基于流函数空间投影的热带西太平洋水文诊断新探

基于流函数空间投影的热带西太平洋水文诊断新探一、引言1.1研究背景与意义热带西太平洋，作为全球海洋中至关重要的组成部分，在全球气候系统里占据着举足轻重的地位。这片海域是全球最大热源——西太平洋暖池的所在地，其年均表层海水温度（SST）大于28℃的区域，是全球海-气相互作用最为强烈的区域。它为大气环流源源不断地提供着大量的热量和充沛的水汽，深刻影响着全球的气候格局。从热量输送角度来看，海洋混合层热结构的变动在气候和大气环流变化中起着关键作用。混合层的辐合和辐散过程通过埃克曼抽吸效应影响深层海洋环流，反之又通过改变混合层热状态影响大气运动。热带西太平洋吸收的太阳辐射热量，很大一部分会以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气，驱动大气运动。地球上已增加的热含量约80％存在于世界大洋中，而热带西太平洋在其中扮演着关键角色，其热含量的异常变化会导致整个热带太平洋地区的大气环流和海洋环流变异，进而对全球气候变化产生深远影响。同时，热带西太平洋是厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和台风等重要海-气相互作用事件的发源地。在ENSO期间，热带西太平洋海温、热含量等水文要素的异常变化，会引发全球气候异常，如降水分布改变、极端气候事件增多等。台风的形成和发展也与热带西太平洋的水文条件密切相关，温暖的海水、合适的风切变等因素为台风的生成和增强提供了条件。在海洋学研究领域，深入了解热带西太平洋的水文特性是至关重要的。然而，由于该海域海洋动力过程极为复杂，受到季风、信风、洋流、地形等多种因素的综合影响，使得对其水文特性的研究充满挑战。例如，在该海域，季风和信风的季节性变化会导致海水的水平和垂直运动发生改变，进而影响温跃层的深度和强度；复杂的海底地形会使洋流的路径和流速发生变化，增加了研究的难度。并且，该海域观测数据稀缺，传统的研究方法大多基于物理空间的定性描述，难以全面、准确地揭示其水文特性。流函数空间投影方法为解决这些问题提供了新的思路和途径。通过将历史水文数据投影到斜压流函数空间上，该方法能够获取整个海流垂直方向的水文结构，有效减少中尺度涡旋和海流非线性所引起的水文噪音，使研究者能够将所有的历史数据作为一个整体进行诊断分析。在研究南极绕极流等强流区中，这种方法已得到成功应用，在获取水团分布演变、经向热量输送以及低频变化等信息方面展现出独特优势。将流函数空间投影方法应用于热带西太平洋的水文诊断研究，有望突破传统研究的局限，更深入地了解该海域的水文特性，包括水团结构、温盐分布、环流特征等，为海洋学研究提供更丰富、准确的数据支持。从气候预测角度而言，热带西太平洋热含量的异常变化是气候异常的重要先兆。赤道西太平洋温跃层以浅的热含量在ENSO发生之前有明显的积聚，其变化明显领先于赤道东太平洋SSTA的变化，领先时间可达数月之久。通过流函数空间投影方法对热带西太平洋水文进行诊断研究，能够更准确地捕捉热含量等水文要素的变化，提高对ENSO等气候事件的预测能力，提前做好应对措施，减轻气候异常对人类社会和生态环境的影响。综上所述，利用流函数空间投影方法对热带西太平洋进行水文诊断研究，无论是对于深入理解海洋内部的物理过程，丰富海洋学理论，还是对于提高气候预测的准确性，保障人类社会的可持续发展，都具有重要的理论和现实意义。1.2国内外研究现状在热带西太平洋水文研究领域，国内外学者运用流函数空间投影方法开展了一系列探索，取得了丰富的成果。国外方面，早期的研究主要聚焦于海洋环流与水团结构的初步分析。学者们通过对有限的水文数据进行简单的投影处理，尝试揭示该海域的一些基本水文特征。随着技术的发展和数据的积累，流函数空间投影方法不断完善。例如，有研究利用该方法对热带西太平洋的温盐结构进行深入分析，发现了不同水团在流函数空间中的独特分布模式，为理解海洋内部的混合与交换过程提供了新视角。