2020, Vol. 44
文章信息
- 袁欣, 王庆业. 2020.
- YUAN Xin, WANG Qing-ye. 2020.
- 吕宋海峡附近海域海表面高度季节内变化
- Intraseasonal variability of sea surface height near the Luzon Strait
- 海洋科学, 44(3): 15-22
- Marina Sciences, 44(3): 15-22.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20190319003
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文章历史
- 收稿日期：2019-03-19
- 修回日期：2019-05-08
2. 中国科学院 海洋环流与波动重点实验室, 山东 青岛 266071;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
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
西北太平洋具有复杂的海洋环流系统[1-4]。西向的北赤道流遇菲律宾东岸一分为二[5-6], 向北是典型的西边界流的黑潮, 继而构成太平洋亚热带环流; 向南是棉兰老海流, 与北赤道逆流一起构成太平洋热带环流系统。西北太平洋海域环流在全球和区域海洋与气候变异中具有重要作用[7]。
近20年来, 西北太平洋海表面高度季节内变化引起国内外学者关注。刘秦玉等[8]利用卫星高度计数据和涡分辨率的海洋环流模式数据, 研究表明西北太平洋在5°N、10°N、20°N三个纬度带海面高度分别存在30、60、90 d的准周期振荡, 后续胡瑞金[9]利用小波分析方法同样也表明在15°N处和20°N存在准60、90 d的振荡, 并且均呈纬向分布[10-11]。
关于海平面高度季节内变化机制, 不同学者在不同海域得出的结论不同。如孟加拉湾海平面季节内变化是由涡旋导致[12-13], 南海区域海表面高度季节内变化是由海洋不稳定和季节内风应力强迫引起[14-15], 印尼贯穿流区和北赤道流区上层海洋准60 d振荡的主要机制是斜压不稳定[10]。另外, Polito等[16]分析了全球海洋不同周期的海表面高度异常信号的相速度、周期、波长和振幅等波动要素, 结果表明Rossby波的相速度与线性自由Rossby波理论值吻合较好, 以及Lin等[17]和翟萍[18]将纬向分布的不同周期的海表面高度变化解释为季节内Rossby波。
对于海表面高度变化周期呈纬向分布特征在此前众多学者研究工作中也都有提及, 但同纬度的海表面高度季节内变化是否在存在空间/时间差异？如果存在, 其物理现象又该如何解释？本文利用25 a (1993~2017年)的高度计数据资料研究20°N附近纬度带上, 吕宋海峡东西两侧海表面高度的季节内变化差异, 并给出可能的解释。
1 数据与方法 1.1 数据本文所用的观测数据是CLS (Collecte Localization Satellite)中心和CNES(Centre National d’Etudes Spatiales)中心的海平面异常场(Sea level anomaly, SLA) (https://climate.copernicus.eu/)。该数据融合了TOPEX/ Poseidon、Jason-1、OSTM/Jason-2和Jason-3多种卫星数据资料。选取数据时间范围1993年1月1日~ 2017年12月31日, 空间范围0~25°N, 115°~155°E, 时间分辨率是1 d, 空间分辨率为0.25°×0.25°的格点数据。
此外, 还使用了Chelton等[19]根据美国国家海洋中心(National Oceanographic Data Center, NODC)提供的全球气候平均态的1°×1°的温盐资料求出的第一斜压Rossby波变形半径和重力波速数据资料(http://www-po.coas.oregonstate.edu/research/po/research/ros-sby_radius/)。
1.2 方法及公式在提取季节内信号分析时用到Lanczos滤波器[20], 时滞相关分析和经验正交分解(Empirical Orthogonal Function, EOF)三种常规统计方法, 在周期分析用到功率谱分析(Power Spectral Density, PSD)。
根据Rossby波的频散关系, 其公式为:
| $ \omega \left( k,l \right)=-\frac{\beta k}{{{k}^{2}}+{{l}^{2}}+1/R_{1}^{2}}. $ | (1) |
式中, ω是频率, k和l分别是纬向和经向方向上的波数, R1是第一斜压Rossby波半径, β是科氏参数的经向梯度。
2 结果与分析 2.1 季节内信号处理本文中季节内变化是指周期在20~120 d内的信号, 图 1是海表面高度季节内变化(20~120 d带通滤波后的海表面高度异常场, SLA’)的标准差分布。季节内变化在16°~24°N纬状带海域最强(标准差大于5 cm), 从吕宋海峡向东逐渐减弱, 核心区域位于台湾东南海域, 最大值约9.3 cm(图 1)。
