太平洋南赤道流体积输运的年际变异

杨丽娜，吴奇儒，陈 旺，刘成龙，梁 朋

太平洋南赤道流体积输运的年际变异

杨丽娜1，吴奇儒1，陈 旺2，刘成龙3，梁 朋1

（1. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；2. 国家海洋局珠海海洋环境监测中心站，广东 珠海 116023；3. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266200）

【】揭示太平洋南赤道流（SEC）体积输运的年际变异规律，及其与ENSO（El Niño–Southern Oscillation）和IOD（Indian Ocean Dipole）的关系。基于与现场观测海流对比良好的长时间序列的海洋再分析资料（1958－2015），研究太平洋SEC的空间结构及其体积输运的年际变化特征，探讨ENSO和IOD对SEC体积输运年际变异的调节作用。SEC主要分布在24°S－5°N，流核位于26.0σ等密度面之上，在中太平洋海盆具有最大体积输运和年际变率。ENSO和IOD共同调节着太平洋SEC的年际变异，在二者的正（负）位相期间，SEC体积输运减弱（增强），二者影响SEC年际变异的关键因素分别是赤道西中太平洋和东太平洋的西风（东风）异常。

太平洋南赤道流；年际变异；ENSO；IOD

太平洋南赤道流（SEC）是太平洋副热带环流圈的重要组成部分，空间结构复杂，年际变异显著。该环流体积输运的变化关系着赤道太平洋东、西海盆以及中、低纬度之间物质和能量的再分配过程，与暖池区的充放电和冷舌区的海-气交换密切相关，故对ENSO（El Niño-Southern Oscillation）的演变和太平洋气候的变化具有重要影响[1]。此外，太平洋SEC海水是印尼贯穿流（ITF）的重要水源。已有研究显示，SEC海水既可通过新几内亚沿岸潜流直接进入哈马黑拉海和马鲁古海，构成ITF的下温跃层和中层水源[2–4]，又可跨过赤道汇入北赤道流，并在西边界分叉形成棉兰老流和黑潮，分别经由望加锡海峡和南海进入印尼海，构成ITF的上温跃层水源[3–6]。因此，太平洋SEC体积输运的年际变异还关系着太平洋-印度洋洋际间的水体和热量交换，是印-太海盆气候变化的重要调节者。

太平洋SEC流幅非常宽广，在表层可从20°S扩展到赤道以北。但由于现场观测资料匮乏，以往针对太平洋SEC年际变异的研究较少，且只局限于部分流域。例如，Johnson 等[7]基于8°S以北的历史海流观测资料发现，太平洋南赤道流在厄尔尼诺年变弱；Zheng等[8]利用赤道附近拉格朗日浮标反演的表层海流资料发现，SEC在厄尔尼诺年减弱，在拉尼娜年增强。也有研究认为，SEC的增强和减弱与ENSO的位相变化并不同步。例如，Wang等[9]认为，厄尔尼诺（拉尼娜）发生前数月，SEC偏弱（偏强），而在厄尔尼诺（拉尼娜）发生后数月，SEC偏强（偏弱）。Kessler和Cravatte[10]利用日界线以西的历史温盐观测资料发现，珊瑚海内的SEC也在厄尔尼诺（拉尼娜）活动发生后的数月增强（减弱）。此外，印度洋和太平洋风场具有强烈的耦合作用[11]。印度洋偶极子（IOD）信号可通过“大气桥”[12-13]和/或“海洋通道”[14-15]机制传入太平洋，调节 ENSO 的演变[16-18]，进而影响太平洋SEC的年际变异。因此，为更全面认识SEC体积输运的年际变异规律，需要同时考虑ENSO和IOD的影响，且有必要针对整个太平洋海盆的SEC开展研究。

随着数值模式和资料同化技术的发展，高质量海洋再分析资料的出现为进一步理解太平洋SEC的年际变异规律提供了可能。本研究将利用长时间序列的ORAS4（Ocean Reanalysis System 4）海洋再分析资料，揭示太平洋海盆各经度SEC体积输运的年际变异与ENSO和IOD的关系，有助于加深对热带太平洋环流变异特征与机理的认识。

1 数据与方法

1.1 实时海流观测数据

热带太平洋TAO/TRITON (Tropical Atmosphere Ocean/Triangle Trans-Ocean Buoy Network) 计划的锚碇浮标阵列提供了数个站位10 m深处的实时海流观测数据（http://www.pmel.noaa. gov/tao/data_deliv/deliv.html），观测时间主要在1982年以后，将其作为对比基准，来验证再分析海流资料的准确性。

