熱帶太平洋海平面低頻變化

陸青，左軍成，吳靈君

(1. 國家海洋局第二海洋研究所 衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2. 浙江海洋大學 海洋科學與技術學院，浙江 舟山 316000；3.河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山 243031)

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熱帶太平洋海平面低頻變化

陸青1，左軍成2，吳靈君3

(1. 國家海洋局第二海洋研究所 衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2. 浙江海洋大學 海洋科學與技術學院，浙江 舟山 316000；3.河海大學 文天學院，安徽 馬鞍山 243031)

本文選取ECMWF ORAS4再分析數據對1959-2015年熱帶太平洋海平面的低頻變化進行了分析。熱帶太平洋海平面年際變化第一模態反映了ENSO爆發階段的海平面變化，熱帶東、西太平洋變化反相，其時間序列與Nio3.4指數高度相關。海平面第二模態則體現了El Nio爆發前后熱帶太平洋暖水的輸運過程。El Nio爆發前熱帶西太平洋暖水聚集的位置，以及爆發后暖水向赤道外輸運的位置在兩類El Nio事件中均有所不同。此外，ENSO的周期在近半個世紀發生了顯著的年代際變化，這一變化與熱帶太平洋的年代際變化有關。熱帶太平洋的年代際變化對海平面趨勢變化也有著顯著的影響。衛星高度計觀測到的近20年海平面的快速上升(下降)正是由20世紀90年代后熱帶太平洋頻繁的位相轉換引起的。

熱帶太平洋；海平面；年際變化；年代際變化；趨勢變化

1 引言

近年來，海平面的低頻變化是物理海洋學研究的熱點問題之一。這不僅因為海平面的上升給人口密集且經濟發達的沿海城市群帶來了巨大的威脅，還因為海平面變化是海洋內部動力與熱力過程變化的一個體現，它可作為研究大洋環流和氣候變化的一個指標。由于不同海域受大氣環流和海洋環流等因素的影響不同，全球海平面變化在空間上呈現出顯著的區域差異性。熱帶太平洋是全球海平面變化最典型的海域之一，它不僅具有明顯的季節變化，而且年際與年代際變化也十分顯著。

隨著觀測數據的豐富和數值模式的發展，對海平面變化的研究也逐漸深入。研究發現，熱帶太平洋海平面從季節尺度到年代際尺度，甚至是長期趨勢變化上均存在著顯著的變化。季節尺度上，海平面變化最強烈的海域在熱帶太平洋東北部，其季節信號占海平面變化總信號的60%以上[1]。年際尺度上，ENSO(El Nio-Southern Oscillation)是熱帶太平洋最顯著的年際信號[2]。海平面的變化與溫躍層厚度變化關系密切，因此許多學者通過分析熱帶太平洋的海平面變化來研究ENSO的海洋動力過程[3-4]。關于熱帶太平洋年代際和多年代際變化的機制，目前尚未有定論，有學者認為熱帶太平洋的年代際變化可由其自身的海氣相互作用產生[5-7]，也有人認為熱帶太平洋年代際變化主要受副熱帶太平洋年代際變化影響[8-10]。

此外，熱帶太平洋海平面的趨勢變化也一直是研究的熱點。前人利用驗潮站資料、海平面重構資料、再分析數據和衛星高度計數據發現，熱帶太平洋海平面近20年的變化速率遠大于過去半個世紀的變化速率，并且熱帶東、西太平洋呈現顯著的空間差異[11-15]。研究表明，海平面的趨勢變化與所分析數據的時間序列長度有很大關系[16]。對于衛星高度計數據而言，它的時間跨度僅20年左右，其海平面趨勢變化受ENSO、PDO(Pacific Decadal Oscillation)等氣候現象的影響顯著[17]。所以，本文選取時間序列相對較長的SODA 2.2.4和ECMWF ORAS4再分析海平面數據，通過與衛星觀測海平面的對比，選擇相對接近衛星觀測數據的一組資料來分析熱帶太平洋海平面近半個世紀的低頻變化特征及其原因。

2 數據介紹

本文熱帶太平洋的地理范圍定義為20°S～20°N，120°E～80°W。海平面低頻變化是本文關注的重點，所以季節變化以及周期小于1 a的變化均已通過低通濾波從月均海平面的時間序列中移除。

