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        2013年春季W(wǎng)yrtki急流變異及成因分析

        2017-06-22 14:36:14韓國(guó)慶段永亮王關(guān)鎖王輝武劉延亮王海員于衛(wèi)東
        海洋科學(xué)進(jìn)展 2017年2期
        關(guān)鍵詞:海表赤道西風(fēng)

        韓國(guó)慶,劉 琳,2*,段永亮,2,王關(guān)鎖,王輝武,2,劉延亮,2,王海員,馮 琳,2,于衛(wèi)東,2

        (1.國(guó)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(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266200; 3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

        2013年春季W(wǎng)yrtki急流變異及成因分析

        韓國(guó)慶1,劉 琳1,2*,段永亮1,2,王關(guān)鎖2,3,王輝武1,2,劉延亮1,2,王海員1,馮 琳1,2,于衛(wèi)東1,2

        (1.國(guó)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(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室,山東青島266200; 3.國(guó)家海洋局第一海洋研究所海洋環(huán)境數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)室,山東青島266061)

        通過(guò)分析深海潛標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際觀測(cè)海流數(shù)據(jù)對(duì)2013年赤道印度洋上層Wyrtki急流(WJ)的變異進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)WJ在2013年呈現(xiàn)明顯異常變化,主要表現(xiàn)為春季W(wǎng)J強(qiáng)度略強(qiáng)于同年秋季W(wǎng)J。再分析資料的分析結(jié)果也同樣驗(yàn)證此結(jié)論,而這與氣候態(tài)WJ的演化特征相反。在氣候平均態(tài)下,印度洋春季W(wǎng)J強(qiáng)度遠(yuǎn)弱于秋季W(wǎng)J強(qiáng)度。進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析與數(shù)值模式結(jié)果表明,2013年春季W(wǎng)J異常加強(qiáng)與赤道印度洋海表風(fēng)場(chǎng)變化密切相關(guān),而春季海表風(fēng)場(chǎng)的變化主要?dú)w因于2013年春季異常增強(qiáng)的季節(jié)內(nèi)振蕩(ISO)事件,發(fā)生在2013-05的ISO對(duì)流位相是導(dǎo)致春季印度洋海表西風(fēng)異常的直接原因。本研究揭示了中小時(shí)間尺度海氣相互作用可以影響更長(zhǎng)時(shí)間尺度海洋環(huán)流系統(tǒng)的年際變化。

        Wyrtki急流;季節(jié)內(nèi)振蕩;印度洋;年際變化

        印度洋是世界第三大洋,其獨(dú)特的地理特征決定了它別具特色的季風(fēng)性氣候。印度洋北側(cè)被亞洲大陸阻擋,南部為廣袤開闊的南大洋,獨(dú)特的地形分布以及太陽(yáng)輻射的年變化造就了印度洋處于強(qiáng)大的亞洲季風(fēng)系統(tǒng)影響下。在亞洲季風(fēng)系統(tǒng)控制下,印度洋特別是熱帶印度洋地區(qū)存在形式多樣的局地氣候及海洋環(huán)流系統(tǒng)[1-10]。印度洋冬季被東北季風(fēng)控制,夏季被強(qiáng)盛的西南季風(fēng)影響,春季和秋季分是冬季風(fēng)和夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)換期。赤道印度洋每年春季(4—5月)和秋季(10—翌年1月)出現(xiàn)兩次東向Wyrtki急流(WJ)[11],它發(fā)生在表層且流幅窄、流速?gòu)?qiáng),根據(jù)漂流浮標(biāo)觀測(cè),2°S~2°N平均的氣候態(tài)流速在春、秋季分別為50和70 cm/s[12-13]。該海流系統(tǒng)主要發(fā)生在(50°~80°E,3°S~3°N)的赤道印度洋區(qū)域內(nèi),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(duì)印度洋海盆尺度海氣相互作用產(chǎn)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(duì)IOD產(chǎn)生作用[15]。

