2013年春季Wyrtki急流變異及成因分析

韓國慶,劉 琳,2*,段永亮,2,王關鎖,王輝武,2,劉延亮,2,王海員,馮 琳,2,于衛東,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋與氣候研究中心,山東青島266061; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266200; 3.國家海洋局第一海洋研究所海洋環境數值模擬實驗室,山東青島266061)

2013年春季Wyrtki急流變異及成因分析

韓國慶1,劉 琳1,2*,段永亮1,2,王關鎖2,3,王輝武1,2,劉延亮1,2,王海員1,馮 琳1,2,于衛東1,2

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋與氣候研究中心,山東青島266061; 2.青島海洋科學與技術國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室,山東青島266200; 3.國家海洋局第一海洋研究所海洋環境數值模擬實驗室,山東青島266061)

通過分析深海潛標系統的實際觀測海流數據對2013年赤道印度洋上層Wyrtki急流(WJ)的變異進行了研究,發現WJ在2013年呈現明顯異常變化,主要表現為春季WJ強度略強于同年秋季WJ。再分析資料的分析結果也同樣驗證此結論,而這與氣候態WJ的演化特征相反。在氣候平均態下,印度洋春季WJ強度遠弱于秋季WJ強度。進一步數據分析與數值模式結果表明,2013年春季WJ異常加強與赤道印度洋海表風場變化密切相關,而春季海表風場的變化主要歸因于2013年春季異常增強的季節內振蕩(ISO)事件,發生在2013-05的ISO對流位相是導致春季印度洋海表西風異常的直接原因。本研究揭示了中小時間尺度海氣相互作用可以影響更長時間尺度海洋環流系統的年際變化。

Wyrtki急流;季節內振蕩;印度洋;年際變化

印度洋是世界第三大洋,其獨特的地理特征決定了它別具特色的季風性氣候。印度洋北側被亞洲大陸阻擋,南部為廣袤開闊的南大洋,獨特的地形分布以及太陽輻射的年變化造就了印度洋處于強大的亞洲季風系統影響下。在亞洲季風系統控制下,印度洋特別是熱帶印度洋地區存在形式多樣的局地氣候及海洋環流系統[1-10]。印度洋冬季被東北季風控制,夏季被強盛的西南季風影響,春季和秋季分是冬季風和夏季風的轉換期。赤道印度洋每年春季(4—5月)和秋季(10—翌年1月)出現兩次東向Wyrtki急流(WJ)[11],它發生在表層且流幅窄、流速強,根據漂流浮標觀測,2°S～2°N平均的氣候態流速在春、秋季分別為50和70 cm/s[12-13]。該海流系統主要發生在(50°～80°E,3°S～3°N)的赤道印度洋區域內,其深度主要為海洋上層,從100 m深度至海面[14]。WJ影響熱帶東西印度洋之間上層海洋的水體、鹽度和熱量的東西向輸送,并對印度洋海盆尺度海氣相互作用產生影響[15-16]。WJ存在顯著年際變化[17-18],WJ年際變化受印度洋偶極子事件(IOD)和ENSO影響[19-20]并對IOD產生作用[15]。

相對于太平洋與大西洋,印度洋海洋環境監測及觀測均處于起步階段。前人只能通過有限的衛星遙感海面資料以及稀少的現場觀測資料對WJ演化特征及影響機制進行研究,更多則是利用數值模式對WJ的演化特征、發生和發展規律及控制因素進行分析。2000年后印度洋海洋觀測系統的發展,特別是它的重要組成部分“非洲-亞洲-澳大利亞季風分析和預測研究錨系浮標陣列(RAMA)”的建立為研究WJ的三維流速、溫-鹽結構和多時間尺度變化等諸多細結構提供了第一手資料。基于RAMA浮標數據,目前對WJ流量[21]、季節變化[22]和年際變化動力學[23]有了進一步認識。本文中,我們利用多普勒聲學剖面儀(ADCP)觀測的印度洋上層海洋海流剖面資料,結合多個海洋再分析數據集,對2013年春季WJ進行了分析,發現2013年春季WJ強度與秋季WJ強度相比略強,這與氣候態WJ強度的特征不符。我們進一步使用了POM數值海洋模式對2013年春季WJ異常產生原因進行了分析和探討。

