劉 佳,鄭少軍*,2,3,嚴(yán) 厲,2,3,陳航彪,劉婷甄

(1.廣東海洋大學(xué) 海洋與氣象學(xué)院 近海海洋變化與災(zāi)害預(yù)警實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088; 2.廣東海洋大學(xué) 廣東省高等學(xué)校陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 湛江 524088; 3.自然資源部空間海洋遙感與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

南澳大利亞海盆位于澳大利亞南部(圖1),主導(dǎo)海流為南澳大利亞流(South Australian Current,SAC)和弗林德斯流(Flinders Current,FC)。SAC是利文流(Leeuwin Current,LC)沿南部海岸向東流動(dòng)的分支,能夠?qū)⑽鞑繙嘏?、高鹽的海水輸送至東南部的塔斯馬尼亞島以西海域[1]。FC位于水深約500 m的大陸坡上,是一支受正風(fēng)應(yīng)力旋度控制的次表層流,從塔斯馬尼亞島以西沿海岸向西流動(dòng)[2]。衛(wèi)星觀測(cè)顯示南澳大利亞海盆區(qū)存在著豐富的中尺度渦[3-4],如在艾爾半島、邦尼海岸間的陸坡[5],奧爾巴尼附近海域和海盆西部海域[6]。這些中尺度渦多起源于海盆的陸架[7]、西南部海域[8]或西南太平洋的塔斯曼海[9-10]。

圖1 南澳大利亞海盆及周邊海域環(huán)流概念圖

中尺度渦動(dòng)能比平均環(huán)流場(chǎng)動(dòng)能大一個(gè)量級(jí),是衡量中尺度渦活動(dòng)的重要指標(biāo),由背景流的正壓不穩(wěn)定和斜壓不穩(wěn)定過(guò)程提供能量。海盆尺度的渦動(dòng)能變化特征受背景流的影響很大,例如拉布拉多海渦動(dòng)能的季節(jié)和年際變化主要受西格陵蘭洋流調(diào)制[11];西太平洋北赤道逆流海域的渦動(dòng)能季節(jié)變化受背景環(huán)流的正壓不穩(wěn)定控制[12]。OKE 等[4]基于1994—2015年0.1°×0.1°空間分辨率的Bluelink再分析數(shù)據(jù)的研究表明,大澳大利亞灣205 m深度的渦動(dòng)能的季節(jié)變化明顯,東部和西部海域在冬、春季節(jié)強(qiáng)(本文中季節(jié)都為南半球季節(jié))。

海盆尺度的中尺度渦年際、年代際特征受大尺度海-氣相互作用的影響[13-17]。一些研究發(fā)現(xiàn)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)影響南澳大利亞海盆主要通過(guò)兩種途徑:一是通過(guò)熱帶太平洋的海洋波導(dǎo)經(jīng)印尼貫穿流傳入東南印度洋,沿澳大利亞西部海岸到達(dá)南澳大利亞海盆[18-19];二是通過(guò)激發(fā)“正負(fù)正”型的太平洋南美型波列[20],引起海平面氣壓場(chǎng)和混合層溫度等指標(biāo)發(fā)生改變[21-22]。南半球環(huán)狀模(Southern Annular Mode,SAM)是南半球中高緯大氣變率的最主要模態(tài),對(duì)南半球中高緯海洋過(guò)程的變異有著重要的影響,當(dāng)SAM處于正(負(fù))位相時(shí),中緯度海區(qū)產(chǎn)生正(負(fù))的海平面氣壓異常,即造成澳大利亞海域的海平面氣壓升高(降低)[22]。另外,印度洋偶極子(Indian Ocean Dipole,IOD)和印度洋海盆模(Indian Ocean Basin mode,IOB)也有可能影響南澳大利亞海盆的渦動(dòng)能。有研究發(fā)現(xiàn),IOD對(duì)澳大利亞?wèn)|海岸6—10月的降水具有調(diào)制作用[23],IOB對(duì)澳大利亞的夏季降水有重要影響[24]。

本文利用衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能的空間分布、季節(jié)和年際變化規(guī)律,利用偏相關(guān)和合成分析等方法研究了渦動(dòng)能與大尺度的海-氣過(guò)程之間的關(guān)聯(lián),以期為更深入地研究南澳大利亞海盆中尺度渦提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 渦動(dòng)能

渦動(dòng)能依據(jù)海面高度異常(sea level anomaly,SLA)計(jì)算,該數(shù)據(jù)來(lái)源于法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心(archiving validation and interpretation of satellite data in oceanography,AVISO),下載網(wǎng)址:https://marine.copernicus.eu/,數(shù)據(jù)時(shí)間為1993年1月1日至2019年12月31日,空間分辨率為1/4°×1/4°,時(shí)間分辨率為1天。

渦動(dòng)能計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

(3)

