個月,相關(guān)系數(shù)r=0.72。也就是說,當(dāng)SOI出現(xiàn)升高(降低)之后的1個月,EPOI將會出現(xiàn)降低(升高)。特別指出的是,用作者定義的EPOI能夠很好地反映出ENSO循環(huán)過程中出現(xiàn)的冷(暖)事件。3減少我國對wpwp次表層異常海溫東傳的信號上述分析研究表明,在溫躍層曲面上的WPWP海溫變化與ENSO循環(huán)過程存在密切關(guān)系,WPWP次表層異常海溫影響ENSO循環(huán)過程的主要途徑是沿溫躍層?xùn)|傳(李崇銀等,1999;陳錦年等,2002),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)。作者曾對赤道太平洋異常海溫東傳與赤道潛流之間的關(guān)系進行初步分析(陳錦年等,2005),認(rèn)為赤道潛流變化對WPWP次表層異常海溫東傳有重要的作用。為了進一步證明赤道潛流對WPWP次表層海溫東傳的作用,作者分析了赤道潛流和東太平洋海溫的關(guān)系。圖7是1958—2004年赤道潛流和赤道東太平洋溫躍層曲面上(150o—110oW)異常海溫變化曲線。由圖7可以看出,赤道潛流與赤道東太平洋溫躍層曲面上海溫變化具有顯著的對應(yīng)關(guān)系。由相關(guān)分析可知,它們的最佳相關(guān)出現(xiàn)在赤道潛流超前赤道東太平洋溫躍層曲面上海溫10個月和赤道潛流滯后4—5個月,前者最大相關(guān)系數(shù)r=0.50,后者最大相關(guān)系數(shù)r=-0.67(樣本個數(shù)n=564),其相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過99%的信度檢驗。這一結(jié)果不難解釋,當(dāng)赤道東太平洋溫躍層曲面上的海溫異常升高的前期20個月(1.5年),赤道潛流就出現(xiàn)增強的趨勢,并達(dá)到99%的相關(guān)信度水平檢驗。隨著時間的推移,兩者相關(guān)程度逐漸增強,時滯10個月后,東太平洋赤道潛流流速最強。在這期間,赤道潛流的持續(xù)增強,通過平流作用引導(dǎo)西太平洋暖池區(qū)域的異常海溫東傳,最終導(dǎo)致赤道東太平洋溫躍層曲面上的海溫場異常增溫。當(dāng)由西太平洋東傳的異常海溫信號足夠強時,即可引發(fā)ElNi?o事件。而赤道東太平洋異常正海溫信號強度達(dá)到最強時之后,赤道潛流迅速減小甚至出現(xiàn)反向,特別是在ElNi?o事件爆發(fā)期間,這種現(xiàn)象更為明顯,這一結(jié)果與TOGA/TAO實測結(jié)果相一致(陳錦年等,2005)。4兩次表層異常海溫組合(1)WPWP區(qū)域不同深度的海溫呈現(xiàn)出不同的變化特征,上層海溫出現(xiàn)增暖趨勢,而次表層異常海溫則出現(xiàn)降溫趨勢。次表層海溫異常變化振幅(-5.7℃和3.8℃之間)與NINO3指數(shù)變化振幅(-2.2℃和3.7℃之間)基本相同,而與表層海溫異常變化振幅(-0.6℃和0.7℃之間)存在較大差異。從能量學(xué)角度可以說明,WPWP區(qū)域的表層異常海溫對ENSO循環(huán)過程的影響不明顯,而次表層異常海溫東傳是導(dǎo)致ENSO循環(huán)的重要原因。(2)小波分析結(jié)果表明,WPWP區(qū)域的次表層海溫與赤道東太平洋溫躍層曲面上的