董祥暉,吳克儉*,李 瑞,夏浩峰,曹同鋼

(1.中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100;2.海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266199;3.中國海洋大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266100)

厄爾尼諾事件一直是海洋研究的熱點(diǎn)課題,一般將Ni?o 3區(qū)(150°～90°W,5°S～5°N)海溫距平指數(shù)連續(xù)6個(gè)月達(dá)到0.5 ℃以上定義為一次厄爾尼諾事件,即指赤道中、東太平洋海表大范圍持續(xù)異常增暖的現(xiàn)象。有研究表明,高緯度地區(qū)海洋與大氣的異常信號(hào)可以通過經(jīng)向過程影響熱帶海洋[1]。

波浪是上層海洋中非常重要的動(dòng)力過程,也是影響海表面溫度的重要?jiǎng)恿σ蛩刂?。由于波浪的持續(xù)性,即使只考慮很小的黏性作用,小尺度的波浪現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生大尺度效應(yīng),包括波浪對(duì)Ekman層、大洋環(huán)流和大洋熱含量的影響[2-11]。因此,研究高緯度地區(qū)的波浪是否存在著對(duì)厄爾尼諾事件的大尺度效應(yīng)是一個(gè)有意義的課題。

南大洋因其特殊的地理位置和氣候條件而存在著全球最大的波浪誘導(dǎo)的質(zhì)量輸運(yùn),前人也已經(jīng)在南大洋的海表面溫度、海浪波高等要素中發(fā)現(xiàn)了周期為4 a左右的繞極波信號(hào)[12-14],此低頻信號(hào)的周期與厄爾尼諾事件的平均周期十分接近,所以南大洋的波浪很可能與赤道東太平洋的海溫異常之間存在重要的因果關(guān)系。Chen等[15]發(fā)現(xiàn)了大洋東邊界“涌浪池”的存在,Deng等[16]進(jìn)一步證明南大洋風(fēng)浪遇陸地阻礙而形成的涌浪匯聚成了大洋東邊界的“涌浪池”,可見“涌浪池”是連接赤道太平洋和南大洋的重要通道。涌浪在大洋中的傳播本身又具有速度更快、距離更遠(yuǎn)、影響范圍更大的特點(diǎn)。因此,南大洋的波浪能夠通過“涌浪池”對(duì)厄爾尼諾事件產(chǎn)生大尺度效應(yīng)是一個(gè)自然而又合理的觀點(diǎn)。

畢凡[17]將波浪在運(yùn)動(dòng)時(shí)受地球自轉(zhuǎn)影響產(chǎn)生的科氏-Stokes力(Coriolis-Stokes Force,CSF)加入到波動(dòng)方程中,結(jié)果表明由此產(chǎn)生的波浪輸運(yùn)是上層水體總輸運(yùn)的重要部分。肖林等[18]從體積輸運(yùn)的角度研究得出:Stokes漂流對(duì)全球海表面溫度具有降溫的作用,且緯度越高作用越明顯;同時(shí),他們認(rèn)為Stokes漂流通過其產(chǎn)生的體積輸運(yùn)導(dǎo)致上混合層的海水結(jié)構(gòu)改變,使下層的海水上翻,從而對(duì)SST 產(chǎn)生影響。吳克儉等[12]則分別從理論分析和定性計(jì)算的角度研究了波浪對(duì)海表面溫度的影響,結(jié)果表明海表面波浪的存在對(duì)于上層海洋具有不可忽視的影響,水體輸運(yùn)的變化是影響赤道太平洋SST 異常的原因之一。在海洋數(shù)值模式方面的研究表明,POM(Princeton Ocean Model)中的Mellor-Yamada(MY)參數(shù)化方案(未考慮波浪對(duì)上層海洋的作用)存在海洋上混合層模擬深度過淺以及海表面溫度模擬過高的問題[19-20]。將波浪作用加入到MY 參數(shù)化方案中,模式明顯改善了對(duì)上層海洋的模擬能力[21-24]。Shi等[13]已經(jīng)研究了波浪輸運(yùn)與拉尼娜事件之間的關(guān)系,認(rèn)為波浪輸運(yùn)異常是拉尼娜事件發(fā)生前的信號(hào)。但目前國際上對(duì)于波浪水平運(yùn)動(dòng)對(duì)SST 的影響研究尚不完善,更是缺乏其對(duì)厄爾尼諾事件影響的研究。以上工作表明浪致輸運(yùn)和Stokes漂流是波浪影響海表面溫度的重要原因,而Stokes漂流本身就是波浪輸運(yùn)的重要源項(xiàng),因此研究Stokes漂流的影響是十分有必要的。

