冬季黑潮延伸體區(qū)域渦旋尺度海面溫度季節(jié)內變化特征?

楊小繪，賈英來

(中國海洋大學海洋與大氣學院 海洋氣象學系，山東 青島 266100)

黑潮延伸體區(qū)域是中緯度海洋-大氣相互作用的關鍵區(qū)域[1-2]。Wang等[3]發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體區(qū)域大尺度的海面溫度異常存在季節(jié)內變化特征，并且通過海-氣相互作用驅動北太平洋海盆尺度的風應力旋度，構成耦合模態(tài)，該季節(jié)內振蕩信號在夏季最強。黑潮延伸體區(qū)域海洋渦旋活躍，渦旋通過海氣相互作用影響其上層大氣。而海氣相互作用的關鍵是海-氣界面間的熱通量交換，熱通量和SST間的關系在不同空間尺度(比如大尺度和渦旋尺度)上并不相同，Li等[4]用懲罰回歸分析(Penalized spectral regression,PSR)得出湍流熱通量和SST異常的關系在渦旋尺度(<1 000 km)上同位相變化且關系密切，是渦旋尺度SST強迫大氣；而在海盆尺度上，熱通量和SST呈負相關[5-6]，這時為大氣強迫海洋。Smirnov等[7]和Putrasahan等[8]通過利用數(shù)值模式也得到類似結論。

前人發(fā)現(xiàn)海洋渦旋可以引起海氣界面熱量通量以及邊界層大氣中風速等要素的響應[9-10]，該響應在冬季最強[11-12]，其主要通過垂直混合機制影響大氣[13-15]。通過渦旋合成的方法[16-18]發(fā)現(xiàn)湍流熱通量異常在渦旋中心附近更強，在渦旋外部最小[17]。在暖渦上空風速增大，冷渦上空風速減小[18]。并且渦旋對大氣的影響存在季節(jié)變化，冬春最大、夏秋較弱[11]。但是，前人研究海洋渦旋上空的海-氣相互作用過程時，多通過渦旋合成的方法來進行，并未探討其時間變化特征。黑潮延伸體區(qū)域的流軸彎曲(Meander)存在3～60 d的季節(jié)內變化信號[19]，該季節(jié)內變化信號是否也存在于渦旋尺度SST的時間變化之中？為探討黑潮延伸體區(qū)域渦旋尺度SST的時間變化特征，本文利用觀測資料和再分析資料對大尺度和渦旋尺度SST的時間變化進行了分析，比較了兩者在季節(jié)內變化上的區(qū)別，并進一步分析了和冬季渦旋尺度SST季節(jié)內變化相關的大氣邊界層的響應特征。

1 資料和方法

本文所用SST 數(shù)據(jù)有歐洲中期天氣預報中心ECMWF(European center for medium-range weather forecasts)的再分析資料ERA-interim SST數(shù)據(jù)(水平分辨率為0.75°×0.75°，時間間隔為6 h)和OISST(NOAA Optimum Interpolation Sea Surface Temperature,OISST)觀測數(shù)據(jù)(水平分辨率為0.25°×0.25°的逐日數(shù)據(jù))。取兩者共同的時間段(2002年1月～2017年間)進行研究。因ERA數(shù)據(jù)不僅包含SST，而且包含大氣邊界層的各變量，本文中主要選取ERA的數(shù)據(jù)集進行分析。本文中冬季定義為每年的11月1日～次年3月31日，夏季定義為每年的5月1日～9月30日。根據(jù)黑潮延伸體區(qū)域海洋渦旋和鋒面的特征尺度[20]，采用5°×5°二維空間濾波(2D Boxcar)方法分離渦旋尺度的SST異常和大尺度的SST異常信號。利用小波功率譜分析方法研究時間變化顯著周期，采用Lanczos帶通濾波器對資料進行帶通濾波以得到相應的頻段。為對季節(jié)內時間變化信號進行研究，所有數(shù)據(jù)均進行去(2002—2017年)氣候態(tài)月平均處理后再進行相應的后續(xù)處理。

