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黃、東海沿岸海表溫度變化與厄爾尼諾的關(guān)系

2012-04-17 09:30:26王智祖左軍成陳美香楊逸秋
關(guān)鍵詞:黑潮厄爾尼諾年際

王智祖,左軍成,陳美香,徐 青,楊逸秋

(河海大學(xué)物理海洋研究所,江蘇南京 210098)

海表溫度(SST)是上層海洋熱力狀態(tài)的重要標(biāo)志,它表征了海洋熱力動力過程。黃、東海SST不僅是研究黃、東海海面狀態(tài)的1個重要參數(shù),也是研究黃、東海環(huán)流、水團、溫躍層、海洋鋒、上升流和海水混合等問題的重要指標(biāo)。黃、東海SST受厄爾尼諾的影響主要通過赤道流變異和東亞季風(fēng)變異的共同作用。

黃、東海沿岸SST具有顯著的年際變化,存在準(zhǔn)2a的變化周期[1]和準(zhǔn)3.5a的振蕩周期[2]。由于黃、東海是黑潮、東海陸架混合水、沿岸低鹽水、黃海暖流水及長江沖淡水的交匯之地,其SST變化尤其受到長江沖淡水和黑潮流量變化的影響。長江徑流量大的年份,長江口年平均SST亦高[1]。從PN斷面黑潮熱輸送變化的貢獻來說,來自低緯海域的黑潮體積輸送的強弱是處于第1位的,而水體溫度的高低是第2位的[3]。SST的變化同時與ENSO有較好的響應(yīng)關(guān)系[4],厄爾尼諾事件期間,赤道中、東太平洋為暖水區(qū),而東中國海大部分海域表層為冷水區(qū)所控制[5]。

目前對黃、東海沿岸SST變化的研究中,較少系統(tǒng)地討論ENSO的影響機制。本研究采用隨機動態(tài)分析法分析黃、東海沿岸8個長期水文觀測站的SST季節(jié)變化和年際變化,并在此基礎(chǔ)上以1982—1983年和1997—1998年2次典型厄爾尼諾事件為例,討論SST變異與厄爾尼諾的關(guān)系,以及ENSO對SST可能的影響通道。

1 觀測站情況

選用的黃、東海沿岸8個長期水文觀測站情況見表1。

表1 黃、東海沿岸8個長期水文觀測站及觀測起止時間Table1 Eight observation stations in coastal region of Yellow Sea and East China Sea and observation period

2 觀測結(jié)果及其分析

2.1 SST的顯著變化周期

采用隨機動態(tài)分析預(yù)測法[6]對8個長期水文觀測站的SST數(shù)據(jù)按時間序列進行分析,提取8個水文觀測站SST的前10個顯著變化周期(表2)。各站SST的季節(jié)變化最顯著,年際變化主要存在2~5a不等的周期變化,個別站還有20a左右的周期。各站普遍存在準(zhǔn)2a振蕩周期,主要受赤道平流層低層風(fēng)場QBO(quasi-biennial oscillation)準(zhǔn)周期變化的影響。ENSO現(xiàn)象和亞洲季風(fēng)系統(tǒng)均存在著顯著的QBO[7],其平均周期約28個月[8]。同時,黑潮通過熱輸送的主要變化周期為準(zhǔn)2a[3]。以往的研究也證實了黃、東海SST存在準(zhǔn)2a的周期[1]。黃、東海沿岸各站SST普遍存在明顯的準(zhǔn)4a周期(表2),該周期振蕩被普遍認(rèn)為與厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān),與郭文娟等[9]得出的Nino各海區(qū)的海溫距平序列存在著準(zhǔn)4a的周期變化結(jié)論一致,與北太平洋副高、沃克環(huán)流和赤道海溫共有的3.5a振蕩周期相接近[3]。

表2 8個水文觀測站點SST的前10個顯著周期Table 2 First ten prominent periods of SST at eight observation stations月

2.2 黃、東海SST的變化特征

本研究按季節(jié)劃分月份:春季(4—6月)、夏季(7—9月)、秋季(10—12月)、冬季(1—3月)。從北往南8個水文觀測站點依次為連云港、大戢山、嵊山、大陳、南麂、北茭、平潭、廈門,其中嵊山點離岸較遠(yuǎn)。黃、東海沿岸各站都明顯存在12個月的變化周期,黃、東海沿岸SST季節(jié)變化特征明顯。

