基于潜标观测的El Ni?o事件期间西太平洋赤道环流变异研究

论文摘要

热带西太平洋是驱动大气环流和亚洲季风的关键海域,也是ENSO（El Ni?o与南方涛动）发生发展的重要区域。为了研究该海区海-气特征,特别是El Ni?o现象的演变,从20世纪80-90年代开始国际学界实施了多个海-气观测计划,这极大地促进了对ENSO的动力学机制认识和预报能力。如美国和日本布放的TAO/TRITON浮标阵列就提供了热带太平洋大量的、高分辨率连续海洋观测资料。然而TAO/TRITON阵列在热带西太平洋的观测比较稀疏,缺少热带西太平洋可用于研究目的的长期、高质量次表层海洋观测数据。中国科学院海洋研究所（IOCAS）建立的热带西太平洋科学观测网,在西太平洋130°E、140°E和142°E段面以及雅浦-马里亚纳海沟连接区布放了 20余套深海潜标,该观测网提供了近年来ENSO事件中相关的海洋温、盐和海流的演变过程,有效的补足了对ENSO事件现场观测的短板。本工作分析了该观测网在2014-2016年间上层海流观测数据,重点关注2015/2016年超强El Nifno事件期间西太平洋赤道环流变异的特征与相关动力学过程,针对潜标观测之中发现的新的变异现象开展了深入的研究:（1）2015年El Ni?o发展期上层海流的季节内变化（ISV）;（2）2016年El Ni?o事件衰退期西太平洋赤道上层强烈的东向流异常。本文主要取得如下结果:（1）通过分析潜标观测资料和对比历史观测资料,发现了 1997-1998年和2015-2016年El Nifio事件中上层海洋ISV存在明显差异。与1997-1998年事件相比,2015-2016年事件的海洋ISV强度在赤道太平洋海盆上显著减弱约30%-50%,并且ISV变化最大值从1997年的140°E移动到2015年的160°E附近。特别是在西太平洋142°E站位两者强度差异最明显,统计结果表明其减弱了 43%。西太平洋的洋流ISV与季节内西风事件的强迫有较强的关系。海洋ISV的差异也通过平流作用影响了海表温度（SST）的差异,1997年海流的平流作用明显强于2015年,且对几次季节内增暖有明显的贡献。这些差异可以在很大程度上由不同来源的季节内西风爆发造成的海洋ISV强度和位置的差异解释。2015年海表纬向风ISV总体上弱于1997年,1997年的季节内西风爆发起源于印度洋并且发生在西边界附近（约140°E）,而2015年引起西风爆发的扰动主要来自副热带东北太平洋并且引起上层洋流ISV最大值出现在赤道160°E附近。这些ISV差异可能与2015-2016年El Ni?o事件期间副热带东北太平洋的年代际变暖和印度洋大气季节内振荡的减弱有关。海洋ISV在两次El Ni?o事件之中扮演的不同角色,可能是影响ENSO多样性的因素之一。（2）通过分析IOCAS在赤道、142°E站位的潜标观测数据发现,2016年夏季即El Ni?o衰退期海洋上层出现了异常的东向强流,其最大流速达到了 67 cm/s,垂向范围向上扩展达到表层,表层西向流几乎消失。这个现象,JAMSTEC在1998年夏季的潜标观测中也出现了。进一步分析热带西太科学观测网2014-2016年期间3套潜标观测资料发现,赤道以北的2°N、140°E站位和赤道以南的1°S、142°E站位的观测中在2016年夏季也有明显东向流增强,其最大流速分别为90 cm/s和63 cm/s,而更北的3°N、143.55°E站位东向流速却从88 cm/s减弱到了大约30 cm/s,这表明西太平洋赤道环流变异存在复杂的空间结构。进一步分析OSCAR表层流数据、GODAS海洋同化数据和1.5层非线性约化重力模式结果都表明El Ni?o衰退期西太平洋西边界上层海洋出现了一支跨赤道的逆时针环流异常。因此,潜标在赤道及其南、北两个站位观测到了东向流速增强,而更北却观测到了东向流减弱。利用El Ni?o不同时期和区域的风场驱动1.5层模型结果表明,El Ni?o成熟期赤道东太平洋的东风异常是驱动该环流变异风场的具体时间和关键区域,其激发的赤道外暖Rossby波西传到达西边界后反射成赤道暖Kelvin波,造成了赤道西太平洋南北两个海表高度异常（SLA）高值区。