（物理海洋学专业论文）年际尺度上itf流量对iod响应的初步研究.pdf

年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 摘要 本文利用1 9 5 8 - - 2 0 0 1 年全球海洋同化s o d a 资料讨论了印度尼西亚贯穿流 ( i n d o n e s i a n t h r o u g h f l o w ，i t f ) 流量的变化。通过计算得到的不同深度以上i t f 流量以及i t f 在断面i x l 季节变化与已有的观测比较表现出相当的一致。因此对 比目前可用的观测资料可以认为对于i t f 附近海域s o d a 资料是可以作为合理 而准确的重现。 从小波能谱分析结果表明i t f 上层流量年际变化不仅包含了4 6 年e n s o 信号，还有准两年的信号，推断i t f 和印度洋偶极子现象( i n d i a no c e a nd i p o l e ， i o d ) 存在一定关联。利用小波凝聚谱迸一步证明了印度洋东部海温异常、偶极 指数和i t f 存在密切关系。平均而言，印度洋东部海温距平在i t f 流量异常之后 5 个月相关最大，而偶极子早于i t f 变化7 个月达到最强。从i t f 量与印度洋海 温距平时滞相关系数图反映偶极子超前i t f 变化9 个月达到峰值。从海气耦合相 互作用的观点揭示了在偶极子发展到衰减过程中印度洋赤道位相风异常和印度 洋海温异常的关系进而对于i t f 的流量起着重要作用。 从断面1 1 5 。e 温度异常纬度和深度平面e o f 分解得到的第一模态发现一个 单极，位于断面北部温越层中。这正好是赤道东印度洋南爪畦流流经处，因此可 以认为这个单极与赤道东印度洋海温异常相关。而从e o f 第二特征向量发现在 温越层中存在一个偶极子，正极位于断面北部1 0 0 m 左右，负极在1 5 。s 一1 2 。s 的1 5 0 m 附近。根据w a v e g u i d e 理论认为正负极分别由赤道太平洋和印度洋 纬向风控制。由上分析可以得出温越层中1 t f 流量的变化是由太平洋和印度洋赤 道纬向风场共同控制。而赤道纬向风异常往往伴随着e n s o 和i o d 的发生。合 成单纯i o d 或e n s o 事件相对于两者同时发生年i t f 流量变化幅度大，可以认 为两者是一种竞争的关系，相互消弱对于i t f 的控制。研究表明i o d 和e n s o 都具有季节锁相特征，i o d 在夏季达到鼎盛，而e n s o 一般在冬季和次年春季 达到顶峰。所以在夏季和秋季i o d 对i t f 占主控作用，而在冬季和次年春季则 受到e n s o 影响较大。 关键词：印度尼西亚贯穿流；年际变化；偶极子；e n s o ；海气相互作用 t h e i n t e r a n n u a iv a ri a t i o no ft h el n d o n e s i a n t h r o u g h f lo w sr e s p o n s et oio d a b s t r a c t t h ei n d o n e s i a nt h r o u 曲f l o w ( i t f ) v a r i a b i l i t yi sa s s e s s e du s i n gar e t r o s p e c t i v e a n a l y s i so fm eg l o b a lo c e a nb a s e do nt h es i m p l eo c e a nd a t aa a s s i m i a t i o n ( s o d a ) e x p e r i m e n ts p a n n i n gt h ep e r i o d1 9 5 8 2 0 0 1 t h es i m u l a t e di t ft r a n p o r ti sr e a s o n a b l e i nt h ea s p e c e to fd i f f e r e n td e p t h s c o m p a r e dt h i st h eo b s e r v a t i o n ，t h es i m u l a t e d s e a s o n a lc y c l eo ft h es e c t i o n 1i t ft r a n s p o r ti sf a i r l yr e a l i s t i c s oi t s s u g g e s t e dt h a t s o d ac a nb ear e a s o n a b l ya c c u r a t er e c o n s t r u c t i o no fo c e a nc i r c u l a t i o ni nt h ev i c i n i t y o ft h ei t fd u r i n gt h ea v a i l a b l em e a s u r e m e n tr e c o r d ， aw a v e l e ta n a l y s i ss h o w st h a tt h ei n