太平洋次表层海温面深度插值的应用

太平洋次表层海温面深度插值的应用

1在enso循环存在的温跃层难以追踪1966年，bjerkne指出，elnino是太平洋和南方太平洋之间的一个相互作用事件。许多研究表明,ENSO是年际气候变化的最强信号,它与大气的相互作用以及与降水、气温的关系十分密切。为解释ENSO循环的原因,Wyrtki提出了信风张弛理论,Philander等提出了海气相互作用的不稳定理论,Suarez等和Graham等提出时滞振荡子或自然振荡子理论。Qian等在用最大次表层海温异常来表征温跃层变化强度的基础上,研究发现最大次表层海温异常与海表温度距平在赤道西太平洋和赤道东太平洋具有显著的局地正相关,次表层海温异常变化信号增强的地方在温跃层,ENSO循环的实质是赤道次表层海温异常沿海洋温跃层由西向东演变的结果。Chao等利用美国Scripps海洋研究所联合环境数据分析中心(JEDAC)资料获得次表层海温距平最大值所在的深度曲面作为温跃层,通过分析其传播路径提出了ENSO循环中闭合回路的设想。于卫东等采用JEDAC提供的上层海洋(0~400m)热含量资料研究发现,在ENSO循环期间,热带太平洋上层海洋热含量变异是分别沿着赤道和南、北纬10°纬线以及相应经线组成的2个闭合路径传播,给出了更加细节化的ENSO循环闭合回路的结果。Zhang等和李崇银等研究指出海洋温跃层在ENSO循环中起着关键的作用,与文献的结果基本一致。然而,温跃层自身的演变规律目前尚不十分清楚,上述研究海洋温跃层与ENSO循环关系的结果也还与实际观测到的ENSO循环所具有的准3~7年显著振荡周期的事实还有一定的差异,从观测事实上并未完全揭示温跃层的异常活动与ENSO循环的关系。在太平洋、印度洋和大西洋的赤道地区,20℃等温线位于温跃层中,经常用20℃等温线的深度作为上层海洋有效热含量的一个度量,海洋学一般在热带以20℃等海温面的深度大体表示温跃层。因此,本文在获得可以表征跃温层演变的等20℃海温深度面的基础上,通过连续功率谱估计,研究热带太平洋地区的等20℃海温深度面的振荡及其传播规律,并在其显著振荡周期上进行滤波,揭示海洋温跃层振荡在显著性振荡周期带的振荡循环与ENSO循环的密切联系。2数据和方法2.1月—2001年12月的海温资料资料采用由美国Scripps海洋研究所联合环境数据分析中心提供的1955年1月—2001年12月共564个月的海平面及其以下共11层(0、-20、-40、-60、-80、-120、-160、-200、-240、-300、-400m)5°×2°的海温资料。研究区域为20°S~20°N,120°E~80°W。2.2滤波分析的优越性根据任一格点上不同层次的海温,在垂直方向上应用样条插值得到此格点上20℃海温深度。对研究区域中逐个格点等20℃海温深度进行距平化处理,对所得距平资料进行连续功率谱估计,求出显著的振荡周期。谱分析方法为具有多尺度特征的运动过程、揭示其周期规律提供了方便。但因谱分析基于一种统计平均的概念,无法显示各种尺度运动的实际演变过程,滤波分析却在这些方面表现出优越性。因此本文采用带通滤波,保留等20℃海温深度显著性振荡周期带里的值,而把相对较高频部分和相对较低频部分都滤掉,这样通过尺度分离可以突出研究等20℃海温深度在显著性振荡周期带运动的特性及其物理过程。本文在等20℃海温深度显著性振荡周期带上采用Butterworth带通滤波器对数据进行带通滤波,具体方法介绍见文献。3结果分析3.1等20海温深度面方差的年变化特征根据插值获得的热带太平洋的等20℃海温深度面的资料,绘制了年气候平均态(图1a)及其方差分布(图1b)。由图1a可见,等20℃海温深度面的年气候平均在赤道东太平洋地区(20°S~3°N,100~80°W)的值较大,中心值为-40m,表明温跃层在赤道东太平洋地区较浅;而在赤道西中太平洋地区(20°S~20°N,130°E~170°W)等20℃海温深度面的值较小,中心值为-240m,表明温跃层在赤道西中太平洋地区较深。从西向东的等20℃海温深度面越来越浅,深度由102m量级减小到101m量级,并在赤道东太平洋附近地区达到最浅;在西太平洋地区,从南到北的等20℃海温深度面呈现出“深-浅-深”的分布;在5°N附近达到最浅;而在东太平洋地区,等20℃海温深度面的分布则呈现出“浅-深-浅”的分布。