陳永利 官 聰 ① 趙永平 王 凡

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 青島 266071； 2. 中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071； 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266071； 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心 青島 266071)

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Ni?o-Southern Oscillation， ENSO)是熱帶太平洋氣候系統(tǒng)中最顯著的年際變化信號(hào)。ENSO的暖事件稱為厄爾尼諾現(xiàn)象(El Ni?o)， 冷事件稱為拉尼娜現(xiàn)象(La Ni?a)。ENSO冷暖事件發(fā)生時(shí)， 熱帶太平洋海洋表面溫度(sea surface temperature， SST)出現(xiàn)顯著異常， 海洋環(huán)流發(fā)生異常變化， 這對(duì)環(huán)太平洋乃至全球氣候都產(chǎn)生重要的影響(McPhaden， 2006； Guanet al， 2013， 2016， 2019)。

熱帶太平洋海洋環(huán)流對(duì)ENSO循環(huán)的響應(yīng)是一個(gè)重要的話題， 已有很多相關(guān)的研究。熱帶太平洋西邊界流主要流系的年際異常與ENSO循環(huán)有著密切聯(lián)系(Quet al， 2003； Kimet al， 2004； Yaremchuket al， 2004； Wanget al， 2006； Huet al， 2017)， 在El Ni?o年， 熱帶西太平洋北赤道流顯著加強(qiáng)， 其分叉位置偏北， 棉蘭老流比正常年份強(qiáng)勁， 菲律賓以東黑潮減弱。Ueki等(2003)研究指出， 新幾內(nèi)亞沿岸潛流在El Ni?o成熟期顯著增強(qiáng)。關(guān)于北赤道逆流年際變率與ENSO事件的聯(lián)系， 多數(shù)研究(Meyerset al， 1984； Kessleret al， 1987； Taftet al， 1991； Delcroixet al， 1992； Johnsonet al， 2002)認(rèn)為在El Ni?o年， 北赤道逆流較強(qiáng)且輸送量增多。Johnston等(2000)分析了160°E至日界線海區(qū)的潮汐資料， 指出北赤道逆流在El Ni?o成熟期前6個(gè)月加強(qiáng)， 后6個(gè)月減弱， 而在El Ni?o成熟期其強(qiáng)度則接近正常狀態(tài)。同樣， Johnson等(2004)根據(jù)1991—2001年170°—110°W的流場觀測資料分析指出， 在El Ni?o年的8—12月期間北赤道逆流減弱。Hu等(2014)基于長期船載聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profiler， ADCP)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)北赤道流流量的年際變化與ENSO循環(huán)密切相關(guān)， 且不同年代對(duì)ENSO的響應(yīng)不一致。Hu等(2016)則使用錨定潛標(biāo)ADCP觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在ENSO正常年份棉蘭老流的年際變化和ENSO沒有顯著的相關(guān)性。而有關(guān)次表層的赤道潛流的觀測發(fā)現(xiàn)， 在某些強(qiáng)El Ni?o期間出現(xiàn)過赤道潛流減弱消失、甚至反向現(xiàn)象。Firing等(1983)發(fā)現(xiàn)在1982/83年El Ni?o事件期間， 在159°W處， 赤道潛流在1982年8月減弱， 9月部分反向， 1983年1月再次出現(xiàn)。McPhaden等(1990)也發(fā)現(xiàn)1986/87年El Ni?o期間赤道潛流的減弱現(xiàn)象， 但并未發(fā)生反向。Hu等(2015)對(duì)熱帶西太平洋海洋環(huán)流與ENSO的相互關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和綜述。

大尺度海洋環(huán)流主要是風(fēng)驅(qū)動(dòng)或者密度分布不均勻所產(chǎn)生的， 而海洋環(huán)流的變化則主要是由風(fēng)應(yīng)力異常引起的。海表風(fēng)應(yīng)力異常引起海洋內(nèi)部水平壓強(qiáng)梯度的變化， 造成流場的輻聚、輻散、渦旋及垂直方向的運(yùn)動(dòng)。因此， 前人在研究熱帶太平洋海洋環(huán)流變化的物理過程時(shí)也多從大氣強(qiáng)迫作用入手。以往的研究指出， ENSO期間上述海洋環(huán)流的變化與其上空的異常海面風(fēng)應(yīng)力場有密切關(guān)系(Huet al， 2015)。