采用ERA-interim再分析數(shù)據(jù)的海表面潛熱通量(Surface Latent Heat Flux,SLHF)、海表面感熱通量(Surface Sensible Heat Flux,SSHF)、蒸發(fā)(Evaporation,E)、10 m風場(10 metre speed,SPE)、2 m氣溫(2 metre temperature,2mT)等數(shù)據(jù)分析大氣邊界層對SST信號的響應。采用與SST相同的方法對大氣邊界層各變量進行渦旋尺度信號和大尺度信號的分離。為考察渦旋尺度SST異常信號引起的大氣邊界層響應，采用二維模態(tài)相關(Pattern correlation)的方法進行分析兩者在空間分布形態(tài)上的一致性。關于渦旋引起的大氣的響應，以前的文獻主要通過渦旋合成分析[9-10,16-19]，但是渦旋合成后的場是多渦旋平均的結果，并不能探討渦旋及大氣響應兩者關系的時間變化。模態(tài)相關，即兩個變量之間的線性相關的Pearson積矩系數(shù)(Pearson product-moment coefficient)用于衡量兩個變量各自模態(tài)之間的相關性。其主要適用于分析兩個異常場空間分布形態(tài)的異同。若兩個異常場(比如渦旋SST異常場和SLHF異常場)各異常中心的位置和形狀近似，則相關系數(shù)高。利用模態(tài)相關可以研究渦旋SST異常信號引起的大氣異常響應。若兩者相關系數(shù)大，則說明渦旋SST異常能夠引起大氣變量在空間同位相的響應。模態(tài)相關系數(shù)的時間變化還可以顯示大氣對SST異常響應的時間變化。在本文中，我們將利用模態(tài)相關分析揭示渦旋SST異常及大氣響應的季節(jié)內變化特征。

2 渦旋尺度海面溫度季節(jié)內振蕩的時空分布特征

為說明黑潮-親潮延伸體區(qū)域大尺度海溫與渦旋尺度海溫在季節(jié)內變化特征上的不同，圖1給出了SSTA(Sea Surface Temperature Anomaly)場90 d滑動標準差在冬季、夏季的空間分布。兩種數(shù)據(jù)的結果都表明，大尺度SST的季節(jié)內信號具有夏季強、冬季弱的特點(見圖1(a)、(c)及(e)、(g))，其中大尺度SST季節(jié)內變化信號的空間分布和Wang 等[3]的結果一致。渦旋尺度SST的季節(jié)內變化信號則是冬季強、夏季弱(見圖1(b)、(d)及(e)、(f))。大尺度和渦旋尺度SST季節(jié)內信號標準差的空間分布也不相同，渦旋尺度信號主要分布在黑潮-親潮海洋鋒面區(qū)域，在日本沿岸最強，并沿黑潮、親潮鋒面向東延伸。在兩個數(shù)據(jù)中冬季渦旋尺度SST信號的標準差可達1 ℃左右，尤其是在黑潮、親潮鋒面區(qū)域，是SST的主要變化信號。OISST數(shù)據(jù)中渦旋尺度季節(jié)內信號的標準差更大可能是因為其分辨率高的原因。

為進一步考察渦旋尺度季節(jié)內信號的變化周期，選取黑潮海洋鋒面上的一點(146.75°E，36.25°N)，對其SST時間序列進行小波分析(見圖2)。大尺度SST的顯著周期以20～40 d為主，而渦旋尺度SST的顯著周期則在40 d以上，兩者的小波譜值均存在明顯的季節(jié)變化。為進一步考察黑潮-親潮延伸體區(qū)SST的季節(jié)內變化周期，分0～40 d和40～100 d兩個季節(jié)變化顯著的頻段進行研究，圖3給出了兩個頻段內大尺度和渦旋尺度SST信號在夏季和冬季期間小波譜值最大值的空間分布，以考察該頻段周期信號的特征。對于大尺度SST信號，0～40 d頻段的小波譜值主要在日本沿岸較強，而40～100 d頻段的信號還多分布在黑潮延伸體下游。大尺度SST信號的0～40 d變化和40～100 d信號均在夏季最明顯(見圖3)，這和Wang 等[3]關于該區(qū)域大尺度SST季節(jié)內變化的結論一致。對于渦旋尺度SST變化信號，40～100 d頻段的小波譜值(約15～20 ℃2)明顯強于0～40 d頻段的(6 ℃2以內)(見圖4)，并且渦旋尺度SST的季節(jié)內變化在冬季明顯強于夏季。冬季渦旋尺度SST的40～100 d振蕩的顯著信號主要分布在黑潮、親潮海洋鋒面處 (見圖4)，這可能和黑潮流軸彎曲(Meander)中的季節(jié)內信號有關[19]。