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| 图 1 20~120 d带通滤波的海表面高度异常的标准差分布 Fig. 1 Spatial distribution of standard deviations of 20~ 120-day band-pass SLA |
图 2是不同季节海表面高度季节内变化的标准差。对比发现在6~8月季节内海表面变化强度达到最大值(图 2c), 说明海表面高度的季节内变化强度存在明显的季节差异, 这可能与背景流场的季节变化导致的海洋不稳定有关[21]。
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| 图 2 不同季节20~120 d带通滤波的海表面高度异常的标准差分布 Fig. 2 Spatial distribution of standard deviations of 20~120-day band-pass SLA during different seasons 注: a: 12~2月; b: 3~5月; c: 6~8月; d: 9~11月; A:吕宋海峡西侧季节内海表面高度标准差最大值点; B:吕宋海峡东侧季节内海表面高度标准差最大值点 |
在吕宋海峡西侧季节内海表面高度标准差相对较大(5 cm), 根据吕宋海峡东西两侧季节内海表面高度标准差最大值的分布(图 2c), 选取A、B两个点单独研究, 其坐标分别是119.625°E, 20.125°N和123.875°E, 20.125°N。图 3是A、B两点处季节内海表面高度变化的不同时间滞后相关性的分布图, 经过Radon换算计算A点(图 3a)的传播速度约6.5~ 7.8 cm/s, B点(图 3b)的传播速度较大, 约10.7~ 12.7 cm/s。为了进一步验证吕宋海峡两侧季节内信号周期的不同, 本文对A、B两站点进行了功率谱分析(图 4)。在A点(图 4a)和B(图 4b)点的季节内海表面高度变化周期分别是62天和63、73天, 可以看成准60 d和准70 d周期。可见吕宋海峡东侧(B站点)海流季节内信号周期大于西侧(A站点)周期。为揭示不同经度上季节内信号的分布我们给出20.125°N功率谱(图 5)。可以看出在123°E东西两侧季节内海表面高度的周期呈现出不同的分布状态。123°E以西周期徘徊于62 d左右, 这也和之前众多学者得出吕宋海峡附近存在的准60 d周期一致[22]; 在123°E以东海域周期从75 d增长到90 d左右, 也验证了上文的结果(图 4), 表明在20.125°N纬度上, 季节内海表面高度变化的周期自东向西逐渐变小。
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| 图 3 A(a)、B(b)站点SLA’的时滞空间相关系数 Fig. 3 Time–longitude lag-correlation diagram of SLA' at A(a) and B(b) |
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| 图 4 A(a)、B(b)站点的SLA’的功率谱(蓝线)和95%置信区间(红线) Fig. 4 PSD (blue solid line) and 95% confidence level (red dotted line) of the SLA' at A (a) and B (b) |
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| 图 5 20.125°N上SLA’的功率谱 Fig. 5 PSD of the SLA' at 20.125°N |
为研究整个海域季节内变化的时空分布, 我们选取115°~123°E, 19°~22°N和123°~140°E, 18°~24°N两矩形海域分别代表吕宋海峡附近海域、大洋内部海域, 对季节内海表面高度进行经验正交分解, 结果分别如图 6、图 7所示。在大洋内部海域第一模态(图 7a)和第二模态的(图 7b)的空间模态相似, 呈经向带状分布, 方差解释率分别是16.7%和15.2%。功率谱分析表明第一模态和第二模态时间序列(图 7c、图 7d)的周期一致, 均是92 d(图 7e、图 7f), 这也符合之前众多学者的研究结论[8-9, 16, 23]。为了更加直观的看到两模态对应的标准化的时间序列的关系, 本文只观察近五年时间序列(图 8a), 可以明显看到二者存在相位差, 进一步做时滞相关分析(图 8b), 当第二模态的时间序列滞后19 d时, 二者相关性系数达到最大, 为0.89。为此本文猜测季节内海表面高度经过EOF分解后得到的第一模态和第二模态可能为同一个模态在前后两个时间节点下的表征结果, 两模态的空间模态分布(图 7a、图 7b)存在约1.625°的相位差, 结合19 d的滞后天数, 计算得对应的传播速度为10.3 cm/s, 方向为向西传播。相比之下吕宋海峡附近海域第一、二模态的空间模态分布未曾显出与大洋内部海域一致的结果(图 6a、图 6b), 时间序列的功率谱分析也未呈现两者相似的周期(图 6e、图 6f), 但是我们可以看到其第一模态时间序列的周期在62 d左右(图 6e), 这与上文在A站点处的结果较为一致(图 4a、图 5)。
