基于Argo的热带印度洋上层海温研究*

孙莎莎,胡瑞金

(中国海洋大学物理海洋实验室和海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100)

基于Argo的热带印度洋上层海温研究*

孙莎莎,胡瑞金

(中国海洋大学物理海洋实验室和海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100)

利用2004年1月—2008年8月的月平均Argo再处理资料和NCEP风场资料,对热带印度洋2.5～500 m深度范围内的海温时空变化特征与机制进行了研究。结果表明:表层的阿拉伯海、孟加拉湾和赤道东印度洋是海温高值中心,同时是海温标准差低值中心,海温高的地方海温变化小,两者的分布型一致。在次表层,西南热带印度洋是海温高值区,赤道东西印度洋是海温低值区,次表层的海温变化最大,尤其在10°S～10°N之间的赤道印度洋。热带印度洋不同区域和深度的海温的显著周期不同,主要有1和0.5 a的显著周期。热带印度洋表层海温年周期变化主要受太阳辐射的影响,而0.5 a周期与季风有关。次表层以下海温变化主要是热带印度洋自身内部的动力作用,其1 a周期除了与太阳辐射和风有关,还与Rossby波和沿岸Kelvin波有关;其0.5 a周期除了季风这个主要因素,还与Wyrtki急流有关。海表面风场和La Na是影响2006和2007年的正偶极子强度不同的重要因素。

热带印度洋;海温;Argo;海表面风场

热带印度洋海温不仅影响印度、澳大利亚和非洲等周边国家的气候,还与西太平洋副热带高压、亚洲季风,以及我国的夏季降水有显著的相关[1]。因此相关研究历来受到人们的重视。

不少作者[2-3]分析了热带印度洋SST的多年平均和季节变化,对其基本特征有了较为一致的认识。就多年平均而言,10°S以北,除阿拉伯海西北部以外,SST的主要特征就是一个暖池,10°S以南等温线大致与纬带平行,且有很强的经向梯度;就季节变化而言,整个北印度洋SST在每年的4,5月最高,西南季风爆发后,SST迅速下降,一直到9月才开始上升。

在年际变化尺度上,很多学者分析了热带印度洋SST年际变化[4],并且认为印度洋上层海温是对ENSO的被动的响应[5]。Saji等[6]提出偶极子的概念,指出在某种异常情况影响下,热带印度洋可以发展类似ENSO,但独立于ENSO的变率,其中的海洋动力过程是重要的[7],之后关于印度洋的研究迅速增加[8-12]。

总的来说,已有研究涉及比较多的是SST,海洋内部的海温由于实际观测资料的缺乏研究较少,而Argo观测正好可以在一定程度上填补这种空白。

Argo计划是新一代全球海洋观测网计划的简称,即地转海洋学实时观测阵,也是1种自律式的拉格朗日环流剖面观测浮标的代名词。Argo浮标资料被广泛地运用在海洋温跃层和混合层等研究上。例如孙振宇等利用Argo资料和Krig差值对热带印度洋海盆尺度的混合层深度空间特征和季节变化规律进行了讨论,结果表明,Argo资料可以很好地应用在热带印度洋的研究上[13]。芦静等利用Argo资料计算准全球海洋夏季的混合层深度,并与Levitus资料计算所得的混合层深度进行了比较,结果发现,Argo资料分层较细,计算结果比较准确[14]。王彦磊等基于Argo浮标温度剖面资料,计算温度跃层特征参数,判定跃层的类型,绘制了世界大洋四季温度跃层特征分布图,并初步揭示了世界大洋温度跃层深度和强度的分布规律及其冬、夏2季的变化规律[15]。本文利用Argo再处理资料对热带印度洋的海温变化规律进行全面研究。由于海洋大气是1个耦合系统,在研究印度洋海温的同时,还利用NCEP风场资料对海温变化与风的关系进行探讨。

