热带太平洋海表面盐度变化的模拟研究外文翻译资料

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热带太平洋海表面盐度变化的模拟研究

Xiaochun Wang and Yi Chao

Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA

Received 7 October 2003; accepted 19 December 2003; published 21 January 2004.

摘要：本文分析了从1990年到2001年利用逐日NCEP-NCAR再分析强迫场驱动海洋环流模式（OGCM）所产生的海面盐度（SSS）变化。目的是测试该模式在盐度模拟方面的能力，并为未来的SSS观测提供前期的准备。与热带大气海洋观测计划的（TAO）锚系泊观测相比，由于逐日大气强迫，该模式可以在不同的时间尺度上再现热带太平洋的SSS变化。我们的模拟结果表明，在不同时间尺度上，西热带太平洋是一个较大的变化中心。在年际时间尺度上，该区域SSS的标准偏差可达0.5psu。然而，东热带太平洋的SSS变化相对比较弱（0.1psu）。在年内尺度上（60–360天），西热带太平洋的SSS变率约为0.2 psu。模拟的SSS变化在季节时间尺度上（30-60天）的大小约为0.1psu，并且沿着SSS梯度大的纬度延伸。当时间尺度小于30天，模拟的SSS变化中心在赤道附近，其变化幅度小于0.1psu。文中还讨论了该研究与未来的盐度卫星任务的相关性。

1 简介

由于现场观测数据较少，我们对海洋盐度在时空上的变化的研究很少。然而，盐度对海洋动力学的影响被广泛认可。本文分析了OGCM对SSS变化的模拟。以前利用已有资料对热带太平洋季节性和年际SSS变化的描述[e.g., Delcroix, 1998]，为我们当前的研究提供了许多有价值的信息。但是，对盐度在空间变化上的观测非常少，这导致对SSS变化的研究在不同时间尺度上留下了许多尚未解决的问题。未来盐度卫星的目标是提供更高分辨率的数据，并且与现场观测以及OGCM进行混合分析以获得更全面的数据。分析OGCM模拟以及比较已有的SSS观测值只是实现上述研究的第一步。利用OGCM我们可以预测不同时间尺度上的SSS变化，其中包括年际（360天以上）时间尺度、年内（60-360天）时间尺度、季节时间尺度，而小于30天的这一时间尺度可能是多余的，因为未来盐度卫星对SSS的观测的分辨率是一个月。基于对SSS变化的模拟，我们将对未来盐度卫星可以解决哪些盐度信号做出评估。

由于1990-2001年逐日NCEP-NCAR（国家环境预测中心，国家海洋大气研究中心）再分析强迫场[Kalnay et al., 1996]，我们的OGCM后报模式通常可以在热带太平洋上重现不同时间尺度上的SSS变化。首先将5天平均模式的输出与热带大气海洋观测计划的（TAO）锚系泊观测[McPhaden et al.,1998]进行逐一比较。将10米以上各站点的所有可用锚系泊盐度数据进行平均，以形成该锚系泊站点的5天平均SSS。然后，使用360天低通滤波，60-360天和30-60天带通滤波和30天高通滤波模拟SSS来分析其变化。我们会在第2节中讨论模式和强迫场。在第3部分中，我们会将模式结果与观察值进行比较。第4节讨论SSS模式的平均季节周期及其变化。第5节总结我们的结果及其对未来盐度卫星任务的影响。

2 模式和强迫场

海洋环流模式采用的是基于垂直坐标原始方程模式的地形，被称为区域海洋建模系统[Shchepetkin and McWilliams,2003]。该模式在纬向和经向上具有50公里的水平分辨率以及垂直方向上20级的分辨率。该模式包括了太平洋地区，从45°S到65°N，从99°E到70°W，具有真实的海岸线和水深。沿着模式的西部边界使用了开放边界条件[Marchesiello et al.2001]。关于垂直粘度和扩散系数使用了KPP方案[Large et al.1994]。该模式首次对来自综合海洋大气数据集的60年的气候海气通量进行积分。经过60年的积分，模式达到了准稳态。模式的气候状态与观测结果相似，并且其他具有相似水平垂直分辨率的OGCM的结果也与观测结果相似。

