赤道印度洋海温异常与偶极子季节变化特征

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第四纪研究
20 08 年
图 2 赤道东 ( b)、西 ( a)印度洋深层海温季节变化 F ig 2 Seasona l va riation of deep leve l tem pera ture( ! ) in the east( b) and w est( a) o f the tropical Ind ian O cean
2008 - 02- 27收稿, 2008- 03- 16收修改稿
3期
张春莹等: 赤道印度洋海温异常与偶极子季节变化特征
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将 400m 海洋分为表层 ( 0~ 60m ) 、次表层 (温跃层, 60~ 200m )和深层 ( 200~ 400m )。
2 2 方法
分析 使用 了基 本的 经验 正交 函数 分 解法 ( Em pirical O rthogonal Function, 简称 EOF ) [ 18 ] , 其原 理是把原变量场分解为正交函数的线形组合, 构成 为数很少的不相关典型模态, 代替原始变量场, 每个 典型模态都含有尽量多的 原始场的信息。 EOF 方 法具有一系列的优点, 它没有固定的函数, 能够在有 限区域对不规则分布的站点进行分解。而且它的展 开收敛速度快, 很容易将变量场的信息集中在几个 模态上, 同时分离出的空间结构具有一定的物理意 义。以 EOF 为气候特征分析手段的研究已经揭示 了许多有价值的气候变化事实 [ 19 ~ 21] 。
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图 3 4月赤道印度洋海温距平 EOF 第一模态空间分布 阴影为负值, 图上方数字表示深度 ( 单位: m ) , 下同
4 1 赤道印度洋海温距平 EOF分析
分析发现赤道印度洋偶极子现象同时存在于表 层和次表层, 且季节变化明显。海温的变化无论在 水平还是垂直方向上都有很好的连续性。对赤道印 度洋 12个月各层 海温距平作 EOF 分析 ( 这里以 4 月为例, 其他月份类似 ) 。图 3和图 4分别为 EOF 第 一、第二模态空间分布, 对比两张图可以看出, 赤道 印度洋表层及其以下各层在第一或二模态中均出现 东西反位相变化, 温跃层附近东、西印度洋的反相变 化最明显, 范围最大。温跃层以下随深度增加, 0值 线偏向东印度洋, 正负反相 的范围更小, 位置更偏 南。 EOF 的时间系数有明显的年代际变化, 并含有 年际变化 ( 图略 )。表 1为两个模态的解释方差, 第 一模态的方差贡献从表层到温跃层增加, 之后逐渐 减小, 而第二模态的方差贡献稳定在 11% 左右。由 此可以看出在赤道印度洋从表层到深层海温 (本文 只到 400m )均存在偶极子现象。
2 资料和研究方法
2 1 资料
本文所用的海洋资料是美国 Scripps海洋研究 所的海 温再 分析 资料 [ 17] , 时 间 为 1955 年 1 月 ~ 2003年 12月, 垂直方向上为 11个标准层 ( 0, 20m, 40m, 60m, 80m, 120m, 160m, 200m, 240m, 300m 和 400m ) , 水平分辨率为 2 5 ( 纬度 经度 ) 。赤道 印度洋的范围为 50 ~ 110 E, 10 S~ 10 N; 80 E 以 西为赤道西印度洋, 以东为赤道东印度洋。按深度
第一作者简介: 张春莹 女 26岁 博士 气候学专业 E m ai:l xchen@ n ju edu cn * 国家自然科学基金重点项目 (批准号: 40631002) 、中国气象局气候变化专项项目 ( 批准号: CCSF2007 - 40 ) 和国家自然科 学基金项目 ( 批 准号: 40475035 ) 共同资助
4 赤道印度洋偶极子特征
