Nino2、3区的大洋科考船测气象海浪特征分析

黎舸，江崇波，郭可彩，商杰，朱文武

(1.中国海洋大学，青岛266000；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，青岛266033)

1 引言

Nino2 区（0°—5°S，90°—80°W）和Nino3 区（5°N—5°S，150°—90°W）所在的热带东太平洋海域是研究热带大洋水气温变化的重要海区（见图1 为Nino2 区,Nino3 区的位置示意图），国内多年来在ENSO 诊断预测业务中也以上述海区的资料为主。胡桂芳等[1]的研究表明，Nino3区水温的显著升温可导致次年春季副高偏强和东亚大槽偏弱，进而影响我国气候。朱广斌等[2]对1871年以来Nino3区的海面温度异常时间序列的小波功率谱分析进一步验证了与ENSO 现象发生时间的吻合。张立峰等[3]和杜华栋等[4]分别通过对太平洋次表层海温距平资料的EOF时空分解,分析了ENSO循环的平均周期，验证了ElNino的模态的时间系数与Nino3指数有很好的同时相关。王彰贵等[5]描述了厄尔尼诺现象发生前热带太平洋海洋与气象要素异常的特征。近年来对这一海域的水温资料分析主要利用MODIS 等各类水色卫星数据，以及中国国家气象局、英国气象局（UKMO）和美国气象预报中心（CPC）等的海面温度资料。如范海燕等[6]利用TeraScan系统反演了NOAA/AVHRR 卫星西北太平洋海表温度的过程，王其茂等[7]利用云检测方法分析了“海洋一号”（HY-1）卫星数据海面温度，董晓军等[8]利用TOPEX卫星数据分析了厄尔尼诺事件期间海面高度的变化。随着上述水色卫星资料和卫星高度计资料的大量使用，在这一海域的船测气象与海浪的资料逐渐减少，对于船测资料与卫星资料对比分析的研究也显得更为宝贵。刘慧等[9]利用大洋渔船在智利外海观测的风场资料与QuikSCAT 10 m 散射风资料进行了比较分析，显示船测风速总体上高于QuikSCAT风速。

2011年8月10日—9月4日，中国大洋科考第22 航次第七航段调查共在赤道东太平洋获取观测数据916组。8月15—31日在洋中脊海域（4.5°—7°S，105°W）开展气象与海浪调查，该海域位于Nino3区东南部边缘。8月10—14日，以及9月1—4日分两个阶段在加拉帕戈斯群岛以南海域(以下简称“群岛以南海域”，范围为3°—4.5°S，81°—105°W)的往返航行中开展走航调查，该海域主要在Nino2 区内。观测要素主要为海面能见度、天气现象、云、风、气温、气压、相对湿度、海浪、海水表层温度等。在观测项目中，风、气温、湿度、气压使用XZC6-1型船舶自动测报系统进行观测；表层水温使用SWL1-1型表层水温表进行观测。本文对上述观测资料进行特征分析，进而获取这一时期上述海区的海洋环境特征。

图1 Nino各分区位置示意图（图片源于NCC）

2 调查海域气候背景

2010年4月开始的拉尼娜现象于2011年4月结束后，水色卫星获取的资料显示[10]，5—7月赤道东太平洋海表温度整体上呈现接近正常的状态。进入8月以后海表温度负距平又开始逐步加强，负距平中心值低于-1.0℃。8月份NINO 1+2、NINO 3、NINO 4、NINO 3.4和NINO Z区海温距平指数分别为-0.2℃、-0.4℃、-0.2℃、-0.5℃和-0.3℃，分别较7月下降了0.5℃、0.4℃、0.1℃、0.4℃和0.3℃。图2 为根据NOAA 数据绘制的2011年8月赤道东太平洋月平均海表温度（左）及距平（右）（统计年限1979—1998年）（℃）。由图可见，调查海区正处于低温水舌与高温水舌过渡区，表层海温总体为南高北低，与东南太平洋表层海温北高南低的总体分布特征相反。距平图显示，受秘鲁寒流影响的南美洲西岸近海的表层海温较常年偏低，这与5°S 以南海域和赤道以北海域呈现出的表层海温正距平形成了鲜明对比。