(李 燕 編輯)

1 數據及模式介紹

1.1 數據簡介

本研究使用了國家海洋局“全球變化與海氣相互作用專項”2013年印度洋南部水體環境綜合調查春季航次所布放的深水潛標觀測數據。該航次于2013-03—05執行,并于2013-04在赤道中印度洋(85°E,0°)處布放了一套深水潛標系統(圖1),現場水深4 200 m,潛標主浮體設計深度350 m。主浮體上安裝的一套ADCP(頻率為150 K)可以實現對海洋上層海流剖面進行連續觀測。ADCP觀測設置為垂直間隔16 m,時間間隔1 h。我們對ADCP原始資料進行了插值處理,海流數據垂向間隔插值為10 m,時間分辨率為日平均。由于ADCP在海面附近受海表反射聲信號影響較大,本文中我們忽略了上層40 m內數據,只采用40～150 m深度觀測結果。ADCP從2013-04-05開始記錄數據,2014-04-18終止記錄,時間范圍完整覆蓋了2013年春季、秋季WJ過程。

圖1 深水潛標位置示意圖Fig.1 Location of mooring system

本文使用了Ocean Surface Current Analyses Real Time(OSCAR,http:∥www.oscar.noaa.gov/index. html)、Global Ocean Data Assimilation System(GODAS,http:∥www.cpc.ncep.noaa.gov/products/GODAS/)和Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL,http:∥www.gfdl.noaa.gov/)三套不同海洋再分析資料以及RAMA中位于(80°30'E,0°)點處的浮標觀測數據(http:∥www.pmel.noaa.gov/tao/rama/)。OSCAR,GFDL和GODAS時間分辨率為月平均,RAMA數據時間分辨率為日平均。OSCAR資料選取海洋上層15 m處水平流速,空間水平分辨率為1°×1°,使用資料時間跨度為2013-01—2013-12,覆蓋區域為30°30'～119°30'E,29°30'S～29°30'N。GODAS資料選取海洋上層15 m處水平流速,空間水平分辨率為1°×(1/3)°,使用資料時間跨度為2013-01—12,覆蓋區域為1°～360°E,74°S～65°N。GFDL資料選取海洋上層15 m處水平流速,空間水平分辨率為1°×1°,使用資料時間跨度為2013-01—12,覆蓋區域為279°～80° E,81°S～90°N。本研究使用的風場數據為NCEP/NCAR再分析資料6 h平均三維風場數據(http:∥www. esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)。NCEP/NCAR再分析資料是由美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心聯合開發的數據產品,水平空間分辨率為2°30'×2°30'。使用資料時間跨度為1958-01—2015-12,覆蓋區域為0°～357°30'E,90°S～90°N。向外長波輻射(OLR)數據來自于美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)(http:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.interp_OLR.html),空間水平分辨率為2°30'×2°30',使用資料時間跨度為1974-01—2013-12,覆蓋區域為0°00'～357°30'E,90°S～90°N。

1.2 POM模式簡介

Princeton Ocean Model(POM)是由美國普林斯頓大學Blumberg和Mellor在1977年共同建立起來的一個三維斜壓原始方程數值海洋模式,被當今國內外應用較為廣泛的河口、近岸海洋模式,模式模擬內容主要有:潮流、風生流、混合層和躍層、熱鹽環流、海洋環流和輸運及與AGCM(大氣環流模式)和冰模式的耦合。垂向混合系數由二階湍流閉合模型確定,這在一定程度上擺脫了人為因素的困擾。垂直方向采用σ坐標,水平網格采用的是曲線正交坐標系統,變量空間配置使用“Arakawa C”網格,可以較好的匹配岸界。水平時間差分是顯式的,而垂直時間差分是隱式的,這可以保證垂向不受CFL條件限制,從而保證模式在海洋表層和底層可以有很高的垂向分辨率。模式區域設定在0°～360°E,89°45'S～90°15'N范圍內。采用直角網格,東西劃分為721個網格,南北劃分為361個網格,空間水平分辨率為30'×30',垂向分為21層。模式采用實際水深。

