呂宋海峽Ekman輸運和南海SST的相關性分析

黃華梅，王銀霞，王強，謝健

（1.國家海洋局南海海洋工程勘察與環境研究院，廣東廣州510300；2.中國科學院南海海洋研究所，廣東廣州510301；3.中國科學院研究生院,北京 100049）

呂宋海峽Ekman輸運和南海SST的相關性分析

黃華梅1，王銀霞1，王強2，3，謝健1

（1.國家海洋局南海海洋工程勘察與環境研究院，廣東廣州510300；2.中國科學院南海海洋研究所，廣東廣州510301；3.中國科學院研究生院,北京 100049）

在利用1950—2009年NCEP（National Center for Environmental Prediction）資料分析風場數據的基礎上，計算呂宋海峽的Ekman輸運，研究表明其存在顯著的季節變化，除了夏季外，其它季節均為由太平洋向南海輸運。分析呂宋海峽Ekman輸運和南海海盆表征上層熱力狀況的海表面溫度SST（Sea Surface Temperature）之間的關系發現：在年內時間尺度上，兩者不存在顯著的同期相關，Ekman輸運對SST的影響開始于一個月之后，從北部向南擴展，第二個月最為明顯，并擴展至整個海盆，第三個月開始衰減，第四個月影響消失，且相關性為正；在年際尺度上，呂宋海峽Ekman輸運的異常同南海SSTA（Sea Surface Temperature Abnormal）的第二模態存在顯著的相關聯系，并且呂宋海峽Ekman輸運和南海SSTA的相關關系在北部為正，南部為負。呂宋海峽Ekman輸運調制南海大尺度環流，通過暖、冷平流的作用影響南海SST的變化。

Ekman輸運；呂宋海峽；SST；南海；相關系數

1 引言

南海熱收支狀況和南海障礙層的變化與分布、季風爆發以及降水等多種物理現象有著密切的關聯。南海是半封閉性質的海盆，除了海表面的熱力強迫外，通過海峽的熱量交換是影響南海熱收支的另一主要因素。呂宋海峽是南海和太平洋的主要連接通道，通過呂宋海峽的南海和太平洋之間的熱交換對南海熱收支狀況特別是南海北部起著重要的作用[1]。地轉近似是海洋大尺度環流非常好的近似[2]，但由于在地轉近似的約束下，海水基本沿著等溫線運動，因此對熱量輸運的貢獻并不顯著，而海洋上層主要為風生環流，Ekman漂流是風生環流的重要組成部分，因此由于Ekman漂流引起的非地轉速度對海洋上層熱量的輸運應當是顯著。本文的主要目的是研究表征上層熱力狀況的海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）和呂宋海峽由于風應力引起的Ekman輸運之間的聯系，以此作為海峽風致輸運對南海熱量收支影響的初步探討。

2 研究區概況

南海位于中國陸地的最南端，屬于熱帶地區。南海為半封閉性的海盆，在北部通過臺灣海峽和東海相接，通過呂宋海峽和北太平洋聯系，在南端主要通道為卡里曼塔海峽[3]。南海在連接北太平洋和印度洋之間起著重要的作用[3]。依據表面風 場 NCEP（National Center for Environmental Prediction）的資料，該海區多年平均風場分布和氣候態SST分布如圖1和圖2所示。

南海位于東亞季風區，冬季為東北季風，夏季轉為西南季風（見圖1）。季風的轉換控制著南海海盆尺度的表層環流，對南海起著重要的動力驅動作用[4]。海表風場通過摩擦對海水表層動量收支起到重要作用，是其直接動量的源和匯。

南海海表面溫度SST在日照和季風的影響下，同樣也存在顯著的季節性變化（見圖2）。在冬季，基本上呈現為緯向分布，由于海盆尺度的氣旋性環流，西邊界冷水南下，東邊界暖水北上，導致SST等值線向東北傾斜；在夏季南海南北反氣旋性環流建立，暖水北上，導致SST等值線傾斜變小，在暖水北上的同時東擴，導致東岸水溫較高。

