吳克儉,石永芳,張曉爽

(1. 中國海洋大學,山東 青島 266100; 2. 國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061; 3. 青島海洋科學與技術國家實驗室,山東 青島 266237; 4. 國家海洋局國家海洋信息中心海洋環(huán)境信息保障技術重點實驗室,天津 300171)

從波浪到厄爾尼諾

吳克儉1,石永芳2,3,張曉爽4

(1. 中國海洋大學,山東 青島 266100; 2. 國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061; 3. 青島海洋科學與技術國家實驗室,山東 青島 266237; 4. 國家海洋局國家海洋信息中心海洋環(huán)境信息保障技術重點實驗室,天津 300171)

繞極流海域存在全球最大的波浪輸運量,遇陸地阻隔,在大洋東岸形成連接高緯度與低緯度之間涌浪的經(jīng)向輸運通道。本文分析了存在于南極繞極波(ACW)中的波浪信號以及來自繞極流海域涌浪的東向強化特征,并進一步從理論分析及定性計算的角度研究了波浪誘導的經(jīng)向輸運對東赤道太平洋海表面溫度變化的影響,提出了波浪過程對厄爾尼諾影響的全新觀點。未來工作中,我們將在海浪-海流-大氣耦合模式中考慮波浪的大尺度效應,深入探究波浪在大氣海洋動力過程中的重要作用。

波浪; 海表面溫度; 厄爾尼諾

引言

波浪是時刻存在于海-氣界面的一種運動形態(tài),被視為時空尺度較小的海洋過程。在旋轉(zhuǎn)的海洋中,由于波浪運動的持續(xù)性,即使考慮很小的粘性,波浪也會存在大尺度效應,波浪的大尺度效應主要表現(xiàn)在三方面:波浪對大洋環(huán)流的驅(qū)動作用[1-2]、波浪對Ekman層能量的輸入[3-5]及波浪輸運對大洋熱量再分配的影響[6-9]。

20世紀90年代研究發(fā)現(xiàn),南大洋內(nèi)存在時間尺度為年際尺度的向東傳播的距平信號,稱此低頻信號為南極繞極波(ACW)。南極繞極波的信號存在于南極繞極流區(qū)域的海表面壓強(SLP)、經(jīng)向風應力(MWS)、海表面溫度(SST)和海冰覆蓋(SIE)距平場中,此距平信號表現(xiàn)了明顯的向東傳播的特征,具有4～5 a的周期,并且需要8～10 a的時間繞緯圈一周[10]。隨后的研究顯示,波浪與ACW信號具有顯著的一致性,同樣保持周期性的由西向東的傳播特征[9]。但是,與ACW中的SLP、MWS、 SST及SIE變量不同,自西向東傳播的波浪遇到澳大利亞和南美洲大陸的阻擋后,會向東北方向轉(zhuǎn)折形成涌浪并且在大洋東岸堆積向赤道方向傳輸。Chen et al.[11]通過分析衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)大洋東邊界涌浪強化的事實,即“涌浪池”的存在。Deng et al.[12]進一步證明了南大洋的風浪遇陸地阻隔而形成大洋東岸的涌浪是“涌浪池”的主要源頭。可見,大洋東岸的涌浪是連接南大洋與東赤道太平洋的重要動力過程。

赤道東太平洋海溫異常(ENSO)是地球系統(tǒng)中最為重要的一種海氣相互作用現(xiàn)象,它對全球大氣海洋動力過程有重要的影響。因此,ENSO一直是國際大氣和海洋學研究的熱點課題之一。除了熱帶西太平洋通過緯向過程對ENSO產(chǎn)生重要影響外,許多研究發(fā)現(xiàn),高緯度地區(qū)大氣和海洋的異常信號也可以通過經(jīng)向過程影響熱帶海洋[13-15]。本文企圖建立大洋東岸的高緯度到低緯度之間的橋梁,將波浪過程對該方面的相關研究成果進行簡要概述及回顧,說明南大洋海域的波浪通過經(jīng)向過程對ENSO影響的物理過程及可能的動力機制。

