1950～2010年PDO對北太平洋地區海平面變化影響的量化與評估

劉 超, 徐永生

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋環流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266200; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

1950～2010年PDO對北太平洋地區海平面變化影響的量化與評估

劉 超1,2,3, 徐永生1,2

(1. 中國科學院 海洋研究所 海洋環流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室, 山東 青島 266200; 3. 中國科學院大學, 北京 100049)

本文研究和估計了1950～2010年不同太平洋年代際濤動(Pacific decadal oscillation, PDO)事件對北太平洋地區的海平面上升趨勢所造成的影響。研究使用了SODA(Simple Ocean Data Assimilation)的海表面高度(sea surface height, SSH)數據資料, 通過多元線性回歸方法, 分離了由PDO事件所引起的海表面高度變化(PDO-SSH), 以此分析PDO事件對海平面變化所造成的影響。結果表明, PDO-SSH所引起的海表面變化趨勢的空間分布, 及其對區域海平面變化的遮掩效果, 和對應時期內PDO信號的振幅和周期有著緊密的關系。進一步的分析表明, PDO事件對北太平洋地區SSH變化所造成的影響是不均勻的, 在東西太平洋有著相反的變化趨勢。1960～1989年, 具有較長數據時間長度的PDO信號對海平面變化的影響, 要強于高度計投入使用后的時期的表現, 而受其影響最重的海域出現在赤道西太平洋海域、阿留申群島及北美沿岸地區, PDO-SSH在上述地區SSH的占比甚至高達60%。

太平洋年代際濤動; 區域海平面變化; 海面高度; 北太平洋

全球和區域海平面的趨勢性上升是氣候變遷所帶來的重要影響之一。在太平洋地區, 年際和年代際的海-氣系統相互作用帶來的氣候變動, 例如厄爾尼諾與南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)和太平洋年代際濤動(Pacific decadal oscillation, PDO)對該地區的海平面長期變化趨勢的估測有著重大影響。20世紀90年代初期, 高精度的衛星高度計開始用于測量海平面的趨勢性變化, 但海表面高度(sea surface height, SSH)數據的時間長度相對較短, 限制了更進一步的深入研究, 尤其是目前觀測到的PDO信號主要活躍在1980年之前[1-2], 這對研究PDO對區域海平面變化趨勢造成的影響和貢獻造成了一定困難。

Nakamura等[1]提出, 年代際的變化趨勢在北太平洋地區的中長期氣候變化過程中起到了決定性的作用, 尤其是在黑潮延伸體海域。Zhang等[2]發現,在北太平洋海域, 去除掉年內季節變化影響的海表面溫度(sea surface temperature, SST)和海表面壓力(sea level pressure, SLP)在年代際變化尺度上有著最為突出的表現, 同時北太平洋也是能量的年代際變化最強烈的地區。Casey等[3]發現, 在北太平洋地區,尤其是從太平洋暖池區域到北美地區西海岸, 海表面高度的變化和海表面溫度的變化之間有著很高的相關關系。

作為北太平洋地區最為強烈的年代際氣候變化現象[4], PDO對該區域海平面變化趨勢的貢獻也是最為顯著的。在過去的20 a, 由于受到PDO的影響, 在對北美洲太平洋沿岸海平面變化的估測中, 甚至出現了普遍性的下降趨勢[5-6]。也有研究使用了衛星高度計產品和海平面重構數據(包括海表面高度和海表面溫度)對PDO信號進行分析, 旨在理解和確認其在區域及全球海平面長期變化趨勢中扮演的角色和作用[7-12]。這些研究認為, 類似于PDO的中長期氣候變動是導致區域海平面上升趨勢呈現不均勻分布的主要原因, 而中長期氣候波動會掩蓋由人類活動所導致的海平面上升(sea level rise, SLR)現象, 增加了對人類活動導致的全球氣候變暖的評估難度。Hamlington等[13]通過分析1993～2010年的ORA-S3 (Altimetry and Operational Ocean Re-Analysis Series 3)數據, 試圖通過去除與PDO相關的海平面變動, 將人類活動所引起的海表面高度變化從區域海平面變化趨勢中分離出來, 以達到提升對未來海平面變化的預測能力的目的。

