海洋环流与波动重点实验室知识库

盐度是表征海水性质和状态的一个重要变量。海洋盐度和温度共同决定了海洋密度，影响海洋层结和垂直混合等动力过程，驱动海洋环流，调节上层海洋的热量分布，对气候变化产生反馈作用。海洋盐度能表征全球水循环的变化，可以作为水循环的指数。本文基于观测和再分析等数据，分析了太平洋盐度的多尺度时空变化特征，包括太平洋盐度的年际、年代际、多年代际和长期变化趋势的时空演变特征等，并进一步研究了海洋盐度相关的物理过程对气候变化的影响。主要研究结论如下：

首先，利用Argo资料分析了热带太平洋上层海洋温度、盐度及海洋层结等的年际变化，诊断了盐度年际变化对厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）循环的响应和反馈。发现在年际尺度上，赤道中西太平洋盐度对密度和混合层深度有重要影响。在日界线以西的赤道太平洋，盐度对密度和海洋层结变化的影响不仅在海表，还延伸到混合层以下。进一步，盐度通过影响层结改变上层海洋的垂向混合和夹卷过程，进而调制海表温度（SST）变化对ENSO产生正反馈效应。

同时，通过热带太平洋混合层盐度收支分析，揭示了盐度年际变化与两类厄尔尼诺（El Niño）之间的关系，发现混合层盐度异常的位置和结构在两类El Niño事件的冬季有明显的差异。收支分析进一步表明，混合层平流作用、海表大气强迫和次表层效应是产生混合层盐度年际异常的三个重要因子，混合层盐度年际异常倾向的最大变率中心在两类El Niño的发展过程中存在时空差异。研究表明，SST年际变化与混合层盐度收支项之间的关系可以作为区分两类El Niño现象的指数。

其次，利用2004-2020年Argo观测资料，针对年代际尺度研究了北太平洋温跃层中涩度异常的结构和演变特征。通过等密度面分析，发现了两个结构清晰的（暖而咸或冷而淡）年代际涩度事件。在25 kg m^-3等密度面上于2007年识别出一个暖而咸的涩度异常，产生于副热带东北太平洋（120°W-150°W，18°N-30°N），然后沿着平均环流向西南方向移动，于2012-2013年前后到达热带西太平洋（145°E-175°W，~ 15°N）。于2014年发现另一个冷而淡的涩度异常，也起源于副热带东太平洋（120°W-150°W，~30°N），并于2014-2015至2019-2020年间沿着相似的平流通道向西南方向移动。利用等密度面上的Montgomery流函数可以确定这一潜沉通道，其传播方向和速度与平均地转流引起的平流作用十分吻合。此外，潜沉的涩度年代际异常可通过跨等密度面过程影响热带西太平洋SST的变化。通过对密度补偿的涩度异常的识别及其传播通道的确定，明确地阐释了北太平洋的热带-热带外相互作用的过程和机制。

在多年代际尺度变化方面，利用海洋再分析资料探究了1942-2018年间赤道西太平洋海洋盐度变化及其与温度变化的关系。采用集合经验模态分解法分离出不同时间尺度上盐度和温度变化信号，发现在赤道西太平洋，盐度表现出显著的多年代际变化特征，可区分为与温度相关的持续和过渡阶段。在不同的阶段，温度和盐度异常的多年代际变化对密度的影响有补偿或非补偿的作用，这些不同的影响方式具有时空依赖性（如不同时段和深度的变化）。在海洋次表层200m处，盐度和温度异常符号在多年代际演变中几乎是同号的，它们对密度的影响主要表现为补偿效应。在海洋表层的情况则更为复杂：在持续阶段，SSS和SST的变化往往异号，对密度的影响表现为非补偿作用，使密度异常增强；但在过渡时期他们是同号的，对密度的影响表现为补偿作用。此外，定量分析了盐度和温度对密度和层结多年代际变化的相对贡献，并讨论了盐度效应对局地SST的反馈作用。

