“热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应“项目简报 2013 年第 02 期

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项目工作简报 [2013] 第 02 期 总第 9 期

项目编号：2012CB417400

973 计划（暖池）项目管理办公室 2013 年 7 月

国家重点基础研究发展计划（973 计划）

《热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应》

第一、二课题 2013 年度研究成果

潜流的潜标观测结果分析

基于在 2010 年 12 月 1 日至 2012 年 12 月 9 日在（约 8°N，127.1°E）棉兰老海域布放的深海潜标系统获得的长达 740

天的观测数据，发现 MUC（棉兰老潜流）所在层次的流场呈现 60-70 天的显著变化，且顺时针旋转。基于 2010 年 12 月

至 2011 年 6 月在（18N，122.7E）观测的 ADCP 数据，发现在该时间范围内，LUC（吕宋潜流）的强度冬季大于夏季，

夏季大于春季；并且存在 70-80 天的季节内振荡，进一步研究发现，LUC 的季节内振荡是由于向西传播的涡旋所导致。

图 1（上） 基于潜标观测资料的 MUC ；图 2（下）LUC 的季节内震荡

相关文章发表情况：

（1）Hu, D., S. Hu, L. Wu, L. Li, L. Zhang, X. Diao, Z. Chen, Y. Li, F. Wang, and D. Yuan (2013), Direct Measurements of the Luzon

Undercurrent, J. Phys. Oceanogr. 43,1417-1425.

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西太平洋 NECC 的年际变化及其对 ENSO 的响应

利用 OSCAR 的流场再分析资料，结合 AVISO 表层地转流数据，分析了西太平洋表层 NECC 的年际变化及其对 ENSO

的响应。在 1997-1998 年和 2009-2010 年的 El Niño 事件中,NECC 急流的强度表现出明显的起落,位置靠北,并且流路

径加长。而在 1993-1995 和 2002-2005 年 中部型的暖事件中,流强度也有明显增加,但是流轴位置和路径的变化不是特

别明显。这种响应差异主要是不同 El Niño 事件的本质差异造成的。就 1998 和 2010 年而言，NECC 流轴南侧反射的

upwelling Kelvin 波伴随着有 La Niña 事件激发的 NECC 流轴北侧的 Downing Rossby 信号,通过地转信号减弱了

NECC 强度,因此造成 NECC 的年际波峰到波谷的变化特征。

图 3 逐年平均的 SSH 及半月平均的 NECC 流轴

相关文章发表情况：

（1）Zhao, J., Y. Li, F. Wang, 2013, Dynamical responses of the west Pacific North equatorial countercurrent (NECC) system to El Niño Events. J.

Geophys. Res., 118(6), 2828-2844, doi:10.1002/jgrc.20196.

NEC 的季节变化和年际、年代际变化特征

基于 ECMWF 海洋再分析资料发现，在季节时间尺度上，西太平洋的 NEC 输运和 NEC 地转输运均存在双峰结构，

即在冬夏季出现极大值，在春秋季出现极小值。这种季节变化特征是由跨太平洋的风场通过局地 Ekman 抽吸和向西传播

的 Rossby 波共同作用决定的：日界线以东的风场主要决定了 NEC 地转输运在冬（春）季的极大（小）值，而日界线以

西的风场主要决定了 NEC 地转输运在夏（秋）季的极大（小）值。在年际时间尺度上，NEC 体积输运异常的强度和标

准差自东向西逐渐增加(图 4)，其变化与 NEC 南北边界海面高度差相关。NEC 南分支与 ENSO 关系密切，而北分支与

ENSO 没明显关系。进一步研究发现在过去的 30 年，NEC 输运出现三个极大值（1980/1981, 1994/1995, 2004/2005）和两

个极小值（1990/1991,1999/2000）,分别伴随该海域气旋式环流异常和反气旋式环流异常，改环流异常受控于热带太平洋

年代际时间尺度上变化的风场。

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图 4 不同经度的北赤道流输运异常(黑线:选取固定北赤道流南边界 7°N,红线:随时间变化的南边界)

图 5 观测的 NEC 输运的年代际变化

相关文章发表情况：

（1）Yan, Q.,F. Zhai, D. Hu(2013),Seasonal variability of the North Equatorial Current transport in the Western Pacific Ocean. Chinese Journal of

Oceanology and Limnology.(in press).

（2）Zhai, F., and D. Hu, 2013: Revisit the interannual variablitity of the North Equatorial Current transport with ECMWF ORA-S3, J. Geophys.

Res. 118, 1349-1366. doi: 10.1002/jgrc.20093.

（3）Zhai, F., D. Hu, and T. Qu, 2013, Decadal Variations in the North Equatorial Current of the Pacific at 137°E, in revision.

