2015/2016年超强厄尔尼诺期间热带西太平洋海洋环流变化特征

吴国丽, 李思航, 刘子洲, 顾艳镇, 翟方国, 王际朝 , 冯俊乔

(1. 中国石油大学(华东) 理学院, 山东 青岛 266580; 2. 中国海洋大学 海洋与大气学院, 山东 青岛 266100; 3. 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071; 4. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071)

热带西北太平洋存在复杂的海洋环流系统, 其上层环流系统主要由北赤道流(North Equatorial Current, NEC)、棉兰老流(Mindanao Current, MC)和黑潮(Kuroshio Current, KC)构成, 被称为NMK环流系统[1-3]。在风应力和浮力通量的驱动下, NEC自东向西流动, 到达菲律宾海岸附近分叉形成向北流动的KC和向南流动的MC。KC和MC分别是北太平洋副热带流环(Subtropical Gyre)和热带流环(Tropical Gyre)的关键分支, 在海洋环流和气候变化中起着极其重要的作用[4-6]。另外, NEC分叉决定了低纬度西边界流在热量和物质的分配, 进一步在区域气候以及全球气候中起到非常关键的作用[7-10]。前人利用各种不同的数据资料及数值模拟对NMK环流系统中三支海流的输运以及NEC分叉做了大量研究[11-22], 一致认为NEC输运大致等于KC输运与MC输运之和。Nitani[11]利用34年内不同时间段的观测数据计算得到NEC、MC和KC的平均输运分别为55 Sv、25 Sv和30 Sv。此外, NEC分叉具有明显的垂向结构。平均而言, NEC分叉纬度(NBL)在表层约位于13.3°N左右, 并随着深度增加而北移[8,14]。

NMK环流系统具有多时间尺度变化规律。已有研究表明, NMK环流输运以及NBL的年际变异与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)事件密切相关[4,18-19]。通常而言, 在ENSO暖事件(厄尔尼诺)时期,NEC和MC的输运增强, KC输运减弱,NBL北移, 而在ENSO冷事件(拉尼娜)时期, 情况则相反。该变化主要是由热带西北太平洋区域在厄尔尼诺时期形成的气旋式环流异常以及在拉尼娜时期形成的反气旋式环流异常导致。但是, Zhai等[19]指出, NEC和MC输运显著增强或者减弱并不一定对应ENSO事件, 这表明NMK环流系统的年际变化与ENSO之间的关系还需要进一步研究。根据 CPC(Climate Prediction Center) Niño3.4指数, 2015年至2016年间, 热带太平洋地区爆发了一次异常强烈的厄尔尼诺事件, 该厄尔尼诺事件强度在2015年11月达到顶峰, 和1997/1998年厄尔尼诺事件一样, 是一次超强厄尔尼诺事件。本文将利用高分辨率海洋再分析数据研究NMK环流系统在此次超强厄尔尼诺事件期间的变化特征, 探讨其动力机制, 并与历史上其他厄尔尼诺事件期间的变化特征进行对比。

1 数据和方法

1.1 数据

本文主要使用全球Hybrid Coordinate Ocean Model and Navy Coupled Ocean Data Assimilation (HYCOM+ NCODA)海洋再分析数据。HYCOM+NCODA再分析数据的水平分辨率为1/12°×1/12°, 包含全球的海表面高度、温度、盐度、纬向流速和经向流速等变量, 时间范围为1992年10月至今。本文主要利用1992年10月至2017年12月期间的数据资料。该数据的水平分辨率较高, 空间间隔约为9 km, 可以细致地描绘热带西太平洋的环流运动, 也能更加准确地计算出环流输运以及北赤道流的分叉纬度。该数据在垂直方向上不等间距的分为40层, 且在500 m以上的垂直分辨率较高, 因此能够很好地展现海洋的上层结构特征。Cummings (2005)[23]详细描述了该数据的同化方法。此外, 为了探讨热带西太平洋环流变化的动力学机制, 本文还使用了ECMWF Interim Reanalysis再分析风场数据[24], 该数据时间范围为1992年1月至2017年12月, 水平分辨率为1/8°×1/8°。