3 冬季渦旋尺度海面溫度的季節(jié)內變化信號對邊界層大氣的影響

由上述可知，大尺度SST與渦旋尺度SST的季節(jié)內振蕩信號并不一致，在冬季，黑潮-親潮延伸體區(qū)域SST變化主要是渦旋尺度SST的40～100 d變化造成的。根據(jù)前人研究[9-10]，渦旋尺度SST變化可以引起海氣界面熱量通量以及邊界層大氣中風速等要素的響應，那么，渦旋尺度SST的季節(jié)內變化能否引起大氣邊界層各要素的相應變化呢？為回答這個問題，本文首先考察了黑潮鋒面一點(146.75°E，36.25°N)上的SLHF的小波功率譜分布(見圖2(e)、(f)、(g)、(h))。

(填色部分為海面溫度90 d滑動平均的標準差，等值線為相應季節(jié)的海面溫度多年平均氣候態(tài)值(單位：℃)。圖中的藍色點為下文分析中選取的點(146.75°E，36.25°N)。The shaded parts are 90-day running mean standard deviation of SST and the contours are climatological distribution of SST，(Unit:℃.) The blue point (146.75°E,36.25°N) indicate the token point for the following analysis.)
圖1 海面溫度標準差圖
Fig.1 The average standard deviation distribution of SST

((a、c、e、g)中黑色等值線圈住的填色區(qū)域為通過95%信度水平的小波功率譜值，黑色虛線為影響錐的部分曲線，黑色曲線內為可信區(qū)域。(b、d、f、h)中藍色實線為小波全譜，紅色虛線為95%信度水平的標準紅噪音譜。The dotted lines in (a,c,e,g) are part of conial and the conial area is the credible part;The solid line is the period that passes the 95% confidence level.Solid lines in (b,d,f,h) represent the wavelet full spectrum of the oscillation,and the dashed lines indicate the standard red-noise spectra at the 95% confidence level.)
圖2 點(146.75°E，36.25°N)的小波功率譜以及小波全譜圖
Fig.2 Wavelet spectrum and wavelet full spectrum on the point (146.75°E,36.25°N)

(填色部分為大尺度海面溫度的小波全譜的最大譜值，單位：℃2，等值線部分為相應季節(jié)的多年海面溫度平均值，單位：℃。The shaded parts are maximum wavelet full spectrum power of SST (Unit:℃2) and the contours are climatological distribution of corresponding SST (Unit:℃).)
圖3 大尺度海面溫度的小波全譜最大譜值平面分布圖
Fig.3 Distribution of the large scale SST maximum wavelet power

(圖中的實線方框為下文分析所選取的關鍵區(qū)域，范圍為(142°E～160°E,33°N～44°N)。The rectangle indicate the key region for the following analysis:(142°E～160°E,33°N～44°N).)
圖4 同圖3，但填色部分為渦旋尺度海面溫度
Fig.4 As in Fig.3,but for mesoscale SST

由圖可見，大尺度SLHF及渦旋尺度SLHF均存在季節(jié)內振蕩，大尺度SLHF的顯著周期以40 d以上為主，峰值在60～70 d。渦旋尺度SLHF的顯著周期也具有60～100 d的顯著周期，兩者的小波譜值均存在明顯的季節(jié)變化。其中渦旋尺度SLHF與渦旋尺度SST的功率譜結構相似。