本文研究區域為南海整個海盆水深大于200 m的區域（見圖3）。

圖1 NCEP多年平均風場分布（等值線為200 m水深線）

3 資料和方法

3.1 資料

本文所用的表面風場資料為NCEP（National Center for Environmental Prediction）月平均值，分辨率為2.5°，從1950年—2009年，時間跨度60年。

SST資料是Hadisst全球長期月平均海表溫度資料[5]，分辨率為1°，時間從1870年開始，總共140年。

圖2 Hadisst氣候態SST分布（等值線為200 m水深線）

圖3 研究區域以及選取的呂宋海峽斷面（等值線為200 m）

海面高度資料為衛星高度計資料（T/P衛星，http://apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6/constrain?var=2452），從1992年10月—2010年12月，分辨率為1/3°。

3.2 分析方法

本文所用到的統計方法包括：相關系數分析，方差統計。

式中n為數據總長度，σ為標準差，x和 y是待求相關性的時間序列。

經驗正交函數分析方法（Empirical Orthogonal Function,EOF），是一種分析矩陣數據結構特征，提取主要數據特征向量的一種方法，Lorenz在1950年首次引入氣象和氣候研究中。通過對坐標軸旋轉，找到變化率最大的方向，然后將原始數據投影，從而將數據中的主要信息提取，從復雜的現象中分辨出主要特征。

將特征根從大到小排列，每個特征根對應的特征向量即為相應的空間模態，再將空間模態投影到原始資料上即為相應的時間系數:

其中某一特征根占所有特征根之和的比例即為該模態的方差貢獻率。

4 呂宋海峽Ekman輸運的季節變化

利用上述Ekman輸運公式計算呂宋海峽的Ekman輸運，宋海峽輸運的季節變化見圖4，其中正值為南海向太平洋輸運，負值為太平洋向南海輸運。結果表明呂宋海峽體積輸運呈現明顯的季節變化，5月起輸運開始由太平洋到南海轉為南海到太平洋，一直持續到9月份，輸運再次轉向。數值模擬[6]和觀測[7-11]都表明，黑潮全年都通過呂宋海峽入侵南海，但是在冬季強烈，夏季較弱。風場引起的Ekman輸運的季節變化和呂宋海峽黑潮水入侵的變化對應一致，冬季風場加強黑潮入侵，夏季減弱入侵。在冬季風的驅動下，太平洋的水流入南海，高溫高鹽的太平洋水入侵南海后一部分通過臺灣海峽流出南海，另一支繼續西進匯入到南海北部[12]，影響整個南海的熱力狀態。在夏季風的驅動下，南海水流入太平洋，通過南邊界進行水體補充，從而將低緯度的暖水通過北向流帶入到南海，對南海的熱力狀況產生影響。董丹鵬等[13]通過逆方法診斷得出呂宋海峽年平均體積輸運量為-4.64 Sv（1Sv=1.e6m^3/s），方國洪等[3]得到的結果為-6.4 Sv，Metzger等[14]計算出的年平均體積輸運量為-4.4 Sv。通過本文2.2節的分析方法計算由風場引起的呂宋海峽的Ekman輸運的結果為-0.17 Sv。由此可見，本文計算的呂宋海峽Ekman輸運方向和呂宋海峽整層的體積輸運方向一致。由于本文僅考慮風場引起的表層體積輸運，而上述學者計算的體積輸運總量所選取物理因素也比本文研究的要多。此外，Ekman層局限于海洋上層，南海北部在冬季的Ekman深度約為35 m，夏季約為17 m[15]，而上述結果[3,13-14]是對呂宋海峽整層的積分，因此結果差異較大。我們以呂宋海峽Ekman層深度為50 m，呂宋海峽水深為2000 m計算，則Ekman層約為整個呂宋海峽的1/40，假定呂宋海峽整層體積輸運的年平均為6.4 Sv[3]，則本文計算的結果約占整層體積輸運的1/38，雖然這種粗略的估計忽略了呂宋海峽體積輸運的垂直結構[16]，但是可以定性的認為在呂宋海峽上層，Ekman輸運是非常重要的。

