基于再分析數(shù)據(jù)的南海三維溫鹽結構特征分析

谷浩然，楊俊鋼，王 斌，崔 偉，陳 前

（1.自然資源部海上絲路海洋資源環(huán)境組網(wǎng)觀測技術創(chuàng)新中心，山東 青島 266580；2.中國石油大學（華東） 海洋與空間信息學院，山東 青島 266580；3.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061）

0 引言

海水的溫度和鹽度是決定其物理性質的重要變量，了解海水溫鹽的空間分布特征以及隨深度、季節(jié)的變化特征對分析海洋動力環(huán)境有著非常重要的意義。海洋內部溫鹽對海洋環(huán)流和海洋循環(huán)有著重要的調制作用。例如，由溫度和鹽度變化造成的海水密度差異是形成垂直和水平海洋環(huán)流的主要驅動力之一。在呂宋海峽以及中沙群島周圍，溫鹽分布的變化是導致局地環(huán)流，如鹽度鋒、熱鋒或上升流的主要原因之一。溫度較高（＞26℃）的上層海洋是熱帶氣旋生成和發(fā)展的能量來源[1]，臺風的增強取決于上層海洋的溫度結構，即上層海洋熱含量（Tropical Cyclone Heat Potential，TCHP），TCHP 較大的海域更容易使臺風增強[2]。因此，準確描述海洋三維溫鹽結構的狀況，對加深海洋中各個尺度的動力過程的理解具有重要意義。

南海是我國重要的海上貿易通道，是東亞、太平洋與印度洋之間的交通運輸樞紐，對于我國的外貿和國防非常重要。海洋三維溫鹽信息對于認識海洋現(xiàn)象動力機制、保障南海區(qū)域艦船航行安全等具有重要的意義。

1998年謝俊[3]等人利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)并結合T-S 曲線圖分析了南海全海域的水團分布特征。黃誠等[4]根據(jù)實測溫鹽數(shù)據(jù)分析了南海中沙群島區(qū)域的溫鹽水平和垂向分布特征，并結合FVCOM 模型模擬數(shù)據(jù)分析了南海溫鹽季節(jié)性變化特征，以及極端天氣在短期內對南海溫鹽結構的影響。魏曉[5]根據(jù)實測溫鹽分析得到了南海水平和垂向溫鹽分布特征，并結合夏季風和海面凈熱通量的影響，分析得出南海東部和南部表層海水存在著較厚的低溫高鹽水層。俞杰[6]等人根據(jù)ARGO 浮標觀測數(shù)據(jù)并結合衛(wèi)星遙感及錨定浮標觀測資料，對2014年臺風“威馬遜”引起的上層海洋溫鹽響應進行了分析和研究，并通過計算混合長度和臺風引起的垂向流速變化解釋了溫鹽變化的原因。臺風過境時會引起上層海洋發(fā)生強烈的垂向混合，加深混合層深度并導致下層的冷水被夾卷至表層，臺風引起的垂向混合在夾帶下層冷水至表層的同時，也將表層的暖水帶至次表層，致使次表層增溫，即“熱泵”效應[7]。南海地區(qū)極端天氣頻發(fā)，了解上層海洋對臺風的響應和反饋過程是提高預報極端天氣精度的必要前提。

當前海洋溫鹽數(shù)據(jù)來源主要為現(xiàn)場觀測和遙感觀測以及數(shù)值模擬。衛(wèi)星遙感能夠獲取高時空分辨率的海洋數(shù)據(jù)，但僅限于海洋表層，難以獲取較深海域的海洋環(huán)境信息。當前水下溫鹽數(shù)據(jù)的獲取來源主要依靠浮標實測數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)較高的空間覆蓋率。因此，對于海洋三維溫鹽結構的分析研究引入模擬數(shù)據(jù)是十分必要的。海洋再分析數(shù)據(jù)將海洋模式和觀測數(shù)據(jù)相融合，能夠提供時空連續(xù)的三維海洋數(shù)據(jù)。本文根據(jù)海洋再分析數(shù)據(jù)GLORYS12V1，分析了2020年南海三維溫鹽結構及其季節(jié)和年際變化特征。為了解極端天氣下南海表層溫度變化，基于再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，探討了南海上層海洋對臺風過程的響應。