1.2 NEC、MC、KC输运以及NBL的计算方法

和前人一致[25], 图1a给出了1992—2017年130°E断面(8°N—18°N)上的纬向流速空间分布图, 图1b和1c分别给出了8°N断面(沿岸至130°E)和18°N断面(沿岸至130°E)上的经向流速空间分布图。由图1a所示, NEC主体位于26.7σθ等位势密度面之上, 其下限从8°N处的300 m加深至18°N处的400 m左右, 最强流速发生在8.5°—12°N之间, 超过0.3 m/s。MC(图1b)主要集中在沿岸至128°E范围内, 下界位于500 m左右, 主体并不完全位于26.7σθ等位势密度面之上。KC(图1c)主要集中在沿岸至123.5°E范围内, 其主体下边界位于400 m左右, 位于26.7σθ等位势密度面之上。为了计算统一, 在本文中选取800 m作为计算三支海流输运的下边界, 其计算结果和以26.7σθ等位势密度面作为下边界的计算结果相差不大。

图1 沿130°E断面(8°N—18°N)的年平均西向流速(a, 单位: m/s); 沿8°N断面(沿岸至130°E)的年平均南向流速(b, 单位m/s); 沿18°N断面(沿岸至130°E)的年平均北向流速(c, 单位m/s) Fig. 1 (a) Annual mean zonal westward velocities across 130°E (8°N–18°N, m/s). (b) Annual mean meridional southward velocities across 8°N (from the coast to 130°E, m/s). (c) Annual mean meridional northward velocities across 18°N (from the coast to 130°E, m/s)

由于中尺度涡的存在, 研究区域内的海流速度可能存在反向的情况, 因此本文按照两种方式对三支海流在1992—2017年间的输运进行了计算, 一种是NEC流量计算仅考虑向西的输运, MC流量计算仅考虑向南的输运, KC流量计算仅考虑向北的输运, 另一种是三支海流流量的计算考虑整个纬向或经向的输运。使用第一种方法计算的NEC、MC、KC的平均水体输运分别为68.6 Sv、43.6 Sv、32.5 Sv, 使用第二种方法计算的NEC、MC、KC的平均水体输运分别为51.9 Sv、30.9 Sv、20.9 Sv。使用第二种方法计算的结果更加接近前人的结果[1,3,24], 并且计算所得MC与KC流量之和与NEC流量差值最小(差值为0.1 Sv), 因此下文中三支海流输运均为使用第二种方法计算所得。另外, 参照前人的计算方法[18,26], 本文定义菲律宾沿岸2个经度范围内、海洋上100 m平均的经向流速为零处的纬度为NEC分叉纬度。

1.3 提取年际信号

为获取月平均数据的年际异常信号, 本文首先对月平均数据减去多年气候态月平均得到异常序列, 再对异常序列进行13个月的滑动平均去除小于年周期时间尺度的高频信号。

1.4 厄尔尼诺事件的定义方法

本文使用Niño3.4区域平均的海表面温度异常作为厄尔尼诺指数。根据中国气象局颁布的《厄尔尼诺/拉尼娜事件判定方法》, 定义Niño3.4指数≥0.5℃并持续5个月以上为一次厄尔尼诺事件, Niño3.4指数≤–0.5℃并持续5个月以上为一次拉尼娜事件。另外, 定义事件峰值强度绝对值达到或超过2.5℃的事件为超强事件。本文使用的厄尔尼诺指数下载自http:// www.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices。

图2中的红色线给出了1992—2017年间的厄尔尼诺指数。根据厄尔尼诺事件的定义, 1992年到2017年期间共发生了7次厄尔尼诺事件, 时间分别为1994/ 1995, 1997/1998, 2002/2003, 2004/2005, 2006/2007, 2009/2010, 2015/2016。其中, 2015/2016年厄尔尼诺事件峰值强度为2.8℃, 因此是一次超强厄尔尼诺事件。

图2 Niño 3.4指数(红线, ℃)与NEC输运异常(黑线, Sv)(a); Niño 3.4指数(红线, ℃)与NBL异常(黑线, Sv)(b); Niño 3.4指数(红线, ℃)与MC输运异常(黑线, Sv)(c); Niño 3.4指数(红线, ℃)与KC输运异常(黑线, Sv)(d) Fig. 2 a: Niño 3.4 (red line, ℃) and NEC transport anomalies (black line, Sv); b: Same as (a) but of Niño 3.4 (red line, ℃) and NBL anomalies (black line, °N); c: Same as (a) but of Niño 3.4 (red line, ℃) and MC transport anomalies (black line, Sv); d: Same as (a) but of Niño 3.4 (red line, ℃) and KC transport anomalies (black line, Sv)