最北邊的連云港、大戢山的最高SST都出現(xiàn)在8月上旬,而中間位置的大陳、南麂、北茭、嵊山、平潭的最高SST出現(xiàn)在9月上旬,最南邊的廈門站年SST最大值出現(xiàn)很早,并在7—9月維持高SST狀態(tài),呈典型的副熱帶年變化特征(圖1)。南邊的平潭、廈門和離岸站點嵊山相對于最北的連云港發(fā)生SST最高值的時間滯后1個月,年SST最高值的空間差異不大,最高的廈門與最低的嵊山相差3.2℃;但SST最低值的空間差異很大,最北邊的連云港與最南邊的廈門站相差11.1℃。滯后主要是由于沿岸SST流年變化受從北向南的位相傳播的影響。嵊山站雖然位于30°N以北,但由于離岸較遠(yuǎn),受陸地氣溫影響較小,所以最高SST也出現(xiàn)在9月上旬,且比近岸站點的SST要低。

緯度不同,最低SST出現(xiàn)的時間也不同。緯度越高,最低SST發(fā)生越早,最低SST也越低。連云港最低SST出現(xiàn)在1月下旬,為2.6℃;大戢山、嵊山、大陳、南麂最低SST出現(xiàn)在2月上旬;北茭最低SST出現(xiàn)在2月中旬,為11.1℃;廈門的年最低SST達到13.7℃(表3)。

2.3 黃、東海沿岸SST與ENSO和PDO的關(guān)系

ENSO被認(rèn)為是海洋和大氣年際變化的最主要信號,其發(fā)生發(fā)展會帶來全球性的海洋、氣候異常,進而影響區(qū)域海洋的年際變化。而PDO(太平洋年代際振蕩)是海洋和大氣年際變率的重要背景,對區(qū)域海洋年際變化(如ENSO變化頻率和強度)具有重要的調(diào)制作用。

圖1 黃、東海沿岸SST季節(jié)變化分布圖Fig.1 Seasonal variation of SST in coastal region of Yellow Sea and East China Sea

黃、東海沿岸年平均SST在ENSO處于正位相年份(如1972年和1982—1983年)一般處于較低值,而在ENSO處于負(fù)位相年份處于較高值。年平均SST變化較大的時間通常發(fā)生在ENSO位相發(fā)生轉(zhuǎn)變前后。

PDO在1960—1976年期間處于冷位相,在1976年發(fā)生位相轉(zhuǎn)變,一直到20世紀(jì)90年代中期,PDO一直處于暖位相。PDO的年代際變化特征與發(fā)生在中緯度太平洋的氣候轉(zhuǎn)型有很好的一致性。PDO處于冷位相時,黃、東海沿岸年均SST較高;而PDO處于暖位相時,黃、東海沿岸年均SST較低。

表3 黃、東海沿岸8個水文觀測站年最高、最低SST發(fā)生時間Table3 Occurrence time of annual maximum and minimum SST in coastal region of Yellow Sea and East China Sea

2.4 1982—1983年和1997—1998年2次厄爾尼諾期間黃、東海沿岸SST變化的差異

2.4.1 SSTA(海表溫度異常)變化特征

1982年5月至1983年6月和1997年5月至1998年4月為20世紀(jì)最強的2次厄爾尼諾事件,2次厄爾尼諾期間的海表溫度距平指數(shù)(Ni?o3指數(shù))的峰值都比較高,說明強度都很大。2次厄爾尼諾事件的發(fā)生、發(fā)展和衰退過程也比較相似,但1997—1998年厄爾尼諾事件來得更快,強度更大,1997年10—12月的Ni?o3指數(shù)的平均值達到3.53℃,比1982—1983年厄爾尼諾事件相應(yīng)季節(jié)的Ni?o3指數(shù)2.81℃要高,并具有形成快、發(fā)展迅猛、高溫持續(xù)時間長及衰減迅速等特點(表4)。