        相對(duì)于太平洋與大西洋,印度洋海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)及觀測(cè)均處于起步階段。前人只能通過(guò)有限的衛(wèi)星遙感海面資料以及稀少的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料對(duì)WJ演化特征及影響機(jī)制進(jìn)行研究,更多則是利用數(shù)值模式對(duì)WJ的演化特征、發(fā)生和發(fā)展規(guī)律及控制因素進(jìn)行分析。2000年后印度洋海洋觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展,特別是它的重要組成部分“非洲-亞洲-澳大利亞季風(fēng)分析和預(yù)測(cè)研究錨系浮標(biāo)陣列(RAMA)”的建立為研究WJ的三維流速、溫-鹽結(jié)構(gòu)和多時(shí)間尺度變化等諸多細(xì)結(jié)構(gòu)提供了第一手資料?;赗AMA浮標(biāo)數(shù)據(jù),目前對(duì)WJ流量[21]、季節(jié)變化[22]和年際變化動(dòng)力學(xué)[23]有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。本文中,我們利用多普勒聲學(xué)剖面儀(ADCP)觀測(cè)的印度洋上層海洋海流剖面資料,結(jié)合多個(gè)海洋再分析數(shù)據(jù)集,對(duì)2013年春季W(wǎng)J進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)2013年春季W(wǎng)J強(qiáng)度與秋季W(wǎng)J強(qiáng)度相比略強(qiáng),這與氣候態(tài)WJ強(qiáng)度的特征不符。我們進(jìn)一步使用了POM數(shù)值海洋模式對(duì)2013年春季W(wǎng)J異常產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析和探討。

        (李 燕 編輯)

        1 數(shù)據(jù)及模式介紹

        1.1 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

        本研究使用了國(guó)家海洋局“全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)”2013年印度洋南部水體環(huán)境綜合調(diào)查春季航次所布放的深水潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。該航次于2013-03—05執(zhí)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(biāo)系統(tǒng)(圖1),現(xiàn)場(chǎng)水深4 200 m,潛標(biāo)主浮體設(shè)計(jì)深度350 m。主浮體上安裝的一套ADCP(頻率為150 K)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋上層海流剖面進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。ADCP觀測(cè)設(shè)置為垂直間隔16 m,時(shí)間間隔1 h。我們對(duì)ADCP原始資料進(jìn)行了插值處理,海流數(shù)據(jù)垂向間隔插值為10 m,時(shí)間分辨率為日平均。由于ADCP在海面附近受海表反射聲信號(hào)影響較大,本文中我們忽略了上層40 m內(nèi)數(shù)據(jù),只采用40~150 m深度觀測(cè)結(jié)果。ADCP從2013-04-05開始記錄數(shù)據(jù),2014-04-18終止記錄,時(shí)間范圍完整覆蓋了2013年春季、秋季W(wǎng)J過(guò)程。

        圖1 深水潛標(biāo)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(diǎn)處的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)(http:∥www.pmel.noaa.gov/tao/rama/)。OSCAR,GFDL和GODAS時(shí)間分辨率為月平均,RAMA數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)間跨度為2013-01—2013-12,覆蓋區(qū)域?yàn)?0°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(shí)間跨度為2013-01—12,覆蓋區(qū)域?yàn)?°~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(shí)間跨度為2013-01—12,覆蓋區(qū)域?yàn)?79°~80° E,81°S~90°N。本研究使用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為NCEP/NCAR再分析資料6 h平均三維風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(http:∥www. esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html)。NCEP/NCAR再分析資料是由美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國(guó)家大氣研究中心聯(lián)合開發(fā)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,水平空間分辨率為2°30'×2°30'。使用資料時(shí)間跨度為1958-01—2015-12,覆蓋區(qū)域?yàn)?°~357°30'E,90°S~90°N。向外長(zhǎng)波輻射(OLR)數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)國(guó)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(shí)間跨度為1974-01—2013-12,覆蓋區(qū)域?yàn)?°00'~357°30'E,90°S~90°N。