5 呂宋海峽Ekman輸運同南海SST的相關性

5.1 季節相關性

為了分析呂宋海峽Ekman輸運和南海SST季節變化之間的聯系。本文計算呂宋海峽輸運量同南海SST的相關性，圖5顯示南海SST同呂宋海峽體積輸運之間的相關系數的空間分布，上半圖為超過95%置信檢驗的分布，下圖為超過99%置信檢驗的分布。

圖4 呂宋海峽Ekman輸運季節變化（單位：0.1×Sv（=1.e6m^3/s））

從圖中可以看到，南海SST同呂宋海峽體積輸運之間不存在顯著的同期相關。呂宋海峽由Ekman輸運引起的海水輸運對南海SST影響有滯后效應，通過北部的陸架流以及南海氣旋式環流的北翼對入侵的海水的輸運，將呂宋海峽處的風應力信號傳遞到南海中部，才能引起南海SST的響應。經過一個月之后，南海SST開始對呂宋海峽入侵的海水產生影響，并且主要集中在南海北部，到第二個月之后SST對EKman輸運的響應最為明顯，并且擴散到整個海盆，但是依然是北部響應比南部響應強烈，第三個月后，SST對Ekman輸運的響應開始減弱，并且Ekman輸運的影響在海盆南部已經消失。到第四個月后，Ekman輸運的影響已經完全消失。可以看到，呂宋海峽Ekman輸運的信號要經過一個月之后才能傳遞到南海北部，在第二個月的時候影響最為明顯，并且可以影響到整個海盆尺度，到第三個月后影響開始減弱，并且南部已經不受其影響，第四個月Ekman輸運已經不對SST產生作用。Ekman輸運和SST相關系數的等值線分布和大尺度環流比較相似，由此可見，北部環流系統對呂宋海峽的風場信號的傳遞作用是重要的。南海Rossby波跨越整個海盆的時間尺度為3個月，這和SST對呂宋海峽Ekman輸運響應的時間也是比較符合。無論通過哪種傳遞途徑進行解釋，都比較符合南海海盆尺度的信號傳播特征。

5.2 年際相關性

為分析呂宋海峽Ekman輸運和南海SST的年際相關性，本文首先將SST減去每個月的氣候態值，計算得到海表面溫度異常SSTA（Sea Surface Temperature Abnormal），為進一步去掉季節信號，對SSTA做13點滑動平均。對呂宋海峽Ekman輸運做相同的處理。

圖5 南海SST同呂宋海峽Ekman輸運的年內相關系數分布

圖6 南海海面溫度EOF分析

南海SSTA的年際變化由多種因素共同影響[17-20]。本文應用EOF分解的方法，將南海SSTA分解為不同模態，將各種信息集中提取，然后分別討論呂宋海峽Ekman輸運和不同模態的關系。圖6是SSTA的EOF分解的前兩個模態空間分布及時間系數的演變。其中第一個模態的方差貢獻率為82.0%，第二模態的方差貢獻率為5.5%，均通過了顯著性檢驗[21]。

南海SSTA的第一模態表現為整個海盆尺度的一致性變化，并且異常的強度從東南到西北逐步減小，第二模態反應出的是南北反位相變化特征，并且從呂宋海峽到卡里曼塔海峽逐步變化。本文得到前兩個模態的空間異常分布和已有文獻的結論比較的接近[19]。為分析呂宋海峽Ekman輸運和前兩個模態之間的關系，本文分別計算了Ekman輸運和兩個模態的時間系數的相關系數，分別為-0.0074和0.3707。呂宋海峽Ekman輸運和第一個模態之間沒有顯著的相關關系，而和第二個模態之間的相關性已經超過了99.9%的置信檢驗，存在顯著的相關性。因此，呂宋海峽Ekman輸運對南海SSTA的影響主要是通過第二模態實現的。

