影響南海混合層鹽度季節(jié)變化的因素分析

郭 敬,陳顯堯,張遠凌

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.海洋環(huán)境科學和數(shù)值模擬國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266061)

鹽度是海洋的重要物理參數(shù)之一，鹽度的變化可以通過改變海洋中的流場，影響大洋的熱量輸送，進而影響全球氣候變化。受到觀測數(shù)據(jù)量的限制，關于鹽度變化的研究仍主要集中在上層海洋和季節(jié)時間尺度上。Delcroix和Henin[1]指出影響上混合層鹽度變化的主要因素是蒸發(fā)降水、水平平流和混合層底部的垂直混合。這三個影響因素對鹽度季節(jié)變化的貢獻率各不相同。Rao等[2]指出在北印度洋，不同季節(jié)控制鹽度季節(jié)變化的主導因素是不同的：冬季主要由于表層順時針環(huán)流將南部海區(qū)高鹽水帶入北印度洋導致混合層鹽度上升，而在其他季節(jié)，由于降水增加和河流徑流輸入增加，鹽度明顯下降。Foltz等[3]指出影響北大西洋西部鹽度變化的主導因素是水平平流，亞馬遜河口的低鹽水隨西北向的海流入侵此區(qū)域，在春夏季節(jié)亞馬遜河流量較大，導致北大西洋西部鹽度下降，在秋冬季節(jié)亞馬遜河流量較小，鹽度上升；在北大西洋北部，北向的海流將低緯度低鹽海水帶入該海區(qū)，抵消了蒸發(fā)量大于降水量所引起的鹽度上升，所以全年鹽度變化很小；而在北大西洋南部，鹽度的季節(jié)變化是由蒸發(fā)與降水量之差所控制，冬季蒸發(fā)大于降水，鹽度上升，夏季反之。

影響南海鹽度變化的主要因素在不同季節(jié)不盡相同。其中，冬季南海北部，受到北太平洋高鹽水通過呂宋海峽入侵的影響，混合層鹽度上升[4-7]，而夏季太平洋高鹽水的入侵減少，同時降水量增加，導致混合層鹽度明顯下降[8]。在南海南部，由于觀測數(shù)據(jù)比較匱乏，所以關于南部的研究主要依靠模式的結果。根據(jù)模式的結果顯示：冬季在東北季風的控制下，南海西部沿岸會生成一支南向的西邊界流，將南海北部的高鹽水帶入南部，導致南部鹽度上升，夏季西邊界流反向，高鹽水流回北部，導致南部鹽度降低[9-13]。以往關于南海鹽度的工作分析了各因素對混合層鹽度季節(jié)變化的影響機制，但沒有對比各個影響因素貢獻率的大小。本研究希望通過分析南海區(qū)域的EN3(quality controlled subsurface ocean temperature and salinity data)鹽度數(shù)據(jù)和SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化數(shù)據(jù)，評估各影響因素對南海不同區(qū)域鹽度季節(jié)變化的貢獻，從而確定影響南海混合層鹽度季節(jié)變化的主導因素。

1數(shù)據(jù)來源

由于南海鹽度觀測數(shù)據(jù)在空間上覆蓋面積較小且在時間上不連續(xù)，所以本文采用的鹽度數(shù)據(jù)是來自Met office的EN3客觀分析數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包含了1950-2012年全球海洋溫、鹽月平均資料，水平分辨率為1°×1°。該數(shù)據(jù)是由觀測數(shù)據(jù)合成的，主要包含了WOD05數(shù)據(jù)，1999年又加入了Argo數(shù)據(jù)，所以具有較高的可信度。

為研究鹽度季節(jié)變化的影響因素，本文還用到以下數(shù)據(jù)：

1)蒸發(fā)數(shù)據(jù)。本文所用蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自于美國伍茲霍爾海洋研究所客觀分析海氣通量項目提供的OAFlux數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含了海氣界面熱通量以及相關的氣象要素場。海面蒸發(fā)量是由OAFlux數(shù)據(jù)中的潛熱通量數(shù)據(jù)換算而來，該數(shù)據(jù)為月平均資料，水平分辨率為1°×1°。

2)降水數(shù)據(jù)。降水數(shù)據(jù)采用美國NASA的全球降水氣候?qū)W計劃(GPCP)數(shù)據(jù)，包括逐日和逐月全球降水數(shù)據(jù)，本文選擇逐月平均數(shù)據(jù)進行分析，該數(shù)據(jù)時間長度為1979-01-2010-12，水平分辨率為2.5°×2.5°。

3)海流數(shù)據(jù)。海流數(shù)據(jù)采用的是全球海洋資料同化分析系統(tǒng)提供的SODA海洋數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為月平均資料，覆蓋時段為1950—2008年，水平分辨率為0.5°×0.5°。

