西太平洋暖池重心的时空变化特征分析

傅方奇，王彰贵，潘丰，尹朝晖

(1.浙江省气象台,浙江杭州，310017；2.国家海洋环境预报中心国家海洋局海洋灾害预报技术研究重点实验室，北京100081)

1 引言

西太平洋暖池(以下简称暖池)是指位于太平洋中、西部赤道两侧的一片大致呈双舌状的、全球最暖(海表温度常年超过28℃)的海区。暖池具有巨大的热含量，持续向大气提供大量的热量，是大气Walker环流和Hadley环流的上升源地[1-2]。同时，暖池的次表层海温异常可以沿赤道通过Kelvin 波向东传播，影响厄尔尼诺的发生和发展，是ENSO 循环中的重要一环[3]。卫星监测表明，最大对流中心、最大降水中心(年降水量达5000 mm)、对流层绝热加热高中心与西太平洋暖池中心的位置几乎重合[4]。总之，西太暖池的变化制约着亚洲、太平洋区域,甚至全球气候变化和某些重大自然灾害的形成与变化,对于它的研究具有重要的科学意义,是当今海洋和气象领域的重要研究课题。

关于暖池不同时间尺度的变化特征，不少科学家做过很多研究。西太暖池面积和暖池中心的季节变化与太阳辐射的季节变化密切相关。选取海域越小且越靠近暖池中心，海温季节变化越小[5]。暖池表层暖水纬向运移的年际（2—8 a）和年代际（10—16 a）变化都非常显著。表层暖水的纬向运移于1982年前后经历了一次气候跃变，跃变后暖水东界的平均位置比跃变前东移了10 个经度。这次跃变可能与全球增暖有一定联系[6-7]。

暖池与El Nino/La Nina 现象有密不可分的关系。齐庆华等[8]研究发现，西太暖池的纬向运移与ENSO 循环有着非常好的对应关系,其中在El Nino期间,暖池东扩显著;而在La Nina 期间,暖池西缩显著。同时，暖池的纬向运移具有显著的2—5 a的变化周期,与ENSO 的主周期相近。方立新等[9]认为，暖池中心位置在南北方向上几乎不受厄尔尼诺/拉尼娜现象的影响,呈单一的年周期变化。

目前对暖池范围尚无统一的定义,有些研究选择某一固定经纬度区域作为暖池范围[10-14];另外一些则采用某一海面温度阀值的等温线所包围的区域，例如28℃，28.5℃或29℃等温线[4,15-18]。此外，还有一些研究[19]尝试利用暖水体积来定义暖池范围及强度，但是这些指数都不能很好的表明暖池位置的变动。

重心是力学分析中一个重要的物理量。重心的引入大大降低了因物体形状给物体受力分析带来的困难。因此，本文将引入暖池重心的概念,以重心的方法来分析西太平洋暖池整体的时空变化特征。

2 资料与方法

2.1 资料

本文使用的全球海表温度取自英国气象局Hadley 气候预测和研究中心的逐月再分析资料，时间从1870年1月—2010年12月，共141年，资料的空间分辨率为1.0°×1.0°。Nino 3区（90—150°W，5°S—5°N）海温距平指数选自美国国家海洋环境预报中心下属气候预测中心(NCEP/CPC)的产品。.

2.2 暖池重心的定义

西太平洋暖池的年际变化范围较大，如El Nino事件期间，暖池范围明显东扩，有时28℃线可东扩到80°W 的南美沿岸，常常与位于北美墨西哥西岸近海的赤道东太平洋暖池打通。但在La Nina 事件期间，暖池范围明显西撤，28℃线可撤至日界线以西170°E 附近，暖水堆积在热带西太平洋海域。为避免将东太平洋暖池面积计入西太平洋暖池中，本文将西太平洋暖池区域取为120°E—120°W，30°S—40°N，将这个区域内海表温度大于28.0°C等温线包围的海域定义为西太平洋暖池。

