海-陆-气相互作用-第二讲-西太平洋暖池

海-陆-气相互作用周顺武、智海南京信息工程大学大气科学学院——西太平洋暖池—theWarmPoolintheWesternPacific大洋暖池(WarmPool)又称热库或暖堆，一般指的是热带西太平洋及印度洋东部多年平均海表温度(SST)在28℃以上的暖海区，它的总面积约占热带海洋面积的26.2%，占全球海洋面积的11.7%，东西跨越150个经度，南北伸展约35个纬度，西太平洋暖池的深度约在60m～100m之间。由于太阳辐射、热量交换、自东向西信风吹送等的作用，大量暖水逐渐积蓄在暖池区，致使该区SST比东太平洋高出3～9℃。一、暖池的基本特征1、海温场上三个明显的冷暖中心从多年平均SST图上看，低纬度海洋上存在着三个明显的冷暖中心，位于热带西太平洋和印度洋东部的暖中心范围和强度最大，它的中心海表面温度大于29℃；另一个中心是冷舌，位于东太平洋赤道附近及以南；第三个中心位于太平洋东部赤道以北中美沿岸，为小的暖中心。三个中心的位置和强度随季节的变化决定了这一地区海表面温度、近海面气温、各种热量交换、水分等不同季节的热力学分布特征。多年平均（1957-2004）年平均海温（℃）多年平均（1957-2004）夏季海温（℃）多年平均（1957-2004）夏季（红色）、冬季（灰色）和年平均（绿色）28℃等温线2、暖池范围随季节的变化下图分别为多年平均西太平洋和东印度洋暖池面积的逐月变化。可以看出，西太平洋暖池1、2月范围最小，2月以后，范围迅速扩展，5月达到较大范围，6、7月的范围稳定或稍有缩小，8月达到最大(但29℃的范围，反而变小)，10月以后的范围迅速缩小，西太平洋全年季节变化存在两次突然扩展的半年波特征。印度洋的半年波特征不甚明显，最大范围出现在4月，次大范围发生在10月。大洋暖池面积的季节变化西太平洋西太平洋东印度洋东印度洋暖池中心的季节变化下图为西太平洋暖池和东印度洋暖池中心的季节变化图。图a给出了西太平洋暖池中心移动的轨迹。SST≥29℃的暖水域，其中心移动轨迹是一个西北到东南倾斜的“8”；而SST≥28℃的暖水域中心移动轨迹也类似于一个“8”，但其上面的“o”要小得多。图b给出了东印度洋暖池中心移动的轨迹,可见，SST≥29℃的暖水域，其中心移动轨迹也近似于一个西北到东南倾斜的“8”。热带西太平洋暖池东印度洋暖池SST≥28℃（29℃）的暖水域中心为虚线（实线）暖池中心的季节变化比较图a和图b，在纬线方向上，西太平洋暖池中心大体上与东印度洋暖池中心的变化相反；而在经线方向上，西太平洋暖池中心大体上与东印度洋暖池中心的变化一致，特别是二者在8月份都到了最北端。3、海温的季节变化及其成因下表列出了西太平洋暖池(WPWP)、东太平洋(EP)和东印度洋(EIOWP)选取的具有代表性的区域。分别计算这些区域内SST的多年月平均值，结果如下图(a,b,c)。可以看出，区域范围越小，越靠近暖池中心，平均温度越高，季节性变化越小。比较上节可以看到，暖池面积季节变化和平均温度季节变化的基本趋势是一致的。大洋暖池不同区域SST平均值的季节变化暖池成因了解暖池的成因，才能从根本上研究暖池的内在机制、发展趋势及它对全球气候系统的影响。太阳辐射是大气中一切物理过程或现象形成的基本动力，地球上主要的能量源泉，而大洋上风场又改变着海水的运动。根据已有的资料和上述研究的暖池变化特征，认为太阳辐射和大洋风场是暖池形成的重要原因。太阳辐射太阳辐射包括太阳直接辐射、散射辐射和反射辐射能量通量，主要部分相对地在短波区域(可见光谱区)。晴天时太阳总辐射通量和大气透明状况及时间和纬度有关。求得每月晴天总辐射量表征值，其季节性变化如下图a。图b是实际的SST平均值的季节性变化图。比较图a和b，二者的变化趋势是一致的，不同的是图a中的极大值出现在3月份和9月份，而图b中的极大值却出现在5月份和11月份,也就是说，实际的海表水温季节性变化完全受晴空时太阳辐射的控制。