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Journal of Tropical Oceanography >

2017 , Vol. 36 >Issue 4: 10 - 17

DOI: https://doi.org/10.11978/2016136

Orginal Article

Impacts of Northwest Pacific anomalous anticyclone on sea surface height and circulation

  • SHI Yanping , 1, 2 ,
  • DU Yan , 1, 2 ,
  • CHEN Zesheng 1
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: DU Yan. E-mail:

Received date: 2016-12-31

  Request revised date: 2017-04-06

  Online published: 2017-07-26

Supported by

National Natural Science Foundation of China (41525019, 41521005)

“Global Changes and air-sea interaction” of State Oceanic Administration (GASI-IPOVAI-02)

Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (XDA11010103)

International Partnership Program for Creative Research Teams (CAS/SAFEA)

Copyright

热带海洋学报编辑部
Fold

Abstract

In this study, we investigate the Northwest Pacific anomalous anticyclone (NWPAC) associated with Indian Ocean warming and its impacts on ocean circulation and sea surface height in the northwest pacific by using the reanalysis wind, current and sea surface height data of National Centers for Environmental Prediction (NCEP) and SODA v2.2.4 during the period of 1971 to 2010. Composite results reveal that the NWPAC associated with Indian Ocean warming is the strongest during the boreal summer and it has significant impacts on the upper-ocean circulation and sea surface height in the NW Pacific. The anticyclonic wind anomaly produces a negative wind stress curl, inducing convergence of sea surface water and the resultant positive sea level anomalies. The effect of NWPAC on the upper-ocean circulation in the South China Sea is synchronous, while its impact on the upper ocean east of the Philippines delays by about one season and peaks in the boreal autumn. This may be attributed to the modulation of westward oceanic Rossby wave.

Key words： Indian Ocean warming; Northwest Pacific anomalous anticyclone; ocean circulation; sea surface height; composite analysis

Cite this article

SHI Yanping , DU Yan , CHEN Zesheng . Impacts of Northwest Pacific anomalous anticyclone on sea surface height and circulation[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2017 , 36(4) : 10 -17 . DOI: 10.11978/2016136

热带西北太平洋异常反气旋与热带太平洋、印度洋之间的海—气相互作用有着密切的关系。El Niño事件冬季, 热带西北太平洋低层大气出现异常反气旋(Zhang et al, 1996)。伴随着El Niño的消亡, 该异常反气旋向东移动(张人禾 等, 1998)。Wang 等(2002, 2003) 提出西太平洋异常反气旋的可能形成机制, 认为与El Niño的遥强迫、热带—副热带之间大气环流以及季风和海洋的相互作用有很大关系。El Niño发生时, 沃克环流减弱, 热带西太平洋对流潜热释放减少, 大气Rossby波响应使得菲律宾低层出现反气旋式环流异常; 在西北太平洋盛行东北信风的背景下, 局地冷海温与异常反气旋存在正的海气相互作用, 这有利于该异常反气旋在El Niño年冬季和次年春季的维持。
印度洋在海洋—大气相互作用中起着“电容器”的作用, 而印度洋增暖对西太平洋异常反气旋有着重要的影响(Annamalai et al, 2005; Yang et al, 2007; Xie et al, 2009; Hu et al, 2011)。El Niño发生之后, 印度洋整个海盆迅速增暖, 并能一直持续到次年夏季。通过大气调整, El Niño之后南海也存在明显增暖(黄卓 等, 2009), 且呈现年代际振荡(Yang et al, 2015; 杨亚力 等, 2016)。Yang 等(2007)指出El Niño次年夏季, 印度洋海盆增暖会引起强烈的大气扰动, 南海、菲律宾海域附近的西南季风减弱, 西北太平洋低空出现异常反气旋。此外, 数值模拟结果证实夏季西北太平洋反气旋式环流异常与印度洋海温异常有很好的相关关系, 而这主要是北印度洋的海温异常所致 (黄刚 等, 2008; 伍艳玲 等, 2012)。大气环流模式的研究结果进一步证实热带印度洋海盆增暖在赤道低空激发出Kelvin波, 并且抑制西太平洋局地对流, 从而引发西北太平洋反气旋式环流异常(Xie et al, 2009); 特别是20世纪70年代中叶以后, 这种相关关系进一步增强(Huang et al, 2010)。李琰 等(2010)也研究了印度洋海温异常与菲律宾海反气旋的关系, 指出菲律宾海异常反气旋可能是由印度洋的低层反气旋东移发展形成的。
基于前人的研究, 西北太平洋异常反气旋的发展主要有两方面的作用: 首先是El Niño发生时, 沃克环流减弱并东移、热带西太平洋海表温度降低, 导致热带西太平洋对流潜热释放减少, 从而激发冷的Rossby波, 在西北太平洋低层形成反气旋环流; 另一方面是伴随印度洋海盆增暖, 海表温度升高, 从而在低空激发暖的Kelvin波, 大气暖的Kelvin波向东传播, 从而形成西北太平洋反气旋(Xie et al, 2016)。而El Niño发展阶段在东南印度洋所引起风应力旋度异常对印度洋海盆一致增暖又起着很大的作用。随着El Niño发展和成熟, 因为“大气桥”的作用, 沃克环流减弱, 在东南印度洋上空大气中会形成反气旋的风应力旋度, 这种反气旋的风应力旋度会激发海洋中的Rossby波下沉并向西传播。下沉的海洋Rossby波会加深西南印度洋温跃层深度, 使其增暖, 从而引起赤道反对称的纬向风异常, 通过风-蒸发-海表温度(wind-evaporation-SST, WES)正反馈机制(Xie et al, 1994), 导致北印度洋出现了二次增暖(Du et al, 2009)。
西北太平洋海洋上层环流主要是风生环流, 低层大气扰动会直接影响到海洋环流。大量的研究表明西太平洋上层环流具有季节、年际甚至年代际时间尺度上的变化特征(Hu et al, 2015)。北赤道流分叉点位置的变化主要表现为季节和年际变化(Qu et al, 2003; 何映晖 等, 2009)。受西太平洋纬向风及东亚季风的影响, 分叉点位置冬季北移、夏季南移(Qu et al, 2003; Wang et al, 2006)。年际尺度上, Kim 等(2004)指出El Niño 发生时北赤道流增强, 分叉点位置北移, 而这与El Niño发生时东北信风的变化和西北太平洋异常反气旋有关。南海环流也存在季节变化, 夏季受西南季风影响, 冬季受东北季风影响(刘秦玉 等, 2000; Su, 2004)。而在年际时间尺度上, Du 等(2010) 用SODA(simple ocean data assimilation)再分析资料进行回归分析揭示了南海上层环流的年际变化和空间分布与ENSO的发展有关。但目前对于西太平洋异常反气旋与海洋环流关系的研究并不多。西太平洋异常反气旋的发展引起西北太平洋低空风场改变, 风场的变化会如何影响流场和海平面高度?本文采用合成分析的方法对美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)风场、SODA2.2.4版本的流场和海平面高度场的数据进行研究, 分析讨论了伴随着印度洋海盆增暖西北太平洋反气旋对西北太平洋上层海洋环流和海平面高度异常的影响。

