西太平洋暖池三维结构的季节和年际变化＊

秦思思，张启龙，尹宝树

（1.中国科学院 海洋研究所，山东 青岛266071；2.中国科学院 海洋环流与波动重点实验室，山东 青岛266071；3.中国科学院大学，北京100049）

西太平洋暖池（简称暖池，下同）是全球大洋中最大的暖水团［1］和大气运动主要的热源地与对流活跃区。由于具有较高的水温和巨大的热量，暖池的微小变化都将对气候系统产生显著影响。此外暖池的纬向变动在ENSO的形成与发展中也有直接的重要作用［2－4］。

已有研究结果表明暖池主要存在着2～7a的年际以及几十年的年代际变化周期［1，5－17］。但应指出的是，以往的研究大都集中于对暖池的表层（如SST、面积、东界等）或暖池的体积和热含量等方面的探讨，而对于暖池三维结构的研究则较少，迄今尚未见到相关报道。

由于暖池是一个巨大的不规则暖水体，也是一个集海洋、大气过程及强烈的海气耦合作用于一体的复杂系统，因此仅研究暖池表层或其体积及热含量的变化并不能完全了解暖池内部的变化细节，特别是迄今仍不清楚的表层以下各层暖池南、北界和东界的变化特征以及它们在年际尺度上的相互联系。此外，大部分IPCC AR4海气耦合模式对暖池气候态的模拟存在面积偏小、SST和形态偏差过大等问题［18］，这除了现有的参数化模型尚无法准确刻画暖池区的垂向混合特征外［19］，可能还与对暖池三维结构变化特征与机制的认识不足有关。因此，开展暖池三维结构的多时间尺度变化特征研究，对系统了解暖池三维结构的变化细节，进而提高暖池的模拟水平具有重要的科学意义和实用价值。为此，本文利用日本气象厅提供的各层海温资料，系统地研究了暖池三维结构的季节和年际变化及其与不同类型ENSO之间的关系，探讨了暖池三维结构在年际尺度上的相互联系，并初步分析了暖池三维结构的变化机制，以期为全面认识暖池内部的变化特征及其在ENSO与气候变化中的作用提供科学依据。

1 资料

本研究所用的资料主要如下：

1）日本气象厅提供的1950－2011年间的太平洋月平均水温资料。资料的水平分辨率为1°×1°（经度×纬度），而在垂向上共有24层但其分辨随深度而变。其中，在150m以浅资料的垂向分辨率为10～25m，而200m以深则资料的垂向分辨率为50～100m。本研究仅使用了150m以浅的各层水温资料。

2）美国NOAA提供的1950－2011年间的ENSO指数。由于Niño3和Niño4指数分别能够有效地监测东部型和中部型ENSO事件［20］，因此本文利用这些指数来探讨暖池三维结构变异与不同类型ENSO之间的关系。

由于暖池东界、南界、北界和厚度皆是表征暖池三维结构的有效指标，因此我们利用这些指标来具体分析暖池三维结构的季节和年际变化。

2 暖池三维结构的季节变化

2.1 暖池的纬向变化

本研究选用赤道太平洋（5°S～5°N）28℃等温线所在的位置作为暖池的东界。统计结果表明，在上表层（20m以浅），暖池的气候态东界位于163°W附近，而在30m以深，暖池东界逐渐西移，在75m层已西移至171°W附近。这表明，暖池的纬向跨度在上表层最大（7 800km）并随深度的增加而逐渐变小。

各层暖池东界的季节变化都比较显著（图1）。3月各层东界都到达其最西位置，但到达最东位置的时间却随深度的增加而推迟。在30m以浅水层，暖池东界均在5月到达最东位置（154°～157°W），而在50m和75m层则分别于6月和7月到达最东位置。这意味着，在暖池东扩过程中，其上下层海水的运动并不同步，而是存在着1～2个月的时间差。

由于南赤道流（South Equatorial Current，SEC）具有北半球冬夏季强、春季弱的季节变化，而北赤道逆流（North Equatorial Counter Current，NECC）则存在着冬弱、秋强的特点［21］，因此可以认为，暖池纬向的季节变化主要是由SEC和NECC的强弱变化引起的。

图1 各层暖池东界的季节变化Fig.1 Seasonal variability of the WPWP eastern edge at different depths

2.2 暖池的经向变化

从暖池的气候态分布（图2）可以看出，165°E断面大致位于暖池的中部，因而该断面附近的暖池南、北界的变动能够在一定程度上反映出暖池的经向变化。因此，本研究分别选用该断面赤道南、北部海域28℃等温线所在的位置作为暖池的南界和北界指标。统计结果表明，0～30m层暖池南、北界分别位于14°S和16°N附近，而在50m层则分别位于12°S和15°N附近。暖池在表层的经向跨度约为3 300km。

营运资本是企业生存发展的重中之重，乐视15年以前多年流动负债超过流动资产，整体的营运资本情况不佳。应收账款的逐年上涨以及无形资产占总资产比例未见下降，其现金比率水平较低，2014年甚至低至0.11这严重影响了乐视的营运能力，一定程度上增加了乐视的财务风险。同时流动负债比率2014年末近80%，提示短期偿债能力相对较弱。在长期偿债能力方面，乐视2013-2015年资产负债率远高于同期同行业资产负债率平均水平(约30%)。

