近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化

吴国丽, 王庆业, 翟方国, 胡敦欣(. 中国科学院海洋研究所 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 26607; 2. 中国科学院大学, 北京0009; 3. 中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛266580; . 中国海洋大学 海洋环境学院, 山东 青岛26600)



近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化

吴国丽1, 2, 3, 王庆业1, 翟方国4, 胡敦欣1
(1. 中国科学院海洋研究所 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071; 2. 中国科学院大学, 北京100049; 3. 中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛266580; 4. 中国海洋大学 海洋环境学院, 山东 青岛266100)

为了研究近年来厄尔尼诺期间北赤道流输运的年际变化, 本文利用海洋客观分析数据MOAA GPV(Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis)以及P-vector方法计算了北太平洋绝对地转流,探讨了2001~2013年期间厄尔尼诺与北赤道流输运之间的关系。在此期间发生的4次厄尔尼诺事件中,北赤道流输运在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期都出现了明显的增强, 但是在2004~2005年的厄尔尼诺成熟期并没有明显的增强。进一步分析发现, 在2002~2003年、2006~2007年、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期, 10°N以南的热带西北太平洋区域出现了负的海面高度异常和气旋式环流异常, 这主要是由热带环流区域出现的西风异常和正的Ekman抽吸通过Rossby波西传到热带西太平洋区域所致; 但是在2004~2005年厄尔尼诺成熟期, 海面温度异常的分布明显不同, 西风异常和正的Ekman抽吸异常明显北移, 导致负的海面高度异常和气旋式环流异常出现在了10°N以北的西北太平洋区域, 使得北赤道流输运在2004~2005年的厄尔尼诺成熟期没有明显的增强。

北赤道流输运; 厄尔尼诺; 年际变异

[Foundation: “Global Change and Air-Sea Interaction” Project, No. GASI-03-01-01-05; National Basic Research Program of China, No. 2012CB417401, No. 2013CB956202]

在热带北太平洋, 北赤道流(North Equatorial Current, NEC)自东向西流动, 到达菲律宾海岸附近分叉形成向北流动的黑潮(Kuroshio Current, KC)和向南流动的棉兰老流(Mindanao Current, MC), 组成了NEC-MC-KC(NMK)海流系统[1-3]。NEC作为NMK海流系统的核心, 它对西太平洋暖池的热量收支[4-5]、全球的热盐环流[6]等都具有非常重要的作用, 几十年以来, 受到世界各国物理海洋学家们广泛的关注和研究。前人通过对观测数据、海洋同化数据的分析以及数值模式的模拟等重点研究了NEC的分叉和输运等问题, 其中对NEC输运在时间变异上的研究主要集中在季节和年际尺度上[4, 7-15]。已有的研究结果表明, NEC输运的年际变化与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件密切相关, 在ENSO暖事件(厄尔尼诺)时期, NEC输运增强, 在ENSO冷事件(拉尼娜)时期, NEC输运减弱[4, 13-16]。但是, Qiu等[8]以及Zhai等[14]分别利用沿137°E观测数据和卫星高度计数据的研究结果指出, 并不是所有的NEC输运的极值都与ENSO事件有关。因此, NEC输运与ENSO之间存在着复杂的关系。近年来, 主要基于Argo浮标资料构建的三维客观分析网格数据MOAA GPV(Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis)被广泛地用来研究全球变化问题[17]以及一些复杂的区域问题[18-19]。因此, 本文将基于利用MOAA GPV数据计算的北太平洋绝对地转流来检验2001~2013年厄尔尼诺与NEC输运之间的关系, 并讨论其动力学过程。

1 数据和方法

1.1 数据

本文主要用到的MOAA GPV数据提供了2001 年1月~2013年12月月平均的温度和盐度资料[20], 其水平分辨率为1°×1°, 垂直方向从10 dbar到2 000 dbar分为25层。MOAA GPV数据是主要利用Argo浮标资料, 同时结合TRITON(Triangle Trans-OceanBuoy-Netword)浮标资料以及现有的CTD(conductivity-tem-perature-depth)资料通过客观分析方法所构建。关于构建过程中所涉及的数据处理过程、网格化技术和误差分析等方面的详细描述可参考文献[20]。