對于PDO和東北太平洋海平面變化的研究, 由于觀測數據的諸多限制, 眾多的研究集中在SST, 而且自1993年以來, 衛星高度計投入使用的高度計時期, 僅有少量的研究涉及長時SSH觀測資料的相關研究。但理解和認識PDO事件在中長期尺度上所引起海表面高度變化, 在描述和分析年代際海氣相互作用以及中長期氣候信號的傳播的過程中是極其重要的。本文試圖對1950～2010年共60 a的PDO事件對區域海平面變化趨勢的影響進行量化, 以期對北太平洋地區長期海平面上升趨勢獲得更好的理解, 進一步提升我們對未來海平面趨勢性變化的預測水平。

1 研究數據來源及PDO信號的提取方法

1.1 海平面高度數據及其可信度驗證

本研究使用了SODA(Simple Ocean Data Assimilation) 2.2.4的月平均海表面高度數據, 該數據的原始空間分辨率為0.25°×0.25°, 為方便計算和比較,將分辨率處理為0.5°×0.5°, 數據的時間長度為1950～2010年。SODA同化數據采用了最優同化技術,結合了同化的衛星遙感數據及來自部分驗潮站的實測數據。SODA2.2.4是由美國德州農工大學(Texas A&M University)的SODA計算小組發布的最新版本,該版本的數據產品首次同化了超過100 a(1871～2010年)的海洋觀測數據, 但由于數據時間長度過長, 在高度計時期之前的數據準確性和可信度需要使用實測數據進行再次驗證。

為對SODA2.2.4的數據可信度進行檢驗, 我們選取了平均海平面永久服務(Permanent Service for Mean Sea Level, PSMSL)驗潮站數據庫中的月平均海表面高度數據進行比較。所選取的驗潮站站位具有相對較長的數據時間長度, 至少涵蓋了衛星高度計時期(1993～2010年), 主要使用了修正局地參考數據(revised local reference, RLR)。在東北太平洋區域所涉及到的上百個驗潮站中, 我們嚴格篩選了20個數據空白較少且具有較高連續性的驗潮站作為基準(表1), 而觀測的海表面高度數據中存在的數據空白則通過一維線性插值填補完畢。此外, 作為時間序列的補充對比, 我們也對1993～2010年間的法國AVISO(Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)發布的衛星高度計同化數據進行了相應處理, 分辨率由1/3°×1/3°重新通過二維線性插值處理為0.5°×0.5°的網格化數據。

為方便比較, 我們分別從SODA2.2.4和AVISO數據產品中選取了臨近各個驗潮站的海表面高度數據來進行對比, 以驗證SODA海表面高度數據的可靠性和可信度。比較同化數據產品和驗潮站數據之間的差別是驗證數據時間序列一致性的常用有效方法[14], 當兩者一致性程度較高的時候, 同化數據和驗潮站海平面變化之間的差值一般為常數或接近常數。

為去除噪聲信號的干擾, 3組海表面高度數據的時間序列都進行了標準化處理, 在每個站點上, 每組海表面高度數據分別除以了各自的標準差, 并且去除了季節性信號。圖1展示了3組數據在部分驗潮站站位的比較結果。結果表明, 無論是年際信號還是年代際信號的變化, 全部3組數據在各個驗潮站站位上都顯示了很好的一致性。而SODA2.2.4的海表面高度數據和各個驗潮站的實測數據之間也有相對較高的相關系數(表2), 各個數值均高于0.6。分析表明, 在北太平洋地區, 不管是振幅的大小還是在整體的海面高度變化趨勢上, SODA2.2.4和實測數據之間具有很高的一致性。這說明, SODA2.2.4的數據在北太平洋地區是可信的。