1 涌浪的東向強化

圖1給出了多年月平均全球波浪在不同季節(jié)的周期分布。1月,波浪平均周期分布的最突出特點是出現(xiàn)東向強化的現(xiàn)象,波浪在太平洋及北大西洋的東邊界平均周期普遍較大。4月,北半球波浪的平均周期減小普遍小于10 s,而在幾乎覆蓋整個南半球的區(qū)域均大于10 s。到7月,南半球的波浪平均周期繼續(xù)增大,最大值出現(xiàn)在澳大利亞西北沿岸,約在14 s。10月,波浪的平均周期呈現(xiàn)出東傳的現(xiàn)象,南印度洋的平均周期減小,而南太平洋的平均周期增大,由于東傳現(xiàn)象及陸地的影響,此時,整個太平洋東岸的平均周期均增大。值得注意的是,雖然波浪的平均周期隨季節(jié)不同變化較大,但是在南太平洋的東岸,波浪的平均周期幾乎全年都在10 s以上,說明南半球大洋東岸海域主要以涌浪為主并且以秋季和冬季最強。

圖1 1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)全球波浪周期(單位：s)的分布特征Fig.1 Global distribution of the wave period (unit: s) (a.January, b.April, c. July, d. October)

在實際大洋中一般很難定義某時某地的海浪輸運風浪或涌浪,但是當涌浪占優(yōu)時波向和風向會存在較大的偏差。圖2給出了全球平均風速方向(藍色箭頭)和波向(紅色箭頭)空間分布,可以看出,大洋東岸的風向和波向存在較大的差異,說明這一海域涌浪占優(yōu),這也印證了大洋東岸涌浪強化的事實。

圖2 波浪輸運方向(紅色箭頭)及平均風向(藍色箭頭)Fig.2 The directions of wave transport (red arrow) and the average wind (blue arrow)

以上數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示出南半球涌浪存在明顯的涌浪東向強化現(xiàn)象,Chen et al.[11]通過分析衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)大洋東邊界涌浪強化的事實,即赤道東太平洋“涌浪池”的存在。隨后的研究工作也進一步證明了南大洋的風浪遇陸地阻隔而形成大洋東岸的涌浪是“涌浪池”的主要源頭。

2 從波浪中發(fā)現(xiàn)繞極波

南大洋在全球范圍內(nèi)的氣候異常傳遞方面扮演非常重要的角色。近年科研工作者對于南大洋的研究過程中發(fā)現(xiàn),南大洋內(nèi)存在時間尺度為年際尺度的向東傳播的距平信號,稱此低頻信號為南極繞極波(ACW)(圖3)。南極繞極波的信號存在于南極繞極流區(qū)域的海表面壓強(SLP)、經(jīng)向風應力(MWS)、海表面溫度(SST)和海冰覆蓋(SIE)距平場中,此距平信號表現(xiàn)了明顯的向東傳播的特征,具有4～5 a的周期,并且需要8～10 a的時間繞緯圈一周。ACW的存在對于南半球的高緯度區(qū)域氣旋的數(shù)量和分布特征具有一定的影響[16-17],而充分成長的海表面波浪要素與風速具有直接的聯(lián)系[18],因此,南極繞極流區(qū)域的海表面波浪場與ACW之間必然會存在一定的聯(lián)系。

