1950～2010年P(guān)DO對(duì)北太平洋地區(qū)海平面變化影響的量化與評(píng)估

劉 超, 徐永生

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266200; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

1950～2010年P(guān)DO對(duì)北太平洋地區(qū)海平面變化影響的量化與評(píng)估

劉 超1,2,3, 徐永生1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266200; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

本文研究和估計(jì)了1950～2010年不同太平洋年代際濤動(dòng)(Pacific decadal oscillation, PDO)事件對(duì)北太平洋地區(qū)的海平面上升趨勢(shì)所造成的影響。研究使用了SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海表面高度(sea surface height, SSH)數(shù)據(jù)資料, 通過多元線性回歸方法, 分離了由PDO事件所引起的海表面高度變化(PDO-SSH), 以此分析PDO事件對(duì)海平面變化所造成的影響。結(jié)果表明, PDO-SSH所引起的海表面變化趨勢(shì)的空間分布, 及其對(duì)區(qū)域海平面變化的遮掩效果, 和對(duì)應(yīng)時(shí)期內(nèi)PDO信號(hào)的振幅和周期有著緊密的關(guān)系。進(jìn)一步的分析表明, PDO事件對(duì)北太平洋地區(qū)SSH變化所造成的影響是不均勻的, 在東西太平洋有著相反的變化趨勢(shì)。1960～1989年, 具有較長(zhǎng)數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度的PDO信號(hào)對(duì)海平面變化的影響, 要強(qiáng)于高度計(jì)投入使用后的時(shí)期的表現(xiàn), 而受其影響最重的海域出現(xiàn)在赤道西太平洋海域、阿留申群島及北美沿岸地區(qū), PDO-SSH在上述地區(qū)SSH的占比甚至高達(dá)60%。

太平洋年代際濤動(dòng); 區(qū)域海平面變化; 海面高度; 北太平洋

全球和區(qū)域海平面的趨勢(shì)性上升是氣候變遷所帶來的重要影響之一。在太平洋地區(qū), 年際和年代際的海-氣系統(tǒng)相互作用帶來的氣候變動(dòng), 例如厄爾尼諾與南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)和太平洋年代際濤動(dòng)(Pacific decadal oscillation, PDO)對(duì)該地區(qū)的海平面長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的估測(cè)有著重大影響。20世紀(jì)90年代初期, 高精度的衛(wèi)星高度計(jì)開始用于測(cè)量海平面的趨勢(shì)性變化, 但海表面高度(sea surface height, SSH)數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度相對(duì)較短, 限制了更進(jìn)一步的深入研究, 尤其是目前觀測(cè)到的PDO信號(hào)主要活躍在1980年之前[1-2], 這對(duì)研究PDO對(duì)區(qū)域海平面變化趨勢(shì)造成的影響和貢獻(xiàn)造成了一定困難。

Nakamura等[1]提出, 年代際的變化趨勢(shì)在北太平洋地區(qū)的中長(zhǎng)期氣候變化過程中起到了決定性的作用, 尤其是在黑潮延伸體海域。Zhang等[2]發(fā)現(xiàn),在北太平洋海域, 去除掉年內(nèi)季節(jié)變化影響的海表面溫度(sea surface temperature, SST)和海表面壓力(sea level pressure, SLP)在年代際變化尺度上有著最為突出的表現(xiàn), 同時(shí)北太平洋也是能量的年代際變化最強(qiáng)烈的地區(qū)。Casey等[3]發(fā)現(xiàn), 在北太平洋地區(qū),尤其是從太平洋暖池區(qū)域到北美地區(qū)西海岸, 海表面高度的變化和海表面溫度的變化之間有著很高的相關(guān)關(guān)系。

作為北太平洋地區(qū)最為強(qiáng)烈的年代際氣候變化現(xiàn)象[4], PDO對(duì)該區(qū)域海平面變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)也是最為顯著的。在過去的20 a, 由于受到PDO的影響, 在對(duì)北美洲太平洋沿岸海平面變化的估測(cè)中, 甚至出現(xiàn)了普遍性的下降趨勢(shì)[5-6]。也有研究使用了衛(wèi)星高度計(jì)產(chǎn)品和海平面重構(gòu)數(shù)據(jù)(包括海表面高度和海表面溫度)對(duì)PDO信號(hào)進(jìn)行分析, 旨在理解和確認(rèn)其在區(qū)域及全球海平面長(zhǎng)期變化趨勢(shì)中扮演的角色和作用[7-12]。這些研究認(rèn)為, 類似于PDO的中長(zhǎng)期氣候變動(dòng)是導(dǎo)致區(qū)域海平面上升趨勢(shì)呈現(xiàn)不均勻分布的主要原因, 而中長(zhǎng)期氣候波動(dòng)會(huì)掩蓋由人類活動(dòng)所導(dǎo)致的海平面上升(sea level rise, SLR)現(xiàn)象, 增加了對(duì)人類活動(dòng)導(dǎo)致的全球氣候變暖的評(píng)估難度。Hamlington等[13]通過分析1993～2010年的ORA-S3 (Altimetry and Operational Ocean Re-Analysis Series 3)數(shù)據(jù), 試圖通過去除與PDO相關(guān)的海平面變動(dòng), 將人類活動(dòng)所引起的海表面高度變化從區(qū)域海平面變化趨勢(shì)中分離出來, 以達(dá)到提升對(duì)未來海平面變化的預(yù)測(cè)能力的目的。