1 资料与处理

采用的Argo资料来自Scripps Institution of Oceanography,是经过处理的月平均格点温盐数据,时间从2004年1月—2008年8月。该资料水平分辨率为1(°)×1(°),垂直方向共有58层,为非等间距分布。为了进行对比,本文还分析了多年气候月平均Levitus海温资料,其水平分辨率为1(°)×1(°),垂直方向共有19层。所用的风场资料为月平均的NECP资料,时间从1948—2009年3月,水平分辨率为2.5(°)×2.5(°)。研究所关注的区域是500 m以上的热带印度洋。研究方法主要有平均分析、均方差分析、相关分析和功率谱分析等。

2 结果与分析

2.1 热带印度洋不同深度的平均海温及其均方差分布

Argo资料层数较多,难以逐层分析,经过分析比较,选取2.5,50,100,150,200,300,400和500 m比较有代表性的深度共8层进行研究。2.5 m层是Argo资料的最上层,其海温代表SST。图1给出的是Argo资料的8个代表层平均海温分布。由图可见,在2.5和50 m深度,西北阿拉伯海海温等值线与海岸线平行,阿拉伯海东南、西南孟加拉湾和赤道东印度洋存在明显的高值中心,10°S以南等温线大致与纬带平行。在100 m深度,海温高值中心位于阿拉伯海中部和赤道东印度洋,5°S～10°S附近的西南印度洋存在1个显著的低温中心,10°S以南等温线与纬带有更好的平行性,20°S以南海温随纬度升高而减小。在150～500 m深度,海温最低出现在以5°S附近为中心的带状区域,最高则出现在以20°S中心的副热带环流西部区域,10°S附近的海温经向梯度最大,阿拉伯海海温的经向分布减弱,海温随纬度升高而增大,孟加拉湾的海温等值线很稀疏,在200 m以下的整个热带印度洋海温梯度则随深度增加而减小。

图1 热带印度洋8个代表层4 a的平均海温分布(根据Argo资料)Fig.1 4-years mean sea temperature in eight different depths of the tropical Indian Ocean(from Argo)

图2给出的是根据Argo资料计算的8个代表层的海温标准差分布。由图可见,2.5,50和100 m深度海温标准差较大,最大值在2℃以上。在2.5 m深度上,西北阿拉伯海的海温标准差等值线沿海岸线分布,东南阿拉伯海、西南孟加拉湾和赤道东印度洋存在海温标准差低值中心,海温标准差最大值位于30°S左右。对比图1可见,在此深度上,平均海温高的地方,海温标准差小,反之亦然,两者的分布型基本一致。在50 m深度上,海温标准差等值线较密,高值中心位于5°S～10°S附近的西南印度洋,阿拉伯海东南部、孟加拉湾和赤道东印度洋仍然是低值中心。在100 m,海温标准差值最大达2.7℃,等值线最密,高值中心位于西南阿拉伯海、赤道东印度洋和5°S～10°S附近的带状区域。150和200 m深度的海温标准差高值中心位于西南阿拉伯海。其余3个深度的海温标准差等值线很稀疏,值也小。整体看来,次表层的海温变化最大。

作为对比,本文还给出了基于Levitus资料计算的平均海温和海温标准差分布。结果表明,两者之间差别最大的深度出现在50～150 m。为简洁起见,在此仅给出100 m深度的比较结果(见图3)。其中图3a是Argo资料与Levitus资料100 m深度平均海温之差,图3b是根据Levitus资料计算的100 m深度海温标准差。由图可见,在此深度上平均海温差是比较大的,最大值达到-1℃以上,基于Levitus的海温标准差分布与Argo资料有很大不同,标准差数值也明显小于后者。这表明Argo资料与Levitus资料在反映基本海温特征时也有所不同,以下的分析将仅对Argo资料进行。

图2 热带印度洋8个代表层的海温标准差分布(根据Argo资料)Fig.2 Standard deviation of sea temperature in eight different depths of the tropical Indian Ocean(from Argo)

图3 100 m深度的平均海温之差(Argo资料减Levitus资料)(a)和由Levitus资料计算的100 m深度海温标准差(b)Fig.3 Annual mean sea temperature difference(Argo minus Levitus)at 100 m(a)and standard deviation of sea temperature at the same depth from Argo(b)

