海洋所系列研究揭示太平洋赤道中层流多尺度变异规律和机制

  中科院海洋所王凡研究团队基于长期连续潜标观测,系列研究揭示了太平洋赤道中层流的季节内、季节和年际变异规律和机制。长期以来受观测数据的限制,海洋学界对太平洋三维环流的认知主要聚焦在表层和次表层环流上,而对次表层以深的中层流结构、变异和与气候变化的联系存在较大的认知空白。赤道中层流对一千米左右物质能量的再分配发挥着重要作用,可将西中太平洋的高溶解氧输运到东太平洋低氧区,对生物地球化学研究亦有重要意义。 

  在季节内时间尺度上,团队研究发现在600-1600米存在能量大值区,其与上层200米中尺度涡旋引起的能量大值区显著不同。通过分析潜标观测数据和数值模型结果,团队研究发现中层流季节内变异与罗斯贝短波密切相关,而且其能量传播路径和南北向分布会显著受到西太平洋南侧倾斜的巴布亚新几内亚岸线影响。罗斯贝短波向下向东南方向传播能量,可将西边界上层的能量传递至中深层,季节内能量的最大值从经典的北纬3度变为4.5度。通过正压转化率的计算,团队发现中层季节内变异的动能可以向平均纬向流提供能量,这为赤道中层流的形成机制提供了一种可能解释。该成果发表在《Journal of Physical Oceanography》。 

(左)西太平洋北纬4.5度潜标观测的季节内变异强度的垂直分布,在中层有和上层不同的大值区。(右)罗斯贝短波第一经向模态能量射线的水平和垂直分布    

  在季节和年际时间尺度上,团队分析了东经142度赤道上的潜标观测数据,发现位于600米以深赤道中层流的下层分支LEICLower Equatorial Intermediate Current)存在着季节和年际变异信号,其与罗斯贝长波密切相关。与短波不同,罗斯贝长波向下向西方向传播能量,可将东太平洋上层的能量传递至西太平洋中深层。LEIC年际变异受到厄尔尼诺和南方涛动(ENSO)的显著影响,与ENSO指数的相关性在滞后11个月时达到0.8以上。在厄尔尼诺(拉尼娜)事件衰退期冬季,LEIC会违背季节变异的规律,出现强的东(西)向流异常。结合再分析数据和连续层化模式结果,团队发现ENSO成熟期的风场对LEIC的年际变异至关重要。厄尔尼诺事件中,赤道中太平洋西风异常产生的下沉开尔文波在到达东边界后,会反射形成下沉罗斯贝长波,它与由赤道东太平洋负风应力旋度激发产生的下沉罗斯贝长波一起向西太平洋传播,产生LEIC的东向流异常。该成果发表在《Geophysical Research Letters》。 

东经142度赤道(a)潜标观测、(b)再分析数据、(c)连续层化模式的2014-2018年东西向流速结果d)以上三种结果中LEIC的流速异常(e-jLEIC流速异常与ENSO指数的相关性 

  团队进一步研究发现,新几内亚沿岸潜流的中层部分NGCUC-IIntermediate part of the New Guinea Coastal Undercurrent)和LEIC一样也具有显著的季节和年际变异,年际变异与ENSO指数的相关性在滞后7-12月时达到最大值。虽然季节和年际变异都受到罗斯贝长波的调制,但长波的来源不同。中层流的季节变异主要由风直接驱动的罗斯贝长波控制,第一和第二斜压模态起主要作用,而中层流的年际变异主要由开尔文波在东边界反射后形成的罗斯贝长波控制,第二和第四斜压模态起主要作用。通过数值实验,团队研究发现南侧的巴新岸线增强了西太平洋中层流的季节变异和与ENSO相关的年际变异强度。该成果发表在《Geophysical Research Letters 。

    

风直接驱动的罗斯贝长波(上)、东边界反射的罗斯贝长波(中)和全部罗斯贝长波(下)引起的赤道中层流季节变异解释方差(左)和赤道中层流年际变异与ENSO指数最大相关系数(右)    

  以上研究成果通过分析观测数据发现了赤道中层流的多时间尺度变异规律,结合模型结果揭示了对应的动力机制,建立起赤道中层流与上层海洋在不同时间尺度上的不同联系机制。研究得到了国家自然科学基金委西太重大研究计划重点项目、中国科学院战略性先导科技专项等资助。 

    

  相关成果及链接如下: 

  1. Jianing Wang, Qiang Ma, Fan Wang*, & Dongxiao Zhang. Linking Seasonal-to-Interannual Variability of Intermediate Currents in the Southwest Tropical Pacific to Wind Forcing and ENSO. Geophysical Research Letters, 2021, e2021GL092440. https://doi.org/10.1029/2021GL092440 

  2. Qiang Ma, Jianing Wang*, Fan Wang*, Dongxiao Zhang, Zhixiang Zhang, & Yilong Lyu. Interannual Variability of Lower Equatorial Intermediate Current Response to ENSO in the Western Pacific. Geophysical Research Letters, 2020, 47, e2020GL089311. https://doi.org/10.1029/2020GL089311 

  3. Zhixiang Zhang, Larry Pratt, Fan Wang, Jianing Wang*, & Shuwen Tan. Intermediate intraseasonal variability in the western tropical Pacific Ocean: meridional distribution of equatorial Rossby waves influenced by a tilted boundary. Journal of Physical Oceanography, 2020, 50: 921-933. https://doi.org/10.1175/JPO-D-19-0184.1 

 

  文/图 汪嘉宁


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