對(duì)于PDO和東北太平洋海平面變化的研究, 由于觀測(cè)數(shù)據(jù)的諸多限制, 眾多的研究集中在SST, 而且自1993年以來, 衛(wèi)星高度計(jì)投入使用的高度計(jì)時(shí)期, 僅有少量的研究涉及長(zhǎng)時(shí)SSH觀測(cè)資料的相關(guān)研究。但理解和認(rèn)識(shí)PDO事件在中長(zhǎng)期尺度上所引起海表面高度變化, 在描述和分析年代際海氣相互作用以及中長(zhǎng)期氣候信號(hào)的傳播的過程中是極其重要的。本文試圖對(duì)1950～2010年共60 a的PDO事件對(duì)區(qū)域海平面變化趨勢(shì)的影響進(jìn)行量化, 以期對(duì)北太平洋地區(qū)長(zhǎng)期海平面上升趨勢(shì)獲得更好的理解, 進(jìn)一步提升我們對(duì)未來海平面趨勢(shì)性變化的預(yù)測(cè)水平。

1 研究數(shù)據(jù)來源及PDO信號(hào)的提取方法

1.1 海平面高度數(shù)據(jù)及其可信度驗(yàn)證

本研究使用了SODA(Simple Ocean Data Assimilation) 2.2.4的月平均海表面高度數(shù)據(jù), 該數(shù)據(jù)的原始空間分辨率為0.25°×0.25°, 為方便計(jì)算和比較,將分辨率處理為0.5°×0.5°, 數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度為1950～2010年。SODA同化數(shù)據(jù)采用了最優(yōu)同化技術(shù),結(jié)合了同化的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及來自部分驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。SODA2.2.4是由美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University)的SODA計(jì)算小組發(fā)布的最新版本,該版本的數(shù)據(jù)產(chǎn)品首次同化了超過100 a(1871～2010年)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù), 但由于數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度過長(zhǎng), 在高度計(jì)時(shí)期之前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可信度需要使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次驗(yàn)證。

為對(duì)SODA2.2.4的數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行檢驗(yàn), 我們選取了平均海平面永久服務(wù)(Permanent Service for Mean Sea Level, PSMSL)驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)庫中的月平均海表面高度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。所選取的驗(yàn)潮站站位具有相對(duì)較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度, 至少涵蓋了衛(wèi)星高度計(jì)時(shí)期(1993～2010年), 主要使用了修正局地參考數(shù)據(jù)(revised local reference, RLR)。在東北太平洋區(qū)域所涉及到的上百個(gè)驗(yàn)潮站中, 我們嚴(yán)格篩選了20個(gè)數(shù)據(jù)空白較少且具有較高連續(xù)性的驗(yàn)潮站作為基準(zhǔn)(表1), 而觀測(cè)的海表面高度數(shù)據(jù)中存在的數(shù)據(jù)空白則通過一維線性插值填補(bǔ)完畢。此外, 作為時(shí)間序列的補(bǔ)充對(duì)比, 我們也對(duì)1993～2010年間的法國(guó)AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)發(fā)布的衛(wèi)星高度計(jì)同化數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)處理, 分辨率由1/3°×1/3°重新通過二維線性插值處理為0.5°×0.5°的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)。

為方便比較, 我們分別從SODA2.2.4和AVISO數(shù)據(jù)產(chǎn)品中選取了臨近各個(gè)驗(yàn)潮站的海表面高度數(shù)據(jù)來進(jìn)行對(duì)比, 以驗(yàn)證SODA海表面高度數(shù)據(jù)的可靠性和可信度。比較同化數(shù)據(jù)產(chǎn)品和驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)之間的差別是驗(yàn)證數(shù)據(jù)時(shí)間序列一致性的常用有效方法[14], 當(dāng)兩者一致性程度較高的時(shí)候, 同化數(shù)據(jù)和驗(yàn)潮站海平面變化之間的差值一般為常數(shù)或接近常數(shù)。