4)混合層深度(MLD)數(shù)據(jù)。MLD數(shù)據(jù)由法國氣候?qū)W與海洋動力學實驗室(LODYC)提供，此數(shù)據(jù)為常年月平均數(shù)據(jù)，水平分辨率為2°×2°。

5)風場數(shù)據(jù)。風場數(shù)據(jù)采用QuikSCAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)，覆蓋時段為1999-2009年，水平分辨率為0.5°×0.5°。

為了數(shù)據(jù)匹配，本文取各個數(shù)據(jù)時間上的共同區(qū)域2000-2008年進行分析，且為了方便研究，將南海區(qū)域所有數(shù)據(jù)插值為1°×1°。

2研究方法

混合層鹽度的控制方程首先由Delcroix與Henin在1991年提出，后來經(jīng)過了Foltz等人的改進[3]，最后得到：

(1)

3南?；旌蠈欲}度的季節(jié)變化

如圖1所示，南海混合層鹽度值由北向南遞減，并且鹽度的季節(jié)差異非常明顯。在南海北部，海水鹽度冬季最高，鹽度值為33.8～34.4，夏季最低，鹽度值為33.5～33.7。冬季，從呂宋海峽進入南海的高鹽水舌向西延伸的勢力最強，這條高鹽水舌的西伸勢力在春季開始減弱，到夏季達到最低，秋季又開始增強，但與春季相比，秋季的高鹽水舌西伸勢力要弱一些。在南海中部，鹽度基本沿緯度呈帶狀分布，和南海北部不同的是，南海中部混合層鹽度春季最高，鹽度值為33.4～33.6，秋季最低，鹽度值為33.0～33.3。在南海南部，鹽度春季最高，鹽度值為33.2～33.6，秋季最低，鹽度值為32.8～33.0。在春季南海南部納土納群島附近存在一個高鹽中心，鹽度為33.6～33.8，在夏季卡里馬塔海峽附近海域出現(xiàn)一個低鹽區(qū)，鹽度在32.7以下。泰國灣全年海水鹽度都比較低，但它不在本文研究范圍內(nèi)，所以不予討論。

蒸發(fā)降水是控制混合層鹽度季節(jié)變化的重要因素，然而通過對鹽度季節(jié)變化率和蒸發(fā)降水進行相關性分析發(fā)現(xiàn)，二者的相關性隨緯度變化存在顯著的差異(圖2)：南海10°N以北的區(qū)域，鹽度的季節(jié)變化率與蒸發(fā)降水呈現(xiàn)正相關關系而且相關性較高，相關系數(shù)達到0.4以上；隨著逐漸南移，二者的相關系數(shù)不斷降低，到6°N以南的南海區(qū)域，鹽度季節(jié)變化率與蒸發(fā)降水開始呈現(xiàn)負的相關性。因為存在這種差異，所以要研究影響南?；旌蠈欲}度季節(jié)變化率的因素，應該要分區(qū)域進行。

圖1 1950-2012年南海各季節(jié)混合層海水月平均鹽度分布Fig.1 Monthly mean salinity of mixed layers in different seasons from 1950-2012 in the SCS

圖2 南海各個緯度混合層鹽度?S/?t與E-P的相關性Fig.2 The correlation between ?S/?t and E-P at different latitudes in the SCS

圖3 南?；旌蠈欲}度的標準差以及區(qū)域劃分Fig.3 The standard deviation of mixed layer salinity and regional divisions

根據(jù)鹽度季節(jié)變化率和蒸發(fā)降水表現(xiàn)出的相關性差異，用16°N，10°N和6°N緯線將南海海域劃分為四個區(qū)域，由北到南分別命名為A，B，C，D區(qū)域(圖3)。區(qū)域A對應著臺灣海峽與呂宋海峽，區(qū)域B對應著民都洛海峽，區(qū)域C對應著巴拉巴克海峽，區(qū)域D對應著卡里馬塔海峽。由圖3和圖4可知，南?；旌蠈欲}度的季節(jié)差異由北向南逐漸增大，這與蒸發(fā)降水季節(jié)差異的分布(由北向南不斷減小)是不吻合的。綜上可知，蒸發(fā)降水不能完全解釋南?；旌蠈欲}度的季節(jié)變化。