1.2 PDO-SSH的計算過程

PDO指數θ (獲取自: http: //jisao.washington.edu/ pdo/)被定義為北太平洋地區SST的經驗正交分解(empirical orthogonal function, EOF)分析后得到的第一模態的時間序列[15-16]。PDO隨指數的正負不同而具有不同相位, 相位轉化過程一般會持續10～30 a。另一方面, SSH變動主要代表著其垂直下方的上層海水及溫躍層的變化, 和海表面溫度不同, 對上層大氣壓力的響應較為緩慢。Cummins等[8]認為, 在尋找可以衡量PDO的指數上, 衛星高度計所測得的SSH主成分是要比SST更好的指標, 具有較高的強度, 不易被區域性的短期大氣變化所影響, 同時在北太平洋地區, 其受到的噪聲影響也要比SST為主導的PDO指數要低。該觀點和早先的其他針對海表面高度異常的研究相一致[8,16-17]。綜上, 可以認為基于SST的PDO指數能夠反映PDO和SSH之間的緊密聯系。

表1 從PSMSL海表面高度數據組中所選取的驗潮站名稱、坐標、時間長度的起止點以及空白數據在總海表面高度時間序列中的占比Tab. 1 Station name, location, time interval, and ratio of gaps in tide gauge SSH time series selected from PSMSL datasets

表2 SODA 2.2.4海表面高度數據和20個驗潮站的海表面高度時間序列之間的相關系數Tab. 2 Correlation coefficient between SODA 2.2.4 and tide gauge SSH data at each gauge station

根據此前的相關研究[5,18], 通過對海面高度異常進行時間和PDO指數的多元線性回歸(multi variable linear regression, MVLR)運算, 可將PDO所引起的海表面高度變動(PDO-SSH)信號從海表面高度數據中分離出來:

式中?η是海表面高度異常, a0是常數項, a1是通過多元線性回歸所獲得的海表面長期變化線性趨勢的回歸系數, a2是PDO指數所對應的回歸系數, t表示時間, 而aε是誤差。1a和2a分別代表了長期趨勢和PDO信號變化趨勢, 而PDO-SSH即是通過將回歸系數2a與θ相乘得到的。至此, PDO所引起的海面上升趨勢即可從氣候變動的大背景中分離出來, 并用于之后的研究和分析。

在進行多元線性回歸分析之前, 為使研究能夠聚焦于大尺度長周期的氣候變動, 同時為保證足夠的信號強度, 我們對θ采取了36個月和12個月的滑動平均(圖2)。

圖1 驗潮站海平面數據和臨近的SODA2.2.4海表面高度數據的比較結果Fig. 1 Comparison between data at tide stations and nearby grid points of SODA 2.2.4

圖2 基于海表面溫度的PDO指數及應用36個月和12個月的滑動平均后的濾波結果Fig. 2 SST based PDO index and associated 36- and 12-month running mean filtered results

2 1950～2010年PDO對區域海平面上升的貢獻

圖2中可見到在1950～2010年, PDO指數出現了2個連續且明顯的完整相位變換過程 (1960～1989年, 1990～2001年)。Minobe[19-20]指出, 在20世紀里, PDO在兩個準周期上最為活躍, 一個是50～70 a, 另一個是15～25 a。此外, PDO和ENSO在低頻波段表現出了很高的相關性[5-6,17,21], 有研究認為PDO或為北太平洋地區對ENSO的一種響應模式[22-25]。

綜合考慮上述研究中PDO所表現出來的特征,為保證PDO指數在濾波之后依然能夠保持較高的信號強度, 本研究中并未采取除滑動平均以外的低通濾波器對PDO指數進行濾波, 并將著重討論和研究前文中提到的兩個典型周期(圖2)。

根據之前所獲得的PDO-SSH, 通過在每個網格點上對其進行最小二乘法運算, 即可獲得PDO所引起的海平面變化趨勢。圖3為這兩個周期所分別對應的PDO-SSH變化趨勢的空間分布, 兩者和典型的PDO信號在北太平洋的空間分布之間具有很高的相似度。在1960～1989年, PDO指數從冷相位轉變到了暖相位, 所對應的PDO-SSH變化趨勢在北太平洋地區呈現出差異化的分布特征, 在西北太平洋地區體現為下降趨勢, 而在東北太平洋地區則為上升趨勢。相反地, 在1990～2001年, 由于PDO指數從暖相位轉變到了冷相位, 所對應的PDO-SSH的變化趨勢在西北太平洋地區體現為上升趨勢, 而東北太平洋為下降趨勢。盡管在兩個不同的周期里, PDO-SSH趨勢的空間分布有著非常相似的空間分布特征, 但在1960～1989年, PDO-SSH趨勢的區域差異性特征更為復雜。在兩個不同時期內, PDO所引起的海平面變化的極大值均出現在了黑潮延伸體區域, 而相反的變化速率的極大值也都出現在了北美地區太平洋沿岸以及東赤道太平洋地區。