从60年积分后的模式气候状态开始，该模式进一步分别与1948-1989年的逐月NCEP-NCAR再分析以及1990-2001年逐日再分析进行积分。本研究使用了1990年至2001年的5天平均模式输出。该强迫场衍生的细节与Li et al.[2001]相似。在实验中，海面温度（SST）和SSS均不使用恢复条款。我们的研究类似于Doney et al.[2003]，在某种意义上来说，模式主要是后报模式。在淡水通量强迫方面，Doney et al.[2003]认识到Xie和Arkin[1996]的数据在热带太平洋地区（110°E-230°E，16°S-15°N）设置了过度降水，并用卫星降水数据取代了Xie和Arkin[1996]的数值。我们对NCEP-NCAR再分析降水与Xie和Arkin [1996]数据集的比较显示，这两个数据集在空间和时间上具有类似的年际降水变化，然而Xie和Arkin[1996]的降水变率的大小是NCEP-NCAR降水的两倍。

图1 日平均海表面盐度比较模式和热带大气海洋系泊观察165°E（左），140°W（中），和赤道（右）。红线为模式输出。黑线是观察。相关系数及其显着性水平列在左下角图。盐度单位PSU。

3 与观测数据比较

5天平均模式的SSS与TAO观测结果相当，特别是在西热带太平洋（图1）。该模式可以重现这一时期的年际变化，特别是1997-1998年ENSO事件。在1997年和1998年期间，ENSO事件显示出整个赤道太平洋盐度的下降。西部赤道太平洋盐度的下降发生在1997年。在赤道太平洋东部，模式模拟盐度的下降一直持续到1997年底或1998年初。这个模式也可以重现年内时间尺度上的盐度变化。在季节时间尺度上，虽然我们并不期待SSS演变阶段的紧密匹配，但模式盐度变化的幅度与观测值相当。所有12个站点的模式输出和观测值之间的平均相关系数为0.63。对于所有比较站点来说，相关系数在99%的水平上是显著的。即使在这个站点，模式的盐度数据和观测数据也是相同的。我们的模式模拟也使用SST观察验证。在年际尺度上，在1991- 1992年，1993年，1994年，1997 - 1998年温暖的事件重复出现，1995-1996年，1998 - 1999年和1999 - 2000年的寒冷事件也是如此。

图2 年平均SSS（a）和标准偏差（b）的平均季节周期使用5天平均模式输出从1990到2001。单位是psu。注意彩条是不同的（a）和（b）。

4 模拟SSS的变化

该模式的年平均SSS与观察值相当（图2b）[e.g.,Delcroix [1998]]。北热带太平洋沿着10°N的地方是一个盐度相对较小的地区，盐度小于34.8 psu，这个区域大致在热带辐合带之下。淡水带的南北两侧都是SSS梯度较大的区域。在西热带太平洋的淡水和东热带太平洋的咸水之间，在160°E至180°E的经度带有一个盐度梯度大的区域。在热带太平洋西南部，南太平洋辐合带也有一个盐度相对较低的区域。东南热带太平洋是一个高盐度（高于36 psu）的地区。因此，南部热带太平洋沿160°W有一个盐度梯度大的区域。类似于西北热带太平洋的情况，沿着20°-25°S有一个盐度梯度大的区域。这些盐度梯度较大的区域在不同时间尺度上的SSS的变化都很大。

5天平均模式输出的平均季节周期与以前在空间和幅度方面的研究一致[Delcroix,1998]。与使用每月插值的稀疏数据的Delcroix的结果相比，这里的模式因为使用了5天平均输出并具有完整的空间覆盖，所以结果显示了从30°S到30°N的详细结构。对这个主要特点进行简要讨论，为后续讨论提供一些背景。有三个季节性较强的区域（图2b）：西北热带太平洋（5°N—15°N，140°E—180°E），东北热带太平洋（5°N–15°N, 140°W–80°W），和西南热带太平洋（10°S—20°S，160°E—160°W）。这三个季节

图3 1990 - 2001年5天平均模式SSS的标准差：（a）360天低通滤波; （b）60-360天带通滤波; （c）30-60天带通滤波; （d）30天高通过滤。 单位是psu。 注意（c）和（d）的色标是相同的，分别与（a）和（b）不同。

性强的地区与盐度相对低的水（图2a）以及大

的年降水量相关。与Delcroix [1998]结果相一

致的是，在热带太平洋地区，模式SSS平均季

节周期与降水密切相关。最大的降水量会导致

三个月的最低盐度。

去除平均季节周期后，模式为360天低通滤波，60-360天带通滤波，30-60天带通滤波，30天高通滤波，分别在年际，年内和季节时间尺度上分析SSS的变化。西热带太平洋在年际、年内和季节时间尺度上都是SSS变化中心（图3）。较强的平均季节性周期的中心与淡水以及年降水量都相关。但是，模式的SSS变化的中心在年际、年内和季节尺度上都偏向于盐度梯度大的区域。在年际时间尺度上，西热带太平洋变化较大的区域有两个变化幅度大约为0.5psu的中心。一个位于0°-10°N，150°E- 170°E。另一个位于15°-25°S之间，从160°E扩展到140°W。这两个中心与经向盐度梯度相关（图2a）。与西热带太平洋相反，东部热带太平洋地区SSS的变化相对较弱（0.1psu）。