        1.2 POM模式簡(jiǎn)介

        Princeton Ocean Model(POM)是由美國(guó)普林斯頓大學(xué)Blumberg和Mellor在1977年共同建立起來(lái)的一個(gè)三維斜壓原始方程數(shù)值海洋模式,被當(dāng)今國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的河口、近岸海洋模式,模式模擬內(nèi)容主要有:潮流、風(fēng)生流、混合層和躍層、熱鹽環(huán)流、海洋環(huán)流和輸運(yùn)及與AGCM(大氣環(huán)流模式)和冰模式的耦合。垂向混合系數(shù)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(biāo),水平網(wǎng)格采用的是曲線正交坐標(biāo)系統(tǒng),變量空間配置使用“Arakawa C”網(wǎng)格,可以較好的匹配岸界。水平時(shí)間差分是顯式的,而垂直時(shí)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(qū)域設(shè)定在0°~360°E,89°45'S~90°15'N范圍內(nèi)。采用直角網(wǎng)格,東西劃分為721個(gè)網(wǎng)格,南北劃分為361個(gè)網(wǎng)格,空間水平分辨率為30'×30',垂向分為21層。模式采用實(shí)際水深。

        利用POM模式,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩組數(shù)值實(shí)驗(yàn),控制實(shí)驗(yàn)和敏感性實(shí)驗(yàn)??刂茖?shí)驗(yàn)利用氣候態(tài)大氣強(qiáng)迫場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)POM模式進(jìn)行強(qiáng)迫,敏感性實(shí)驗(yàn)利用2013年大氣強(qiáng)迫場(chǎng)對(duì)模式進(jìn)行強(qiáng)迫。兩組數(shù)值實(shí)驗(yàn)前均采用NCEP風(fēng)場(chǎng)對(duì)模式進(jìn)行強(qiáng)迫,從2008-01-01—2012-12-31,利用當(dāng)日輸出值作為兩組數(shù)值實(shí)驗(yàn)的初始條件。

        2 觀測(cè)資料分析

        圖2a給出了RAMA浮標(biāo)(80°30'E,0°)處緯向海流的氣候態(tài)時(shí)間演化圖。氣候態(tài)上來(lái)看,每年4月和11月赤道印度洋均出現(xiàn)WJ,且春季W(wǎng)J強(qiáng)度低于秋季W(wǎng)J。圖2b給出2013年ADCP觀測(cè)的日平均緯向流時(shí)間演化圖。如圖所示,ADCP完整觀測(cè)到2013年發(fā)生的2次WJ事件:春季W(wǎng)J盛期出現(xiàn)在2013-05,最大值達(dá)1.8 m/s,流速最大區(qū)覆蓋范圍最深處達(dá)110 m,強(qiáng)流區(qū)一直延伸到海洋內(nèi)部140 m處;春季W(wǎng)J自2013-05-25起開始減弱,強(qiáng)度由強(qiáng)盛期的1.8 m/s逐漸減弱為0.6 m/s;2013-06-04春季W(wǎng)J消亡。秋季W(wǎng)J于2013-11-26出現(xiàn),其東向流速大于0.5 m/s。2013-12月初,WJ迅速發(fā)展,強(qiáng)度達(dá)1 m/s;2013-12-20,秋季W(wǎng)J開始減弱,強(qiáng)度減弱為0.8 m/s;2013-12-25,秋季W(wǎng)J消亡;2014-01-04,赤道印度洋重新被西向流控制。ADCP觀測(cè)結(jié)果顯示,2013年WJ發(fā)展與WJ在氣候平均態(tài)情況下的春季弱、秋季強(qiáng)顯著不同,并且這一變化也與最近研究發(fā)現(xiàn)的春季W(wǎng)J減弱趨勢(shì)[24]不同,因此值得進(jìn)一步關(guān)注其發(fā)生和發(fā)展原因。