圖3 PDO引起的海平面變化趨勢的空間分布 單位cm/aFig. 3 Distribution of sea-level trends induced by PDO, cm/aa: 1960～1989年; b: 1990～2001年a: between 1960 and 1989; b: between 1990 and 2001

將PDO-SSH信號從原始的SODA數據中被去除掉之后, 北太平洋地區的海表面高度變化速率在空間分布上發生了重大改變。圖4和圖5為去除PDOSSH前后, 分別使用最小二乘法對兩個周期進行計算得到的區域海平面變化趨勢。

從圖4a中可見, 由于具有較長的數據時間長度(約30 a), 在1960～1989年, 北太平洋地區的區域性海平面變化趨勢分布較為均勻并且數值不高, 數據的標準差較小, 基本控制在±1 mm/a的水平內。

在去除PDO-SSH之前, 該區域的海平面變化趨勢空間分布和PDO信號的空間分布之間有一定的相似性, 在北美地區近海海域具有正的上升趨勢, 而在西太平洋地區也呈現出負的上升趨勢, 尤其是在黑潮延伸體海域。黑潮延伸體本身所具有的不穩定性或許是造成該地區海平面變化趨勢空間分布特征復雜的首要原因。圖4a的上升趨勢的極值區出現在東赤道太平洋和阿拉斯加灣區域。整體來看, 圖4a所表現出來的空間分布狀況和PDO-SSH自身的變化趨勢空間分布之間有著一定相似性, 同時趨勢下降的地區主要集中在25°～50°N, 150°E～160°W地區。

圖4 1960～1989年區域海平面變化趨勢的空間分布Fig. 4 Regional sea-level trend distribution between 1960 and 1989a: 移除PDO-SSH前; b: 移除PDO-SSH后a: PDO-SSH retained; b: PDO-SSH reduced. Black contours denote zero values

圖4 b為移除PDO-SSH之后的北太平洋區域海平面上升趨勢空間分布。在大致的升降分布上, 圖 4b和圖4a之間有著一定的一致性, 但不再具備PDO信號的典型特征。

總體來看, 北太平洋東西兩側的海平面升降關系在圖4b中出現了翻轉。在赤道太平洋地區, 無論是升高還是下降, 移除后的海平面變化趨勢都得到了加強。而在赤道暖池區域(10°～20°N, 150°–180°E),海平面上升趨勢的最大值達到了約0.3 cm/a。而同一區域的PDO-SSH的平均變化趨勢就達到了–0.2 cm/a,幾乎是實際觀測數據的兩倍之多。

由于去除了PDO所引起的海平面變化, 在北太平洋的大部分區域里, 包括北美地區近海海域, 海平面變化趨勢從接近于0變化到了–0.1 cm/a的水平,說明PDO-SSH的存在會極大地影響沿海地區的海平面上升水平。由于絕大多數北太平洋地區的驗潮站都分布于北美地區沿岸, 尤其是那些數據完整度較高, 經常參與研究活動的驗潮站, 因此為提高估計人類活動所導致的區域海平面變化的準確程度, 去除PDO-SSH信號是至關重要的。使用同一套計算方法, 我們分析和檢驗了另一個時間更近的PDO活躍時期(1990～2001年)。高度計時期和這一活躍時期有諸多重合, 同時在該時段里, 還包含了1997年發生的歷史上最強烈的ENSO

