中國南海海表面溫度與對流關系初探*

阮成卿,劉秦玉

(中國海洋大學物理海洋實驗室,海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100)

熱帶大氣的對流運動在地球氣候系統(tǒng)中占有重要地位,對流釋放的潛熱是熱帶大尺度環(huán)流運動的主要驅動源[1],由對流運動產(chǎn)生的云會對地球輻射平衡產(chǎn)生重要影響[2-3]。而熱帶海洋是熱帶大氣水汽和能量的直接供應者,熱帶海表面溫度(SST)是描述熱帶海洋狀況的重要指標。因此,研究熱帶海洋海表面溫度與對流的關系,對于揭示熱帶強對流的發(fā)展機制有重要意義。

熱帶地區(qū)深對流一般與低值對外長波輻射(OLR)相對應,因此OLR可作為衡量對流強度的指標[4],一般將240 W/m2作為強對流出現(xiàn)的閾值[5]。已有學者利用OLR作為描述對流強度的指標,來討論熱帶海洋SST與局地對流強度之間的關系,研究指出[6-8]:SST低于26℃時,深對流的強度很弱,并且很少被觀測到;當SST位于26～29.5℃時,深對流的強度和頻率隨SST的升高而急劇的增長;但當SST繼續(xù)升高(SST>29.5℃)時,對流的強度又開始減弱。

中國南海是地處熱帶具有深水特性的最大的邊緣海之一,為半封閉的深水海盆。海區(qū)內(nèi)島嶼眾多,海底地形復雜多樣,既有寬廣的大陸架,又有險峻的大陸坡和遼闊的深海海盆[9]。這種獨特的地理環(huán)境在很大程度上影響著南海海洋-大氣相互作用的基本狀況,使其具有特殊性。從OLR標準差空間分布圖(見圖1)中可以看出在北印度洋、西北太平洋海域有2個對流變化的極值區(qū),1個在印度季風區(qū)和孟加拉灣外,另1個在南海海域,其中心在菲律賓以西海域。因此研究南海對流與SST之間的關系,特別是探討該關系與其他海域的不同之處,在氣候變化研究中有重要意義。南海受東亞季風控制,SST與對流的關系是否也有顯著的季節(jié)變化,也是前人尚未涉及到的問題。

本文將利用OLR數(shù)據(jù)作為熱帶對流強度的衡量指標,來分析南海海表面溫度和局地對流之間的關系,主要討論兩者的一般關系及其季節(jié)變化。

圖1 OLR標準差分布圖Fig.1 The standard deviation of OLR

1 資料及處理方法

本文所使用的月平均對外長波輻射(OLR)數(shù)據(jù)由美國國家環(huán)境預測中心(NCEP)提供[10],水平網(wǎng)格分辨率為2.5(°)×2.5(°),時間跨度1985年1月～2009年7月,共295個月。同期的月平均海表面溫度(SST)為AVHRR Pathfinder SST v5資料,由National Oceanographic Data Center(NODC)提供,水平分辨率處理為0.25(°)×0.25(°)。所使用的同期1 000 hPa風矢量資料來自美國國家環(huán)境預報中心和氣候研究中心(NCEP/NCAR)全球再分析資料,水平網(wǎng)格分辨率為2.5(°)×2.5(°)。

圖2 10°N以北的南海海域331個月散點圖Fig.2 Scatter diagram of the north of 10°Nin SCS for 331 months

圖3 各月散點圖Fig.3 Scatter diagram for months

為表示SST-OLR關系,散點圖的繪制如下[11-12]:橫軸(SST軸)每隔0.5℃劃分1個區(qū)間,縱軸(OLR軸)每隔5 W/m2劃分1個區(qū)間,將整個坐標系分割為28×30個方格,統(tǒng)計每個方格里散點的個數(shù),然后除以總的散點數(shù),這就得到散點在各個網(wǎng)格的分布密度,繪制密度分布等值線,可得到散點的分布趨勢。為了擬合OLR隨SST的變化,將橫軸每隔0.5℃劃分為1個區(qū)間,對落在1個區(qū)間的散點的OLR值取中位數(shù),將各個中位數(shù)連成曲線,作為OLR隨SST變化的擬合曲線(見圖2、3)。

2 氣候平均意義下SST與OLR的空間分布

南海位于東亞季風區(qū),各物理量有顯著的季節(jié)變化,但其季節(jié)的劃分并不同于一般北半球的4季均勻劃分。本文根據(jù)1 000 hPa風向和越南東部冷舌的有無,將南海分為冬季風階段(10月～次年4月)和夏季風階段(6～9月),5月作為冬季風向夏季風轉換的月份,有特殊的性質(zhì)而單獨列出。逐月平均的SST和OLR分布圖顯示(見圖4)。

