熱帶太平洋溫躍層深度的年代際變化特征及原因*

高曉倩，方　越，祖永燦，塔　娜，劉寶超

(國家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島 266061)

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熱帶太平洋溫躍層深度的年代際變化特征及原因*

高曉倩，方越*，祖永燦，塔娜，劉寶超

(國家海洋局 第一海洋研究所 海洋與氣候研究中心，山東 青島 266061)

利用SODA數(shù)據(jù)分析了20世紀70年代氣候躍遷前后熱帶太平洋溫躍層變化的季節(jié)特征，研究了NCEP/NCAR再分析資料中的風場變化與溫躍層變化之間的關系。研究結果表明：1)在1976—1977年氣候躍遷之后，溫躍層深度存在顯著的年代際變化。在熱帶太平洋東部的秘魯沿岸海域溫躍層變深，而在10°S～10°N的熱帶太平洋其他海域溫躍層均呈現(xiàn)變淺趨勢；2)溫躍層深度的年代際變化存在顯著的季節(jié)差異?？傮w表現(xiàn)為，溫躍層變淺的最顯著區(qū)域隨著季節(jié)的推移由東太平洋逐漸移至西太平洋并且變淺的幅度增大；3)熱帶太平洋海表面風場的年代際變化導致的赤道西風異常及風場異常的散度場是溫躍層變化的主要原因。

熱帶太平洋；溫躍層；年代際變化；季節(jié)特征

溫躍層是海洋中海水溫度鉛直梯度較大的水層，是反映海洋溫度場的重要物理特性指標。在赤道東風的作用下，熱帶太平洋溫躍層總體上呈現(xiàn)東淺西深的分布特征，并且在Ekman輸運的作用下在赤道地區(qū)溫躍層最淺。由于溫躍層的存在，使得上層海洋層結加強，這種熱結構對于熱帶太平洋上層海洋環(huán)流有著重要的影響。此外，作為全球氣候年際變化最強信號的ENSO，其發(fā)生、發(fā)展和消亡也是與熱帶太平洋的溫躍層緊密聯(lián)系的[1-3]。因此，研究熱帶太平洋溫躍層的年代際變化將有助于全面掌握ENSO強度、周期和傳播等特征的年代際變化特征與機制，從而為更好地預測ENSO在全球變暖背景下的未來發(fā)展趨勢提供理論依據(jù)[4-6]。

Zhang等[7]、Yang和Wang[8]利用JEDAC數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在70年代氣候躍遷之后熱帶西太平洋溫躍層變淺，并且在西太平洋的變率較大，而東太平洋則不明顯。Collins等[9]利用模式CGCMs和Levitus等[10]利用Levitus數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)在全球變暖情況下，熱帶太平洋上溫躍層平均深度整體是變淺的，并且東西方向上的傾斜度減小。Carton等[11]和Fang等[12]利用SODA數(shù)據(jù)也得到了相同的結論，其中Fang使用的是赤道溫躍層平均深度冷暖期直接相減的方法發(fā)現(xiàn)暖期溫躍層比冷期淺。

關于熱帶太平洋溫躍層的年代際變化雖然已經(jīng)取得了不少進展，但已有的研究更多地側重于溫躍層年代際變化空間分布的一般特征。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/)再分析資料，通過對比1975年前后兩個時期熱帶太平洋次表層溫度和海表面風場的變化，研究熱帶太平洋溫躍層年代際變化的季節(jié)特征及導致這種變化的原因。

1　資料和方法

1.1資料

本文使用的為SODA再分析資料2.0.2-4版本的月平均數(shù)據(jù)，時間跨度為1958-01—2007-12，水平分辨率為0.5°×0.5°，覆蓋區(qū)域為15′～359°45′E，75°15′S～89°15′N。該數(shù)據(jù)在垂向上分為不等間距的40層，最大深度可達5 375 m。根據(jù)熱帶太平洋上溫躍層的深度我們選取了上20層0～579 m、1958—2000年的溫度數(shù)據(jù)進行分析。