t e r a r m u a lv a r i a t i o no f t h eu p p e r t r a n s p o r to f i t fh a sn o to n l ya l lo s c i l l a t i o nw i t hap e r i o do fa b o u t4 - 6 y re n s oc y c l e ，b u ta l s o q u a s i - 2 y rs i g n a l i t ss u p p o s e dt h a tt h e r ei ss o m el i n k a g eb e t w e e nt h ei n t e r a r m u a l v a r i a t i o no ft h ei t fa n di n d t a no c e a nd i p o l em o d e ( i o d ) t h cw a v e l e tc o h e r e n c y a n a l y s e ss h o w t h a to nt l l ei n t e r a r m u a ls c a l et h ei t fi sc l o s e l yr e l a t e dt ot h cs u r f a c es e a t e m p e r a t u r ea n o m a l i e s ( s s i a ) i ne a s ti n d i a no c e a n ( e i o ) a n di o d o na v e r a g e ，t h e v a r i a b i l i t yi ss i g n i f i c a n tw i t ht h ei t fl a g g i n gd m ib y5m o n t h s ，l e a d i n ge i ob y7 m o n t h s f u r t h e r l yw i t hl a ga n dl e a dc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，i t sc o n f i r m e dt h a td i p o l e m o d ei ni n d i a no c e a nj ss i g n i f i c a n tb yl e a d i n gt h ev a r i a t i o no ft h ei t f9m o n t h s t h e v a r i a t i o no f t h ei t fa c c o m p a n i e sw i t l lt h ee v o l u t i o no f t h ez o n a lw i n da n o m a l i e so v e r t r o p i c a li n d i a n0 c e a na n dh e n e ea s s o c i a t eo c e a n i cp r o c e s s e s i nc o n c l u s i o n ，t r o p i c a l i n d i a no c e a n a t m o s p h e r ei n t e r a c t i o n p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ei n t e r a n n u a l v a r i a b i l i t yo ft h ei t f t h ee m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u c t i o n ( e o f ) a n a l y s i so ft e m p e r a t u r ea n o m a l i e si n t h es e c t i o nl i5 。el a t i t u d e d e p t hp l a n ei n d i c a t e s 血a tt h el e a d i n gm o d eo fv a r i a b l i t y h a sap o l ec h a r a c t e r ，w i t hs t r o n g e s tl o a d i n gi nt h et h e r m o c l i n eo f n o r t h e r ns e c t i o n i ti s l o c a t e di nt h es o u t hj a v ac u r r e n to fe a s ti n d i a no c e a n s ot h ep o l ei sw e l lc o r r e l a t e d 、v i t l li o d t h es e c o n de i g e n v e c t o rh a sad i p o l ec h a c r a c t e rw h i c hf e a t u r e sp o s i t i v ep o l e i nt h ed e p t h1 0 0 mo f n o r t hs e c t i o na n dn e g e t i v ep o l ec o n f i n e dt o1 5 0 mb e t w e e n1 5 。 