4結果分析

由鹽度的控制方程(1)可知，影響混合層鹽度變化的主要因素可以分為外部強迫(蒸發(fā)降水引起的海面淡水通量)和內(nèi)部調(diào)整(水平平流和混合層底垂直混合)兩部分。蒸發(fā)降水控制著海面的凈淡水通量(圖5)，降水量大于蒸發(fā)量時，淡水進入混合層使混合層海水鹽度下降，反之，鹽度升高。水平平流(圖6)會將性質(zhì)不同的水團帶入?yún)^(qū)域內(nèi)，改變區(qū)域內(nèi)海水的溫鹽。垂直混合則會使上層低鹽海水與下層高鹽海水之間產(chǎn)生對流，使上層海水鹽度升高。風應力旋度的正負決定了穿越混合層底Ekman垂向抽吸的方向[14]。風應力旋度為正代表該區(qū)域存在上升流，為負代表下降流(圖7)。上升流會將混合層下層的高鹽海水帶到混合層，從而使混合層海水鹽度升高。

圖5 南海平均E-P分布以及風場圖Fig.5 The monthly mean of E-P and wind field in the SCS

圖6 南海月平均混合層深度和海洋上層流場圖Fig.6 The monthly mean depth of mixed layers and the near-surface current field in the SCS

圖7 南海月平均的風應力旋度Fig.7 Monthly mean of wind stress curl in the SCS

根據(jù)鹽度控制方程分別求出蒸發(fā)降水、水平平流緯向分量、經(jīng)向分量和垂直混合可導致的混合層鹽度變化率。在區(qū)域A中(圖9)，影響混合層鹽度季節(jié)變化的最主要因素為蒸發(fā)降水，其次為水平平流的緯向分量。在冬季，區(qū)域A降水較少，同時受東北季風影響，海面蒸發(fā)大，蒸發(fā)量大于降水量(圖5)，導致混合層海水鹽度升高，而且冬季北太平洋上層海水通過呂宋海峽大量侵入南海(圖6和8),給區(qū)域A帶來大量高鹽水，導致區(qū)域A海水鹽度在冬季達到全年最大值；在春季，隨著ITCZ(熱帶輻合帶)的北移，區(qū)域A的降水量急劇增加，尤其是中國沿海區(qū)域，降水量遠大于蒸發(fā)量，大量淡水進入混合層使得混合層鹽度明顯下降，雖然在呂宋海峽處仍有北太平洋高鹽水入侵南海，但降水導致的鹽度下降率大于平流引起的鹽度上升率，所以在春季，區(qū)域A的鹽度開始下降；在夏季，區(qū)域A降水量達到最大值，同時在夏季西南季風的影響下，呂宋海峽處北太平洋高鹽水入侵南海在夏季最弱，并且在南海西部沿岸出現(xiàn)一支北向的西邊界流，這支西邊界流到達我國沿岸時轉而向東北方向流動，最后經(jīng)臺灣海峽流出。西邊界流給區(qū)域A帶來大量低緯度的低鹽水，降水和平流共同作用導致區(qū)域A海水鹽度在夏季達到全年最小值；在秋季，區(qū)域A降水量變少，降水量小于蒸發(fā)量，并且秋季是夏季風轉為冬季風的時期，東北風有利于北太平洋高鹽水入侵南海，區(qū)域A海水鹽度開始升高。

正值表示流入南海，負值為流出南海，實線表示緯向方向，虛線表示經(jīng)向方向

圖9 不同影響因子導致的區(qū)域A混合層鹽度變化率以及它們的總和與鹽度變化率實測值的對比Fig.9 The variation rate of mixed layer salinity caused by different factors in region A and the contrast between the sum of the factors and the measured data of the salinity variation rate

圖10 不同影響因子導致的區(qū)域B混合層鹽度變化率以及它們的總和與鹽度變化率實測值的對比Fig.10 The variation rate of mixed layer salinity caused by different factors in region B and the contrast between the sum of the factors and the measured data of the salinity variation rate

另外，在冬季，海洋表層海水由于失熱溫度降低，密度變大，冷重的表層海水下沉，相對溫度較高的下層海水上升至表面，繼續(xù)失熱下沉，周而復始導致對流加強，混合層變厚，下層高鹽海水進入混合層(圖7)，導致混合層內(nèi)海水鹽度升高；在夏季區(qū)域A風應力旋度為正，代表混合層底存在上升流，將下層高鹽海水帶入混合層，導致鹽度升高。與蒸發(fā)降水與平流對鹽度變化的作用相比，垂直混合的作用較小。

在區(qū)域B中(圖10)，影響混合層鹽度季節(jié)變化的最主要因素為蒸發(fā)降水，其次為水平平流。區(qū)域B鹽度季節(jié)變化的原因與區(qū)域A類似：冬季受降水減少和民都洛海峽侵入的蘇祿海高鹽海水影響，混合層海水鹽度升高；夏季由于降水增加和季風影響，鹽度下降。區(qū)域B的垂直混合作用在冬季和夏季對鹽度的影響都是使之升高。