為去除噪聲信號(hào)的干擾, 3組海表面高度數(shù)據(jù)的時(shí)間序列都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理, 在每個(gè)站點(diǎn)上, 每組海表面高度數(shù)據(jù)分別除以了各自的標(biāo)準(zhǔn)差, 并且去除了季節(jié)性信號(hào)。圖1展示了3組數(shù)據(jù)在部分驗(yàn)潮站站位的比較結(jié)果。結(jié)果表明, 無論是年際信號(hào)還是年代際信號(hào)的變化, 全部3組數(shù)據(jù)在各個(gè)驗(yàn)潮站站位上都顯示了很好的一致性。而SODA2.2.4的海表面高度數(shù)據(jù)和各個(gè)驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間也有相對(duì)較高的相關(guān)系數(shù)(表2), 各個(gè)數(shù)值均高于0.6。分析表明, 在北太平洋地區(qū), 不管是振幅的大小還是在整體的海面高度變化趨勢(shì)上, SODA2.2.4和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間具有很高的一致性。這說明, SODA2.2.4的數(shù)據(jù)在北太平洋地區(qū)是可信的。

1.2 PDO-SSH的計(jì)算過程

PDO指數(shù)θ (獲取自: http: //jisao.washington.edu/ pdo/)被定義為北太平洋地區(qū)SST的經(jīng)驗(yàn)正交分解(empirical orthogonal function, EOF)分析后得到的第一模態(tài)的時(shí)間序列[15-16]。PDO隨指數(shù)的正負(fù)不同而具有不同相位, 相位轉(zhuǎn)化過程一般會(huì)持續(xù)10～30 a。另一方面, SSH變動(dòng)主要代表著其垂直下方的上層海水及溫躍層的變化, 和海表面溫度不同, 對(duì)上層大氣壓力的響應(yīng)較為緩慢。Cummins等[8]認(rèn)為, 在尋找可以衡量PDO的指數(shù)上, 衛(wèi)星高度計(jì)所測(cè)得的SSH主成分是要比SST更好的指標(biāo), 具有較高的強(qiáng)度, 不易被區(qū)域性的短期大氣變化所影響, 同時(shí)在北太平洋地區(qū), 其受到的噪聲影響也要比SST為主導(dǎo)的PDO指數(shù)要低。該觀點(diǎn)和早先的其他針對(duì)海表面高度異常的研究相一致[8,16-17]。綜上, 可以認(rèn)為基于SST的PDO指數(shù)能夠反映PDO和SSH之間的緊密聯(lián)系。

表1 從PSMSL海表面高度數(shù)據(jù)組中所選取的驗(yàn)潮站名稱、坐標(biāo)、時(shí)間長(zhǎng)度的起止點(diǎn)以及空白數(shù)據(jù)在總海表面高度時(shí)間序列中的占比Tab. 1 Station name, location, time interval, and ratio of gaps in tide gauge SSH time series selected from PSMSL datasets

表2 SODA 2.2.4海表面高度數(shù)據(jù)和20個(gè)驗(yàn)潮站的海表面高度時(shí)間序列之間的相關(guān)系數(shù)Tab. 2 Correlation coefficient between SODA 2.2.4 and tide gauge SSH data at each gauge station

根據(jù)此前的相關(guān)研究[5,18], 通過對(duì)海面高度異常進(jìn)行時(shí)間和PDO指數(shù)的多元線性回歸(multi variable linear regression, MVLR)運(yùn)算, 可將PDO所引起的海表面高度變動(dòng)(PDO-SSH)信號(hào)從海表面高度數(shù)據(jù)中分離出來:

式中?η是海表面高度異常, a0是常數(shù)項(xiàng), a1是通過多元線性回歸所獲得的海表面長(zhǎng)期變化線性趨勢(shì)的回歸系數(shù), a2是PDO指數(shù)所對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù), t表示時(shí)間, 而aε是誤差。1a和2a分別代表了長(zhǎng)期趨勢(shì)和PDO信號(hào)變化趨勢(shì), 而PDO-SSH即是通過將回歸系數(shù)2a與θ相乘得到的。至此, PDO所引起的海面上升趨勢(shì)即可從氣候變動(dòng)的大背景中分離出來, 并用于之后的研究和分析。

在進(jìn)行多元線性回歸分析之前, 為使研究能夠聚焦于大尺度長(zhǎng)周期的氣候變動(dòng), 同時(shí)為保證足夠的信號(hào)強(qiáng)度, 我們對(duì)θ采取了36個(gè)月和12個(gè)月的滑動(dòng)平均(圖2)。

