影響南海混合層鹽度季節變化的因素分析

2013-11-12 05:30:12陳顯堯張遠凌

海洋科學進展 2013年2期

關鍵詞：區域

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.海洋環境科學和數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。受到觀測數據量的限制，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變化的貢獻率各不相同。Rao等[2]指出在北印度洋，不同季節控制鹽度季節變化的主導因素是不同的：冬季主要由于表層順時針環流將南部海區高鹽水帶入北印度洋導致混合層鹽度上升，而在其他季節，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域，在春夏季節亞馬遜河流量較大，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，抵消了蒸發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，鹽度的季節變化是由蒸發與降水量之差所控制，冬季蒸發大于降水，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，由于觀測數據比較匱乏，所以關于南部的研究主要依靠模式的結果。根據模式的結果顯示：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域的EN3(quality controlled subsurface ocean temperature and salinity data)鹽度數據和SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化數據，評估各影響因素對南海不同區域鹽度季節變化的貢獻，從而確定影響南海混合層鹽度季節變化的主導因素。

1數據來源

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

為研究鹽度季節變化的影響因素，本文還用到以下數據：

1)蒸發數據。本文所用蒸發數據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數據集，該數據集包含了海氣界面熱通量以及相關的氣象要素場。海面蒸發量是由OAFlux數據中的潛熱通量數據換算而來，該數據為月平均資料，水平分辨率為1°×1°。

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

3)海流數據。海流數據采用的是全球海洋資料同化分析系統提供的SODA海洋數據，該數據為月平均資料，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)數據。MLD數據由法國氣候學與海洋動力學實驗室(LODYC)提供，此數據為常年月平均數據，水平分辨率為2°×2°。

5)風場數據。風場數據采用QuikSCAT衛星數據，覆蓋時段為1999-2009年，水平分辨率為0.5°×0.5°。

為了數據匹配，本文取各個數據時間上的共同區域2000-2008年進行分析，且為了方便研究，將南海區域所有數據插值為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，后來經過了Foltz等人的改進[3]，最后得到：

(1)

3南海混合層鹽度的季節變化

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一個低鹽區，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，所以不予討論。

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

圖1 1950-2012年南海各季節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 南海混合層鹽度的標準差以及區域劃分Fig.3 The standard deviation of mixed layer salinity and regional divisions

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

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(蒸發降水引起的海面淡水通量)和內部調整(水平平流和混合層底垂直混合)兩部分。蒸發降水控制著海面的凈淡水通量(圖5)，降水量大于蒸發量時，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)會將性質不同的水團帶入區域內，改變區域內海水的溫鹽。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

根據鹽度控制方程分別求出蒸發降水、水平平流緯向分量、經向分量和垂直混合可導致的混合層鹽度變化率。在區域A中(圖9)，影響混合層鹽度季節變化的最主要因素為蒸發降水，其次為水平平流的緯向分量。在冬季，區域A降水較少，同時受東北季風影響，海面蒸發大，蒸發量大于降水量(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),給區域A帶來大量高鹽水，導致區域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，區域A的降水量急劇增加，尤其是中國沿海區域，降水量遠大于蒸發量，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，區域A的鹽度開始下降；在夏季，區域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，最后經臺灣海峽流出。西邊界流給區域A帶來大量低緯度的低鹽水，降水和平流共同作用導致區域A海水鹽度在夏季達到全年最小值；在秋季，區域A降水量變少，降水量小于蒸發量，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，虛線表示經向方向

圖9 不同影響因子導致的區域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)，導致混合層內海水鹽度升高；在夏季區域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。

在區域B中(圖10)，影響混合層鹽度季節變化的最主要因素為蒸發降水，其次為水平平流。區域B鹽度季節變化的原因與區域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。

但區域B與區域A存在明顯差異：和區域A相比，區域B蒸發降水對鹽度季節變化的作用變小，而水平平流的作用開始變大；在春季，區域B海面蒸發量大于降水量，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，鹽度繼續升高，所以區域B鹽度在春季達到全年最大值；在秋季，降水量大于蒸發量，并且在秋冬兩季南海海盆被氣旋式環流所控制，區域b除西部沿岸的西邊界流為南向外，其他大部分區域的水平平流經向分量都是北向的，從而給區域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，結果導致區域B混合層海水鹽度在秋季繼續降低達到全年最小值。

區域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量略大于降水量外，其他月份蒸發量均遠小于降水量。E-P已不能主導鹽度的季節變化，水平平流的緯向分量成為影響該區域鹽度季節變化的最主要因素。在冬季和春季，海面蒸發量大于降水量，且蘇祿海高鹽水通過巴拉巴克海峽侵入南海，導致區域C海水鹽度持續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，所以在夏秋季節區域C混合層海水鹽度持續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

在區域D中(圖12)，影響鹽度季節變化的最主要因素是水平平流的經向分量，蒸發降水對鹽度季節變化起阻礙作用。在冬季和春季，南海西邊界流流入區域D，帶來大量高鹽水。雖然海面降水量大于蒸發量，但是平流引起的鹽度上升率大于降水引起的鹽度下降率，所以區域D的海水鹽度持續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區域D，給區域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南向的西邊界流給區域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，區域D海水鹽度繼續下降達到全年最小值。

5 結語

本文通過分析南海區域的EN3鹽度數據和SODA同化數據等資料，評估了各影響因素對南海不同區域鹽度季節變化的貢獻率，發現在南海北部和南部，影響混合層鹽度季節變化的主導因素存在很大差異。在南海北部，混合層鹽度的季節變化主要受蒸發降水和水平平流影響，其中蒸發降水占主導地位；隨著逐步南移，蒸發降水的影響遞減，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降水成為影響鹽度季節變化的主導因素。

目前的工作僅為南海混合層鹽度研究的一個初步結果，隨著觀測資料的增加，將會對南海混合層鹽度的變化規律和影響因素有更深入的認識。

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