利用物体重心的概念，得到暖池重心的计算公式为：

式（1—2）中，M=∬ΩT(λ,φ)r2cos φdλdφ ，λ 为经度；φ为纬度；T(λ,φ)为海表温度；γ为地球半径。

3 结果分析

3.1 暖池重心的季节变化

图1 西太平洋暖池重心的季节变化轨迹

通常取1971—2000年，30年平均海表温度作为气候值。图1 是根据上述30年计算得到的西太平洋暖池重心的季节变化。从图中可以看出，暖池重心的季节变化呈一个西北—东南倾斜的“8”字型结构。1月份，西太暖池重心位于165.7°E，4.6°S，然后往东南偏东方向移动，2月份暖池重心位于一年中最南端的位置（5.9°S）。随着的时间推移，重心继续东移，3月到达一年中的最东端（169.1°E）。然后，重心开始向西北方向移动，直至8月到达最西北端（161.6°E，9.8°N）。接着暖池重心开始往偏东方向移动，进入9月份，重心开始向南移动。重心在南北方向的变化可达16个纬度，但在东西方向的变化略小，大约8个经度。实际上，暖池重心的南北移动主要反映了地球轨道的变动引起的海洋表面太阳辐射的季节变化。一般，随着海面吸收短波辐射及海面热量净收支的增大，暖池范围扩大，随着太阳辐射和热量净收支正高值区在北半球由冬至夏向北推移，暖池重心相应北推。这个结果与周春平等[5]一致。

3.2 暖池重心的年际变化特征

图2 为西太平洋暖池重心的经度、纬度的小波分析。从图中可以看出，西太平洋暖池重心的经纬向变化周期是不一致的。重心的纬向变化存在3—5 a的年际变化和10—20 a的年代际变化，而重心的经向变化则存在3—8 a的年际变化。

图2 年平均暖池重心位置经度（a）和纬度（b）的小波分析

图3是暖池重心年均值的时间演变。从整体线性趋势来看，纬向方向上，暖池有微弱东移的趋势。19 世纪90年代至20 世纪初，重心经度值有变大的趋势，大约增大了10°，即重心东移。20世纪前10年，经度值减小，重心西移，随后经度值开始缓慢增大，重心逐渐东移。20 世纪40年代至50年代中期，经度值明显减小，大约减小了8°，重心西撤。70年代初，经度值开始明显的增大，说明重心又恢复东移趋势，直至90年代中期，大约增大了12°。

经向方向上则表现出不同的变化特征。从19世纪90年代开始，重心纬度值持续减小，重心南移，直到20 世纪20年代末，重心到达百年来的最南端。随后纬度值开始增大，重心开始北进，持续到20 世纪70年代初。接着重心重新南移。近30年来，重心在南北方向以振荡为主，没有明显的趋势变化。

为了进一步分析年际变化的空间分布特征，取1870—2010年时间段内15 个具有明显年际变化的完整周期进行合成，以重心经度值为标准。具体做法为，从波谷（即经度极小值）到下一个相邻的波谷取为一个周期，每个周期分为8 个位相。从波谷至波峰（即经度极大值）均分为1—4个位相，波锋至波谷均分为5—8 位相，然后对15 个周期中相应的位相进行合成。图4 是15 个年际变化周期合成的暖池重心空间变化图。由图可见，从第一位相开始，暖池重心一直东移，直到第五位相时到达最东边，接着开始西撤，但第八位相时重心的经度位于第一位相的北侧。需要指出的是，重心在南北方向的变化（约0.3°）远小于海温资料的分辨率，而东西方向变化很大（约12°）。