sa n d12 。s a c c o r d i n gt ot h ew a v e g u i d et h e o r y , t h ed i p o l ei sc o n t r o l l e db ye q u a t o r i a l o c e a nd y n a m i c sf o r c e dz o n a lw i n d si nt h ee q u t o r i a lr e g i o n 1 1 1 en e g t i v ep o l eh a sa s t r o n g r e l a t i o nt ot h ez o n a lw i n di np a c i f i c e q u a t o r i a lr e g i o ne v o l v i n gw i m e n s o ，w h i l ep o s i t i v ep o l eh a sar e l a t i o n s h i pt ot h ei n d i a nz o n a lw i n dr e l a t e dt o1 0 d e v e n t s b o t hi o da n de n s o p l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h ei n t e r a n n a lv a r i b i l i t yo f t h ei t f t r a n s p o r t e i t h e rp u r e “e n s o ”o rt h e “i o d ”e v e n th a sd i s t i n e te f f e c t so nt h ei t f t r a n s p o r t w h e n ap o s i t i v e f n e g e t i v e ) 1 0 de v e n tc o o c c u r s d u r i n ga l l e 1n i n o ( l a n i n a ) y e a r ，t h ei t ft r a n s p o r ta n o r m a l yt e n dt ob el e s se x t e n tt h a np u r ei o do r e n s o t h ei o dh a sc o m p e t i n ge f f e c to ni n f l u e c eo f e n s o t h ei n f l u e n c eo f i o da n d e n s oo ni t ft r a n s p o r tc o u n tt h ee 在j do fe a c ho t h e r t h ei o de f f e c t sd o m i n a t ei n b o r e ls u m m e rw h i l ee n s od o m i n a t e si nw i n t e ro rn e x ts p r i n g k e yw o r d s ：i n d o n e s i a nt h r o u g h f l o w ；i n t e r a n n u a iv a t ；a t i o n ；i o d ；e n s o ； o c e a n - a t m o s p h e r e in t e r a c tio n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研冤成果，也不包含未获得逵! 翅遗直墓熊置垩特别直题 的：奎拦卫窒) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 璇弓考硝签字日期：二6 9 年6 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：豫七第j 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 憋年 字 期 师 字 导 签 年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 1 引言 1 1 本文选题意义 印度尼西亚贯穿流( i n d o n e s i a nt h r o u g h t l o w ，简称i t f ) 是指穿越印度尼西亚 海( i n d o n e s i a ns e a s ) ，由赤道西太平洋流向东印度洋的海流系统。在太平洋，它是 低纬度西边界流的一个分支；在印度洋，它汇入爪哇岛( j a v a ) 和西北澳大利亚之 间的南赤道流( s o u t he q u a t o r i a lc u r r e n t ) 。