赤道印度洋偶极子指数 ( DM I)定义为 [ 2] : DM I= T aw - T ae
式中 T aw 为赤道西印度洋区域平均海温距平,
图 1 赤道 印度洋各季海温 ( ! )深度 - 经度 分布 F ig 1 D istr ibution o f seasonal sea tem pe rature( ! ) in the trop ica l Indian O cean
征。表层东暖西冷的海温差异是由西南季风作用于 海表所造成的, 这种海温差异与上空的气温变化相 结合, 产生自东向西的海气通量, 海气通量再反作用 于季风气流, 海气相互作用在表层表现明显。分析 表明在赤道印度洋西部的海温垂直梯度小于赤道东 印度洋, 西印度洋可以把热量储存在较深层, 所含的 热量也就更多。
4 2 赤道印度洋偶极子季节变化
由于资料所限, 本文印度洋只取 0~ 400m 深度 范围, 共 11层。利用 上述赤道印度洋偶极子指数
( DM I) 定义, 分别对 11个层次计算偶极子指数, 结 果如图 5所示。可以看出从深层到表层 DM I均呈现 双峰结构, 且前一峰值略高于后一峰, 存在显著的半 年周期。峰和谷从深层向表层传递, 比如第一个峰 在 400m 深度时出现在 2 月, 到 160m 时 在 3月 出 现, 4月时 20m 和表层出现第一个峰值, 表层 1月和 7月对应谷, 10月出现的另一个峰等都对应着深层 向表层传输, 时间间隔均为 2个月。以往的观点认 为 [ 5] , 赤道印度洋东、西海温距 平差异是海气 相互 作用的结果, 这种差异仅仅停留在表层和次表层, 次 表层中的热量收支影响东、西印度洋海表温度的异 常变化。而本文初步研究表明, DM I在温跃层附近 波动最大, 表层值略小于次表层, 波动型保持了深层 的结构, 说明表层 DM I虽受海气相互作用的影响, 但 海气相互作用只是其中的一个影响因子, 且不是最重 要的决定因素, 主要的变化趋势是受深层海温变化的 影响。赤道印度洋海温距平的东、西差异来源于深层, 表层的差异只是深层变化向上传递的结果。
次表层海温偶极子现象可以清晰地表示热带印 度洋东、西温度距平的反相变化 [ 14, 15] 。热带印度洋
表层风场落后于海表面温度的异常变化, 表明这一 区域的海气相互作用是由海洋表层温度 ( SST ) 的变 化调整开始 [ 16] 。因此, 赤道印度洋偶极子的研究多 集中于表层和次表层, 但对于赤道印度洋较深层海 温变化的研究很少。由于赤道印度洋东、西部海温 的异常变化从次表层上传到表层, 通过海气相互作 用, 致使上空风场发生变化, 因此有必要通过对深层 赤道印度洋海温的异常变化分析, 确认在印度洋较 深层海温是否也存在偶极子模态, 如果存在, 深层偶 极子和次表层、表层偶极子之间又存在怎样的关系?
第 28卷 第 3期 2008年 5月
第四纪研究 QUATERNARY SC IENCES
文章编号 1001- 7410( 2008) 03- 502- 07
V o .l 28, N o. 3 M ay, 2008
赤道印度洋海温异常与偶极子季节变化特征*
张春莹 陈 星
( 南京大学大气科学系, 南京 210093 )
3 2 赤道印度洋海温的季节变化特征
赤道印度洋深层海温的季节变化如图 2所示, 海温等值线表现为波动形式, 存在显著的半年周期。 温跃层以上, 印度洋西部 ( 见图 2a) 暖季 ( 28! 等温 线 )从 1月中旬开始, 6 月中旬结束, 之后海温迅速 降低, 而东印度洋 ( 见图 2b) 次表层以上只有在 7月 中旬到 10月表 现为冷季, 暖季持续时 间近 10月。 由此可知赤道西印度洋温跃层到表层增温较晚, 持 续时间短, 东印度洋则相反。海洋表层冷、暖季节出 现的深度也存在差异, 赤道东、西印度洋暖季从表层 开始, 向下延伸, 西印度洋增暖到达的深度比东印度 洋浅。在温跃层以下, 所分析范围内的印度洋海温 等值线季节振幅显著增大, 表明深层海温变化季节 性更强。
4 3 赤道东、西印度洋深层海温季节变化特征