NCEP/NCAR再分析資料是目前氣候研究中最為廣泛使用的再分析數(shù)據(jù)集之一。該資料在垂直方向上有17層，空間水平分辨率為2.5°×2.5°。本文中采用的是海表面風場的月平均數(shù)據(jù)。盡管NCEP/NCAR資料的起至時間為1948年至今，但是為了在分析上保持與SODA資料的一致性，我們也僅使用了1958—2000年的數(shù)據(jù)。

1.2方法

早期的研究者Meyers[13]曾經(jīng)取14 ℃等溫線的深度作為溫躍層深度，現(xiàn)在則普遍采用20 ℃等溫線所在深度作為溫躍層深度(Depth of 20 ℃ isotherm，D20)[14-15]。在赤道太平洋D20被廣泛采用是因為在這個深度附近的等溫線最為密集且年際變動的信號也最強，代表了熱帶溫躍層最活躍的部分。本文中，我們也把D20所在深度定義為溫躍層深度。

受全球氣候變化的影響，熱帶太平洋海洋氣候在過去的幾十年里發(fā)生了顯著的變化。圖1中所示的曲線是利用SODA再分析資料計算得到的太平洋10°S～10°N海域平均溫躍層深度在1958—2000年期間的年際變化。可以看到，熱帶太平洋溫躍層平均深度在70年代后期之前基本維持在190～210 m變動，而在這之后變動的深度顯著變淺，基本在160～200 m，且變動幅度明顯增大。本文中，我們選取1958—1970年和1981—2000年這兩個典型時期并依據(jù)這兩個時期太平洋平均SST的相對高低把這兩個時期分別稱作氣候變遷前后的“冷期”和“暖期”，以這兩個時期有關物理量的平均值的差值(后者減去前者)來代表這些物理量在1958—2000年間發(fā)生的變化。通過分析這些物理量變化的特征及相互關系，探討導致熱帶太平洋溫躍層年代際變化季節(jié)特征的機制。

圖1　太平洋10°S～10°N溫躍層平均深度的年際變化Fig.1　Interannual variability of mean thermocline depth in 10°S～10°N of the Pacific

2　溫躍層深度年代際變化的特征

2.1總體特征

為了了解熱帶太平洋溫躍層年代際變化的特征，我們首先利用SODA數(shù)據(jù)計算了熱帶太平洋1958—1970年D20的多年平均值和1981—2000年D20的多年平均值，分別代表“冷期”和“暖期”熱帶太平洋的溫躍層的平均深度。然后計算這兩個時期的差值，即“暖期”的D20值減去“冷期”的D20值，從而得到溫躍層的年代際變化的水平分布(圖2)?？梢钥吹皆?5°S～10°N區(qū)域D20主要為負異常，表明暖期溫躍層相對冷期而言總體上是變淺的。自東向西溫躍層變淺的幅度逐漸增大，在160°E附近達到最大，可達30 m。在熱帶東太平洋100°W以東的海域，特別是在秘魯沿岸附近D20為正異常，表明該海域暖期的溫躍層深度是變深的，盡管變化幅度不大。

圖2　熱帶太平洋溫躍層深度(D20)年代際變化Fig.2　Difference in mean thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific

圖3顯示的是熱帶太平洋5°S～5°N海域內(nèi)溫躍層變化平均的緯向分布(SODA再分析數(shù)據(jù)得到)。該圖更加清晰地顯示了圖2中溫躍層變化的東西分布特征。從圖中可以看到，就平均而言，太平洋中部和西部在暖期其溫躍層比冷期變淺10 m左右；東太平洋變化較小，甚至部分海域溫躍層不僅沒有變淺反而有變深的趨勢。

圖3　熱帶太平洋溫躍層深度年代際變化的緯向分布Fig.3　Difference in thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific Ocean

