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开尔文波:厄尔尼诺发生的前兆?

【字体:   2019-11-11 16:47:14   来源: 中国气象报  

在旋转球上的流体(如大气和海洋),存在一类沿着地形边界传播或者沿赤道传播的大尺度重力波动,称为开尔文波,它受科氏力影响。
开尔文波的特点是单向传播及非弥散性。也就是说,波峰的相速度与波能的群速度在所有频率时均相等,这意味着它在沿岸方向能始终保持原有的形状。在北半球,开尔文波沿西边界向赤道传播或沿东边界向极地传播,或者沿封闭边界逆时针旋转传播;在南半球则顺时针旋转传播;在赤道处,开尔文波总是向东传播。
大气及大洋的赤道开尔文波均会将西边界中的扰动传至东太平洋,这种作用在厄尔尼诺-南方涛动的动力条件中扮演重要角色。
一般来说,判断厄尔尼诺现象是否出现,主要看是否有很强的西风产生与爆发,而连续的西风爆发事件会激发一系列开尔文波,使暖水异常向东移动,形成中东太平洋的暖海温。因此,西边界暖水异常及开尔文波被视作厄尔尼诺发生的前兆。
正常条件下,赤道太平洋的东风会令海水在赤道西太平洋堆积,但西风爆发会减弱这一向西的输送,将暖水推向太平洋中部或者东部,促使当地的海水温度上升。而且,信风减弱会使得赤道西太平洋堆积的海水向东倾斜,迫使东西太平洋的斜温层(海水温度有明显差别的层面)变平。于是,这种过程会使整个降水区域向东移。
降水区的移动,导致原本拥有丰富降水的澳洲北部及印尼一带发生干旱,另一方面却又会为原本比较干旱的南美洲西部带来大量雨水,导致秘鲁及厄瓜多尔一带出现水灾,山洪暴发,即发生厄尔尼诺现象。
不过,影响厄尔尼诺的原因错综复杂,单凭开尔文波似乎无法对厄尔尼诺进行准确预测——2014年年初出现的一次强烈的海洋开尔文波,使得当时国际上多家模式和预报中心都认为会有一次相当强的厄尔尼诺事件发生,甚至有科学家认为这会改变整个太平洋地区海表温度的年代际模态。不过,科学家没有预料到当时只是一次孤立的强开尔文波信号,再没有后续强信号,因此大部分预测模式都高估了来年厄尔尼诺的强度。
这次厄尔尼诺和西风爆发的关系也再一次证明了开尔文波和热带太平洋年际异常的动力和热力关系。可以肯定的是,深入研究开尔文波对厄尔尼诺的激发与影响机理,有助于提高厄尔尼诺定量和概率预报准确率。
目前已有的研究发现开尔文波不仅存在地域差异,而且在周期上具有可分性。开尔文波分为海岸开尔文波和赤道开尔文波两种基本类型。在固定水深的成层大洋中,自由波沿海岸边界以尺度为30千米的开尔文内波形式传播,这种波动称为海岸开尔文波;在赤道附近,由于赤道带的波导管作用,开尔文波被限制在赤道附近,并且向东传播而不发生弥散,定义为赤道开尔文波,而且赤道开尔文波会导致热带海洋出现一些异常现象,如风压异常、海洋20℃等温线和混合层等。但这两种波存在一定联系,当赤道开尔文波撞击“东部边界”,部分能量以罗斯贝波及重力波的形式反射回去,剩余部分能量则以海岸开尔文波的形式向两极传输。此过程表明,开尔文波在赤道区域传输过程中将损失部分能量,且有部分能量将传输至两极区域。
根据周期的不同,也可以把开尔文波分为三类:开尔文慢波(周期大概为10~20天)、快速开尔文波(周期大概为6~10天)、超快速开尔文波(周期大概为3~6天)。
这其中,由于超快速开尔文波具有较短周期和相对较长的垂直波长,其在传播过程中耗散较少,能够到达中间层顶、低热层甚至更高的高度。这也使得超快速开尔文波对于中性大气和电离层的耦合非常重要,进而影响空间天气。超快速开尔文波常年都会发生,频率约为20~60天。研究发现,中间层顶的超快速开尔文波调制了日落时分的粒子垂直漂移,进而对电离层进行调制。数值模拟表明,超快速开尔文波在350千米高度处能够引起10%的中性密度波动。

编辑:王艳

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