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热带西太平洋温跃层水团时空特征及中小尺度海洋过程的作用

李元龙  
【摘要】:热带西太平洋一直是物理海洋学和气候学的重点研究海域之一。该海域的海洋动力和热力状态的变化与热带气候变化以及我国的天气气候、生态环境、渔业经济、军事国防等方方面面问题紧密地联系在一起。这个区域拥有世界大洋中最复杂的环流结构,包括赤道流系、西边界流系和跨海盆的贯穿流系。纵横交错的各支海流将形成于不同海域的次表层水团带到热带西太平洋,经过复杂而剧烈的对流和混合之后,输出到很多重要的海域,如赤道太平洋,热带印度洋,及我国的南海和东海。因此,热带西太平洋是一个温跃层水团的十字路口,对该区域温跃层水团的时空特征的研究不仅具有重要而直接的物理海洋学意义,也能够加深我们对于热带海洋气候变化及我国气候环境变化的理解。 本文利用现存的各种海洋观测资料,包括Argo浮标资料,近年的科学航次现场观测资料,历史水文资料,结合卫星高度计的海表面高度(SSH)资料和风场数据,围绕着“热带西太平洋温跃层水团时空变化特征”这个中心科学问题,针对几个关键的科学现象,进行了系统的研究。并强调了在以往工作中往往被忽视的中小尺度海洋过程的作用。 本文首先研究了北太平洋热带水(NPTW)在菲律宾海(PS)区域的流动和盐度变化问题。NPTW在PS区域的流动过程与NMK环流系统紧密联系,而黑潮和棉兰老海流(MC)对NPTW向副热带和热带的输送量基本相当。在18°N和8°N计算的黑潮和MC对于NPTW的输送量分别为5.7Sv和4.4Sv。综合各种变量如次表层盐度极大值Smax,SSH变化和位势涡度(PV)的空间分布特征,我们发现NPTW在PS向北和向南的扩散方式有所不同。向热带流动的NPTW基本上依赖于在沿岸MC的输运,而向副热带的流动既可通过黑潮输送,也可以由大洋内部的中尺度涡旋的搅动完成。NPTW在PS最显著的性质变化就是它盐度的迅速下降,在其上层更加显著,这是由与表层淡水之间的强烈垂直混合造成的。由于NPTW上下层之间盐度变化速度不同,造成了NPTW的Smax逐渐移动到了更深的密度层。进一步研究发现,MC中盐度的变化率比黑潮中大得多,对应于棉兰老冷涡ME附近非常强烈的水平和垂直混合过程。 本文然后探讨了NPTW在PS的年际变化特征与机制,发现了北菲律宾海(NPS)与南菲律宾海(SPS)之间NPTW层盐度的反相位年际变化特征,并在多套实测数据中得到了验证。这种温跃层盐度的变化与地转流场的变化密切联系。在2003年,气旋式的异常环流出现在菲律宾沿岸,输送异常多的高盐NPTW到NPS,并阻止其向SPS流动。跨越锋面的异常输送造成了次表层盐度场在NPS正距平和SPS的负距平。相反的情况在2009年发生。因此,本文所观测到的PS区域的NPTW层的盐度变化主要是由环流场的变化所造成的。然后,通过结合AVSIO卫星高度计SSH资料和风场数据,本文进一步证实了这种流场年际变化的真实性,并讨论了PS流场年际变化与ENSO变化的关系。在比较强的El Ni o(La Ni a)事件之中,正(负)的WSCA在中西太平洋的8°-18°N之间出现,在中西太平洋激发了向西传播的上升的(下降的)Rossby波,造成了PS区域的气旋式(反气旋式)的异常环流。因此,PS区域的流场和NPTW的盐度年际变化主要是该区域对ENSO年际变化的海洋响应。 本文还探索了位于北太平洋热带环流(NPTG)温跃层水(TSSW)的气候态时空特征及形成源地。TSSW对应的地理位置是130°E-150°W,5°N-10°N,22.5-25.5σθ,其最重要的特征是盐度场中的水平方向的极小值和垂直方向上的极大值。相对于NPTW, TSSW具有更低的盐度,更低的溶解氧,高得多的营养盐含量,这主要是由NPTG内独特的大气风场和降水强迫所造成的。TSSW高盐核心的形成于NPTW和SPTW的入侵有很大的联系。在西太平洋, TSSW的Smax主要是由NPTW向南的入侵形成的,NPTG中强烈的垂直混合作用,使得TSSW相比于NPTW盐度更低,Smax的密度更大,因此西太平洋的TSSW可以看做是被稀释的NPTW。在中太平洋, TSSW的性质则受NPTW,南太平洋热带水(SPTW),和东太平洋淡水的共同影响,可看做流场高度变化下形成的几种次表层水的混合体。TSSW的盐度呈现显著的年周期变化,除了受降水变化导致的垂向淡水通量控制之外,流场变化导致的跨域盐度锋面的盐度平流也很重要。在NPTG的南北边界对应于赤道Rossby波和赤道外Rossby波的波导,年周期的第一阶斜压Rossby波是导致流场剧烈年变化的主要原因。 本文中聚焦的另一个的科学问题是热带西太平洋热盐入侵的主要特征及其在大尺度水团变化中的作用。通过分析近年三个科学考察航次的水文资料,我们在NPS发现了NPTW层和中层存在的丰富的以热盐入侵为主的热盐细结构,并通过各种分析确定NPTW层的热盐入侵的驱动机制为双扩散。在NPS海域,NPTW高盐水的入侵制造了水平盐度梯度,而中尺度涡旋的搅动则在局部加强了这种梯度,使得热盐入侵在双扩散的驱动下得以发展。热盐入侵显著加强了水平混合,加速了温跃层水团如NPTW的性质变化。通过连接大尺度水团变化,中尺度涡旋搅动,与微尺度湍流混合,热盐入侵这种细尺度海洋过程在该海域的海洋能量串级中起到了重要的作用。 最后,本文利用现存的高分辨率水文观测资料,研究了热带西太平洋热盐入侵的空间分布和时间变化的基本统计特征。结果显示,在大洋内部,上温跃层中的热盐入侵主要出现在赤道锋面(EF),由南北太平洋的水团的交错嵌入造成的;而下温跃层的热盐入侵则呈现明显的“C”型分布,出现在EF、热带锋面(TF)和MC三个流域,与北太平洋浅层经向翻转环流的西边界流路径正好吻合。通过航次断面观测数据的分析,我们发现在MC,TF和EF的热盐入侵呈现出不同的特征。在MC和EF的热盐入侵垂直尺度较小,具有良好的空间连续性,而在TF处的热盐入侵垂直尺度加大,空间连续性较差。这种特征的差异主要反映着驱动机制上的不同。在EF和MC处,流场的强大剪切为惯性不稳定的发展提供了条件,流场的惯性不稳定是热盐入侵的重要驱动机制,而TF处的热盐入侵则主要是由双扩散所驱动。在JMA-137E断面上,热盐入侵呈现出很强的时间变化。随着北赤道逆流(NECC)在季节和年际尺度的南北摆动,热盐入侵在4°-6°N的强度随之增强和减弱,呈现出一个冬季强夏季弱的季节循环,和在La Ni a期间加强El Ni o期间较弱的年际变化特征。在年际变化尺度上,热盐入侵的变化能够引起从热带到热带外的热通量的剧烈变化,而这种变化与ENSO循环存在密切的联系。


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