2.2 热带印度洋不同区域海温变化特征

为了进一步研究热带印度洋上层海温的时空变化规律,根据海温平均和海温标准差的分布特点,选取了2对有代表性的区域进行分析,它们分别是阿拉伯海和孟加拉湾、印度洋东部和西部区域,水平范围分别为50°E～77°E,7°N～30°N和77°E～100°E,7°N～25°N,90°E～110°E,10°S～10°N和50°E～70°E,10°S～10°N。

图4给出的是阿拉伯海和孟加拉湾不同深度海温的季节变化特征。这里的季节变化利用气候平均的12个月海温减年平均海温表示,这样可以更好地看出哪些月份的海温高于年平均,哪些月份低于年平均,也可以方便地看出哪个深度海温季节变化幅度大,哪个深度小。由图4可见,在50 m以上,阿拉伯海和孟加拉湾冬季和夏季海温低,春季和秋季海温高,都以0.5 a为显著周期,尤其是阿拉伯海更显著,但变化并非完全对称,冬季的温度要低于夏季,春季则高于秋季。在50～200 m,阿拉伯海春季和夏季海温高,秋季和冬季海温低,孟加拉湾则是冬季和春季海温高,夏季和秋季海温低,都以1 a为显著周期。不同季节最大海温变化出现的深度可能不同,而且阿拉伯海和孟加拉湾不完全一致。在阿拉伯海,从冬季到夏季SST变化最大,而在11月份,100 m深度的海温变化最大;在孟加拉湾,冬春季的SST变化最大,但3月份左右100 m深度的海温变化也很大,至于夏秋季节,则是100 m深度的海温变化明显大于SST。

为了研究阿拉伯海和孟加拉湾海温之间的关系,计算了2个区域海温原序列之间的超前滞后相关系数(见图5)。由图可见,在50 m以上的深度,阿拉伯海与孟加拉湾海温变化基本同步,相关系数在0.7以上,50～150 m之间,阿拉伯海海温变化超前孟加拉湾的3～4个月负相关达最大。在150 m以下,在阿拉伯海海温变化超前孟加拉湾的2个月负相关达最大。

图4 阿拉伯海和孟加拉湾不同深度海温的季节变化特征Fig.4 Seasonal cycle of sea temperature averaged over the Arabian Sea and the Bay of Bengal,as a function of depth and time

图5 阿拉伯海和孟加拉湾海温超前滞后相关的深度-时间分布图Fig.5 The leading and lag correlation between regional mean sea temperature in the Arabian Sea and that in the Bay of Bengal

图6给出的是印度洋东西部区域不同深度海温的季节变化特征。需要说明的是,西部区域的范围与Saji等[6]定义的相同,东部区域则有差别。由图可见,在50 m以上,西部区域冬季和夏季海温低,春季和秋季海温高,呈现半年显著周期;东部区域则是秋季和冬季海温低,春季和夏季海温高,以1 a为显著周期。在50～200 m深度,东西区域海温皆呈现明显的半年周期变化,但位相有所不同。西部区域2月和3月以及7月到9月海温高,4,5和10～1月海温低;东部区域则是1～3月和8～10月海温低,而在4～7月和11～12月海温高。200～500 m深度的海温变化较小,但位相与50～200 m深度的基本相同。除个别月份,1 a中最大海温变化皆出现在100 m深度附近。

图7给出的是东西部区域海温原序列之间的超前滞后相关系数。由图可见,在50 m以上,西部区域海温超前东部海温的1个月达最大正相关;在50 m以下,这2个区域的海温在同期有最大负相关;而在100 m以下,2个区域的海温在相距3个月时有最大的正相关。从此图也可以看出显著的0.5 a周期。

图6 同图4,但为印度洋西部(a)与东部区域(b)Fig.6 Same as Fig.4,but for the western(a)and eastern(b)region