在年际时间尺度上（图3b），SSS变化较大的区域沿着美国中部海岸分布在热带太平洋的西北、西南和东北方向。与这个时间尺度相关的标准偏差约为0.2 psu。这些地方是强平均季节性周期区域与盐度梯度大的区域相结合的区域（图2）。我们的分析表明，该时间尺度上的模式SSS变化趋势是沿着15°N和15°S向西传播，相位速度约为0.1-0.2 m / s，空间尺度为20-40度。但是模式SSS变化在西赤道太平洋并没有显示出过多的传播，甚至会向东传播。这个SSS变化的性质还没有被理解。有趣的是，平均流量也沿着15°-20°N（S）带有一个强剪切。以季节尺度的模式SSS变化中心的位置（图3c）与以年际尺度的变化中心的位置相似，但是季节尺度上的模式SSS变化幅度减小到0.1psu。在这个时间尺度上的变化中心趋向于沿某些纬度延伸，例如22°N，15°N，5°N，赤道，5°S，15°S。除了延伸到东太平洋的15°N和15°S的中心外，其他中心延伸到日届线附近。

这使热带太平洋区的东北部和东南部成为两个变化较小的区域。这个沿着15°N和15°S，特别是160°W东部的变化中心与经向SSS梯度相关联。这意味着在季节内时间尺度上，平均SSS在经向对流上的异常对模式SSS的变化起着重要的作用。在小于30天的时间尺度上，虽然沿15°N和15°S的季节内时间尺度的变化中心仍然可见，但主要变异中心沿着赤道分布，有着大约为0.06 psu的变化幅度。

5 结论与讨论

首先，OGCM模拟SSS能力针对现有的观测值进行评估。然后将模式SSS用于量化SSS的平均季节周期以及在不同时间尺度上的变化，包括年际、年内和季节时间尺度。热带太平洋上季节性较强的区域与相对淡水和年降水量都有关。

西热带太平洋在年际、年内和季节时间尺度上的变化较大。模式SSS变化在空间分布上微小的差异表明，不同的机制导致SSS在不同的时间尺度上的变化。在年际时间尺度上，西太平洋的标准偏差高达0.5psu。在年内时间尺度（60-360天）的情况下，模式SSS变化的中心往往在强平均季节周期区域与盐度梯度大的区域相靠近的地方。该时间尺度上模式SSS变化幅度约为0.2 psu。季节内时间尺度（30-60天），模式SSS变化的空间分布与年际时间尺度上的空间分布相似，但标准偏差约为0.1psu。在这个时间尺度上的变化中心往往沿着SSS梯度大的纬度延伸。这种类型后报的结果不可避免地受到模式和强迫场准确性的影响。特别是SSS的变化，对降水的估计的不准确性是一个问题。为了充分解决SSS变化问题，有必要通过组合模式和现场观测来对海洋进行最优估计。

报告的结果证实了未来盐度卫星任务的设计策略。例如，对于月平均盐度的预期精度为0.2 psu且使用寿命为3年的卫星来说，卫星的盐度观测将能够检测年内至年际时间尺度上的盐度变化。我们对小于30天SSS变化模拟的估计也表明SSS波动对月平均图的混叠误差应小于0.1psu，这明显小于0.2 psu的科学要求。我们模拟SSS的能力将在未来几年不断改进。

参考文献：

[1] da Silva, A. M., C. C. Young, and S. Levitus (1994), Atlas of Surface Marine Data 1994, Vol. 1, NOAA Atlas NESDIS, 83pp.

[2] Delcroix, T. (1998), Observed surface oceanic and atmospheric variability in the tropical Pacific at seasonal and ENSO timescales: A tentative overview, J. Geophys. Res., 103(C9), 18,611 – 18,633.

[3] Doney, S. C., S. Yeager, G. Danabasoglu,W. G. Large, and J. C. McWilliams(2003), Simulating global oceanic interannual variability using historical climate forcing (1958– 1997), J. Climate, (in press).

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