袁 欣, 王慶業(yè)

呂宋海峽附近海域海表面高度季節(jié)內變化

袁 欣1, 2, 3, 王慶業(yè)1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

利用1993~2017年海表面高度異常數(shù)據(jù)集, 分析研究了西北太平洋季節(jié)內變化(20~120 d)的整體分布特征, 結果表明空間上季節(jié)內信號在20°N附近海域(16°~24°N)最強, 時間上在6~8月達到一年中的最大值。在呂宋海峽東側(123.875°E, 20.125°N)季節(jié)內信號周期(70 d)和傳播速度(10.7~12.7cm/s)均大于呂宋海峽西側(119.625°E, 20.125°N)(60 d, 6.5~7.8cm/s)。在大洋內部(123°~140°E, 18°~24°N)存在準90 d的周期信號, 傳播速度約10.3cm/s。傳播路徑受黑潮的影響發(fā)生改變, 由沿緯度西傳轉向向西北方向傳播。第一斜壓Rossby波理論對海表面高度季節(jié)內變化的周期和傳播速度具有很好的解釋性。

西北太平洋; 呂宋海峽; 海表面高度; 季節(jié)內變化

西北太平洋具有復雜的海洋環(huán)流系統(tǒng)[1-4]。西向的北赤道流遇菲律賓東岸一分為二[5-6], 向北是典型的西邊界流的黑潮, 繼而構成太平洋亞熱帶環(huán)流; 向南是棉蘭老海流, 與北赤道逆流一起構成太平洋熱帶環(huán)流系統(tǒng)。西北太平洋海域環(huán)流在全球和區(qū)域海洋與氣候變異中具有重要作用[7]。

近20年來, 西北太平洋海表面高度季節(jié)內變化引起國內外學者關注。劉秦玉等[8]利用衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)和渦分辨率的海洋環(huán)流模式數(shù)據(jù), 研究表明西北太平洋在5°N、10°N、20°N三個緯度帶海面高度分別存在30、60、90 d的準周期振蕩, 后續(xù)胡瑞金[9]利用小波分析方法同樣也表明在15°N處和20°N存在準60、90 d的振蕩, 并且均呈緯向分布[10-11]。

關于海平面高度季節(jié)內變化機制, 不同學者在不同海域得出的結論不同。如孟加拉灣海平面季節(jié)內變化是由渦旋導致[12-13], 南海區(qū)域海表面高度季節(jié)內變化是由海洋不穩(wěn)定和季節(jié)內風應力強迫引起[14-15],印尼貫穿流區(qū)和北赤道流區(qū)上層海洋準60 d振蕩的主要機制是斜壓不穩(wěn)定[10]。另外, Polito等[16]分析了全球海洋不同周期的海表面高度異常信號的相速度、周期、波長和振幅等波動要素, 結果表明Rossby波的相速度與線性自由Rossby波理論值吻合較好, 以及Lin等[17]和翟萍[18]將緯向分布的不同周期的海表面高度變化解釋為季節(jié)內Rossby波。

對于海表面高度變化周期呈緯向分布特征在此前眾多學者研究工作中也都有提及, 但同緯度的海表面高度季節(jié)內變化是否在存在空間/時間差異？如果存在, 其物理現(xiàn)象又該如何解釋？本文利用25 a (1993~2017年)的高度計數(shù)據(jù)資料研究20°N附近緯度帶上, 呂宋海峽東西兩側海表面高度的季節(jié)內變化差異, 并給出可能的解釋。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文所用的觀測數(shù)據(jù)是CLS (Collecte Localization Satellite)中心和CNES(Centre National d’Etudes Spatiales)中心的海平面異常場(Sea level anomaly, SLA) (https://climate.copernicus.eu/)。該數(shù)據(jù)融合了TOPEX/Poseidon、Jason-1、OSTM/Jason-2和Jason-3多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料。選取數(shù)據(jù)時間范圍1993年1月1日~ 2017年12月31日, 空間范圍0~25°N, 115°~155°E, 時間分辨率是1 d, 空間分辨率為0.25°×0.25°的格點數(shù)據(jù)。

此外, 還使用了Chelton等[19]根據(jù)美國國家海洋中心(National Oceanographic Data Center, NODC)提供的全球氣候平均態(tài)的1°×1°的溫鹽資料求出的第一斜壓Rossby波變形半徑和重力波速數(shù)據(jù)資料(http: // www-po.coas.oregonstate.edu/research/po/research/ros-sby_radius/)。