本文用到的卫星高度计数据(由网站http: //www. aviso.oceanobs.com/下载)包括卫星观测的海面高度以及由地转关系得到的海表地转流。其原始数据为周数据, 为了分析变量的低频变化, 周数据被平均到了月数据。另外, 本文用到的月平均的风场数据来自ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)海洋分析/再分析系统3(ECMWF ORA-S3)[21]。

1.2 P-vector方法

本文利用P-vector方法计算北太平洋绝对地转流。P-vector方法是在地转平衡和Boussinesq近似下基于位势密度和位势涡度守恒的一种计算绝对地转流的方法[22-23]。其中地转流的方向由等位势面与等密度面交叉的方向决定, 地转流的方向也被称为P-vector, 地转流的大小由任意两层之间的热成风关系来计算。以往的研究表明P-vector方法能够较好描述大洋和边缘海中海洋环流的基本特征[22, 24-25]。

由于在上混合层海洋运动不能精确的遵守位势密度和位势涡度守恒, 因此, 本文参照Zhang等[26]和Yuan等[27]的做法, 仅仅对大洋中层的地转流使用P-vector方法重构, 即800~2 000 dbar之间的绝对地转流使用P-vector方法计算, 然后用800 dbar层的绝对地转流作为参考面, 通过动力计算方法获得800 dbar以上的绝对地转流。已有的研究结果表明,如此计算的绝对地转流能够很好地描述位于北太平洋的NEC等海洋环流的结构特征及动力特征[26-27]。

1.3 2001~2013年的厄尔尼诺事件

根据CPC(Climate Prediction Center, http: //www. cpc.ncep.noaa.gov/data/indices)Niño-3.4指数, 本文定义Niño-3.4指数≥0.5°C并持续5个月的事件为一个厄尔尼诺事件。2001年1月~2013年12月一共发生了4次厄尔尼诺事件(分别记为2002~2003、2004~ 2005、2006~2007和2009~2010年厄尔尼诺事件), 其中在2004~2005年厄尔尼诺期间, 海面温度(Sea Surface Temperature, SST)正异常的极值发生在2004年的9月, 其它厄尔尼诺期间的SST正异常的极值分别发生在2002年的11月、2006年的12月和2009年的12月(图1a)。

图1 Niño-3.4 SST异常(a)和NEC分别基于MOAA GPV数据(b)以及卫星高度计数据(c)沿130°~180°E输运的时间序列Fig. 1 Niño-3.4 SST anomaly (a) and the NEC transport at 130°~180° E from MOAA GPV (b) and altimeter products (c), respectively

1.4 月平均数据年际信号的提取

本文利用3阶Butterworth滤波器对月平均变量进行13个月的低通滤波去除高频信号, 得到月平均数据的年际信号。为了获取月平均数据的年际异常信号, 在对月平均变量进行13个月的低通滤波后,再减去多年平均。

2 主要结果

2.1 NEC输运的年际变化

根据MOAA GPV数据中137°E断面上的年平均纬向速度图(图2), NEC沿137°E的主体位于8°~ 18°N、26.7σθ等密度面以上, 在其它的经度断面上也有类似的分布特征。因此, 本文定义NEC沿某一经度的输运为8°~18°N、26.7σθ等密度面以上的西向流速的积分, 其中西向流速来自利用MOAA GPV数据通过P-vector方法计算的北太平洋绝对地转流。图1a是Niño-3.4 SST异常的时间序列图, 其中黄色带代表4次厄尔尼诺事件, 图1b是NEC分别沿130°~ 180°E输运的时间序列图, 其中图1a、图1b中的红色横直线对应的是4次厄尔尼诺期间SST正异常最大的月份。由图1b可以看出, 在2002~2003、2006~ 2007、2009~2010年厄尔尼诺期间SST正异常最大的月份, NEC输运都出现了明显的增强, 但是, 在2004~2005年厄尔尼诺期间SST正异常最大的月份, NEC输运并没有出现明显的增强。为进一步增加这一现象的可信性, 本文利用卫星高度计从2001年1月~ 2013年8月的数据资料计算了NEC沿130°~180°E的海表输运(图1c)。由图1c可以看出, 厄尔尼诺期间SST正异常与NEC输运之间的对应关系和利用MOAA GPV数据得到的结果非常吻合。因此, 以上描述的NEC输运与4次厄尔尼诺之间的对应关系是可信的。