利用POM模式,我們設計了兩組數值實驗,控制實驗和敏感性實驗?？刂茖嶒灷脷夂驊B大氣強迫場數據對POM模式進行強迫,敏感性實驗利用2013年大氣強迫場對模式進行強迫。兩組數值實驗前均采用NCEP風場對模式進行強迫,從2008-01-01—2012-12-31,利用當日輸出值作為兩組數值實驗的初始條件。

2 觀測資料分析

圖2a給出了RAMA浮標(80°30'E,0°)處緯向海流的氣候態時間演化圖。氣候態上來看,每年4月和11月赤道印度洋均出現WJ,且春季WJ強度低于秋季WJ。圖2b給出2013年ADCP觀測的日平均緯向流時間演化圖。如圖所示,ADCP完整觀測到2013年發生的2次WJ事件:春季WJ盛期出現在2013-05,最大值達1.8 m/s,流速最大區覆蓋范圍最深處達110 m,強流區一直延伸到海洋內部140 m處;春季WJ自2013-05-25起開始減弱,強度由強盛期的1.8 m/s逐漸減弱為0.6 m/s;2013-06-04春季WJ消亡。秋季WJ于2013-11-26出現,其東向流速大于0.5 m/s。2013-12月初,WJ迅速發展,強度達1 m/s;2013-12-20,秋季WJ開始減弱,強度減弱為0.8 m/s;2013-12-25,秋季WJ消亡;2014-01-04,赤道印度洋重新被西向流控制。ADCP觀測結果顯示,2013年WJ發展與WJ在氣候平均態情況下的春季弱、秋季強顯著不同,并且這一變化也與最近研究發現的春季WJ減弱趨勢[24]不同,因此值得進一步關注其發生和發展原因。

為了進一步了解ADCP實測資料揭示的2013年異常WJ現象,接下來我們分析了不同來源的3套海洋再分析資料產品,從而對2013年WJ變化的空間分布特征進行全面把握。

圖2 緯向海流時間-深度剖面圖Fig.2 Temporal evolution of zonal velocity

圖3 經向平均的赤道印度洋緯向流時間-經度分布圖Fig.3 Temporal evolution of zonal velocity along the equator

圖3給出了2013年OSCAR,GFDL,GODAS資料刻畫的赤道印度洋緯向流的逐月變化。通過與ADCP實測資料比對(圖3d),我們發現3套再分析資料具有一致性的季節變化,即可以揭示春季WJ與秋季WJ以及春季WJ強度略強于秋季WJ,因此可以認為3套再分析資料可以較好再現2013年春季和秋季WJ事件。雖然3套再分析資料能夠再現2013年春季和秋季WJ現象,但是三者之間也存在顯著差異。與ADCP實測結果相比較,GODAS資料對春季WJ刻畫強于觀測約0.3 m/s,GFDL與OSCAR對春季WJ現象的描述比觀測弱。對秋季WJ刻畫上,3套再分析資料產品均表現出弱于觀測結果,幅度大約為0.5 m/s。雖然3套再分析資料與觀測結果存在一定偏差,但是3套再分析資料產品均可以較好把握2013年春季WJ事件。因此我們可以從3套不同再分析資料產品出發,對2013年春季WJ現象的空間分布及時間演化特征進行分析。圖3a、圖3b、圖3c分別是OSCAR,GFDL,GODAS三套再分析資料產品中緯向流在2°30'S～2°30'N范圍內經向平均的結果。結果表明,2013年春季WJ在5月出現,且強度強于秋季WJ。其中GODAS資料中WJ現象最為明顯,強度最強,最大值達1.5 m/s。GFDL資料中WJ強度最弱,海流最大值只有0.8 m/s,并且在GFDL資料中,2013-10—11沒有出現WJ,僅在12月出現,WJ主要覆蓋60°～85°E之間區域。從3套不同的再分析資料產品可以看出,2013年春季WJ強度均明顯強于秋季WJ,這與平均意義下的結果有所差別(圖2a)。

