热带印度洋低频Rossby波及其对上层热结构的影响

论文摘要

Rossby波是地球物理流体动力学中非常重要的一种波动,海洋斜压长Rossby波在海洋动力过程中起着相当重要的作用。它维持并影响强西边界流,是海盆内能量传播的主要机制,它所携带的变异信号从大洋的东边界传播到内部,对海气耦合系统起到很重要的作用。热带印度洋是季风爆发的源地,对季风的年际变化具有重要影响。研究热带印度洋对理解季风变率和提高季风预测水平有重要的科学和应用价值。本文利用TOPEX/Poseidon等高度计资料、美国国家海洋数据中心（NODC）的世界海洋图集（WOA05）长期气候态水文资料、美国Scripps海洋研究所的上层海温资料、中国Argo资料中心提供的Argo资料、美国国家环境预测中心（NCEP）的海表面温度、FSU（Florida State University）月平均风场和海气界面热通量等观测数据,全面分析了热带印度洋低频Rossby波的基本特征,并深入研究了低频Rossby波的生成机制及其对上层海洋热结构的影响。采用相关分析等统计方法,结合1.5层约化重力模式,研究了热带南印度洋低频Rossby波的生成机制。结果表明:（1）热带南印度洋低频Rossby波分为东边界扰动产生的Rossby波和南印度洋中部风强迫Rossby波;东边界激发的为自由Rossby波,沿12°S波速大约13 cm/s,向西最远传播到80°E左右,之后被局地变量调整;强迫Rossby波在西传的过程中不断加强,波速较快,沿12°S能超过20 cm/s;（2）东边界扰动由印度尼西亚贯通流（ITF）导致的地转调整过程引起;内区风强迫Rossby波生成和加强的关键区为（70°E–95°E,15°S–5°S）;显著的西传Rossby波同太平洋上的厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）事件紧密相连,ENSO通过大气的遥驱动机制激发热带南印度洋低频Rossby波;（3）作为东边界低频变量扰动的一个重要因子,ITF的变化与ENSO事件密切相关,总的来讲,El Ni?o年ITF偏弱,La Ni?a年ITF偏强,这与前人的研究结果一致;但它在ENSO的不同位相时期,存在一定差异,并具有夏季锁相特征:El Ni?o事件发生年的春季到秋季,ITF偏强,夏季最强;从El Ni?o盛期（冬季）到次年秋季,ITF持续偏弱,夏季最弱。上述夏季锁相特征与夏季风的强弱变化相对应。La Ni?a期间情况相反。西南印度洋（SWIO）（50°E–75°E,15°S–5°S）以及苏门答腊-爪哇沿岸地区是海表面高度异常（SSHA）和海表面温度异常（SSTA）相关显著的区域,表明内部海洋动力过程在次表层和表层变量的相互关系中起重要作用。本文以2006–2008年期间三个连续的同El Ni?o或者La Ni?a同时发生的正印度洋偶极子（IOD）事件为背景,基于Argo观测资料研究了表层和次表层IOD的演变以及二者的区别和联系,并首次采用垂直模态分解方法探讨了Rossby波对上层海洋热力结构影响的动力学特征,得到如下主要结论:（1）在热带印度洋,海洋动力过程一般主要由第一和第二低阶垂直斜压模态控制,而第一斜压模态处于主导地位——在SWIO海区,第一斜压模态运动的方差解释率为第二模态的2–3倍,在赤道和东南印度洋也达到2倍左右;另外,赤道印度洋地区高阶斜压模态运动对该地区的海洋动力过程也具有一定的贡献;（2）低频斜压Rossby波能影响海洋的垂直层结,尤其是强暖Rossby波使同第二斜压模态运动紧密相连的海洋上层层结减弱,加强第二斜压模态的贡献量,导致上层各等压线向下垂直位移增大,最终通过垂直混合过程调整上层海洋的热力结构;而低频斜压冷Rossby波会加强上层垂直层结,抑制该层内变量变化,因此第二斜压模态的贡献依然很小;（3）表层IOD和次表层IOD分布形态不同:表层东部冷异常主要集中在东南印度洋Sumatra-Java沿岸,次表层冷异常基本关于赤道对称;表层西部暖异常基本关于赤道对称,而在次表层赤道以南海温扰动强度远远大于赤道以北;（4）正IOD事件中,东南印度洋冷SSTA首先出现于Java沿岸,沿岸东南风引起的潜热释放增加以及沿岸上升流是该初始冷异常建立的主要机制,与之相关的SSTA东西梯度加强大气环流变化,并进一步强迫随后的海洋运动;1–2个月后,SST冷异常中心北跳到Sumatra沿岸并向西扩展,同时不断增强,其中Sumatra沿岸上升流、来自赤道印度洋的冷Kelvin波及其反射的西传冷Rossby波是这一演变过程的动力机制,而沿岸上升流起决定作用;（5）正IOD发展初期,关于赤道对称的次表层海温异常（STA）分布出现于东边界,之后东边界反射的冷Rossby波加强该STA,同时以Sumatra-Java沿岸Kelvin波的形式东南向传播至Java沿岸,推进次表层IOD发展;（6） 2006和2008年南、北印度洋Rossby波西向传播是西印度洋表层和次表层海温增暖的动力机制;2007年IOD事件中,中印度洋虽无暖Rossby波生成,但2007年初暖Rossby波到达西印度洋后依然缓慢向西传播至边界,次表层海温暖异常一直持续到2007年8月,对2007年西印度洋暖异常具有重大贡献;2006年海气界面的潜热释放也是SST增暖的一个不可忽视的因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 Rossby 波的研究意义
• 1.2 经典Rossby 波动的线性理论
• 1.3 Rossby 波的研究现状
• 1.4 关于印度洋Rossby 波的研究
• 1.5 问题的提出
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 资料和方法
• 2.1 海表面高度及海表面通量等资料
• 2.2 WOA05 历史资料和Argo 资料
• 2.3 其他温度和盐度等水文资料
• 2.4 本文所用到的研究方法
• 第三章 热带印度洋Rossby 波的基本特征
• 3.1 引言
• 3.2 研究方法
• 3.3 Rossby 波特征参数及其时空分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 热带印度洋低频Rossby 波的生成机制
• 4.1 引言
• 4.2 研究方法
• 4.3 ITF 激发Rossby 波
• 4.4 风应力旋度激发Rossby 波
• 4.5 数值模式试验结果
• 4.6 ENSO 遥驱动
• 4.7 El Ni?o 事件期间的风强迫Rossby 波
• 4.8 Sumatra-Java 沿岸俘获Kelvin 波
• 4.9 本章小结
• 第五章 热带印度洋低频Rossby 波对上层热结构的影响
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法
• 5.3 热带印度洋Rossby 波的垂直模态
• 5.4 2005-2008 期间的Rossby 波
• 5.5 Rossby 波对SWIO 上层海温影响的动力学分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 2006-2008 年IOD 事件
• 6.1 引言
• 6.2 2006 年IOD 事件
• 6.3 2007 年IOD 事件
• 6.4 2008 年IOD 事件
• 6.5 表层和次表层IOD 的区别和联系
• 6.6 ENSO 在IOD 发展过程中的作用
• 6.7 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