图2 2011年8月赤道东太平洋月平均表层海温（a）及距平（b）（单位/℃）

图3 2011年8月赤道东太平洋月平均海面风速风向图（a）与距平图（b）（单位/(m/s)）

图4 2011年8月赤道东太平洋月平均海面气温分布图（a）与距平图（b）（单位/℃）

图5 2011年8月赤道东太平洋海平面气压月平均分布图（a）与距平图（b）（单位/hPa）

图6 能见度统计图（单位/km)

图7 气温变化图

图8 表层海温时间变化图（a）和表层海温空间分布图（b）

图9 海面气压变化图

图10 风速日变化图

根据国家气候中心（NCC）的监测结果[10]，9月，赤道中、东太平洋表层海温大范围偏低0.5℃，NINO Z 达到-0.6℃，表明赤道东太平洋已进入拉尼娜状态（Nino z指数≤-0.5℃）。10月赤道中、东太平洋海表温度进一步变冷，NINO Z 为-0.7℃。由此可见，2011年8月是进入这一次拉尼娜现象的第一个月，在这一典型阶段的船测资料是非常珍贵的。

根据2011年8月卫星高度计提供的海面风速风向月平均数据分析，洋中脊海区风向以东南向为主，平均风速接近10 m/s。根据1979—1998年同期数据分析，平均风速较之偏高大约3 m/s，偏大的原因主要受副热带高压东缘的东南信风异常偏大的影响。而东南信风偏强更易使表层海水向西偏离海岸，使中下层更冷的海水上泛到海面，进而降低海水表层温度。这与前文提到的秘鲁寒流影响海域的表层海温较常年偏低的结果相一致。

根据图5 海面气温数据分析，洋中脊海区气温南低北高。同时，南美洲西岸近海受秘鲁寒流影响海域的海面气温要明显低于同纬度海域，这是因为低温的海面使越经的气团所吸收的水汽有限，同时也使气团下层气温降低。根据1979—1998年同期数据对比分析，赤道东太平洋大部海域平均海面气温均较常年偏低0.5°—1.5℃，气温负距平中心的位置主要在副热带高压北缘。图6显示副高西部海域的海平面气压呈现正距平，副高偏强是造成其东缘（南美洲西海岸）东南信风的异常偏强的一个主要原因。

3 基于船测数据的气象与海浪概况

调查期间影响Nino2、3区海域的主要天气系统为东南太平洋副热带高压系统，气象与海浪状况主要由副高北缘的东南信风的强弱决定。赤道东太平洋海域能见度良好，调查期间能见度超过20 km的观测次数占近70%（见图7）。

在洋中脊海区的的调查期间由于其地理位置位于副高北部边缘，调查期间信风时有加强,东南向风和涌浪较大，海况总体较差。天气状况主要以少云和多云天气为主。平均风速10.0 m/s，1/3以上观测时次风速在6 级及以上。平均有效风浪波高为1.1 m，最大有效风浪波高为1.3 m；平均有效涌浪波高为2.6 m，最大有效涌浪波高为3.0 m。风浪和涌浪波高最大值出现在8月19—20日。气温、相对湿度、气压和表层水温的变化幅度均较小。

群岛以南海域位于副高东北部边缘，这一区域的观测分为两阶段，第一阶段为8月10—14日，这期间天气形势较为稳定，天气系统较弱，主要以少云和多云天气为主。风力最大5级，最小3级，平均风速7.6 m/s，最大风速10.5 m/s。平均有效风浪波高为1.1 m，最大风浪波高为1.2 m；平均有效涌浪波高为1.6 m，最大涌浪波高为2.0 m。第二阶段为9月1—4日，这一阶段由于副高东北边缘的东南信风强度维持增强，调查海区风速总体较高且涌浪较大。风力最大6级，最小5级。平均风速10.5 m/s，最大风速为11.4 m/s。平均有效风浪高为1.0 m，最大风浪高为1.2 m；平均有效涌浪高为2.5 m。第二阶段由于观测站点从深海向秘鲁寒流控制的近岸海域分布，因此气温、水温也呈逐渐下降的趋势，平均气温为22.7 ℃，平均表层海水温度为24.4 ℃。表1是对洋中脊海区和群岛以南海区调查的气象、海浪要素资料平均状况的分析结果。