1.2 海洋再分析资料

本研究所使用的ORAS4海洋再分析温度、盐度和海流资料由欧洲中期天气预报中心提供，水平分辨率为1° × 1°，垂向共42层，从5 m延伸到5 350 m，时间分辨率为月平均，时间长度从1958年到2015年（下载地址为ftp://ftp-icdc.cen.uni-hamburg.de）, 已广泛地应用到印度洋和太平洋海流相关研究中[19-24]。为验证ORAS4海流可靠性，将其与TAO/TRITON计划实测海流进行对比（图1），二者无论在振幅还是相位上都具有较好相关性。由于本研究主要关注太平洋SEC体积输运的年际变异规律，故将年平均的ORAS4海流也与实测海流进行对比（图2），发现尽管实测海流时间序列较短，但在绝大部分站位（0°, 110°W和0°, 140°W除外），ORAS4纬向流与实测海流的振幅和相位都基本吻合。

1.3 OSCAR（Ocean Surface Current Analysis Real-time）海流

OSCAR海流是基于卫星高度计、表层漂流浮标和遥感风场等观测数据反演得到的大洋15 m层海流资料[25]。本研究使用的OSCAR海流资料空间分辨率为1°×1°，时间分辨率为月平均，起止时间为1993年1月－2013年12月（下载地址为http://www.oscar.noaa.gov/datadisplay/oscar_datadownload.php），计算其年平均海流，并与ORAS4年平均纬向流进行对比（如图3所示，填色区域超过了99%的显著性检验）。结果显示，二者在SEC的主要流域均具有相似的年际变异规律，进一步证实了ORAS4海流资料的可靠性。

(a) 0°, 110°W; (b) 0°, 140°W; (c) 0°, 147°E; (d) 0°, 156°E; (e) 0°, 165°E; (f) 0°, 170°W; (g) 2°N, 137°E; (h) 2°N, 147°E; (i) 2°N, 156°E; (j) 2°S, 156°E; (k) 5°N, 137°E; (l) 5°N, 147°E; (m) 5°N, 156°E; (n) 5°S, 156°E

蓝线为ORAS4纬向海流，红线为TAO计划实测海流，数字代表二者在共同时间范围内的相关系数

The blue and red lines represent ORAS4 zonal currents and current-meter measurements by TAO program, respectively, and the value written in the top right corner of each panel is the correlation coefficient during their overlapping time period

图1 月平均ORAS4纬向海流与TAO/TRITON计划实测海流的比较

Fig. 1 Comparison between the monthly ORAS4 zonal current and the observational current from the TAO/TRITON project

(a) 0°, 110°W; (b) 0°, 140°W; (c) 0°, 147°E; (d) 0°, 156°E; (e) 0°, 165°E; (f) 0°, 170°W; (g) 2°N, 137°E; (h) 2°N, 147°E; (i) 2°N, 156°E; (j) 2°S, 156°E; (k) 5°N, 137°E; (l) 5°N, 147°E; (m) 5°N, 156°E; (n) 5°S, 156°E

蓝线为ORAS4纬向海流，红线为TAO计划实测海流

The blue and red lines represent ORAS4 zonal currents and current-meter measurements by TAO program, respectively

图2 年平均ORAS4纬向海流与TAO/TRITON计划实测海流的比较

Fig. 2 Comparison between the annual mean ORAS4 zonal current and the observational current from the TAO/TRITON project

1.4 ENSO和IOD指数

太平洋ENSO事件的相位通常用Niño3.4区（5°N－5°S, 170°W－120°W）区域平均的海表温度异常来表征[26]。印度洋IOD事件的相位由热带印度洋西部（50°E－70°E，10°S－10°N）和东部海盆（90°E－110°E，10°S－0°）海表温度异常之差来表征，称为DMI指数（Dipole Mode Index）[27]。本研究使用的Niño3.4指数和DMI指数均是基于HadISST（Hadley Centre Sea Ice and Sea Surface Temperature）海表温度数据计算，时间从1958年1月到2015年12月，由美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室（NOAA ESRL）发布，下载地址为https://psl.noaa.gov/gcos_wgsp/Timeseries/。