图2 暖池厚度的气候态分布（m）Fig.2 Distribution of the climatologic WPWP averaged thickness（m）

各层暖池南界的季节变化较为一致（图3a），均在2月到达最南位置，而在9月则到达最北位置，但其年变幅却随着深度的增加而变小。在30m以浅水层，暖池南界最南可达19°S附近（2月），而最北仅及10°S附近（9月），其年变幅约为9°；在50m层，暖池南界最南可达15°S附近（2月），而最北仅及9.9°S（9月），其年变幅约为5°。

图3 165°E断面各层暖池南、北界的季节变化Fig.3 Seasonal variability of south and north edge at different depths on Section 165°E

各层暖池北界均在2月到达最南位置（7.7°N附近），而到达最北位置的时间却有所不同（图3b）。在10 m以浅水层，暖池北界均在8月到达最北位置（26.5°N附近），而在50m层则于10月到达最北位置（21°N附近）。这意味着，在暖池北扩过程中，其上下层海水的运动也存在着1～2个月的时间差。而且这种现象也出现在137°E断面（图略）。比较而言，暖池北界的季节变化较南界大，其中表层和50m层北界的年变幅分别为19°和14°。

暖池的经向变化主要受太阳辐射、风及风生流所控制［22］。在北半球冬（夏）季，南太平洋获得的热量要多（少）于北太平洋，而且南太平洋盛行较弱（强）的东南风，而北太平洋则盛行较强（弱）的东北风，这有利于暖池南移（北扩）。

2.3 垂向变化

暖池厚度（或深度）是表征暖池垂向变化的一个有效指标。Wyrtki［1］基于XBT资料研究了4个季节的暖池厚度分布并指出，暖池呈现中央厚、边缘薄的分布特征，其最大厚度约100m，位于赤道和日期变更线附近。张启龙和翁学传［6］基于137°E断面的调查资料分析得出，暖池厚度存在着夏季厚、冬季薄的季节特征。

为了能够深入了解暖池厚度的季节变化，本研究利用由线性内插得到的垂向间隔为1m的月平均水温资料计算了暖池内各点的厚度值，并将各点的等权平均厚度值称之为暖池平均厚度。图2和图4分别给出了暖池厚度的气候态分布和平均厚度的季节变化。由图2可见，暖池大致呈现为中央厚、边缘薄、南部厚、北部薄的分布特征，其最大厚度为117m，位于7°S，180°E附近。这与Wyrtki的结果有所不同。如图4所示，暖池平均厚度的季节变化大致呈双峰结构，2个峰值分别出现在5月（71.54m）和11月（69.24m），而2个谷值则分别见于2月（65.63m）和9月（64.23m）。显然，暖池平均厚度的最大年变幅为7.31m。

图4 暖池平均厚度的季节变化Fig.4 Seasonal variability of the WPWP thickness

已有研究表明，热带太平洋太阳辐射通量的最高值分别出现在3月和9月，而其最低值则见于6月和12月［22］；SEC在2月和8月皆较强，而在5月和12月则较弱［21］。显然，暖池垂向的季节变化主要是由太阳辐射和SEC引起的。

3 暖池三维结构的年际变化

为了突出暖池的年际变化信号，本研究分别对暖池东、南、北界和平均厚度距平序列进行了13个月滑动平均滤波。

3.1 暖池的纬向变化

对比分析表明，各层暖池东界的年际变化趋势较为一致，但其变幅却随着深度的增加而变小（表层的标准偏差最大，为18°，而75m层的最小，仅12°）。由图5可见，东界距平序列的年际变化非常大，并与ENSO循环有密切的联系。其中，在 El Niño（1957，1965，1972，1977，1982，1987，1991，1997，2002和2009年）期间，东界为较大的正距平，即暖池东扩，而在La Niña（1950，1955，1964，1971，1974，1975，1984，1985，1989，1996，1999，2000，2008和2010年）期间则为较大的负距平，即暖池西缩。这与以往的研究结果［3－4］较为一致。功率谱分析表明，0～20m层暖池东界的主周期依次为3.7a，5a和准2a，而30～75m层的主周期则为准2a，5a和3.7a。尽管各层东界的主周期不尽相同，但它们与ENSO间的关系均超过了99.9%的显著性检验。比较而言，20m层东界与Niño3指数间的关系最密切（当前者超前后者1个月时其相关系数高达0.94），而50m层东界则与Niño4指数间的关系最密切（其同期相关系数为0.92）。显然，20m层和50m层暖池东界分别对东部型和中部型ENSO有重要影响，可作为研究不同类型ENSO的新的指标序列。

图5 20m层暖池东界距平的年际变化Fig.5 Interannual variability of the WPWP eastern edge anomaly at 20mdepth（solid line）