2 结果

2.1 NMK环流系统的年际变化特征

图2展示了1992—2017年NEC输运、MC输运、KC输运和NBL的年际异常与厄尔尼诺指数的对比, 其中黄色区域表示厄尔尼诺事件。如图所示, 在厄尔尼诺时期NEC、MC输运增强, NBL北移, 但是输运增加的强度和NBL北移的程度因事件各异。在2015/ 2016年厄尔尼诺时期, NEC、MC输运均显著增强, 最大值分别为66 Sv(1 Sv =106m3/s)和49.4 Sv, NBL也显著北移, 最北可达16°N。通过数据对比发现, 此次厄尔尼诺事件期间, NEC、MC输运异常序列最大值分别超前Niño3.4指数最大值约5个月和3个月, 而NBL异常序列最大值滞后Niño3.4指数最大值约8个月。超前滞后相关分析表明(图3), 2014—2016年, NEC和MC输运与Niño3.4指数之间的最大相关系数分别约为0.8和0.9(高于95%置信水平), 均发生在前者超前后者约4个月时; NBL与Niño3.4指数之间的最大相关系数约为0.8(高于95%置信水平), 发生在前者滞后后者约6个月时, 与前面的分析基本一致。可见, 在2015/2016年厄尔尼诺时期, NEC、MC输运以及NBL的年际变化与此次厄尔尼诺事件具有高度相关性。而另一方面, KC输运在此次厄尔尼诺事件期间并没有明显增强。但是值得指出的是, 2014—2016年, KC输运异常与Niño3.4指数的同期相关性系数约为0.8(高于95%置信水平)。

图3 2014—2016年24个月的Niño 3.4指数与NEC输运异常(a)、NBL异常(b)、MC输运异常(c)以及KC输运异常(d)的超前滞后相关系数 Fig. 3 Lead–lag correlation coefficients of Niño 3.4 with the NEC transport anomalies (a) and NBL anomalies (b) and MC transport anomalies (c) and KC transport anomalies (d) for 24 months from 2014 to 2016. Positive (negative) times indicate that Niño 3.4 lags (leads).

前人研究表明NMK环流系统的年际变化与热带西北太平洋环流的年际变化密切相关[7]。图4 展示了1992—2017年水深200 m以浅平均的水平流场和海面高度分布图以及1997/1998年、2015/2016年厄尔尼诺期间水深 200 m 以浅平均的流异常和海面高度异常分布图。如图所示, 在1997/1998年以及2015/2016年厄尔尼诺时期热带西北太平洋区域均出现了明显的气旋式环流异常和负的海面高度异常, 其中2015/2016年厄尔尼诺时期的气旋式环流异常和海面高度异常现象更加明显。下面将进一步分析2015/2016年厄尔尼诺时期热带北太平洋环流的变化特征, 并与历史上其他厄尔尼诺事件期间的变化特征进行对比。

图4 1992—2017年 200 m 以浅平均的水平流场(箭头, m/s)和海面高度(色标, m)(a); 1997/1998年厄尔尼诺期间200 m 以浅平均的流异常(箭头, m/s)和海面高度异常(色标, m)(b); 2015/2016年厄尔尼诺期间200 m 以浅平均的流异常(箭头, m/s)和海面高度异常(色标, m)(c) Fig. 4 a: Upper 200-m mean flow (arrow, m/s) and sea surface height (color, m) during the 1992–2017 period; b: Anomalies of the upper 200-m mean flow (arrow, m/s) and the sea surface height (color, m) during the 1997/1998 El Niño event; c: Anomalies of the upper 200-m mean flow(arrow, m/s)and the sea surface height (color, m) during the 2015/2016 El Niño event

2.2 动力学机制

为了能够细致地研究2015/2016年厄尔尼诺期间热带北太平洋环流的变化特征, 本文参考文献[27-28]等的做法, 将2015/2016年厄尔尼诺事件划分为以下六个阶段: 前期(2014.8—2014.10); 初始(2014.11—2015.1); 发展(2015.3—2015.5); 爆发(2015.7—2015.9); 成熟(2015.11—2016.1); 衰减(2016.2—2016.4)。

图5给出了130°E断面上的纬向流速异常随2015/2016年厄尔尼诺事件演变的时间变化和空间分布图。如图所示, 在2015/2016年厄尔尼诺期间, 130°E断面上NEC区域存在显著的西向流异常。该西向流异常主要集中于10°N—15°N, 从前期阶段开始逐渐加强, 于发展阶段最强, 然后逐渐减弱。同时我们也注意到10°N和17°N附近存在较弱的东向流异常。值得指出的是, 该东向流异常幅度和空间范围均较小。此外, 北赤道逆流(NECC)区域存在显著的东向流异常, 于爆发阶段最强。该西向流异常和东向流异常分别导致NEC和NECC的水体输运显著增加, 且最大值均发生在厄尔尼诺成熟阶段之前, 这与上文得出的NEC输运最大值超前Niño3.4指数最大值5个月的现象一致。