然而， 當(dāng)發(fā)生ENSO事件等重大海洋事件時(shí)， 海洋溫躍層深度會(huì)出現(xiàn)大幅度顯著變化， 進(jìn)而引起海洋內(nèi)部水平壓強(qiáng)梯度的變化， 導(dǎo)致海洋環(huán)流異常。比如， Wyrtki (1989)指出北赤道逆流的形成也被認(rèn)為與溫躍層變化相關(guān)密切， 并認(rèn)為北赤道逆流的強(qiáng)度變化與ENSO事件有密切關(guān)系， 表現(xiàn)為El Ni?o期間加強(qiáng)， La Ni?a期間減弱。此外， 赤道潛流的形成也被認(rèn)為與熱帶太平洋溫躍層密切相關(guān)(Firinget al， 1983； Lukas， 1986； Pedlosky， 1987； McPhadenet al， 1990)。在太平洋赤道附近(科里奧利力接近于0)， 信風(fēng)應(yīng)力驅(qū)使海水向西流動(dòng)， 在遇到大陸阻遏時(shí)堆積使水位升高， 溫躍層加深并形成海面向東傾斜， 從而出現(xiàn)一個(gè)向東的水平壓強(qiáng)梯度力形成赤道潛流。陳永利等(2013)揭示赤道海洋溫躍層深度變化是赤道潛流異常變化的主要原因， 認(rèn)為赤道潛流實(shí)際上是ENSO事件的伴生現(xiàn)象。

熱帶太平洋溫躍層變化是ENSO循環(huán)中的一個(gè)重要過程， ENSO事件發(fā)生時(shí)的次表層溫度異常甚至要高于表層海溫， 使用溫躍層海溫異常為指標(biāo)能更好地反映ENSO 循環(huán)過程中的海洋變化(趙永平等， 2007)。在前人研究基礎(chǔ)上， 本文將聚焦200m以淺的上層海洋， 重點(diǎn)分析ENSO期間熱帶太平洋溫躍層深度變化演變， 用聯(lián)合經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function， EOF)分析方法， 解析與ENSO相聯(lián)系的海洋異常環(huán)流， 并通過ENSO期間熱帶太平洋溫躍層深度變化變化規(guī)律探索海洋環(huán)流異常新的物理機(jī)制。

1 資料和方法

本文采用簡單海洋同化模式 SODA(simple ocean data assimilation) 數(shù) 據(jù) (CARTON-GIESE SODA2.0.2-4， 源 于 http：//iridl.ldeo.columbia.edu/ SOURCES/.ARTON-GIESE/.SODA/.v2p0p2-4)海溫和三維海流資料(水平網(wǎng)格0.5°×0.5°)。資料起訖時(shí)間為1958 年1 月—2007 年12 月。由于次表層海溫距平的最大值一般都出現(xiàn)在溫躍層附近， 本文用溫躍層曲面上海溫距平表示次表層海溫異常， 并作為溫躍層深度變化指數(shù)(thermocline depth anomaly， TCA)。次表層海溫異常為負(fù)值時(shí)， 次表層海溫下降， 溫躍層上抬變淺； 次表層海溫異常為正值時(shí)， 次表層海溫上升， 溫躍層下降加深。對(duì)其進(jìn)行1 年低通濾波以去除年變化和線性趨勢， 以獲得次表層海溫異常年際變率。

熱帶太平洋上層海流用200m 以淺的垂向平均海流表示。在資料分析中， 首先對(duì)熱帶太平洋TCA 指數(shù)次表層海溫異常進(jìn)行EOF 分析， 得到ENSO 事件相關(guān)的兩個(gè)模態(tài)， 然后與上層海洋流場作聯(lián)合EOF分析。在進(jìn)行聯(lián)合EOF 分析時(shí)， 通過控制相關(guān)物理量的量級(jí)， 始終保持次表層海溫異常主導(dǎo)場地位， 以確保計(jì)算得到的相關(guān)物理量與ENSO 呈同步變化。通過上述處理， 獲得了與ENSO 事件兩個(gè)模態(tài)相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋流場。

2 ENSO 循環(huán)過程中熱帶太平洋躍層深度變化特征

基于熱帶太平洋次表層海溫場資料， Zhao等(2007)對(duì)1—8年帶通濾波后的熱帶太平洋溫躍層深度異常TCA指數(shù)進(jìn)行EOF分解， 得到兩個(gè)主模態(tài)： 分別為出現(xiàn)在冬季的以160°W為縱軸的東西向偶極子分布模態(tài)和主要出現(xiàn)在夏季的以6°—8°N為橫軸的南北向蹺蹺板分布模態(tài)。第一模態(tài)確定了ENSO事件的振幅， 第二模態(tài)表征了循環(huán)過程的相變， 二者共同構(gòu)成了ENSO循環(huán)， 其實(shí)質(zhì)是信風(fēng)異常和海氣耦合過程共同作用下產(chǎn)生的熱帶太平洋海洋混合層水體在赤道與12°N之間海盆內(nèi)的慣性振蕩。