本文所用的衛星高度計數據來源于AVISO[18-19](Archivings Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data)網站，數據的空間分辨率為0.25°×0.25°，時間范圍為1993年1月至2015年12月，時間間隔為1個月。對于更長時間跨度的海平面數據，本文選用的是SODA 2.2.4[20]和ECMWF ORAS4[21]的再分析資料。其中，SODA資料由美國馬里蘭大學大氣與海洋科學系聯合美國德克薩斯州農工大學海洋學系共同研發，其空間分辨率為0.5°×0.5°，時間范圍為1958年1月到2010年12月；而ECMWF ORAS4資料由歐洲中期天氣預報中心制作，空間分辨率是1°×1°，時間從1958年1月至2015年12月，兩組再分析資料均為月均資料。此外，本文選擇選擇Nio3指數(5°S～5°N，150°～90°W)來表示東部型El Nio， Nio4指數(5°S～5°N，160°E～150°W)表示中部型El Nio，Nio3.4指數(5°S～5°N，170°～120°W)來表示兩種類型皆有的El Nio。

上述3個海平面資料的重合時段為1993年1月至2010年12月，因此，本文使用回報技巧評分將該時段內的再分析海平面與衛星高度計數據進行了對比(圖1)。其中，回報技巧評分的定義為S=1-〈(h0-hp)2〉/〈(h0)2〉，h0和hp分別為觀測和回報的海平面高度異常，中括號表示時間平均。S的取值范圍為-∞

3 熱帶太平洋海平面年際變化時空特征

為研究熱帶太平洋海平面的年際變化，我們對海平面進行了EOF分解。EOF前兩個模態的方差貢獻率分別為45%和16%，兩者之和超過總方差貢獻的一半，因此，下文主要對EOF的前兩個模態進行深入分析。

熱帶太平洋海平面EOF第一模態反映的是ENSO變化。該模態在空間上表現為熱帶東、西太平洋海平面變化反相(圖2)，且其時間序列與Nio3.4指數有著很好的相關關系，兩者即時相關高達r=0.93(P<0.001)。對第一模態的時間序列進行小波分析可以看出，ENSO的周期在近半個世紀發生了顯著的變化(圖3b)。1978年之前ENSO的周期主要是2～4 a；而1978-2000年，ENSO的周期變為2～6 a，其中4～6 a周期的能譜信號異常強烈。Wang和An[22]認為ENSO周期在20世紀70年代中期表現出的年代際變化與熱帶太平洋平均背景風場的改變有關。2000年后，4 a左右周期的能譜信號減弱，ENSO的周期變為2～3 a和5～6 a。

熱帶太平洋海平面EOF第二模態反映的年際變化與ENSO的發展過程有關。第二模態的時間序列提前Nio3.4指數7個月時，兩者呈最大正相關(r=0.41，P<0.001)；而第二模態的時間序列滯后Nio3.4指數8個月時，兩者呈最大負相關(r=-0.55，P<0.001)。第二模態時間序列的小波分析顯示，1978年前及2000年后，第二模態的周期是2～4 a，而1978-2000年，周期為2～6 a，其中4～6 a周期的能譜信號異常強烈(圖3d)。

圖1 SODA 2.2.4(a)和ECMWF ORAS4(b)對熱帶太平洋衛星觀測海平面的回報技巧評分(圖中等值線間隔為0.1，黑色等值線表示S=0)Fig.1 Skills of reanalysis data from SODA 2.2.4 (a) and ECMWF ORAS4 (b) in explaining the variance of altimetry-derived sea surface height anomalies in the tropical Pacific (contours indicate a skill of 0.1， black contours denote S=0)

圖2 熱帶太平洋海平面年際變化第一模態與第二模態的空間分布Fig.2 The spatial patterns of the first two EOF modes of interannual sea level variation in the tropical Pacific

圖3 熱帶太平洋海平面年際變化第一模態和第二模態的標準化時間序列(黑線，彩色直方圖表示Nio3.4指數)及其小波能譜圖Fig.3 The first two principal components (black lines， color histogram indicates the Nio3.4 index) of interannual sea level variation and theirs wavelet power spectrum diagrams

圖4 1979-1999年和2000-2015年熱帶太平洋SSH分別與Nio3(左列)和Nio4(右列)指數的滯后相關系數空間分布(圖中a～g分別表示海平面高度滯后Nio3指數-9，-6，-3，0，3，6，9個月時的相關系數，h～n分別表示海平面高度滯后Nio4指數-9，-6，-3，0，3，6，9個月時的相關系數，負號表示提前)Fig.4 Lagged-regression coefficients between the 1979-1999 sea surface height and the Nio3 index (left panels， figs. a-g mean sea surface height lag the Nio3 index-9，-6，-3， 0， 3， 6， 9 months)， and between the 2000-2015 sea surface height and the Nio4 index (right panels， figs. h-n mean sea surface height lag the Nio4 index-9，-6，-3， 0， 3， 6， 9 months)