圖1 驗(yàn)潮站海平面數(shù)據(jù)和臨近的SODA2.2.4海表面高度數(shù)據(jù)的比較結(jié)果Fig. 1 Comparison between data at tide stations and nearby grid points of SODA 2.2.4

圖2 基于海表面溫度的PDO指數(shù)及應(yīng)用36個(gè)月和12個(gè)月的滑動(dòng)平均后的濾波結(jié)果Fig. 2 SST based PDO index and associated 36- and 12-month running mean filtered results

2 1950～2010年P(guān)DO對(duì)區(qū)域海平面上升的貢獻(xiàn)

圖2中可見到在1950～2010年, PDO指數(shù)出現(xiàn)了2個(gè)連續(xù)且明顯的完整相位變換過程 (1960～1989年, 1990～2001年)。Minobe[19-20]指出, 在20世紀(jì)里, PDO在兩個(gè)準(zhǔn)周期上最為活躍, 一個(gè)是50～70 a, 另一個(gè)是15～25 a。此外, PDO和ENSO在低頻波段表現(xiàn)出了很高的相關(guān)性[5-6,17,21], 有研究認(rèn)為PDO或?yàn)楸碧窖蟮貐^(qū)對(duì)ENSO的一種響應(yīng)模式[22-25]。

綜合考慮上述研究中PDO所表現(xiàn)出來的特征,為保證PDO指數(shù)在濾波之后依然能夠保持較高的信號(hào)強(qiáng)度, 本研究中并未采取除滑動(dòng)平均以外的低通濾波器對(duì)PDO指數(shù)進(jìn)行濾波, 并將著重討論和研究前文中提到的兩個(gè)典型周期(圖2)。

根據(jù)之前所獲得的PDO-SSH, 通過在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上對(duì)其進(jìn)行最小二乘法運(yùn)算, 即可獲得PDO所引起的海平面變化趨勢(shì)。圖3為這兩個(gè)周期所分別對(duì)應(yīng)的PDO-SSH變化趨勢(shì)的空間分布, 兩者和典型的PDO信號(hào)在北太平洋的空間分布之間具有很高的相似度。在1960～1989年, PDO指數(shù)從冷相位轉(zhuǎn)變到了暖相位, 所對(duì)應(yīng)的PDO-SSH變化趨勢(shì)在北太平洋地區(qū)呈現(xiàn)出差異化的分布特征, 在西北太平洋地區(qū)體現(xiàn)為下降趨勢(shì), 而在東北太平洋地區(qū)則為上升趨勢(shì)。相反地, 在1990～2001年, 由于PDO指數(shù)從暖相位轉(zhuǎn)變到了冷相位, 所對(duì)應(yīng)的PDO-SSH的變化趨勢(shì)在西北太平洋地區(qū)體現(xiàn)為上升趨勢(shì), 而東北太平洋為下降趨勢(shì)。盡管在兩個(gè)不同的周期里, PDO-SSH趨勢(shì)的空間分布有著非常相似的空間分布特征, 但在1960～1989年, PDO-SSH趨勢(shì)的區(qū)域差異性特征更為復(fù)雜。在兩個(gè)不同時(shí)期內(nèi), PDO所引起的海平面變化的極大值均出現(xiàn)在了黑潮延伸體區(qū)域, 而相反的變化速率的極大值也都出現(xiàn)在了北美地區(qū)太平洋沿岸以及東赤道太平洋地區(qū)。

圖3 PDO引起的海平面變化趨勢(shì)的空間分布 單位cm/aFig. 3 Distribution of sea-level trends induced by PDO, cm/aa: 1960～1989年; b: 1990～2001年a: between 1960 and 1989; b: between 1990 and 2001

將PDO-SSH信號(hào)從原始的SODA數(shù)據(jù)中被去除掉之后, 北太平洋地區(qū)的海表面高度變化速率在空間分布上發(fā)生了重大改變。圖4和圖5為去除PDOSSH前后, 分別使用最小二乘法對(duì)兩個(gè)周期進(jìn)行計(jì)算得到的區(qū)域海平面變化趨勢(shì)。

從圖4a中可見, 由于具有較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度(約30 a), 在1960～1989年, 北太平洋地區(qū)的區(qū)域性海平面變化趨勢(shì)分布較為均勻并且數(shù)值不高, 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差較小, 基本控制在±1 mm/a的水平內(nèi)。