图2 MOAA GPV数据中沿137°E断面的年平均纬向西向速度(cm/s)Fig. 2 Annual mean zonal westward velocities (cm/s) across 137°E from the MOAA GPV

为了更清楚地研究厄尔尼诺和NEC输运之间的关系, 图3给出Niño-3.4 SST异常和基于MOAA GPV数据计算的140°E断面上NEC输运异常的时间序列, 为方便比较, 这里取NEC的西向输运为正值。由图可见, 自2001年以来的4次厄尔尼诺事件中, NEC输运在2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺成熟期都出现了西向的异常极值, 但是, 在2004~2005年厄尔尼诺成熟期, NEC输运并没有出现西向的异常极值, 而是出现了东向异常。另外, 沿140°E断面, NEC输运异常超前Niño-3.4 SST异常大约2个月(相关系数为0.59, 高于95%置信水平), 这与Zhai等[15]得出的NEC沿138°~156°E的输运异常超前Niño-3.4指数1~2个月的结果一致。

图3 Niño-3.4 SST异常和NEC沿140°E输运异常的时间序列Fig. 3 Niño-3.4 SST and NEC transport anomalies at 140°E

2.2 流场的演变

由于NEC输运的年际变异与北太平洋海洋环流的变化有关, 因此利用合成分析法研究2002~2003、2006~2007、2009~2010年以及2004~2005年厄尔尼诺期间热带北太平洋环流异常的演变过程。图4是2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺期间热带北太平洋上200 m平均的流异常和海面高度异常的演变合成图, 其中T=0表示每次厄尔尼诺期间Niño-3.4 SST正异常最大的月份, 负值表示T=0之前的月份, 正值表示T=0之后的月份(以下类似)。由图可见, 从T= –6个月开始, 在10°N以南、赤道以北的热带西太平洋区域, 出现了负的海面高度异常和气旋式环流异常。随着时间的演变, 负的海面高度异常和气旋式环流异常逐渐加强, 在T=0个月的时候达到极值, 之后逐渐的减弱。在西北太平洋, 气旋式环流异常将会加强NEC的输运。

为了进一步研究热带西北太平洋环流变化的垂直分布, 图5给出的是2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺期间140°E断面上纬向流异常的合成图。由图可以看出, T= –8个月的时候, 在大约12°N的南北两侧分别出现了西/东向流异常。随着时间的演变, 西向流异常逐渐地加强并向北移动, 到T=2个月的时候, 在10°N以南完全变成了东向流异常, 而西向流异常的核心移动到大约18°N附近。因此, NEC输运在2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺的成熟期达到极大值, 然后逐渐减弱。

图6是2004~2005年厄尔尼诺期间热带北太平洋上200 m平均的流异常和海面高度异常图。由图可见, 在厄尔尼诺成熟期之前, 从T= –8个月到T= –2个月, 在10°N以南的热带西太平洋区域出现了比较强的负的海面高度异常和气旋式的环流异常,由此导致在2004~2005年厄尔尼诺成熟期之前出现了NEC输运增强的现象。但是, 从T=0个月开始, 负的海面高度异常和气旋式的环流异常逐渐扩展到10°N以北的区域。

由2004~2005年厄尔尼诺期间沿140°E断面的纬向流异常图(图7)可以看出, 在T= –8个月的时候, 10°N的南北两侧分别出现了较强的东/西向流异常,这些纬向流异常构成了图6中气旋式环流异常的一部分, 并且随着时间的演变逐渐减弱。从T= –2个月开始, 西向流异常的核心移动到15°N以北, 而东向流异常逐渐移动到10°N以北, 并逐渐加强。因此, 在2004~2005年厄尔尼诺的成熟期并没有出现NEC输运的加强, 反而出现了NEC输运的东向异常。