綜上所述,南大洋波浪經(jīng)南太平洋“涌浪池”誘導(dǎo)產(chǎn)生的Stokes漂流勢(shì)必是影響低緯海表面溫度的重要因素。本文首先總結(jié)全球涌浪的分布特征,然后重點(diǎn)研究南太平洋的涌浪特征以及南太平洋涌浪區(qū)Stokes漂流與赤道東太平洋SST 異常和厄爾尼諾事件之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)與方法

在本文分析過程中,所用的波浪特征參量(包括有效波高、周期等)、表面Stokes漂流(以下簡稱為Stokes漂流)、海溫等數(shù)據(jù)[25]均來自于歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF),時(shí)間跨度為1970—2009年,時(shí)間分辨率為月,空間分辨率為0.75°×0.75°。該時(shí)空分辨率能夠滿足本文對(duì)波浪大尺度效應(yīng)的研究要求,也與有關(guān)厄爾尼諾事件的研究數(shù)據(jù)的分辨率相適應(yīng)。ECMWF發(fā)布的數(shù)據(jù)利用海洋模式、衛(wèi)星資料等通過同化-再分析的方法獲得。該中心目前提供的數(shù)據(jù)集包括:ERA5、ERA-Interim、ERA-20C、ERA-20CM、CERA-20C 等。本文選擇的CERA-20C 數(shù)據(jù)集是ERA-20CM 和ERA-20C數(shù)據(jù)集的最新同化版本,同化了大量的衛(wèi)星、測(cè)站和模式資料,修正了之前版本的誤差。另外,文中使用的Ni?o3指數(shù)數(shù)據(jù)[26]來自中國氣象局下屬的國家氣候中心,多元ENSO 指數(shù)(Multivariate ENSO Index,MEI)數(shù)據(jù)[27]來自美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)。前者是研究厄爾尼諾事件時(shí)最直接和最常使用的指數(shù)數(shù)據(jù);后者則是統(tǒng)籌考慮了海平面氣壓(Sea Level Pressure,SLP)、海表面溫度(Sea Surface Temperature,SST)、緯向風(fēng)分量、經(jīng)向風(fēng)分量和向外長波輻射(Outgoing Longwave Radiation,OLR)等海-氣變量,能夠更全面反映厄爾尼諾事件狀態(tài)的指數(shù)數(shù)據(jù),也是為數(shù)不多能夠體現(xiàn)厄爾尼諾事件季節(jié)內(nèi)變化的數(shù)據(jù)[28-29]。本文采取的資料分析方法主要包括EOF分析、相關(guān)分析和超前滯后分析。

本文的相關(guān)計(jì)算中,采用的是鄭崇偉等[30]改進(jìn)的鄧增安等[31]、Chen等[15]對(duì)涌浪指標(biāo)(swell index)的算法,從能量的角度計(jì)算涌浪指標(biāo)(SI),公式如下:

式中:E為能量,E∝H2T,其中ES為涌浪能,ET為混合浪能(即總的波浪能);H為波高,其中HS為涌浪波高,HT為混合浪波高;T為波周期,其中TS為涌浪波周期,TT為混合浪波周期。

波浪誘導(dǎo)的Stokes漂流的公式為:

2 全球涌浪分布特征

涌浪指標(biāo)式(1)本身反映的是涌浪與混合浪能量之間的比值關(guān)系,涌浪指標(biāo)越高,說明此區(qū)域波浪的能量組成中涌浪越占優(yōu),反之為風(fēng)浪占優(yōu)。圖1是根據(jù)式(1)得到的40 a平均全球涌浪指標(biāo)分布圖,當(dāng)涌浪指標(biāo)大于0.9時(shí),可以認(rèn)為該區(qū)域涌浪占優(yōu)。波浪的能量與波高平方、平均周期成正比。南大洋特殊的地理位置和氣候條件決定了南大洋擁有巨大的波浪能量,但涌浪能量在其中并不占優(yōu)。從圖1中可以看出,由于北半球冬季以風(fēng)浪為主,導(dǎo)致冬季涌浪指標(biāo)大于0.9的區(qū)域主要集中在南半球的熱帶海域;涌浪指標(biāo)高值區(qū)從春季開始逐漸向北擴(kuò)散到北半球熱帶區(qū)域,并在秋季迅速回撤。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),除了在赤道附近涌浪指標(biāo)明顯偏大外,南半球的大洋東邊界也始終存在著涌浪指標(biāo)的高值區(qū)。究其原因,是南大洋及其鄰近海域東傳的風(fēng)浪受到大陸的阻擋,轉(zhuǎn)而向北形成涌浪匯聚成了“涌浪池”,反映出波浪在傳播過程中受地形影響較大的特點(diǎn)[16]。結(jié)合圖2可知,在南大洋,盡管是風(fēng)浪占優(yōu),但涌浪波高和平均周期均較大。

圖1 40 a平均的全球涌浪指標(biāo)分布Fig.1 Distribution of global swell index averaged over 40 years

圖2 40 a平均的全球涌浪波高和平均周期分布Fig.2 Distribution of global swell height and period distribution averaged over 40 years

總體上,全球的涌浪指標(biāo)分布表現(xiàn)為明顯的經(jīng)向變化:從赤道向兩極涌浪指標(biāo)逐漸減小,低緯度附近涌浪指標(biāo)基本保持在0.9 以上,涌浪全年占優(yōu),中高緯度風(fēng)浪所占比例逐漸增大,并最終發(fā)展為風(fēng)浪占優(yōu)。Carrasco等[32]計(jì)算得到了涌浪誘導(dǎo)Stokes漂流與總波浪誘導(dǎo)Stokes漂流的比值,結(jié)果顯示低緯度Stokes漂流以涌浪誘導(dǎo)為主,中高緯Stokes漂流則是風(fēng)浪誘導(dǎo)的Stokes漂流占優(yōu)。此結(jié)果與本文所得到的涌浪指標(biāo)空間分布具有高度的相似性,證明了此涌浪指標(biāo)的可用性。

圖2給出了40 a平均的全球涌浪波高值,西風(fēng)帶涌浪波高數(shù)值相對(duì)較大。無陸地阻攔的南大洋在西風(fēng)帶高風(fēng)速的驅(qū)動(dòng)下更有利于風(fēng)浪的成長,當(dāng)這些風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)后,最終發(fā)展為充分成長的涌浪,南大洋區(qū)域的涌浪波高多年平均值普遍大于2 m。并且,涌浪波高也呈現(xiàn)出了明顯的經(jīng)向梯度,從赤道向兩極,波高逐漸增大。圖2同時(shí)給出了40 a平均的全球涌浪平均周期值,其較大值依然出現(xiàn)在南大洋,北半球的涌浪平均周期普遍小于10 s,而南大洋的涌浪平均周期普遍大于10 s。總而言之,南大洋擁有巨大的涌浪能量。與涌浪波高的經(jīng)向分布特征不同的是,南半球的涌浪平均周期總體上要大于北半球,大洋東邊界的涌浪平均周期要高于大洋西邊界。由于波浪的東傳和大陸的阻擋,在南半球的大洋東邊界出現(xiàn)了涌浪平均周期強(qiáng)化的現(xiàn)象,即局地的涌浪平均周期較同緯度偏大,這與吳克儉等[12]發(fā)現(xiàn)的涌浪周期東向強(qiáng)化現(xiàn)象一致。因此,涌浪平均周期的東向強(qiáng)化現(xiàn)象也就印證了波浪自南大洋經(jīng)南太平洋“涌浪池”向北傳播直至低緯海域的事實(shí)。