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| 图 6 吕宋海峡附近海域的SLA’的EOF分析 Fig. 6 EOF analysis of the SLA' in the region near the Luzon Strait 注: a.第一模态的空间模态, 方差解释率19.8%; b.第二模态的空间模态, 方差解释率17.5%; c. a对应的时间序列; d. b对应的时间序列; e: c对应的功率谱分析; f. d对应的功率谱分析 |
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| 图 7 大洋内部的SLA’的EOF分析 Fig. 7 EOF analysis of the SLA' in the open ocean 注: a.第一模态的空间模态, 方差解释率16.7%; b.第二模态的空间模态, 方差解释率15.2%; c. a对应的时间序列; d. b对应的时间序列; e: c对应的时间序列的功率谱分析; f. d对应的时间序列的功率谱分析 |
为了进一步验证2.2中的猜测, 本文计算了季节内海表面高度的时滞分析相关性来探究其信号西传的路径。选取B点处进行研究, 结合其63、73 d周期信号(图 4b), 分析不同时间超前滞后相关性的空间分布(图 9)。季节内信号从超前36天(T=-36 d)到超前0天(T=0 d)沿纬度平行西传(图 9a~图 9e), 在滞后0天(T=0 d)到滞后36天(T=36 d)沿西北方向传播(图 9e~图 9i), 表明季节内海表面高度变化信号从大洋内部沿同纬度西传, 到达黑潮流轴(吕宋海峡东侧)附近转向西北方向, 推测与局地背景流场有关。
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| 图 9 B点处(黑色星号)SLA’的时滞相关分布 Fig. 9 Lag-correlation diagram of SLA' at B (black star) |
结合在20.125°N周期处于50~100 d之间(图 5), 继而对海表面高度进行50~100 d的带通滤波, 图 10显示的是2014~2016年间的50~100 d带通滤波后的海表面高度的时间-经度分布图, 蓝线代表A站点, 红线代表B站点, 可见西传的季节内海表面高度信号传播路径在A、B站点之间发生“间断”。且速度发生改变(图 3), 因此我们有理由相信在20°N附近海域黑潮对于季节内海表面高度信号西传有一定影响, 位置约在123°E。
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| 图 10 50~100 d带通滤波后海表面高度异常的时间经度分布 Fig. 10 Time–longitude plot of 50~100-day band-pass SLA 注:蓝色线代表A点, 红色线代表B点 |
根据自由Rossby波的频散关系, 只考虑纬向传播且在长波近似下, 本文计算Rossby波西传相速度(图 11a)显示总体呈现纬向分布, 在海陆边界和海底存在较大地形处发生弯曲变形。在20.125°N纬度带上, 吕宋海峡东侧第一斜压Rossby波波速明显大于西侧速度, 分别是9.5 cm/s和6.5 cm/s, 与图 3具有一致的趋势。根据公式(1), 当k=1/R1时求得周期表明在大洋内部20°N上具有90~100 d的理论周期(图 11b), 与上文计算求得大洋内部准90 d信号周期结果一致(图 7e、图 7f)。第一斜压Rossby波的波速和周期能够很好的解释季节内海表面高度传播的速度和周期, 因此我们推断海表面高度的季节内变化主要是受第一斜压Rossby波的影响。
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| 图 11 第一斜压Rossby波波速(a)和周期(b)的分布 Fig. 11 Phase velocity (a) and period (b) of the first baroclinic Rossby |
对于第一斜压Rossby波在吕宋海峡西侧的周期(图 11b)与之前的计算(图 4、图 6)存在较大差异, 理论周期远大于本文计算的周期, 这可能是与吕宋海峡附近复杂的海域海洋动力过程(如中尺度涡旋, 涡流相互作用[21, 24-26])有关, 有待进一步探究。
3.2 结论利用20~120 d带通滤波后的海表面高度数据, 分别对研究海域内单独的站点(A, B)和整体海域(吕宋海峡附近海域, 大洋内部海域)进行分析, 本文得到以下结论:
(1) 海表面高度的季节内变化在以20°N为中心的纬度带内(16°~24°N)信号最强, 自吕宋海峡向东逐渐减弱, 海表面高度的季节内变化强度在6~8月达到一年中的最大值;
(2) 海表面高度的季节内变化在吕宋海峡两侧存在差异, 东侧周期和传播速度均大于西侧。东侧周期约70 d, 传播速度约10.7~12.7 cm/s; 西侧周期约60 d, 传播速度6.5~7.8 cm/s。
(3) 在大洋内部, 123°~140°E, 18°~24°N矩形海域内海表面高度变化存在准90 d的季节内变化周期, 西传速度约10.3 cm/s, 与第一斜压Rossby波速基本一致。
(4) 海表面高度的季节内信号西传路径约在123°E处受到黑潮的影响发生改变, 由沿纬度西传转向向西北方向传播。第一斜压Rossby波对季节内海表面高度变化的周期和传播速度具有很好的解释性。
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