图6给出了8°N断面上的经向流速异常随2015/ 2016年厄尔尼诺事件演变的时间变化和空间分布图。由图可见, 在2015/2016年厄尔尼诺期间, 8°N断面上MC区域存在显著的南向流异常。该流异常主要集中于棉兰老岛沿岸到128°E的空间范围内, 自前期阶段开始加强, 在爆发阶段达到顶峰, 随后减弱, 与该厄尔尼诺期间MC输运最大值超前Niño3.4指数最大值3个月的现象一致。

图7展示了18°N断面上的经向流速异常随2015/ 2016年厄尔尼诺事件演变的时间变化和空间分布图。由图可以看出, 在2015/2016年厄尔尼诺期间, 18°N断面上KC区域存在显著的南向流异常。该流异常主要集中于吕宋岛沿岸到124°E的空间范围内, 随着厄尔尼诺事件的演变先减弱再增强, 最弱的南向流异常发生在爆发阶段。该南向流异常导致KC输运在该厄尔尼诺期间为负异常。

图5 2015/2016年厄尔尼诺期间沿130°E断面的纬向流速度异常(m/s) Fig. 5 Zonal velocity anomalies (m/s) at 130°E during the 2015/2016 El Niño event

图6 2015/2016年厄尔尼诺期间沿8°N断面的经向流速度异常(m/s) Fig. 6 Meridional velocity anomalies (m/s) at 8°N during the 2015/2016 El Niño event

为了进一步显示各断面上的流速异常与大尺度环流异常之间的关系, 图8给出了2015/2016年厄尔尼诺事件期间热带北太平洋上200 m平均的流矢量异常和海表面高度(SSH)异常的时间变化和空间分布。如图所示, 在2015/2016年厄尔尼诺期间, 热带西北太平洋区域出现显著的SSH负异常和气旋式环流异常。这些异常主要集中于赤道以北、15°N以南、160°E以西的空间范围内, 自厄尔尼诺前期阶段开始加强, 在爆发阶段达到顶峰, 随后减弱。气旋式的环流异常将会增强由风驱动的气旋式热带环流, 导致热带西太平洋区域NEC和MC输运增加以及NBL 北移, 这与Zhai等[7]的结果一致。

图7 2015/2016年厄尔尼诺期间沿18°N断面的经向流速度异常(m/s) Fig. 7 Meridional velocity anomalies (m/s) at 18°N during the 2015/2016 El Niño event

图8 2015/2016年厄尔尼诺期间200 m平均流异常(箭头, m/s)及SSH异常(填色, m) Fig. 8 Anomalies of the upper 200-m mean flow (arrow, m/s) and the sea surface height (color, m) during the 2015/2016 El Nio event

前人研究指出, 热带西太平洋海洋环流的低频变异主要是由太平洋海盆的海面风强迫引起的[4,7,13,16-18]。为了探讨此次厄尔尼诺事件期间热带西北太平洋海洋环流的年际变异机制, 图9展示了该事件不同阶段中风应力异常和Ekman抽吸速度异常的空间分布。其中Ekman抽吸速度的计算公式为是海表面风应力, f是科氏参数, ρ0是平均海水密度。如图所示, 在2015/2016年厄尔尼诺事件期间, 10°N以南的北太平洋区域存在显著的西风异常和正的Ekman抽吸速度异常。该风场异常在海洋中会激发产生西向传播的上升流Rossby波, 从而导致热带西太平洋海域出现负的SSH异常和气旋式环流异常[7,19]。

图9 2015/2016年厄尔尼诺期间海表面风应力矢量异常(箭头, N/m2)和Ekman抽吸速度异常(填色, ×10–6 m/s) Fig. 9 Anomalies of the sea surface wind stress vector (arrow, N/m2) and associated Ekman pumping velocity (colors, ×10–6 m/s) during the 2015/2016 El Niño event