因此，i t f 是联系太平洋和印度洋的重 要纽带，是两者之间进行水交换和热盐交换重要通道，这个通道是全球大洋海盆 之间进行水交换和热盐交换的最主要通道之- - ( g o r d o n ，1 9 8 6 ；t o o l e ，1 9 8 5 ) ，也是 大洋海盆之间在低纬度唯一的交换通道，它在全球海洋的热盐环流中扮演重要角 色( g o r d o n , 1 9 8 6 ) 。并且i t f 和赤道西太平洋的暖池有着密切的联系( w y r t k i ， 1 9 8 9 ) ，对热量的径向输运起着不可忽视的作用，是全球气候系统的重要组成部 分，对局地乃至全球的气候变化有着不可忽略的作用，成为海洋科学界和大气科 学界关注的焦点。 1 2 印度尼西亚贯穿流系统研究现状 近代认识世界大洋洋流状况的缺口之一就是对于印度尼西亚海域的研究。 直至r o c h f o r d ( 1 9 6 1 ) ，w y r t k i ( 1 9 6 1 ) 才认识到印度尼西亚贯穿流将太平洋的海水 输运到印度洋这一事实。人们从1 9 8 0 年代中期开始认识到i t f 对于全球的重要 作用。而对于i t f 自身细致的研究直到1 9 9 0 年代才开始。 i t f 指的是从低纬太平洋到印度洋流经印度尼西亚海域的海流系统。它是 低纬度唯一的大洋之间的海流，是太平洋的淡水和热输运到印度洋的主要通道。 i t f 和全球热盐环流的之间的相互作用也是不可分割的。在太平洋深层水涌升而 最终返回至北大西洋的热盐环流中i t f 是个分支，因此i t f 的变化可以影响全 球热盐环流，进而全球大气环流发生变化。i t f 也对于太平洋和印度洋的质量， 热量，淡水收支有着重要作用，因为是通过i t f 将太平洋淡水和温度较高的水运 输至印度洋，而两大洋的状态对于大尺度海气现象如e n s o 和亚洲季风都是至 关重要，因此i t f 对于这些现象也会影响( w e b s t e r ，1 9 9 8 ；f l o r e n c h i e 和p e n g a u d ， 年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 2 0 0 2 ) ，这些是通过海气耦合作用，因此它的作用将会延伸到全球尺度。 在印度尼西亚内海的观测和模式研究表明在温越层的水团主要是通过 m a k a s s a r 海峡来自北太平洋，而更深的水团则来自通过m o l u c e a 和h a l m a h e r a 海来自南太平洋( 如图1 1 ) 。在这个区域有着众多浅海的通道连接一些大而深的 海盆，i t f 通过这些复杂的地形，所以会使得水团经过这些区域会通过混合和海 气交换而改变性质。i t f 主要通过三条海峡进入印度洋东部：o m b a i ( 3 2 5 0 m ) ， l o m b o k ( 3 5 0 m ) 和t i m o r ( 1 8 9 0 m ) 。因为后两个海峡直接和印度洋相接，所以在这 里测量对于区分太平洋，印度尼西亚海和印度洋的作用更加复杂。北太平洋温越 层和中层水认为是盐度较低相对于南太平洋。事实上i t f 的水中来自北太平洋相 对南太平洋的水对于两大洋的淡水收支平衡作用起到较大影响( m o l c a r d 等，2 0 0 1 ) 。 图1 1 印度尼西亚贯穿流流经海域( 摘自r m o l c a r d e t a l ( 2 0 0 1 ) ) 实线是表示主要由北太平洋，虚线主要由南太平洋水团构成 f i g 1 1p a t h w a y o f i n d o n e s i a n t h r o u g h f l o w ( r m o l c a r de t a l ( 2 0 0 1 ” t h es o l i db l a c ka r r o wd e n o t e sm a i nr o u t ef o rt h en l a $ s g so f n o r t h e r np a c i f i co r i g i nt h i nb r o k e n l i n e ss h o wm a i nr o u t ef o rt h em a s s e so f s o u t h e r np a c i f i co r i g i n ， 鉴于i t f 在气候系统中的重要性，前人对于1 1 r f 流量的估计已经作了很多研 2 年际尺度上i t f 流量对l o o 响应的初步研究 究。人们曾经用大量的观测和数值试验来确定r r f 的流量。基于观测和模式的估 计从0 - - 3 0 s v ( g o d f r c y , 1 9 9 6 ；m o l c a r de ta 1 ，1 9 9 6 ：g o r d o nc ta 1 ，1 9 9 9 ；p 0 t e m r ae t a 1 ，1 9 9 7 ；s c h n e i d e ra n db a r n e t t , 1 9 9 7 ；g a n a c h a u de ta 1 ，2 0 0 0 ) ，目前1 0 s v 是一个可以 接受的对i t f 长年平均年输运量的估计。 w y r t k i ( 1 9 6 t ) 基于不同来源的综合观测资料，首次对i t f 进行了详细的描 述，并对其强度变化作了讨论。