圖1為ENSO循環(huán)過程中的熱帶太平洋TCA演變， 實(shí)線表示溫躍層面上溫度異常偏高， 溫躍層加深， 虛線表示溫躍層面上溫度異常偏低， 溫躍層變淺。熱帶太平洋TCA呈西淺東深時(shí)出現(xiàn)El Ni?o事件(圖1c)， 反之出現(xiàn)La Ni?a事件(圖1a)。此時(shí)， 熱帶太平洋溫躍層的分布形勢為， 熱帶西太平洋極值中心位于赤道北側(cè)的150°E附近的暖池海域， 熱帶東太平洋極值中心位于赤道90°—120°W海域， 后者絕對(duì)值稍高于前者。TCA沿赤道海洋加深、沿12°N北太平洋變淺時(shí)為El Ni?o發(fā)展或La Ni?a衰退階段(圖1b)， 反之為La Ni?a發(fā)展或El Ni?o衰退階段(圖1d)。此時(shí)， 熱帶太平洋溫躍層的分布形勢為， 平均以6°—8°N為橫軸南北向TCA蹺蹺板分布， 沿6°—8°N南北兩側(cè)存在反號(hào)的TCA大值區(qū)， 南側(cè)TCA大值區(qū)出現(xiàn)在沿赤道太平洋中東部海域， 北側(cè)TCA大值區(qū)出現(xiàn)在10°—15°N(平均12°N)北太平洋中東部海域。根據(jù)熱帶太平洋平均溫躍層深度和年平均SST與溫躍層面上溫度(約20°C)差異粗略估算表明， 在熱帶太平洋， 溫躍層面上溫度變化1°C大致相當(dāng)于躍層面上抬或下降10m左右。由于上層海洋垂直溫度梯度主要出現(xiàn)在溫躍層附近， 熱帶西太平洋混合層深厚， 溫躍層深度變化很難引起SST顯著變化， 但熱帶東太平洋溫躍層較淺， 溫躍層變化常導(dǎo)致SST明顯變化。1997年強(qiáng)El Ni?o事件時(shí)， 熱帶東太平洋躍層面上溫度變化可達(dá)5°C左右， 此時(shí)溫躍層深度較常年下降50m左右， 該海域SST顯著上升； 1975年強(qiáng)La Ni?a事件時(shí)， 熱帶東太平洋溫躍層面上溫度變化達(dá)3.5°C， 溫躍層深度較常年升高35m左右， 該海域氣候溫躍層50—60m， 意味此時(shí)溫躍層已接近露頭， 該海域SST顯著下降。

圖1 ENSO 循環(huán)過程中熱帶太平洋溫躍層深度異常演變的平均狀況 Fig.1 Evolutions of tropical Pacific thermocline depth anomalies during the ENSO cycle

Zelle 等(2004)研究表明， 在ENSO 循環(huán)過程中， TCA 標(biāo)志了El Ni?o 事件的形成和結(jié)束全過程， 它是通過水體上升流和混合來實(shí)現(xiàn)， 而SST 異常僅是El Ni?o 事件在海洋表層的表現(xiàn)。Zhao 等(2007)的研究表明， 在ENSO 形成階段， 海面風(fēng)應(yīng)力的作用造成海洋環(huán)流和海溫異常及TCA 不均勻分布。在ENSO 事件形成后， 熱帶太平洋海洋混合層水體在赤道與12°N 之間海盆內(nèi)的慣性振蕩， 造成熱帶太平洋大范圍TCA 規(guī)則變化和海洋環(huán)流及海溫異常。由此可見， 在ENSO 循環(huán)的全過程中， 熱帶太平洋海洋環(huán)流和海 溫異常都與TCA 有重要關(guān)系。

3 ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流

ENSO 事件是源于熱帶太平洋次表層海洋最顯著的年際變化， ENSO 正負(fù)位相的循環(huán)顯然會(huì)影響該海域的大尺度海洋環(huán)流。圖2 為ENSO 的兩個(gè)模態(tài)(a1， a2)及其相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常水平環(huán)流(b1， b2)和異常垂直環(huán)流(c1， c2)空間分布型及時(shí)間系數(shù)(d1)。ENSO 事件兩種模態(tài)TCA 分布(圖2a)同圖1c 和a， 其時(shí)間系數(shù)的譜分析結(jié)果(圖2d2)表明， 第一模和第二模具有56 和44 個(gè)月顯著周期。相關(guān)分析表明， Ni?o3 指數(shù)與后期一個(gè)月第一模有密切相關(guān)， 相關(guān)系數(shù)達(dá)0.89， 與后期9 個(gè)月第二模相關(guān)系數(shù)達(dá)0.67。Zhao 等(2007)認(rèn)為正是上述二個(gè)模態(tài)組合構(gòu)成了ENSO 循環(huán)。當(dāng)溫躍層深度異常為東深西淺(圖2a1)時(shí)為El Ni?o 成熟期， 反之為La Ni?a 成熟期， 當(dāng)溫躍層深度異常為北深南淺(圖2a2)時(shí)為El Ni?o衰退期或La Ni?a 發(fā)展期， 反之為El Ni?o 發(fā)展期或La Ni?a 衰退期。

