南海海表鹽度異常分布特征分析

萬道靜，李洪平

（1.中國海洋大學 信息科學與工程學院 海洋技術系，山東 青島 266100）

南海海表鹽度異常分布特征分析

萬道靜1，李洪平1

（1.中國海洋大學 信息科學與工程學院 海洋技術系，山東 青島 266100）

利用最小二乘法線性擬合和EOF分析等方法對1980～2011年共32 a的SODA月平均海洋同化數據進行處理與分析，探討了南海海表鹽度的時空分布特征。分析結果顯示，從1980～2011年，南海海表鹽度有不斷下降的趨勢，并且存在周期性波動特征，以及明顯的季節變化和年際變化。在不同海域異常變化不同，南部和北部異常變化較高且呈反相關；靠近大洋和陸地一側的異常變化高，中部異常變化較低。

南海；海表鹽度異常；分布特征；EOF分析

海表鹽度（sea surface salinity，SSS）是描述海洋基本性質的關鍵變量之一，對其分布和變化規律的研究有助于了解全球水循環以及海氣間相互作用對全球氣候的影響[1-3]。Dickson等[4]認為表層低鹽度入侵對驅動溫鹽環流和徑向熱傳輸的深對流層有影響。鹽度影響海水密度，進而支配海洋環流和氣候，而鹽度變化主要是由降水、蒸發、徑流和冰凍結及融化引起的。

南海接近赤道，位于太平洋邊緣，是西太平洋最大的半封閉深水海盆。其特殊的地理位置與氣候特征決定了南海地區SSS對南海環流以及海氣之間的相互作用具有重要的影響[5,6]。郭敬等[7]利用1950～2012年的WOD05鹽度數據對南海混合層鹽度的季節變化影響因素進行了分析，得出整個南海混合層鹽度季節變化的主要影響因素是降雨量和水平平流。曾麗麗等[8]通過對南海南部、北部航測鹽度資料的研究，分析了夏季風期間降雨對南海上層鹽度影響的可能性；王凡等[9]根據“南海季風試驗”期間的CTD考察資料，分析了1988年夏季風爆發前后南海主要斷面的溫鹽結構及變化特征；王東曉等[10]得出在夏季風持續強迫下上層環流體現出顯著的季風性海洋環流特征，南海夏季溫鹽水平分布隨深度有顯著變化。李秀珍等[11]利用1967～2001年共35 a的SODA（simple ocean data assimilation）月平均同化資料探討了南海不同海域鹽度對南海夏季風爆發以及季風強度的響應關系，結果表明它們之間密切相關。

1 數據來源和方法

本文所用數據來自于美國馬里蘭大學（UMD）和美國德州農工大學（TAMU）共同研制開發的簡單海洋數據同化資料SODA月平均海水鹽度數據集。該資料是由全球簡單海洋資料同化系統分析得到的再分析產品，采用了隨機連續估計理論和質量控制方法，比如鄰近點檢驗法、“預報值-觀測值”差值檢驗、卡爾曼濾波、四維變分等多種方法來減小誤差，以保證資料的準確度、可用性和可信度[12]。

SODA月平均海洋同化數據每個文件包含當月的月平均海洋數據。數據的水平空間分辨率為0.5°×0.5°；水平空間覆蓋范圍是0.25°～359.75°E 、75.25°S～89.25°N，因此在經、緯度上的格點數分別為720和330；垂直方向上的分辨率為不等間距，共40層，深度分別為5、15、25、35、46、57、70、82、96、112、129、148、171、197、229、268、317、381、465、579、729、918、 1 139、1 378、1 625、1 875、2 125、2 375、2 624、2 874、3 124、3 374、3 624、3 874、4 124、4 374、4 624、4 874、5 124、5 374（單位：m）；包含7個變量：溫度（temp）、鹽度（salt）、維向海流速度（u）、徑向海流速度（v）、垂向海流速度（w）、維向海表風應力（taux）、徑向海表風應力（tauy）、海表面高度（ssh）。

為了能夠較好地分析南海海水表層的鹽度異常，文中選取的鹽度月平均數據集為：時間跨度從1980-01～2011-12，共32 a（384個月）；空間范圍為 0°～25°N、100°～125°E；深度為5 m。先剔除異常數據（處理掉陸地數據的無效值），由32 a的逐月SSS數據得到氣候態的月平均SSS，再用逐月SSS減去氣候態的月平均值，得到海表鹽度異常值SSS的變化趨勢。使用最小二乘法對SSS異常進行線性擬合，分析南海SSS的變化趨勢。然后對SSS異常作EOF分析，得到SSS異常的空間分布和時間系數，探討南海SSS異常的分布特征。

2 分析與討論

2.1 變化趨勢分析

將1980-01～2011-12的南海SSS月平均數據進行距平化處理，去掉年周期信號后繪制SSS異常趨勢圖，并進行最小二乘法線性擬合，得到如圖1所示的整個南海SSS異常變化趨勢圖。從總體來看，在這32 a間，整個南海的海表鹽度存在周期性波動特征，并且有不斷下降的趨勢。前230個月（1980-01～1999-02），南海SSS的正異常較多，負異常較少；其中，最大正異常值為0．365 5，出現在1983-12；最大負異常值為-0．215 9，出現在1989-04。從2000-02之后，南海SSS的負異常值較多，且負異常值較大，正異常值較少；其中，最大負異常值為-0．347 5，出現在2009-05；而最大正異常值為0．266 1，出現在2005-06。從數據可知，從1980～2011年，南海SSS呈緩慢下降的趨勢。