2.2季節(jié)特征

為了探究熱帶太平洋溫躍層年代際變化在各個季節(jié)上的差異，我們繪制了由SODA再分析數(shù)據(jù)得到的各個月份D20的冷、暖期差異的水平分布圖(圖4)。該圖中D20異常的計算方法與圖2的相似，不同的是在計算冷(暖)期的D20平均深度時分別對各個月的D20數(shù)據(jù)進行多年月平均。例如，1月份的分布圖是暖期中各年1月的均值減去冷期中各年1月的均值?？梢钥吹剑瑴剀S層年代際變化在各個月的分布特征基本上與圖2相似，但月與月之間的差異也十分明顯，特別是D20負異常最大值所在區(qū)域(幅度在20 m以上)的位置以及強度?？梢钥吹皆?-4月，溫躍層變淺的幅度相對其他月份較小，并且負異常最大區(qū)域位于太平洋東部；在5-7月，負異常區(qū)域主要位于中太平洋；隨著季節(jié)的推移，溫躍層變淺幅度最大的區(qū)域不斷移向西太平洋，而且變淺的范圍也逐月增大，10和11月的溫躍層變化最強。這表明，盡管熱帶太平洋溫躍層的年代際變化總體上表現(xiàn)為較為一致的變淺，但在不同的季節(jié)其變化的范圍、強度和變化最顯著區(qū)域所在的位置不盡相同，有著顯著的季節(jié)特征。

圖4　逐月熱帶太平洋溫躍層深度年代際變化Fig.4　Differences of each calendar month in mean thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific

類似圖3的方法，我們繪制了與圖4相對應的逐月熱帶太平洋溫躍層變化的緯向分布圖(圖5，5°S～5°N經(jīng)向平均，由SODA再分析數(shù)據(jù)得到)。該圖很好地印證了上述溫躍層變化的季節(jié)特征：在2-4月溫躍層變淺的最顯著區(qū)域在東太平洋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月負異常最大值位于西太平洋160°E附近，幅度在20 m左右。

圖5　逐月熱帶太平洋溫躍層深度年代際變化的緯向分布Fig.5　Differences of each calendar month in thermocline depth between cold and warm phases in tropical Pacific Ocean

在熱帶太平洋，次表層海水溫度的季節(jié)和年際變化主要是由于溫躍層的變化直接導致的。那么它們之間的這種變化關聯(lián)性是不是在年代際時間尺度上也同樣適用呢？為此我們繪制了各個月份的赤道斷面(以5°S～5°N的平均來代表，由SODA再分析數(shù)據(jù)得到)海溫年代際變化圖(圖6)?？梢园l(fā)現(xiàn)，熱帶太平洋次表層溫度的變化總體上表現(xiàn)為負異常，可達3 ℃以上。由于熱帶太平洋氣候態(tài)溫躍層深度是西深東淺的，在東太平洋溫躍層深度約為50～100 m，在西太平洋溫躍層深度約為150～200 m，圖6所示的次表層溫度異常冷中心所在的深度恰好與氣候態(tài)下溫躍層所在深度是對應的，因此可以推斷次表層溫度異常主要是由溫躍層變淺所導致的。就次表層海溫變化幅度而言，2-4月的變化最小，變化中心位于東太平洋125°W附近；10-11月的最大，變化中心則位于西太平洋160°E附近。這些特征與圖4和圖5中所反映的溫躍層變化的季節(jié)特征十分一致，這不僅印證了上面所提到的溫躍層年代際變化，同時也說明在年代際變化方面溫躍層的變化可以很大地影響次表層海溫的變化。

圖6　逐月太平洋赤道斷面溫度的年代際變化Fig.6　Differences of each calendar month in temperature between cold and warm phases in tropical Pacific Ocean