Wyrtki最早提出WJ受季風轉換期的赤道緯向風影響,是西風強迫下海洋的響應[11]。Han等通過不同復雜性的模式進一步確認海表風場強迫是WJ的最主要驅動機制[25]。圖4給出ADCP位置處2013年春夏季緯向風場與海表緯向流的時間演化結果。結果顯示在該站位附近,春季海表緯向風場與海洋上層流場存在較強相關,兩者相關系數為0.39,通過99%信度檢驗標準。伴隨海表風場在4月底增強,WJ開始出現,并逐漸發展增強。鑒于海表風場是WJ產生的重要因素[26-27],那么我們提出一個假設:2013年春季強WJ的主要原因是2013年春季海表風場異常增強所導致。

圖4 2013年觀測點處NCEP緯向風場和ADCP觀測的緯向流時間序列圖Fig.4 Time series of zonal current and zonal surface wind in the year of 2013 at observation station

3 數值模式模擬結果

為理解2013年春季WJ異常增強原因,我們通過海洋環流模式POM開展不同組別的數值實驗進行進一步分析。首先,我們利用氣候態風場對POM進行強迫,開展控制實驗模擬,檢驗POM模式對WJ事件的模擬能力。圖5為控制實驗結果?？刂茖嶒炛?在東北季風影響下,2013-01—03,赤道印度洋被西向流控制。2013-04,西南季風開始在西南印度洋建立,赤道印度洋上空逐漸被緯向西風控制,春季WJ開始在赤道印度洋出現。2013-05,赤道印度洋海表西風達到最強,伴隨風場的改變,春季WJ達到盛期,最大值達到0.8 m/s。2013-06,隨著西南季風北推,赤道印度洋上空西風開始減弱,春季WJ亦逐漸衰退以至消失。2013-07—09,赤道印度洋仍舊被弱西向流控制。2013-10,亞洲夏季風開始衰退,東北季風逐漸建立,此時在赤道印度洋上空重新出現了強盛的西風環流,秋季WJ開始出現。2013-11,東北季風開始建立,秋季WJ亦達到一年中的第二個盛期。2013-12,隨著赤道印度洋上空的西風開始衰退,秋季WJ開始消失。

控制實驗表明,POM模式可以較好把握氣候態WJ事件,特別是春季WJ的發生和發展變化規律。秋季WJ雖然發生在2013-11,但春季WJ比秋季WJ強度略偏強。接下來,我們利用2013年風場資料對POM模式進行強迫,來檢查POM模式對2013年WJ事件模擬情況。

圖5 控制實驗模擬的氣候態月平均印度洋緯向流(顏色填充)和NCEP風場(矢量箭頭)Fig.5 Climatological monthly zonal surface current(shaded)simulated by control run and NCEP surface wind fields(arrows)

圖6 是敏感性實驗得到的2013年印度洋海表月平均緯向流及海表風場分布。在敏感性實驗中,2013-04,印度洋海表風場由東北季風開始轉變為西南季風,赤道印度洋逐漸被西風控制,春季WJ開始出現。2013-05,赤道印度洋上空的西風達到最強,同時春季WJ亦達到最強,最大值達1.2 m/s,顯著強于控制實驗中的春季WJ強度。2013-06,春季WJ開始消失。2013-11,赤道印度洋上空重新被西風所控制,秋季WJ開始出現。2013-12,秋季WJ達到最強,最強處流速達到0.8 m/s。從垂向結構來看,敏感性實驗對WJ垂向結構模擬也與觀測符合較好(圖2c):春季WJ峰值出現在5月并且最大深度可以達到水面以下150 m。模式模擬得到的秋季WJ主流區范圍也小于觀測結果,在100 m水深處流速已不足0.1 m/s。雖然POM模式對2013年秋季WJ模擬存在一定偏差,但是對春季WJ的模擬與觀測較符合。