1 资料与方法

本文的流场数据和海平面高度数据均来自SODA,它是由美国德克萨斯州农工大学和美国马里兰大学一起开发的海洋再分析同化数据, 基于POP(Parallel Ocean Program)模型对现有的几乎所有海洋观测数据进行同化, 模式运行时的海洋表面边界条件由20CRv2(20th century atmospheric reanalysis data set)大气数据集提供(Giese et al, 2011)。这里选用其中的SODA2.2.4版本,该数据水平分辨率为0.25°×0.4°, 垂向深度超过5000m, 一共有40层, 包括温度、盐度、水深、三维流场数据、海面风应力旋度、海平面高度。时间跨度为1871年至2010年,本文选用1971—2010年(40年)月平均再分析数据。风场数据来源于美国国家环境预报中心(NCEP), 一共有17层, 数据空间分辨率是2.5°×2.5°。
本文主要采用合成分析的方法对以下月异常的风场、流场和海平面高度场进行分析。

2 数据处理与分析

2.1 西北太平洋反气旋指数

本文定义西北太平洋反气旋指数为110°E—140°E, 20°N—30°N区域与110°E—130°E, 5°N—15°N区域的850hPa平均纬向风之差(Wang et al, 2000;黄刚 等, 2008)。利用NECP全球再分析风场数据, 对850hPa纬向风场进行带通滤波(去掉13个月高频信号和84个月低频信号)和去趋势处理(本文中数据若无特殊说明, 则均经过去趋势处理), 得到1971—2010年标准化的西北太平洋反气旋指数(图1a ),以此表征西北太平洋异常反气旋的年际变化。根据ENSO事件和IOBM(India ocean basin mode)事件的定义(许武成 等, 2009; Du et al, 2009; 陶丽 等, 2012), 将1971—2010年大于1倍标准差的年份定义为西北太平洋异常反气旋发生年, 分别为1973、1975、1983、1987、1988、1993、1995、1998、2007、2008年。图1b给出了1971—2010年1—12月西北太平洋反气旋指数的标准差。图中显示6月份的反气旋指数标准差最大(图 1b), 即6月份时西北太平洋异常反气旋强度最大,而夏季西太平洋异常反气旋主要是由印度洋海盆增暖引起(黄刚 等, 2008)。本文选取伴随着印度洋海盆增暖(陶丽 等, 2012)西北太平洋异常反气旋发生的年份, 即1973、1983、1987、1988、1998年等(本文称之为NWPAC-IOBM年), 通过分析这些年份夏季西北太平洋异常反气旋发生时西北太平洋低层风场、上层流场以及海平面高度场来讨论夏季西北太平洋异常反气旋的影响。
Fig. 1 Time series of Northwest Pacific anomalous anticyclone (NWPAC) index (a) and histogram of the 12 months’ standard deviation of NWPAC index (b)