4 熱帶太平洋海平面年代際變化

關于熱帶太平洋年代際變化的機制，到底是由熱帶太平洋本身的海氣系統相互作用產生的[5-7]，還是由副熱帶年代際變化通過海洋通道或者大氣橋影響熱帶太平洋的[8-10]，目前還沒有定論。

圖5 熱帶太平洋海平面年代際變化第一模態的空間分布以及標準化時間序列(黑線，彩色直方圖表示PDO指數) Fig.5 The spatial pattern and principal components (black line， color histogram indicates the PDO index) of the first EOF mode of decadal sea level variation in the tropical Pacific

5 熱帶太平洋海平面趨勢變化

熱帶太平洋海平面趨勢變化因資料長度的不同，影響其變化的因素也有所不同。當海平面的時間序列長度在10 a左右時，其趨勢變化受年際變化(如ENSO循環)影響顯著；而當數據長度為幾十年時，海平面趨勢變化除受年際變化影響外，還受年代際變化和全球氣候變化的影響。

在1958-2015年整個時間段上，熱帶太平洋海平面趨勢變化存在顯著的空間差異，如圖6中所示，趨勢變化最顯著的區域在熱帶西北太平洋(區域A，5°～15°N，125°～160°E)，最大上升趨勢為2.7 mm/a；赤道中太平洋(區域B，5°S～5°N，180°～140°W)呈微弱的下降趨勢(-0.8 mm/a)；而赤道東太平洋(區域C，5°S～5°N，110°～80°W)無明顯的上升或下降趨勢。下文將選取上述3個區域，分別討論它們在不同時段的海平面趨勢變化。

前人的研究表明，全球平均表面氣溫在PDO的冷位相時無明顯的趨勢變化，在PDO的暖位相時加速上升，而2000年后這一趨勢變化又趨于停滯[32]。熱帶太平洋在其年代際變化的冷位相時(1958-1978年)，熱帶西北太平洋海平面上升趨勢明顯(3.8 mm/a，圖7)，赤道中、東太平洋海平面雖然均呈下降趨勢，但赤道中太平洋的下降趨勢更為顯著(-3.5 mm/a)；而在熱帶太平洋的暖位相時(1979-1998年)，赤道中太平洋變化停滯，熱帶西北太平洋海平面下降(-2.9 mm/a)，赤道東太平洋海平面上升(1.5 mm/a)；2000年后，3個區域的海平面均呈上升趨勢。換言之，在全球平均表面氣溫加速上升時，熱帶太平洋的海平面并未表現出顯著的上升趨勢，甚至熱帶西太平洋海平面出現下降趨勢；而在全球平均表面氣溫趨勢變化停滯的近十多年，熱帶太平洋海平面呈顯著的上升趨勢。

圖6 1958-2015年熱帶太平洋海平面趨勢變化空間分布Fig.6 Linear trend in sea surface height in the tropical Pacific over the period 1958-2015

圖7 熱帶西北太平洋(a)，赤道中太平洋(b)以及赤道東太平洋(c)海平面低頻變化時間序列(黑線，紅線表示衛星高度計的時間序列，兩者均通過4 a低通濾波)及其趨勢(藍線)Fig.7 Low-frequency sea level time series (black lines， red lines indicated the AVISO sea surface height， both two have pass the 4 a low-pass filter) and their trends(blue lines) in the northwestern tropical Pacific (a)， central equatorial-Pacific (b) and eastern equatorial-Pacific (c)

此外，如圖7所示，熱帶太平洋海平面(ECMWF ORAS4和衛星高度計數據)在1993-1999年表現出3～4 cm/a的上升或下降速率，這與熱帶太平洋的年代際變化有關。熱帶太平洋在1993-1999年期間由暖位相轉變為冷位相，2000-2003年期間迅速地由冷位相變為暖位相，而后，2004-2014年又由暖位相轉變為冷位相。所以，熱帶西太平洋海平面在1993-1999年迅速上升，而在2000-2003年快速下降，而赤道中太平洋海平面的變化與之相反(圖8)。熱帶太平洋信風的變化是造成熱帶太平洋海平面趨勢年代際變化的直接原因[33-36]。