在去除PDO-SSH之前, 該區(qū)域的海平面變化趨勢(shì)空間分布和PDO信號(hào)的空間分布之間有一定的相似性, 在北美地區(qū)近海海域具有正的上升趨勢(shì), 而在西太平洋地區(qū)也呈現(xiàn)出負(fù)的上升趨勢(shì), 尤其是在黑潮延伸體海域。黑潮延伸體本身所具有的不穩(wěn)定性或許是造成該地區(qū)海平面變化趨勢(shì)空間分布特征復(fù)雜的首要原因。圖4a的上升趨勢(shì)的極值區(qū)出現(xiàn)在東赤道太平洋和阿拉斯加灣區(qū)域。整體來看, 圖4a所表現(xiàn)出來的空間分布狀況和PDO-SSH自身的變化趨勢(shì)空間分布之間有著一定相似性, 同時(shí)趨勢(shì)下降的地區(qū)主要集中在25°～50°N, 150°E～160°W地區(qū)。

圖4 1960～1989年區(qū)域海平面變化趨勢(shì)的空間分布Fig. 4 Regional sea-level trend distribution between 1960 and 1989a: 移除PDO-SSH前; b: 移除PDO-SSH后a: PDO-SSH retained; b: PDO-SSH reduced. Black contours denote zero values

圖4 b為移除PDO-SSH之后的北太平洋區(qū)域海平面上升趨勢(shì)空間分布。在大致的升降分布上, 圖 4b和圖4a之間有著一定的一致性, 但不再具備PDO信號(hào)的典型特征。

總體來看, 北太平洋東西兩側(cè)的海平面升降關(guān)系在圖4b中出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。在赤道太平洋地區(qū), 無論是升高還是下降, 移除后的海平面變化趨勢(shì)都得到了加強(qiáng)。而在赤道暖池區(qū)域(10°～20°N, 150°–180°E),海平面上升趨勢(shì)的最大值達(dá)到了約0.3 cm/a。而同一區(qū)域的PDO-SSH的平均變化趨勢(shì)就達(dá)到了–0.2 cm/a,幾乎是實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的兩倍之多。

由于去除了PDO所引起的海平面變化, 在北太平洋的大部分區(qū)域里, 包括北美地區(qū)近海海域, 海平面變化趨勢(shì)從接近于0變化到了–0.1 cm/a的水平,說明PDO-SSH的存在會(huì)極大地影響沿海地區(qū)的海平面上升水平。由于絕大多數(shù)北太平洋地區(qū)的驗(yàn)潮站都分布于北美地區(qū)沿岸, 尤其是那些數(shù)據(jù)完整度較高, 經(jīng)常參與研究活動(dòng)的驗(yàn)潮站, 因此為提高估計(jì)人類活動(dòng)所導(dǎo)致的區(qū)域海平面變化的準(zhǔn)確程度, 去除PDO-SSH信號(hào)是至關(guān)重要的。使用同一套計(jì)算方法, 我們分析和檢驗(yàn)了另一個(gè)時(shí)間更近的PDO活躍時(shí)期(1990～2001年)。高度計(jì)時(shí)期和這一活躍時(shí)期有諸多重合, 同時(shí)在該時(shí)段里, 還包含了1997年發(fā)生的歷史上最強(qiáng)烈的ENSO

事件之一。盡管該時(shí)期在時(shí)間長(zhǎng)度的選擇上存在一定的差異性, 但圖5a中的區(qū)域海平面變化趨勢(shì)的空間分布仍然與此前的相關(guān)研究[18]保持了一定的相似度。在未分離PDO所引起的海表面高度變化的情況下, 北太平洋的區(qū)域海平面變化空間分布呈現(xiàn)出了很強(qiáng)的差異性。在西太平洋和赤道暖池地區(qū), 出現(xiàn)了一個(gè)很強(qiáng)的正上升速率中心, 而在北美地區(qū)沿岸,

則出現(xiàn)了負(fù)的上升速率聚集區(qū)域。最大的海平面上升速率(1 cm/a)出現(xiàn)在10°～25°N, 150°～170°W區(qū)域,

同時(shí)最小速率(–1 cm/a)出現(xiàn)在了黑潮延伸體海域和東赤道太平洋地區(qū)。此外, 在整個(gè)北美地區(qū)沿海地區(qū),

都呈現(xiàn)出了普遍的下降趨勢(shì)。

圖5 1990～2001年, 區(qū)域海平面變化趨勢(shì)的空間分布Fig. 5 Regional sea-level trend distribution between 1990 and 2001a: 移除PDO-SSH前; b: 移除PDO-SSH后a: PDO-SSH retained; b: PDO-SSH reduced. Black contours denote zero values