圖2 ENSO 循環(huán)的熱帶太平洋溫躍層深度變化的兩個(gè)EOF 模態(tài) Fig.2 The two leading EOF modes of ENSO cycle

圖2b 為ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流， 它們均隨ENSO 事件的演變而變化。在El Ni?o 成熟期， 熱帶中東太平洋赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外南、北熱帶海域出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流， 導(dǎo)致該區(qū)北赤道流、南赤道流、棉蘭老流、黑潮(指北赤道流分叉后的北分支)、新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道潛流顯著加強(qiáng)； 沿北赤道逆流流區(qū)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流串， 北赤道逆流南北兩部分異常流場方向相反， 其總體強(qiáng)度接近正常； 中東太平洋北部熱帶海洋出現(xiàn)弱異常反氣旋性， 此處北赤道流有增強(qiáng)趨勢。

在El Ni?o 衰退期或La Ni?a 發(fā)展期， 熱帶中西太平洋赤道潛流最強(qiáng)， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外熱帶海域異常氣旋性環(huán)流明顯減弱， 北部轉(zhuǎn)為弱的反氣旋性環(huán)流， 南部出現(xiàn)小范圍的異常反氣旋性環(huán)流， 這些海域主要流場的強(qiáng)度減弱或接近正常狀態(tài)； 北赤道逆流流區(qū)為異常西向流， 哈馬黑拉渦、棉蘭老渦和北赤道逆流最弱； 中東太平洋北部熱帶海洋為強(qiáng)的異常反氣旋性環(huán)流， 該海域北赤道流最強(qiáng)。La Ni?a 事件時(shí)相反。

表1 列出了ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋主要異常環(huán)流演變特征， 表中減弱或增強(qiáng)表示由強(qiáng)到弱或由弱到強(qiáng)的過渡階段， 此時(shí)環(huán)流強(qiáng)度接近正常狀態(tài)。由表1 可見， 在熱帶太平洋西部邊界海域， 除出現(xiàn)在赤道北側(cè)的哈馬黑拉渦和棉蘭老渦外的主要流系， 如熱帶西太平洋北赤道流及分叉后的黑潮和棉蘭老流， 赤道南側(cè)的南赤道潛流和新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道流， 它們均隨ENSO 事件規(guī)律變化， 在El Ni?o 成熟期達(dá)最強(qiáng)， 發(fā)展期和衰退期為過渡狀態(tài)， 強(qiáng)度接近正常。La Ni?a 事件時(shí)相反。南赤道流受ENSO 事件期間赤道兩側(cè)與赤道潛流同步產(chǎn)生的異常環(huán)流的影響， 熱帶太平洋中東部北赤道流與南赤道流的演變規(guī)律有不同的特征， 北赤道流在 La Ni?a 發(fā)展期最強(qiáng)， El Ni?o 發(fā)展期最弱， 南赤道流在La Ni?a 成熟期最強(qiáng)， El Ni?o 成熟期最弱。北赤道逆流與相聯(lián)的哈馬黑拉渦和棉蘭老渦有相同的演變過程， 在El Ni?o 發(fā)展期最強(qiáng)， 衰退期最弱。赤道潛流的演變在赤道太平洋的不同位置有不同的變化特征， El Ni?o 發(fā)展期赤道中西太平洋最弱， 成熟期赤道中東太平洋最弱， 衰退期在赤道中西太平洋最強(qiáng)。

表1 ENSO 相聯(lián)系的熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流演變特征 Tab.1 ENSO-related anomalies of the ocean circulations in the upper layer-tropical Pacific

由圖3c 可見， 熱帶太平洋上層海洋垂直流場隨ENSO 事件的變化主要出現(xiàn)在10°N—10°S 范圍內(nèi)的熱帶海洋。El Ni?o 成熟期赤道太平洋為強(qiáng)下沉流區(qū)， 赤道中東太平洋尤為顯著， 兩側(cè)為帶狀上升流區(qū)； El Ni?o 衰退期赤道中東太平洋為上升流區(qū)， 赤道太平洋東邊界海域更強(qiáng)， 赤道西太平洋為顯著下沉流區(qū)。La Ni?a 期間相反。