圖7給出敏感性實驗與控制實驗的差別。圖7表明,2013年春季赤道印度洋出現異常增強的緯向西風,2013-05的海表風場強度比氣候態強約5 m/s,而敏感性實驗得到的赤道緯向流場比控制實驗強約0.45 m/s。以上結果表明2013年春季WJ確實受到海表風場影響而產生及發展。圖8為區域平均(60°～85°E, 2°S～2°N)的海表風場及模擬得到的海表流場在敏感性實驗與控制實驗中的差別。圖8表明,模式模擬得到的海表流場隨著強迫風場的改變而進行變化,二者具有較好相關,風場提前1周時兩者相關系數0.46,通過了99%顯著性檢驗。數值實驗結果證實WJ強度及變化與赤道印度洋風場密切相關。

圖6 敏感實驗模擬的2013年印度洋緯向流(陰影填充)和NCEP風場(矢量箭頭)Fig.6 Simulated zonal surface current(shaded)by sensitive run and NCEP surface wind fields(arrows)

圖7 控制實驗和敏感性實驗之差(敏感性實驗減控制實驗)Fig.7 Differences between sensitive run and control run

圖8 控制實驗和敏感性實驗之差在(60°～85°E,2°S～2°N)7 d滑動平均區域平均時間序列圖Fig.8 Variation of wind and current differences between sensitive run and control run at(60°～85°E,2°S～2°N) in a 7-day moving window

4 討論和分析

前人研究表明WJ強度受印度洋海表風場控制。上一節的數值實驗結果也進一步證實2013年春季WJ異常增強受赤道上空海表風場影響。那么是什么原因導致了2013年赤道印度洋風場異常增強?經過分析, 2013年既非ENSO事件發生年份,也非IOD顯著發生年份,因此,可以排除這兩類太平洋、印度洋顯著年際時間尺度海氣相互作用對WJ的影響。

熱帶印度洋是大氣季節內震蕩(intraseasonal oscillations,ISO)發生和發展最完善的區域,ISO與印度洋地區的夏季風暴發有著密切聯系[28-29]。而大氣低空西風異常,是ISO對流位相的一個顯著特征,因此存在著2013年春季ISO影響赤道印度洋低空風場的可能性。接下來,我們進一步檢查在2013-05,是否存在著ISO的對流位相。圖9給出了30～90 d帶通濾波后OLR與海表風場的侯平均結果。圖9表明,2013-04中旬,ISO對流位相控制著熱帶中東印度洋,赤道印度洋海表西風為正距平。同時,ISO抑制對流位相在西印度洋開始出現,并逐漸東傳,于4月底傳到中東印度洋,赤道印度洋海表風場亦呈現西風負異常,該抑制對流位相產生的低空東風距平不利于春季WJ的產生與發展。與此同時,ISO對流位相在西南印度洋生成并于5月上旬控制熱帶中東印度洋,使得赤道印度洋低空被強大的西風控制。因此,2013-05月初的ISO對流位相是5月赤道印度洋低空西風異常的直接原因,并進一步使得2013年春季WJ異常增強。

以上分析可以發現,2013-05在赤道印度洋出現了異常增強ISO對流位相,進而進一步激發了赤道印度洋上空的強烈西風距平,從而誘使了春季WJ的異常增強。ISO對WJ的影響不僅限于2013年,2011年開展的國際大型ISO聯合研究計劃SINDY/DYNAMO執行期間,聯合觀測團隊同樣發現了類似現象,2011年秋季的一次ISO對流位相事件,同樣引發了赤道印度洋上層出現了強烈的東向流[30]。