但由于海水具有巨大的热惯性，其变化要延期2个月。晴空总辐射量表征和实际SST平均值的季节变化晴空总辐射量实际的SST平均值大洋风场下图给出了大洋风场和暖水分布的比较。其中图a为年平均洋面风场，图b是年平均海表水温度分布。比较发现：风场影响着海温的分布，这是由于风带动海流，使得海温分布沿着风的方向变化，从而改变了太阳辐射理论上应该形成的海温对称于赤道的分布。年平均洋面风场大洋风场和暖水分布的比较年平均海表水温4、西太平洋暖池定义对西太平洋暖池的定义，迄今为止，没有完全统一的标准，其分析结果也各有不同。目前对于西太平洋暖池的定义主要有以下几种：1.以热带西太平洋表面温度高于28℃(29℃)的海域[1,2];2.是指10S～10N，140E～180范围的区域[3];3.是指0～16N，125E～145E范围的区域[4]。西太平洋暖池定义参考文献1WyrtkiK.SomethoughtsabouttheWestPacificWarmPool.ProceedingsoftheWesternPacificInternationalMeetingandWorkshoponTOGA-COARE.ORSTOM,1989,99-109.2翁学传,张启龙,颜廷壮.热带西太平洋暖池及其与南方涛动和副热带高压关系.海洋科学集刊,1998,4:35-40.3MCPHADENMJ.Genesisandevolutionofthe1997/1998ElNino.Science’sCompass,1999,283:950-954.4黄荣辉,孙凤英.热带西太平洋暖池的热状态及其上空的对流活动对东亚夏季气候异常的影响.大气科学,1994,18(2):141-151.各季度（代表月份）热带西太平洋暖池分布（表层）中部阴影区为暖池终年存在的范围符淙斌等，热带太平洋物理气候图，北京：气象出版社，1990，30-35.暖池体积指数和强度指数分别定义了暖池体积指数和强度指数以表征暖池的暖水水体的大小和其强度，暖池体积指数定义如下:其中st表示在第k层深度上(i,j)格点上的海水温度，δ(x)是指包围在海温27.5℃等温面以上的所有格点数之和。,,_(27.5)ijkWPIcst气候平均的海水温度(阴影区)及1～12月27.5℃等温线在不同深度上的分布暖池强度指数暖池强度指数定义如下:该指数表征暖池区暖水体上总体海水温度的高低，反映了暖池区上混合层中海水的热含量。kjiststiWPI,,)5.27()5.27(_小结1.三个暖池中心：位于热带西太平洋和印度洋东部的暖中心范围和强度最大，位于太平洋东部赤道以北中美沿岸，为小的暖中心。2.暖池形态具有明显的季节和年际变化，冬季暖池位置偏南，分布范围最大，夏季暖池位于最北，并且分布范围最大。暖池季节摆动在南非相对较小，而东西摆动较大。3.太阳辐射和大洋风场是暖池形成的重要原因。二、暖池的年际变化1.暖池指数（面积）的年际变化2.暖池厚度的年际变化3.暖池高温中心的年际变化4.近几年来暖池的基本特征暖池指数的年际变化下图分别为热带印度洋(阴影)和太平洋(曲线)暖池的体积指数(见图a)和强度指数(见图b)距平的变化曲线，这里的距平指已去除了暖池的季节变化。可以发现，暖池的体积指数和强度指数在年际年代际尺度上有很好的相关关系，其中印度洋暖池的体积指数和强度指数之间的相关系数为0.89，西太平洋暖池体积指数与强度指数之间的相关系数达0.95，而印度洋和西太平洋暖池之间的相关系数均约为0.55，均远远超过0.01的信度检验。印度洋、西太平洋暖池的体积指数(a)和强度指数(b)距平时间序列（其中填色曲线表示印度洋暖池的变化，实线表示西太平洋暖池的变化）暖池面积的年际变化下图给出了热带西太平洋暖池和东印度洋暖池面积的年际变化。图中两条曲线变化趋势大体上是一致的，且高值主要出现在ElNino年。计算表明，西太平洋暖池和东印度洋暖池的面积年际变化的相关系数是0.813，呈很好的正相关关系。