        為了進(jìn)一步了解ADCP實(shí)測(cè)資料揭示的2013年異常WJ現(xiàn)象,接下來(lái)我們分析了不同來(lái)源的3套海洋再分析資料產(chǎn)品,從而對(duì)2013年WJ變化的空間分布特征進(jìn)行全面把握。

        圖2 緯向海流時(shí)間-深度剖面圖Fig.2 Temporal evolution of zonal velocity

        圖3 經(jīng)向平均的赤道印度洋緯向流時(shí)間-經(jīng)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(guò)與ADCP實(shí)測(cè)資料比對(duì)(圖3d),我們發(fā)現(xiàn)3套再分析資料具有一致性的季節(jié)變化,即可以揭示春季W(wǎng)J與秋季W(wǎng)J以及春季W(wǎng)J強(qiáng)度略強(qiáng)于秋季W(wǎng)J,因此可以認(rèn)為3套再分析資料可以較好再現(xiàn)2013年春季和秋季W(wǎng)J事件。雖然3套再分析資料能夠再現(xiàn)2013年春季和秋季W(wǎng)J現(xiàn)象,但是三者之間也存在顯著差異。與ADCP實(shí)測(cè)結(jié)果相比較,GODAS資料對(duì)春季W(wǎng)J刻畫強(qiáng)于觀測(cè)約0.3 m/s,GFDL與OSCAR對(duì)春季W(wǎng)J現(xiàn)象的描述比觀測(cè)弱。對(duì)秋季W(wǎng)J刻畫上,3套再分析資料產(chǎn)品均表現(xiàn)出弱于觀測(cè)結(jié)果,幅度大約為0.5 m/s。雖然3套再分析資料與觀測(cè)結(jié)果存在一定偏差,但是3套再分析資料產(chǎn)品均可以較好把握2013年春季W(wǎng)J事件。因此我們可以從3套不同再分析資料產(chǎn)品出發(fā),對(duì)2013年春季W(wǎng)J現(xiàn)象的空間分布及時(shí)間演化特征進(jìn)行分析。圖3a、圖3b、圖3c分別是OSCAR,GFDL,GODAS三套再分析資料產(chǎn)品中緯向流在2°30'S~2°30'N范圍內(nèi)經(jīng)向平均的結(jié)果。結(jié)果表明,2013年春季W(wǎng)J在5月出現(xiàn),且強(qiáng)度強(qiáng)于秋季W(wǎng)J。其中GODAS資料中WJ現(xiàn)象最為明顯,強(qiáng)度最強(qiáng),最大值達(dá)1.5 m/s。GFDL資料中WJ強(qiáng)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(méi)有出現(xiàn)WJ,僅在12月出現(xiàn),WJ主要覆蓋60°~85°E之間區(qū)域。從3套不同的再分析資料產(chǎn)品可以看出,2013年春季W(wǎng)J強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于秋季W(wǎng)J,這與平均意義下的結(jié)果有所差別(圖2a)。

        Wyrtki最早提出WJ受季風(fēng)轉(zhuǎn)換期的赤道緯向風(fēng)影響,是西風(fēng)強(qiáng)迫下海洋的響應(yīng)[11]。Han等通過(guò)不同復(fù)雜性的模式進(jìn)一步確認(rèn)海表風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)迫是WJ的最主要驅(qū)動(dòng)機(jī)制[25]。圖4給出ADCP位置處2013年春夏季緯向風(fēng)場(chǎng)與海表緯向流的時(shí)間演化結(jié)果。結(jié)果顯示在該站位附近,春季海表緯向風(fēng)場(chǎng)與海洋上層流場(chǎng)存在較強(qiáng)相關(guān),兩者相關(guān)系數(shù)為0.39,通過(guò)99%信度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。伴隨海表風(fēng)場(chǎng)在4月底增強(qiáng),WJ開始出現(xiàn),并逐漸發(fā)展增強(qiáng)。鑒于海表風(fēng)場(chǎng)是WJ產(chǎn)生的重要因素[26-27],那么我們提出一個(gè)假設(shè):2013年春季強(qiáng)WJ的主要原因是2013年春季海表風(fēng)場(chǎng)異常增強(qiáng)所導(dǎo)致。