為進一步探討渦旋尺度SST和SLHF在季節(jié)內變化上的相關性，將冬季渦旋尺度SST和大氣邊界層各要素的異常進行20～100 d帶通濾波以提取季節(jié)內變化信號，并對其進行區(qū)域平均后(142°E～160°E，33°N～44°N)計算了超前滯后相關系數(shù)(見圖5)。為和大尺度信號進行對比，同時給出了大尺度SST和大氣邊界層各要素間的相關關系。圖5明確表明，大尺度SST與大氣邊界層各要素間的相關性比渦旋尺度信號間的相關性弱得多。大氣邊界層各變量和SST相關系數(shù)低且呈現(xiàn)SST超前或滯后的相關(大氣強迫海洋)。而渦旋尺度SST信號則和SLHF、SSHF、BLH、E，TSA以及SPE都是同期相關，并且渦旋尺度SST信號和SLHF、SSHF、BLH、E，TSA以及SPE這幾個變量間的同期相關系數(shù)高達0.8。兩者渦旋尺度信號的變化一致性與前人用渦旋追蹤合成方法得出的結果一致[9-10,16-19]。這說明冬季渦旋尺度SST信號能夠引起大氣邊界層各要素的同期響應，冬季，黑潮延伸體區(qū)域，在渦旋尺度上，是海洋SST驅動大氣。

(黑色實線為渦旋尺度SST與渦旋尺度大氣要素的超前滯后相關系數(shù)，黑色虛線為大尺度SST與大尺度大氣要素的超前滯后相關系數(shù)。The solid line and;Dashed line indicate the mesoscale and large scale,respectively.)
圖5 冬季(142°E～160°E,33°N～44°N)區(qū)域內平均的海面溫度與大氣要素的超前滯后相關
Fig.5 Lead lag correlation between area-mean SST and atmospheric elements in the key region (142°E～160°E,33°N～44°N) during winter

上文發(fā)現(xiàn)冬季渦旋尺度SST存在季節(jié)內變化信號，當渦旋尺度SST發(fā)生變化時，大氣要素產生與之一致的響應。前人關于渦旋引起大氣的響應主要通過渦旋合成分析[9-10,16-19]，但是渦旋合成后的場是多渦旋平均的結果，這并不能探討大氣對渦旋的響應是否隨著渦旋SST信號的時間而產生相應的變化。那么渦旋尺度SST的季節(jié)內信號能否引起與大氣響應的季節(jié)內變化？

為回答這個問題，本文使用二維模態(tài)相關分析來研究這兩者之間的時間變化關系。冬季(142°E～160°E，33°N～44°N)的渦旋場與大氣邊界層各要素響應的時間變化關系如圖6藍色實線所示。由圖可見，對與渦旋尺度SST同位相時間相關密切的熱通量、蒸發(fā)和海氣溫差項，模態(tài)相關系數(shù)同樣較強，高達0.8以上，可見兩者在空間分布上也非常一致。而邊界層高度和海面風場與渦旋尺度SST的關系則較差。這說明渦旋尺度SST的季節(jié)內變化信號能夠引起大氣邊界層各要素，尤其是熱通量的相應的季節(jié)內變化。同時，兩者的模態(tài)相關系數(shù)的時間變化也說明在有的年份，兩者的關系較好，在有的時間段，兩者的關系較差。那么大氣邊界層對渦旋尺度SST異常的響應強度與什么因素有關系呢？為此，統(tǒng)計了上述區(qū)域較強渦旋(即暖渦中心值>0.6 ℃與冷渦中心值<-0.6 ℃)總個數(shù)的時間變化(見圖6黑色實線)?？梢钥吹捷^強渦旋的個數(shù)與大氣對SST異常響應密切相關，強渦旋多的時候大氣邊界層異常與SST異常在空間分布上更一致，這時候由大氣邊界層更多地受渦旋SST的影響，而渦旋少的時候大氣邊界層對渦旋SST異常的響應較弱。圖6紅色實線給出的是點(146.75°E，36.25°N)渦旋尺度SST變化在40～100 d頻段內的小波功率譜值時間變化序列，可以看出，渦旋SST季節(jié)內變化信號明顯的時間段模態(tài)相關系數(shù)較大，強渦個數(shù)較多；而渦旋SST季節(jié)內變化信號不明顯的時間段，強渦個數(shù)較小，模態(tài)相關系數(shù)也較小。這說明渦旋SST季節(jié)內變化表現(xiàn)為強渦個數(shù)的變化，而強渦的增多也加強了大氣邊界層的響應。Shan和Dong[21]利用WRF(Weather research and forecasting model)模式理想試驗的結果揭示了SST異常信號的增強會加強大氣的響應，這和我們的結果是一致的。為更直觀地進行驗證，以SLHF為例，選取了6個不同的時間做了分析。參見圖6(a)中的3個紅點(代表模態(tài)相關系數(shù)大值點)和3個綠點(代表小值點)。圖7給出了這6個時間的渦旋SST場以及SLHF場的空間分布。由圖可見，在渦旋SST較弱的時間，大氣的渦旋尺度異常信號仍然存在但是分布位置和形態(tài)與渦旋SST并不一致，較弱的渦旋不易對大氣邊界層產生影響。而較強渦旋上空則大多會出現(xiàn)海表面熱通量的響應。并且強渦旋大多沿著黑潮、親潮鋒面分布，這與圖1(d)渦旋尺度SST季節(jié)內信號沿鋒面分布也是一致的?？傊?，較強渦旋少的時候模態(tài)相關系數(shù)低，較強渦旋多的時候模態(tài)相關系數(shù)高。在該區(qū)域較強渦旋信號個數(shù)較多的時間段,SST異常的季節(jié)內變化更明顯，大氣與渦旋尺度SST信號的相關程度更大。