图1 标准化的1971—2010年西北太平洋反气旋指数(a)和1—12月西北太平洋反气旋指数的标准差(b)

(a)中横线分别是正负一倍标准差所处的位置

2.2 流速随深度的变化

流速随深度的变化体现该海域流速的垂向结构。图2a表征南海海域, 夏季表层平均流速为正, 海水向东流动。图 2b表征热带西北太平洋菲律宾以东海域, 此处菲律宾海低层异常反气旋作用明显(Wang et al, 2000; Wu et al, 2000; Watanabe et al, 2002)。在大尺度风力驱动下, 北赤道流自东向西流动, 表层平均流速为负, 到达菲律宾沿岸附近会分叉(Fine et al, 1994; Qu et al, 2003; Hu et al, 2015)。根据流速随深度的变化, 100m以上海洋受到风力的驱动。本文所分析的流场为海洋上层100m的平均流场。
Fig. 2 Averaged profile of zonal velocity in 112°45′E- 114°45′E, 10°15′N-11°15′N (a) and 135°45′E-137°45′E, 12°15′N-13°15′N(b)

图2 112°45′E—114°45′E、10°15′N—11°15′N(a)和135°45′E—137°45′E、12°15′N—13°15′N(b)海域0~600m平均纬向流速随深度的变化

2.3 西北太平洋风场变化

图3给出了NWPAC-IOBM年西北太平洋1000hPa异常风场的合成结果, 从风场的经向剪切发现, 伴随着印度洋海盆增暖, 西北太平洋出现低层异常反气旋。随着反气旋的发展, 其形态和位置均发生变化。5月以前反气旋中心在15°N附近, 而在此后反气旋中心移到20°N甚至更北。Xie 等(2009) 研究指出5月以前春季和夏季的西太平洋异常反气旋的生成机制不同, 其中春季热带太平洋的海温异常起到了很重要的作用。而夏季形成的西太平洋异常反气旋主要是印度洋海盆增暖所引起(Yang et al, 2007; 黄刚 等, 2008)。
Fig. 3 Composites of 1000 hPa wind anomalies in the Northwest Pacific (125°E, 0-50°N) in NWPAC-IOBM years

图3 NWPAC-IOBM年西北太平洋(125°E、0—50°N) 1000hPa的合成异常风场随时间变化

2.4 西北太平洋海洋环流和海平面高度的变化

在NWPAC-IOBM年, 异常的反气旋风场会引起流场和海平面高度的变化。由图4a看出, 南海海平面高度异常随着异常反气旋的发展而加强, 14°N以北的南海海域海平面高度负异常逐渐减弱, 进而出现正异常, 夏季海平面高度异常达到峰值。图4c表示菲律宾群岛以东的北太平洋海域(5°N—30°N, 129°45′E—139°45′E)海平面高度异常变化, 同样在异常反气旋发生时海平面高度负异常消失, 进而出现正异常。但是菲律宾群岛以东的北太平洋海域海平面高度异常并不是在夏季达到最大, 而是大约滞后一个季节, 在9、10、11月海平面高度异常出现峰值。从这可以看到, 南海海域对夏季西北太平洋反气旋的响应几乎准同步, 而西太平洋海域对于夏季西北太平洋反气旋的响应则会滞后。为了排除La Niña的影响, 这里选取了单纯有La Niña发生的年份(1974、1984、1999)进行合成分析(陶丽 等, 2012)。当只有La Niña发生时海平面高度异常(图 4b、d)与夏季西北太平洋反气旋所引起的海平面高度异常(图4a、c)并不一致。
Fig. 4 Zonally-averaged sea surface height anomalies in the South China Sea (10°N-22°N, 112°45′E-118°45′E) (a, b) and the Northwest Pacific (129.75°E-139.75°E, 5°N-30°N) (c, d) during NWPAC-IOBM years (a, c) and La Niña events (b, d)