1.5 SEC体积输运的计算方法

其中，V(x)代表每条经度处SEC的体积输运；u代表SEC的纬向流速；φ1和φ2分别为SEC的南和北经度边界，本研究分别设为24°S和5°N；z′ 代表SEC垂向分布的下界，本研究采用的是26.0σθ等密度面的深度。

1.6 偏相关和偏回归系数

变量和之间偏相关系数（去除变量的影响）的计算方法如下[28]：

其中，r、r和r分别代表变量和之间、和之间、以及和之间的线性相关系数。

将变量对自变量进行线性回归，假设残差为，再将因变量对进行线性回归，所得回归系数即为去除了影响之后对的偏回归系数[29]。

2 结果

2.1 太平洋SEC的空间分布

如图4(a)所示，SEC表层流主要分布在24°S－5°N，横跨整个太平洋海盆，最大流速超过50 cm/s，位于赤道附近。在12°S－6°S，南赤道逆流占据了西部海盆（165°W以西），将SEC分成南北两支，其中南支流速普遍小于10 cm/s，明显弱于北支。图4(b-g)显示，在垂向上，SEC具有显著的表层强化特征，主要分布在26.0σ等密度面之上（与Johnson等[7]对SEC的定义相符），且沿着海盆自东向西和自赤道附近向副热带的方向，SEC的流核都在逐渐加深。与北赤道流自东向西逐渐增强[30]不同的是，SEC的强流区位于赤道附近（6°S－5°N）中东太平洋，且与Niño3.4区位置较为接近，这意味着SEC的年际变异与ENSO具有潜在的重要联系。

（a）表层多年平均纬向流速（单位：cm/s），黑色实线代表海表温度（℃）；160°E（b）、180°（c）、160°W（d）、140°W（e）、120°W（f）和100°W（g）经向断面上800 m层的纬向流速（cm/s），黑色点虚线代表流速为2cm/s，黑色实线代表位势密度（-1000 kg/m3）

2.2 太平洋SEC的体积输运

在东南热带太平洋海盆，26.0σ等密度面上的西向流速大致为-2 cm/s（图4(g)），故将26.0σ等密度面之上、流速小于-2 cm/s的西向海流作为SEC的流核，主要位于25°S－5°N之间，据此计算各经度上SEC流核的体积输运。图5(a)是1958－2015年间太平洋SEC在各经度的多年平均体积输运，其中负值代表海流的流向为向西。结果显示，SEC平均体积输运在中部海盆达到最大值，约-45 Sv（1 Sv = 1×106m3/s），位于180°－125°W之间。将年平均SEC体积输运减去多年平均值即得到其年际异常，如图5(b)所示，SEC体积输运在各经度都具有显著的年际变异，尤其是在中太平洋海盆，年际变异程度超过24 Sv。

图5 1958－2015年间SEC的平均流量与年际变异

2.3 太平洋SEC体积输运的年际变异与ENSO和IOD的关系

将各经度SEC体积输运的年际变异分别与Niño3.4指数和DMI指数进行偏相关分析，如图6(a)所示，红线代表SEC体积输运年际异常与Niño3.4指数的偏相关系数（去除了DMI指数的影响），蓝线代表与DMI指数的偏相关系数（去除了Niño3.4指数的影响），黑色虚线以上的相关系数超过了99%的显著性检验。可见，整个太平洋海盆的SEC都受到ENSO活动的影响，尤其是在165°W－120°W的中太平洋，区域平均的SEC体积输运异常与ENSO的偏相关系数可达0.59（图6(b)）。由于SEC是西向流，其体积输运为负值，因此，在ENSO正位相（厄尔尼诺年）期间，SEC的体积输运减小；在ENSO负位相（拉尼娜年）期间，SEC的体积输运则增大。另外，在130°W以东，SEC体积输运与DMI指数的偏相关性也超过了99%的显著性检验，说明印度洋IOD活动也是影响东太平洋海盆SEC年际变异的重要因素之一。在120°W－100°W之间区域平均的SEC体积输运与IOD的相关性最高，达0.45（图6(c)），说明在IOD正位相期间，SEC体积输运偏小，反之亦然。

（a）各经度上SEC流量年际异常分别与ENSO（红线）和IOD（蓝线）的偏相关系数；（b）165°W–120°W之间区域平均的SEC流量年际异常（黑线）与年平均Niño 3.4指数（红线）的对比，二者偏相关系数为0.55；（c）120°W–100°W之间区域平均的SEC流量年际异常（黑线）与年平均DMI指数（蓝线）的对比，二者偏相关系数为0.45。