SLA通过改变压力场的分布而造成赤道上的西向流异常和赤道以南的沿岸东向流异常,组成了跨赤道逆时针环流异常。此外,通过理想化模式实验表明,西边界海陆分布对该逆时针环流起着重要作用。因此,El Ni?o衰退期西太平洋西边界的跨赤道逆时针环流异常是El Ni?o成熟期赤道东太平洋风场和西边界海陆分布共同作用的结果。综上所述,本论文通过分析西太平洋潜表阵列发现了 2015-2016年El Ni?o事件中西太平洋赤道环流的两个变异现象,即（1）2015年El Ni?o发展期上层海流的季节内变化弱于1997年;（2）El Ni?o事件衰退期西太平洋赤道上层的出现跨赤道的逆时针异常环流。其中现象（1）是由两次事件中不同来源的季节内西风爆发导致,现象（2）是由El Ni?o成熟期赤道东太平洋风场和西边界海陆分布共同作用的结果。这些结果为ENSO期间海洋环流变异及相关动力学机制的研究提供了新的认识,为后续研究西太平洋海洋环流结构与多尺度变异打下基础,突显了高分辨率的上层海洋连续潜标观测在环流结构变异和在ENSO事件演变研究中的重要性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 热带西太平洋流场概况
•     1.2.2 ENSO现象及其正反馈机制
•     1.2.3 ENSO循环负反馈机制
•     1.2.4 ENSO事件的非线性振荡
•     1.2.5 ENSO事件中MJO的作用
•     1.2.6 ENSO事件的观测
•     1.2.7 2015-2016年El Ni?o事件的研究以及不足
•   1.3 主要研究内容
• 第2章 数据与方法
•   2.1 观测数据
•     2.1.1 TAO/TRITON阵列
•     2.1.2 热带西太平洋科学观测网
•   2.2 格点化数据
•     2.2.1 HadISST数据
•     2.2.2 TropFlux数据
•     2.2.3 OLR数据
•     2.2.4 GODAS数据
•     2.2.5 ECCO数据
•     2.2.6 ERA-Interim数据
•     2.2.7 OSCAR数据
•   2.3 使用方法
•     2.3.1 Hovm?ller diagram
•     2.3.2 带通滤波
•     2.3.3 相关分析
•     2.3.4 合成分析
•     2.3.5 海洋1.5层非线性约化重力模型
• 第3章 2015年El Ni?o发展期上层海流的季节内变化
•   3.1 研究背景
•   3.2 数据和方法
•     3.2.1 观测数据
•     3.2.2 再分析资料
•   3.3 研究结果
•   3.4 小结和讨论
• 第4章 2016年El Ni?o事件衰退期西太平洋赤道上层强烈的东向流异常
•   4.1 研究背景
•   4.2 数据和方法
•     4.2.1 观测数据
•     4.2.2 格点化数据
•     4.2.3 合成分析
•     4.2.4 1.5层非线性约化重力模式
•   4.3 研究结果
•     4.3.1 潜标观测的流场变异
•     4.3.2 赤道西太环流流场变异的模拟结果
•     4.3.3 赤道西太环流变异机制研究
•     4.3.4 海陆分布对赤道西太环流的影响
•   4.4 小结
• 第5章 总结和展望
•   5.1 本文主要结论
•   5.2 本文特色和创新点
•   5.3 下一步工作计划
• 参考文献
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吕宜龙

导师: 王凡,李元龙

关键词: 潜标观测,季节内变化,西风爆发,海洋环流

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学,海洋学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

分类号: P732

DOI: 10.27551/d.cnki.gzkhs.2019.000007

总页数: 115

文件大小: 13824K

下载量: 118