為詳細(xì)了解ENSO 期間熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流實(shí)況， 基于SODA 海洋同化資料， 本文統(tǒng)計(jì)了1958 年以來出現(xiàn)的6 次較強(qiáng)El Ni?o 事件(1965/66， 1965/66， 1972/73， 1982/83， 1991/92， 1997/98 和2002/03)和出現(xiàn)6 次較強(qiáng)La Ni?a 事件(1964/65， 1970/71， 1973/74， 1974/75， 1988/89， 1998/99)峰值前后12 個(gè)月水平異常流場， 合成得到ENSO 事件不同階段熱帶太平洋上層海洋異常流場分布。圖3 為El Ni?o 發(fā)展期(圖3a)、成熟期(圖3b)和衰退期(圖3c)上層海洋異常環(huán)流分布。由圖可見， 在El Ni?o 發(fā)展期最顯著的特征是， 西太平洋南、北赤道外熱帶海域出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流， 該海域主要流場均呈加強(qiáng)趨勢； 赤道中西太平洋為以赤道對(duì)稱的顯著異常反氣旋性環(huán)流， 沿赤 道為異常西向流， 赤道潛流最弱； 北赤道逆流自棉蘭老渦和哈馬黑拉渦交匯處向東為強(qiáng)異常東向流， 北赤道逆流最強(qiáng)。

圖3 上層海洋異常環(huán)流分布 Fig.3 Anomalies of the upper-layer ocean circulation

在El Ni?o 成熟期， 異常流場的特征更加明顯， 在熱帶西北太平洋和西南太平洋為以赤道準(zhǔn)對(duì)稱的強(qiáng)異常氣旋性環(huán)流， 北赤道流、棉蘭老流、黑潮、南赤道潛流和新幾內(nèi)亞沿岸潛流達(dá)最強(qiáng)； 北赤道逆流的流區(qū)為異常氣旋性環(huán)流串， 北赤道逆流處于由強(qiáng)變?nèi)醯倪^渡階段， 強(qiáng)度接近正常； 赤道中東太平洋為異常西向流， 赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)為顯著的異常反氣旋性環(huán)流， 5°—10°S 和5°N 附近為較強(qiáng)異常東向流。

在El Ni?o 衰退期， 熱帶太平洋異常環(huán)流分布形勢與El Ni?o 發(fā)展期相反， 熱帶西北和西南太平洋異常氣旋性環(huán)流減弱， 并開始出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流， 該海域主要流場呈減弱傾向； 赤道中西太平洋為以赤道對(duì)稱的顯著異常氣旋性環(huán)流， 赤道潛流最強(qiáng)； 北赤道逆流流區(qū)為強(qiáng)異常西向流， 北赤道逆流最弱。在El Ni?o 發(fā)展期、成熟期和衰退期中東太平洋北部熱帶海域異常環(huán)流呈現(xiàn)從氣旋性到反氣旋性的轉(zhuǎn)變， 導(dǎo)致北赤道流從弱到強(qiáng)的變化。La Ni?a 期間熱帶太平洋異常環(huán)流分布(圖略)與El Ni?o 期間相反。對(duì)照圖2b(圖2b 反號(hào)即為El Ni?o 發(fā)展期)， 二者在El Ni?o各階段的異常流場分布形勢非常相似。

4 ENSO 期間溫躍層深度變化對(duì)海洋環(huán)流異常影響的可能物理機(jī)制

溫躍層深度異常TCA是大氣和海洋相互作用的結(jié)果。在赤道太平洋偏東信風(fēng)應(yīng)力場的作用下， 暖水在熱帶西太平洋堆積， 熱帶西太平洋溫躍層較深， 熱帶東太平洋溫躍層較淺。在西風(fēng)爆發(fā)或信風(fēng)減弱情況下， 有利于El Ni?o事件的發(fā)生。無論是Schopf等(1988)提出的時(shí)滯振子理論， 還是Zhao等(2007)提出的混合層水體振蕩模型， 都表明ENSO事件實(shí)質(zhì)上表現(xiàn)為熱帶太平洋TCA的大范圍規(guī)律變化。但溫躍層深度變化怎樣影響海洋環(huán)流變化的呢？

圖4 大范圍不均勻溫躍層深度變化指數(shù)(thermocline depth anomaly， TCA)導(dǎo)致熱帶海洋異常環(huán)流的概念模型 Fig.4 A conceptual model of anomalous circulation in the tropical Pacific induced by large scale heterogeneous TCA