图4 南海海域(10°N—22°N, 112°45′E—118°45′E) NWPAC-IOBM年(a)和单纯La Niña年(b)纬向平均的海平面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)随时间的变化; 西北太平洋海域(5°N—30°N, 129°45′E—139°45′E) NWPAC-IOBM年(c)和单纯La Niña年(d)纬向平均的海平面高度异常随时间的变化

图5给出伴随着印度洋海盆增暖西北太平洋反气旋的发展过程。春季, 南海以及菲律宾以东的太平洋海域出现低层异常反气旋, 特别是在菲律宾海域低层异常反气旋十分显著(Wang et al, 2000)。随着反气旋的发展, 到夏季时西北太平洋反气旋范围有所扩大(图5b), 而且有所北移。南海海域此时西南季风衰退, 出现异常东北风 (Yang et al, 2007; Du et al, 2009)。
Fig. 5 1000hPa wind anomalies and vorticity in spring (a), summer (b) and autumn (c) during NWPAC-IOBM years.

图5 NWPAC-IOBM年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)的异常风场(1000hPa)及其对应的涡度场

图6和图7分别表示西北太平洋异常反气旋所引起的西北太平洋海洋环流和海平面高度的变化。春季, 南海海域出现异常反气旋(图5a), 南海海域流场对风的响应几乎准同步(图4a), 此时南海上层海洋形成异常反气旋环流, 对应着水体在海面辐合, 海平面高度升高, 此时反气旋中心海域海平面高度负异常消失(图7a)。而菲律宾以东西北太平洋海域对风场的响应滞后(图4c), 海洋环流无明显异常。夏季, 从图7b可以看到南海北部依然是反气旋环流, 海平面高度异常增大。而南海南部海域形成气旋式环流, 对应负的海平面高度异常。大气异常反气旋在夏季时达到最强, 南海海域西南季风减弱 (图5b; 刘秦玉 等, 2000)。在西北太平洋, 热带太平洋海域开始形成反气旋式环流结构, 而菲律宾以东海域海平面高度负异常消失, 出现了正异常。秋季, 西北太平洋反气旋衰退, 南海反气旋海洋环流消失; 菲律宾以东西太平洋海域形成显著的海洋反气旋环流, 对应的海平面高度异常最为显著(图6c)。这可能与该海域向西传播的海洋Rossby波有关, 由风应力作用引起的Ekman抽吸激发出向西传播的海洋Rossby波, 进而引起海平面高度异常(Kessler, 1990; Capotondi et al, 2001; 王天宇 等, 2015), 海洋的调整滞后大气强迫约一个季节。
Fig. 6 Seasonal mean current anomalies (vector) in the upper (0~112m) layer and sea surface height anomalies (shading) in spring (a), summer (b) and autumn (c) during NWPAC-IOBM years

图6 NWPAC-IOBM年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)的异常流场(0~112m平均, 矢量)和海平面高度异常场(填色)

Fig. 7 Seasonal mean current anomalies in the upper (0~112 m) South China Sea and sea surface height anomalies in spring (a) and summer (b) during NWPAC-IOBM years

图7 NWPAC-IOBM年春季(a)、夏季(b)南海海域异常流场(0~112m平均, 矢量)和海平面高度异常场(填色)

3 总结与讨论

基于NCEP风场、SODA2.2.4再分析流场和海平面高度数据, 本文利用合成分析的方法对1971— 2010年伴随着印度洋海盆增暖而发生西北太平洋异常反气旋以及所引起的西北太平洋海洋环流异常和海平面高度异常进行了分析。结果表明, 在NWPAC- IOBM年, 南海和菲律宾以东西北太平洋的海洋环流和海平面高度出现显著异常。在印度洋海盆增暖效应下, NWPAC-IOBM年春季西北太平洋出现异常反气旋, 夏季强度达到最大。南海对西北太平洋反气旋的响应呈现准同步特征(图4a), 春季形成异常反气旋海洋环流, 反气旋中心海平面负异常消失, 海平面高度升高(图7a)。夏季在南海北部维持反气旋环流, 反气旋环流中心海平面高度正异常增大; 此时对应南海西南季风减弱(图5b), 南部形成异常气旋式海洋环流, 对应的海平面高度负异常 (图7b)。而菲律宾以东的西北太平洋海域海洋表层环流对西北太平洋异常反气旋的响应大约滞后一个季节(图4c), 这可能与该纬度上西传Rossby波对海洋的调整有关。夏季菲律宾以东的西北太平洋海域开始出现异常反气旋海洋环流(图6b), 秋季时环流异常达到最强, 此时海平面高度正异常也达到最大 (图6c)。关于Rossby波对海表面高度的调整, 还需要在今后的工作中进一步讨论分析。

The authors have declared that no competing interests exist.

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