《Ocean Modelling》：Numerical study on genesis of wintertime low sea level anomaly off northwestern Luzon and dominant factor in super-ENSO-related changes
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摘要翻译：卫星遥感测高资料表明，吕宋岛西北部冬季海平面负异常（NWL-SLA）是一个普遍特征。研究人员通过一系列基于经充分验证的三维南海（SCS）模型的数值实验，探讨了冬季NWL-SLA的成因及其对1997-1998年和2015-2016年两次超级厄尔尼诺-南
摘要翻译：卫星遥感测高资料表明，吕宋岛西北部冬季海平面负异常（NWL-SLA）是一个普遍特征。研究人员通过一系列基于经充分验证的三维南海（SCS）模型的数值实验，探讨了冬季NWL-SLA的成因及其对1997-1998年和2015-2016年两次超级厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）事件的响应。分析强调，NWL-SLA的形成及其与超级ENSO相关的变率是由不同的动力过程触发的。吕宋岛西北部冬季局地正风应力旋度是NWL-SLA形成的主要驱动因素。然而，源自热带西太平洋的遥强迫信号是调控NWL-SLA中与超级ENSO相关变化的主导来源，而非吕宋岛附近局地风应力旋度和海流的变率。这些遥强迫信号来源于海平面变化的斜压分量，并以第一阶斜压罗斯贝波的速度向西传播；随后，它们以斜压海岸开尔文波的速度顺时针通过锡布图海峡最南端缺口和民都洛海峡进入南海。此外，在拉尼娜年观测到的波传播速度快于厄尔尼诺年，这是因为拉尼娜年更强的层结导致更大的约化重力。
论文解读文章：
**研究背景与科学问题**
南海北部，特别是吕宋岛西北部（NWL）海域，在冬季常出现显著的海平面负异常（SLA）。这一负异常通常与东北冬季风驱动的气旋式环流或称为“吕宋冷涡”的冷芯气旋涡相关。理解该负异常的形成与变率动力学至关重要，因为它从根本上调控着南海北部的区域环流、海平面梯度和上层海洋热结构，进而影响区域气候与生物地球化学过程。除显著的季节变化外，冬季NWL-SLA还表现出与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）密切相关的年际变率。已有研究在1998年冬季（20世纪最强厄尔尼诺之后的超级拉尼娜年）识别出NWL区域异常增暖和正SLA，但对于超级ENSO事件期间海平面剧烈波动的确切过程仍缺乏系统阐明。以往研究提出了多种竞争机制：一方面，局地大气强迫（特别是与东北冬季风相关的正风应力旋度，WSC）被认为是季节性气旋环流和南海北部海平面下降的主要驱动；另一方面，源自太平洋的遥强迫过程（如黑潮入侵、吕宋海峡输运变化、太平洋盆风激发的斜压罗斯贝波触发海岸开尔文波等）被认为在年际尺度上起主导作用。然而，对于NWL-SLA的基本成因与其超级ENSO相关变化驱动因素之间缺乏系统性区分。为填补这一空白，本研究基于经充分验证的三维南海模型（SCSM），通过五组数值实验，旨在厘清控制NWL-SLA在超级ENSO强迫下响应的详细动力过程与路径。
**研究方法与关键技术**
研究人员使用一个水平分辨率为1/20°、覆盖整个南海盆地及部分西菲律宾海的三维南海模型（SCSM），该模型基于普林斯顿海洋模型（POM）建立，垂直方向分为26个σ层。模型开边界条件取自1/12°全球混合坐标海洋模型（HyCOM）数据同化产品的逐日输出，海表强迫采用ERA5再分析资料。在控制试验（CTL）成功验证基础上，设计了五组共39个补充数值实验。这些实验均从气候态12月平均条件初始化，通过改变风场和开边界条件，分别用以诊断局地风应力与风应力旋度对NWL-SLA生成的作用、局地与遥强迫在超级ENSO相关变化中的相对贡献、遥强迫信号的进入边界、信号是二维还是三维性质，以及斜压与正压分量各自的贡献。关键诊断手段包括将总海平面高度（SSH）分解为正压（SSHbt）与斜压（SSHbc）分量，并采用混合层内相对涡度收支（MVB）分析解释海平面与垂直速度之间的尺度解耦现象。