然而在移除PDO-SSH后, 北太平洋區(qū)域海平面變化趨勢(shì)的空間變化模式, 與圖4和其他研究[8]的變化模式都有一定差異。在大多數(shù)格點(diǎn)上, 盡管PDO-SSH的變化趨勢(shì)并不一致, 但通過移除PDO-SSH信號(hào),整個(gè)北太平洋地區(qū)的區(qū)域海平面的上升趨勢(shì)均得到了抑制。和圖5a中的海平面上升趨勢(shì)相比, 圖3b中的PDO-SSH變化趨勢(shì)強(qiáng)度較弱, 最大值僅為0.5 cm/a。而另一方面, 沿海地區(qū)和東北太平洋地區(qū)的海平面下降趨勢(shì)也得到了抑制, 但阿留申群島附近海域的上升趨勢(shì)得到了加強(qiáng)。

在兩個(gè)不同的PDO活躍時(shí)期內(nèi), 移除PDO-SSH前后, 海平面上升速率的空間分布有著截然不同的變化模式, 導(dǎo)致這種變化差異的主要原因或許是由于趨勢(shì)計(jì)算方法本身存在一定的不穩(wěn)定性。在趨勢(shì)估計(jì)的過程中, 最小二乘法是廣泛適用的方法, 但這種方法對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度的選取有著很強(qiáng)的依賴性[26]。在選取不同的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度的過程中, 即使參與最小二乘法運(yùn)算的數(shù)據(jù)之間存在很小的不同, 也可能導(dǎo)致截然相反的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖3中, 在兩個(gè)不同的時(shí)期里, PDO所引起的海平面趨勢(shì)性變化有著相似的空間分布和信號(hào)強(qiáng)度, 僅因?yàn)镻DO指數(shù)的冷暖相位轉(zhuǎn)化方向相反, 使得東西太平洋地區(qū)在上升趨勢(shì)的正負(fù)關(guān)系有所不同。1990～2001年, 發(fā)生了最強(qiáng)烈的ENSO事件之一。盡管對(duì)PDO指數(shù)進(jìn)行了滑動(dòng)濾波, 由于ENSO和PDO之間的緊密聯(lián)系, 使得該時(shí)期的PDO指數(shù)變化曲線和ENSO之間, 在強(qiáng)度和變化規(guī)律上仍然有著一定的相似度。然而, 由于1990～2001年間觀測(cè)所得的海平面變化要遠(yuǎn)強(qiáng)于同期對(duì)應(yīng)的PDO-SSH的變化, 使得長(zhǎng)期氣候振蕩對(duì)海平面變化所產(chǎn)生的真實(shí)影響被掩蓋了。

3 討論

類似ENSO和PDO的年際和年代際氣候振蕩,不僅能夠影響大洋熱量的經(jīng)向輸運(yùn)過程和大氣輻射平衡, 也能夠掩蓋長(zhǎng)期不可逆轉(zhuǎn)的海平面上升趨勢(shì)。整體看來, 中長(zhǎng)期的氣候變動(dòng)會(huì)對(duì)全球平均海平面以及區(qū)域海平面有提升效果[3]。通過降低大尺度氣候變動(dòng)對(duì)海平面所造成的影響, 可以顯著提升我們對(duì)區(qū)域海平面升高狀況估測(cè)結(jié)果的精確度。此前已有諸多學(xué)者使用衛(wèi)星高度計(jì)和其他海平面重構(gòu)產(chǎn)品對(duì)PDO和海平面變化之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[5,9,11,16]。本文中, 我們使用了一種估計(jì)PDO對(duì)區(qū)域海平面變化的影響的量化方法。基于SODA 2.2.4同化數(shù)據(jù)和衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù), 可以計(jì)算出PDO事件對(duì)海平面變化的影響尺度, 提升我們對(duì)人類活動(dòng)所導(dǎo)致的全球氣候變暖效應(yīng)和區(qū)域海平面差異性變化的認(rèn)識(shí)。

在計(jì)算的過程中, 我們使用了多元線性回歸方法來提取PDO-SSH信號(hào), 并重新計(jì)算了海平面變化速率。PDO的相位變換主要發(fā)生在年代際尺度上, 約為10～30 a, 而在15～25 a的周期上最為活躍。當(dāng)PDO信號(hào)從冷相位轉(zhuǎn)向暖相位時(shí), 如1960～1989年, PDO指數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。同時(shí), 回歸計(jì)算得到的PDO-SSH在西北太平洋呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 在東北太平洋則是上升趨勢(shì)。當(dāng)相位變換的方向相反時(shí), 如1990～2001年, 則相應(yīng)地會(huì)出現(xiàn)正負(fù)關(guān)系相反的空間分布。在1960～1989年間, PDO影響了整個(gè)北太平洋海域, 將區(qū)域海平面升高的空間分布模式打散甚至逆轉(zhuǎn)。而在東北太平洋的大部分區(qū)域內(nèi), 包括北美地區(qū)沿岸和東赤道太平洋海域, 發(fā)現(xiàn)海平面升高速率嚴(yán)重受到PDO-SSH的影響。然而, 在相對(duì)較短的時(shí)期里(如1990～2001年), PDO-SSH對(duì)區(qū)域海平面升高趨勢(shì)的影響僅相當(dāng)于一個(gè)背景場(chǎng)信號(hào)。這是由于在高度計(jì)時(shí)期, PDO-SSH的強(qiáng)度要遠(yuǎn)小于SODA海平面高度數(shù)據(jù)的強(qiáng)度, 這對(duì)準(zhǔn)確判斷PDO對(duì)海平面所造成的真正影響范圍形成了一定的干擾。

