西太平洋暖池水体振荡与赤道中东太平洋海表温度异常的关联性初探

齐庆华, 蔡榕硕

(国家海洋局第三海洋研究所 国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室, 福建 厦门 361005)

关于 ENSO(El Niño-South Oscillation)的研究是具有明确应用的重要科题, 它已成为当今地球科学发展最快的领域之一。研究 ENSO演变规律、探索其产生条件和形成机制、揭示其和全球气候变化的联系, 进而预测它的发生、发展, 构成了当代ENSO动力学的全部内容, 并成为气候研究特别是气候动力学研究以及探索年际气候预报最有希望的途径之一。目前, 科研工作者对ENSO呈现的复杂性和多样性已有足够深入的认识, 但探求ENSO发生、发展的内在本质性方面的工作仍在继续。自20世纪60年代末 Bjerknes[1]首次用海气相互作用的观点进行解释以来, 已相继提出了信风张弛理论[2]以及诸如延迟振子[3], 西太平洋振子[4], 充放电振子[5]和平流反射振子[6]等理论模型。Wang[7]则尝试提出了一个综合性的ENSO振子, 以上各理论模型可作为它的一个特例。

ENSO这一术语从广义上讲是大气-海洋系统各个方面均存在异常变化的一种综合而复杂的现象,在海洋方面, 被称为 El Niño -La Niña 事件, 而海表温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)是用来表征它的重要指标。就SSTA的变化来讲, 不同位相 ENSO事件具有不同的类型[8]。如 ENSO暖事件, 可以主要地分为中部增温型(也称暖池型或 EI Niño Modoki)和东部增温型(即传统型)[9-12]。由于两种暖事件形成的大尺度海表温度分布及遥相关的差异, 它们会产生显著不同的气候环境效应[10-11]。近期, 中部型增暖事件相对多的发生再次引起了人们关注[13-14],并掀起了有关中部型增暖事件本身及其气候和环境效应以及致灾影响研究的热潮[15-17]。

西太平洋暖池作为展布于热带西太平洋上层海洋中的巨大暖水体, 拥有丰富的热含量。是全球海温最高的海区, 海气相互作用最为强烈。它可誉为是继南、北两极和青藏高原之后的地球上的“第四极”, 也即海洋中的“热极”。解释ENSO现象, 必需认识热带海洋和大气运动以及它们相互作用的物理规律, 而掌握西太平洋暖池的变异特征和规律就是首要的突破口之一。首先, 在太平洋海域, 由于海-气相互作用和海流输运的结果, 使东、西太平洋海水热结构呈现明显不同的两种特性： 西太平洋为暖池(＞28 ℃), 而东太平洋为冷舌(＜24 ℃)。一旦热带太平洋海气系统发生异常, 这两种结构的水体会先在太平洋环流的作用下产生空间分布的变化, 而且在 ENSO事件期间, 这两种水体的空间变化幅度最显著并达到极点。作为海气相互作用的一个偶极式气候平衡态, 尤其是作为“热极”的暖池水体的维持和变化最能反映热带海洋和大气运动等海气异常以及它们相互作用的物理规律, 因此也更能清楚地认识和解释ENSO[18-21]； 其次, 西太平洋暖池是一个极易诱发ENSO振荡的海域, 暖池及其上空对流和与之相关的西风异常的变化(尤其是纬向变化), 以及暖池次表层海温异常的演变则是 ENSO形成的根本所在,ENSO 的真正源区在西太平洋暖池[19,21-27]； 最重要的是, 暖池水体的变异是 ENSO事件发生的一个重要的前兆信息[18,27-29]。西太平洋暖水堆积的多寡及温跃层的起伏, 能充分反映出 ENSO事件发展过程中暖水异常的输送, 体现ENSO事件的发生发展； 已有研究表明, 在西太平洋, ENSO冷暖事件可理解为暖池东边界的东伸和西缩[30-34]。而针对西太平洋暖池自身整体的变化, 暖池三维暖水体的振荡不仅体现在暖池东边界的纬向变动上, 而且上层暖池暖水的运移也会通过辐聚、辐散等过程引起西太平洋暖池次表层海温异常, 它们均通过不同的热动力机制对 ENSO的演变起着不可忽视的作用[25,27], 因此,对于 ENSO这一气候变化最显著的年际信号而言,整个暖池水体结构的变异也最能体现 ENSO的本质特征[25,35-36]。这对ENSO事件发生的统一性认识大有裨益。