为进一步理解ENSO和IOD事件与太平洋SEC年际变异间的关系，分别计算太平洋风场异常（相对于1958－2015年多年平均）对月平均标准化（除以标准差即得到标准化的指数）的Niño3.4指数和DMI指数的滞后偏回归系数（图7）。当滞后Niño3.4指数12个月时，赤道西太平洋出现明显的西风/东风异常（当Niño3.4指数为正时是西风异常，为负时是东风异常），之后西风/东风异常逐渐向中太平洋海盆扩展，当滞后Niño3.4指数0个月时，西风/东风异常最为强盛，向东可达140°W（图7(a-e)），可见赤道中西太平洋海盆的西风/东风异常是ENSO发生时SEC减弱/增强的关键因素。由于SEC年际异常只在东太平洋海盆与IOD具有显著的相关性，故本研究重点分析了东太平洋风场对DMI指数的回归系数分布。研究发现，当滞后DMI指数12个月时，赤道东太平洋120°W－100°W之间出现了西风/东风异常（当DMI指数为正时是西风异常，为负时是东风异常），此后该西风/东风异常范围略有增大，当滞后DMI指数0个月时，西风/东风异常扩展到5°S－5°N和135°W－90°W，对局地SEC具有减弱/增强的作用。但IOD发生时如何在赤道东太平洋诱导出西风或东风异常的机理尚不清楚，有待进一步研究。

3 结论

本研究利用与实测海流对比良好的ORAS4海洋再分析资料，研究了1958－2015年期间太平洋SEC的空间分布及其体积输运的年际变异规律，发现太平洋SEC主要分布在24°S－5°N，垂向上位于26.0σ等密度面之上，强流区位于赤道（5°S－5°N）中东太平洋，最大体积输运出现在中太平洋（约-45 Sv），年际变异显著，变幅最大可达24Sv。统计分析结果表明，ENSO可影响整个太平洋海盆SEC的年际变异，在厄尔尼诺（拉尼娜）发展期间，赤道中西太平洋140°W以西出现显著的西风（东风）异常，是减弱（增强）SEC体积输运的关键因素。此外，印度洋IOD对东太平洋SEC的年际变异也具有重要的调节作用，在正（负）IOD期间，SEC体积输运减弱（增强），这与IOD发展期间赤道东太平洋135°W以东出现的西风（东风）异常有关，但该异常风场产生的机理还有待进一步研究。

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Interannual Variability of the Volume Transport of the Pacific South Equatorial Current

YANG Li-na1, WU Qi-ru1, CHEN Wang2, LIU Cheng-long3,LIANG Peng1

（1.,,524088,; 2.,116023,;3.,266200,）

【】To reveal the interannual variability of the volume transport of the Pacific South Equatorial Current (SEC) , and its relationship with ENSO (El Niño – Southern arbitration) and IOD (Indian Ocean dipole).【】Analyze the spatial structure as well as the interannual variability of the Pacific SEC using long-term time series of ocean reanalyses which coincide well observational currents（1958－2015）, and examine how the ENSO and IOD modulate the variations of the SEC on interannual timescales.【】The SEC is mainly located between 24°S and 5°N, and above 26.0σisopycnals in the vertical direction. The mean volume transport as well as the interannual variability of the SEC is largest in the central Pacific basin. Both ENSO and IOD modulate the interannual variability of the Pacific SEC, with the volume transport of the SEC weakening (strengthening) during their positive (negative) phases. The key factors that ENSO and IOD in positive (negative) phases impact the interannual variability of the SEC are westerlies (easterlies) respectively in the equatorial central-west Pacific and in the equatorial eastern Pacific.

Pacific South Equatorial Current; interannual variability; ENSO; IOD

P731.21

A

1673-9159（2021）06-0036-08

10.3969/j.issn.1673-9159.2021.06.005

杨丽娜，吴奇儒，陈旺，等. 太平洋南赤道流体积输运的年际变异[J]. 广东海洋大学学报，2021，41（6）：36-43.

2021-06-30

国家自然科学基金青年基金项目（41706033，42006023）；广东海洋大学科研启动费资助项目（R20020，R20023）

杨丽娜（1988―），女，博士，讲师，从事大洋环流和海气相互作用研究。E-mail: ylina_001@sina.com

梁朋（1988―），男，博士，讲师，从事大洋环流可预报性研究。E-mail: liangpeng0405@gmail.com

（责任编辑：刘岭）