热带太平洋地区的等20℃海温深度面的春、夏、秋、冬四季气候平均态的空间分布特征(图略)与年气候平均态空间分布特征基本一致,只是其深浅程度存在一定差异,突出表现为随季节的不同,-40m线和-240m线覆盖的范围有所不同,以春季的覆盖范围最小。从等20℃海温深度面方差的年变化空间分布(图1b)可看出,其变化剧烈的海区集中在3个位置:即赤道西太平洋暖池、从西到东的整个赤道附近的太平洋海区以及南美西岸的赤道东太平洋海区,其中赤道西太平洋暖池区(15~5°S,150~180°E)的等20℃海温深度面的方差变化最大中心值达到240m。这些大值中心可能与等20℃海温深度面的振荡信号传播路径相联系。等20℃海温深度面方差的春、夏、秋、冬变化空间特征(图略)与年方差空间分布特征基本一致,仅在方差变化强度方面存在一定差异,其中秋、冬季的方差变化值明显大于春、夏季,这可能与ENSO事件多发生在秋、冬季有关。对比等20℃海温深度面的春、夏、秋、冬、年气候平均值与方差的变化空间分布特征可知,等20℃海温深度面的气候平均值的大值中心和方差变化中心并不一一对应,这表明20℃等温线所在深度值的大小与变率大小并不一一对应。3.2海温深度面的时间分布取最大落后时间步长m为180个月,对所得热带海洋地区(20°S~20°N,120°E~80°W)的20℃等温深度面进行连续功率谱分析(图2)。根据周期T与波数K的关系T=2m/K,由图2可以得出等20℃海温深度面存在准7.5年(波数为4)、准3年(波数为10)、1年(波数为30)和6个月(波数为60)的显著振荡周期,其中准3~7年振荡是除去年循环之外的最显著振荡周期。于是可以绘制等20℃海温深度面相应的准3~7年显著振荡周期的空间分布(图3)。图3是将各格点在波数为10至4,对应周期为3年、3.33年、3.75年、4.3年、5年、6年和7.5年频段上通过信度检验的次数相加所得,图中的数值愈大表示该格点在3~7年频段上的振荡越显著。由图3可以看出,大致与20℃海温深度面的方差变化中心分布相对应,数值较大的区域分别位于赤道附近、15°N附近和10°S附近的海域。表明这些区域具有显著的准3~7年振荡特征。3.3强lanina事件表现根据以上分析,采用Butterworth滤波器对等20℃海温深度距平场进行3~7年的带通滤波,不难获得1955—2001年南、北纬15°沿140°E(135~145°E平均)等20℃海温深度的距平信号向北、向南传播时间-纬度剖面、沿赤道(4°S~4°N平均)的距平信号东传时间-经度剖面、沿100°W(95~105°W平均)向南、向北传播的时间-纬度剖面、沿南北纬15°(南北纬10°~20°平均)等20℃海温深度的距平信号西传时间-纬度剖面(图4、5)。由图4、5可知,首先在热带太平洋西界南、北纬15°附近的等20℃海温深度距平信号向北、南传回到赤道附近,为东传做好准备;之后在热带太平洋西界处的赤道附近区域,等20℃海温深度距平信号开始快速东传,之后沿赤道从西太平洋东传至赤道东太平洋海域,受大洋东岸地形的影响反射为向两极传播等20℃海温深度距平信号;等20℃海温深度距平信号向两极传至南、北纬15°附近海域后又向西传播回到西太平洋海域,然后传回赤道,为下一次东传做准备,完成这一回路过程的时间大致是3~7年。为清楚起见,下面将以1986—1987年、1997—1998年发生的强ElNiño和1988—1989年、1998—2000年发生的强LaNiña事件为例,分析等20℃海温深度面的振荡与ElNiño和LaNiña事件的关系,在1955—2001年间发生的ElNiño(12次)和LaNiña(7次)事件见表1。图4、5中深色箭头表示负等20℃海温深度距平信号(表示次表层为暖水)的传播路径,浅色箭头表示正等20℃海温深度距平信号(表示次表层为冷水)的传播路径。由图4可以看出,在1986/1987年ElNiño过程中,早在1984年初热带太平洋西界的15°N附近负等20℃海温深度距平信号开始向南传回赤道,为东传做准备;1984年7月起赤道西太平洋开始被暖水控制并开始沿赤道东传,1986年7月东传到赤道东太平洋海域并爆发ElNiño事件,且一直维持到1987年7月左右;负等20℃海温深度距平信号沿赤道从西太平洋东传至赤道东太平洋海域,受大洋东岸地形的影响反射为向两极传播的负等20℃海温深度距平信号,负等20℃海温深度距平信号向两极传至南北纬15°附近海域后,又向西传播回到西太平洋海域;1988年初热带太平洋西界的15°N附近负等20℃海温深度距平信号又向南传回赤道,为下一次东传做好准备。