其后，展开了一系列的关于印度尼西亚贯穿流区 域的海洋和大气状态和变化规律方面的研究，g o d f r e y ( 1 9 9 6 ) 就i t f 对海洋环流 和热交换影响的问题，进行了全面的综述。他指出，i t f 与全球气候变化有相当 的关联，但其影响程度还不确定；s c h n e i d e r ( 1 9 9 8 ) 利用海气耦合模式探讨了印度 尼西亚贯穿流在全球气候系统中的作用：h i r s t 和g o d f r e y ( 1 9 9 3 ) 则采用了垂向 高分辨率、水平低分辨率的大洋环流模式，v e r s e h e l l 等( 1 9 9 5 ) 采用的是约化重力 模式，s c h n e i d e r 和b a r n e t t ( 1 9 9 7 ) 在赤道采用高分辨率，在其它海域采用低分辨 率。观测表明i t f 的流量多时间尺度的特征，既有季节内变化( i n t r a s e a s o n a l ) 和 季节变化( i n t e r s c a s o n a l ) 的信号，也有年际变化( i n t e r a n n u a l ) 的信号。 q i ue ta 1 ( 1 9 9 9 ) 和m a s u m o t oc ta 1 ( 2 0 0 1 ) 认为印尼贯穿流的季节内变化是 和大气强迫的季节内变化分不开的，而且海洋内部固有的不稳定性也是重要因 素。根据1 9 2 9 1 9 3 0 年的“s n e l l i u s ”海洋调查资料和海平面纪录等。w y r t k i ( 1 9 6 1 ) 给出了印度尼西亚贯穿流的季节变化，并认为季风是最主要的影响因素；另外， 沿澳大利亚西南每岸的风通过海岸陷波的传播也对贯穿流的季节变化有一定的 贡献( m a s u m o t o 和y a m a g a t a ，1 9 9 6 ) 。 很多观测表明，i t f 还有明显的年际变化。i t f 在e 1n i f i o 期间流量减弱( 以 1 t f 流入印度洋的西向漉量为正，以下周) ，在l an i f i a 期闯流量增强。c l a r k _ 秘 l i u ( 1 9 9 4 ) 利用i t f 在印度洋入口处的南北海表高度差估计i t f 的年际变化振幅 2 5 s v ，在e 1 n i f i o 期间流量减弱。f i e u x 等( 1 9 9 4 ) 发现在1 9 8 9 年l a n i f i a 期间穿 过位于b a l i 和a t t s t r a l i a 之阔的j a d e ( 1 a v aa u s t r a i ad y n a m i ce x p e r i m e n t ) z k 文断 面有2 6 7 s v 的输送，而在1 9 9 2 年e ln i f i o 期间只有1 。4 s v 。m e y e r s ( 1 9 9 6 ) 用1 2 年( 1 9 8 3 1 9 9 4 年) 的i 一断面爪哇岛西侧( 5 0 。s ，1 0 6 9e ) 至澳大利亚西侧沿海 ( 3 0 。s ，1 1 5 4e ) x d t ( e x p e n d a b l eb a t h yt h e r m o g r a p h ) 提供了自1 9 8 3 年以来的长 期水文观测资料。该断面从a u s t r a l i a 西北的f r e m a n t l e 到s u n d a 海峡估算了i t f 年际尺度上1 t f 流量对i o d 响应的初步研究 流量。断面观测资料分析了i t f 的年际变化，注意到i t f 流量中的e n s o 信号， 即在1 9 8 8 8 9 年l an i f l a 期间流量大，而1 9 8 6 8 7 年、1 9 9 1 9 4 年e ln i f t o 期间流 量小。g o o n 和s u s a n t o ( 1 9 9 9 ) 对m a k a s s a rs t r a i t 中流场的观测发现在1 9 9 7 年1 2 月至1 9 9 8 年2 月的e ln i f i o 期间，m a k a s s a rs t r a i t 的平均流量为5 1 s v ，而在1 9 9 6 年1 2 月至1 9 9 7 年2 月的l a n i f i a 期间平均流量为1 2 。5 s v 。 既然印度尼西亚贯穿流的出口位于东印度洋。印尼贯穿流的年际变化不仅 与太平洋有关，而且也和印度洋有关联。a l l a n 和h a y l o c k ( 1 9 9 3 ) 根据1 9 1 1 年至 1 9 8 9 年期间的观测资料发现，印度足西亚贯穿流与印度洋s s t 有较强的相关， 即i t f 近几十年的增强趋势对应于印度洋s s t 的变化特征。m e y e r s ( 1 9 9 6 ) e o f 分析的第二模对总变化的贡献约为1 9 ，大振幅区在断面的北部，即印度尼西亚 海岸。他的分析表明，第二模与赤道中、东印度洋上空的纬向风应力异常( z o n a l 诵n ds t r e s sa n o m a l y ) 有密切联系，指出第二模应来源于印度洋，即印尼贯穿流的 年际变化还要受到印度洋年际变化信号的影响。