圖3 ACW示意圖Fig.3 Schematic diagram of ACW

圖4和圖5給出了有效波高(significant wave height, SWH)距平的時間-經(jīng)度圖,在圖中SWH年距平表現(xiàn)了明顯的4～5 a周期性,并且在1985—1995年時間段內(nèi)表現(xiàn)了明顯的向東傳播的特征。1985—1995年時間段內(nèi)這一傳播信號的一個獨立位相需要8 a左右的時間繞緯圈一周,并且在全球內(nèi)表現(xiàn)為兩個首尾相連的波長。雖然在1985—1995年時間段以外SWH距平信號的傳播性并不明顯,但1985—1995年時間段內(nèi)SWH距平的低頻特征與White and Peterson[10]給出的ACW定義較為一致。南極繞極流區(qū)域海表面壓強SLP,海表面溫度SST和海冰覆蓋SIE場中的ACW信號已經(jīng)被前人的研究工作所證明[19],并且指出ACW的信號只有在1985—1994年時間段內(nèi)較為明顯,此時間段之前或者之后,ACW信號的傳播性均不明顯。另一方面,海洋中的動量和熱量主要來源為風和太陽輻射,而波浪能量主要來源于風,波浪信號與ACW中的風信號直接相關。以上兩方面皆證明了SWH距平中的低頻信號與SLP、SST和SIE中的ACW信號具有顯著的一致性[9]。

圖4 1958—2001年有效波高(SWH)年距平(單位:m)在56°S緯圈上分布特征(陰影部分代表負距平)Fig.4 Time-longitude diagrams of interannual anomalies (unit:m) of the SWH along 56°S from 1958 to 2001(The negative anomalies are shaded)

圖5 1985—1995年有效波高(SWH)沿56°S緯圈的年距平(單位:m)分布特征(陰影部分代表負距平,50～150°E對應的是印度洋的特征,150°E～60°W對應的是太平洋的特征,60°W～50°E對應的是大西洋的特征)Fig.5 Time-longitude diagrams of interannual anomalies (unit:m) of the SWH along 56°S from 1985 to 1995 (The negative anomalies are shaded. The spannings of 50—150°E, 150°E—60°W and 60°W—50°E show the characteristics of the Indian ocean, the Pacific and the Atlantic, respectively)

存在于ACW中波浪信號,一部分自西向東繞地球傳播,一部分在傳播過程中遇到澳大利亞和南美洲大陸的阻擋后,向東北方向轉(zhuǎn)折形成涌浪并且在大洋東岸堆積向赤道方向傳輸。

至此,我們發(fā)現(xiàn)兩個觀測事實,即存在于繞極波中的波浪信號和大洋東岸的涌浪強化,大洋東岸的涌浪是由繞極流區(qū)傳播而來,同時涌浪攜帶著輸運和冷水。因此,大洋涌浪東邊界強化的發(fā)現(xiàn)為波浪產(chǎn)生的輸運存在向赤道的分量提供了一個有力的證據(jù),該證據(jù)不僅隱含了大洋東邊界的波浪輸運對海洋表層輸運有貢獻,而且還啟示我們進一步思考波浪是否會對大洋東岸SST有影響,是否會在大洋東岸建立高緯度和低緯度之間的橋梁。

3 從波浪到厄爾尼諾

在南、北中高緯度海域,常年盛行西風,風力強勁,風速大,特別是南半球,各大洋東西貫通,提供了較長的風區(qū),更有利于波浪的增大,波浪常年保持自西向東的較大輸運量。由上述的分析可以看出,波浪離開繞極流區(qū)變成涌浪向低緯度大洋東岸傳播,大洋東岸的涌浪在向低緯度傳播過程中攜帶大量的冷水,而這一過程必然會對赤道東太平洋SST異常產(chǎn)生一定的影響。

3.1 波浪對海表面溫度(SST)影響的理論分析

當波浪受地球自轉(zhuǎn)的影響,會產(chǎn)生作用于水體下方的科氏-斯托克斯力(CSF),從而導致難以置信的事實:小尺度的波浪現(xiàn)象也會產(chǎn)生大尺度效應。McWilliams and Restrepo[1]從理論上對波浪影響海洋環(huán)流進行了證明,分別將Stokes漂誘導的渦度力,Stokes漂物質(zhì)輸運等波浪特征作為邊界條件加入到海平面,壓強和垂向流速計算的動力學機制中,對經(jīng)典環(huán)流理論進行修正,并指出在較大的水平尺度上,海洋中存在的表面重力波對Sverdrup輸運具有非常重要的貢獻,并且在中高緯度區(qū)域波浪誘導的輸運與風生環(huán)流輸運能夠達到同等的量級。Lane et al.[20]從動力學上將波浪與流建立了相關關系,認為波浪對平均流的影響主要表現(xiàn)為Stokes漂的質(zhì)量輸運以及渦度力等動量影響的作用。對于水體示蹤物的平流輸運,波浪輸運與平均流具有同等作用。

