热带太平洋温跃层深度的年代际变化特征及原因*

高晓倩，方　越，祖永灿，塔　娜，刘宝超

(国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061)



热带太平洋温跃层深度的年代际变化特征及原因*

高晓倩，方越*，祖永灿，塔娜，刘宝超

(国家海洋局 第一海洋研究所 海洋与气候研究中心，山东 青岛 266061)

利用SODA数据分析了20世纪70年代气候跃迁前后热带太平洋温跃层变化的季节特征，研究了NCEP/NCAR再分析资料中的风场变化与温跃层变化之间的关系。研究结果表明：1)在1976—1977年气候跃迁之后，温跃层深度存在显著的年代际变化。在热带太平洋东部的秘鲁沿岸海域温跃层变深，而在10°S～10°N的热带太平洋其他海域温跃层均呈现变浅趋势；2)温跃层深度的年代际变化存在显著的季节差异。总体表现为，温跃层变浅的最显著区域随着季节的推移由东太平洋逐渐移至西太平洋并且变浅的幅度增大；3)热带太平洋海表面风场的年代际变化导致的赤道西风异常及风场异常的散度场是温跃层变化的主要原因。

热带太平洋；温跃层；年代际变化；季节特征

温跃层是海洋中海水温度铅直梯度较大的水层，是反映海洋温度场的重要物理特性指标。在赤道东风的作用下，热带太平洋温跃层总体上呈现东浅西深的分布特征，并且在Ekman输运的作用下在赤道地区温跃层最浅。由于温跃层的存在，使得上层海洋层结加强，这种热结构对于热带太平洋上层海洋环流有着重要的影响。此外，作为全球气候年际变化最强信号的ENSO，其发生、发展和消亡也是与热带太平洋的温跃层紧密联系的[1-3]。因此，研究热带太平洋温跃层的年代际变化将有助于全面掌握ENSO强度、周期和传播等特征的年代际变化特征与机制，从而为更好地预测ENSO在全球变暖背景下的未来发展趋势提供理论依据[4-6]。

Zhang等[7]、Yang和Wang[8]利用JEDAC数据发现在70年代气候跃迁之后热带西太平洋温跃层变浅，并且在西太平洋的变率较大，而东太平洋则不明显。Collins等[9]利用模式CGCMs和Levitus等[10]利用Levitus数据也发现在全球变暖情况下，热带太平洋上温跃层平均深度整体是变浅的，并且东西方向上的倾斜度减小。Carton等[11]和Fang等[12]利用SODA数据也得到了相同的结论，其中Fang使用的是赤道温跃层平均深度冷暖期直接相减的方法发现暖期温跃层比冷期浅。

关于热带太平洋温跃层的年代际变化虽然已经取得了不少进展，但已有的研究更多地侧重于温跃层年代际变化空间分布的一般特征。本文利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation, http:∥iridl.ldeo.columbia.edu/SOURCES/.CARTON-GIESE/.SODA/.v2p0p2-4/)和NCEP/NCAR(National Centers for Environmental Prediction and National Center for Atmospheric Research, http:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/)再分析资料，通过对比1975年前后两个时期热带太平洋次表层温度和海表面风场的变化，研究热带太平洋温跃层年代际变化的季节特征及导致这种变化的原因。

1　资料和方法

1.1资料

本文使用的为SODA再分析资料2.0.2-4版本的月平均数据，时间跨度为1958-01—2007-12，水平分辨率为0.5°×0.5°，覆盖区域为15′～359°45′E，75°15′S～89°15′N。该数据在垂向上分为不等间距的40层，最大深度可达5 375 m。根据热带太平洋上温跃层的深度我们选取了上20层0～579 m、1958—2000年的温度数据进行分析。

NCEP/NCAR再分析资料是目前气候研究中最为广泛使用的再分析数据集之一。该资料在垂直方向上有17层，空间水平分辨率为2.5°×2.5°。本文中采用的是海表面风场的月平均数据。尽管NCEP/NCAR资料的起至时间为1948年至今，但是为了在分析上保持与SODA资料的一致性，我们也仅使用了1958—2000年的数据。

1.2方法

早期的研究者Meyers[13]曾经取14 ℃等温线的深度作为温跃层深度，现在则普遍采用20 ℃等温线所在深度作为温跃层深度(Depth of 20 ℃ isotherm，D20)[14-15]。在赤道太平洋D20被广泛采用是因为在这个深度附近的等温线最为密集且年际变动的信号也最强，代表了热带温跃层最活跃的部分。本文中，我们也把D20所在深度定义为温跃层深度。