在研究热带西太平洋的环流特征时，流函数空间投影方法也发挥了重要作用，帮助学者们更清晰地识别出主要的洋流路径及其季节性变化。国内的研究起步相对较晚，但发展迅速。在过去几十年里，国内学者在运用流函数空间投影方法研究热带西太平洋水文特性方面取得了显著进展。一些研究通过对历史水文数据的系统分析，构建了高精度的流函数空间模型，成功捕捉到了该海域水团的复杂时空演变规律。例如，有学者利用2000-2012年的137°E断面资料研究了北赤道流海域温度、盐度、溶解氧及三种营养盐的流函数空间分布特征，结果表明地转经验模态（GEM）方法能够捕获温跃层附近超过80%的水文变化，提出一种基于盐度垂直梯度的水团边界定义，以此分析了北太平洋热带水和中层水的结构特征。还有学者通过分析TRITON潜标资料和Argo数据深入研究了赤道西太平洋海区的垂向水文结构及年周期罗斯贝波的传播特征，并进一步发展了适用于赤道海区的地转经验模态（GEM）方法。通过构建参量为SSH，压力和月份的赤道GEM场（E-GEM），显著改进了传统GEM方法的次表层水文反演效果，将温跃层附近温度的反演误差减小了20%，并且能够抓住深海超过50%的温度变化。然而，已有研究仍存在一些不足之处。一方面，尽管流函数空间投影方法在减少水文噪音、获取整体水文结构方面具有优势，但在处理复杂的海洋动力过程时，仍面临挑战。例如，在热带西太平洋，中尺度涡旋和海流的非线性相互作用极为复杂，现有方法在准确刻画这些过程对水文特性的影响方面还存在一定局限。另一方面，数据的质量和数量对研究结果的准确性和可靠性有着重要影响。热带西太平洋观测数据稀缺，部分数据存在质量问题，这限制了流函数空间投影方法的应用效果。不同来源的数据在精度、时空分辨率等方面存在差异，如何有效整合这些数据，提高数据的利用效率，也是亟待解决的问题。在研究内容上，目前对热带西太平洋水文特性的研究主要集中在温度、盐度等基本要素，对于其他重要的水文参数，如溶解氧、营养盐等的综合研究还相对较少，难以全面揭示该海域的生态环境变化与水文过程之间的相互关系。1.3研究目标与内容本研究旨在利用流函数空间投影方法，突破传统研究的局限，深入揭示热带西太平洋的水文特性，为海洋学研究和气候预测提供坚实的数据支持。具体研究内容如下：水团结构分析：利用流函数空间投影方法，对热带西太平洋的水团结构进行深入分析。通过构建高精度的流函数空间模型，将历史水文数据投影到该空间上，获取水团在垂直方向上的分布特征。基于此，准确识别不同水团的边界和范围，分析其时空演变规律，探究水团之间的混合与交换过程，以及这些过程对海洋生态系统的影响。温盐分布研究：研究热带西太平洋的温度和盐度分布特征。通过流函数空间投影，减少中尺度涡旋和海流非线性对温盐信号的干扰，获取更准确的温盐垂直分布信息。分析温盐在不同季节、不同区域的变化规律，以及温盐异常对海洋环流和气候的影响机制。例如，研究温盐异常如何通过影响海水密度，进而改变海洋环流模式，最终对全球气候产生影响。环流特征研究：揭示热带西太平洋的环流特征。利用流函数空间投影方法，分析环流的流速、流向在垂直方向上的变化，识别主要的洋流路径和环流系统。研究环流的季节性变化和年际变化规律，以及环流与水团结构、温盐分布之间的相互关系。例如，探究环流如何影响水团的输运和分布，以及温盐分布的差异如何驱动环流的变化。营养盐分布分析：首次应用流函数空间投影方法分析热带西太平洋营养盐的垂向分布特征。研究氮、磷、硅等营养盐在不同水层的含量和分布规律，以及营养盐分布与水团结构、环流特征之间的耦合关系。分析营养盐分布对海洋生态系统的影响，例如，研究营养盐的变化如何影响浮游生物的生长和繁殖，进而影响整个海洋食物链。改进流函数空间投影方法：针对热带西太平洋复杂的海洋动力过程和现有数据的局限性，对流函数空间投影方法进行改进和优化。结合最新的观测技术和数据处理方法，提高对中尺度涡旋和海流非线性过程的刻画能力，提升水文诊断的准确性和可靠性。