1.2 方法及公式

在提取季節(jié)內信號分析時用到Lanczos濾波器[20], 時滯相關分析和經(jīng)驗正交分解(Empirical Orthogonal Function, EOF)三種常規(guī)統(tǒng)計方法, 在周期分析用到功率譜分析(Power Spectral Density, PSD)。

根據(jù)Rossby波的頻散關系, 其公式為:

式中,是頻率,和分別是緯向和經(jīng)向方向上的波數(shù),1是第一斜壓Rossby波半徑,是科氏參數(shù)的經(jīng)向梯度。

2 結果與分析

2.1 季節(jié)內信號處理

本文中季節(jié)內變化是指周期在20~120 d內的信號, 圖1是海表面高度季節(jié)內變化(20~120 d帶通濾波后的海表面高度異常場, SLA’)的標準差分布。季節(jié)內變化在16°~24°N緯狀帶海域最強(標準差大于5 cm), 從呂宋海峽向東逐漸減弱, 核心區(qū)域位于臺灣東南海域, 最大值約9.3 cm(圖1)。

圖1 20~120 d帶通濾波的海表面高度異常的標準差分布

圖2是不同季節(jié)海表面高度季節(jié)內變化的標準差。對比發(fā)現(xiàn)在6~8月季節(jié)內海表面變化強度達到最大值(圖2c), 說明海表面高度的季節(jié)內變化強度存在明顯的季節(jié)差異, 這可能與背景流場的季節(jié)變化導致的海洋不穩(wěn)定有關[21]。

圖2 不同季節(jié)20~120 d帶通濾波的海表面高度異常的標準差分布

注: a: 12~2月; b: 3~5月; c: 6~8月; d: 9~11月; A: 呂宋海峽西側季節(jié)內海表面高度標準差最大值點; B: 呂宋海峽東側季節(jié)內海表面高度標準差最大值點

在呂宋海峽西側季節(jié)內海表面高度標準差相對較大(5 cm), 根據(jù)呂宋海峽東西兩側季節(jié)內海表面高度標準差最大值的分布(圖2c), 選取A、B兩個點單獨研究, 其坐標分別是119.625°E, 20.125°N和123.875°E, 20.125°N。圖3是A、B兩點處季節(jié)內海表面高度變化的不同時間滯后相關性的分布圖, 經(jīng)過Radon換算計算A點(圖3a)的傳播速度約6.5~ 7.8 cm/s, B點(圖3b)的傳播速度較大, 約10.7~ 12.7 cm/s。為了進一步驗證呂宋海峽兩側季節(jié)內信號周期的不同, 本文對A、B兩站點進行了功率譜分析(圖4)。在A點(圖4a)和B(圖4b)點的季節(jié)內海表面高度變化周期分別是62天和63、73天, 可以看成準60 d和準70 d周期?？梢妳嗡魏{東側(B站點)海流季節(jié)內信號周期大于西側(A站點)周期。為揭示不同經(jīng)度上季節(jié)內信號的分布我們給出20.125°N功率譜(圖5)?？梢钥闯鲈?23°E東西兩側季節(jié)內海表面高度的周期呈現(xiàn)出不同的分布狀態(tài)。123°E以西周期徘徊于62 d左右, 這也和之前眾多學者得出呂宋海峽附近存在的準60 d周期一致[22]; 在123°E以東海域周期從75 d增長到90 d左右, 也驗證了上文的結果(圖4), 表明在20.125°N緯度上, 季節(jié)內海表面高度變化的周期自東向西逐漸變小。

圖3 A(a)、B(b)站點SLA’的時滯空間相關系數(shù)

圖4 A(a)、B(b)站點的SLA’的功率譜(藍線)和95%置信區(qū)間(紅線)