式中:x和y分別是每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)度和緯度,h′為SLA,U′g和V′g為地轉(zhuǎn)速度異常,重力常數(shù)g=9.8 N/kg,f為科氏參量。

1.2 氣候指數(shù)

ENSO是發(fā)生于赤道東太平洋的風(fēng)場(chǎng)和海面溫度振蕩,是低緯度的海-氣相互作用現(xiàn)象,在海洋方面表現(xiàn)為厄爾尼諾-拉尼娜的轉(zhuǎn)變。本文中ENSO用Nio3.4區(qū)(5°N—5°S,170°W—120°W)海表溫度距平指數(shù)(Nio3.4指數(shù))表征,當(dāng)指數(shù)連續(xù)5個(gè)月大于或等于0.5時(shí),定義為厄爾尼諾,當(dāng)指數(shù)連續(xù)5個(gè)月小于或等于-0.5時(shí),定義為拉尼娜[25-26]。根據(jù)出現(xiàn)區(qū)域、持續(xù)時(shí)間和發(fā)生周期,將ENSO劃分為兩種主要類(lèi)型,即以熱帶東太平洋海表面溫度異常為主的東部型和以熱帶中太平洋海表面溫度異常為主的中部型[27]。ENSO存在明顯的季節(jié)鎖相特征,海溫異常往往在北半球冬季達(dá)到峰值而在次年的春、夏季衰退。

SAM是南半球熱帶外區(qū)域的大尺度大氣環(huán)流變化的主導(dǎo)模態(tài),SAM指數(shù)大于0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)表征SAM正位相,小于-0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)表征SAM負(fù)位相。當(dāng) SAM 處于正(負(fù))位相,中緯度海區(qū)產(chǎn)生正(負(fù))的海平面氣壓異常,位勢(shì)高度偏高(低),并出現(xiàn)東風(fēng)(西風(fēng))異常;在高緯度地區(qū)相反[22]。

IOD是熱帶印度洋西部與蘇門(mén)答臘-爪哇海岸之間的偶極海溫異常結(jié)構(gòu),是一種顯著的年際氣候變率模式,其特征是東、西印度洋的海表溫度異常相反。當(dāng)東印度洋SST異常與西印度洋異常相反,并且5個(gè)月滑動(dòng)平均的IOD指數(shù)大于0.8個(gè)正標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)為南印度洋正偶極子;當(dāng)東印度洋SST異常與西印度洋異常相反,并且5個(gè)月滑動(dòng)平均的IOD指數(shù)小于0.8個(gè)負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)為南印度洋負(fù)偶極子[28]。

IOB是熱帶印度洋海溫年際變化的主要模態(tài),反映了熱帶印度洋海溫距平的同步變化,冬季IOB指數(shù)大于1個(gè)正標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為IOB暖異常年,小于1個(gè)負(fù)標(biāo)準(zhǔn)差的年份定義為IOB冷異常年,其余年份則為正常年[29]。

2 南澳大利亞海盆渦動(dòng)能的空間分布和季節(jié)變化

基于AVISO數(shù)據(jù)(1993—2019年)的南澳大利亞海盆多年平均表層渦動(dòng)能空間分布見(jiàn)圖2。圖中衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示南澳大利亞海盆渦動(dòng)能存在兩個(gè)高值區(qū),一個(gè)位于海盆西部,值約為140 cm2/s2,另一個(gè)位于海盆東部,值約為100 cm2/s2。兩高值區(qū)之間形成了沿著海岸分布的不連續(xù)的高渦動(dòng)能帶,西部的高渦動(dòng)能帶沿著陸架向東減小,與SAC的位置一致,東部的高渦動(dòng)能帶沿著陸坡向西減小,與FC的位置一致。

圖2 基于AVISO的南澳大利亞海盆多年平均表層渦動(dòng)能空間分布

圖3顯示:南澳大利亞海盆渦動(dòng)能異常存在明顯的季節(jié)變化特征,渦動(dòng)能異常的高值同樣集中在海盆的西部和東部,渦動(dòng)能正異常在冬季(6、7、8月)強(qiáng),秋季(3、4月)弱。從5月開(kāi)始,西部的渦動(dòng)能正異常隨著時(shí)間推移逐漸增加,在7月達(dá)到最大后逐漸減弱;東部的渦動(dòng)能正異常在8月達(dá)到最大。

圖3 基于AVISO(1993—2019年)的南澳大利亞海盆月平均表層渦動(dòng)能異?？臻g分布

月平均表層渦動(dòng)能的年內(nèi)變化顯示,渦動(dòng)能在冬季強(qiáng),秋季弱,最大值出現(xiàn)在7月(57±9 cm2/s2),最小值出現(xiàn)在3月(40±5 cm2/s2),全年的標(biāo)準(zhǔn)差差異不大(圖4)。該變化與OKE 等[4]的研究結(jié)果不完全相同,可能與數(shù)據(jù)來(lái)源和深度的不同有關(guān)。OKE 等[4]通過(guò)1994—2015年再分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),大澳大利亞灣205 m深度的渦動(dòng)能呈現(xiàn)冬季強(qiáng),夏季弱的季節(jié)特征。