        圖4 2013年觀測(cè)點(diǎn)處NCEP緯向風(fēng)場(chǎng)和ADCP觀測(cè)的緯向流時(shí)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(shù)值模式模擬結(jié)果

        為理解2013年春季W(wǎng)J異常增強(qiáng)原因,我們通過(guò)海洋環(huán)流模式POM開展不同組別的數(shù)值實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步分析。首先,我們利用氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)對(duì)POM進(jìn)行強(qiáng)迫,開展控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M,檢驗(yàn)POM模式對(duì)WJ事件的模擬能力。圖5為控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果??刂茖?shí)驗(yàn)中,在東北季風(fēng)影響下,2013-01—03,赤道印度洋被西向流控制。2013-04,西南季風(fēng)開始在西南印度洋建立,赤道印度洋上空逐漸被緯向西風(fēng)控制,春季W(wǎng)J開始在赤道印度洋出現(xiàn)。2013-05,赤道印度洋海表西風(fēng)達(dá)到最強(qiáng),伴隨風(fēng)場(chǎng)的改變,春季W(wǎng)J達(dá)到盛期,最大值達(dá)到0.8 m/s。2013-06,隨著西南季風(fēng)北推,赤道印度洋上空西風(fēng)開始減弱,春季W(wǎng)J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(fēng)開始衰退,東北季風(fēng)逐漸建立,此時(shí)在赤道印度洋上空重新出現(xiàn)了強(qiáng)盛的西風(fēng)環(huán)流,秋季W(wǎng)J開始出現(xiàn)。2013-11,東北季風(fēng)開始建立,秋季W(wǎng)J亦達(dá)到一年中的第二個(gè)盛期。2013-12,隨著赤道印度洋上空的西風(fēng)開始衰退,秋季W(wǎng)J開始消失。

        控制實(shí)驗(yàn)表明,POM模式可以較好把握氣候態(tài)WJ事件,特別是春季W(wǎng)J的發(fā)生和發(fā)展變化規(guī)律。秋季W(wǎng)J雖然發(fā)生在2013-11,但春季W(wǎng)J比秋季W(wǎng)J強(qiáng)度略偏強(qiáng)。接下來(lái),我們利用2013年風(fēng)場(chǎng)資料對(duì)POM模式進(jìn)行強(qiáng)迫,來(lái)檢查POM模式對(duì)2013年WJ事件模擬情況。

        圖5 控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M的氣候態(tài)月平均印度洋緯向流(顏色填充)和NCEP風(fēng)場(chǎng)(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(shí)驗(yàn)得到的2013年印度洋海表月平均緯向流及海表風(fēng)場(chǎng)分布。在敏感性實(shí)驗(yàn)中,2013-04,印度洋海表風(fēng)場(chǎng)由東北季風(fēng)開始轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂霞撅L(fēng),赤道印度洋逐漸被西風(fēng)控制,春季W(wǎng)J開始出現(xiàn)。2013-05,赤道印度洋上空的西風(fēng)達(dá)到最強(qiáng),同時(shí)春季W(wǎng)J亦達(dá)到最強(qiáng),最大值達(dá)1.2 m/s,顯著強(qiáng)于控制實(shí)驗(yàn)中的春季W(wǎng)J強(qiáng)度。2013-06,春季W(wǎng)J開始消失。2013-11,赤道印度洋上空重新被西風(fēng)所控制,秋季W(wǎng)J開始出現(xiàn)。2013-12,秋季W(wǎng)J達(dá)到最強(qiáng),最強(qiáng)處流速達(dá)到0.8 m/s。從垂向結(jié)構(gòu)來(lái)看,敏感性實(shí)驗(yàn)對(duì)WJ垂向結(jié)構(gòu)模擬也與觀測(cè)符合較好(圖2c):春季W(wǎng)J峰值出現(xiàn)在5月并且最大深度可以達(dá)到水面以下150 m。模式模擬得到的秋季W(wǎng)J主流區(qū)范圍也小于觀測(cè)結(jié)果,在100 m水深處流速已不足0.1 m/s。雖然POM模式對(duì)2013年秋季W(wǎng)J模擬存在一定偏差,但是對(duì)春季W(wǎng)J的模擬與觀測(cè)較符合。