表1 气象与海浪观测资料平均值统计表

图11 风向散点分布图（a）及风向频率玫瑰图（b）

4 基于船测数据的气象数据时间变化特征

分析洋中脊海域和群岛以南海域气象与海洋要素的时间变化特征。洋中脊海区的气温稳定分布在24.0 ℃附近，最低气温22.7 ℃，最高气温24.6 ℃。8月28—29日受局地对流天气影响，气温有小幅下降。群岛以南海域的气温较洋中脊海区明显偏低，第一阶段最低气温19.4 ℃，最高气温23.8 ℃；第二阶段最低气温21.6 ℃，最高气温23.9 ℃，8月11日和9月4日位于受秘鲁寒流影响的海域，其气温也在水温影响下明显降低。

表层海温分布在24°—25℃之间，8月23日之后表层海温较前期总体略有升高。群岛以南海域的表层海温与气温变化趋势较为一致，在航行至寒流控制海域时表层海温下降明显。调查海域内表层海温均较气温偏高。利用船测表层海温数据，使用普通克里格插值方法绘制表层海温空间分布等值线图（见图9 右），清晰显示了低温水舌由北向南延伸，SST 总体分布呈现北低南高的特征。这与本文气候背景分析中水色卫星的解译结果一致。

由于影响海区的天气系统稳定，因此海面气压稳定分布在1010.0—1017.0 hPa 之间。气压值的分布显示出明显的日变化规律，上午18时（世界时）和夜间06 时（世界时）的气压相差不大且明显偏高于其他时次,而清晨12时（世界时）的气压均偏低于上午和夜间约2 hPa,傍晚00 时（世界时）的气压均为每日最低。最气压为1012.6 hPa，最高气压1016.9 hPa出现在9月3日06时(世界时)。

风速主要分布在8.0—11.0 m/s 之间，洋中脊海区8月16—23日风速相比较高，最大值为15.3 m/s。在Nino2 区海域内8月13日前后风速相比较低，曾一度下降至5.0 m/s附近（见图11）。

风向分布分析结果显示（见图12），海面风向大部分布于110°—150°之间，以东南向风为主，这与调查海区的天气系统稳定密切相关。

5 讨论

根据本文对赤道东太平洋调查海区的气象与海洋要素的特征分析，有以下几点讨论结果：

（1）洋中脊海区的气温稳定分布在24.0℃附近。群岛以南海域的气温较洋中脊海区明显偏低，其最低气温可低至19.4℃。洋中脊海区的表层海温分布在24°—25℃之间，船测资料的分析结果显示低温水舌由北向南延伸，这与水色卫星的分析结果一致，再次验证了目前的卫星遥感方式的可行性。8月23日之后洋中脊海区水温较前期总体略有升高。群岛以南海域的表层水温与气温变化趋势较为一致，表层水温在寒流控制海域下降明显。总体而言上述两海域的表层水温均较气温偏高；

（2）洋中脊海区的风向主要分布于110°—150°S之间，为东南向风。风向分布和海面气压的稳定都体现了副热带高压作为这一海域主要天气系统的稳定分布和持续影响；

（3）洋中脊海区位于5°S 附近，距离赤道较近，而风速资料的分布显示超过1/3以上观测时次的风力为6 级及以上。根据同期气候背景分析，这一时期的东南太平洋副热带高压强度偏强，造成了东南信风偏强。仲桂清[11]等的研究结果表明海水温度的变化是对风场异常的响应。因此这一海域东南信风的持续较强分布对2011年8月开始的拉尼娜现象的发生和发展的影响还有必要在今后进行更进一步的研究和分析；

对于热带东太平洋船测气象与海浪资料特征分析的研究，有利于更为精准地分析Nino2 区和Nino3 区的热带大洋气象状况，对比验证卫星数据的准确性。同时也将对洋中脊海区热液硫化物的研究提供更多的海洋环境数据支持。

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