2.2 EOF分析

圖1 1980～2011年南海SSSA變化圖

利用Matlab編程對南海SSS異常進行EOF分解，并對得到的空間分布和相應的時間系數進行分析討論。經過顯著性檢驗，前6個模態均在95%的置信度水平下。從表1可以看出，南海SSS異常的前6個模態累計方差貢獻率占總方差的55．75%。其中，前4個模態之間存在顯著性差別，第4模態和第5模態之間沒有顯著性差別。為了探討南海SSS異常的時空分布特征，在本文中只取前 3個模態進行分析。

表1 前6個模態的方差貢獻率/%

經過計算可知，第1模態的方差貢獻率解釋了總方差的20．42%，反映了南海SSS近32 a來的主要分布和變化趨勢。從圖2a可以看出，第1模態下SSS異常值在整個南海海域呈現負相關，表明南海SSS在空間分布上的變化具有良好的整體一致性，升高和降低的變化是同位相的。SSS異常變化比較明顯的地方分布在鄰近香港和澳門附近海域、呂宋島附近海域、民都洛海峽、馬來西亞一側海域、南沙群島西側海域，基本上都是靠近大陸架一側，表現為強負值區。靠近大陸架一側海域SSS變化的影響因素主要考慮的是河流徑流注入量，不同維度南海SSS則是主要受到降雨量和蒸發量關系的影響[7]。圖2b為第1模態空間分布所對應的時間系數。空間分布所對應的時間系數代表了鹽度異常空間分布的時間變化特征[13]。通過圖2可以發現，時間系數為正值時反映出整個南海的SSS上升，時間系數為負值時反映出整個南海的SSS下降。1980～1984年、1986年下半年～1988年、1989年下半年～1995年底、1997年下半年～1998年上半年、2005～2008年、2010～2011年上半年，南海SSS基本為上升階段；其他時間段為下降階段。從整個時間序列上來看，南海SSS異常的上升幅度基本上一直在降低，而下降幅度先增高后降低再增高。由此可見，從1980～2011年，雖然南海SSS存在明顯的季節變化和年際變化，但整個南海SSS基本上一直在降低，符合圖1中表現的SSS異常變化趨勢。

圖2 南海SSSA第1模態

圖3、4表示的是南海SSS異常經EOF分解得到的第2模態向量和第3模態向量的空間分布和時間系數。第2模態和第3模態分別占總方差的13．57%和8．31%。由圖3a可知，第2模態下南海SSS異常值在空間分布上由西北到東南方向呈現帶狀分布遞減，北部灣、海南島東側以及廣東省大陸架一側海域的海表鹽度被一片強正值控制，說明南海北部SSS變化較大；南海中部SSS異常由南北兩側向中部收斂，說明SSS的變化不大；在南海東部巴拉巴克海峽、民都洛海峽一帶被強負值控制，說明SSS變化較大。結合圖3b可以看出，當時間系數為正值時，南海中部海域以北SSS上升幅度大，所以SSS較大，以南SSS下降幅度大，所以SSS較小，導致南海中部海域以北的SSS大于以南的SSS。從1988～1997年，時間系數基本為正值，說明這段時間的南海北部的SSS基本上呈上升趨勢，南海南部的SSS基本呈下降趨勢；當時間系數為負值時，南海中部海域以北SSS下降幅度大，以南SSS上升幅度大。其中，從2008年下半年～2010年底，南海北部SSS呈下降趨勢，南海南部SSS鹽度呈上升趨勢，到2010年夏季時間系數為最大負值，說明夏季風或強降雨導致鹽度發生很多變化[8]。綜合以上，說明南海西南海域與東北部海域的SSS異常變化基本上呈反相關。

在第3模態下（圖4a），南海SSS異常的空間分布呈現的是東北方向到西南方向的遞增，結合其所對應的時間序列（圖4b）發現，時間系數為正值時，藍色區域SSS高于紅色區域SSS，時間系數為負值時，藍色區域SSS異常低于紅色區域SSS，南海東部與西部基本上呈反相關。與第2模態下的空間分布和時間序列相對比，第2和第3的空間分布基本上是相反的，而時間序列也基本上是相反的。這說明同一時期，這2個模態下南海SSS在東北海域的變化小于西南海域，或者大于南海南部的變化。總體上表示了南海北部與南部SSSA變化呈反相關，中部SSS基本上變化不大的分布特征。

圖3 南海SSSA第2模態

圖4 南海SSSA第3模態

3 結 語

本文利用SODA月平均海洋同化數據，通過EOF分析等方法評估了南海SSS在時間和空間上的分布特征。結果顯示，在消除年周期的基礎上，從1980～2011年，南海SSS存在波動性的上升和下降，但是總體上是下降的趨勢。EOF第1模態分析說明，南海SSS具有同相位的變化，整體上呈下降的趨勢，考慮到河流徑流注入量和來自大洋的寒暖流，靠近大洋一側的SSS和靠近陸地一側SSS異常變化高；第2、3模態EOF分析說明不同海域的SSS異常變化是有差別的，主要分布為在南海北部和南部SSS異常變化大且呈反相關，在南海中部SSS異常變化小。通過分析南海SSSA的分布特征，為下一步南海SSS衛星遙感數據的反演工作提供了一定的研究基礎。

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P237.9

B

1672-4623（2015）02-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.016

萬道靜，碩士，研究方向為海洋地理信息系統。

2014-03-11。

項目來源：國家重點基礎研究發展計劃資助項目（2009CB723903）。