s a j i 等( 1 9 9 9 ) 和w e b s t e r 等 ( 1 9 9 9 ) 分析了海洋和大气的观测资料和再分析资料，认为印度洋海域的海气相 互作用能够导致产生年际变化信号。i t f 流量在e ln i f i o 期间偏小、l a n i f i a 期 间偏大的总体趋势比较确定，而关于印度洋温度年际变化信号与i t f 流量的关 系，以及两大洋的年际异常如何共同影响i t f 的变化尚有不同的观点( m u r t u g u d d e e ta l ，1 9 9 8 ；m a s u m o t o ，2 0 0 2 ) 。李薇( 2 0 0 4 ) 模拟结果中i t f 流量与太平洋、印 度洋年际异常的关系不是固定不变的，在某些年份( 例如1 9 9 4 年) ，印度洋偶极 子强信号对i t f 流量的作用超过了e n s o 信号的影响。i t f 流量与两大洋年际 异常在不同年份表现不同的相关性，可能与r r f 流量的年代际变化有关。 m e y e r s ( 1 9 9 6 ) 根据i x l 断面观测的温盐资料，发现在i t f 流入印度洋的断面存 在两个显著模态。第一模态是e n s o 型，第二模态来自赤道印度洋。m u r t u g u d d e 等人( 1 9 9 8 ) j 拄行了对印度洋风场年际信号的敏感性试验，发现若移除印度洋风场 的年际信号，则模拟i t f 与南方涛动指数的相关明显增强。m a s u m o t o ( 2 0 0 2 ) 的 模拟结果强调，较之e n s o ，东印度洋海表高度与i t f 流量年际变化的相关更 强。在某些时段，印度洋的影响作用也可能成为主导。1 9 9 4 年的i t f 流量异常 就是与印度洋年际信号显著相关的例子。1 9 9 4 年是弱的e l n i i i o 年，按照与e n s o 指数的负相关是出现i t f 流量负异常，而同时在印度洋出现强的i o d 正位相， 年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 并且i o d 指数的振幅甚至超过n i f i 0 3 4 指数。在这种情况下，观测资料和模式模 拟结果一致显示该年出现了i t f 流量的正异常。这个现象体现了印度洋年际异常 导致j a v a 沿岸的海表高度负异常而形成i t f 较大的流量。也就是说，此时i t f 流量主要受到印度洋年际异常的控制，通过纬向风异常的局地作用。 i t f 年际特征对太平洋暖池的热含量变化以及热带东印度洋环流形态都具 有重要的影响。王东晓等( 2 0 0 3 ) 利用热带东印度洋海洋上层热含量距平的增长， 估计印度尼西亚贯穿流的流量。这种间接估计表明热带东印度洋在1 9 9 7 1 9 9 8 e 1n i f i o 期间的异常是可以部分经由热带西太平洋距平通过贯穿流而引起的。李 雁领等( 2 0 0 4 ) 用一个耦合模式f g c m 来说明印度尼西亚贯穿流对海面高度季节 和年际变化的影响，同时进行了印度尼西皿完全关闭的敏感性试验，与控制试验 结果表明印度尼西亚贯穿流可以显著形响热带太平洋和印度洋年际变化的特征。 首先提出太平洋和印度洋赤道纬向风可以强迫i t f 变化的想法是由c l a r k e 和l i uf 1 9 9 4 ) 提出来，他们考虑到时间尺度超过一年，所有的赤道和沿岸波瞬动 都会消失。利用观测到的风资料和简单的模式模拟波动，预测当在i t f 两侧的压 强在年际尺度上时变化，体积输运量改变。长期观测表明太平洋低频( 年际) 的风 能量能穿过印度尼西亚区域，向南沿着澳大利亚西部海岸，而调制那里的海表高 度和温越层深度这几乎与e n s o 同位相。波动能量是来自赤道太平洋中部的纬 向风异常而产生的赤道r o s s b y 波，传至新几内亚沿岸和赤道交汇处成为岸界波， 这些沿岸陷波沿着新几内亚西部传播，然后在澳大利亚西部向南极地方向传播。 太平洋风强迫的波动能量向西传播穿过b a n d a 海和热带印度洋南部而成为自由 r o s s b y 波，这些波动在几个月之内由于对当地的季风的响应而增强。 1 3 热带印度洋气候变率的研究回顾 自2 0 世纪6 0 年代b i e r k n e s ( 1 9 6 9 ) 首次将海温异常的研究引入热带海洋，并 提出了海温异常与全球大气环流和气候变化的遥相关概念之后，海洋在全球气候 形成和变化中的作用已来越为人们所重视。由于地理位置的差异，不同地区海洋 与大气相互作用的特征也不相同。对于热带太平洋强劲的年际变化信号e n s o ， 人们已经有了较为清晰的认识。对于热带大西洋在区域气候变率中的重要作用， 人们的认识水平也逐步加深。相对而言，关于热带印度洋气候及其变率较少，目 年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 前已经成为关注的热点。 印度洋是世界第三大水体，占地球水表面积的2 0 ，北面为南亚大陆环绕， 西部是阿拉伯半岛和非洲高地，东部是马来半岛、s u m a t r a 群岛和澳洲大陆，南 邻南极洲。与热带太平洋和大西洋相比，虽然热带印度洋是最小的，但其独特的 地理状况导致北印度洋受到强大的亚洲季风和东非季风的影响，东南印度洋受到 i t f 的作用，使得印度洋呈现出独特的海洋特征。 