例如，尝试将卫星遥感数据、Argo浮标数据等多源数据与流函数空间投影方法相结合，充分利用不同数据的优势，弥补单一数据的不足，从而更全面、准确地揭示热带西太平洋的水文特性。二、流函数空间投影方法原理与数据处理2.1流函数空间投影方法原理流函数空间投影方法是一种基于斜压流函数空间的数据分析技术，其中地转经验模态（GEM）方法是该领域的重要代表。其核心在于将复杂的历史水文数据投影到斜压流函数空间，以此获取海流在垂直方向上的详细水文结构。在海洋研究中，海洋动力过程极为复杂，中尺度涡旋和海流非线性现象普遍存在。中尺度涡旋作为海洋中的重要现象，其水平尺度通常在10-500公里之间，垂直尺度可达千米，生命周期从数天到数年不等。这些涡旋携带巨大能量，会对海水的温度、盐度等水文要素进行重新分布，使得观测数据中包含大量噪音，掩盖了海洋的真实水文特性。海流的非线性则表现为海流速度、方向的复杂变化以及不同海流之间的相互作用，进一步增加了水文数据的复杂性。GEM方法的数学原理基于地转平衡方程和斜压流函数的定义。在海洋中，地转平衡是一种基本的动力平衡状态，它描述了水平方向上科氏力与压强梯度力的平衡关系。对于二维水平流动，地转平衡方程可以表示为：fv=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partialp}{\partialx}-fu=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partialp}{\partialy}其中，u和v分别是水平流速在x和y方向上的分量，f是科氏参数，\rho_0是海水的参考密度，p是压强。为了简化对复杂海洋流场的描述，引入斜压流函数\psi，通过它可以将流速分量表示为：u=-\frac{\partial\psi}{\partialy}v=\frac{\partial\psi}{\partialx}将这两个式子代入地转平衡方程，就可以得到关于斜压流函数\psi的方程，从而建立起流函数与海洋动力过程之间的联系。在实际应用中，GEM方法通过构建一个由斜压流函数特征模态组成的空间，将历史水文数据投影到这个空间上。假设我们有一组历史水文观测数据\{D_i\}，其中i=1,2,\cdots,N，N是数据样本的数量。这些数据可以包括温度、盐度、流速等多种水文要素。首先，对数据进行预处理，去除明显的坏点和不符合区域水文特性统计结构的数据点。然后，通过经验正交函数（EOF）分解等方法，从数据中提取出主要的变化模态。EOF分解是一种常用的数据分析方法，它可以将一个数据集分解为一组相互正交的空间模态和对应的时间系数。对于水文数据D(x,y,z,t)，其EOF分解可以表示为：D(x,y,z,t)=\sum_{n=1}^{M}a_n(t)\varphi_n(x,y,z)其中，\varphi_n(x,y,z)是第n个空间模态，a_n(t)是对应的时间系数，M是模态的数量。这些空间模态反映了数据在空间上的主要变化模式，时间系数则描述了这些模式随时间的变化。在GEM方法中，选取的空间模态就是斜压流函数的特征模态，它们能够捕捉到海洋流场中主要的动力信号。通过将水文数据投影到这些特征模态上，就可以得到在流函数空间中的表示。在流函数空间中，中尺度涡旋和海流非线性所引起的高频噪音信号会被有效地过滤掉，因为这些噪音信号通常分布在高阶模态中，而主要的水文结构信息则集中在低阶模态中。这样，我们就能够从复杂的水文数据中提取出更准确、更清晰的海洋环流、水团结构等信息。例如，在研究热带西太平洋的水团分布时，通过GEM方法投影后的流函数空间，可以清晰地看到不同水团在垂直方向上的分布特征，以及它们随时间的演变规律，为深入理解海洋内部的物理过程提供了有力的工具。2.2数据来源与处理本研究采用的数据主要来源于多个权威的海洋观测项目和数据库，旨在全面、准确地获取热带西太平洋的水文信息。数据来源涵盖了多个方面，其中ARGO浮标数据是重要组成部分。ARGO计划是一个大范围的全球温盐剖面浮标观测网，自2000年开始投放浮标，目前已成为海洋观测系统的关键组成部分。