热带太平洋涡旋三维结构的变异

基于 Argo 浮标资料和 AVISO 高度计资料，探讨了副热带逆流区涡旋的三维温盐结构的季节、年际变化特征。发现

在季节时间尺度上，气旋涡和反气旋涡的活动在 4-6 月较强，而在 11-1 月较弱，而且气旋涡/反气旋涡在强/弱季节引起

的温/盐异常差异主要集中在 100dbar 以上。在年际时间尺度上，气旋涡和反气旋涡的 EKE 年际变化并不完全同步。涡旋

在强年引起的温度和地转流异常幅度和影响深度要明显大于弱年。反气旋涡在强弱年引起的盐度异常存在明显的反向变

化。

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图 6 涡旋 EKE 的季节（上）、年际变化（下）

利用 AVISO 卫星高度计资料和 HYCOM 模式结构，研究发现 Mindanao Dome(MD)的涡旋以局地生消为主。MD 区

域中北部的涡旋活动主要与 MD 的位相转换引起的不稳定能量释放有关，涡旋的旋转方向由局地风场的 Ekman pumping

作用决定；MD 南侧的涡旋活动受波动过程、背景场不稳定性质和 Ekman Pumping 的共同影响。

相关文章发表情况：

（1）Yang, G., F. Wang, Y. Li, and P. Lin, 2013, Mesoscale eddies in the northwestern subtropical Pacific Ocean: statistical characteristics and

three-dimensional structures, J. Geophys. Res.,118(4), 1906-1925.

（2）Y. Jia, 2013, Mesoscale eddy in the Mindanao Dome region: Seasonal variability and its mechanisms, in revision.

暖池热盐结构（障碍层）与盐度收支

1) 暖池淡水池的盐度收支：使用 ECCO 模式 18 年（1993-2010）的数据，并结合 WOA09、Argo、OAFlux 以及 GPCP

等资料，分析了西太平洋暖池淡水池混合层（MLD）内的盐度收支的空间分布状况及其季节和年际变率特征，重点讨论

了盐度收支与 ENSO 信号、障碍层、赤道盐度锋以及热收支之间的相互关联。结果表明，盐度收支的海洋动力过程的年

际变化具有非常明显的 ENSO 信号。混合项和平流项与赤道盐度锋和障碍层之间就要显著的相关性。分析表明，La Niña

年时，盐度锋向西入侵，平流作用增强，但同时障碍层增厚，阻滞了垂向的混合作用。El Niño 年则恰好相反。该区域的

盐度收支与热收支具有相似的海洋动力过程，但垂向过程却又明显的滞后，这与该区域的障碍层结构变异有关。

图 7 西太平洋暖池混合层盐度收支海洋动力过程各分量的空间分布：（a）扩散项、（b）平流项、（d）混合项和（b）夹卷项，单位为 10-8g/s-1

2） 热带太平洋 SSS 的年际变化：基于 Argo 等观测资料发现，2000-2012 年间热带北太平洋的 SSS 存在很强的年际

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变化，该信号产生于中太平洋，并随着 NEC 的输运向西太平洋传播。通过对混合层盐度的收支分析，我们发现与 ENSO

相关的降水变化和海洋平流是 SSS 变化的主要控制因子。其中，在中太平洋，较强的 SSS 信号主要为 5-8 年周期，大部

分由 ENSO 信风变化造成的经向 Ekman 平流产生；在菲律宾海，SSS 变化呈现 2-4 年周期，主要是由 NEC 的纬向地转

平流控制。淡水强迫（E-P）的作用是第二位的，其重要性明显小于海洋平流。

图 8 热带太平洋 SSS 的年际变化。左：MOAA-GPV；右：TD 2011

3） 西太平洋暖池热盐结构的季节变化：利用日本气象厅的温、盐度资料及 SODA 资料等研究了暖池热盐结构的基

本特征和季节变化。结果表明，暖池是由混合层、障碍层和下层构成的。暖池混合层具有高温、低盐特征，暖池下层的

温度较低，盐度较高，而暖池障碍层的温、盐度则介于二者之间。暖池混合层、障碍层和下层厚度的季节变化并不一致，

但其平均温度和盐度的季节变化趋势却较为相似。暖池热盐结构的季节变化主要是由风、热盐通量、北赤道逆流和南赤

道流等因素共同引起的。

图 9 暖池混合层(左上)、障碍层(右上)和下层(下)厚度分布

4） 热带太平洋混合层内纬向热平流的季节变化：热带太平洋纬向热平流在赤道中东太平洋地区有显著的季节变化，

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最强异常信号出现在 Niño3.4 区。局地风场引起的流场异常和赤道波动是导致其变化及其西传的物理机制。纬向热平流

和海表热通量是 Niño3.4 区热收支的主要贡献项，两者共同决定了暖池东边界的季节迁移。

图 10 季节循环：a)在 5°S–5°N 平均的混合层内温度变化。b) 在 5°S–5°N, 157°W–134°W 平均的纬向热平流（Qu）和海表热通量（Q0）

的时间序列曲线。由 Qu 和 Q0 拟合的暖池东边界为左图中的黑色虚线。

相关文章发表情况：

（1）聂珣炜，2013，西太平洋暖池淡水池的盐度收支——一个全球海洋模式数据的结果，中科院海洋所硕士论文.