研究表明，北印度洋海表温度( s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ，s s d 的季节变化具有 鲜明的季风特征，赤道西印度洋s s t 的季节循环受季风影响较显著，而赤道中 东印度洋s s t 的季节循环特征则不明显。在北半球冬季，暖池区明显扩大，向 西达到非洲东岸，而在北半球夏季，暖池区的范围明显东缩，此时孟加拉湾比阿 拉伯海要暖，热带印度洋s s t 的变化呈现出明显的逆北半球太阳辐射季节变化 的特征。研究还发现印度洋，特别是2 0 。s 以北的热带印度洋s s t 的变化具有 显著的整体一致性，而南印度洋s s t 的年际振荡幅度远强于热带印度洋。其演 变特征更多地与西太平洋暖池s s t 变化相协调( 周天军等，2 0 0 1 ) 。 在所有的热带海洋中，尽管印度洋是最小的，但是其行为特征却是最复杂 的，也是迄今为止我们了解最少的。事实上，印度洋是研究各种海洋一大气现象 最理想的“实验室”。在这里，季风、信风、海洋热带辐合带( o c e a nt r o p i c a l c o n v e r g e n c ez o n e ，o t c z ) 、暖池、海岸环流、赤道环流、副热带环流，对其研究 具有重要的科学意义。 印度洋上空的大气环流强烈地受到印度季风的影响，具有明显的季节循环特 征。海表温度的季节变化和表面风紧密联系在一起。陈烈庭( 1 9 8 8 ) 分析了印度洋 海温季节变化的特征，指出印度洋南部和北部的海温分布是迥然不同的。晏红明 等( 2 0 0 0 ) 对热带印度洋海表温度距平场的时空特征进行了分析，发现其空间分布 主要存在三种定常型，即全区一致型、东西差异型和南北差异型。最近的一些研 究进一步发现，在赤道附近的洋面上，除了太平洋东西部海温的偶极振荡外，印 度洋地区也有明显的偶极振荡现象。1 9 9 7 年下半年发生了2 0 世纪最强的一次厄 尔尼诺事件，印度季风降水却趋于正常，非洲出现了大洪水，而印尼却出现了罕 见的干旱天气，后来人们发现，是由于热带印度洋海温东部出现负距平，而西部 出现正异常。这一现象引起了人们对印度洋异常海温偶极振荡及其作用的极大重 年际尺度上1 t f 流量对i o d 响应的初步研究 视。 s a j i 等( 1 9 9 9 ) 提出了热带印度洋偶极子模( i n d i a no c e a nd i p o l em o d e ，简称 i o d ) ，并分析了印度洋异常海温，这个i o d 建立了指标，用于反映i o d 的变 化i o d 指标实质上是西赤道印度洋( 1 0 。s l o 。n ，5 0 。e 一7 0 。e ) 与东南赤道 印度洋( 1 0 。s - 0 4 ，9 0 4e i 1 0 4e ) 之问海表温度( t h es u r f a c es e at e m p e r a t u r e a n o m a l i e ss s t a ) 的差值。李崇银等( 2 0 0 1 ) 认为，赤道印度洋偶极子有两个稳定态： 西高东低( 正位相) 、西低东高( 负位相) ，正位相强度要大于负位相，它既有年际 变化( 4 5 年) ，也有年代际变化( 2 5 3 0 年) ，同时海温偶扳子还有清楚的季节变 化，9 一1 1 月最强，1 4 月最弱。 w e b s t e r 等( 1 9 9 9 ) 认为印度洋异常海温偶极子可能是印度洋内部的特征动力 模态，是与e n s o 无关的独立结构。m u r t u g u d d e 等( 2 0 0 0 ) 认为，异常东风强迫的 东传k e l v i n 波使得东印度洋的斜温层变浅，s u m a t r a 的沿岸风使得东印度洋的冷 却加强，风和经向平流造成，由下沉的r o s s b y 波维持。v i n a y a c h a n d r a n 等( 2 0 0 2 ) 模拟结果表明，在偶极子正位相期间，东风异常强迫上翻的赤道k e l v i n 波，在 印度洋东岸反射为西传上翻的r o s s b y 波，在r o s s b y 波传过后，东印度洋的异常 减弱。但也有研究表明印度洋偶极子是由太平洋偶极引起的。陈烈庭等( 1 9 8 8 ) 的 研究表明：西印度洋海温有明显的年际变化，且与赤道东太平洋海温有密切正相 关，e ln i f i o 年( 反) ，赤道太平洋海温异常偏暖( 冷) ，西印度洋冷水区海温也显著 偏离( 低) ，印度洋东瑷西冷的梯度减弱( 加强) 。 1 4 本文工作的主要思想和内容安排 从以上的回顾我们可以知道，印度洋海温年际变化和i t f 到底存在何种联 系，这是目前仍不清楚的问题。i t f 经由太平洋最终进入印度洋，其中穿过许多 地形复杂的海峡。因此对于l t f 的观测造成一定困难。对i t f 流量的观测从2 0 世纪8 0 年代后期较为系统地展开，而且时间序列较短。m e y e r s ( 1 9 9 6 ) 对于i t f 观测分析从1 9 8 3 年5 月到1 9 9 4 年1 1 月，分析得到了e n s o 信号。显然i t f 包 含了太平洋和印度洋的年际信号。