圖4 基于AVISO(1993—2019年)的南澳大利亞海盆月平均表層渦動(dòng)能變化

南澳大利亞海盆地轉(zhuǎn)流的多年平均逐月空間分布(圖5)顯示:東向的SAC在5—7月的流速較大,橫跨整個(gè)海盆,在其他月份的流速較小,在1、2、12月甚至消失不見(jiàn),總體表現(xiàn)為冬季強(qiáng),夏季弱。

圖5 南澳大利亞海盆月平均地轉(zhuǎn)流和月平均地轉(zhuǎn)流速空間分布

3 渦動(dòng)能的年際變化

圖6是南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能、渦動(dòng)能異常和一年低通濾波渦動(dòng)能異常的時(shí)間變化序列,其中,渦動(dòng)能異常由月平均渦動(dòng)能減去多年月平均渦動(dòng)能得到,一年低通濾波處理用以去除其季節(jié)變化。海盆表層渦動(dòng)能在1994年最小,僅為 23 cm2/s2,在2000年最大,達(dá)到74 cm2/s2。一年低通濾波渦動(dòng)能異常呈現(xiàn)明顯的年際變化特征,在1993—1998年、2002—2010年和2017—2019年為負(fù)異常,1999—2001年和2011—2012、2013—2015年為正異常。

圖6 南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能(a)、渦動(dòng)能異常(b)和一年低通濾波渦動(dòng)能異常(c)的時(shí)間序列

圖7為南澳大利亞海盆一年低通濾波渦動(dòng)能異常和4類(lèi)氣候指數(shù)的時(shí)間序列。在1997—1998年、2006—2007年及2014—2016年?yáng)|部型厄爾尼諾期間,對(duì)應(yīng)的1998年、2007年和2017年渦動(dòng)能異常為負(fù)值;在2002—2003年、2004—2005年及2009—2010年的中部型厄爾尼諾期間,對(duì)應(yīng)的2003年、2005年和2010年渦動(dòng)能異常也為負(fù)值,這表明不同類(lèi)型的厄爾尼諾對(duì)海盆渦動(dòng)能的影響沒(méi)有明顯差異。拉尼娜期間也同樣,在1998—2000年的東部型和2000—2001年、2011—2012年的中部型發(fā)生期間,對(duì)應(yīng)的1999年、2000年、2001年和2013年渦動(dòng)能異常為正值。從圖6a可以看出,研究區(qū)域的渦動(dòng)能和ENSO有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,渦動(dòng)能在厄爾尼諾期間呈負(fù)異常,在拉尼娜發(fā)生期間呈正異常。尤其是2006—2007年溫和東部型厄爾尼諾發(fā)生期間,2007年渦動(dòng)能表現(xiàn)為強(qiáng)的負(fù)異常。從圖6b和6c可以得出研究區(qū)域的渦動(dòng)能與IOB和IOD不存在明顯的時(shí)間響應(yīng)關(guān)系。從 圖6d 可以發(fā)現(xiàn),1998—1999年SAM處于正相位,對(duì)應(yīng)的2000年—2001年渦動(dòng)能異常為正值;2002年和2007年SAM處于負(fù)相位,對(duì)應(yīng)的2003年和2008年渦動(dòng)能異常為負(fù)值。上述結(jié)果表明研究區(qū)域的渦動(dòng)能對(duì)SAM也有較好的響應(yīng)。

圖7 南澳大利亞海盆一年低通濾波渦動(dòng)能異常和Nio3.4指數(shù)(a)、IOB指數(shù)(b)、IOD指數(shù)(c)及SAM指數(shù)(d)的時(shí)間變化

圖8是南澳大利亞海盆一年低通濾波渦動(dòng)能異常和氣候指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。渦動(dòng)能異常在滯后9個(gè)月時(shí)與Nio3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極值(-0.47),并通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)(圖8a);在滯后25個(gè)月時(shí)與IOB指數(shù)相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.29(圖8b),與IOD指數(shù)的最大相關(guān)系數(shù)僅為-0.25(圖8c),但均沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn);在滯后14個(gè)月時(shí)與SAM指數(shù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到極值(0.37),并通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)(圖8d)。上述結(jié)果顯示,南澳大利亞海盆渦動(dòng)能與Nio3.4指數(shù)和SAM指數(shù)存在顯著相關(guān)性,而與IOB和IOD不存在顯著相關(guān)性。