冬季風階段(10月～次年4月,圖4a～g):由于南海低空盛行強勁的東北風,3、4月份轉為偏東風。SST大致為北冷南暖分布,并在越南東部形成冷舌。冷舌在1月時達到最強,中心溫度低于25℃。有研究指出[13],南海冬季冷舌的形成是強西邊界流向南輸送冬季北部冷的沿岸水而造成的。與冷舌相對應,菲律賓西部形成暖脊,使得南海大部分地區(qū)SST等值線呈西南-東北走向。OLR的分布呈北高南低形勢,240 W/m2等值線自10月開始逐漸南移,并在12月后穩(wěn)定在10°N以南,并在加里曼丹島和蘇門答臘島處形成極小值,表明冬季南海強對流區(qū)主要集中在該地區(qū)附近。10°N以北O(jiān)LR高于240 W/m2,對流很少,主要為晴空區(qū)。冬季風階段南海SST與OLR基本成負相關分布,但在3、4月份時南海大部分地區(qū)SST開始升溫,但OLR的分布與其他月份相近,強對流區(qū)仍集中在10°N以南。

5月份(見圖4h):此為南海冬季風向夏季風轉換月份,氣候平均意義下南海夏季風爆發(fā)日期是5月的第4候(全年的第28候)[14-15]。5月南海低空風矢量很小,沒有主導風向。在700 hPa高空圖上,西北太平洋副熱帶高壓脊也減弱移出南海上空,形成有利于對流天氣的環(huán)流形勢。越南東部冷舌已經(jīng)消失,SST開始升高,29℃等溫線已經(jīng)接近20°N,大部分南海都為暖水控制。OLR的分布與冬季風階段相比,顯著減小,除南海北部小范圍外,南海大部分海域以及中南半島地區(qū)OLR都低于240 W/m2。OLR極小值區(qū)1個位于孟加拉灣附近,另1個位于加里曼丹島北部,表明對流中心與冬季風階段相比已經(jīng)北移。另外,在菲律賓西部海域OLR值低于其東西兩側海域,形成1個極小值區(qū),這與南海5月份存在1個高于30℃的SST有密切的關系[16]。5月SST較4月僅升高1～2℃,但OLR卻有顯著的減小,體現(xiàn)了5月對流增強是突變過程,這與夏季風的爆發(fā)相一致。

圖4 逐月平均的SST(等值線)和OLR分布圖Fig.4 The climatology distributionsof SST(contour)and OLR

夏季風階段(6～9月,圖4i～l):南海低空盛行西南風,與冬季風階段配置相反。整個南海都為均一暖水所控制,大部分海域SST高于29℃。但在越南東部10°N～15°N區(qū)域,自7月開始,存在1個小于29℃的低值區(qū),為南海夏季冷絲。Xie指出南海夏季冷絲是主要是由于加強的西南季風導致的蒸發(fā)冷卻以及地轉平流和內(nèi)區(qū)上升流造成的[17]。觀察OLR在夏季的分布可以看出,OLR的極小值區(qū)分為2部分,1部分位于中南半島和孟加拉灣區(qū)域,1部分以菲律賓西部海域為中心,南海的大部分海域位于這2片極值區(qū)之間的低值區(qū),對流普遍較強。夏季整個南海都以高溫強對流為主。

根據(jù)低層風風向及冷舌的有無,將南海劃分為冬季風階段、夏季風階段和5月。冬季風時南海強對流與較暖水主要集中在10°N以南,以北海域主要為晴空和低值SST。夏季風時整個南海都為暖水和強對流。5月份作為夏季風爆發(fā)月,其對流有突然增強的現(xiàn)象。

3 南海SST-OLR的關系

在第3節(jié)中的分析發(fā)現(xiàn)在南海10°N以南,在冬季風階段,對流較強,可能的解釋是對流在加里曼丹島和蘇門答臘島上形成,在低緯地區(qū)受東北信風影響,對流轉移至海上,因此海上的對流可能與局地SST關系不大。為避免這部分海域的影響,故在散點圖分析時將10°N以南的海域略去,僅分析南海北部。在105°E～120°E,10°N～22.5°N的南海北部范圍里,每隔2.5(°)選取一個點,共29個格點,利用這些格點的月平均SST與OLR資料繪制散點圖(見圖2)。

由圖2可見,月平均尺度上,在本文規(guī)定的南海北部海域SST位于18～32℃之間。從中位數(shù)線可以看出:在18.2～24.5℃之間,OLR中位數(shù)線值高于240 W/m2,并且隨SST的升高而緩慢增加,這表明在這一溫度范圍內(nèi),南海海面以晴空為主。在晴空天氣下,空氣濕度低,海水的長波輻射可穿過大氣被衛(wèi)星所接收,由海水升溫而長波輻射加強造成;在24.5～27℃之間,OLR值隨SST升高而略微減小,這表明南海開始有較少的對流出現(xiàn),使得OLR的中位數(shù)減小;在SST大于27℃時,中位數(shù)線隨著SST的增大而顯著減小,表明此時南海對流已經(jīng)開始在大范圍內(nèi)增強,且其強度隨SST的升高而不斷增強。另外值得注意的是,該海區(qū)在SST超過29.5℃后,對流并未減弱,反而有加強的趨勢,這一點與一般熱帶海洋有較大差異[6-8]。