**研究结果**
*3. NWL-SLA的成因*
为区分风应力（WS）与风应力旋度（WSC）在生成低NWL-SLA中的各自作用，研究人员开展了三组实验（Group 1）。气候态12月风场驱动的实验（ClmDec）成功再现了冬季南海SSH的典型特征；而当风场设为零（NoWind）或采用均匀东北风（NoWSC，即无WSC）时，吕宋岛以西的SSH显著升高，典型的盆地尺度SSH形态无法建立。由此得出结论：低NWL-SLA直接由WSC生成，而非WS或吕宋海峡输运所致，吕宋岛以西局地正WSC是主要驱动因子。
*4.1 风是否为导致超级ENSO相关NWL-SLA变化的关键因素？*
Group 2实验采用1996、1997、1998年各自的12月平均风场和侧边界条件（LBC）强迫，结果模拟的NWL-SSH排序为高位（1996）、低位（1997）、中位（1998），与期望的中、低、高顺序不符，说明常定强迫无法准确驱动超级ENSO相关的海平面变化，必须采用时变强迫。Group 3实验采用逐时风场和逐日侧边界条件后，正确再现了NWL-SSH的中、低、高排序，证实了时变强迫的必要性。
*4.2 超级ENSO相关NWL-SLA是由局地风还是遥强迫驱动？*
通过Group 3实验中的交叉组合（固定LBC改变风场，或固定风场改变LBC），研究人员发现：当LBC固定时，改变局地风场并不能得到期望的NWL-SSH排序；而当风场固定、仅改变LBC时，三种风场条件下均能正确再现中、低、高排序。这表明局地风场年际变化对超级ENSO相关NWL-SL变化的贡献不显著，而来自SCSM域外的遥强迫是主导因素。
*4.3 遥强迫的起源与传播路径*
Group 4实验通过在各个开边界分别恢复时变LBC，发现只有东边界时变LBC能够复现NWL-SSH的期望排序，证明超级ENSO相关信号源自西太平洋。进一步将东边界SSH与流速、温度、盐度（UVST）分别设为时变或气候态，发现仅时变SSH（而非UVST）能产生正确排序，排除吕宋海峡输运作为主控因子。将CTL模拟的SSH分解为SSHbt与SSHbc后，NWL-SSHbc和热带西太平洋（TWP）SSHbc均呈现中-低-高一致变化，而SSHbt无此规律；东边界仅施加时变斜压SSH的敏感性实验同样成功再现排序。沿两条路径追踪SSHbc，显示其以15-16 km/day（第一阶斜压罗斯贝波速度）从TWP向西传播至菲律宾东岸，随后以180-225 km/day和150-180 km/day（斜压海岸开尔文波速度）顺时针沿岸传播，经锡布图海峡最南端缺口（SPw）和民都洛海峡进入南海。1998年（拉尼娜年）的波速快于1997年（厄尔尼诺年），归因于拉尼娜年热带西太平洋更强的层结导致更大的约化重力（g'）。
**讨论与结论**
讨论部分进一步检验了1997-1998年和2015-2016年两次超级ENSO期间NWL的垂直速度变化，发现其排序（大-小-中或中-小-大）与NWL-SLA的中-低-高排序不一致，表明海平面变化不能可靠反映上升流强度变化。混合层相对涡度收支（MVB）诊断显示，WSC与拉伸项（STR）构成主导平衡，局地正WSC驱动的埃克曼抽吸在混合层底产生垂直速度，并通过浅混合层内的衰减形成显著垂直速度梯度，瞬时转化为强负涡旋拉伸。局地倾向项（TEN）极小，说明混合层维持快速准稳态地转调整。这一尺度解耦过程源于混合层动力学是高频的，与深层温跃层缓慢的大尺度平流调整（HADV/BETA）脱耦；SLA由深层温跃层的低频平流调整决定，不受瞬变混合层收支波动的干扰。
研究结论总结如下：冬季低NWL-SLA由吕宋岛西北部局地正WSC直接生成，而非南海盆地尺度环流或盆外遥强迫；但超级ENSO期间NWL海平面变化受控于热带西太平洋的遥强迫信号，这些信号由SLA的斜压分量贡献，以第一阶斜压罗斯贝波向西传播，到达菲律宾海岸后转变为斜压海岸开尔文波，顺时针经锡布图海峡最南端缺口和民都洛海峡进入南海。拉尼娜年加强的层结构增大约化重力，使斜压波传播速度加快。此外，垂直速度的年际变率与NWL-SLA在超级ENSO期间不匹配，凸显混合层与深层海洋之间的尺度解耦。该研究发表在《Ocean Modelling》，增进了对冬季NWL-SLA如何响应超级ENSO及其潜在动力机制的理解。
