西北太平洋热带环流变率及其对南海的影响

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西北太平洋具有复杂多变的环流结构,由北赤道流(NEC)、北赤道逆流(NECC)、棉兰老流(MC)、黑潮(Kuroshio)等众多流系构成。其中,NECC是西北太平洋热带环流的重要组成部分,其变化不仅影响局地能量转化,对热带太平洋海平面高度变化、东太平洋热带辐合带的空间分布等都有重要影响。此外,南海是西北太平洋最大的边缘海,两者的联系密切。通过海洋通道,西北太平洋不同时间尺度的信号可以直接进入南海并对其环流和环境要素等产生影响。因此,对西北太平洋热带环流变率及其对南海影响的研究具有重要的科学意义。  本论文综合采用了高分辨率全球环流模型模拟产品和卫星高度计资料、验潮站记录、水文观测资料等观测数据,并结合11/2层线性约化重力模型,围绕NECC的多时空尺度变化,对西北太平洋热带环流变率及其对南海的影响进行了研究。特别是对前人研究中比较缺乏的NECC上游海域涡动能(EKE)的季节变化和动力机制,西北太平洋NECC的年际-年代际变化特征及其与风场的关系,以及太平洋季节内海表高度异常(SSHA)信号如何以海洋波动的形式影响南海的过程进行了细致的研究和分析。  探讨了西北太平洋NECC上游海域EKE的季节变化特征及相关的能量转化过程。卫星高度计和OFES-QSCAT模式产品都显示,在多年平均意义下,西北太平洋棉兰老岛以东海域存在一个EKE显著区域(中心位置约为133°E,5°N)。该EKE显著区域与NECC准定常曲流的位置相对应,并向南延伸至哈马黑拉涡旋附近。该海域EKE的演变有着清晰的季节特征,即在夏季时(7-8月)达到最强,冬季时(11月至次年1月)最弱,且季节信号主要集中在上层0-200m。能量诊断分析表明,在季节时间尺度上,该区域的正压涡旋能量转化率与EKE的时空变化相吻合,但斜压涡旋能量转化率不仅远小于正压涡旋能量转化率且没有明显的季节变化特征。这意味着西北太平洋NECC上游海域EKE的季节变化在很大程度上由局地环流正压转化过程所控制。对背景流场的季节变化做进一步分析后发现,正压涡旋能量转化率与棉兰老流和新几内亚沿岸流的季节演变密切相关。在这两支海流的共同作用下,NECC准定常曲流的弯曲度和强度都在夏季达到最强,并最终通过局地正压转换使该海域的EKE也在夏季达到峰值。  分析了西北太平洋NECC的年际和年代际变化特征,并讨论了风场与NECC低频变化的关系。验潮站资料以及沿137°E断面的观测数据对OFES-NCEP模拟结果的验证分析表明,长时间序列的OFES-NCEP(1960-2014年)可以很好地模拟出研究海域的海表高度和上层海流的时空变化。EOF分析结果显示,NECC的低频变化主要由两个独立的模态控制。第一模态主要反映了NECC的年际变化,具体表现为El Ni(n)o期间NECC增强并南移。11/2层线性约化重力模型对风场贡献的诊断分析表明,热带太平洋东西海盆海表风场对NECC年际变化的作用都是不可忽视的。这一结果与热带外西太平洋的情况不同,热带外西太平洋环流的变化主要由日期变更线以西的风场强迫主导。第二模态更多反映了NECC在年代际时间尺度上的变化。具体来说,在过去的50多年里(1960-2014年),西北太平洋NECC的强度在逐渐减弱并伴随着中心位置的北移和流幅的增宽。NECC的年代际变化特征与太平洋信风系统的减弱并向极地方向延伸密切相关。  对热带西太平洋及其邻近海域的高频SSHA信号进行了研究,讨论了海洋波动在太平洋信号影响南海过程中的重要作用。分析表明,在季节内时间尺度上(30-120天),来自太平洋的SSHA信号会对菲律宾群岛沿岸以及南海东部的海表高度产生影响。热带太平洋季节内SSHA信号先以斜压Rossby波的形式西传至菲律宾群岛东岸,后转为岸界捕获波,并以顺时针方向继续沿菲律宾群岛岸界传播,最终通过锡布土海峡和民都洛海峡后进入南海。这一季节内海洋波动信号的传播过程在高分辨率海洋模式中得以清晰地表现,并表现出明显的年际变化特征。与来自太平洋的遥强迫相比,局地沿岸风场对季节内SSHA信号传播的作用是次要的。  综上,本论文弥补了前人研究中比较欠缺的关于西北太平洋NECC与涡动能之间的能量传递过程,揭示了正压能量转化过程在NECC上游海域涡动能季节变化中的主导作用,并指出NECC路径形态的变化在能量传递中发挥的重要作用;给出了前人研究中鲜有涉及的NECC的年代际变化特征,定量计算了太平洋东西海盆风场在NECC年际变化中的贡献,并指出ENSO事件在NECC与NEC年际变化中作用的显著区别;首次直观展示了太平洋季节内SSHA信号以海洋波动形式进入南海的具体过程。
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