圖4 為大范圍不均勻TCA 在北半球熱帶海洋(圖4a， 南半球相反)和在赤道海域(圖4c)呈圓形或橢圓形及北半球熱帶海洋呈緯向平直形(圖4b)分布導(dǎo)致熱帶海洋異常環(huán)流的概念模型， 圖中G為水平壓強(qiáng)梯度力，C為科里奧利力， 深黑色箭矢表示流向。在離赤道熱帶海洋為圓形或橢圓形(圖4a)， 流體運(yùn)動(dòng)服從地轉(zhuǎn)平衡， 當(dāng)TCA＞0 時(shí)， 壓強(qiáng)在溫躍層深度異常的中心最大， 在科里奧利力的作用下， 水體流向壓強(qiáng)梯度方向右側(cè)(北半球)或左側(cè)(南半球)， 均呈反氣旋式異常環(huán)流， 溫躍層深度變化區(qū)內(nèi)有異常下降流， 中心處最大。當(dāng)TCA＜0 時(shí)， 壓強(qiáng)在溫躍層深度中心最小， 無論是在南半球還是北半球， 在壓強(qiáng)梯度力和科里奧利力共同作用下， 水體均呈氣旋式異常環(huán)流， 溫 躍層深度變化區(qū)內(nèi)有異常上升流， 中心處最大。當(dāng)TCA 在離赤道熱帶海洋呈緯向分布(圖4b)時(shí)， 在壓強(qiáng)梯度力和科里奧利力共同作用下， 北向壓強(qiáng)梯度時(shí)產(chǎn)生異常東向流， 南向壓強(qiáng)梯度時(shí)產(chǎn)生異常西向流， 在離赤道南側(cè)海域則流向相反。在赤道海域(圖4c)， 赤道上科里奧利力為零， 基于Gill 理論(Gill， 1980)， 當(dāng)大范圍TCA＞0 跨越赤道出現(xiàn)時(shí)， 由于沿赤道壓強(qiáng)梯度力的作用， 在TCA 中心以西沿赤道為較強(qiáng)的異常西向流并伴有異常上升流， 赤道兩側(cè)為異常反氣旋性環(huán)流， 環(huán)流中心為異常下降流， 在TCA 中心以東赤道兩側(cè)則會(huì)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流(圖略)， 沿赤道為異常東向流和異常下降流； 當(dāng)TCA＜0 時(shí)， 由于沿赤道壓強(qiáng)梯度力的作用， 在TCA 中心以西沿赤道為較強(qiáng)的異常東向流并伴有異常下降流， 赤道兩側(cè)流場為異常氣旋性環(huán)流， 環(huán)流中心為異常上升流， TCA中心以東出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流(圖略)沿赤道為異常西向流和異常上升流。

由此不難解釋ENSO 期間熱帶太平洋上層海洋異常水平環(huán)流的規(guī)律變化。對(duì)照圖2a—b 和圖4 可以清楚看到， TCA 正值區(qū)往往伴隨異常反氣旋性環(huán)流， 而TCA 負(fù)值區(qū)則伴有異常氣旋性環(huán)流。ENSO 期間西太平洋低緯度邊界流呈顯著規(guī)律性變化， 在 El Ni?o 成熟期(圖2a1， b1)， 熱帶西太平洋溫躍層顯著變淺， 離赤道南、北兩側(cè)為兩個(gè)TCA 負(fù)值中心， 據(jù)圖4a， 在科里奧利力作用下， 離赤道南、北兩側(cè)的熱帶海域?yàn)閮蓚€(gè)異常氣旋性環(huán)流， 它們共同造成西太平洋北赤道流、棉蘭老流、黑潮、南赤道流、新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道潛流等主要邊界流的變化； 在熱帶太平洋東北海域有TCA 次大值中心， 該處為較弱的異常反氣旋性環(huán)流； 在El Ni?o 衰退期(圖2a2， b2)， 沿12°N 附近海域及熱帶西南太平洋為大范圍較弱的正TCA， 據(jù)圖4a， 這些海域?yàn)檩^弱異常反氣旋性環(huán)流。北赤道逆流隨ENSO 演變過程中TCA 的不同分布有顯著變化， 在El Ni?o 成熟期(圖2a1， b1)TCA 極大負(fù)值中心沿北赤道逆流軸線位置呈緯向分布， 表現(xiàn)為異常氣旋性環(huán)流串(圖4a)， 平均北赤道逆流流速變化較小， 處于正常狀態(tài)。