热带西太平洋暖池和东印度洋暖池面积的变化暖池面积的年际变化及与ENSO关系下图给出了大洋暖池面积指数1949年1月到1990年12月的年际变化距平图，图中数字同时给出了ENSO强度指数，数字下的线段的长度代表ENSO持续的时间。结果也表明暖池面积的年际变化最高值在ElNino年。大洋暖池面积指数的年际变化距平图西太平洋暖池区域为：(0º～16ºN,125º～145ºE)为避免将东太平洋暖池面积计入西太平洋暖池中，在计算西太平洋暖池面积时，将西太平洋暖池区域限定为：30ºS～30ºN，120ºE～140ºW，0～30ºS，140～80ºW，用该区域内海温高于和等于28℃范围内的网格点数表示暖池面积，然后将逐月面积减去相应月的多年平均值，求其距平以消除年变化，并进行5个月滑动平均以滤去小扰动，获得暖池的面积指数。西太平洋暖池的范围随时间有很大变化，在ElNino事件期间，暖池范围明显东扩，强大的ElNino事件时，28℃线可以到达80ºW的南美沿岸，常常与位于北美墨西哥西岸近海海域的赤道东太平洋暖池打通。但在LaNina事件期间，暖池范围明显西撤，28℃线可撤至日界线以西170ºE附近，暖水在热带西太平洋海域堆积。暖池面积指数与热带西太平洋热力状况和赤道东太平洋海温变化有密切关系，用10ºS～10ºN，140～180ºE区内0～400m平均热含量作为热带西太平洋热力指标，用Nino3区SSTA代表赤道东太平洋海温变化，计算暖池面积指数与二者之间的相关，相关系数分别为-0.63和0.76，所用资料共43年516个月（1955年1月～1997年12月），由于进行了5个月滑动，样本自由度为103，相关置信度均超过了0.001。暖池面积指数与赤道东太平洋海温变化分析指出[5]，暖池面积变化主要是暖池东界东西向移动所致，以上结果表明，暖池面积大时有暖水东移，热带西太平洋热含量减小，赤道东太平洋海温升高，有可能导致ElNino事件；反之，暖池面积小时暖水西撤，暖水在热带西太平洋堆积，热含量加大，赤道东太平洋海温下降，有可能导致LaNina事件。因此，暖池面积指数也可视同Nino3区SSTA，作为一个ENSO事件的监测指标，从暖池在ENSO事件形成过程中的重要作用看，这一指标更具实际物理意义。5张启龙,翁学传.热带西太平洋暖池的某些海洋学特征分析.海洋科学集刊,1997,38:31-38.热带西太平洋暖池的热状态及其上空的对流活动对东亚夏季气候异常的影响黄荣辉等前言本文利用1978－1989年热带太平洋暖池表层与次表层的海温距平，高云量资料与降水观测资料分析了夏季热带西太平洋的海温与上空的对流活动，西太平副热带高压与东亚夏季降水，特别是与我国江淮流域旱涝之间的关系以及由于暖池上空对流活动所引起的北半球夏季大气环流异常的遥相关型。热带西太平洋暖池热状况与东亚夏季降水之间的关系图1我国黄河流域与华北地区(a)和江淮流域(b)夏季(6－8月)降水距平百分率的年际变化图l是黄河流域与华北地区和江淮流域6～8月降水距平百分率的年际变化。其中，黄河流域和华北地区包括了50个测站，而江淮流域包括了28个测站，这些资料经过了校准。从图1可看到1978，1981，1985，1988年江淮流域的降水偏少，尤其在1978，1985，1988年夏季江淮流域降水偏少2～3成，并发生了干旱。在这些年份的夏季，黄河流域和华北地区的降水正常；相反，在1980，1982，1983，1987年夏季江淮流域降水偏多1～3成，尤其在1980年夏季江淮流域降水偏多近3成，造成了洪涝。而在这些年份的夏季，华北与黄河流域的降水偏少，特别在1983，1986年夏季，华北与黄河流域的降水偏少3成，发生干旱。因此，可以看到，江淮流域的降水与华北地区，黄河流域的降水异常有相反的趋势，若江淮流域的降水多，则华北、黄河流域的降水偏少，这往往发生在赤道东太平洋海温处于升高阶段，即发生在ENSO事件的发展位相；反之，若江淮流域的降水偏少，则华北、黄河流域的降水正常或偏多