圖8 1993-1999年(a)，2000-2003年(b)以及2004-2014年(c)熱帶太平洋海平面趨勢變化空間分布Fig.8 Linear trends in sea surface height in the tropical Pacific over the period 1993-1999(a)， 2000-2003(b)， and 2004-2014(c)

6 小結

通過與1993-2010年AVISO衛星高度計數據的比較，發現在熱帶太平洋大部分區域，SODA 2.2.4與ECMWF ORAS4均能較好地再現實際海平面變化，然而在熱帶東南太平洋，SODA 2.2.4與衛星高度計數據差異較大，所以本文的結論基于對1959-2015年ECMWF ORAS4海平面數據的分析。

熱帶太平洋年際變化第一模態反映的是ENSO爆發階段的海平面變化，空間上呈東西反相變化，時間序列與Nio3.4指數高度相關。ENSO的周期在近半個世紀發生了顯著的變化，1978年之前ENSO的周期主要是2～4 a；而1978-2000年，ENSO的周期變為2～6 a，其中4～6 a的周期信號異常強烈；2000年后，4 a左右的周期信號減弱，ENSO的周期變為2～3 a和5～6 a。年際變化的第二模態體現了ENSO的發展過程。為區別兩類El Nio事件的發展過程，本文分別將1979-1999年和2000-2015年的SSH分別與Nio3指數和Nio4指數進行了相關分析。El Nio爆發前熱帶西太平洋暖水聚集的位置，以及爆發后暖水向赤道外輸運的位置在兩類El Nio事件中均有所不同。

年代際尺度上，熱帶太平洋有著與PDO變化類似的位相變化。熱帶太平洋在1978年前處于冷位相，1979-1998年為暖位相，1999-2015年經歷了由冷位相轉為暖位相然后又轉變為冷位相的過程。

熱帶太平洋海平面趨勢變化因資料長度不同，影響因素不同而有所不同。在1958-2015年整個時間段上，熱帶太平洋海域的海平面上升(或下降)趨勢不超過3 mm/a，但存在顯著的空間差異。在1958-1978年的冷位相時期，熱帶太平洋的海平面趨勢變化相對緩慢。然而20世紀90年代后，熱帶太平洋頻繁的位相轉換，使得1993-1999年海平面最大上升(或下降)速率能夠達到3～4 cm/a。這也使得衛星高度計觀測到的近20年的海平面變化速率遠大于過去近半個世紀的海平面變化速率。

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Low-frequency variation in sea level in the tropical Pacific

Lu Qing1， Zuo Juncheng2， Wu Lingjun3

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics，SecondInstituteofOceanography，StateOceanicAdministration，Hangzhou310012，China; 2.MarineScienceandTechnologyCollege，ZhejiangOceanUniversity，Zhoushan316000，China; 3.WentianCollege，HohaiUniversity，Maanshan243031，China)

The ECMWF ORAS4 reanalysis is used to study the low-frequency variation in sea level in the tropical Pacific in this paper. The first mode of interannual sea level variation in the tropical Pacific reflects the burst of El Nio. The sea level change in the tropical eastern Pacific is opposite to that in the tropical western Pacific， and the principal component of the first mode is highly correlated with the Nio3.4 index. The second mode shows the warm water transport process during the El Nio. The locations where the warm water gathered in before El Nio， and the positions where the warm water started to transport to high latitude are different in the two types of El Nio events. Besides， there is a remarkable decadal change in the cycles of ENSO， and this is linked with the decadal variation in the tropical Pacific. The sea level trends are also affected by the decadal variation. The high rise (descend) rate after 1993 that observed by altimeter is caused by the phase-switching．

tropical Pacific; sea level; interannual variation; decadal change; trend

2016-11-27；

2017-03-16。

國家自然科學基金項目(41690120,41690121,41621064)；國家海洋局第二海洋研究所中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(JG1510)。

陸青(1986—)，女，江蘇省鎮江市人，博士，助理研究員，從事氣候與海平面變化研究。E-mail：luqinghhu@hotmail.com

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.005

P731.23

A

0253-4193(2017)07-0043-10

陸青，左軍成，吳靈君. 熱帶太平洋海平面低頻變化[J]. 海洋學報， 2017， 39(7): 43-52，

Lu Qing， Zuo Juncheng， Wu Lingjun. Low-frequency variation in sea level in the tropical Pacific[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(7): 43-52， doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2017.07.005