圖5 20.125°N上SLA’的功率譜

2.2 EOF分析

為研究整個海域季節(jié)內變化的時空分布, 我們選取115°~123°E, 19°~22°N和123°~140°E, 18°~24°N兩矩形海域分別代表呂宋海峽附近海域、大洋內部海域, 對季節(jié)內海表面高度進行經(jīng)驗正交分解, 結果分別如圖6、圖7所示。在大洋內部海域第一模態(tài)(圖7a)和第二模態(tài)的(圖7b)的空間模態(tài)相似, 呈經(jīng)向帶狀分布, 方差解釋率分別是16.7%和15.2%。功率譜分析表明第一模態(tài)和第二模態(tài)時間序列(圖7c、圖7d)的周期一致, 均是92 d(圖7e、圖7f), 這也符合之前眾多學者的研究結論[8-9, 16, 23]。為了更加直觀的看到兩模態(tài)對應的標準化的時間序列的關系, 本文只觀察近五年時間序列(圖8a), 可以明顯看到二者存在相位差, 進一步做時滯相關分析(圖8b), 當?shù)诙B(tài)的時間序列滯后19 d時, 二者相關性系數(shù)達到最大, 為0.89。為此本文猜測季節(jié)內海表面高度經(jīng)過EOF分解后得到的第一模態(tài)和第二模態(tài)可能為同一個模態(tài)在前后兩個時間節(jié)點下的表征結果, 兩模態(tài)的空間模態(tài)分布(圖7a、圖7b)存在約1.625°的相位差, 結合19 d的滯后天數(shù), 計算得對應的傳播速度為10.3 cm/s, 方向為向西傳播。相比之下呂宋海峽附近海域第一、二模態(tài)的空間模態(tài)分布未曾顯出與大洋內部海域一致的結果(圖6a、圖6b), 時間序列的功率譜分析也未呈現(xiàn)兩者相似的周期(圖6e、圖6f), 但是我們可以看到其第一模態(tài)時間序列的周期在62 d左右(圖6e), 這與上文在A站點處的結果較為一致(圖4a、圖5)。

圖6 呂宋海峽附近海域的SLA’的EOF分析

注: a. 第一模態(tài)的空間模態(tài), 方差解釋率19.8%; b. 第二模態(tài)的空間模態(tài), 方差解釋率17.5%; c. a對應的時間序列; d. b對應的時間序列; e: c對應的功率譜分析; f. d對應的功率譜分析

圖7 大洋內部的SLA’的EOF分析

注: a. 第一模態(tài)的空間模態(tài), 方差解釋率16.7%; b. 第二模態(tài)的空間模態(tài), 方差解釋率15.2%; c. a對應的時間序列; d. b對應的時間序列; e: c對應的時間序列的功率譜分析; f. d對應的時間序列的功率譜分析

圖8 圖7c、圖7d中的時間序列關系(a)以及時滯相關分析(b)

2.3 路徑分析

為了進一步驗證2.2中的猜測, 本文計算了季節(jié)內海表面高度的時滯分析相關性來探究其信號西傳的路徑。選取B點處進行研究, 結合其63、73 d周期信號(圖4b), 分析不同時間超前滯后相關性的空間分布(圖9)。季節(jié)內信號從超前36天(=-36 d)到超前0天(=0 d)沿緯度平行西傳(圖9a~圖9e), 在滯后0天(=0 d)到滯后36天(=36 d)沿西北方向傳播(圖9e~圖9i), 表明季節(jié)內海表面高度變化信號從大洋內部沿同緯度西傳, 到達黑潮流軸(呂宋海峽東側)附近轉向西北方向, 推測與局地背景流場有關。

結合在20.125°N周期處于50~100 d之間(圖5), 繼而對海表面高度進行50~100 d的帶通濾波, 圖10顯示的是2014~2016年間的50~100 d帶通濾波后的海表面高度的時間-經(jīng)度分布圖, 藍線代表A站點, 紅線代表B站點, 可見西傳的季節(jié)內海表面高度信號傳播路徑在A、B站點之間發(fā)生“間斷”。且速度發(fā)生改變(圖3), 因此我們有理由相信在20°N附近海域黑潮對于季節(jié)內海表面高度信號西傳有一定影響, 位置約在123°E。