這2次厄爾尼諾事件期間,黃、東海沿岸SST均發(fā)生顯著變化。1997—1998年的SST要比1982—1983年的高,且2次事件期間黃、東海沿岸SST的變化也有較大差異。厄爾尼諾對黃、東海沿岸SST變化的影響并不是單一的機制,1982—1983年厄爾尼諾期間SSTA以負(fù)異常為主,最大負(fù)異常達到-1℃左右(如大戟山12月份;南麂6—7月等),1997—1998年SSTA以正異常為主,且異常值較高,最大正異常接近3℃(如南麂4月;北茭5月等)。從SST變化的程度來看,相對于1982—1983年來說,1997—1998年厄爾尼諾對黃、東海沿岸SST的影響要更強(圖2)。

表4 1982—1983年和1997—1998年厄爾尼諾期間各季節(jié)Ni?o3指數(shù)平均值Table4 Seasonal average of Ni?o3 index in El Ni?o events during periods from 1982 to1983 and from 1997 to 1998℃

厄爾尼諾開始前(1—4月),1982—1983年黃、東海沿岸各觀測站的SSTA以負(fù)異常為主,SST較常年偏低;而1997—1998年SSTA以正異常為主,SST較常年偏高,尤其是嵊山和廈門站,比常年分別高2℃和3℃。

厄爾尼諾開始時(5—6月),1982—1983年SSTA在30°N輻散帶以北沿岸以正異常為主,在30°N以南沿岸以負(fù)異常為主。30°N兩側(cè)的SSTA變化反相,說明此次事件開始時該海域的SST異常主要受控于局地風(fēng)應(yīng)力旋度引起的海水輻聚輻散。而1997—1998年SSTA都正異常為主,說明此次事件初期的SST異常主要受控于赤道流和黑潮的熱輸送。

厄爾尼諾年的夏季(7—9月),1982—1983年SSTA以負(fù)異常為主,黃、東海沿岸SST出現(xiàn)大幅降溫,平均降溫幅度達到0.5℃,最高達到1℃;而1997—1998年,除了嵊山和大陳以外,SSTA以負(fù)異常為主??梢?厄爾尼諾年的夏季一般容易出現(xiàn)“冷夏”[10-11]。同時夏季低溫也與東亞季風(fēng)變化有關(guān)[12],厄爾尼諾年夏季風(fēng)較弱,鄂霍次克海高壓加強,西太平洋副高位置偏南,強度偏強,西風(fēng)帶擾動偏南,不利于夏季風(fēng)北推,卻有利于北方冷空氣南下與之交匯,使鋒區(qū)偏南,位于江淮流域[13]。西南或偏南夏季風(fēng)氣流與北方冷空氣頻繁地交匯于江淮流域及長江中下游,使江淮流域及長江中下游降水偏多,黃、東海沿岸SST偏低。

厄爾尼諾年10月至翌年6月,1982—1983年和1997—1998年的SSTA都以正異常為主,其中1982—1983年的SSTA在11月達到最大值,SST最高升溫在2℃左右。其中1982年12月或1983年1月發(fā)生溫度突變,SST降幅達到1℃左右,SST明顯低于往年平均值。主要原因是1983年1月厄爾尼諾發(fā)到最盛期,該月赤道以北中太平洋上的東北信風(fēng)較強,使得洋面風(fēng)速較大,同時受東亞大陸干冷冬季風(fēng)不斷南下的影響,洋面附近的溫度和濕度梯度較大,此時的中太平洋低緯海域海、氣之間的熱量交換明顯增強[14]。1997—1998年厄爾尼諾事件期間,黃、東海沿岸SST在1998年4—5月達到最大值,最高升溫在3℃左右。這可能是因為當(dāng)東南太平洋Ninol+2區(qū)海溫升高時,會抑制緯向的Walker環(huán)流,使得西太平洋地區(qū)的氣流上升運動減弱,經(jīng)向的Hadley環(huán)流東強西弱,太平洋副熱帶高壓東強西弱[15],進而引起長江中下游地區(qū)梅雨期縮短、梅雨量減少、冬季偏暖等一些氣候異常,最終引起黃、東海海域SST偏高,這一響應(yīng)過程一般需要10個月左右[16],與觀測到的SST變化特征一致。