(藍色縱軸代表關鍵區(qū)內渦旋尺度海面溫度與大氣各要素模態(tài)相關系數(shù)90 d滑動平均的大小，黑色縱軸代表關鍵區(qū)內較強渦旋的個數(shù)，紅色縱軸代表點(146.75°E,36.25°N)40～100 d小波譜的平均譜值。(a)中的三個紅點代表模態(tài)相關系數(shù)的高值點，三個綠點代表模態(tài)相關系數(shù)的低值點。The blue solid lines indicate 90 d running mean pattern correlation curves between mesoscale SST and atmospheric elements in the key region.Black lines indicate the number of more stronger eddies (the centers maximum of warm eddies more than 0.6 ℃ and the centers minimum of cold eddies less than -0.6 ℃) 90 d running mean curves in the key region (142°E～160°E,33°N～44°N).Red lines indicate the SST mean power between 40～100 d on the point (146.75°E,36.25°N)90 d running mean curves.In (a) the three red points are the high points and the three green points are the low points in the temporal variation of pattern correlation coefficients.)
圖6 冬季模態(tài)相關系數(shù)、較強渦旋個數(shù)以及40～100 d的小波譜譜值的時間序列
Fig.6 Times series of pattern correlation,the number of stronger eddies and the mean wavelet power between 40～100 d in winter

(填色部分為渦旋尺度海面溫度異常，單位：℃；紅藍等值線為渦旋尺度海表面潛熱通量異常(海表面潛熱通量正值代表海洋從大氣中吸收熱量)，單位:W/m2；黑色等值線為冬季的海面溫度平均值，單位：℃。(a,b,c)為模態(tài)相關系數(shù)的高值點，(d,e,f)為模態(tài)相關系數(shù)的低值點。The shaded parts are mesoscale SST variability and the contours are mesoscale SLHF variability (the positive value of SLHF means downward into the ocean).Distributions of the high points of pattern correlation coefficients are present in (a,b,c) and low points in (d,e,f).)
圖7 渦旋尺度海面溫度和海表面潛熱通量異常的分布圖
Fig.7 Distribution of mesoscale SST variability and mesoscale SLHF variability