圖8 一年低通濾波渦動(dòng)能異常與Nio3.4指數(shù)(a)、IOB指數(shù)(b)、IOD指數(shù)(c)和SAM指數(shù)(d)的相關(guān)關(guān)系

圖9 一年低通濾波渦動(dòng)能異常與Nio3.4指數(shù)(a)、SAM指數(shù)(b)的偏相關(guān)關(guān)系

為探究南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能對(duì)厄爾尼諾和拉尼娜事件的響應(yīng),分別對(duì)兩個(gè)時(shí)期的渦動(dòng)能異常進(jìn)行空間合成(圖10～圖11)。在滯后厄爾尼諾3個(gè)月時(shí),海盆西部和東部的渦動(dòng)能負(fù)異常相對(duì)較弱,東部正異常和負(fù)異常大小相當(dāng)(圖10c);在滯后6個(gè)月時(shí),西部和東部渦動(dòng)能負(fù)異常逐漸增大,東部渦動(dòng)能正異常逐漸減小(圖10d);在滯后9個(gè)月時(shí),西部和東部都呈現(xiàn)強(qiáng)的渦動(dòng)能負(fù)異常(圖10e)。渦動(dòng)能異常在滯后拉尼娜0個(gè)月和3個(gè)月時(shí),海盆西部和東部渦動(dòng)能正異常相對(duì)較弱(圖11b,11c),在滯后6個(gè)月時(shí)西部和東部正異常逐漸增大(圖11d);在滯后9個(gè)月時(shí),西部和東部呈現(xiàn)強(qiáng)的正異常(圖11e)。上述結(jié)果表明海盆渦動(dòng)能對(duì)ENSO有明顯的響應(yīng)。

圖10 厄爾尼諾時(shí)期表層渦動(dòng)能異常空間分布

圖11 拉尼娜時(shí)期表層渦動(dòng)能異?？臻g分布

同樣,分別對(duì)SAM正、負(fù)位相時(shí)的渦動(dòng)能異常進(jìn)行空間合成(圖12～圖13),研究南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能對(duì)其的響應(yīng)。在滯后SAM正位相6個(gè)月和10個(gè)月時(shí),海盆西部渦動(dòng)能負(fù)異常和渦動(dòng)能正異常顯現(xiàn),東部渦動(dòng)能異常較弱(圖12c,12d);在滯后14個(gè)月時(shí),西部和東部呈現(xiàn)相對(duì)強(qiáng)的渦動(dòng)能正異常(圖12e)。在滯后SAM負(fù)位相6個(gè)月和10個(gè)月時(shí)(圖13c,13d),海盆西部正渦動(dòng)能異常顯著,東部存在較弱的負(fù)渦動(dòng)能異常;在滯后14個(gè)月時(shí),西部渦動(dòng)能呈現(xiàn)強(qiáng)的負(fù)異常,東部負(fù)渦動(dòng)能異常增強(qiáng)(圖13e)。上述結(jié)果表明海盆渦動(dòng)能對(duì)SAM有明顯的響應(yīng)。

圖12 SAM正位相時(shí)期表層渦動(dòng)能異?？臻g分布

圖13 SAM負(fù)位相時(shí)期表層渦動(dòng)能異?？臻g分布

4 小結(jié)

本文基于1993—2019年衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)分析了南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能的時(shí)空變化特征。研究發(fā)現(xiàn),南澳大利亞海盆表層渦動(dòng)能分布呈不連續(xù)帶狀,在海盆的西部和東部存在兩個(gè)高值區(qū)。渦動(dòng)能存在明顯的季節(jié)變化,冬季強(qiáng),秋季弱,7月達(dá)到最大值,3月達(dá)到最小值。由偏相關(guān)分析和合成分析結(jié)果可知,渦動(dòng)能與ENSO呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,偏相關(guān)系數(shù)在滯后Nio3.4指數(shù)9個(gè)月時(shí)達(dá)到極值,即在厄爾尼諾(拉尼娜)衰退年,西部和東部的表層渦動(dòng)能都顯著減弱(增強(qiáng)),表明ENSO對(duì)海盆表層渦動(dòng)能的年際變化起著重要的調(diào)節(jié)作用。同時(shí),渦動(dòng)能與SAM 呈顯著正相關(guān)關(guān)系,偏相關(guān)系數(shù)在滯后SAM指數(shù)14個(gè)月時(shí)達(dá)到極值,在滯后SAM正(負(fù))位相14個(gè)月后,渦動(dòng)能顯著增強(qiáng)(減弱),表明SAM對(duì)海盆表層渦動(dòng)能的年際變化也有重要影響。

南澳大利亞海盆具有顯著的中尺度渦現(xiàn)象,其季節(jié)、年度變化的相關(guān)海-氣相互作用的調(diào)控機(jī)制還有待進(jìn)一步探究。