        圖7給出敏感性實(shí)驗(yàn)與控制實(shí)驗(yàn)的差別。圖7表明,2013年春季赤道印度洋出現(xiàn)異常增強(qiáng)的緯向西風(fēng),2013-05的海表風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度比氣候態(tài)強(qiáng)約5 m/s,而敏感性實(shí)驗(yàn)得到的赤道緯向流場(chǎng)比控制實(shí)驗(yàn)強(qiáng)約0.45 m/s。以上結(jié)果表明2013年春季W(wǎng)J確實(shí)受到海表風(fēng)場(chǎng)影響而產(chǎn)生及發(fā)展。圖8為區(qū)域平均(60°~85°E, 2°S~2°N)的海表風(fēng)場(chǎng)及模擬得到的海表流場(chǎng)在敏感性實(shí)驗(yàn)與控制實(shí)驗(yàn)中的差別。圖8表明,模式模擬得到的海表流場(chǎng)隨著強(qiáng)迫風(fēng)場(chǎng)的改變而進(jìn)行變化,二者具有較好相關(guān),風(fēng)場(chǎng)提前1周時(shí)兩者相關(guān)系數(shù)0.46,通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)WJ強(qiáng)度及變化與赤道印度洋風(fēng)場(chǎng)密切相關(guān)。

        圖6 敏感實(shí)驗(yàn)?zāi)M的2013年印度洋緯向流(陰影填充)和NCEP風(fēng)場(chǎng)(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(shí)驗(yàn)和敏感性實(shí)驗(yàn)之差(敏感性實(shí)驗(yàn)減控制實(shí)驗(yàn))Fig.7 Differences between sensitive run and control run

        圖8 控制實(shí)驗(yàn)和敏感性實(shí)驗(yàn)之差在(60°~85°E,2°S~2°N)7 d滑動(dòng)平均區(qū)域平均時(shí)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(qiáng)度受印度洋海表風(fēng)場(chǎng)控制。上一節(jié)的數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)2013年春季W(wǎng)J異常增強(qiáng)受赤道上空海表風(fēng)場(chǎng)影響。那么是什么原因?qū)е铝?013年赤道印度洋風(fēng)場(chǎng)異常增強(qiáng)?經(jīng)過(guò)分析, 2013年既非ENSO事件發(fā)生年份,也非IOD顯著發(fā)生年份,因此,可以排除這兩類太平洋、印度洋顯著年際時(shí)間尺度海氣相互作用對(duì)WJ的影響。

        熱帶印度洋是大氣季節(jié)內(nèi)震蕩(intraseasonal oscillations,ISO)發(fā)生和發(fā)展最完善的區(qū)域,ISO與印度洋地區(qū)的夏季風(fēng)暴發(fā)有著密切聯(lián)系[28-29]。而大氣低空西風(fēng)異常,是ISO對(duì)流位相的一個(gè)顯著特征,因此存在著2013年春季ISO影響赤道印度洋低空風(fēng)場(chǎng)的可能性。接下來(lái),我們進(jìn)一步檢查在2013-05,是否存在著ISO的對(duì)流位相。圖9給出了30~90 d帶通濾波后OLR與海表風(fēng)場(chǎng)的侯平均結(jié)果。圖9表明,2013-04中旬,ISO對(duì)流位相控制著熱帶中東印度洋,赤道印度洋海表西風(fēng)為正距平。同時(shí),ISO抑制對(duì)流位相在西印度洋開始出現(xiàn),并逐漸東傳,于4月底傳到中東印度洋,赤道印度洋海表風(fēng)場(chǎng)亦呈現(xiàn)西風(fēng)負(fù)異常,該抑制對(duì)流位相產(chǎn)生的低空東風(fēng)距平不利于春季W(wǎng)J的產(chǎn)生與發(fā)展。與此同時(shí),ISO對(duì)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(qiáng)大的西風(fēng)控制。因此,2013-05月初的ISO對(duì)流位相是5月赤道印度洋低空西風(fēng)異常的直接原因,并進(jìn)一步使得2013年春季W(wǎng)J異常增強(qiáng)。