在計(jì)算海平面上升趨勢(shì)和PDO-SSH變化趨勢(shì)時(shí),變化速率對(duì)所選取的時(shí)間長(zhǎng)度十分敏感。一般來說,給定的PDO信號(hào)的數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度越長(zhǎng), 其對(duì)區(qū)域海平面變化趨勢(shì)所造成的影響就越小; 而數(shù)據(jù)的信號(hào)強(qiáng)度越大, 對(duì)海平面變化趨勢(shì)的影響就越大。在北太平洋地區(qū), 盡管PDO影響的空間分布模式并不唯一,但北美沿岸地區(qū)受到的影響始終最為顯著。

[1] Nakamura H, Lin G, Yamagata T. Decadal climate variability in the North Pacific during the recent decades[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1997, 78(10): 2215-2225.

[2] Zhang Y, Wallace J M, Battisti D S. ENSO-like interdecadal variability: 1900-93[J]. Journal of Climate, 1997, 10(5): 1004-1020.

[3] Casey K S, Adamec D. Sea surface temperature and sea surface height variability in the North Pacific Ocean from 1993 to 1999[J]. Journal of Geophysical Research, 2002, 107(C8): 14-1–14-12.

[4] Mantua N J, Hare S R, Zhang Y, et al. A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production[J]. Bulletin of the american MeteorologicalSociety, 1997, 78(6): 1069-1079.

[5] Zhang X, Church J A. Sea level trends, interannual and decadal variability in the Pacific Ocean[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(21): 653-660.

[6] 楊修群, 朱益民, 謝倩, 等. 太平洋年代際振蕩的研究進(jìn)展[J]. 大氣科學(xué), 2004, 28(6): 979-992. YANG Xiuqun, ZHU Yimin, XIE qian, et al. Advances in Studies of Pacific Decadal Oscillation[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2004, 28(6): 979-992.

[7] Bromirski P D, Miller A J, Flick R E, et al. Dynamical suppression of sea level rise along the Pacific coast of North America: Indications for imminent acceleration[J]. Journal of Geophysical Research Oceans, 2011, 116: C7.

[8] Cummins P F, Lagerloef G S E. Low-Frequency Pycnocline Depth Variability at Ocean Weather Station P in the Northeast Pacific[J]. Journal of Physical Oceanography, 2002, 32(32): 3207-3215.

[9] Hamlington B D, Leben R R, Strassburg M W, et al. Contribution of the Pacific Decadal Oscillation to global mean sea level trends[J]. Geophysical Research Letters, 2013, 40(19): 5171-5175.

[10] Merrifield M A, Thompson P R, Lander M. Multidecadal sea level anomalies and trends in the western tropical Pacific[J]. Geophysical Research Letters, 2012, 39(13): 34-47.

[11] Meyssignac B, Salas y Melia D, Becker M, et al. Tropical Pacific spatial trend patterns in observed sea level: internal variability and/or anthropogenic signature?[J]. Climate of the Past, 2012, 8(2): 787-802.

[12] Feng M, Li Y, Meyers G. Multidecadal variations of Fremantle sea level: Footprint of climate variability in the tropical Pacific[J]. Arquivos Brasileiros De Cardiologia, 2007, 88(2): 144-151.

[13] Hamlington B D, Leben R R, Strassburg M W, et al. Cyclostationary empirical orthogonal function sea-level reconstruction[J]. Geoscience Data Journal, 2014, 1(C12): 90-99.

[14] Nerem R S, Mitchum G T. Estimates of vertical crustal motion derived from differences of TOPEX/POSEIDON and tide gauge sea level measurements[J]. Geophysical Research Letters, 2002, 29(19): 40-1-40-4.

[15] Mantua N J, Hare S R. The Pacific decadal oscillation[J]. Journal of oceanography, 2002, 58(1): 35-44.