图 6给出赤道东、西印度洋区域平均海温距平 的季节变化。从图 6中可以看出, 在东、西印度洋各 层上均存在半年周期, 表现为显著的双峰双谷振荡 结构。在表层以下, 东、西印度洋海温距平呈反相变 化, 这与 很多 研究 结果相 一致 [ 14、15] 。但温 跃层 以 上, 印度洋东、西海温距平的变化形式较为接近, 仅 出现 1到 2个月的滞后, 但东印度洋海温距平异常 变化幅度在表层明显小于西印度洋, 随着深度加深, 与西印度洋的变化逐渐趋向一致, 在某些深度甚至 超过西印度洋的变化幅度, 比如 400m 深度。这说 明在表层影响东、西印度洋海温 变化的因子 ( 这里
谷型, 并从深层 ( 400m )向表层传递。分析发现, 海气相互作用不是表 层赤道印度 洋偶极子 变化的决定 因素。较深 层偶极子变化决定于海 洋自身的运动变化特征 (如洋流 ), 并 向上层传 输, 进而 影响上层 偶极子的 异常变 化。赤道 印度洋偶极子指数由西印度洋和 东印度洋海温变化共同制 约, 但 西印度 洋海温 变化起 主导作 用, 东 印度洋 仅起到 加强或减弱偶极子强度 变化的作用。
主题词 印度洋 偶 极子 海温 温跃层
中图分类号
P4 61
文献标识码 A
1 引言
1997~ 1998年赤道印度洋发生了 40年中的特 殊事件 [ 1] 。 1997年 E l N i o事件引发全球大范围地 区严重的干旱或洪涝, 根据以往的观测资料和研究 结果, 印度地区也应该出现干旱现象。然而观测数 据表明 1997 年印度不但降水没有减少, 相反, 部分 地区降水偏多, 这一现象使得人们把关注的目光投 向了印度洋。赤道印度洋东西经度相隔仅 35 , 而 东西海温梯度和赤道太平洋相差不多, 比大西洋的 海温梯度高约近一倍。 Saji等 [ 2] 利用 EOF 方法分 析了印度洋海温距平场, 发现其第二模态空间场反 映出赤道印度洋东、西部海温的反相变化, 定义了赤 道印 度 洋 偶 极 子 指 数 ( D ipole M ode Index, 简 称 DM I) 。之后一些学者对热带印度洋偶极子及其气 候影响方面作了研究 [ 3~ 9] , 并研究了印度洋偶极子 和太平洋 E l N i o的关系。研究结果 [ 10~ 13] 表明, 赤 道印度洋海温的异常变化通过印度季风和 W a lk环 流影响热带太平洋。
T ae为赤道东印度洋区域平均海温距平。赤道东印 度洋范围是 90 ~ 110 E, 10 S ~ 0, 西印度洋范围是 50 ~ 70 E, 10 S~ 10 N。这里定义的 DM I是海温 变化符号相同的情况下强度的差异, 仅仅是个相对 变化量, 而真正严格物理意义上的偶极子是两个区 域海温距平反 在次 表层最大海温距平值所对应的深度构成的曲面上, 计算得到的赤道印度洋偶极子指数可以反映出严格 意义下的偶极子的反相性。
摘要 利用 Scr ipps海温再分析资料, 对赤道印 度洋 0~ 400m 深度 范围内海 温变化 和偶极 子异常 变化特 征进行 了初步分析。结果显示, 赤道印度洋上层海温呈现西低东高, 而次表层以下海温则为 西高东低。同 时发现, 温跃层 是赤道印度洋上、下层很好的分界面。温跃层之上海温变 化受海 气相互 作用明 显, 之 下海温 变化主 要受海 洋自身 的运动影响。赤道印度洋偶极子 现象存在于各个深度, 其 偶极子 指数变 化存在 半年周 期, 季 节变化 表现为 双峰双
3 赤道印度洋海温变化特征
3 1 赤道印度洋海温的纬向平均特征
赤道印度洋纬向平均 ( 10 S~ 0) 海温随深度变 化的季节分布如图 1所示, 其中 1月、4月、7月和 10 月分别代表冬季、春季、夏季和秋季。温跃层范围在 60~ 200m, 常用 14! 等温 线代 表其 底部 位置 [ 22 ] 。 从图 1中的 等温线 分布 可以 看出, 在温 跃层 以上 ( 14! 等温线 ), 等温线呈西高东低 分布, 而在温跃 层以下等温线则是西低东高, 表明海温在上层为西 冷东暖, 在下层则为西暖冬 冷, 各季节 都有类似特