事件之一。盡管該時期在時間長度的選擇上存在一定的差異性, 但圖5a中的區域海平面變化趨勢的空間分布仍然與此前的相關研究[18]保持了一定的相似度。在未分離PDO所引起的海表面高度變化的情況下, 北太平洋的區域海平面變化空間分布呈現出了很強的差異性。在西太平洋和赤道暖池地區, 出現了一個很強的正上升速率中心, 而在北美地區沿岸,

則出現了負的上升速率聚集區域。最大的海平面上升速率(1 cm/a)出現在10°～25°N, 150°～170°W區域,

同時最小速率(–1 cm/a)出現在了黑潮延伸體海域和東赤道太平洋地區。此外, 在整個北美地區沿海地區,

都呈現出了普遍的下降趨勢。

圖5 1990～2001年, 區域海平面變化趨勢的空間分布Fig. 5 Regional sea-level trend distribution between 1990 and 2001a: 移除PDO-SSH前; b: 移除PDO-SSH后a: PDO-SSH retained; b: PDO-SSH reduced. Black contours denote zero values

然而在移除PDO-SSH后, 北太平洋區域海平面變化趨勢的空間變化模式, 與圖4和其他研究[8]的變化模式都有一定差異。在大多數格點上, 盡管PDO-SSH的變化趨勢并不一致, 但通過移除PDO-SSH信號,整個北太平洋地區的區域海平面的上升趨勢均得到了抑制。和圖5a中的海平面上升趨勢相比, 圖3b中的PDO-SSH變化趨勢強度較弱, 最大值僅為0.5 cm/a。而另一方面, 沿海地區和東北太平洋地區的海平面下降趨勢也得到了抑制, 但阿留申群島附近海域的上升趨勢得到了加強。

在兩個不同的PDO活躍時期內, 移除PDO-SSH前后, 海平面上升速率的空間分布有著截然不同的變化模式, 導致這種變化差異的主要原因或許是由于趨勢計算方法本身存在一定的不穩定性。在趨勢估計的過程中, 最小二乘法是廣泛適用的方法, 但這種方法對數據的時間長度的選取有著很強的依賴性[26]。在選取不同的數據時間長度的過程中, 即使參與最小二乘法運算的數據之間存在很小的不同, 也可能導致截然相反的統計結果。圖3中, 在兩個不同的時期里, PDO所引起的海平面趨勢性變化有著相似的空間分布和信號強度, 僅因為PDO指數的冷暖相位轉化方向相反, 使得東西太平洋地區在上升趨勢的正負關系有所不同。1990～2001年, 發生了最強烈的ENSO事件之一。盡管對PDO指數進行了滑動濾波, 由于ENSO和PDO之間的緊密聯系, 使得該時期的PDO指數變化曲線和ENSO之間, 在強度和變化規律上仍然有著一定的相似度。然而, 由于1990～2001年間觀測所得的海平面變化要遠強于同期對應的PDO-SSH的變化, 使得長期氣候振蕩對海平面變化所產生的真實影響被掩蓋了。

3 討論

類似ENSO和PDO的年際和年代際氣候振蕩,不僅能夠影響大洋熱量的經向輸運過程和大氣輻射平衡, 也能夠掩蓋長期不可逆轉的海平面上升趨勢。整體看來, 中長期的氣候變動會對全球平均海平面以及區域海平面有提升效果[3]。通過降低大尺度氣候變動對海平面所造成的影響, 可以顯著提升我們對區域海平面升高狀況估測結果的精確度。此前已有諸多學者使用衛星高度計和其他海平面重構產品對PDO和海平面變化之間的關系進行了研究[5,9,11,16]。本文中, 我們使用了一種估計PDO對區域海平面變化的影響的量化方法。基于SODA 2.2.4同化數據和衛星高度計數據, 可以計算出PDO事件對海平面變化的影響尺度, 提升我們對人類活動所導致的全球氣候變暖效應和區域海平面差異性變化的認識。