通过该计划，能够获取全球大洋上层的温度、盐度等水文要素的剖面数据，为研究热带西太平洋的垂向水文结构提供了丰富的数据支持。在中国Argo实时资料中心，大量的浮标数据被实时收集和整理，这些数据具有较高的时空分辨率，能够较好地反映海洋水文要素的动态变化。WOCE（WorldOceanCirculationExperiment）断面观测资料也是不可或缺的数据来源。WOCE是一项旨在研究全球海洋环流及其在气候系统中作用的国际合作项目，其收集的断面观测资料包含了多个关键海域的水文信息，对于研究热带西太平洋的水团结构、环流特征等具有重要价值。这些资料通过严谨的观测和记录，涵盖了温度、盐度、流速等多种水文参数，为深入分析该海域的海洋动力过程提供了坚实的数据基础。此外，本研究还参考了美国海洋资料中心（NODC）发布的WOD（WorldOceanDatabase）数据。WOD数据集中整合了全球范围内的海洋观测数据，包含了WOCE断面观测资料以及其他众多海洋调查项目的数据，数据来源广泛，时间跨度长，能够为研究热带西太平洋水文特性的长期变化提供丰富的历史数据。在数据处理方面，首先进行数据筛选。由于研究区域为热带西太平洋，根据其地理位置范围，筛选出位于该区域内的数据。对于ARGO浮标数据，依据浮标的经纬度信息，提取出在热带西太平洋范围内的观测数据；对于WOCE断面观测资料和WOD数据，同样根据断面位置和站点分布，选取位于研究区域内的数据，以确保数据与研究区域的相关性。数据质量控制是至关重要的环节。在实际观测过程中，由于仪器故障、环境干扰等因素，数据可能存在误差或异常值。为了确保数据的可靠性，首先去掉测量中的明显坏点，例如温度或盐度值超出合理范围的数据点。同时，利用温-深、盐-深、温-盐曲线进行质量控制。通过分析这些曲线的变化趋势，判断数据是否符合该区域水文特性的统计结构。对于不符合的点，进行进一步的核实和处理，如与其他同期观测数据进行对比，或者参考相关的海洋学知识进行判断，以排除异常数据对研究结果的影响。数据预处理也是必不可少的步骤。由于不同来源的数据在格式、单位等方面可能存在差异，需要进行统一的标准化处理。将所有数据的单位统一为国际标准单位，例如温度统一为摄氏度（℃），盐度统一为实用盐度单位（PSU）。对于数据格式，将其转换为便于分析和处理的格式，如常见的NetCDF格式，方便后续的数据读取和分析。同时，对数据进行插值处理，对于一些数据缺失的区域或时间点，采用合适的插值方法进行补充，如克里金插值法，以保证数据的完整性和连续性，为后续的流函数空间投影分析提供高质量的数据基础。三、热带西太平洋关键海区的水文诊断分析3.1北赤道流海域水文特征分析北赤道流海域作为热带西太平洋的关键区域，其独特的地理位置和复杂的海洋动力环境，使其水文特征对全球海洋环流和气候变化有着深远影响。该海域位于热带西太平洋，主要受东北信风驱动，海水自东向西流动，是热带西太平洋环流系统的重要组成部分。其大致范围在北纬10°至20°之间，西起菲律宾以东，东至太平洋中部。在这一区域，海洋动力过程极为复杂，中尺度涡旋频繁出现，海流的非线性相互作用强烈，给水文研究带来了极大的挑战。利用流函数空间投影方法，对该海域的温度、盐度、溶解氧及营养盐分布进行分析，能够有效减少中尺度涡旋和海流非线性所引起的水文噪音，获取更准确的水文信息。通过将2000-2012年的137°E断面资料投影到流函数空间上，研究发现该海域温度在垂向上呈现明显的分层结构。在表层，由于太阳辐射强烈，海水温度较高，一般在28℃-30℃之间，形成温暖的混合层。随着深度增加，温度迅速降低，在温跃层处，温度梯度最大，这一区域的温度变化对整个海洋的热结构和环流有着重要影响。温跃层以下，温度变化趋于平缓，深层海水温度相对稳定，维持在较低水平，约为5℃-10℃。盐度分布同样具有显著特征。表层盐度受降水、蒸发以及河流淡水输入等因素影响，呈现出复杂的分布格局。