[16] Cummins P F, Lagerloef G S E, Mitchum G. A regional index of northeast Pacific variability based on satellite altimeter data[J]. Geophysical Research Letters, 2005, 32(17): L17607.

[17] Lagerloef G S E. Interdecadal Variations in the Alaska Gyre[J]. Journal of Physical Oceanography, 1995, 25(10): 2242-2258.

[18] Si, Z., Xu, Y. Influence of the Pacific Decadal Oscillation on regional sea level rise in the Pacific Ocean from 1993 to 2012[J]. Chinese Journal of Oceanology & Limnology, 2014, 32(6): 1414-1420.

[19] Minobe S. A 50–70 year climatic oscillation over the North Pacific and North America[J]. Geophysical Research Letters, 1997, 24(6): 683-686.

[20] Minobe S. Resonance in bidecadal and pentadecadal climate oscillations over the North Pacific: Role in climatic regime shifts[J]. Geophysical Research Letters, 1999, 26(7): 855-858.

[21] Power S, Colman R. Multi-year predictability in a coupled general circulation model[J]. Climate Dynamics, 2006, 26(2-3): 247-272.

[22] Deser C, Alexander M A, Xie S P, et al. Sea surface temperature variability: patterns and mechanisms[J]. Annual Review of Marine Science, 2010, 2(3): 115-143.

[23] Newman M, Compo G P, Alexander M A. ENSO-forced variability of the Pacific decadal oscillation[J]. Journal of Climate, 2003, 16(23): 3853-3857.

[24] 顧小麗, 李培良. 太平洋海平面變化特征及影響因素分析[J]. 海洋學(xué)報(bào), 2009, 31(1): 28-36. GU xiaoli, LI peiliang. Pacific sea level variations and its factors [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2009, 31(1): 28-36.

[25] Hay C C, Eric M, Kopp R E, et al. Probabilistic reanalysis of twentieth-century sea-level rise.[J]. Nature, 2015, 517(7535): 481-484.

[26] Chambers D P, Mehlhaff C A, Urban T J, et al. Low-frequency variations in global mean sea level: 1950–2000[J]. Journal of Geophysical Research, 2002, 107(C4): 1-1–1-10.

Quantification and evaluation of PDO influence on north Pacific SLR during 1950–2010

LIU Chao1,2,3, XU Yong-sheng1,2
(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Ocean Dynamics and Climate, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266200, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Mar. 22, 2016

PDO (Pacific decadal oscillation); regional sea level; SSH (sea surface height); North Pacific Ocean

In this paper, the influence of different Pacific Decadal Oscillation (PDO) events are investigated and estimated during 1950–2010 in the North Pacific. Simple ocean data assimilation (SODA) sea surface height (SSH) data are used to separate PDO-induced SSH varieties (PDO-SSH) by applying the multiple linear regression method. Results show that the obtained PDO-SSH induced sea level rise and its obscure-effect are closely related to the amplitude and period of the corresponding PDO signal. Further analysis shows that the influence of PDO events in the North Pacific is not uniform, and an opposite sign is observed in the Eastern and Western Pacific. The long-term PDO signal during 1960 to 1989 has a stronger influence than the altimeter period, and the areas most influenced are the western equatorial Pacific, Aleutian Islands, and coast of North America, where PDO-SSH in these regions accounts for nearly 60% of observed SSH.

P722

A

1000-3096(2017)04-0088-10

10.11759/hykx20160322003

(本文編輯: 李曉燕)

2016-03-22;

2016-04-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41376028); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展

973計(jì)劃(2012CB956000); 中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃(Y32109101L); 遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(OFSLRSS201504); 青島市創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計(jì)劃(13-CX-26); 國(guó)家自然科學(xué)基金-山東省-海洋科學(xué)研究中心聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1406401); 國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目

(41421005); 山東省自然科學(xué)基金(ZR2014DQ027)

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41376028; China 973 Project, No.2012CB956000; CAS (Chinese Academy of Sciences) “100 Talent” Program, No.Y32109101L; Open Foundation of State Key Laboratory of Remote Sensing Science, No.OFSLRSS201504; Leadership in Entrepreneurship and Innovation Awarded by Qingdao Municipal Government, No.13-CX-26; NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers, No.U1406401; NSFC Innovation research group of Sciences Fund, No.41421005; Natural Science Foundation of Shandong Province, China, No.ZR2014DQ027]

劉超(1990-), 男, 山東青島人, 在讀碩士, 從事氣候變化方向的研究, E-mail: liu1990chao@126.com; 徐永生, 通信作者, 研究員, 主要從事物理海洋和海洋遙感方面的研究, 電話: 0532-82898352, E-mail: yongsheng.xu@qdio.ac.cn