在El Ni?o 發(fā)展期， 赤道與12°N 之間TCA 呈南高北低分布， 二者之間存在北向壓強(qiáng)梯度， 據(jù)圖4b， 地轉(zhuǎn)平衡后產(chǎn)生東向異常流， 北赤道逆流顯著加強(qiáng)； El Ni?o 衰退期相反， 赤道與離赤道的北熱帶太平洋之間為南向壓強(qiáng)梯度， 地轉(zhuǎn)平衡后出現(xiàn)西向異常流， 北赤道逆流顯著減弱。赤道潛流及鄰近的異常環(huán)流是TCA 在赤道海洋緯向不均勻分布和Gill 效應(yīng)共同作用結(jié)果， 在El Ni?o 成熟期(圖2a1， b1)， 日界線以東的熱帶東太平洋溫躍層顯著加深， 正TCA 最大中心位于120°W 附近的赤道海域， 赤道上科里奧利力為零， 基于Gill 效應(yīng)， 據(jù)圖4c， TCA 中心以西的赤道中東太平洋海域， 沿赤道為異常西向流， 赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)為異常反氣旋性環(huán)流； 在El Ni?o 衰退期(圖2a2， b2)， 負(fù)TCA 中心以西的赤道中西太平洋為異常東向流， 赤道潛流最強(qiáng)， 赤道兩側(cè)為異常氣旋性環(huán)流； 可能由于熱帶東太平洋異常TCA 分布范圍較小且強(qiáng)度較弱， Gill 效應(yīng)和流場變化不很明顯。La Ni?a 期間相反。由此我們獲得與表1 和圖2 所示的ENSO 循環(huán)期間熱帶太平洋上層海洋異常環(huán)流和已有的多數(shù)研究基本一致的結(jié)果。

5 討論

海洋環(huán)流是指風(fēng)引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生的密度流、大洋環(huán)流中流旋等。有關(guān)產(chǎn)生海洋環(huán)流異常的原因， 人們多歸因于海面風(fēng)應(yīng)力異常， 它改變海洋內(nèi)部水平壓強(qiáng)梯度導(dǎo)致海洋環(huán)流異常。誠然， 海面風(fēng)應(yīng)力異常在海洋環(huán)流變化有重要作用， 但在年際尺度上， ENSO 循環(huán)是一種赤道Kelvin 波動(dòng)或海洋混合層水體振蕩， 一旦振蕩形成后溫躍層深度隨即發(fā)生大范圍規(guī)律變化， 同樣改變海洋內(nèi)部水平壓強(qiáng)梯度和海洋環(huán)流。ENSO 期間熱帶太平洋出現(xiàn)的某些異常海洋環(huán)流很難直接用海面風(fēng)應(yīng)力異常來解釋， 如赤道潛流及兩側(cè)的異常環(huán)流， 它是TCA 分布不均勻造成沿赤道壓強(qiáng)梯度力所致。又如北赤道逆流的異常， 據(jù)本文結(jié)果表明， 在 El Ni?o 發(fā)展期， 赤道與12°N 之間為南高北低TCA 分布， 存在北向壓強(qiáng)梯度， 地轉(zhuǎn)平衡后產(chǎn)生東向異常流， 加強(qiáng)了北赤道逆流， 在El Ni?o 衰退期相反， 顯然北赤道逆流異常也與熱帶太平洋溫躍層變化密切相關(guān)。本文的結(jié)果基于熱帶太平洋溫躍層振蕩的新視角， 認(rèn)為這種在西太平洋赤道外南、北熱帶海域出現(xiàn)的準(zhǔn)對(duì)稱海洋異常環(huán)流是受到ENSO 期間西太平洋暖池區(qū)大范圍顯著溫躍層抬升或下降的影響。相反， 此時(shí)上述海域海面風(fēng)應(yīng)力場異常則可能是熱帶海洋大氣對(duì)ENSO 導(dǎo)致的熱帶太平洋異常熱力場變化的同步響應(yīng)。