在降水较多的区域，盐度相对较低，一般在33‰-34‰之间；而在蒸发旺盛的区域，盐度则较高，可达35‰-36‰。在次表层，存在一个盐度最大值层，这主要是由于副热带辐聚区的海水下沉，将高盐度的表层水带到次表层所致。随着深度进一步增加，盐度逐渐降低，在深层海水，盐度稳定在34‰左右。溶解氧含量与温度、盐度以及生物活动密切相关。在表层，由于与大气的气体交换频繁，溶解氧含量较高，一般在5-6毫升/升之间。随着深度增加，溶解氧含量逐渐降低，在温跃层附近，由于生物呼吸作用消耗氧气以及水体交换相对较弱，溶解氧含量达到最小值，约为2-3毫升/升。在深层海水，溶解氧含量又有所回升，这是因为深层海水的环流将富含氧气的极地海水输送到该区域。营养盐的分布对海洋生态系统的平衡至关重要。通过流函数空间投影分析发现，该海域的营养盐主要包括硝酸盐、磷酸盐和硅酸盐等。在表层，由于生物的吸收利用，营养盐含量相对较低。在次表层，随着深度增加，营养盐含量逐渐升高，在1000-1500米深度范围内，达到最大值。这是因为深层海水的上升流将富含营养盐的深层水带到次表层，为海洋生物的生长提供了丰富的营养物质。在深层海水，营养盐含量保持相对稳定。进一步研究该海域的水团结构，利用基于盐度垂直梯度的水团边界定义方法，清晰地识别出北太平洋热带水和中层水的结构特征。北太平洋热带水位于表层和次表层，其特点是温度高、盐度相对较低，是该海域的主要水团之一。中层水则位于北太平洋热带水之下，温度较低，盐度较高。这两种水团之间存在着明显的边界，边界处的盐度垂直梯度较大。通过分析水团的时空演变规律，发现北太平洋热带水在夏季时范围有所扩大，这与夏季太阳辐射增强、海水温度升高以及季风环流的影响有关；而中层水的位置和范围在不同季节相对稳定，但在年际尺度上可能会受到ENSO等气候事件的影响而发生变化。营养盐的垂向变化特征也十分显著。首次应用流函数空间投影方法对营养盐的垂向分布进行深入研究，发现氮磷反应率比在营养盐最大值层1250米处存在跃变。这一现象表明，在该深度处，海洋生物对氮、磷的利用方式和需求发生了明显变化，可能与不同深度的生物群落结构和生态过程有关。例如，在营养盐最大值层以上，浮游植物等初级生产者对氮、磷的吸收利用较为活跃，而在该深度以下，可能存在一些特殊的微生物群落，它们对氮、磷的代谢方式与上层生物不同，从而导致氮磷反应率比的跃变。北赤道流海域的水文特征复杂多样，流函数空间投影方法为深入研究这些特征提供了有力工具。通过对温度、盐度、溶解氧及营养盐分布的分析，以及对水团结构和营养盐垂向变化特征的研究，有助于更全面地了解该海域的海洋动力过程和生态环境变化，为全球气候变化研究和海洋生态系统保护提供重要的科学依据。3.2赤道西太平洋海域水文特征分析赤道西太平洋海域，作为热带西太平洋的关键区域，在全球海洋-大气系统中扮演着举足轻重的角色。该海域处于赤道附近，特殊的地理位置使其受到多种复杂海洋动力过程的影响，成为研究海洋水文特性和气候变化的热点区域。为深入探究该海域的水文特征，本研究借助TRITON潜标资料和Argo数据，运用流函数空间投影方法，对其垂向水文结构、年周期罗斯贝波传播特征进行分析，并进一步改进地转经验模态（GEM）方法，以更准确地揭示其水文特性。TRITON潜标资料由分布在赤道西太平洋的多个潜标长期观测获取，能够提供该海域不同深度的温度、盐度等水文要素的连续时间序列数据，为研究垂向水文结构提供了宝贵的长时间序列信息。Argo数据则通过全球范围内的Argo浮标实时收集，具有广泛的空间覆盖和较高的时间分辨率，能够较好地反映该海域水文要素的空间分布和动态变化。在垂向水文结构方面，通过对TRITON潜标资料和Argo数据的分析发现，该海域温盐信号的振幅和位相均随深度呈现复杂变化。在表层，受太阳辐射和大气环流影响，海水温度较高，盐度相对较低。随着深度增加，温度迅速降低，盐度逐渐升高，在温跃层附近，温盐梯度达到最大值。这是因为温跃层作为海洋上层和下层的过渡区域，受到强烈的垂直混合和水平输送的影响，导致温盐变化剧烈。