受全球气候变化的影响，热带太平洋海洋气候在过去的几十年里发生了显著的变化。图1中所示的曲线是利用SODA再分析资料计算得到的太平洋10°S～10°N海域平均温跃层深度在1958—2000年期间的年际变化。可以看到，热带太平洋温跃层平均深度在70年代后期之前基本维持在190～210 m变动，而在这之后变动的深度显著变浅，基本在160～200 m，且变动幅度明显增大。本文中，我们选取1958—1970年和1981—2000年这两个典型时期并依据这两个时期太平洋平均SST的相对高低把这两个时期分别称作气候变迁前后的“冷期”和“暖期”，以这两个时期有关物理量的平均值的差值(后者减去前者)来代表这些物理量在1958—2000年间发生的变化。通过分析这些物理量变化的特征及相互关系，探讨导致热带太平洋温跃层年代际变化季节特征的机制。

图1　太平洋10°S～10°N温跃层平均深度的年际变化Fig.1　Interannual variability of mean thermocline depth in 10°S～10°N of the Pacific

2　温跃层深度年代际变化的特征

2.1总体特征

为了了解热带太平洋温跃层年代际变化的特征，我们首先利用SODA数据计算了热带太平洋1958—1970年D20的多年平均值和1981—2000年D20的多年平均值，分别代表“冷期”和“暖期”热带太平洋的温跃层的平均深度。然后计算这两个时期的差值，即“暖期”的D20值减去“冷期”的D20值，从而得到温跃层的年代际变化的水平分布(图2)。可以看到在15°S～10°N区域D20主要为负异常，表明暖期温跃层相对冷期而言总体上是变浅的。自东向西温跃层变浅的幅度逐渐增大，在160°E附近达到最大，可达30 m。在热带东太平洋100°W以东的海域，特别是在秘鲁沿岸附近D20为正异常，表明该海域暖期的温跃层深度是变深的，尽管变化幅度不大。

图2　热带太平洋温跃层深度(D20)年代际变化Fig.2　Difference in mean thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific

图3显示的是热带太平洋5°S～5°N海域内温跃层变化平均的纬向分布(SODA再分析数据得到)。该图更加清晰地显示了图2中温跃层变化的东西分布特征。从图中可以看到，就平均而言，太平洋中部和西部在暖期其温跃层比冷期变浅10 m左右；东太平洋变化较小，甚至部分海域温跃层不仅没有变浅反而有变深的趋势。

图3　热带太平洋温跃层深度年代际变化的纬向分布Fig.3　Difference in thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific Ocean

2.2季节特征

为了探究热带太平洋温跃层年代际变化在各个季节上的差异，我们绘制了由SODA再分析数据得到的各个月份D20的冷、暖期差异的水平分布图(图4)。该图中D20异常的计算方法与图2的相似，不同的是在计算冷(暖)期的D20平均深度时分别对各个月的D20数据进行多年月平均。例如，1月份的分布图是暖期中各年1月的均值减去冷期中各年1月的均值。可以看到，温跃层年代际变化在各个月的分布特征基本上与图2相似，但月与月之间的差异也十分明显，特别是D20负异常最大值所在区域(幅度在20 m以上)的位置以及强度。可以看到在2-4月，温跃层变浅的幅度相对其他月份较小，并且负异常最大区域位于太平洋东部；在5-7月，负异常区域主要位于中太平洋；随着季节的推移，温跃层变浅幅度最大的区域不断移向西太平洋，而且变浅的范围也逐月增大，10和11月的温跃层变化最强。这表明，尽管热带太平洋温跃层的年代际变化总体上表现为较为一致的变浅，但在不同的季节其变化的范围、强度和变化最显著区域所在的位置不尽相同，有着显著的季节特征。

图4　逐月热带太平洋温跃层深度年代际变化Fig.4　Differences of each calendar month in mean thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific

类似图3的方法，我们绘制了与图4相对应的逐月热带太平洋温跃层变化的纬向分布图(图5，5°S～5°N经向平均，由SODA再分析数据得到)。该图很好地印证了上述温跃层变化的季节特征：在2-4月温跃层变浅的最显著区域在东太平洋125°W附近，幅度在10 m左右，而在西太平洋平均幅度在5 m左右；在10-11月负异常最大值位于西太平洋160°E附近，幅度在20 m左右。

图5　逐月热带太平洋温跃层深度年代际变化的纬向分布Fig.5　Differences of each calendar month in thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific Ocean