厄爾尼諾結(jié)束后,6—7月黃、東海沿岸SST出現(xiàn)大幅降低,下降2℃左右。這主要和黑潮SST變化有關(guān),厄爾尼諾當(dāng)年11月至次年12月,黑潮SSTA多為正異常,只是在次年6—7月出現(xiàn)短暫的反異常,可能與季節(jié)轉(zhuǎn)換有一定關(guān)系[17]。同時,1998年于當(dāng)年7月發(fā)生拉尼娜現(xiàn)象,SST較1983年變化較大,尤其是11月和12月,SST升高約2℃。

2.4.2 厄爾尼諾發(fā)生前冬半年SSTA

在厄爾尼諾發(fā)生前半年,東亞強冷空氣活動頻繁,我國東部沿海氣溫偏低;而在拉尼娜發(fā)生前半年,東亞地區(qū)冷空氣活動偏少,我國東部沿海氣溫偏高[15]。黃、東海沿海受東亞季風(fēng)氣候控制,其氣溫和海溫的變化受到東亞冷空氣活動的顯著影響。本研究取11月至翌年4月作為冬半年,則2次厄爾尼諾事件發(fā)生前冬半年的SSTA情況見表5。

表5 厄爾尼諾發(fā)生前冬半年的SSTATable5 SSTA in winter half-year before occurrence of El Ni?o℃

圖2 1982—1983年和1997—1998年黃、東海沿岸月均SSTAFig.2 Monthly average SSTA during periods from 1982 to 1983 and from 1997 to 1998 in coastal region of Yellow Sea and East China Sea

1982年冬半年SSTA和1997年冬半年SSTA呈現(xiàn)出截然不同的結(jié)果,1982年冬半年SSTA以負(fù)異常為主,1997年冬半年SSTA以正異常為主。由于1982年SST在厄爾尼諾發(fā)生前的冬半年處于較低水平,進而使得厄爾尼諾發(fā)生當(dāng)年黃、東海沿岸海域的SST偏低;1997年SST在厄爾尼諾發(fā)生前的冬半年處于較高水平,進而使得厄爾尼諾發(fā)生當(dāng)年黃、東海沿岸海域的SST偏高。如平潭站,1982年冬半年SSTA大部分是負(fù)距平,最高達到-1.38℃,隨后的1982年SSTA以負(fù)為主,SST出現(xiàn)明顯下降;1997年冬半年SSTA都是正距平,最高達到1.26℃,隨后的1997年SSTA全部都是正的,SST一直保持高溫??梢?ENSO影響黃、東海沿岸SST的通道之一是通過東亞季風(fēng)的異常變化。

2.4.3 環(huán)流、季風(fēng)和氣溫的影響

厄爾尼諾事件發(fā)生年黃、東海沿岸SST偏低,尤其是夏季,有冷夏現(xiàn)象;厄爾尼諾事件發(fā)生次年的夏季、冬季SST偏高,屬暖年[10]。這主要是因為在厄爾尼諾期間,赤道東太平洋正的SSTA使東西太平洋上的SSTA對比明顯減小,使行星波強度明顯減弱,同時中低緯地區(qū)熱力正環(huán)流的強度加強,又把感熱從副熱帶向赤道輸送。因此在增強的熱力正環(huán)流和減弱的熱帶、副熱帶行星波的共同作用下,副熱帶地區(qū)變冷、變干[18]。在厄爾尼諾年冬季,華南和青藏高原降水或降雪量為正距平,使得晚春和初夏南亞的加熱慢,夏季海陸的熱力對比小,出現(xiàn)弱夏季風(fēng)[19],而在弱夏季風(fēng)年份,長江口SST偏低[1]。而且厄爾尼諾事件期間,赤道流減弱,黑潮流量減少,帶來的熱量大大減少,黃、東海沿岸SST下降[20]。