        以上分析可以發(fā)現(xiàn),2013-05在赤道印度洋出現(xiàn)了異常增強(qiáng)ISO對(duì)流位相,進(jìn)而進(jìn)一步激發(fā)了赤道印度洋上空的強(qiáng)烈西風(fēng)距平,從而誘使了春季W(wǎng)J的異常增強(qiáng)。ISO對(duì)WJ的影響不僅限于2013年,2011年開展的國(guó)際大型ISO聯(lián)合研究計(jì)劃SINDY/DYNAMO執(zhí)行期間,聯(lián)合觀測(cè)團(tuán)隊(duì)同樣發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象,2011年秋季的一次ISO對(duì)流位相事件,同樣引發(fā)了赤道印度洋上層出現(xiàn)了強(qiáng)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(fēng)距平時(shí)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(jié) 論

        利用“全球變化與海氣相互作用”專項(xiàng)布放的深海潛標(biāo)觀測(cè)資料及3套不同來(lái)源海洋再分析資料,本文對(duì)2013年赤道東印度洋WJ現(xiàn)象進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)2013年春季W(wǎng)J呈現(xiàn)異常變化特征,主要表現(xiàn)為春季W(wǎng)J強(qiáng)度略強(qiáng)于秋季W(wǎng)J,這與氣候態(tài)平均意義下的WJ年變化不同。進(jìn)一步分析表明,2013年赤道印度洋海表風(fēng)場(chǎng)異常變化是導(dǎo)致春季W(wǎng)J異常的主要原因。而2013-05出現(xiàn)在赤道印度洋區(qū)域的ISO對(duì)流位相是赤道印度洋低空西風(fēng)距平產(chǎn)生的直接影響因子。最后,我們利用POM數(shù)值模式對(duì)2013年WJ現(xiàn)象進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果可以反映上述特征,特別是2013年春季W(wǎng)J強(qiáng)于秋季W(wǎng)J,并進(jìn)一步證實(shí)2013-05出現(xiàn)在赤道印度洋區(qū)域的ISO對(duì)流位相所誘導(dǎo)的西風(fēng)距平是春季W(wǎng)J變化的主要原因。本研究表明,作為季節(jié)內(nèi)時(shí)間尺度變化的ISO事件可以對(duì)WJ事件在年際時(shí)間尺度上進(jìn)行調(diào)制,從一個(gè)方面反映了小尺度海氣相互作用過(guò)程對(duì)大尺度海洋環(huán)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(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目——太平洋印度洋對(duì)全球變暖的響應(yīng)及其對(duì)氣候變化的調(diào)控作用(2012CB955601);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——全球變暖背景下印度洋年際時(shí)間尺度海氣相互作用對(duì)季節(jié)內(nèi)振蕩的影響(41376037);國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)項(xiàng)目-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目——海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)和數(shù)值模擬(U1606405);全球變化與海氣相互作用專項(xiàng)項(xiàng)目——季風(fēng)變化對(duì)印度洋東部和南海南部上升流生態(tài)系統(tǒng)的影響(GASI-03-01-03-03),熱帶印度洋海洋過(guò)程與海氣相互作用(GASIIPOVAI-02),太平洋-印度洋與亞洲季風(fēng)的相互影響(GASI-IPOVAI-03)和東印度洋南部水體綜合調(diào)查春、秋航次(GASI-02-IND-STSspr,GASI-02-IND-STSaut)

        韓國(guó)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(yáng)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

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