elnino事件中太平洋潜流变化的物理机制

elnino事件中太平洋潜流变化的物理机制

自克伦威尔于20世纪50年代初发现以来，许多海洋学家对其进行了研究，重点是河流潜水员和渔业之间的关系。直到20世纪80年代,随着ElNino和LaNina事件不断交替出现,对全球气候带来严重影响时,人们才意识到赤道太平洋潜流对赤道东太平洋的上层温度、盐度以及其上空气候变化有着重要影响,因此对赤道潜流进行了较多的研究,进而提出了赤道潜流输送带理论。但上述工作的重点是放在对于赤道潜流本身的研究上,对潜流在赤道异常海温东传中的作用的研究,特别是对于西太平洋暖池区域的异常海温东传中的贡献的研究涉及较少。ENSO循环过程的异常现象给全球带来严重的灾害,ENSO循环过程的重要机制是由于赤道西太平洋暖池区域的次表层异常海温沿赤道温跃层向东传播所致,与北赤道流区由东太平洋向西传播的异常海温构成了一个异常海温信号传播通道,这一信号传播通道对ENSO循环过程的维持起到了重要作用。但是在这些研究中只是揭示了在ENSO循环过程中,西太平洋暖池区域异常海温沿赤道温跃层向赤道东太平洋传播现象,未给出异常海温东传的机制。本文应用最新的实测资料和最优同化资料,探讨在ElNino事件发生过程中,赤道潜流对异常暖水东传的贡献,为ENSO循环过程提供新的机制。1海流资料及海流资料(1)本文应用了由TOGA-TAO提供的1988-2003年逐日沿赤道110°W,140°W,170°W,165°E,147°E深度为10～500m实测海流资料(ADCP)。(2)由美国马里兰大学提供的月平均海温和海流资料(SODA),时间序列为1950-2002年。2赤浮流量变化特征2.1潜流的季节变化对1950-2002年共43年,深度为7～400m,沿赤道纬向流进行分析,计算出了赤道-深度剖面气候平均场。由图1可以看出,潜流常年存在于赤道太平洋,其流轴是以赤道为中心,最大范围可扩展到南北纬2度之间,最小范围在南北纬1度左右。潜流最大值中心位于130°W～160°W的海表以下50～200m,潜流具有明显的季节变化,在一年中,最大潜流出现在3～5月份,其平均最大流速可达100cm/s以上。最小潜流出现在11～1月份,其平均最大流速在40～50cm/s。潜流的另一特点是,其流轴中心基本是沿20℃等深线变化,潜流的西边界基本位于西太平洋140°E左右,冬季可以东撤到150°E以东,夏季可向西扩展到130°E,其季节差可达20个经度。潜流的东边界平均位置为100°W,冬季的位置可达80°W,而夏季位置较冬季偏西,基本位于100°W左右,季节差可达20个经度。深度自西至东是由深变浅,由赤道西太平洋的100～200m至赤道东太平洋的50～100m。2.2elnino事件发生之前的潜流特征在气候的季节变化中,海洋的季节变化起重要作用,而在气候的长期变化过程中,特别是在全球的异常气候变化中,海洋的年际变化则显得更为重要。ENSO循环过程就是最好的例证。为此,本节将重点讨论潜流的年际变化特征,进而探讨其在ENSO循环过程中所扮演的角色。为了真实反映赤道潜流的变化特征,对沿赤道5个观测站(110°W,140°W,170°W,165°E,147°E)的实测海流资料进行分析。结果发现,110°W和140°W的潜流明显较其他观测站偏强,深度也较其他站偏浅。图2是110°W和140°W实测潜流(50～100m的平均流速)变化过程,由图2可以看出,在观测期间,经历了两次ElNino(1997/1998年,2002年)。尤其是1997/1998年ElNino事件发生期间,110°W和140°W的潜流均有明显的增强过程,最大流速均达到200cm/s。2002年的流速相对偏弱一些,但最大流速也超过150cm/s。为了弥补沿赤道观测资料的不足,利用SODA资料进一步分析赤道潜流的年变化特征,由分析可知,SODA资料与实测资料的变化趋势基本一致,与文献的结论一致。因此,可以用SODA同化资料来替代实测资料进行潜流以及异常海温的研究。3全热带潜流的年际变化由上述实测资料分析结果表明,在赤道区域的潜流变化无论是季节变化还是年际变化均存在明显的变化特征,尤其是在年际变化中,潜流变化的异常最大值均出现在ElNino发生年。为了进一步探讨潜流与ElNino的关系,将对潜流及其异常海温的年际变化特征做深入的研究。为了与实测资料的一致性,仍选用SODA资料中110°W和140°W的潜流和海温进行分析。图3是根据SODA资料绘制的沿赤道110°W和140°W海温和潜流分别在60～150m的平均流速的异常变化时间序列曲线图。由图3可以清楚地看出,在140°W和110°W处的潜流变化与ElNino发生存在较好的对应关系,特别是20世纪80年代以后,ElNino的发生与潜流的强度变化呈现显著的相关关系。由110°W和140°W处的潜流和海温的相关分析可知,在110°W处,潜流变化超前海温一个月的相关系数最大(r=0.5,样本=612),而在140°W处,潜流变化超前海温6个月相关系数最大(r=0.4,样本=612)。这一结果说明,赤道异常海温东传滞后于潜流加强,而且140°W的滞后时间明显大于110°W。为了解沿赤道潜流的年际变化特征,分析了沿20℃海温深度的海流u分量的变化。结果表明,沿赤道的潜流年际变化具有显著的年际变化特征,特别是在ElNino发生年之前,在中东太平洋就出现了较强的东向流,其流速均达到或超过100cm/s(图4)。为更清楚地说明赤道潜流与海温之间的内在联系,选取了3次较强的ElNino事件(1982/1983年,1986/1987年,1997/1998年)作为个例分析。通过分析可知,在1982年4月的赤道潜流明显增强,在130°W左右的最大流速可达140cm/s以上,较多年平均流速大40cm/s。7月和11月的赤道潜流流速仍然维持在100和80cm/s以上,较多年平均流速均大于40cm/s。在1983年1月份的潜流明显减弱,但4月份位于赤道西太平洋的潜流明显加强,7月份其最大潜流中心已东移到中太平洋,流速已达100cm/s。在这期间,赤道异常海温东传与潜流具有密切的关系。当潜流较弱时,异常海温东传的速度相对较慢,而当潜流增强时,异常海温东传的速度相对较快(图5)。1986/1987年和1997/1998年2次ElNino过程也具有1982/1983年的相同变化特性,其共同特点就是在ElNino发生前期,赤道潜流均出现明显增加过程(图略)。4区域潜流的年际变化特征根据以上分析结果,可清楚地了解赤道潜流不仅具有明显的季节变化特征,而且具有显著的年际变化特征。它的年际变化与异常海温东传存在密切的关系。赤道潜流的多年气候平均场是以赤道为中心,南北跨度最大为2个纬度,最大流速中心位于130°～160°W,其深度维持在50～200m。最大流速可达100cm/s左右。最小流速也维持在40cm/s左右。赤道潜流的西边界平均位置在140°E左右,最西可达130°E。赤道潜流的东边界平均位置大约在100°W,最东可达80°W。赤道潜流的年际变化特征非常明显。一是赤道潜流最大中心强度有较大的变化,在ElNino期间的潜流最大中心的流速明显增强,潜流最大流速均超过100cm/s,最大流速可达140cm/s以上。二是潜流范围明显扩大,其深度可由表层至300m深。赤道潜流增强与异常海温东传具有密切关系。在中东赤道太平洋潜流异常增强期间,