3 南太平洋“涌浪池”的通道作用分析

東太平洋中低緯度海域的Stokes漂流分布如圖3所示,分別從緯向和經(jīng)向兩方面來研究東太平洋的Stokes漂流。緯向Stokes漂流會(huì)產(chǎn)生東西方向的波浪輸運(yùn),經(jīng)向Stokes漂流則會(huì)產(chǎn)生南北方向的波浪輸運(yùn)。總體來看,東太平洋中低緯度海域的緯向Stokes漂流是向西的,在南北緯15°附近達(dá)到較大值。經(jīng)向Stokes漂流在大洋東邊界表現(xiàn)為向赤道,即中高緯度的冷水會(huì)向赤道輸運(yùn)。需要注意的是,南半球東太平洋中緯度海域的向赤道Stokes漂流明顯強(qiáng)于北半球,且其在太平洋東邊界的影響范圍呈倒三角形從40°S一直延伸到赤道以北,最遠(yuǎn)處到達(dá)了5°N。

在涌浪特征高值海域選取30°S截面,經(jīng)度范圍150°E～60°W,繪制40 a間經(jīng)向Stokes漂流的年際變化圖。圖4結(jié)果顯示波浪的北向Stokes漂流在東西方向上存在一定的差異性:即90°W 以東表現(xiàn)為北向,且Stokes漂流值較大;140°W～90°W 總體表現(xiàn)為南向“逆流”,其空間范圍有小振幅的波動(dòng)但量值始終較小;150°E～140°W 整體上表現(xiàn)為北向Stokes漂流,有的年份偶爾會(huì)出現(xiàn)較弱的南向運(yùn)動(dòng)。這與40 a平均值顯示的結(jié)果高度一致,也基本反映了南太平洋“涌浪池”的特征:大洋東邊界和西邊界的Stokes漂流總體都呈現(xiàn)北向輸運(yùn),尤其是大洋東邊界保持常年的北向強(qiáng)輸運(yùn),輸運(yùn)的水體則主要是來自于南大洋。另外,圖3中大洋東邊界經(jīng)向Stokes漂流的分布特征與40 a平均的海表面溫度分布特征是極其相似的,這進(jìn)一步表明了它們之間可能存在重要相關(guān)關(guān)系:南太平洋東邊界的北向強(qiáng)Stokes漂流會(huì)對(duì)赤道區(qū)域的海表面溫度產(chǎn)生影響,輸運(yùn)的冷水增多則赤道的SST 會(huì)降低,輸運(yùn)的冷水減少則赤道區(qū)域的SST 會(huì)升高。

南大洋是環(huán)繞南極大陸、北邊無陸界的獨(dú)特水域,南半球北向的涌浪和Stokes漂流均發(fā)源于此[32]。結(jié)合圖3、圖4,綜合考量全球的涌浪分布特征,再一次證實(shí)了空間范圍為(150°E～60°W,40°S～10°N)的南太平洋海域是連接赤道太平洋和南大洋的重要通道。判斷厄爾尼諾現(xiàn)象的Ni?o1+2、Ni?o3、Ni?o4和Ni?o3.4指數(shù)分別定義為Ni?o1+2區(qū)(90°～80°W,10°S～0°)、Ni?o3區(qū)(150°～90°W,5°S～5°N)、Ni?o4區(qū)(160°E～150°W,5°S～5°N)和Ni?o3.4區(qū)(170°～120°W,5°S～5°N)的區(qū)域平均海溫距平,這些區(qū)域均位于選取的南太平洋涌浪區(qū),所以加深對(duì)南太平洋涌浪區(qū)的研究,對(duì)于進(jìn)一步了解厄爾尼諾現(xiàn)象具有重要意義。

圖3 東太平洋中低緯度海域40 a平均的Stokes漂流分布Fig.3 Distribution of Stokes drift in the middle and low latitudes of the eastern Pacific Ocean averaged over 40 years

圖4 30°S截面的經(jīng)向Stokes漂流年際變化Fig.4 Interannual variation of meridional Stokes drift at the cross section of 30°S