3.2 暖池的经向变化

各层暖池南界的年际变幅相对较小，其标准偏差在1.3°～1.9°。图6为30m层暖池南界距平序列的年际变化。可以看到，在一些强El Niño期间南界为较大的正距平，即暖池北移，而在一些强La Niña期间则为较大的负距平，即暖池南撤，但各层暖池南界的显著周期有所不同。其中，0，10和50m层南界的主周期均为5.7a，而20～30m层的主周期则为5.3a。相关分析表明，各层暖池南界与东部型ENSO有较密切的正相关，而与中部型ENSO的关系则较弱。在30m层南界超前Niño3指数3个月时，其相关系数为0.40（超过了99.9%的显著性检验）。这表明，在El Niño（La Niña）发生之前3个月时，暖池南界已开始北移（南撤）。

图6 165°E断面30m层暖池南界距平的年际变化Fig.6 Interannual variability of the WPWP south edge anomaly at 30mdepth on Section 165°E

图7 165°E断面10m层暖池北界距平的年际变化Fig.7 Interannual variability of the WPWP north edge anomaly at 10mdepth on Section 165°E

3.3 暖池的垂向变化

暖池厚度的年际变化也非常显著，并与ENSO相联系（图8）。在El Niño期间，暖池厚度出现较大的负距平，即暖池变薄，而在La Niña期间则出现较大的正距平，即暖池增厚。暖池厚度的主周期依次为5.3a，3.7a和准2a，与ENSO的主周期相近。时滞相关分析表明，暖池厚度在超前Niño3指数3个月时，两者间的关系最密切（相关系数为－0.63）。这表明，在El Niño（La Niña）发生之前3个月时，暖池已开始变薄（增厚）。

图8 暖池平均厚度距平的年际变化Fig.8 Interannual variability of the averaged WPWP thickness

暖池三维结构的年际变化主要是由热带太平洋的纬向风异常、赤道Kelvin波和Rossby波引起的纬向流异常和 Ekman输送导致的［11，23－25］。具体讲，在 El Niño（La Niña）期间，赤道太平洋盛行西（东）风异常，并激发出东传的Kelvin波（西传的Rossby波），因而在赤道海域的上表层形成较强的东（西）向流，使得暖池东扩（西缩）；与此同时，赤道两侧的暖水随Ekman输送向赤道辐聚（辐散），导致暖池向赤道收缩（向赤道外扩展）。

3.4 暖池三维结构在年际尺度上的相互联系

时间滞后相关分析结果表明，各层暖池东界与南界之间均有较密切的正相关，其中50m层暖池东界滞后南界8个月时两者间的关系最密切，其时的相关系数为0.60，而各层暖池东界与北界却存在着较好的负相关，特别在10m层两者间的关系最密切，其同期相关系数为－0.36（超过了99.9%的显著性检验）；各层暖池南界和北界之间也存在着较密切的负相关，尤其在20m层两者间的关系最密切，当南界超前北界3个月时其相关系数为－0.61。可见，暖池的纬向变化与经向变化并不完全同步，而是存在着3～8个月的时间差。

暖池厚度与各层东界、南界和北界之间皆存在着显著的负相关。其中，当厚度超前30m层东界3个月时，其相关系数为－0.68；当厚度超前30m（20m）层南（北）界2（3）个月时，其相关系数为－0.79（0.67）。还应指出的是，50m层南界超前厚度1个月时两者间的相关系数为－0.78。这似乎表明，暖池的垂向变化可能是由50m以深暖池南界的变动引起的。但这一问题尚需从动力学方面加以验证。

4 结论

本研究利用1950～2011年间的太平洋月平均水温资料和ENSO指数，以28℃等温线作为暖池的定义标准，研究了暖池三维结构的季节和年际变化，并简要探讨了暖池三维结构在年际尺度上的相互联系及其变化机制，得到的研究结果主要如下：

1）暖池三维结构存在着显著的但并不完全一致的季节变化。在纬向上，暖池冬季西缩，春季东扩；在经向上，暖池冬季偏南，夏季偏北；在垂向上，暖池在春、秋季变厚，而在冬、夏季则变薄。暖池三维结构的季节变化主要是由太阳辐射、风和海洋环流引起的。

2）暖池三维结构的年际变化颇为显著，并与ENSO循环相联系。在El Niño（La Niña）发生前1～3个月，暖池异常东扩（西缩），暖水向赤道辐合（向赤道外辐散），暖池厚度变薄（增厚）。由于20m和50m层暖池东界分别与东部型和中部型ENSO有非常密切的关系，因此可将其作为研究不同类型ENSO的新的指标序列。暖池三维结构的年际变化主要是由热带太平洋的纬向风异常、赤道Kelvin波和Rossby波引起的纬向流异常与Ekman输送共同导致的。

3）暖池三维结构在年际尺度上存在着较密切的相互联系。其中，暖池东界与南界有较密切的正相关，而与北界则有较好的负相关；暖池南界和北界也有较好的负相关；暖池平均厚度与东界和南界皆为显著的负相关，而与北界则为显著的正相关。但其年际变化并不完全同步，而是存在着3～8个月的时间差。

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