3　溫躍層深度年代際變化的機制

就氣候態(tài)而言，熱帶太平洋海面風場主要是西向的信風為主，在該信風作用下表層海水由東向西輸送，因此太平洋東部海水抬升，溫躍層變淺；向西輸送的暖水在西太平洋產(chǎn)生堆積，導致海水下沉，溫躍層變深，從而形成熱帶太平洋上溫躍層西深東淺的分布特征。同時，由于信風在赤道外熱帶海域所驅動的向兩極方向的Ekman輸運，使得在赤道地區(qū)總體表現(xiàn)為上升運動，從而導致溫躍層在赤道地區(qū)相對于其他熱帶地區(qū)所在深度較淺。因此，熱帶太平洋溫躍層的氣候態(tài)分布特征主要是由風場驅動的。已有的研究表明，溫躍層的季節(jié)變化與熱帶地區(qū)風場的季節(jié)變化密切相關，盡管兩者的季節(jié)變化并不明顯。在年際時間尺度上，熱帶太平洋溫躍層的變化十分明顯，這種變化主要由ENSO所導致的，也是與海面風場的變化相聯(lián)系。那么在年代際時間尺度上，溫躍層的變化是否也是由海面風場的變化所導致的呢？

圖7是利用NCEP表面風場數(shù)據(jù)得到的風場及其散度的年代際變化，計算方法與圖2類似。由圖可以看到在熱帶太平洋的中部和東部180°～100°W海域內(nèi)的風場異常主要為赤道上的西風異常和赤道外的西南風異常(北半球)和西北風異常(南半球)。這種異常風場對太平洋赤道海區(qū)海洋環(huán)流的影響主要為以下幾個方面：首先，日界線以東赤道地區(qū)的西風異?？梢则寗酉驏|的海流異常，從而導致熱帶西太平洋溫躍層變淺東太平洋溫躍層變深；其次，異常風場在日界線以東特別是太平洋中部赤道附近海域形成了很強的散度場，該散度場所驅動的海洋環(huán)流可以在赤道地區(qū)形成異常的上升流，從而使溫躍層變淺；此外，在120°W以東熱帶太平洋的風場異常主要表現(xiàn)為向兩極的風場異常，其作用也會導致在赤道地區(qū)形成上升流使溫躍層變淺。然而，由此所導致的溫躍層變淺被赤道西風異常所產(chǎn)生東太平洋溫躍層變深作用所部分抵消，因此東太平洋溫躍層的變淺相對于熱帶太平洋中部和西部的溫躍層變淺要小，這也就很好地解釋了為什么圖2和圖3中溫躍層異?？傮w表現(xiàn)為變淺并且中、西部海域變淺更為顯著這一分布特征。

由圖7可見，在日界線以西、10°S～10°N的熱帶太平洋暖池區(qū)內(nèi)還存在一支由南向北的越赤道風異常，在10°S，150°～170°E的海域內(nèi)形成了一個強輻散區(qū)，加之該區(qū)域西側為陸地，因此風場異常形成的輻散在該海域產(chǎn)生較強的上升流，使溫躍層顯著變淺。圖2所示的溫躍層變淺的最顯著區(qū)域也恰恰位于此海域。此外，風場異常還在15°S和15°N附近海域形成了輻聚區(qū)(圖7)，這使得海水在這些海域會合并下沉導致溫躍層變深。溫躍層在南半球和北半球這一緯度的變化在圖2中可以清晰地看到。

圖7　熱帶太平洋海表面風場的年代際變化及對應的散度場Fig.7　Difference in climatological surface wind fields between cold and warm phases in tropical Pacific and its corresponding divergence

圖8是由NCEP/NCAR再分析資料計算的各個月份熱帶太平洋海表面風場的年代際變化及對應的散度場，其計算方法與圖4類似。盡管各個月份在赤道上均為西風異常，但是其強度和主要發(fā)生的區(qū)域位置卻不盡相同。在4月之前，赤道西風異常比較弱；自5月開始，西風異常逐月增強，范圍逐漸擴大，但西風異常主要還是位于東太平洋；在10-11月，赤道西風異常最為顯著并且其中心位置移至太平洋中部。由風場異常導致的散度場也有類似的特征，表現(xiàn)為中心逐月西移、強度和范圍逐月增強，也是在10-11月最為強盛。因此，圖8中所示的風場異常及其伴隨的散度場的強度、范圍和中心位置的逐月變化與圖4中溫躍層的逐月變化特征十分一致。