4 南太平洋涌浪區(qū)Stokes漂流對(duì)厄爾尼諾的影響

Tamura等[33]提出Stokes漂流通過將動(dòng)量輸入到Eulerian平均流中從而對(duì)上層海洋的動(dòng)量平衡產(chǎn)生重要作用,并且Stokes漂流通過Langmuir湍流的誘導(dǎo)影響到海洋上混合層[34]。上層海洋溫度變化方程[35]為:

式中:T為溫度;t為時(shí)間變量;Q為垂向熱通量,Q0為海表面的垂向熱通量,Q h為h深度處的垂向熱通量;ρ為海水密度,cp為海水的比熱容,ρcp為單位體積海水的熱容量;h為水深;T h為h深度處的溫度;垂向平均的海洋平均溫度和水平速度分別為分別表示溫度和水平速度相對(duì)于平均量的偏差;we為穿越等深面的垂向速度。方程左邊一項(xiàng)表示垂向平均的海水平均溫度隨時(shí)間的變化率;方程右側(cè)第一項(xiàng)為上層海洋凈熱通量對(duì)于溫度的影響;右側(cè)第二項(xiàng)為溫度的平流輸運(yùn)作用的影響,右邊第三項(xiàng)為垂直卷挾作用的影響。但上述方程忽略了波浪輸運(yùn)項(xiàng),吳克儉等[12]在溫度平流變化項(xiàng)中加入了Stokes漂流的影響,修正形式的上層海洋溫度變化方程為:

由圖3可見,南太平洋經(jīng)向和緯向的波浪輸運(yùn)都會(huì)對(duì)Ni?o3區(qū)域的海表面溫度產(chǎn)生影響。尤其是在經(jīng)向輸運(yùn)方向上,可以很明顯地觀察到Ni?o3區(qū)域受南半球的北向波浪輸運(yùn)影響較大,因?yàn)槟习肭蜉斶\(yùn)而來的冷水到達(dá)此區(qū)域會(huì)降低此區(qū)域的SST,若輸運(yùn)的冷水相對(duì)往年較少,則會(huì)造成此區(qū)域的SST 升高;若輸運(yùn)的冷水增多,則會(huì)造成此區(qū)域SST 降低。

對(duì)涌浪區(qū)40 a的涌浪波高月距平進(jìn)行EOF分析,結(jié)果顯示:前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為53.8%和22.9%,其總方差貢獻(xiàn)率超過75%,之后各模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率均小于10%,因此前2個(gè)模態(tài)可以表征涌浪波高月距平的空間分布結(jié)構(gòu)(圖5)。第一模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)是承接南大洋的同心圓狀單一相位結(jié)構(gòu),在涌浪通道區(qū)的南端出現(xiàn)極大值,并逐漸擴(kuò)散蔓延至赤道區(qū)域,充分體現(xiàn)了該區(qū)域的“通道”性質(zhì);在時(shí)間序列中出現(xiàn)的兩次最大的異常值對(duì)應(yīng)的年份分別為1983年和1997年,而這兩年正是強(qiáng)厄爾尼諾年份,這說明涌浪波高的異常與厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生存在著重要的聯(lián)系,二者同相位變化。在其他異常振蕩較大的年份,如:1977年、1987年、1994年和2001年,全球氣候同樣出現(xiàn)了明顯的異常偏暖或偏冷現(xiàn)象[36-39]。第二模態(tài)則呈現(xiàn)出明顯的東西向反相位振蕩,在一定程度上與厄爾尼諾現(xiàn)象的東西反相位變化表現(xiàn)相似。

圖5 南太平洋涌浪區(qū)40 a涌浪波高月距平的EOF分析結(jié)果Fig.5 Monthly anomaly of swell height based on EOF analysis in the South Pacific swell region over 40 years