上層海洋溫度變化方程[21]為:

(1)

在溫度平流變化項中加入Stokes漂影響,主要是對于熱輸送項進行修正,則修正形式的SST方程為:

(2)

其中

需要指出,當選取h為混合層深度時,由于混合層內(nèi)的流速梯度以及溫度梯度均較小,因此方程(2)中右側(cè)第四項(主要由平均流流速,波浪輸運流速和溫度的擾動量貢獻)為小量,為了簡化計算的復雜性,在進行定量計算的過程中將此項忽略掉。所以式(2)右側(cè)第三項即為浪致水平輸運對混合層平均溫度變化的貢獻項。

首先對影響SST變化的幾個物理量進行量綱分析,其中Tq、Tc、Ts和Tw分別為:熱通量項,海洋平均流熱輸送項,浪致熱輸運項,以及垂直卷挾項對SST變化的貢獻。各物理量的量級由以下表達式給出:

(3)

(4)

(5)

雖然在低緯度區(qū)域,波浪的平流熱輸送作用相對較弱,甚至可以作為小量忽略,但是波浪所誘導的平流熱輸運作用在南北半球中高緯度區(qū)域?qū)旌蠈訙囟茸兓呢暙I是非常顯著的,能夠與上層海洋平均流的平流熱輸運貢獻,熱通量項的貢獻達到同等量級,說明了波浪對混合層溫度變化過程的重要性。

3.2 波浪對SST影響的定性計算

選取30°S斷面,計算南—北向波浪輸運量,圖6a給出了南—北向波浪輸運的時間序列與Nino3指數(shù)的變化關系。由圖可知,1983、1987、1997及2009年赤道東太平洋SST正異常達到較大振幅(大于0.5 ℃),即發(fā)生厄爾尼諾事件。SST正異常達到較大振幅之前,北向的波浪輸運都有明顯的減小,即波浪由繞極流海域攜帶到赤道海域的冷水減少。圖6b給出了波浪輸運與Nino3指數(shù)的相關系數(shù)的時間序列,在Nino3指數(shù)滯后一年半左右的時間時,二者負相關系數(shù)最大,約為-0.4[22]。

雖然相關系數(shù)的大小可以更直觀地看出波浪輸運量與SST異常的相關關系,但針對赤道東太平洋SST異常的特殊過程而言,波浪輸運的貢獻可能大于-0.4的相關,這一特點可以從二者時間序列上明顯看出:在Nino3指數(shù)振幅較大的幾個年份(厄爾尼諾年),波浪輸運量的振蕩較劇烈,且二者的變化特征相吻合,而在一般的年份內(nèi),二者沒有明顯的相關關系。

圖6 30°S斷面波浪輸運與Nino3指數(shù)的時間序列(a)及二者的滯后相關系數(shù)(b)Fig.6 Time series of wave transport in 30°S cross-section and Nino3 index(a), and their lag correlation coefficient (b)

4 討論

海表面波浪的存在對于上層海洋具有不可忽視的影響,其影響不僅體現(xiàn)在海氣界面上的小尺度過程,同時,海表面波浪因其誘導輸運的存在,對于上層海洋的大尺度過程也具有不可忽視的影響。特別是繞極流海域存在全球最大的波浪輸運量以及南半球波浪輸運的東向強化特征,使其成為連接高緯度和低緯度動力過程之間的橋梁。本文的研究成果對于波浪在上層海洋中的作用提供了更全面的認識,對于波浪的大尺度效應的研究具有非常重要的意義。