有关ENSO本质方面的研究表明, 如以SSTA为同一的判别标准(判据不一定相同), 东部型的 ENSO循环特征(冷暖事件的对称性)更显著, 中部型的ENSO循环特征则较之并不明显[37-38], 这表明ENSO冷事件类型单一。而从能量的角度有分析发现[36], 虽然两类 ENSO暖事件发生发展的受控因子和反馈机制不同, 但均可从充放电振子理论的角度来解释。众所周知, ENSO发生发展与西太平洋暖池变异密不可分。研究最近显示[39], 两类暖事件都可归因于西太平洋暖池暖水向东的平流输运和赤道东太平洋局地增暖的联合影响, 这一点也与我们已往的研究结论相一致[40]。而近期中部型暖事件的增多很可能是西太平洋暖池范围和质心纬向运移变化年代际差异的反映[41]。可见, 从海洋学角度, 不同类型的ENSO事件具有统一性, 并可能从西太平洋暖池整体, 尤其是暖水体三维结构异常变化中得到深入认识, 这可为ENSO发生发展的内在本质和机制研究提供新的研究思路。

因此, 本文拟着眼于认识西太平洋暖池暖水体三维结构, 尤其是其ENSO尺度的时空变化, 分析研究赤道中东太平洋关键Niño分区的海表温度异常与西太平洋暖池三维水体结构变异的时滞关系, 并从暖池变化在上层海洋质量和热量配置中的作用角度,选取海面高度、上层热含量等有关上层海洋质量和热量(垂向)指标, 初步探究赤道中东太平洋海温异常变化与暖池水体变动的关联性和一致性, 以期为复杂而多样的 ENSO现象的内在本质和机制的深入研究以及预测预报提供必要基础和新依据。

1 资料和方法

1.1 数据资料和分析方法

1.2 赤道中东太平洋海表温异常序列选取

从现实意义来讲, 监测和诊断 ENSO事件需要相应的ENSO指标。在海洋领域, 主要以Niño区海表温度(SST)异常来表征, 具体的 Niño分区见图1a。近期也有许多区别传统ENSO事件的指标体系提出[11-12,14,37], 且多通过Niño分区海表温度指标的线性重构而成, 具体分类和判据本文在此不作讨论。如前所述, 针对ENSO暖事件的发生位置, 主要分为中部型和东部型等两种。因此, 本文主要以Niño3、Niño3.4和 Niño4海表温度异常序列指标(以下简称Niño指数)为依据分析探讨问题。文中所指赤道中东太平洋海表温异常变化也主要发生在以上Niño分区等关键海域。首先对各Niño指数(见图1b)作同期相关分析, 结果表明各指数显著相关(表 1), 可见, 各分区的海表温度异常变化具有显著一致的海气(耦合的)热动力学背景。

图1 主要的Niño分区示意图(a)和相应Niño指数变化曲线(b)Fig.1 The sketch map of major Niño regions (a) and the variations of Niño indexes (b)

表1 各类 Nino指数与西太平洋暖池水体纬向振荡相关系数Tab.1 The correlation coefficients between the Niño indexes and western Pacific warm pool(WPWP)zonal oscillation