從上面的分析中我們可以看出，熱帶太平洋的海表面風場的年代際變化是與溫躍層的年代際變化相聯(lián)系的，溫躍層的變化是赤道西風異常所導致的西太平洋溫躍層抬升和風場異常的散度場所導致的赤道地區(qū)的海水異常上升運動的共同作用下形成的。

圖8　逐月熱帶太平洋海表面風場的年代際變化及對應的散度場Fig.8　Differences of each calendar month in mean surface winds in tropical Pacific and their corresponding divergence

4　結　論

我們利用1958—2000年SODA和NCEP/NCAR再分析資料研究了1976—1977年氣候躍遷前后熱帶太平洋溫躍層深度、海溫和海表面風場的變化特征，得到以下結論：

1)通過計算冷(暖)期的D20平均深度的差值可以發(fā)現(xiàn)，溫躍層深度對1976-1977年發(fā)生的氣候躍遷存在響應，表現(xiàn)為溫躍層深度的顯著年代際變化：在10°S～10°N的熱帶太平洋海域內(nèi)，東部秘魯沿岸范圍內(nèi)溫躍層變深，而其西部的其他海域溫躍層均呈現(xiàn)變淺趨勢。

2)另外，對各個月的D20數(shù)據(jù)進行多年逐月平均可以看到，月與月之間的差異十分明顯：在2-4月，溫躍層變淺幅度較小，負異常最大區(qū)域位于太平洋東部；在5-7月，負異常區(qū)域主要位于中太平洋；在10-11月負異常最大的區(qū)域移至西太平洋，且范圍最大。因此，雖然熱帶太平洋范圍內(nèi)溫躍層深度的年代際變化總體上表現(xiàn)為較為一致的變淺，但同時還存在顯著的季節(jié)差異。具體表現(xiàn)為，溫躍層變淺的最顯著區(qū)域隨著季節(jié)的推移由東太平洋逐漸移至西太平洋并且變淺的幅度增大。

3)與氣候態(tài)相同，年代際時間尺度上的溫躍層深度的變化也是由海面風場的變化所導致的。通過熱帶太平洋范圍內(nèi)的風場異常及其伴隨的散度場可以發(fā)現(xiàn)，其強度、范圍和中心位置的變化與溫躍層深度的變化特征十分一致，因此熱帶太平洋海表面風場的年代際變化導致的赤道西風異常及風場異常的散度場是溫躍層深度變化的主要原因。

本文中關于熱帶太平洋溫躍層深度年代際變化成因方面的討論僅是依據(jù)再分析資料進行分析的，所以難以將赤道西風異常和風場異常的散度場對溫躍層的作用過程區(qū)分開而進行定量分析。因此，關于這兩個物理過程的定量分析今后還需要借助數(shù)值模式和敏感性試驗進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

國家重大科學研究計劃項目——熱帶太平洋印度洋環(huán)流及其熱輸送對全球變暖的響應(2012CB95560)；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項——中國鄰近大洋百年熱力狀況對中國氣候的影響(XDA05090404)；國家自然科學基金項目——熱帶太平洋-赤道大西洋遙相關多年代際變化的研究(41176030)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金資助項目——西北太平洋及中國近海年代際氣候變化(GY2010T02)

高曉倩(1988-)，女，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事海氣相互作用、氣候變化方面研究.E-mail: gaoxq@fio.org.cn

方越(1970-)，男，浙江瑞安人，研究員，博士，主要從事海氣相互作用方面研究.E-mail: yfang@fio.org.cn

(李燕編輯)

P72

A

1671-6647(2016)03-0337-10

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.03.003