7 同图5,但为印度洋西部与东部海温之间的超前滞后相关Fig.7 Same as Fig.5,but for the leading and lag correlations between regional mean sea temperature in the western region and that in the eastern region

2.3 热带印度洋海温显著周期的水平分布

为了进一步揭示热带印度洋海温变化的规律,利用连续功率谱方法对上述8层海温进行了分析(见图8)。图中的等值线表示计算的谱与理论谱的比值,此值>1表明周期显著,且数值越大显著周期越可信。

图8 不同深度的海温1 a和0.5 a周期空间分布Fig.8 Spatial distribution of significant period of sea temperature in the tropical Indian ocean at different depths

图8显示,热带印度洋海温存在显著的1和0.5 a周期变化,但显著周期的空间分布有很大不同。从图8a中看出1 a周期显著的区域有:2.5 m的西北孟加拉湾、赤道中东印度洋和5°S以南的热带印度洋,50 m以下的东南阿拉伯海和100 m以下的西北孟加拉湾,以及2.5～500 m的热带东南印度洋。海温1 a周期最显著的区域是2.5 m的70°E～90°E,10°S以南的热带印度洋。从图8b中看出海温以0.5 a为显著周期的区域有:2.5 m的阿拉伯海、西孟加拉湾和赤道西印度洋,50 m的西北阿拉伯海,50～500 m的赤道东西印度洋。海温0.5 a周期最显著的区域是2.5 m的阿拉伯海。在50°E～70°E,5°S～10°S区域50 m海温也呈现显著的0.5 a周期,此区域即为西南印度洋“穹窿”位置;它是整个热带印度洋温跃层最浅的地方,因而是次表层影响海表温度的关键区域[16]。

2.4 有关机制分析

本文已经从时间与区域平均、均方差、相关分析和功率谱分析等方面对热带印度洋上层海温的时空变化进行了分析,下面对有关机制进行一些探讨。

在影响海温分布与变化的诸多因子中,海洋环流起重要作用[1-3]。为此本文首先利用Argo温度和盐度资料计算了地转流(参考面取为1 000 m),并初步分析了它在海温分布中的作用。作为例子,仅给出年平均的100 m深度的地转流分布图,为方便起见,同时叠加上此深度年平均的海温(见图9)。

图9 热带印度洋年平均100 m深度的地转流(cm/s)和海温分布图Fig.9 Annual mean geostrophic flow(cm/s)and sea temperature at 100 m depth in the tropical Indian Ocea n

由图9可以看出,地转流与海温有比较好的配置关系。例如阿拉伯海的海温高值中心对应反气旋式的顺时针环流,赤道中部附近的强的东向流对赤道东印度洋暖池的形成有重要作用,在5°S附近的西南印度洋海温低值中心对应气旋式的顺时针环流,10°S附近大的经向温度梯度对应强的纬向流,以及南印度洋副热带环流与海温高值区域等均有较好的对应。不仅如此,海洋环流的变化可以引起海温很大的变化,例如图2中100～200 m深度海温均方差在索马里沿岸附近的高值中心就与那里的西边界流有大的变化密切相关[17]。

分析热带印度洋海温变化显著周期的形成原因:首先是年周期,赤道以南的热带印度洋基本都是广阔的海洋,陆地影响小,表层的温度变化主要受太阳辐射的影响,由于太阳辐射高度角的年变化,太阳辐射随季节呈现有规律的变化,热带印度洋接收的辐射也发生年变化,因此形成1 a的显著周期;赤道东印度洋、东南阿拉伯海和西北孟加拉湾表层海温的年周期也主要受太阳辐射的影响;表层以下具有年周期的海区其年变化应该跟风关系密切,因为热带海洋上层的海温主要取决于海水的垂直混合,在上升流处,海温较低,在下沉处,海温较高,而海水的垂直运动由水平流场的辐合辐散决定,所以热带印度洋上层海温的年变化与风场有密切关系。由于东南热带印度洋海表异常东风会激发产生西传的下沉Rossby波,本文推断东南阿拉伯海和西北孟加拉湾表层以下其余深度海温的年周期可能与Rossby波和沿岸Kelvin波也密切相关[18-19]。