在深层海水，温度和盐度相对稳定，但仍存在一些小尺度的变化，这可能与深层环流和中尺度涡旋的作用有关。对该海域的年周期罗斯贝波传播特征研究发现，年周期罗斯贝波在赤道西太平洋的传播存在赤道方向的偏移现象。罗斯贝波是地球流体圈层中由行星自转效应主导的大尺度波动现象，在海洋中，它对海洋环流、热量输送和物质交换等过程有着重要影响。通过对Argo格点资料的分析，发现年周期罗斯贝波的传播路径并非严格沿着赤道，而是在赤道附近发生一定程度的偏移。滞后相关分析结果进一步表明，赤道东太平洋的下温跃层季节信号能够经由年周期罗斯贝波向下向西南传播到赤道西太平洋。这一传播过程可能与海洋内部的动力过程密切相关，例如，赤道东太平洋的海温异常变化会激发年周期罗斯贝波，这些波动在传播过程中，受到科氏力、海洋地形以及背景流场的影响，导致其传播方向发生偏移，最终将赤道东太平洋的信号传递到赤道西太平洋，对该区域的水文特性产生影响。在运用传统GEM方法对该海域进行水文诊断时发现，由于该海域不存在稳定的垂向拟序结构，导致GEM方法无法有效捕获赤道西太平洋的深层温盐信号。为解决这一问题，本研究通过构建参量为SSH（海平面高度）、压力和月份的赤道GEM场（E-GEM），对传统GEM方法进行改进。SSH能够反映海洋表面的动力起伏，与海洋内部的环流和动力过程密切相关；压力则是描述海洋深度的重要参数，不同压力层对应着不同的海洋深度和物理过程；月份则考虑了海洋水文要素的季节性变化。将这三个参量纳入GEM场的构建中，能够更全面地反映赤道西太平洋海域的海洋动力特征和水文要素的时空变化。改进后的E-GEM方法显著提高了次表层水文反演效果，将温跃层附近温度的反演误差减小了20%，并且能够抓住深海超过50%的温度变化。这使得我们能够更准确地获取该海域次表层和深层的温度信息，为深入研究海洋内部的热结构和环流提供了更可靠的数据支持。赤道西太平洋海域的水文特征复杂多样，通过对TRITON潜标资料和Argo数据的分析，以及对GEM方法的改进，本研究在垂向水文结构和年周期罗斯贝波传播特征等方面取得了重要认识，为进一步理解该海域的海洋动力过程和气候变化提供了科学依据。四、结果与讨论4.1流函数空间投影方法在热带西太平洋的适用性评估流函数空间投影方法，尤其是地转经验模态（GEM）方法，在热带西太平洋水文诊断研究中展现出独特的优势与一定的局限性。在北赤道流海域，该方法表现出良好的适用性。通过对2000-2012年的137°E断面资料进行分析，GEM方法能够有效地捕获温跃层附近超过80%的水文变化。在研究温度分布时，清晰地呈现出表层温暖混合层、温跃层以及深层稳定低温区的分层结构。这是因为GEM方法将历史水文数据投影到斜压流函数空间，减少了中尺度涡旋和海流非线性所引起的水文噪音，使得主要的水文信号得以凸显。在分析盐度分布时，准确识别出表层盐度受降水、蒸发等因素影响的复杂格局，以及次表层盐度最大值层的存在及其形成机制。在研究水团结构方面，提出的基于盐度垂直梯度的水团边界定义方法，成功地分析了北太平洋热带水和中层水的结构特征，明确了它们的边界和范围，以及时空演变规律。在赤道西太平洋海域，流函数空间投影方法的应用则面临一些挑战。通过对2000-2013年的TRITON潜标观测数据研究发现，该海域温盐信号的振幅和位相均随深度变化，不存在稳定的垂向拟序结构。这使得传统的GEM方法无法有效捕获赤道西太平洋的深层温盐信号。因为传统GEM方法依赖于稳定的垂向结构来提取水文信息，而该海域复杂的海洋动力过程导致垂向结构不稳定，信号的复杂性增加，使得传统方法难以准确捕捉深层信号。为了应对这一挑战，本研究构建了参量为SSH、压力和月份的赤道GEM场（E-GEM），对传统GEM方法进行改进。SSH反映了海洋表面的动力起伏，与海洋内部的环流和动力过程密切相关；压力是描述海洋深度的重要参数，不同压力层对应着不同的海洋深度和物理过程；月份则考虑了海洋水文要素的季节性变化。将这三个参量纳入GEM场的构建中，显著改进了传统GEM方法的次表层水文反演效果，将温跃层附近温度的反演误差减小了20%，并且能够抓住深海超过50%的温度变化。