水體輸運的變化是影響赤道東太平洋SST異常的原因之一。Alexander and Scott[23]利用海-氣耦合模式中的混合層方程中加入Ekman熱量輸運項,并設置若干組對比實驗驗證其對ENSO事件發(fā)生的影響,結(jié)果顯示,包含Ekman熱量輸運項的實驗中,赤道太平洋的溫度異常區(qū)域放大了1/3。Brown and Fedorov[24]估算了跨密輸運對熱帶太平洋暖水團體積變化及對ENSO事件的影響,其中總的水平輸運包括地轉(zhuǎn)流和Ekman輸運,研究發(fā)現(xiàn)1994—1995年弱的厄爾尼諾和1997—1998年強的厄爾尼諾年之間的暖水積累主要是由于南向水體輸運的減小和東向水體輸運的增加。但以往的研究工作中并未包含波浪誘導的水體輸運部分,由本文的分析可知,沿赤道由西向東的波浪輸運的暖水與大洋東岸北向的波浪輸運的冷水與赤道東太平洋的SST異常存在密切的關系,具體主要表現(xiàn)厄爾尼諾事件發(fā)生前,冷水輸運量減小,并且考慮到波浪在大洋東岸獨特的輸運特征,我們猜想波浪誘導的經(jīng)向輸運也是引起赤道東太平洋SST異常變化的重要部分。

基于本文的分析與討論,我們提出兩點思考:在大洋西邊界,西邊界流是聯(lián)系高緯度和低緯度的重要通道;在大洋東邊界,涌浪也是聯(lián)系高緯度和低緯度的通道,而波浪過程所起的作用及大小是怎樣的?White等從ACC區(qū)的SST、SLP、MWS異常中發(fā)現(xiàn)了繞極波(ACW)。我們從ACC區(qū)風對Ekman層的能量輸入和波浪對Ekman層的能量輸入中也發(fā)現(xiàn)了ACW。ACW是連接三大洋的紐帶,對氣候變化有非常重要的作用,波浪是否會對氣候變化有潛在的重要作用?為進一步深入研究以上幾個問題,未來工作中,我們將利用海浪-海流-大氣耦合模式,考慮波浪的大尺度效應,探究波浪在大氣海洋動力過程中的重要作用。

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FromthesurfacewavestotheElNio

WU Kejian1, SHI Yongfang2,3, ZHANG Xiaoshuang4

(1.OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.TheFirstInstituteofOceanography,stateOceanicAdministration,Qingdao266061,China; 3.NationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology,Qingdao266237,China; 4.TheKeyLaboratoryofMarineEnvironmentalInformationTechnology,NationalMarineDataandInformationService,StateOceanicAdministration,Tianjin300171,China)

There is the global largest wave transport in the area of the Antarctic Circumpolar Current (ACC), which establishes a transport channel between the high and low latitudes on the east coast of the ocean as it encounters land barrier. The wave signals present in the Antarctic Circumpolar Wave (ACW) and the eastward enhancement characteristics of the swell from the ACC are analyzed in this paper. The influence of meridional transport induced by wave on the surface temperature in the eastern equatorial Pacific Ocean is studied with theoretical analysis and qualitative calculation. A new view of the influence of wave process on El Nio is proposed. In the future research, the large scale effects of the waves will be considered in the air-sea coupling model, and the important role of waves in the process of atmospheric and ocean dynamics will be further explored.

wave; sea surface temperature; El Nio

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.002.(in Chinese)

2017-05-19；

：2017-07-06

國家重點研發(fā)計劃“海洋環(huán)境安全保障”重點專項(2016YFC1402000)

吳克儉(1966—),男,博士,教授,主要從事波浪大尺度作用及波流相互作用研究,kejianwu@ouc.edu.cn。

P732.6

： A

： 2096-3599(2017)03-0008-07

10.19513/j.cnki.issn2096-3599.2017.03.002

吳克儉,石永芳,張曉爽. 從波浪到厄爾尼諾[J].海洋氣象學報,2017,37(3):8-14.

Wu Kejian, Shi Yongfang, Zhang Xiaoshuang. From the surface waves to the El Nio[J].Journal of Marine Meteorology,2017,37(3):8-14.