但區(qū)域B與區(qū)域A存在明顯差異：和區(qū)域A相比，區(qū)域B蒸發(fā)降水對鹽度季節(jié)變化的作用變小，而水平平流的作用開始變大；在春季，區(qū)域B海面蒸發(fā)量大于降水量，并且蘇祿海高鹽水通過民都洛海峽侵入南海，導致鹽度變化率為正，鹽度繼續(xù)升高，所以區(qū)域B鹽度在春季達到全年最大值；在秋季，降水量大于蒸發(fā)量，并且在秋冬兩季南海海盆被氣旋式環(huán)流所控制，區(qū)域b除西部沿岸的西邊界流為南向外，其他大部分區(qū)域的水平平流經(jīng)向分量都是北向的，從而給區(qū)域B帶來低緯度的低鹽海水，雖然垂直混合作用和由民都洛海峽入侵的蘇祿海高鹽海水會使區(qū)域B鹽度升高，但是總體鹽度下降率大于鹽度上升率，結果導致區(qū)域B混合層海水鹽度在秋季繼續(xù)降低達到全年最小值。

區(qū)域C(圖11)全年降水量都比較充沛，除冬季和春季幾個月份蒸發(fā)量略大于降水量外，其他月份蒸發(fā)量均遠小于降水量。E-P已不能主導鹽度的季節(jié)變化，水平平流的緯向分量成為影響該區(qū)域鹽度季節(jié)變化的最主要因素。在冬季和春季，海面蒸發(fā)量大于降水量，且蘇祿海高鹽水通過巴拉巴克海峽侵入南海，導致區(qū)域C海水鹽度持續(xù)升高并在春季達到全年最大值。在夏季和秋季，海面降水量大于蒸發(fā)量，同時受西南季風影響，低緯度海水向北流動在越南沿岸轉向東北方向，給區(qū)域C帶來大量低鹽海水。上層海水在東南向的Ekman水平輸運下，水體在南海東南部堆積，導致混合層加厚[15]，使混合層內(nèi)鹽度升高。但降水和水平平流引起的鹽度下降率大于垂直混合引起的鹽度上升率，所以在夏秋季節(jié)區(qū)域C混合層海水鹽度持續(xù)下降并在秋季達到全年最小值。

圖11 不同影響因子導致的區(qū)域C混合層鹽度變化率以及它們的總和與鹽度變化率實測值的對比Fig.11 The variation rate of mixed layer salinity caused by different factors in region C and the contrast between the sum of the factors and the measured data of the salinity variation rate

圖12 不同影響因子導致的區(qū)域D混合層鹽度變化率以及它們的總和與鹽度變化率實測值的對比Fig.12 The variation rate of mixed layer salinity caused by different factors in region D and the contrast between the sum of the factors and the measured data of the salinity variation rate

在區(qū)域D中(圖12)，影響鹽度季節(jié)變化的最主要因素是水平平流的經(jīng)向分量，蒸發(fā)降水對鹽度季節(jié)變化起阻礙作用。在冬季和春季，南海西邊界流流入?yún)^(qū)域D，帶來大量高鹽水。雖然海面降水量大于蒸發(fā)量，但是平流引起的鹽度上升率大于降水引起的鹽度下降率，所以區(qū)域D的海水鹽度持續(xù)上升并在春季達到全年最大值；夏季在西南季風的影響下，低緯度海水通過卡里馬塔海峽大量侵入?yún)^(qū)域D，給區(qū)域D帶來大量低鹽海水，使海水鹽度下降；在秋季，冬季風開始形成，南海西部沿岸又開始出現(xiàn)南向的西邊界流給區(qū)域D帶來高鹽水，但由于降水量較大，降水引起的鹽度下降率大于平流引起的鹽度上升率，所以，在秋季，區(qū)域D海水鹽度繼續(xù)下降達到全年最小值。

5 結 語

本文通過分析南海區(qū)域的EN3鹽度數(shù)據(jù)和SODA同化數(shù)據(jù)等資料，評估了各影響因素對南海不同區(qū)域鹽度季節(jié)變化的貢獻率，發(fā)現(xiàn)在南海北部和南部，影響混合層鹽度季節(jié)變化的主導因素存在很大差異。在南海北部，混合層鹽度的季節(jié)變化主要受蒸發(fā)降水和水平平流影響，其中蒸發(fā)降水占主導地位；隨著逐步南移，蒸發(fā)降水的影響遞減，水平平流的影響遞增，而在南海南部，水平平流的作用超過蒸發(fā)降水成為影響鹽度季節(jié)變化的主導因素。

目前的工作僅為南?；旌蠈欲}度研究的一個初步結果，隨著觀測資料的增加，將會對南?；旌蠈欲}度的變化規(guī)律和影響因素有更深入的認識。

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