分析最外圍0.1密度分布等值線,其上下邊界的OLR之差隨SST的升高逐漸變大,說明隨SST的升高,對流強度受非SST因素的影響在不斷加大。另可以發(fā)現(xiàn)當SST位于28～30℃有1個以強對流為主的密集區(qū)(OLR低于240W/m2),這說明在SST較高時,對流仍以較強對流為主。

通過散點圖的分析,得出10°N以北的南海海域對流隨著SST增加而加強的SST閾值為27℃。當SST低于27℃時,OLR值高于240 W/m2,對流強度弱;當SST高于27℃時,OLR值開始減小,表明對流開始隨著SST增加而加強。該SST閾值在其他熱帶海洋為26.5℃。另外,該海域在SST超過29.5℃后,對流仍繼續(xù)加強,這一點區(qū)別于其他熱帶海洋。

4 SST-OLR關系的季節(jié)變化特征

為觀察SST-OLR關系的季節(jié)變化,現(xiàn)分季節(jié)繪制散點圖(見圖3)。

冬季風階段(10月～次年4月,見圖4a～g):10月時10°N以北的南海海域SST仍較高(位于25～31℃之間),中位數(shù)線在SST超過27℃后隨SST升高而減小,顯示仍有較強對流出現(xiàn)。在之后的月份,SST不斷減小,至1月(圖4-d)時SST范圍降至18～29℃。中位數(shù)線的值也不斷升高,1月時已基本都在240 W/m2以上。這表明在冬季風階段,10°N以北的南海海域以低溫弱對流為主。另外,在3、4月時,SST已開始回升(SST范圍為21～30℃),但對流仍以弱對流為主,觀察這2個月的密度分布等值線,其散點最密集處的SST已經(jīng)達到28℃,超過全年散點圖中對流增強閾值27℃,但其對應的OLR值卻接近280 W/m2,對流很弱,表明3、4月的對流是受抑制的,可能是因為春季副熱帶高壓的西側位于南海上空[18],不利于局地對流的發(fā)展。

5月份(見圖3h):此時10°N以北的南海海域SST已升高至23～31℃,而中位數(shù)線值也減小,基本都在240 W/m2以下,可見5月時該海域的對流已顯著加強。比較5月與4月。4月中位數(shù)對應OLR的最大值為277.5 W/m2出現(xiàn)在SST達到29.25℃時,5月OLR的最大值,232.5 W/m2則出現(xiàn)在SST達到30.25℃,可見雖然5月比4月SST僅升高1℃,但OLR值卻降低45 W/m2,說明4月時對流受到抑制,而5月對流開始迅速增強,這與圖4h中5月OLR分布的突然減小也是相一致的。結合5月時西太平洋副熱帶高壓移出南海,可見南海夏季風爆發(fā)是大尺度環(huán)流形勢和局地SST共同作用的結果。

夏季風階段(6～9月,見圖3i～l),10°N以北的南海海域以高于27℃的暖水為主,中位數(shù)線在4個月里的形狀并不相同,但都保持在240 W/m2以下。這表明夏季風階段該海域都為均一的暖水控制,使得對流也保持1個較高強度,但對流還受到其他因素的影響,因此在各個月里對流也顯示出差異。另外,對于高于29.5℃的SST范圍,除了8月外其他月的OLR值都較低,這就造成了圖2中高于30℃后對流繼續(xù)隨SST的升高而加強,區(qū)別于其他熱帶海域。

由以上分析可見,10°N以北的南海海域冬季風階段SST較低,OLR值也相對較大,表明此時該海域以晴空為主,而且即使是3、4月份SST有所升高時,對流強度依然很弱。夏季風階段海水溫度較高,對流雖然在各個月里表現(xiàn)有差異,但都以較強對流為主,在超過30℃時強度依然較強。5月時雖然SST較4月僅升高1℃,但OLR卻顯著減小,體現(xiàn)了對流的突然增強。

5 結語

本文利用月平均SST與OLR資料分析南海SST與對流的關系,得出南海局地對流增強所需的SST的閾值27℃,SST超過27℃后OLR開始減小,表明南海對流開始增強,這與前人研究其他熱帶海洋得出的閾值26.5℃相近。但當SST超過29.5℃時,其他熱帶海洋的對流強度開始減弱,但南海對流強度仍然繼續(xù)增強,這是南海對流區(qū)別于其他熱海海洋的特點。南海處于季風區(qū),SST與對流有明顯的季節(jié)變化,冬季風階段(10月～次年4月)海水溫度較低,對流受到抑制,即使在3、4月SST超過27℃后對流仍較弱;夏季風階段(6月～9月)海水溫度高,對流在各月稍有不同,但都保持1個較高強度;5月時南海夏季風爆發(fā),其對流與之前冬季風階段相比,也表現(xiàn)出顯著的增強。

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