2.3 与历史厄尔尼诺事件期间变化特征的对比

如图2所示, 相较于其他厄尔尼诺事件, 2015/ 2016年厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运均显著增强, NBL北移幅度更大。通过数据对比发现, 1992—2014年所有厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运和NBL的平均值分别为53.2 Sv、31.5 Sv和12.8°N, 峰值分别为79.1 Sv、48.3 Sv和15.2°N, 均发生在2004/2005年厄尔尼诺事件期间。而2015/2016年厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运和NBL的平均值分别为54.1 Sv、39.9 Sv和13.5°N, 峰值分别为66 Sv、49.4 Sv和16°N。显然, 2015/2016年厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运的平均强度和NBL北移幅度比1992—2014年所有厄尔尼诺期间的平均状况偏大。同时, 1997/1998年厄尔尼诺事件也是一次超强厄尔尼诺事件(峰值强度为2.5℃), 在此厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运和NBL 的平均值分别为56.1 Sv、31.7 Sv和13.3°N, 峰值分别为74.2 Sv、40.1 Sv和15.1°N。与1997/1998年厄尔尼诺事件相比, 2015/2016年厄尔尼诺事件期间NEC输运的平均值和峰值均偏小、NBL的平均值和峰值均偏北, MC输运的平均值和峰值均偏大, 从而导致KC输运的平均值和峰值均偏小。可见, 厄尔尼诺期间, NEC输运和MC输运显著增强, NBL明显北移, 且增强和北移的程度与厄尔尼诺指数呈一定的正相关性。但同时我们也注意到强度相近的厄尔尼诺期间, 热带西北太平洋海域的环流异常并不一定相同。

图10展示了热带北太平洋在2015/2016年厄尔尼诺期间的环流异常与1992—2014年所有厄尔尼诺期间平均环流异常的差。由图可以看出, 相比于历史厄尔尼诺事件的平均情况, 2015/2016年厄尔尼诺事件期间热带西北太平洋海域的海表面高度负异常更为显著, 气旋式环流异常也更强, 从而导致该厄尔尼诺事件期间NEC输运和MC输运更强, NEC分叉点也更为偏北。

图11进一步展示了热带北太平洋在2015/2016年厄尔尼诺期间的风场强迫异常与1992—2014年间所有厄尔尼诺期间平均风场强迫异常的差。如图所示, 相比于其他厄尔尼诺事件, 2015/2016年厄尔尼诺事件的前四个阶段中, 15°N以南的北太平洋区域出现了更为显著的西风异常和EPV正异常, 由此导致在热带西太平洋出现更为显著的负的海面高度异 常和气旋式环流异常。

图10 2015/2016年厄尔尼诺期间环流异常与历史厄尔尼诺期间平均环流异常的差 Fig. 10 Difference between circulation anomaly during the 2015/2016 El Niño event and that averaged over the historical El Niño events

图11 2015/2016年厄尔尼诺期间风场强迫异常与历史厄尔尼诺期间平均风场强迫异常的差 Fig. 11 Difference between sea-surface wind-forcing anomaly during the 2015/2016 El Niño event and that averaged over the historical El Niño events

3 结论

已有的研究结果表明, 热带西太平洋NMK环流系统的年际变异与ENSO事件密切相关[4,18-19], 在ENSO暖事件(厄尔尼诺)时期, NEC和MC的输运增强, KC输运减弱, NBL北移。根据Niño3.4指数, 2015/2016年厄尔尼诺事件是一次超强厄尔尼诺事件。本文利用高分辨率海洋再分析数据研究了NMK环流系统在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间的变化特征及其动力机制, 并将其与历史上其他厄尔尼诺事件期间的变化特征进行了对比。研究表明, 在2015/2016年厄尔尼诺事件期间, NEC、MC输运均显著增强, 最大值分别达到66 Sv和49.4 Sv, 北赤道流分叉纬度最北可达16°N, KC输运没有明显增强, NEC、MC输运均超前Niño3.4指数约4个月, NBL滞后Niño3.4指数约6个月。通过分析热带北太平洋的环流异常和海面高度异常发现, NMK环流系统的年际变化主要与此次厄尔尼诺事件期间热带西北太平洋15°N以南、160°E以西海域出现的气旋式环流异常有关。该环流异常出现自该厄尔尼诺事件的前期阶段, 在爆发阶段达到顶峰, 主要由15°N以南区域出现的强西风异常引起。该西风异常导致Ekman抽吸速度正异常, 并在海洋中引发西向传播的上升流Rossby波, 从而导致热带西北太平洋海域出现气旋式环流异常。

相比与1992—2014年所有厄尔尼诺事件的平均状况, 2015/2016年厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运的平均强度和NBL北移幅度更大, 但与1997/1998年超强厄尔尼诺事件期间的平均值相近。另外, 值得注意的是1992年以来NEC、MC输运的极值分别发生在2004/2005年以及2015/2016年厄尔尼诺事件期间, 可见, 厄尔尼诺指数越大, 并不意味着NEC、MC输运越强。