南海SSTA第二模態空間分布南北異號，從呂宋海峽到卡里曼塔海峽逐漸由正異常轉為負異常（只有和時間系數相乘才能最終確定異常的正負）。呂宋海峽Ekman輸運和第二模態時間演變之間存在顯著的正相關，因此當呂宋海峽的Ekman輸運變為正異常時，從呂宋海峽延伸到南海北部，SSTA表現為正異常，而此時從南沙向東北延伸到南海中部的SSTA則表現為負異常。

6 響應機制分析

本文分析了呂宋海峽Ekman輸運和南海SST在季節、年際尺度上的相關聯系，本小節主要通過簡單的流場分析，初步解釋兩者相互聯系的一些物理機制。

本節利用多年平均衛星高度計資料分析出冬季、夏季以及年平均的南海海表地轉流分布（見圖7）。為了更加真實的表達出海表流場的分布，本文利用NCEP多年平均的風場資料計算出冬夏兩季和年平均的海表Ekman漂流的分布（見圖8）。利用地轉流和Ekman漂流的疊加場作為南海海表流場的一級近似（見圖9）。由歷史資料診斷的南海等密度面環流分布[22]，以及高分辨率區域模式模擬[23]及診斷[24]結果都表明，南海表層海流在冬季為海盆尺度的氣旋式環流，而到了夏季由于季風的轉換，反氣旋式環流占主導。本文計算的呂宋海峽表層環流符合上述研究的南海大尺度環流特征。

本小節通過分析一級近似的海表流場來初步解釋呂宋海峽Ekman輸運和南海SST在季節以及年際尺度上的相互聯系。

圖9a、b分別為南海冬季和夏季海表的流場分布。在冬季，整個海盆尺度為氣旋性環流，并且可以明顯的看到從南海北部到塔里曼塔海峽通過西邊界貫穿整個南海的一支流的存在。而到了夏季，整個南海的大尺度環流場的流動方向和冬季相反。從塔里曼塔海峽經西邊界北上，并且在越南沿岸（11°N附近）出現一支非常強勁的離岸流，一部分回流至南部區域外，仍有一支流繼續北上達到南海北部，貫穿整個南海。

在冬夏兩季的流場分布特征中，均有一支貫穿整個南海的流存在（冬季由北向南，夏季反之），而這支貫穿流的存在對于南海熱量的南北輸運具有重要的作用[24-25]。當呂宋海峽的Ekman輸運正異常時，由于呂宋海峽的抽吸作用，將會相應的導致貫穿南海的這支流同樣發生正異常（由南向北為正）。當這支貫穿南海的流變強后，由此引起的暖平流作用將會導致南海SST的增強。同理，當呂宋海峽Ekman輸運為負異常時，貫穿南海的這支流同樣會發生負異常，即冷平流效應增強，導致南海SST變冷。在季節尺度上，呂宋海峽Ekman輸運的變化調制貫穿整個南海的大尺度環流場，通過暖、冷平流效應，進而影響整個南海的SST變化。