目前在观测方面，只有i x i 断面有长期的观测 序列可以用于 t f 的年际变化研究( m e y e r s ，1 9 9 6 ；w i j f f e l s 和m e y e r s ，2 0 0 4 ) ， 而其它海峡和断面的年际变化只能通过对不同年份的观测资料对比得到。因此， 年际尺度上l t f 流量对l o d 响应的初步研究 本文利用长时间序列0 9 5 8 - 2 0 0 0 海洋同化资料s o d a 再现i t f 的基本特征， 进而研究i t f 的年际变化。 i t f 主要是由太平洋和印度洋之间的压力梯度驱动的，也就是说i t f 流量直 接受到其上游的西太平洋沿岸( 赤道以北) 与下游的印度洋出口处的海表面高度 ( s e as u r f a c eh e i g h t ，s s h ) 之差的控制a 对于i t f 流量和e n s o 期问变化规律已有 前人对其详细分析，而对于i t f 和印度洋偶极子之间的联系尚未详尽论述，本文 试图利用海洋同化资料来阐述i t f 是如何对于i o d 响应的，进一步结合前人分 析来综合分析e n s o 和i t f 以及其与 o d 的关系。即热带太平洋海温异常积热 带印度洋海温异常对于n 下流量变化的协同作用。 本文拟第一章为绪论，简单叙述了i t f 研究现状和印度洋海温变率以及i o d 概念，阐述了国内外研究进展，简要分析了目煎研究中存在的不足，进而提出了 本文要研究的几个问题。第二章主要介绍本文所使用的资料和方法。第三章分析 通过资料得到i t f 流量的合理性以及年际变率基本特征。第四章分析i t f 对于 i o d 的响应，进而分板l o t ) 对于i t f 年际尺度上流量的作用。第五章针对i t f 是连通赤道太平洋和印度洋低纬度的唯一海洋通道，分析i t f 与e n s o 和i o d 的协同关系。第六章对全文进行总结和讨论，对将来的工作进行展望。 年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 2 资料和方法 2 1 资料说明 本文采用美国s o d a ( t h es i m p l eo c e a nd a t aa s s i m i l a t i o n ) i 4 2 版本( c a r t o n a n dg i e s e ，2 0 0 5 ) 。资料数据其时间跨度从1 9 5 8 年1 月到2 0 0 1 年1 2 月，模式区 域纬向环绕全球，经向在- - 7 5 2 5 0 s 一8 9 2 5 “n 之间，空间分辨率为0 5 。o 5 。， 垂向分层为4 0 层，最大深度达到5 3 7 4 m ，垂向分层不均匀，从上至下各层中心 深度为5 ，1 5 ，2 5 ，3 5 ，4 6 ，5 7 ，7 0 ，8 2 ，9 6 ，1 1 2 ，1 2 9 ，1 4 8 ，1 7 1 ，1 9 7 ，2 2 9 ， 2 6 8 ，3 1 7 ，3 8 1 ，4 6 5 ，5 7 9 ，7 2 9 ，9 1 8 ，1 1 3 9 ，1 3 7 8 ，1 6 2 5 ，1 8 7 5 ，2 1 2 5 ，2 3 7 5 ， 2 6 2 4 ，2 8 7 4 ，31 2 4 ，3 3 7 4 ，3 6 2 4 ，3 8 7 4 ，4 1 2 4 ，4 3 7 4 ，4 6 2 4 ，4 8 7 4 。51 2 4 ，5 3 7 4 m 。模式输出为月平均，共5 2 8 个月。输出变量有位温、盐度、流速、海表高度、 海表风应力。其运行中同化了大量的观测资料，使s o d a 资料更能真实的反映 海洋状况。 2 t2 方法簿介 2 2 i 线性相关 用来描述鼯个时阀序列间相互关系的方法，主要用相关系数 2 击喜c 警，c 学， 2 。 表示，其中 s k ，毋分别表示第女，第m 、变量的标准差，的绝对值越大，表示两者的关系越密切a 实际研究工作中最通用相关性检验方法是直接查相关系数检验表。 2 2 ，2 经验正交函数( f o f ) 经验正交函数( e o f ) 最早是由统计学家p e a r s o n 在1 9 0 2 年提出来的，5 0 年代 中期l o r e n z 将其引入大气科学研究领域。7 0 年代中期后，由于计算机技术的迅 速发展，e o f 分析技术在气候诊断研究中得以充分应用。由m 个相互关联的变 量，每个变量有1 1 个样本，构成矩阵形式x 。对x 进行线性变换，即由p 个变 年际尺度上i t f 流量对i o d 响应的初步研究 量线性组合为一个新变量： z p n 2 a ”m x x m “ 2 2 称z 为原变量的主分量，a 为线性变换矩阵。这一过程将原来多个变量的大部分 信息最大限度地集中到了少数独立变量的主分量上。 进行主量分析，将n 1 个空问点n 次观测构成的变量x 。看作是p 个空间特征 向量和对应的时间权重系数的线性组合： l 一2 m 。乙 2 3 这里称t 为时间系数，称v 为空间特征向量。这一过程将变量场的主要信息集 中到用几个典型特征向量来表现。 因此前几项特征向量最大艰度地表征了某一区域气候变量场的变率分布特 征。它们所代表的空间分布型是该变量场典型的分布结构。特征向量所对应的时 间系数代表了这区域由特征