2 西太平洋暖池水体三维时空年际变化特征

以 3、6、9、12月份简单作为 4个季节的代表月, 图2给出了暖池水体三维结构季节变化。厚度场所揭示的暖水体三维结构显示, 西太平洋暖池水体垂向和水平结构整体性较好。暖水体以赤道为界, 基本由南北分支构成。垂向深度由北向南逐步加深, 赤道以南深于100 m。春季暖池北向分支不明显。夏季暖水主要向北扩展, 南北分支明显, 同时北支继而向东扩展。秋季赤道以北暖池暖水可出现2个分支,此时, 赤道以北暖池暖水向西回退, 南北范围达最大。冬季暖池暖水基本保持形态不变, 但随着时间的推移, 赤道以北暖池暖水向西、向南回退, 最终过渡到春季。总之, 西太平洋暖池整体暖水的季节变化明显, 主要体现在赤道以北的暖池分支上, 而赤道以南的水平范围和垂向深度季节变化相对不明显(图2)。为消除西太平洋暖池水体整体结构的季节变化,并突出 ENSO时间尺度的变化特征, 将暖池厚度场作13个月的滤波处理, 然后进行EOF分析。

图2 西太平洋暖池三维水体结构季节变化示意图Fig.2 The sketch map of seasonal variation of three-dimensional structure of WPWP warm water

图3 西太平洋暖池三维水体振荡空间主模态Fig.3 The dominant pattern of warm water oscillation of the WPWP

分析表明, 西太平洋暖池三维水体结构异常变化的第一模态方差贡献率约为 46%, 是西太平洋暖池暖水体结构变异的最主要模态, 其空间分布(图 3)呈现出东西向的反位相振荡特征。振荡零线平均约位于 170°E。正位相的高值区主要位于 5°S～15°N,140°～150°E。值得注意的是, 负位相的区域以在赤道中东太平洋及附近海域形成一个双舌状异常“暖池”为显著特征, 该异常“暖池”的(负)高值中心主要位于南分支上, 2个高值中心的具体方位约为(5°S～5°N,170°E～160°W)和(10°S～0°, 160°～130°W)。由于该异常“暖池”位于中东太平洋, 尤其占据 Niño分区所在的关键海域, 西太平洋暖池暖水体的纬向振荡势必对赤道中东太平洋海表温度异常变化产生重要影响。加之该模态能最大程度的揭示西太平洋暖池暖水体三维结构变异特征和规律, 因此, 本文仅就该模态进行分析探讨。限于篇幅, 其他模态本文不作说明。

3 西太平洋暖池纬向振荡与赤道中东太平洋海表温异常变化的关联性

上面的分析表明, 暖水体的纬向振荡是西太平洋暖池三维结构变异的最主要模态, 通过超前滞后12个月的时滞相关分析表明, 其时间系数(WPWP-T)与各Niño指数的同期相关, 以及暖池纬向振荡(最早)提前 6个月(WPWP-T(6))的相关系数均通过了 99%的显著性检验(表 1), 这说明西太平洋暖池暖水体纬向振荡与赤道中东太平洋海表温度异常显著关联,同时也表明西太平洋暖池三维结构变异可能与不同ENSO事件密切相关。为进一步揭示西太平洋暖池暖水体纬向振荡与赤道中东太平洋海表温度异常变化的关联性, 尤其是前期暖池暖水体结构变异对赤道中东太平洋海表温度异常变化的重要影响, 本文利用时滞回归分析方法将暖池厚度异常场分别与各Niño指数作回归分析, 由不同Niño指数回归的前期和同期暖池厚度异常场见图4。

首先, 3种Niño指数回归的前期和同期西太平洋暖池水体均呈现出纬向振荡特征, 即对应不同的Niño指数变化, 西太平洋暖池水体结构具有一致的演变特征。而演变过程中, 前期和同期西太平洋暖池纬向振荡具有不同的强度, 主要体现为西太平洋暖池纬向振荡在中东太平洋所形成的异常“暖池”强度的不同。这里的强度泛指暖水量及其深度、范围等的大小(下同)。为便于理解, 结合图4加以说明, 在赤道中东太平洋海温正异常的发生前期, 西太平洋暖池三维水体基本可提前Niño指数异常变化6个月在中东太平洋形成双舌状异常“暖池”(图 4), 随后异常“暖池”的北支开始向东扩展并加深, 而南支则主要以加深为主, 相对于北支, 其范围变化不明显。可见, 异常“暖池”的形成和演变对赤道中东太平洋海表温度异常变化具有重要影响。