这表明改进后的E-GEM方法能够更好地适应赤道西太平洋海域复杂的海洋环境，更准确地揭示该海域的水文特性。流函数空间投影方法在热带西太平洋的不同海区表现出不同的适用性。在北赤道流海域，能够有效减少水文噪音，准确揭示水文特征；在赤道西太平洋海域，虽然传统方法存在局限，但通过改进能够在一定程度上克服这些问题，为深入研究该海域的水文特性提供了有力的工具。未来，随着对该海域海洋动力过程认识的加深和数据的不断积累，流函数空间投影方法有望进一步完善，在热带西太平洋水文研究中发挥更大的作用。4.2热带西太平洋水文特征的新认识与发现通过本研究，对热带西太平洋的水文特征有了一系列新的认识与发现，这些成果为深入理解该海域的海洋动力过程和气候变化提供了重要的科学依据。在北赤道流海域，首次明确揭示了北赤道潜流（NEUC）的三核结构。利用流函数空间投影方法对2000-2012年的137°E断面资料进行分析，GEM场能够清晰地反演北赤道潜流的三核结构，这表明NEUC是一种长期稳定存在的中尺度以上的密度流。这种结构的发现改变了以往对北赤道潜流的认知，传统观点认为北赤道潜流结构相对简单，而新发现的三核结构表明其内部动力过程更为复杂。这种复杂的结构可能对该海域的热量输送、物质交换以及生态系统产生重要影响。例如，不同核之间的流速和流向差异可能导致海水的混合和交换更加频繁，影响海洋生物的分布和生存环境。在营养盐分布方面，发现氮磷反应率比在营养盐最大值层1250米处存在跃变。这一现象表明在该深度处，海洋生态系统中的生物地球化学过程发生了显著变化。以往的研究对营养盐在不同深度的变化关注较少，尤其是对氮磷反应率比的研究更为缺乏。这一跃变可能与不同深度的生物群落结构和生态功能密切相关。在营养盐最大值层以上，可能以浮游植物等初级生产者为主，它们对氮、磷的吸收和利用方式与在该深度以下的生物不同。在深层，可能存在一些特殊的微生物群落，它们具有独特的代谢途径和生态功能，对氮、磷的需求和反应方式与上层生物存在差异，进而导致氮磷反应率比的跃变。在赤道西太平洋海域，本研究首次发现年周期罗斯贝波的传播存在赤道方向的偏移现象。基于最近的Argo格点资料对赤道年周期罗斯贝波的三维结构进行诊断研究，通过滞后相关分析结果进一步表明，赤道东太平洋的下温跃层季节信号能够经由年周期罗斯贝波向下向西南传播到赤道西太平洋。这一发现揭示了赤道西太平洋与赤道东太平洋之间存在一种新的信号传递机制，以往的研究认为罗斯贝波在赤道地区的传播路径相对稳定，而此次发现的偏移现象表明海洋内部的动力过程比想象的更为复杂。这种偏移可能与多种因素有关，如海洋内部的温度、盐度分布不均，科氏力的影响，以及背景流场的变化等。赤道东太平洋的海温异常变化可能会激发年周期罗斯贝波，这些波动在传播过程中，受到科氏力的作用，以及不同区域海洋物理性质的差异影响，导致传播方向发生偏移。这种信号传播机制的发现对理解全球气候变化具有重要意义，因为赤道西太平洋的水文变化会通过海-气相互作用影响全球气候。本研究通过对流函数空间投影方法的应用，在热带西太平洋水文特征方面取得了一系列新的认识与发现，这些成果不仅丰富了海洋学的理论知识，也为进一步研究全球气候变化和海洋生态系统提供了重要的参考依据。4.3与前人研究成果的对比与验证将本研究结果与前人基于物理空间或其他方法的研究进行对比，能有效验证流函数空间投影方法的可靠性和独特性。在水团结构研究方面，前人利用传统的物理空间分析方法，主要通过温盐关系图、垂直剖面分析等手段来识别水团。例如，一些研究通过分析热带西太平洋特定区域的温度、盐度垂直分布，结合经验判断来划分水团边界。然而，这种方法受中尺度涡旋和海流非线性影响较大，难以准确刻画水团的精细结构和时空变化。本研究运用流函数空间投影方法，通过构建基于盐度垂直梯度的水团边界定义，能够更清晰、准确地分析北太平洋热带水和中层水的结构特征。