在热带太平洋，次表层海水温度的季节和年际变化主要是由于温跃层的变化直接导致的。那么它们之间的这种变化关联性是不是在年代际时间尺度上也同样适用呢？为此我们绘制了各个月份的赤道断面(以5°S～5°N的平均来代表，由SODA再分析数据得到)海温年代际变化图(图6)。可以发现，热带太平洋次表层温度的变化总体上表现为负异常，可达3 ℃以上。由于热带太平洋气候态温跃层深度是西深东浅的，在东太平洋温跃层深度约为50～100 m，在西太平洋温跃层深度约为150～200 m，图6所示的次表层温度异常冷中心所在的深度恰好与气候态下温跃层所在深度是对应的，因此可以推断次表层温度异常主要是由温跃层变浅所导致的。就次表层海温变化幅度而言，2-4月的变化最小，变化中心位于东太平洋125°W附近；10-11月的最大，变化中心则位于西太平洋160°E附近。这些特征与图4和图5中所反映的温跃层变化的季节特征十分一致，这不仅印证了上面所提到的温跃层年代际变化，同时也说明在年代际变化方面温跃层的变化可以很大地影响次表层海温的变化。

图6　逐月太平洋赤道断面温度的年代际变化Fig.6　Differences of each calendar month in temperature between cold and warm phases in tropical Pacific Ocean

3　温跃层深度年代际变化的机制

就气候态而言，热带太平洋海面风场主要是西向的信风为主，在该信风作用下表层海水由东向西输送，因此太平洋东部海水抬升，温跃层变浅；向西输送的暖水在西太平洋产生堆积，导致海水下沉，温跃层变深，从而形成热带太平洋上温跃层西深东浅的分布特征。同时，由于信风在赤道外热带海域所驱动的向两极方向的Ekman输运，使得在赤道地区总体表现为上升运动，从而导致温跃层在赤道地区相对于其他热带地区所在深度较浅。因此，热带太平洋温跃层的气候态分布特征主要是由风场驱动的。已有的研究表明，温跃层的季节变化与热带地区风场的季节变化密切相关，尽管两者的季节变化并不明显。在年际时间尺度上，热带太平洋温跃层的变化十分明显，这种变化主要由ENSO所导致的，也是与海面风场的变化相联系。那么在年代际时间尺度上，温跃层的变化是否也是由海面风场的变化所导致的呢？

图7是利用NCEP表面风场数据得到的风场及其散度的年代际变化，计算方法与图2类似。由图可以看到在热带太平洋的中部和东部180°～100°W海域内的风场异常主要为赤道上的西风异常和赤道外的西南风异常(北半球)和西北风异常(南半球)。这种异常风场对太平洋赤道海区海洋环流的影响主要为以下几个方面：首先，日界线以东赤道地区的西风异常可以驱动向东的海流异常，从而导致热带西太平洋温跃层变浅东太平洋温跃层变深；其次，异常风场在日界线以东特别是太平洋中部赤道附近海域形成了很强的散度场，该散度场所驱动的海洋环流可以在赤道地区形成异常的上升流，从而使温跃层变浅；此外，在120°W以东热带太平洋的风场异常主要表现为向两极的风场异常，其作用也会导致在赤道地区形成上升流使温跃层变浅。然而，由此所导致的温跃层变浅被赤道西风异常所产生东太平洋温跃层变深作用所部分抵消，因此东太平洋温跃层的变浅相对于热带太平洋中部和西部的温跃层变浅要小，这也就很好地解释了为什么图2和图3中温跃层异常总体表现为变浅并且中、西部海域变浅更为显著这一分布特征。

由图7可见，在日界线以西、10°S～10°N的热带太平洋暖池区内还存在一支由南向北的越赤道风异常，在10°S，150°～170°E的海域内形成了一个强辐散区，加之该区域西侧为陆地，因此风场异常形成的辐散在该海域产生较强的上升流，使温跃层显著变浅。图2所示的温跃层变浅的最显著区域也恰恰位于此海域。此外，风场异常还在15°S和15°N附近海域形成了辐聚区(图7)，这使得海水在这些海域会合并下沉导致温跃层变深。温跃层在南半球和北半球这一纬度的变化在图2中可以清晰地看到。

图7　热带太平洋海表面风场的年代际变化及对应的散度场Fig.7　Difference in climatological surface wind fields between cold and warm phases in tropical Pacific and its corresponding divergence

图8是由NCEP/NCAR再分析资料计算的各个月份热带太平洋海表面风场的年代际变化及对应的散度场，其计算方法与图4类似。尽管各个月份在赤道上均为西风异常，但是其强度和主要发生的区域位置却不尽相同。在4月之前，赤道西风异常比较弱；自5月开始，西风异常逐月增强，范围逐渐扩大，但西风异常主要还是位于东太平洋；在10-11月，赤道西风异常最为显著并且其中心位置移至太平洋中部。由风场异常导致的散度场也有类似的特征，表现为中心逐月西移、强度和范围逐月增强，也是在10-11月最为强盛。因此，图8中所示的风场异常及其伴随的散度场的强度、范围和中心位置的逐月变化与图4中温跃层的逐月变化特征十分一致。