為進(jìn)一步了解涌浪區(qū)經(jīng)向Stokes漂流時(shí)空分布特征,圖6給出了對(duì)其進(jìn)行EOF 分解得到的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間序列。第一模態(tài)和第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為63.2%和19.1%。在第一模態(tài)的空間結(jié)構(gòu)中,涌浪通道區(qū)的中北部表現(xiàn)為同相位特征,由于地形等原因的影響在南美洲南端出現(xiàn)了極大的反相位異常區(qū);時(shí)間序列中振蕩明顯較大的年份發(fā)生在1982—1983年和1997—1998年,對(duì)應(yīng)著強(qiáng)厄爾尼諾的爆發(fā),說明兩者確實(shí)有不可忽視的重要關(guān)系。第二模態(tài)的空間分布結(jié)構(gòu)中,除赤道以北的正異常外,其他區(qū)域呈現(xiàn)出東西向的反相位變化特征,對(duì)應(yīng)著大洋東西兩岸的差異。但必須要注意的是,經(jīng)向Stokes漂流表征的涌浪通道區(qū)與厄爾尼諾事件的關(guān)系是負(fù)相關(guān)的,即經(jīng)向Stokes漂流與厄爾尼諾事件是存在一定的超前或滯后關(guān)系的,并非嚴(yán)格同步發(fā)生,且經(jīng)向Stokes漂流更有可能是造成厄爾尼諾事件衰退的重要原因。

圖6 南太平洋涌浪區(qū)40 a經(jīng)向Stokes漂流的EOF分析結(jié)果Fig.6 Meridional Stokes drift based on EOF analysis in the South Pacific swell region over 40 years

基于以上假設(shè),在涌浪區(qū)內(nèi)每隔3個(gè)緯度取一截面,計(jì)算通過該緯度的經(jīng)向Stokes漂流與Ni?o3指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,結(jié)果如圖7所示,相關(guān)系數(shù)最大為0.84。除緊挨著Ni?o3區(qū)的6°S截面外,其余截面處經(jīng)向Stokes漂流與Ni?o3的正相關(guān)系數(shù)基本隨緯度增加越來越低,且極值點(diǎn)的出現(xiàn)時(shí)間隨緯度增加逐漸滯后。這基本能夠說明在厄爾尼諾事件發(fā)生后,南太平洋涌浪區(qū)的經(jīng)向Stokes漂流由近到遠(yuǎn)產(chǎn)生響應(yīng),北向Stokes漂流逐漸增強(qiáng),將來自中高緯度的冷水輸運(yùn)到低緯海域,使赤道東太平洋的海水降溫,影響了厄爾尼諾事件的衰退。

選取經(jīng)向Stokes漂流與Ni?o3指數(shù)相關(guān)系數(shù)最高的12°S截面來研究兩者間更為具體的時(shí)間關(guān)系,圖8結(jié)果顯示經(jīng)向Stokes漂流每一次的較大異常值均能與強(qiáng)厄爾尼諾事件實(shí)現(xiàn)較好的對(duì)應(yīng),比較顯著的是1982—1983年和1997—1998年,且距平異常值基本都超過了0.005 m/s。結(jié)合圖7可知,平均滯后時(shí)間大概為1～2個(gè)月;而在經(jīng)向Stokes漂流出現(xiàn)明顯的負(fù)異常振蕩時(shí)(異常值小于-0.005 m/s),如1989年、2001年,也都發(fā)生了強(qiáng)烈的拉尼娜現(xiàn)象。在其他年份,經(jīng)向Stokes漂流并沒有表現(xiàn)出較大的異常值。

圖7 南太平洋涌浪區(qū)內(nèi)各緯向截面的經(jīng)向Stokes漂流與Ni?o3指數(shù)超前滯后相關(guān)關(guān)系Fig.7 The advance and lag correlation between the meridional Stokes drift and Ni?o3 index along each zonal section in the South Pacific swell region

圖8 12°S截面經(jīng)向Stokes漂流與Ni?o3指數(shù)的時(shí)間序列對(duì)比Fig.8 Time series of 12°S cross-section meridional Stokes drift and Ni?o3 index