3.3 暖池重心的年代际变化特征

上节表明，暖池重心除年际变化外，还存在10-20a的年代际变化。图5为1901—2010年每10年暖池重心的分布图。可见，在最近110年里，暖池重心位置的空间变化可分为三个阶段。第一阶段：20世纪最初的前3个10年，暖池重心几乎在同一纬度上从西向东移动；第二阶段：开始于上世纪30年代，重心以北移为显著特征，60年代到达最北端（2.0°N）；第三阶段：70年代至本世纪前10年。重心迅速南跳并保持东移，本世纪前10年，重心又呈现西移。暖池重心的纬向-经向-纬向变化，其转折期出现在上世纪30年代和70年代，这与全球气候突变的时间相一致[20-21]，其内在的联系有待进一步分析。

图3 西太暖池重心经度值(a)和纬度值(b)的时间演变

图4 西太平洋暖池重心年际变化周期的空间特征 图5 1901—2010年西太平洋暖池重心位置的时空变化

3.4 El Nino 和La Nina 时期西太平洋暖池重心的分布

赤道中东太平洋海域（90—150°W，5°S—5°N）海表温度距平连续6个月大于（小于）正（负）0.5℃作为El Nino(La Nina)现象的判断指标。1950—2010年共发生13次El nino事件，15次La nina事件。图6是1950年以来，El Nino 和La Nina 发生年暖池的重心位置。可见，发生El nino 事件时，西太平洋暖池重心明显偏东，而发生La nina时，重心则显著偏西，两者重心几乎没有重合。相对重心的东西向变化，重心南北向位移幅度较小（大约1 个纬度）。暖池重心的纬向变化与ENSO 密切相关，实际上反映了赤道太平洋的纬向风异常。在El Nino年，西太平洋海域有不断的西风异常，在异常风应力的作用下，暖水向东运移,使暖池向东扩展;相反在La Nina年，中东太平洋海域东风比常年强，在东风应力驱动下，暖水在西太平洋堆积同时赤道次表层的冷水上翻，赤道冷舌加强，导致暖池向西收缩。在El Nino（La Nina）事件中,暖池重心东（西）移程度有很大差异，主要与El Nino（La Nina）事件的强弱有关。当El Nino 事件持续时间长，强度偏强时，暖池重心东移明显，反之则不明显。1997年发生的El Nino事件是记录以来最强的一次（见图6）。

3.5 暖池重心与海温强度、面积的关系

在过去的研究中，暖池区的面积（S）和海温（SST）常用来表征暖池的强度。表1 是西太平洋暖池面积、温度与重心年平均值的相关系数。可见，暖池重心的经度与暖池面积和温度正相关，均通过了99%的置信度检验，而暖池重心的纬度与面积和温度的相关均没有通过置信度检验。当西太平洋暖池重心位置偏东时，暖池强度和面积比常年偏大。由于西太平洋的西边界固定，当暖池强度和面积增大时，重心只能往东位移，因此暖池重心的经度与暖池面积存在正相关是合理的。

图6 El Nino（红色）和La Nina（蓝色）发生年西太平洋暖池的重心位置分布（距平）

表1 西太平洋暖池的重心（经度和纬度）与温度和面积的相关系数

4 结论

海洋科学的许多基本概念来自于物理学,引入新的物理方法对于拓展和深化海洋科学研究有十分重要的意义。本文用重心的方法分析西太平洋暖池的长期变动,得到了一些新的结果，可归纳为以下几点:

（1）在季节变化方面，西太平洋暖池重心呈一个西北-东南倾斜的“8”字型结构，3月和8月分别为暖池重心运动的转折点。3月，暖池重心到达一年中的最东端，之后重心开始向西北方向移动。8月，重心到达最西北端，之后重心开始向东南方向移动;

（2）暖池重心的经度存在3—5 a的年际变化和10—20 a 的年代际变化，而重心的纬度则以3—8 a的年际变化为主。从空间位置变化来看，年际变化周期的重心位置呈东西往复摆动，而年代际变化周期的暖池重心则呈现“纬向-经向-纬向”的移动特征，其转折点分别与上世纪气候突变的时间相一致;

（3）发生El nino时，暖池重心明显偏东，而发生La nina时，重心则显著偏西。南北向差异则并不明显。事件发生强度越大，这样的重心趋势就越明显。

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