图4 Niño指数对暖池厚度异常的时滞回归场(单位： m)Fig.4 The time-lagged regressed depth anomalies of warm pool from Niño indexes (unit： m)

由于 Niño3.4 区由 Niño4 和 Niño3 区的部分区域组成, 而Niño4和Niño3区从位置上不重叠(见图1),为突出体现中东太平洋不同区域海表温度异常对应的西太平洋暖池暖水体纬向振荡的差异, 进一步以位置上能够完全分开的Niño4(代表赤道中太平洋)和Niño3指数(代表赤道东太平洋)为依据作分析, 并进行简单的信号滤除处理。首先得到滤除(未考虑时滞关系) Niño3信号的暖池厚度距平场, 再由Niño4指数时滞回归得到西太平洋暖池暖水体振荡特征, 同样, 将滤除Niño4信号的暖池厚度距平场由Niño3指数时滞回归得到西太平洋暖池暖水体振荡特征, 两者的分布及演变如图5所示。简便起见, 以Niño4区海表温度正异常为例, 在海表温度异常出现的前期及同期, 西太平洋暖池纬向振荡所形成的异常“暖池”主要局限在中太平洋, 且异常“暖池”相对浅薄。而对应于 Niño3区海表温度正异常变化, 西太平洋暖池纬向振荡所形成的异常“暖池”略为深厚, 尤其是异常“暖池”的北支可持续扩展到东太平洋。总之,对应于赤道中部和东部太平洋海表温度异常变化,西太平洋暖池三维暖水体纬向振荡在中东太平洋所形成的异常“暖池”的强度不同, 主要体现在异常“暖池”的深厚程度和北支向东的扩展程度。这种西太平洋暖池水体结构变异的差异可能是影响赤道中东太平洋区域性海表温度异常变化的重要因素之一。此外, 通过对比图4和图5发现, Niño3区信号的存在,可能会扩大暖池对中太平洋(Niño4区)海表温度异常的影响, 而由于Niño4区信号的存在, 也可能会缩小暖池对东太平洋(Niño3)海表温度异常的影响。这也从侧面反映出, 西太平洋暖池三维水体的振荡强度与中东太平洋海表温度异常的区域性变化密切相关。

4 讨论与结论

一般地, ENSO的发生在海洋方面主要是强烈海气相互作用下热带太平洋上层海洋质量和热量重新配置的结果。而西太平洋暖池作为大尺度的海洋系统, 暖池区的海气相互作用也最为强烈, 它的维持和变化会影响整个海气系统。西太平洋暖池巨大三维暖水体的纬向振荡, 除了造成海洋次表层海温异常变化, 以及随之的深对流引起的上空大气异常运动等海洋和大气热动力过程和相互作用过程外, 最终将导致热带太平洋上层海洋质量和热量的变化,并反映在赤道中东太平洋的海表温度异常变化上。重要的是, 前面分析表明, 西太平洋暖池三维暖水体的纬向振荡可作为 EI Niño发生发展的重要前兆信息, 鉴于此, 为进一步揭示西太平洋暖池三维暖水体纬向振荡在热带太平洋上层海洋质量和热量异常变化中的作用以及与赤道中东太平洋海表温度异常的关联性, 同样运用回归分析, 得到暖池三维暖水体纬向振荡引起的热带太平洋海面高度和上层热含量的变化, 如图6。海面高度和上层热含量的回归场与西太平洋暖池三维暖水体的纬向振荡空间模态一致。暖池暖水的堆积对应着海面高度和相应区域热含量的增加。这说明西太平洋暖池三维暖水体的纬向振荡在热带太平洋上层海洋, 尤其是50 m以浅(对应暖池的异常变化幅度)具有举足轻重的地位,并对赤道中东太平洋海表温度的异常变化产生重要影响。

图5 暖池厚度异常的时滞回归场, 但相应滤去了Niño3区(左图)和Niño4区(右图)变化信号(单位： m)Fig.5 The time-lagged regressed depth anomalies of warm pool (unit： m), but the signal in Niño3 (left) and Niño4 (right) was filtered, respectively.