2.3 风场的影响

已有的研究结果表明, 在热带西北太平洋, 海洋环流的低频变异主要由海面风强迫所导致[4, 8, 11-14]。因此, 图8给出的是2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺期间风应力异常和相应的Ekman抽吸速度异常的合成图。由图可见, 从T= –6个月到T= –2个月, 在赤道以北、20°N以南的热带北太平洋的中西部都出现了比较强的西风异常和正的Ekman抽吸速度异常, 之后逐渐减弱。正的Ekman抽吸速度异常将会引起西向传播的上升Rossby波, 导致在热带西北太平洋出现负的海面高度异常和气旋式环流异常。

图9是2004~2005年厄尔尼诺期间风应力异常和相应的Ekman抽吸速度异常的时间演变图。由图可以看出, 从T= –8个月到T= –6个月, 在15°N以南的热带北太平洋的中西部也出现了较强的正的Ekman抽吸速度异常。但是, 随着时间的演变, 正的Ekman抽吸速度异常逐渐的向北移动至大约20°N附近。因此, 在2004~2005年厄尔尼诺成熟期, 气旋式环流异常的中心比2002~2003、2006~2007、2009~ 2010年厄尔尼诺成熟期时偏北。

图5 2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺期间沿140°E断面的纬向流速度异常的合成Fig. 5 Composite anomalies of the zonal velocity at 140° E during the 2002~2003, 2006~2007, 2009~2010 El Niño events

图6 2004~2005年厄尔尼诺期间上200 m平均的流异常和海面高度异常Fig. 6 Anomalies of the upper 200 m mean flow and sea surface height during the 2004~2005 El Niño event

图7 2004~2005年厄尔尼诺期间沿140°E断面的纬向流速度异常Fig. 7 Anomalies of the zonal velocity at 140° E during the 2004~2005 El Niño event

图9 2004~2005年厄尔尼诺期间风应力异常和相应的Ekman抽吸速度异常Fig. 9 Anomalies of the wind stress vector and associated Ekman pumping velocity during the 2004~2005 El Niño event

在热带北太平洋, 海面风场和Ekman抽吸与海面温度分布有关, 因此, 图10给出了2002~ 2003、2006~2007、2009~2010和2004~2005年厄尔尼诺成熟期(厄尔尼诺期间SST正异常最大的月份以及之前和之后的一个月)平均的SST异常图。由图可见, 在2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺成熟期, 太平洋中东部的赤道区域出现了较强的SST正异常; 而在2004~2005年厄尔尼诺成熟期, 太平洋中部的赤道区域虽然也出现了SST正异常, 但强度较弱, 大范围的正的SST异常出现在北太平洋区域, 特别是在20°N以北出现了较强的SST正异常。因此2004~2005年厄尔尼诺成熟期的Ekman抽吸速度正异常相对于其它3次厄尔尼诺成熟期偏北。

另外值得关注的是, Wu[28]指出ENSO对西北太平洋的影响与北太平洋年代际涛动(PDO)的位相有关, 在PDO的暖位相时, ENSO和季风的年际关系比较弱。2004~2005的厄尔尼诺事件恰好发生在新世纪的一次暖的PDO时期, 而暖的PDO位相会影响东亚夏季风, 进而使得ENSO对风场的调制作用变弱, 导致2004~2005年厄尔尼诺时期的风场相对于其它3次厄尔尼诺时期偏北。

图10 2002~2003、2006~2007、2009~2010以及2004~2005年厄尔尼诺成熟期平均的SST异常Fig. 10 Anomalies of the mean SST in mature phases during the 2002~2003, 2006~2007, 2009~2010, and 2004~2005 El Niño events

