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太平洋北赤道流分叉多时间尺度变化特征及其机制研究

陈朝晖  
【摘要】:热带西北太平洋存在着复杂的海洋环流系统。这里是世界上最强的西边界流之一黑潮(Kuroshio)和棉兰老流(Mindanao Current)的生成发源地。在信风的驱动下北赤道流(NEC)自东向西流动,到达菲律宾沿岸发生分叉(bifurcation)形成北向的黑潮和南向的棉兰老流。因此,北赤道流分叉点的变化不仅对低纬度西边界流在物质和热量的分配上起到决定作用,而且对局地气候产生重要影响。研究分叉点的变化特征及其控制机制对于我们认识海洋环流在气候变化中的作用有重要的指导意义。长期以来,对北赤道流分叉点的研究多集中在描述其季节和年际变化特征上,而对其多时间尺度的控制机制缺乏深入系统的研究。 本文围绕北赤道流分叉多时间尺度的变化特征及其控制机制这一关键科学问题,利用最新的观测结果和高质量的大洋环流同化资料,采用1.5层非线性约化重力模式和基于长波近似下的线性涡度方程,对太平洋上层NEC分叉从季节时间尺度,年际时间尺度,多年代际时间尺度以及长期趋势做了系统描述,阐明了控制NEC分叉在不同时间尺度上变化的物理机制。 通过资料分析及模式模拟,研究发现在季节时间尺度上分叉点夏季偏南,冬季偏北,南北振幅在1°-2°之间。通过屏蔽热带外风场的季节变化,明确了热带外风场在分叉点季节变化上的调制作用:中高纬度风场激发的异常信号以边界开尔文波的形式影响低纬度海洋环流,通过在位相上的叠加增强分叉点的南北振幅。采用线性涡度方程,本文重点讨论了热带风场强迫与上层海洋调整对分叉点南北振幅的影响。研究发现,快的(慢的)调整过程使大洋内区风应力旋度零线的南北摆动更少(更多)地与局地风场强迫相抵消,从而使分叉点的南北振幅增大(减小)。此外,研究发现斜压调整的快慢不会对分叉点的位相产生显著影响。敏感试验表明,分叉点的季节位相主要由西太平洋风场(局地风场)决定的。 观测和模式模拟都表明北赤道流分叉点具有明显的年际变化特征。通过合成分析我们发现分叉点偏北(南)的年份热带西太平洋呈现出海表面高度(SSH)负(正)异常,以及温跃层(thermocline)异常的抬升(下降),海表面温度(SST)体现为El Ni o型(La Ni a型)异常。采用1.5层非线性约化重力模式进行敏感试验,结果表明分叉点的年际变化与分叉纬度附近的西太平洋尤其是日界线以西的风场的年际变化关系最为紧密,这一区域的风场变化能够解释分叉点年际变化方差的50%以上。回归到Ni o3.4指数上的ENSO型风场驱动模式得到结果表明,ENSO型风场所解释的分叉点的年际变化不足15%,而回归到西太平洋关键区域风应力旋度上的风场能够解释其50%以上,这进一步阐明了分叉纬度附近的西太平洋风场对NBL年际变化的贡献是最显著的。 通过分析最新版本的SODA2.2.4海洋同化资料,发现北赤道流分叉点在过去60年间存在向赤道方向移动的趋势,同时还呈现出明显的多年代际变化。这种长期变化特征与热带太平洋风应力旋度的变化紧密相关。此外,分叉点季节振幅的长期变化受到了平均位置南移的调制作用。SODA和1.5层模式都表明分叉点的季节振幅表现为先增长后减小的特征,这主要是由于近60年来分叉点平均位置向南移动了大约1.5°,对应的海洋上层斜压调整时间变短造成的。通过只有季节循环的风场驱动下的线性涡度方程研究,仅考虑波速的线性变化,分叉点的季节振幅同样表现出与SODA一致的特征。在气候变暖的大背景下,随着海洋层结的不断加强,NBL的振幅将会在今后的几十年中呈现出微弱的下降趋势。


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