相比于Ni?o3指數(shù),MEI更能夠體現(xiàn)出厄爾尼諾事件在季節(jié)甚至是月份上的演變特征[28-29],以1982—1983年和1997—1998年兩次強(qiáng)厄爾尼諾事件為例,經(jīng)向Stokes漂流與MEI的時(shí)間序列關(guān)系如圖9所示。兩者在直觀上就已展現(xiàn)出了高度的相似性,而計(jì)算結(jié)果顯示經(jīng)向Stokes漂流在滯后1982—1983年厄爾尼諾事件的MEI 3個(gè)月時(shí)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值0.91,在滯后1997—1998年厄爾尼諾事件的MEI 4個(gè)月時(shí)相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值0.88。這都為證明經(jīng)向Stokes漂流在厄爾尼諾事件衰退過程起到重要作用提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。當(dāng)厄爾尼諾事件發(fā)生后,南太平洋涌浪區(qū)的經(jīng)向Stokes漂流產(chǎn)生響應(yīng),北向運(yùn)動(dòng)發(fā)生強(qiáng)化,中高緯度的冷水被輸運(yùn)到低緯海域使海水降溫,厄爾尼諾事件逐漸消退。盡管經(jīng)向Stokes漂流對(duì)MEI的響應(yīng)比較及時(shí)且響應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)比較劇烈,但其響應(yīng)幅度并沒有MEI本身的變化幅度大。

圖9 12°S截面經(jīng)向Stokes漂流與MEI的雙月平均時(shí)間序列對(duì)比Fig.9 Time series of bi-monthly mean of the 12°S cross-section meridional Stokes drift and the MEI

5 結(jié)論

本文基于一種涌浪指標(biāo)和波高、平均周期等涌浪特征值分析了全球的涌浪分布特征,并結(jié)合前人結(jié)論,進(jìn)一步深入研究了南太平洋涌浪區(qū)Stokes漂流對(duì)赤道東太平洋SST 和厄爾尼諾事件的影響,結(jié)果顯示:

1)全球涌浪指標(biāo)存在較為明顯的季節(jié)變化,在赤道區(qū)域涌浪一直占優(yōu),從赤道向兩極遞減,在南半球的大洋東邊界存在著涌浪指標(biāo)高值區(qū)——“涌浪池”。

2)南大洋的波浪能夠經(jīng)南太平洋的“涌浪池”,通過Stokes漂流向北傳播至低緯海域。當(dāng)選取涌浪指標(biāo)較高的南太平洋涌浪區(qū)(150°E～60°W,40°S～10°N)作為主要研究區(qū)域時(shí),在涌浪波高距平中找到了與厄爾尼諾事件相對(duì)應(yīng)的信號(hào),并發(fā)現(xiàn)經(jīng)向Stokes漂流是聯(lián)系波浪與厄爾尼諾事件之間的重要“介質(zhì)”。

3)Ni?o3區(qū)域會(huì)受到南太平洋涌浪區(qū)經(jīng)向Stokes漂流的影響,南半球的冷水會(huì)通過此途徑影響涌浪區(qū)的海表面溫度,若通過涌浪區(qū)的北向輸運(yùn)減少,則勢(shì)必會(huì)造成Ni?o3區(qū)域的海表面溫度升高,從而導(dǎo)致此區(qū)域SST 異常;若北向輸運(yùn)增加,則會(huì)起到降溫的作用。

4)南太平洋涌浪區(qū)內(nèi)的經(jīng)向Stokes漂流異常正信號(hào)滯后于Ni?o3指數(shù)1～2個(gè)月,滯后于MEI的變化3～4個(gè)月。也就是說,南太平洋涌浪區(qū)內(nèi)的經(jīng)向Stokes漂流能夠響應(yīng)厄爾尼諾事件,產(chǎn)生北向的強(qiáng)化,輸運(yùn)冷水至低緯海域使其降溫,從而加速厄爾尼諾事件的衰退。

綜上,由南大洋而來的南太平洋經(jīng)向Stokes漂流能夠?qū)Φ途昐ST 產(chǎn)生不可忽視的影響,進(jìn)而影響到全球氣候。本文存在的不足是沒有將Stokes漂流對(duì)赤道太平洋SST 的影響進(jìn)行量化,南太平洋的經(jīng)向Stokes漂流會(huì)對(duì)厄爾尼諾事件產(chǎn)生多大的影響這一科學(xué)問題未得到解決。下一步的工作便是通過數(shù)值模式來模擬南太平洋經(jīng)向Stokes漂流的輸運(yùn)過程,以及在模式中量化其對(duì)赤道太平洋SST 的影響。