（2）Li, Y., F. Wang and W. Han (2013), Interannual sea surface salinity variations observed in the tropical North Pacific Ocean, Geophys. Res.

Lett., 40, 2194–2199, doi:10.1002/grl.50429.

（3）Guan Cong, Yongli Chen, Fan Wang, 2013, Seasonal variations of zonal heat advection in the mixed-layer of the tropical Pacific，Chinese

Journal of Oceanology and Limnology, in press.

（4）张启龙 秦思思，2013，西太平洋暖池热盐结构的季节变化，in revision.

暖池区的混合作用

1）波浪对海洋表层 Ekman 流和上层混合的影响：对包含 Stokes 漂流、风输入和波耗散影响的非定常 Ekman 漂流

模型，在涡粘性满足 KPP 参数化假定下，得到了一组 Fourier 级数解。所导出的流速级数解包含定常表层流精确解为特

例，可由二维海浪方向谱、风速、科氏力、海水和大气密度确定。作为例子，在完全发展海浪和不同风速情况下，研究

了涡粘性、随机表面波和风应力对海洋表层 Ekman 解的影响；利用 ROMS-SWAN 模式耦合和湍流大涡模拟两种模式工

具，研究了波浪对海洋上层混合的影响，提出了一种新的考虑波浪影响的海洋上混合层湍流混合参数化方案。目前正在

对 MY-2.5 阶湍封闭模式进行修正，并期望将其应用于海洋模式或海气耦合模式中，研究暖池区波浪对海洋上混合层动

力学的影响。

2）海洋数值模型中次网格过程的参数化：在大尺度海洋环流模型中湍流混合过程的参数化方面，开展了深入分析，

指出数值模型中次网格过程的参数化具有显著的尺度依赖性，不同的模式分辨率决定了需要参数化的次网格物理过程，

不同分辨率的数值模型需要采用不同的参数化方法，提高模式分辨率时必须相应调整混合参数化方案。基于对相关物理

过程的认识，提出了现有各种分辨率的模式所需采用的参数化思路。

暖池的气候效应

1）赤道太平洋异常海温变化与 2011/2012 年中国冷冬：2011/2012 年我国经历了近年来最冷的一个冬季，冷冬的出现

与中部型 La Niña 事件存在一定的联系，其机理主要是由于中部型 La Niña 事件爆发后，伴随赤道太平洋海温异常分布，

对北半球大气环流形势产生影响，通过影响纬向和经向环流，进而导致副高偏东、偏弱，造成东亚经向环流加强，引起

西伯利亚冷空气活动频繁南下，影响我国冬季气温偏低，同时由于冷暖空气在南方地区汇合，在我国南方容易形成冻雨

天气。此外，强的中部型 La Niña 事件可能引起副高更加异常偏弱、偏东，进而对我国冬季气候异常产生更大的影响。

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图 11 不同类型 La Niña 冬季西太平洋副热带高压强度指数频率分布对比：（上）中部型 La Niña 事件；（下）东部型 La Niña 事件

2） 热带太平洋海平面的年际变化：热带太平洋海平面的年际变化具有显著的空间差异，年际尺度的变化主要集中

在 30 和 52 个月。不同分布型 El Niño 期间热带太平洋的海平面变化的空间差异明显：东部型 El Niño 事件期间主要呈东

西跷跷板型，中部型 El Niño 事件期间，则表现为梭子型。

图 12 不同类型（上：东部型，下：中部型）El Niño 期间热带太平洋的海平面变化

进一步研究表明，大气风场是海平面变化的主要动力因子，西传的 Rossby 波是影响区域海平面变化的主要因素。 中

部型 El Niño 事件期间，其贡献维持在 35%左右，东部型 El Niño 事件期间的贡献更大。

相关文章发表情况：

（1）Yi-Ting Chang, Ling Du, Shou-Wen Zhang, Peng-Fei Huang，2013, Sea level variations in the tropical Pacific Ocean during two types of recent El Niño events,

Global and Planetary Change, Vol.108, 119-127

编辑：973 计划（暖池）项目管理办公室 电子邮箱：liyq1987@126.com

项目网站：http://dept.qdio.cas.cn/973warmpool/ 电 话：0532-82898515

通讯地址：山东省青岛市市南区南海路 7 号中国科学院海洋研究所 邮政编码：266071