冬季黑潮延伸體區(qū)域盛行西北風，把歐亞大陸的干冷空氣吹到溫暖潮濕的海洋上，這種情況下，黑潮延伸體區(qū)域會有強的向上的湍流熱通量釋放，從而會對上空大氣造成重要影響。這種釋放是通過海洋的中尺度結構海洋鋒面和海洋渦旋來完成的，所以由海洋渦旋引起的海面溫度異常有重要影響。為更進一步驗證黑潮-親潮延伸體區(qū)渦旋尺度SST的季節(jié)內變化信號會引起SLHF的響應，同樣分0～40 d和40～100 d兩個季節(jié)內變化顯著的頻段進行研究。圖8和9給出了這兩個頻段內大尺度和渦旋尺度SLHF信號在夏季和冬季期間小波譜值的最大值分布，以考察相應頻段周期的強弱。與大尺度SST不一致，大尺度SLHF信號40～100 d頻段的小波譜值明顯強于0～40 d頻段，并且大尺度SLHF信號的40～100 d變化在冬季最明顯，信號大值區(qū)的分布位置主要在黑潮流軸以南。對于渦旋尺度SLHF變化信號，40～100 d 頻段的小波譜值明顯強于0～40 d頻段，在黑潮、親潮海洋鋒面處，冬季也明顯存在40～100 d振蕩的顯著信號分布(見圖9)，與渦旋尺度SST的變化一致。這進一步說明渦旋尺度SST的季節(jié)內變化能夠引起SLHF的相應變化，使SLHF在黑潮、親潮海洋鋒面處出現(xiàn)相似的季節(jié)內變化周期。從SLHF對渦旋尺度SST的響應，可以進一步證實渦旋尺度SST對大氣要素的影響較強，冬季渦旋尺度SST的季節(jié)內振蕩周期以40～100 d周期為主，并且會引起大氣邊界層的響應，激發(fā)海氣界面湍流熱通量、海面氣溫、邊界層高度等同位相的季節(jié)內振蕩。

圖8 同圖3，但填色部分為大尺度海表面潛熱通量(單位：(W/m2)2)Fig.8 As in Fig.3,but shaded for large scale SLHF (Unit:(W/m2)2)

4 結論與討論

本文利用ERA_interim再分析資料以及OISST高分辨率海面溫度衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，以及小波分析、二維模態(tài)相關(Pattern correlation)分析等方法系統(tǒng)地分析了黑潮延伸體區(qū)域渦旋尺度SST信號的季節(jié)內變化特征及其對邊界層大氣的影響。結果表明，渦旋尺度SST的季節(jié)內變化和大尺度的信號在空間分布和季節(jié)變化上均存在顯著差別，渦旋尺度SST季節(jié)內振蕩信號在冬季最強，夏季最弱，而大尺度信號則在夏季最強。渦旋尺度SST季節(jié)內變化信號主要分布在黑潮-親潮海洋鋒面區(qū)域，在日本沿岸振幅最強，并沿黑潮、親潮鋒面向東延伸，其標準差高達1 ℃，是該海域冬季SST的主要變化信號。渦旋尺度SST的季節(jié)內振蕩周期以40～100 d周期為主，并且會引起大氣邊界層的響應，激發(fā)海氣界面湍流熱通量、海面氣溫、邊界層高度等同位相的季節(jié)內振蕩。強渦旋少的時候渦旋尺度SST信號和海氣界面湍流熱通量間模態(tài)相關系數(shù)低，強渦旋多的時候兩者模態(tài)相關系數(shù)高。在黑潮延伸體上游區(qū)域強渦個數(shù)較多的時間段,SST異常的季節(jié)內變化更明顯，邊界層大氣與渦旋尺度SST信號的相關程度更大。

圖9 同圖3，但填色部分為渦旋尺度海表面潛熱通量(單位：(W/m2)2)Fig.9 As in Fig.3,but shaded for mesoscale SLHF (Uint:(W/m2)2)

渦旋尺度SST的季節(jié)內變化信號和黑潮延伸體區(qū)域的鋒面變化以及該區(qū)域的海洋渦旋有著密切的關系，那么，該信號是否也存在于海平面高度場中？這是我們今后要研究的問題。另外，該SST變化信號是否能夠通過影響大氣邊界層的變化，尤其是和大氣之間的熱量通量而進一步影響上層大氣也值得研究。