在計算的過程中, 我們使用了多元線性回歸方法來提取PDO-SSH信號, 并重新計算了海平面變化速率。PDO的相位變換主要發生在年代際尺度上, 約為10～30 a, 而在15～25 a的周期上最為活躍。當PDO信號從冷相位轉向暖相位時, 如1960～1989年, PDO指數整體呈現上升趨勢。同時, 回歸計算得到的PDO-SSH在西北太平洋呈現下降趨勢, 在東北太平洋則是上升趨勢。當相位變換的方向相反時, 如1990～2001年, 則相應地會出現正負關系相反的空間分布。在1960～1989年間, PDO影響了整個北太平洋海域, 將區域海平面升高的空間分布模式打散甚至逆轉。而在東北太平洋的大部分區域內, 包括北美地區沿岸和東赤道太平洋海域, 發現海平面升高速率嚴重受到PDO-SSH的影響。然而, 在相對較短的時期里(如1990～2001年), PDO-SSH對區域海平面升高趨勢的影響僅相當于一個背景場信號。這是由于在高度計時期, PDO-SSH的強度要遠小于SODA海平面高度數據的強度, 這對準確判斷PDO對海平面所造成的真正影響范圍形成了一定的干擾。

在計算海平面上升趨勢和PDO-SSH變化趨勢時,變化速率對所選取的時間長度十分敏感。一般來說,給定的PDO信號的數據時間長度越長, 其對區域海平面變化趨勢所造成的影響就越小; 而數據的信號強度越大, 對海平面變化趨勢的影響就越大。在北太平洋地區, 盡管PDO影響的空間分布模式并不唯一,但北美沿岸地區受到的影響始終最為顯著。

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Quantification and evaluation of PDO influence on north Pacific SLR during 1950–2010

LIU Chao1,2,3, XU Yong-sheng1,2
(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory for Ocean Dynamics and Climate, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266200, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Mar. 22, 2016

PDO (Pacific decadal oscillation); regional sea level; SSH (sea surface height); North Pacific Ocean

In this paper, the influence of different Pacific Decadal Oscillation (PDO) events are investigated and estimated during 1950–2010 in the North Pacific. Simple ocean data assimilation (SODA) sea surface height (SSH) data are used to separate PDO-induced SSH varieties (PDO-SSH) by applying the multiple linear regression method. Results show that the obtained PDO-SSH induced sea level rise and its obscure-effect are closely related to the amplitude and period of the corresponding PDO signal. Further analysis shows that the influence of PDO events in the North Pacific is not uniform, and an opposite sign is observed in the Eastern and Western Pacific. The long-term PDO signal during 1960 to 1989 has a stronger influence than the altimeter period, and the areas most influenced are the western equatorial Pacific, Aleutian Islands, and coast of North America, where PDO-SSH in these regions accounts for nearly 60% of observed SSH.

P722

A

1000-3096(2017)04-0088-10

10.11759/hykx20160322003

(本文編輯: 李曉燕)

2016-03-22;

2016-04-16

國家自然科學基金項目(41376028); 國家重點基礎研究發展

973計劃(2012CB956000); 中國科學院百人計劃(Y32109101L); 遙感科學國家重點實驗室開放研究基金(OFSLRSS201504); 青島市創業創新領軍人才計劃(13-CX-26); 國家自然科學基金-山東省-海洋科學研究中心聯合資助項目(U1406401); 國家自然科學基金創新研究群體項目

(41421005); 山東省自然科學基金(ZR2014DQ027)

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41376028; China 973 Project, No.2012CB956000; CAS (Chinese Academy of Sciences) “100 Talent” Program, No.Y32109101L; Open Foundation of State Key Laboratory of Remote Sensing Science, No.OFSLRSS201504; Leadership in Entrepreneurship and Innovation Awarded by Qingdao Municipal Government, No.13-CX-26; NSFC-Shandong Joint Fund for Marine Science Research Centers, No.U1406401; NSFC Innovation research group of Sciences Fund, No.41421005; Natural Science Foundation of Shandong Province, China, No.ZR2014DQ027]

劉超(1990-), 男, 山東青島人, 在讀碩士, 從事氣候變化方向的研究, E-mail: liu1990chao@126.com; 徐永生, 通信作者, 研究員, 主要從事物理海洋和海洋遙感方面的研究, 電話: 0532-82898352, E-mail: yongsheng.xu@qdio.ac.cn