图6 暖池三维水体纬向振荡回归的海面高度(a, 单位： m)和上层热含量场(b, 单位： ×109J/m2)Fig.6 The regressed sea level height (a, unit： m) and heat storage (b, unit： ×109J/m2) by zonal oscillation of three dimensional warm water of the WPWP

尽管ENSO现象不论从爆发的时间(季节锁相)、地点、周期(如持续时间等)、结构(如对称性)、形成和演变机制(如平流或温跃层反馈等)以及气候环境效应等方面都体现出了异常复杂性和多样性, 然而西太平洋暖池在海气耦合系统以及上层海洋质量和热量变化格局中的地位举足轻重, 本质上, 西太平洋暖池的变异与 ENSO的发生发展密不可分, 它既是 ENSO发生的重要前提和组成部分, 也是 ENSO发展演变的重要体现。本文正是基于以上考虑, 试图分析赤道中东太平洋 ENSO式海温异常变化下西太平洋暖池三维暖水体的变动及差异, 不仅可深入认识暖池整体的三维时空演变, 而且也为各类 ENSO事件发生发展的机制及其预测预报提供必要的科学依据。文中主要结论如下。

西太平洋暖池三维暖水体存在显著的 ENSO时间尺度的纬向振荡。暖池水体的纬向振荡以在中东太平洋形成双舌状异常“暖池”为主要特征。

西太平洋暖池三维暖水体的纬向振荡通过引起上层海洋质量和热量的重新配置与赤道中东太平洋海表温度异常紧密关联； 西太平洋暖池三维暖水体向东(西)的波动振荡, 显著指示 ENSO暖(冷)事件的爆发。而且, 由于西太平洋暖池三维暖水体的纬向振荡在赤道中东太平洋形成异常“暖池”强度的不同,这对赤道中东太平洋(本文主要指Niño3和Niño4区)的区域性海表温度异常的变化可能产生重要影响。尤其对不同的 ENSO事件具有显著的指示作用。以ENSO暖事件为例, 西太平洋暖池三维暖水体相对强的纬向振荡和向东扩展, 主要对应着东部型ENSO暖事件的发生, 反之相对弱的暖池水体纬向变动和向东扩展则主要预示着中部型 ENSO暖事件的发生。可见, 从海洋学角度, 以西太平洋暖池三维暖水体的纬向振荡来看, 不同 ENSO式海表温度异常的发生发展本质上可能具有内在一致性。

有关热带太平洋暖水体变化和 ENSO的关系异常复杂, 本文仅从暖池(特定等温线包围水体)意义上, 探讨两者的内在关联显然也存在一定的局限性,例如, 本文未考虑暖水(热量)收支或振荡平衡及相关的热动力过程等。而作为认识和揭示西太平洋暖池整体三维结构时空变异与 ENSO内在关联的初步尝试, 本文研究结果与已往的相关结论[6,25,34,41]一致吻合, 并再现了暖池整体的变异与 ENSO发生发展之间可能存在的一种内在关联。同时, 文中采用了暖池厚度表征暖池整体形态结构的变化, 结果表明该指标对全面深入认识暖池的三维热盐结构变化及机制和影响具有较好的参考价值。鉴于西太平洋暖池具有丰富的热动力内涵以及ENSO本身的复杂性,因此, 针对西太平洋暖池三维时空变化和影响ENSO的海洋热动力过程、海气相互作用过程及机制有待深入剖析, 以丰富西太平洋暖池热动力学, 特别是与ENSO形成和发展本质性关联方面的研究。

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