1988/1989年的LaNiña过程中,早在1986年初热带太平洋西界的15°N附近正等20℃海温深度距平信号开始向南传回赤道,为东传做好准备;1986年10月左右起赤道西太平洋就开始为冷水控制,并开始沿赤道东传,1988年初东传到赤道东太平洋海域并爆发LaNiña事件,且冷水一直维持到1989年初;1987年初正等20℃海温深度距平信号沿赤道从西太平洋东传至赤道东太平洋海域受大洋东岸地形的影响反射为向两极传播的正等20℃海温深度距平信号,正等20℃海温深度距平信号向两极传至南北纬15°附近海域后,又向西传播回到西太平洋海域;1988年末热带太平洋西界的15°N附近正等20℃海温深度距平信号又向南传回赤道,为下一次东传做准备。同样,在1997/1998年ElNiño过程中,早在1992年初热带太平洋西界的15°N附近负等20℃海温深度距平信号开始向南传回赤道,1993年初起赤道西太平洋就开始为暖水控制并开始沿赤道东传,1994年有弱的负等20℃海温深度距平信号传到赤道东太平洋海域并在此堆积,与1997上半年强的负等20℃海温深度距平东传到赤道东太平洋海域的信号合并后,最终爆发一次强ElNiño事件,且一直维持到1998年5月左右;负等20℃海温深度距平信号沿赤道从西太平洋东传至赤道东太平洋海域受大洋东岸地形的影响反射为向两极传播的负等20℃海温深度距平信号,其向两极传至南北纬15°附近海域后,又向西传播回到西太平洋海域;1998年末热带太平洋西界的15°N附近等20℃海温深度距平信号又向南传回赤道,为下一次东传做准备。1998/2000年的LaNiña过程中,早在1998年初热带太平洋西界的15°N附近正等20℃海温深度距平信号开始向南传回赤道,为东传做好准备;1998年初赤道西太平洋就开始为冷水控制,并开始沿赤道东传,1998年末东传到赤道东太平洋海域并爆发LaNiña事件,且冷水一直维持到2000年初;1998年末等20℃海温深度距平信号沿赤道从西太平洋东传至赤道东太平洋海域受大洋东岸地形的影响反射为向两极传播的正等20℃海温深度距平信号,正等20℃海温深度距平信号向两极传至南北纬15°附近海域后,又向西传播回到西太平洋海域;2000年末热带太平洋西界的15°N附近正等20℃海温深度距平信号又向南传回赤道,为下一次东传做好准备。图5a~5d中箭头也清楚呈现出南半球1986—1987年、1997—1998年发生的两次强ElNiño事件和1988—1989年、1998—2000年发生的两次强LaNiña事件时等20℃海温深度面振荡传播的回路,只是北半球3~7年振荡传播的回路更清楚些。由上述分析可发现,在ElNiño(LaNiña)年的前一段时间,赤道西太平洋海域就处在暖(冷)水的控制中,只是暖(冷)水到后来才明显东移,并且从暖(冷)水明显东移到ElNiño(LaNiña)爆发期间约为3~4个月,可以得出其传播的平均速度约为1.28~1.43m/s,这一速度与孙即霖等所得出的在赤道上振荡从西太平洋传播到东太平洋较深水层的水平平均速度(1.3m/s)非常接近,也与层化海洋第二斜压模态的Kelvin波的传播速度相对应,但这种东传是否完全是Kelvin波过程需进一步确认。4等20海温深度面存在的准37年振荡特征(1)对于全年及四季而言,等20℃海温面在赤道东太平洋地区较浅,在赤道西中太平洋地区较深,即从西向东越来越浅,在赤道东太平洋附近地区达到最浅;在西太平洋地区从南到北呈现深、浅、深的分布,在东太平洋地区呈现浅、深、浅的分布。赤道西太平洋暖池从西到东的整个赤道附近的太平洋海区以及南美西岸的赤道东太平洋海区为方差变化的三个大值区,这些方差大值中心可能与等20℃海温深度面振荡信号传播路径相联系。(2)等20℃海温深度面存在的准3~7年振荡是除去年循环之外的最显著振荡周期,其中赤道附近、15°N附近和10°S附近,这些区域的准3~7年振荡特征最为显著。(3)负(正)等20℃海温深度距平信号的准3~7年振荡的大致特征为:在热带太平洋西界的南、北纬15°附近等20℃海温深度距平信号向北、南传回到赤道附近,为东传做准备;之后在热带太平洋西界处的赤道附近区域,等20℃海温深度距平信号开始东传,沿赤道从西太平洋东传至赤道东太平洋海域,受大洋东岸地形的影响反射为向两极传播的等20℃海温深度距平信号,等20℃海温深度距平信号向两极传至南、北纬15°附近海域后,又向西传播回到西太平洋海域,然后传回赤道,