圖7 南海海面高度（上）分布及地轉流分布（下）

圖8 南海海表風場（上）及表層Ekman漂流分布（下）

圖9 南海表層地轉流及Ekman漂流的疊加速度場

分析年平均環流場（見圖9c）可以發現，在南海北部為一氣旋性環流，而在南北則為一反氣旋性環流。并且在塔里曼塔海峽的流向為由南海向外出流[1]。呂宋海峽Ekman輸運的年際變化同樣會調制南海大尺度環流，進而引起暖、冷平流作用，從而影響南海SST的變化。呂宋海峽Ekman輸運的正（負）異常引起南海北部環流的反氣旋（氣旋）性異常，進而引起暖（冷）平流效應。通過暖（冷）平流的作用，影響南海北部SST的變化。在南海南部，西邊界流主要由反氣旋的東翼來補充，也就是由高緯度的水來補充，這和季節變化中該西邊界流通過卡里曼塔海峽進行水交換不同。因此，當呂宋海峽的Ekman輸運的正異常引起南海南部的反氣旋性異常時，西邊界流增強，導致更多的高緯度水補充到南部，由于這種冷平流作用，導致SST降低，同理當呂宋海峽的Ekman輸運為負異常時，引起南部SST的增強。

6 結論

通過以上討論分析可以得到以下幾個結論：

呂宋海峽的Ekman輸運存在顯著的季節變化，除了夏季外，其它季節均為由太平洋向南海輸運；

呂宋海峽Ekman年輸運和南海海盆SST在年內時間尺度上，兩者不存在顯著的同期相關，Ekman輸運對SST的影響開始于一個月之后，從北部向南擴展，第二個月最為明顯擴展為整個海盆，第三個月開始衰減，第四個月影響消失；

在年際尺度上，呂宋海峽Ekman輸運的異常同南海SSTA的第二模態存在顯著的相關聯系。并且呂宋海峽Ekman輸運和南海SSTA的相關關系在南北反號；

通過對南海大尺度流場的分析發現，呂宋海峽Ekman輸運調制南海大尺度環流，通過暖、冷平流的作用影響南海SST的變化。在季節尺度上，由于貫穿流的存在，呂宋海峽Ekman輸運和SST的相關性為正；在年際尺度上，由于在南部西邊界流的水體補充主要來源于高緯度的冷水，因此呂宋海峽Ekman輸運和南部的SSTA的相關關系表現為負。

[1]Dong D,Zhou W,Yang Y,et al.On outflow passages in the South China Sea[J].Advances in Atmospheric sciences,2010,27(1):60-68.

[2]Pedlodky J.Ocean Circulation Theory[M].Germeny:Springer-Verlag Berlin Heidelberg,1996:61-62.

[3]方國洪,魏澤勛,崔秉昊,等.中國近海域際水、熱、鹽輸運：全球變網格模式結果[J].中國科學(D),2002,32(12):969-977.

[4]Wyrtki K.Physical oceanography of the southeast Asian waters,Scientific results of marine investigations of the South China Sea and the Gulf of Thailand[R].California:the University of California Scripps Institution of Oceanography,1961:16-27.

[5]Rayner N A,Parker D E,Horton E B,et al.Global analyses of sea surface temperature,sea ice,and night marine air temperature since the late nineteenth century[J].Journal of Geophysical Research,2003,108(D14):1-29.

[6]Wu C R,Shaw P T,Chao S Y.Seasonal and interannual variations in the velocity field of the South China Sea[J].Journal of Oceanography,1998,54(4):361-372.

[7]管秉賢.南海暖流—廣東外海一支冬季逆風流動的海流[J].海洋與湖沼,1978,9(2):117-127.

[8]伍伯瑜.臺灣海峽環流研究中的若干問題[J].臺灣海峽,1982,1(1):1-7.

[9] 仇德忠,楊天鴻,郭忠信.夏季南海北部一支向西流動的海流[J].熱帶海洋學報,1984,3(4):65-73.

[10]郭忠信,楊天鴻,仇德忠.冬季南海暖流及其右側的西南向海流[J].熱帶海洋學報,1985,4(1):1-9.

[11]許建平,蘇紀蘭.黑潮水入侵南海的水文分析（II）[J].熱帶海洋學報,1997,16(2):1-23.

[12]李立.南海上層環流觀測研究進展[J].臺灣海峽,2002,21:114-125

[13]董丹鵬,周偉東,楊陽,等.對南海主要出流通道的診斷及討論[J].熱帶海洋學報,2008,27(6):1-5.