阿拉伯海和孟加拉湾西部表层海温具有0.5 a显著周期与印度季风密切相关[1]。夏季热带印度洋盛行西南风,由于阿拉伯海和孟加拉湾的东南方向上是宽阔的海洋,强烈的西南季风引起了东南向的Ekman输运,表层下面的冷水上涌,使得这2个区域表面海温比较低。同时强的蒸发冷却和多的云量也有利于海温降低。1年4季中春季和秋季海温比较高,夏季海温反而比较低,冬季海温更低,所以在表层这2个区域海温的显著周期是0.5 a。

赤道西印度洋表层海温的0.5 a显著周期仍然主要受季风影响,而赤道东西印度洋表层以下海温的0.5 a周期,可能与Wyrtki急流有关。这个急流出现在春秋过渡季节,与印度洋赤道纬向西风相联系[17],在季风和Wyrtki急流造成的赤道水位半年波动共同驱动下,较深层的赤道东西印度洋海温形成0.5 a的显著周期。

2.5 2006和2007年热带印度洋海温变化与表面风场的关系

在Argo观测期间的2006年和2007年,热带印度洋连续发生了正偶极子事件。这是十分少见的现象[20],值得研究。图10给出的是2006年和2007年的海表面异常风场、旋度场和海温异常场的季节分布。这里的异常场是指去掉2004—2008年的平均态后的场。由图可以清楚地看到这2 a秋季东南赤道印度洋的海表面异常风速较大,2006年秋季东南印度洋和赤道盛行东风异常,而2007年秋季东南印度洋和赤道盛行西风异常。从图10a中看出,东南热带印度洋对应的风场是强的异常东南风并且出现海温负异常,这存在1个正反馈过程[21]。该海区表层海水向西进行Ekman输运,东南风和赤道地区弱的西风之间的负涡度使下层的冷水上翻从而导致海洋温跃层变浅,海区海温降低,上空对流减弱,致使对大气的加热减弱,从而激发下沉Rossby波,并在低层产生异常反气旋环流,这将加强气候平均的东南风,通过表面蒸发、垂直混合和沿岸上翻流的加强,使东南热带印度洋的海表温度进一步降低。这样的正反馈过程使海温变化东冷西暖的形式更加显著。冬季,东南热带印度洋主要受西北风控制,对应的负反馈过程[21]大大削弱了夏秋季海温变化东冷西暖的分布。从图10b中看出,由于东南热带印度洋对应的风场是西风异常,虽然也对应海温负异常,这同样可以看作是一个负反馈的过程,因而2007年热带印度洋东西部海温反相变化不如2006年的大,即2007年的正偶极子强度弱于2006年的。从以上分析可知赤道异常东风会促进海温变化东冷西暖的分布;赤道异常西风会削弱海温变化东冷西暖的分布,海表面风场的分布是造成2006和2007年偶极子强度不同的一个主要因素。

图10 2006,2007年4个季节海表面风与旋度及2.5 m深度温度的异常场Fig.10 Anomalies of sea surface wind,its curl and sea temperature at 2.5 m in four seasons of 2006 and 2007

图11是印度洋偶极子区域[6]海温异常随深度和时间变化分布图。由图可以看出2006年和2007年在表层以下深度的海温变化也有很大不同,而且总的来说,偶极子东部区域海温变化最大的幅度要大于西部区域,且出现的深度要深,前者约为100 m,而后者约为75 m。这可能与气候平均的温跃层深度的差异[21]有关。

图11 2004—2008年的印度洋偶极子区海温异常随深度的变化Fig.11 The vertical distribution of anomalies of sea temperature from 2004 to 2008

3 结论

利用Argo再处理资料和NCEP风场资料对热带印度洋2.5～500 m深度的海温变化的时空变化特征,以及与风场的关系进行分析研究,得到一些有意义的结论:

(1)次表层的海温变化最大,尤其在10°S～10°N之间的赤道印度洋。

(2)表层的阿拉伯海与孟加拉湾海温变化基本同步,表层以下的阿拉伯海海温变化超前孟加拉湾的2～4个月。表层的偶极子西部区域海温变化超前东部的1个月;表层以下,这2个区域海温变化同步。

(3)热带印度洋海温存在显著的年周期和半年周期。年周期主要存在于:2.5 m的西北孟加拉湾、赤道中东印度洋和5°S以南的热带印度洋,50 m以下的东南阿拉伯海和100 m以下的西北孟加拉湾,以及2.5～500 m的热带东南印度洋。海温1 a周期最显著的海区是2.5 m的70°N～90°N,5°S以南的热带印度洋。0.5 a周期主要存在于:2.5 m的阿拉伯海、西孟加拉湾和赤道西印度洋,50 m的西北阿拉伯海,50～500 m的赤道东西印度洋。海温0.5 a周期最显著的海区是2.5 m的阿拉伯海。

(4)海温变化存在年周期主要受太阳辐射年变化的影响,还与风场分布有关,与Rossby波和沿岸Kelvin波也密切相关。表层海温的半年周期与季风和Wyrtki急流有关。

(5)2007年正偶极子强度弱于于2006年的主要原因之一是这2 a尤其是秋季海表面异常风场不同,另1个主要原因则可能是2007年发生了La Ni?na事件,对偶极子有一定的影响。

最后,本文需要讨论的一个问题是2007年的正偶极子和La Ni?na同时发生,并且在2006年正偶极子之后,这是十分少见的现象,在已有的历史记录上仅有2次,1次是1967年正偶极子和La Ni?na连续发生,另1次是1913年和1914年正偶极子连续发生。根据以上研究,本文推断2007年的正偶极子的发生可能是2006年发生正偶极子时,从苏门答腊岛传出的沿岸上升Kelvin波变成了上升Rossby波,这两种上升波向赤道辐合,并传播到偶极子中心地区,这加强了该中心区域的上升流,改变了海温梯度从而形成的。

致谢:感谢在研究中提供帮助的老师和同学,以及在百忙之中审稿的专家。

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Study on the Sea Temperature of the Tropical Indian Ocean by Using Argo Data

SUN Sha-Sha,HU Rui-Jin
(Physical and Environmental Oceanography Laboratory and Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

Based on the Argo data and the NCEP surface wind data,the spatial distribution of sea temperature,the significant periods of it and the relationship between sea temperature anomaly and surface wind in tropical Indian Ocean are studied.It is showed that in the surface,Arabian Sea,Bay of Bengal and the equatorial eastern Indian Ocean are not only warm center but also low-value center of standard deviation.Overall,the sea temperature anomaly of sea surface temperature in areas with high sea temperature is small,and the two distribution patterns are consistency.In the subsurface and deeper layers,the southwest tropical Indian Ocean is warm.On the contrary,East-west equatorial Indian Ocean is cold.Compared with surface and deeper layers,subsurface has the biggest sea temperature anomaly in the tropical Indian ocean.Sea temperature of the tropical Indian Ocean has significant periods,and in different areas and depths there are different significant periods.The sea temperature anomalies of surface and subsurface are formed of the interaction between the atmosphere and the ocean.The one-year significant period is effected by the solar radiation、Rossby waves and coastal Kelvin waves;the half-one-year significant period is related with monsoon and Wyrtki Jet.The sea temperature anomaly in the deep layer has some important relationship with the Indian Ocean internal dynamic interactions such as currents.Both sea surface wind and La Nina are the causes of the different positive dipole intensity in 2006 and 2007.

tropical Indian Ocean;sea temperature;Argo;surface wind

P732.3

A

1672-5174(2010)09-015-09

国家重点基础研究规划项目(2007CB816004);国家自然科学基金项目(40830106,40921004,41076004)资助

2009-07-07;

2009-10-10

孙莎莎(1985-),女,硕士生。E-mail:sunss-08@163.com

责任编辑 庞 旻