与前人研究相比，本方法能够有效减少噪音干扰，捕捉到水团在垂直方向上更细微的变化，揭示了水团之间复杂的混合与交换过程，对水团结构的认识更加深入和全面。在温盐分布研究中，前人基于物理空间的研究多依赖于有限的观测站点数据，难以全面反映整个热带西太平洋的温盐分布特征。并且，由于观测数据易受局部海洋动力过程影响，对温盐场的描述存在一定误差。本研究利用流函数空间投影方法，将大量历史水文数据投影到斜压流函数空间，有效减少了中尺度涡旋和海流非线性的干扰，获取了更准确的温盐垂直分布信息。通过对比发现，本方法能够更清晰地呈现温盐在不同季节、不同区域的变化规律，尤其是在温跃层附近，对温度和盐度的变化特征刻画更为细致，弥补了前人研究在这方面的不足。在环流特征研究上，前人通过海流观测、数值模拟等方法对热带西太平洋的环流进行研究。这些方法虽然能够提供一定的环流信息，但在处理复杂的海洋动力过程时存在局限性。例如，数值模拟方法在模拟中尺度涡旋和海流非线性相互作用时，由于模型参数化方案的限制，可能无法准确再现实际的环流特征。本研究利用流函数空间投影方法，能够从整体上分析环流的流速、流向在垂直方向上的变化，识别出主要的洋流路径和环流系统。与前人研究结果对比，本方法不仅能够清晰地展示环流的基本特征，还能揭示出一些前人未发现的环流细节，如北赤道潜流的三核结构，为环流研究提供了新的视角和更准确的信息。在营养盐分布研究领域，前人的研究相对较少，且多集中在表层营养盐的分布与变化。对于营养盐在不同水层的含量和分布规律，以及营养盐分布与水团结构、环流特征之间的耦合关系研究不够深入。本研究首次应用流函数空间投影方法分析热带西太平洋营养盐的垂向分布特征，发现了氮磷反应率比在营养盐最大值层1250米处存在跃变这一重要现象，揭示了营养盐分布与水团结构、环流特征之间复杂的耦合关系。与前人研究相比，本研究在营养盐分布研究方面取得了新的突破，为深入理解海洋生态系统的物质循环和能量流动提供了重要依据。通过与前人研究成果的对比，充分验证了流函数空间投影方法在热带西太平洋水文诊断研究中的可靠性和独特性。该方法能够有效克服传统研究方法的局限性，为深入研究热带西太平洋的水文特性提供了更准确、全面的信息，在海洋学研究中具有重要的应用价值。五、结论与展望5.1研究主要结论总结本研究借助流函数空间投影方法，尤其是地转经验模态（GEM）方法，对热带西太平洋的北赤道流海域和赤道西太平洋海域进行了深入的水文诊断分析，取得了一系列具有重要科学价值的成果。在北赤道流海域，通过对2000-2012年的137°E断面资料分析，GEM方法成功捕获了温跃层附近超过80%的水文变化，有力地证明了该方法在减少中尺度涡旋和海流非线性所引起的水文噪音方面的有效性，为准确揭示该海域的水文特征提供了保障。基于盐度垂直梯度定义水团边界，清晰地分析出北太平洋热带水和中层水的结构特征，明确了它们在垂向上的分布范围、边界以及随时间的演变规律，深化了对该海域水团结构的认识。首次应用GEM方法分析营养盐垂向分布特征，发现氮磷反应率比在营养盐最大值层1250米处存在跃变，这一发现揭示了该海域营养盐分布与海洋生物地球化学过程之间的紧密联系，为研究海洋生态系统的物质循环和能量流动提供了新的视角。此外，GEM场能够反演北赤道潜流（NEUC）的三核结构，表明NEUC是一种长期稳定存在的中尺度以上的密度流，改变了以往对北赤道潜流结构的简单认知，为进一步研究该海域的环流系统和海洋动力过程提供了重要依据。在赤道西太平洋海域，利用2000-2013年的TRITON潜标观测数据，发现该海域温盐信号的振幅和位相均随深度变化，不存在稳定的垂向拟序结构，这使得传统GEM方法难以有效捕获深层温盐信号。针对这一问题，构建了参量为SSH、压力和月份的赤道GEM场（E-GEM），显著改进了传统GEM方法的次表层水文反演效果，将温跃层附近温度的反演误差减小了20%，并且能够抓住深海超过50%的温度变化，为准确获取该海域次表层和深层的温度信息提供了更可靠的方法。基于Argo格点资料对赤道年周期罗斯贝波的三维结构进行诊断研究，首