圖9 B點處(黑色星號)SLA’的時滯相關分布

3 討論與結論

3.1 物理機制討論

根據(jù)自由Rossby波的頻散關系, 只考慮緯向傳播且在長波近似下, 本文計算Rossby波西傳相速度(圖11a)顯示總體呈現(xiàn)緯向分布, 在海陸邊界和海底存在較大地形處發(fā)生彎曲變形。在20.125°N緯度帶上, 呂宋海峽東側第一斜壓Rossby波波速明顯大于西側速度, 分別是9.5 cm/s和6.5 cm/s, 與圖3具有一致的趨勢。根據(jù)公式(1), 當=1/1時求得周期表明在大洋內部20°N上具有90~100 d的理論周期(圖11b), 與上文計算求得大洋內部準90 d信號周期結果一致(圖7e、圖7f)。第一斜壓Rossby波的波速和周期能夠很好的解釋季節(jié)內海表面高度傳播的速度和周期, 因此我們推斷海表面高度的季節(jié)內變化主要是受第一斜壓Rossby波的影響。

圖10 50~100 d帶通濾波后海表面高度異常的時間經(jīng)度分布

注: 藍色線代表A點, 紅色線代表B點

對于第一斜壓Rossby波在呂宋海峽西側的周期(圖11b)與之前的計算(圖4、圖6)存在較大差異, 理論周期遠大于本文計算的周期, 這可能是與呂宋海峽附近復雜的海域海洋動力過程(如中尺度渦旋, 渦流相互作用[21, 24-26])有關, 有待進一步探究。

3.2 結論

利用20~120 d帶通濾波后的海表面高度數(shù)據(jù), 分別對研究海域內單獨的站點(A, B)和整體海域(呂宋海峽附近海域, 大洋內部海域)進行分析, 本文得到以下結論:

(1) 海表面高度的季節(jié)內變化在以20°N為中心的緯度帶內(16°~24°N)信號最強, 自呂宋海峽向東逐漸減弱, 海表面高度的季節(jié)內變化強度在6~8月達到一年中的最大值;

(2) 海表面高度的季節(jié)內變化在呂宋海峽兩側存在差異, 東側周期和傳播速度均大于西側。東側周期約70 d, 傳播速度約10.7~12.7 cm/s; 西側周期約60 d, 傳播速度6.5~7.8 cm/s。

圖11 第一斜壓Rossby波波速(a)和周期(b)的分布

(3) 在大洋內部, 123°~140°E, 18°~24°N矩形海域內海表面高度變化存在準90 d的季節(jié)內變化周期, 西傳速度約10.3 cm/s, 與第一斜壓Rossby波速基本一致。

(4) 海表面高度的季節(jié)內信號西傳路徑約在123°E處受到黑潮的影響發(fā)生改變, 由沿緯度西傳轉向向西北方向傳播。第一斜壓Rossby波對季節(jié)內海表面高度變化的周期和傳播速度具有很好的解釋性。

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Intraseasonal variability of sea surface height near the Luzon Strait

YUAN Xin1, 2, 3, WANG Qing-ye1, 2

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Key Laboratory of Ocean Circulation and Wave, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on the sea surface height anomaly dataset from 1993 to 2017, the intraseasonal variability (ISV, period of 20~120 days) in the Northwestern Pacific was investigated. Results showed strong ISV occurred in the latitude band centered on 20°N (16°~24°N), and was stronger during June~August. In the eastern part of the Luzon Strait (point B, 123.875°E, 20.125°N), the signal period (70 days) and propagation velocity (10.7~12.7 cm/s) were larger than the corresponding values (60 days, 6.5~7.8 cm/s) on the western side of the Luzon Strait (point A, 119.625°E, 20.125°N). In the open ocean (123°~140°E, 18°~24°N), ISV had a typical period of 90 days and a typical propagation speed of about 10.3 cm/s. The propagation pathway of the ISV is associated with the Kuroshio Current. The ISV signal in the open ocean propagates westward, then turns northwestward when it is approaching the coast. Theory values of the first baroclinic Rossby wave phase period and velocity were consistent with those of the ISV calculated from sea surface height.

Northwestern Pacific; Luzon Strait; sea surface height; intraseasonal variability

Mar. 19, 2019

P731.2

A

1000-3096(2020)03-0015-08

10.11759/hykx20190319003

2019-03-19;

2019-05-08

國家自然科學基金項目(41576014)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41576014]

袁欣(1995-), 男, 河北石家莊人, 碩士在讀, 主要從事物理海洋學研究, 電話: 0532-82898963, Email: yuanxin17@mails.ucas.ac.cn; 王慶業(yè),通信作者, 研究員, 主要從事物理海洋學研究, 電話: 0532- 82896260, E-mail: wangqy@qdio.ac.cn

(本文編輯: 李曉燕)