3 结论

已有的研究结果普遍认为NEC输运的年际变化与ENSO事件密切相关, 在ENSO暖事件时期, NEC输运增强[4, 13-16], 但是, 也有研究结果表明, 并不是所有的NEC输运的极值都和ENSO事件有关[8, 14],因此, NEC输运与ENSO之间存在着复杂的关系。本文基于利用海洋客观分析数据MOAA GPV通过P-vector方法计算出的北太平洋绝对地转流, 研究了2001~2013年期间厄尔尼诺与NEC输运之间的关系。结果显示, 2001年以来的4次厄尔尼诺事件中, NEC输运在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期都出现了明显的增强, 但是在2004~ 2005年厄尔尼诺成熟期并没有明显的增强。通过分析热带北太平洋的环流异常和海面高度异常发现, 在2002~2003、2006~2007、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期, 10°N以南的热带西北太平洋区域出现了较强的负的海面高度异常和气旋式环流异常, 而在2004~2005年厄尔尼诺成熟期, 负的海面高度异常和气旋式环流异常出现在了10°N以北的西北太平洋区域。进一步分析北太平洋的风场发现, 在2002~ 2003、2006~2007、2009~2010年的厄尔尼诺成熟期之前, 赤道以北、20°N以南的热带北太平洋的中西部出现了比较强的西风异常和正的Ekman抽吸速度异常, 之后逐渐的减弱。正的Ekman抽吸速度异常将引起西向传播的上升Rossby波, 导致在热带西北太平洋出现负的海面高度异常和气旋式环流异常,而气旋式的环流异常有利于加强北赤道流的输运。在2004~2005年厄尔尼诺的成熟期之前, 15°N以南的热带北太平洋中西部也出现了较强的正的Ekman抽吸速度异常, 但是之后, 正的Ekman抽吸速度异常明显北移。因此, 在2004~2005年厄尔尼诺成熟期,气旋式环流异常的中心比2002~2003、2006~2007、2009~2010年厄尔尼诺成熟期时偏北。最后, 由热带太平洋平均的SST异常分布图发现, 在2004~2005年厄尔尼诺成熟期, 北太平洋出现了大范围的正的SST异常, 特别是在20°N以北的区域强度较大, 而在赤道区域强度较弱, 因此, 2004~2005年厄尔尼诺时期的Ekman抽吸速度正异常相对于其他三次厄尔尼诺时期偏北。另外, 暖的PDO位相也使得在2004~2005年厄尔尼诺时期, ENSO对风场的调制能力变弱。在未来的工作中, 我们将继续关注PDO和NEC输运在年际尺度上的关系。

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(本文编辑: 李晓燕)

Interannual variations of the North Equatorial Current transport in recent years during El Niño events

WU Guo-li1, 2, 3, WANG Qing-ye1, ZHAI Fang-guo4, HU Dun-xin1
(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China; 4. College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Jan., 30, 2015

the North Equatorial Current transport; El Niño; interannual variation

In this study, we calculated the absolute geostrophic currents in the North Pacific Ocean using the P-vector method and ocean Grid Point Value of the Monthly Objective Analysis using Argo data (MOAA GPV). We then investigated the relationship between the North Equatorial Current (NEC) transport and El Niño events occurring between 2001~2013. During the four El Niño events since 2001, the NEC transport significantly increased during the mature phases of the 2002~2003、2006~2007 and 2009~2010 El Niño events, but did not significantly increase in the mature phase of the 2004~2005 El Niño event. We performed further analyses and found that negative sea surface height and cyclonic gyre anomalies took place south of 10° N in the tropical North Pacific Ocean during the mature phases of the 2002~2003、2006~2007 and 2009~2010 El Niño events. These were mainly induced by the westerly wind anomaly and positive Ekman pumping in the tropical gyre area through westward-propagating Rossby waves. However, during the mature phase of the 2004~2005 El Niño event, the distribution of sea surface temperature anomalies was obviously different. The westerly wind anomaly and positive Ekman pumping moved significantly northward, which led to negative sea surface height and cyclonic gyre anomalies taking place north of 10° N in the northwest Pacific Ocean. As such, the NEC transport did not significantly increase during the mature phase of the 2004~2005 El Niño.

P731.27

A

1000-3096(2016)02-0118-10

10.11759/hykx20150130002

2015-01-30;

2015-03-27

“全球变化与海气相互作用”任务专项(GASI-03-01-01-05);国家基础研究项目(2012CB417401, 2013CB956202)

吴国丽(1981-), 女, 山东菏泽人, 讲师, 博士研究生, 主要从事物理海洋学研究, 电话: 18254230560, E-mail: wuguoli81@163.com