从上面的分析中我们可以看出，热带太平洋的海表面风场的年代际变化是与温跃层的年代际变化相联系的，温跃层的变化是赤道西风异常所导致的西太平洋温跃层抬升和风场异常的散度场所导致的赤道地区的海水异常上升运动的共同作用下形成的。

图8　逐月热带太平洋海表面风场的年代际变化及对应的散度场Fig.8　Differences of each calendar month in mean surface winds in tropical Pacific and their corresponding divergence

4　结　论

我们利用1958—2000年SODA和NCEP/NCAR再分析资料研究了1976—1977年气候跃迁前后热带太平洋温跃层深度、海温和海表面风场的变化特征，得到以下结论：

1)通过计算冷(暖)期的D20平均深度的差值可以发现，温跃层深度对1976-1977年发生的气候跃迁存在响应，表现为温跃层深度的显著年代际变化：在10°S～10°N的热带太平洋海域内，东部秘鲁沿岸范围内温跃层变深，而其西部的其他海域温跃层均呈现变浅趋势。

2)另外，对各个月的D20数据进行多年逐月平均可以看到，月与月之间的差异十分明显：在2-4月，温跃层变浅幅度较小，负异常最大区域位于太平洋东部；在5-7月，负异常区域主要位于中太平洋；在10-11月负异常最大的区域移至西太平洋，且范围最大。因此，虽然热带太平洋范围内温跃层深度的年代际变化总体上表现为较为一致的变浅，但同时还存在显著的季节差异。具体表现为，温跃层变浅的最显著区域随着季节的推移由东太平洋逐渐移至西太平洋并且变浅的幅度增大。

3)与气候态相同，年代际时间尺度上的温跃层深度的变化也是由海面风场的变化所导致的。通过热带太平洋范围内的风场异常及其伴随的散度场可以发现，其强度、范围和中心位置的变化与温跃层深度的变化特征十分一致，因此热带太平洋海表面风场的年代际变化导致的赤道西风异常及风场异常的散度场是温跃层深度变化的主要原因。

本文中关于热带太平洋温跃层深度年代际变化成因方面的讨论仅是依据再分析资料进行分析的，所以难以将赤道西风异常和风场异常的散度场对温跃层的作用过程区分开而进行定量分析。因此，关于这两个物理过程的定量分析今后还需要借助数值模式和敏感性试验进行更加深入的分析研究。

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Characteristics and Mechanism of the Decadal Variability of Thermocline in Tropical Pacific Ocean

GAO Xiao-qian, FANG Yue, ZU Yong-can, Tana, LIU Bao-chao

(CenterforOceanandClimateResearch,TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

Characteristics and mechanism of the decadal variability of thermocline in tropical Pacific Ocean are investigated using the SODA and NCEP/NCAR reanalysis data. The results show that the change in thermocline depth in tropical Pacific after the "1976-1977 climate shift" is obvious. The thermocline in eastern tropical Pacific, close to Peru coast, becomes deeper after the climate shift but shallower in equatorial Pacific between 10°S～10°N. The change in thermocline shows remarkable seasonal characteristics: the location of the maximum change in thermocline depth moves from eastern tropical Pacific to the west and its magnitude increases with season. Analysis further shows that the change in sea surface winds in tropical Pacific and associated wind divergence play a key role in the change in thermocline.

tropical Pacific Ocean； thermocline； decadal variability； seasonal characteristics

May 7, 2015

2015-05-07

国家重大科学研究计划项目——热带太平洋印度洋环流及其热输送对全球变暖的响应(2012CB95560)；中国科学院战略性先导科技专项——中国邻近大洋百年热力状况对中国气候的影响(XDA05090404)；国家自然科学基金项目——热带太平洋-赤道大西洋遥相关多年代际变化的研究(41176030)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目——西北太平洋及中国近海年代际气候变化(GY2010T02)

高晓倩(1988-)，女，山东济宁人，硕士研究生，主要从事海气相互作用、气候变化方面研究.E-mail: gaoxq@fio.org.cn

方越(1970-)，男，浙江瑞安人，研究员，博士，主要从事海气相互作用方面研究.E-mail: yfang@fio.org.cn

(李燕编辑)

P72

A

1671-6647(2016)03-0337-10

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.003