[14]Mertzger E J,Hurlburt H E.Coupled dynamics of the South China Sea,the Sulu Sea,and the Pacific Ocean[J].Journal of Geophysical Research,1996,101:12331-12352.

[15]施平,杜巖,王東曉,等.南海混合層年循環特征.[J]熱帶海洋學報,2001,20(1):10-17.

[16]Qu T,Kim Y Y,Yaremchuk M,T.et al.Can Luzon strait transport paly a role in conveying the impact of ENSO to the South China Sea?Journal of Climate,2004,17:3644-3657.

[17]王東曉,謝強,杜巖,等.1997-1998年南海暖事件[J].科學通報,2002,47(9):711-716.

[18]吳國雄,孫鳳英.降水對熱帶海表溫度異常的鄰域響應:Ⅱ.資料分析[J].大氣科學,1995,6:663-676.

[19]丘福文,方文東,郭樸.2000—2008年期間南海海面溫度的年際與空間變異[J].海洋學報,2011,33(3):11-18.

[20]Swapna P,Gan J,Lau A,et al.On the warm/cold regime shift in the South China Sea:Observation and modeling study[J].Deep-Sea Research I,2009,56:1039-1056.

[21]North G R,Bell T L,Cahalan R F.Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal functions[J].Monthly Weather Review,1982,110:699-706.

[22]Chu P C,Li R.South China Sea Isopycnal-Surface Circulation[J].Journal of Physical Oceanography.2000,30:2419-2438.

[23]Gan J P,Li H,Curchitser E N,et al.Modeling South China Sea circulation:Response to seasonal forcing regimes[J].Journal of GeophysicalResearch,2006,111,C06034,doi:10.1029/2005JC003298.

[24]楊陽,周偉東,董丹鵬.南海上層環流季節變化的診斷計算.熱帶海洋學報,2007,26(4):8-14.

[25]Wang D,Liu Q,Huang R et al.Interannual variability of the South China Sea through flow inferred from wind data and an ocean data assimilation product.Geophysical Research Letters,2006,33:L14605,doi:10.1029/2006GL026316.

Correlation analysis between Ekman transport through the Luzon Strait and SST in the South China Sea

HUANG Hua-mei1,WANG Yin-xia1,WANG Qiang2，3,XIE Jian1
(1.South China Sea Marine Engineering and Environment Institute,State Oceanic Administration,Guangzhou 510300,China;2.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China；3 Graduate University of CAS,Beijing 100049,China)

Based on the wind data archived in the National Center for Environmental Prediction(NCEP)from 1950—2009,Ekman transport through the Luzon Strait(ETLS)is calculated.It is shown that ETLS is from the western Pacific Ocean to the South China Sea(SCS)all the year except in summer,and varies significantly with seasons.Correlation analysis indicates a positive relationship between ETLS and sea surface temperature(SST)in the SCS on the seasonal scale.The influence of ETLS on the SST starts after the first month and extends from the northern to the southern part of the basin in the SCS,reaches the maximum significance in the second month throughout the whole basin,decays in the third month and disappears in the fourth month.On the interannual scale,the ETLS anomaly is significantly related with the second mode of SST anomaly(SSTA)with a correlation index positive and negative in the northern and southern SCS,respectively.The basin-scale circulation in the SCS is modulated by the ETLS because the SST varies with the advection of cold or warm waters.

Ekman transport;Luzon Strait;SST;South China Sea;correlation analysis

P731

A

1003-0239（2012）02-0050-09

2011-09-28

國家重點基礎研究發展“973計劃”（2011CB403501）；國家海洋局“我國近海海洋綜合調查與評價項目”（“908”專 項）；南海分局局長基金（1263）

黃華梅（1978—），女，工程師，研究方向為海洋環境學，E-mail:hmhuang2007@gmail.com