最后，通过研究海洋上层温盐的长期变化趋势，定量分析了温盐对密度和层结长期变化趋势的相对贡献。在海洋表层，由于水循环加强导致温盐的增暖和淡化的非补偿效应，发现密度和层结变化表现出气候态分布加强的特征。在次表层，由于温盐补偿效应，赤道太平洋表现出东西梯度减弱以及南北通风过程加强的特征。这表明海洋次表层对大气强迫的长期变化会产生反馈作用，并且这种反馈作用不仅有利于减缓全球变暖的趋势，也会影响ENSO和太平洋年代际振荡（PDO）的变化。这种长期变化趋势及其与年际和年代际尺度过程之间的相互作用对气候变化及可预报性研究具有重要意义。

目  录

第1章  绪论... 1

1.1  研究背景... 1

1.2  研究现状综述... 3

1.2.1  太平洋盐度年际变化及其影响... 4

1.2.2  太平洋盐度的年代际变化... 7

1.2.3  太平洋盐度的多年代际变化及长期变化趋势... 10

1.3  科学问题及研究内容... 11

1.3.1  核心科学问题... 11

1.3.2  主要研究内容与章节安排... 11

第2章  数据资料与方法介绍... 13

2.1  数据资料... 13

2.1.1  EN4再分析数据... 13

2.1.2  Argo数据... 13

2.2  分析方法... 14

2.2.1  集合经验模态分解（EEMD）方法... 14

2.2.2  等密度面分析... 16

2.2.3  温度和盐度的相对贡献分析... 18

2.2.4  循环平稳经验正交函数（CSEOF）分解法... 19

2.2.5  混合层盐度收支分析... 20

第3章  太平洋盐度年际变化及其与ENSO的关系... 21

3.1  热带太平洋盐度的年际变化对ENSO循环的响应与反馈... 21

3.1.1  赤道太平洋盐度及其相关物理场的年际变化特征... 21

3.1.2  温度和盐度年际变化的相对贡献... 26

3.1.3  盐度贡献的定量估计... 28

3.1.4  盐度变化对ENSO循环响应与反馈的个例分析... 31

3.1.5  小结与讨论... 36

3.2  太平洋盐度的年际变化与两类El Niño之间的关系... 39

3.2.1  热带太平洋混合层盐度的年际变率及其相关物理过程... 39

3.2.2  热带太平洋混合层盐度收支项的年际变率... 40

3.2.3  两类El Niño期间混合层盐度的变化特征与收支分析... 44

3.2.4  热带太平洋混合层盐度变化对两类El Niño的响应... 49

3.2.5  小结与讨论... 56

第4章  温盐补偿作用相关的太平洋涩度年代际变化... 59

4.1  等密度面上的平均态分布特征... 59

4.2  北太平洋涩度的年代际循环... 62

4.2.1  暖而咸的涩度平流事件... 63

4.2.2  冷而淡的涩度平流事件... 63

4.3  涩度异常的年代际时空演变及其影响... 68

4.3.1  潜沉通道... 68

4.3.2  涩度年代际异常沿潜沉通道的平流过程... 69

4.3.3  涩度异常对平流通道下游的可能影响... 69

4.4  小结与讨论... 73

第5章  太平洋盐度的多年代际变化及其影响... 75

5.1  盐度多年代际变化对密度的影响... 75

5.1.1  持续阶段... 79

5.1.2  过渡阶段... 83

5.2  盐度和温度异常的相对贡献... 87

5.2.1  密度... 88

5.2.2  层结... 90

5.3  小结与讨论... 92

第6章  太平洋盐度的长期变化趋势... 95

6.1  太平洋海表盐度的长期变化趋势... 95

6.2  太平洋次表层盐度的长期变化趋势... 96

6.3  温盐长期变化的补偿效应和传播特征... 100

6.4  密度的长期变化趋势... 101

6.5  温盐对密度长期变化趋势的相对贡献... 103

6.6  层结的长期变化趋势... 105

6.7  温盐对层结长期变化趋势的相对贡献... 107

6.8  小结与讨论... 108

第7章  结论与展望... 109

7.1  本文的主要结论... 109

7.2  本文的创新点与特色... 113

7.3  未来工作的展望... 114

参考文献... 117

致  谢... 129

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果... 131