圖9 30～90 d帶通濾波后OLR距平(陰影填充)和緯向風距平時空分布圖(2013-04-01—05-15,侯平均)Fig.9 Pented spatial distribution of 30～90 days band-pass filtered outgoing longwave radiation(shading) and zonal surface wind(contour)from April 1 to May 15,2013

5 結 論

利用“全球變化與海氣相互作用”專項布放的深海潛標觀測資料及3套不同來源海洋再分析資料,本文對2013年赤道東印度洋WJ現象進行分析,發現2013年春季WJ呈現異常變化特征,主要表現為春季WJ強度略強于秋季WJ,這與氣候態平均意義下的WJ年變化不同。進一步分析表明,2013年赤道印度洋海表風場異常變化是導致春季WJ異常的主要原因。而2013-05出現在赤道印度洋區域的ISO對流位相是赤道印度洋低空西風距平產生的直接影響因子。最后,我們利用POM數值模式對2013年WJ現象進行了模擬,模擬結果可以反映上述特征,特別是2013年春季WJ強于秋季WJ,并進一步證實2013-05出現在赤道印度洋區域的ISO對流位相所誘導的西風距平是春季WJ變化的主要原因。本研究表明,作為季節內時間尺度變化的ISO事件可以對WJ事件在年際時間尺度上進行調制,從一個方面反映了小尺度海氣相互作用過程對大尺度海洋環流事件的影響。

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Anomalous Behavior of Spring Wyrtki Jet in Equatorial Indian Ocean During 2013

HAN Guo-qing1,LIU Lin1,2,DUAN Yong-liang1,2,WANG Guan-suo2,3,WANG Hui-wu1,2,
LIU Yan-liang1,2,WANG Hai-yuan1,FENG Lin1,2,YU Wei-dong1,2(1.Center for Ocean and Climate Research,The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao 266061,China; 2.Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Qingdao 266200,China; 3.Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling,The First Institute of Oceanography, SOA,Qingdao 266061,China)

In-situ measurements of the upper ocean currents reveal remarkable abnormal behavior of Wyrtki Jet in boreal spring in tropical Indian Ocean in 2013.The Wyrtki Jet in boreal spring was unusually stronger than its counterpart in fall,clearly against previous understanding,and this phenomenon is also demonstrated by reanalysis data.Further analysis and numerical experiments show that the anomalously enhanced Wyrtki Jet is related to the surface wind anomaly in equatorial Indian Ocean,which is resulted from the strong intra-seasonal oscillation(ISO)event in that season.This study show that mesoscale airsea interaction can influence relatively large scale ocean current on interannual timescale.

Wyrtki Jet;intra-seasonal oscillation;Indian Ocean;interannual variability

March 29,2016

P732

A

1671-6647(2017)02-0189-11

10.3969/j.issn.1671-6647.2017.02.004

2016-03-29

全球變化研究國家重大科學研究計劃項目——太平洋印度洋對全球變暖的響應及其對氣候變化的調控作用(2012CB955601);國家自然科學基金項目——全球變暖背景下印度洋年際時間尺度海氣相互作用對季節內振蕩的影響(41376037);國家自然科學基金委員會項目-山東省人民政府聯合資助海洋科學研究中心項目——海洋環境動力學和數值模擬(U1606405);全球變化與海氣相互作用專項項目——季風變化對印度洋東部和南海南部上升流生態系統的影響(GASI-03-01-03-03),熱帶印度洋海洋過程與海氣相互作用(GASIIPOVAI-02),太平洋-印度洋與亞洲季風的相互影響(GASI-IPOVAI-03)和東印度洋南部水體綜合調查春、秋航次(GASI-02-IND-STSspr,GASI-02-IND-STSaut)

韓國慶(1990-),男,山東濰坊人,碩士研究生,主要從事海氣相互作用方面研究.E-mail:gqhan@fio.org.cn

*通訊作者:劉 琳(1978-),男,山西陽泉人,副研究員,博士,主要從事海氣相互作用方面研究.E-mail:liul@fio.org.cn