黃、東海是海-氣熱通量異常的顯著區(qū),東亞冬季風(fēng)弱時黃、東海為偏南風(fēng)距平,抑制了相應(yīng)海域海氣界面上海表向大氣釋放的熱通量,從而使SST出現(xiàn)正距平;強冬季風(fēng)時情況則反之[1,21]。在厄爾尼諾發(fā)生前的冬季,冬季風(fēng)偏強;在厄爾尼諾發(fā)生的當(dāng)年,冬季風(fēng)偏弱[22]。因此,厄爾尼諾發(fā)生前的冬季,SST出現(xiàn)負(fù)距平;在厄爾尼諾發(fā)生的當(dāng)年冬季,SST出現(xiàn)正距平,這也驗證了1982—1983年黃、東海沿岸SST的變化特征。

由此可見,厄爾尼諾發(fā)生前冬半年及發(fā)生當(dāng)年,黃、東海沿岸SST偏低,SSTA以負(fù)異常為主;厄爾尼諾發(fā)生次年,黃、東海沿岸SST偏高,SSTA以正異常為主,1982—1983年黃、東海SST的變化基本可以解釋為這種機制。造成1997—1998年黃、東海沿岸SST一直偏高的原因,主要是氣溫的影響。1998年平均溫度為近100a來最暖的一年,全球溫度平均距平為0.58℃,中國為1.35℃。而1982—1983年中國平均溫度距平為0.1℃,全球是0.15℃[23]。高溫天氣對黃、東海沿岸海水起到了加熱的作用,造成1997—1998年黃、東海沿岸SST以正距平為主。1982—1983年和1997—1998年顯著的氣溫差異,導(dǎo)致2次厄爾尼諾期間黃、東海沿岸SST變化特征的不同。

綜上所述,影響厄爾尼諾事件期間黃、東海沿岸SST變化的因素并不是單一的,ENSO通過調(diào)節(jié)大洋環(huán)流和大氣環(huán)流影響SST的變化,大洋環(huán)流、東亞季風(fēng)和氣溫等因素的共同作用,決定每次厄爾尼諾期間黃、東海沿岸SST的具體變化。造成1982—1983年和1997—1998年SSTA不同的主要原因是2次厄爾尼諾事件期間氣溫的異常。

3 結(jié) 論

a.黃、東海沿岸SST的年際變化存在準(zhǔn)2a和準(zhǔn)4a的顯著振蕩周期。

b.年最高值SST的發(fā)生時間存在明顯的位相傳播關(guān)系,南邊的平潭、廈門和離岸站點嵊山相對于最北的連云港發(fā)生SST最高值的時間滯后1個月,空間差異不大,滯后主要是由沿岸流年變化從北向南傳播的位相關(guān)系決定的;年最低值SST發(fā)生時間的位相差異不大,空間分布明顯,最北邊的連云港與最南邊的廈門站相差11.1℃,差異的主要原因氣溫的緯向分布。

c.黃、東海沿岸SST受到ENSO和PDO的共同影響和調(diào)制。ENSO和PDO處于冷位相時,黃、東海沿岸平均SST較高;反之,則較低。PDO的年代際變化特征與發(fā)生在中緯度太平洋的氣候轉(zhuǎn)型有較好的一致性,在1976年發(fā)生位相轉(zhuǎn)變。

d.厄爾尼諾發(fā)生前冬半年及發(fā)生當(dāng)年,黃、東海沿岸SST偏低,SSTA以負(fù)異常為主;厄爾尼諾發(fā)生次年,黃、東海沿岸SST偏高,SSTA以正異常為主。黃、東海沿岸SST變化滯后厄爾尼諾事件6~10個月。

e.厄爾尼諾對黃、東海沿岸SST變化的影響通道有大洋環(huán)流和大氣環(huán)流2個通道,1982—1983年黃、東海沿岸SSTA以負(fù)異常為主,1997—1998年黃、東海沿岸SSTA以正異常為主,造成兩者SSTA不同的主要原因是2次厄爾尼諾事件期間氣溫的異常,高溫天氣對黃、東海沿岸海水起到了加熱的作用。ENSO通過調(diào)節(jié)大洋環(huán)流和大氣環(huán)流影響SST變化,大洋環(huán)流、東亞季風(fēng)和局地氣溫等因素的共同作用,決定每次厄爾尼諾期間黃、東海沿岸SST的變化特征。

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