由此可見， 海洋環(huán)流異常確是海洋內(nèi)部壓強(qiáng)梯度變化的結(jié)果， 但造成海洋內(nèi)部壓強(qiáng)梯度變化的原因有二， 一是海面風(fēng)應(yīng)力場異常引起的海流和密度分布不均勻所產(chǎn)生， 二是ENSO 事件造成的熱帶太平洋大范圍顯著溫躍層深度變化所致。本文從ENSO 事件導(dǎo)致的溫躍層深度異常來探索引起海洋環(huán)流變化的新機(jī)制， 用海洋內(nèi)部動(dòng)力過程來解釋海洋環(huán)流異?，F(xiàn)象。然而， ENSO 期間熱帶太平洋溫躍層的振蕩， 與海面風(fēng)應(yīng)力變化相互作用、息息相關(guān)。因此， 很難對(duì)風(fēng)應(yīng)力和溫躍層對(duì)環(huán)流異常的驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行嚴(yán)格的劃分， 溫躍層振蕩機(jī)制是對(duì)以往研究的補(bǔ)充。本文旨在提出溫躍層機(jī)制的定性概念理論， 而對(duì)ENSO 期間形成的氣旋/反氣旋環(huán)流對(duì)各海洋環(huán)流的超前滯后關(guān)系等問題并沒有展開定量的計(jì)算和分析， 這些精確的定量計(jì)算將在接下來的工作中展開， 期待進(jìn)一步研究將加深對(duì)熱帶太平洋海洋環(huán)流異常特征及其形成機(jī)制的了解。這里值得關(guān)注的是赤道海域流場的變化， ENSO 事件過程中赤道潛流及兩側(cè)對(duì)稱性異常氣旋性或反氣旋性渦旋的出現(xiàn)， 大大增加了赤道海洋流場變化的復(fù)雜性。這種與ENSO 同步出現(xiàn)的異常渦旋將對(duì)南赤道流及北赤道逆流及該海區(qū)的垂直環(huán)流有重要作用， 同時(shí)也為赤道海水與赤道外熱帶海洋及垂直方向上熱量和物質(zhì)傳輸提供途徑。

6 結(jié)論

本文基于SODA 海洋同化資料， 對(duì)ENSO 循環(huán)中的熱帶太平洋上層海洋環(huán)流的演變規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的分析， 并探討了形成海洋環(huán)流異常的新機(jī)制。結(jié)果表明：

(1) ENSO 循環(huán)過程中熱帶太平洋溫躍層深度異常TCA 呈大范圍規(guī)則變化， 表現(xiàn)為冬季的以160°W為縱軸的東西向偶極子分布和夏季的以6°—8°N 為橫軸的南北向蹺蹺板分布兩種主要分布型。熱帶太平洋TCA 呈西淺東深時(shí)為El Ni?o 成熟期， 反之出現(xiàn)La Ni?a 成熟期； TCA 沿赤道海域加深、沿12°N 北太平洋變淺時(shí)為El Ni?o 發(fā)展或La Ni?a 衰退階段， 反之為La Ni?a 發(fā)展或El Ni?o 衰退階段。

(2) ENSO 事件導(dǎo)致的熱帶太平洋TCA 的規(guī)律分布引發(fā)了上層海洋異常環(huán)流。在El Ni?o 成熟期， 熱帶中東太平洋赤道潛流最弱， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外南、北熱帶海域出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流， 該區(qū)北赤道流、南赤道流、棉蘭老流、黑潮、新幾內(nèi)亞沿岸潛流及南赤道潛流達(dá)最強(qiáng)； 沿北赤道逆流流區(qū)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流串， 北赤道逆流接近正常。在El Ni?o 衰退期， 熱帶中西太平洋赤道潛流最強(qiáng)， 赤道兩側(cè)出現(xiàn)異常氣旋性環(huán)流； 熱帶西太平洋赤道外熱帶海域異常環(huán)流減弱， 該處主要流場強(qiáng)度減弱或處于正常狀態(tài)； 北赤道逆流流區(qū)為異常西向流， 北赤道逆流反向。La Ni?a 事件期間相反， 由此造成ENSO 循環(huán)期間熱帶太平洋上層海洋環(huán)流的周期性變化。

(3) ENSO 循環(huán)中熱帶太平洋TCA 大范圍規(guī)律演變， 導(dǎo)致水體內(nèi)部壓強(qiáng)梯度水平不均勻分布， 造成海洋環(huán)流場變化。在離赤道海域， 當(dāng)TCA 呈圓形或橢圓形分布時(shí)， TCA 為正時(shí)， 壓強(qiáng)在溫躍層深度中心最大， 由于科里奧利力的作用， 水體流向壓強(qiáng)梯度方向右側(cè)(北半球)或左側(cè)(南半球)， 均呈反氣旋式異常環(huán)流， 溫躍層深度變化區(qū)內(nèi)有異常下降流， 中心處最大； TCA 為負(fù)時(shí)相反。當(dāng)TCA 呈緯向分布時(shí)， 赤道北側(cè)熱帶海域TCA 為北向壓強(qiáng)梯度力時(shí)， 科里奧利力作用產(chǎn)生東向異常流， 北赤道逆流加強(qiáng)， TCA 為南向壓強(qiáng)梯度力時(shí)反之。在赤道海域科里奧利力為零， 基于Gill 理論(Gill， 1980)， 在沿赤道壓強(qiáng)梯度力作用下， TCA 為正時(shí)， TCA 中心以西赤道上為強(qiáng)西向異常流并伴有異常上升流， TCA 中心以東赤道海洋出現(xiàn)相反異常環(huán)流。