1 南海概況

南海是位于太平洋最西部的邊緣海，地形水深如圖1所示，其最大深度約5 500 m，呈東北-西南向延伸的菱形海盆。其西部與安達曼海通過馬六甲海峽相連接，在東部通過巴士海峽與太平洋相通。在地形上，南海中部有一個廣泛的海盆，其附近海域被陸架所環(huán)繞。南海地區(qū)屬于熱帶氣候帶，呈現(xiàn)熱帶海洋季風氣候特征[8]。南海的洋流主要由季風驅動，形成復雜的環(huán)流系統(tǒng)。在東北季風期間，表層海流向西南方向流動，而在西南季風期間，則反轉向東北方向流動。從5月下旬-9月，該地區(qū)主要受到西南季風的影響，而11月-翌年4月中旬，則盛行東北季風。年均氣溫保持在23～32.3℃之間，冬夏季節(jié)的溫差相對較小。降雨量豐富，通常在1 500～2 000 mm 之間，南部地區(qū)更高，超過2 500 mm。該地區(qū)在5-10月經(jīng)常受到臺風和其他熱帶氣旋、風暴的影響。這一氣候形成受到多種因素的調控，包括低緯度熱帶天氣系統(tǒng)的副熱高壓帶、熱帶輻合帶、熱帶低壓和熱帶氣旋等，同時還受到中、高緯度天氣系統(tǒng)的影響。根據(jù)海洋再分析數(shù)據(jù)，南海正經(jīng)歷溫度上升的趨勢，這可能會對溫鹽環(huán)流的強度及其穩(wěn)定性造成影響。

圖1 南海地形圖，黑色線為選取的垂直斷面的位置（東經(jīng)115°，北緯15°）Fig.1 Topographic map of the South China Sea，with black lines indicating the position of selected vertical cross-section（115°E，15°N）

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 海洋再分析數(shù)據(jù)

本研究使用的再分析數(shù)據(jù)為CMEMS 提供的海洋再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品 GLORYS12V1，GLORYS（Global Ocean Reanalysis and Simulations）是MyOcean框架下開發(fā)的一項全球海洋資料再分析系統(tǒng)，在加入同化數(shù)據(jù)的約束下使用較高分辨率的網(wǎng)格對全球海洋進行模擬。該產(chǎn)品的海洋模式為歐洲海洋模型中心NEMO Version3.1 和耦合海冰模式LIM2。GLORYS12V1 的同化方案選擇降階卡爾曼濾波算法，同時選擇3D-var 修正溫鹽誤差，用于同化的觀測數(shù)據(jù)來自CMEMS 的高度計數(shù)據(jù)、海表面溫度，以及CORA 數(shù)據(jù)庫中的現(xiàn)場觀測溫度和鹽度剖面數(shù)據(jù)和ARGO 浮標數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品的時間分辨率為日平均，空間分辨率0.083°×0.083°，垂向0～4 000 m 共50 層，提供的海洋參數(shù)包含海表溫度、鹽度、海面高度、混合層深度和海冰參數(shù)[9]。本研究使用2020年GLORYS12V1 再分析數(shù)據(jù)開展南海溫鹽結構特征分析。

2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

海表面溫度遙感數(shù)據(jù)來自GHRSST 的AVHRR OISST L4 網(wǎng)格產(chǎn)品，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，由美國國家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息服務中心（NESDIS）提供。GHRSST 成立于2002年，旨在促進國際協(xié)調，使用多傳感器方法開發(fā)高分辨率、近實時SST 數(shù)據(jù)集。使用的海表面溫度遙感數(shù)據(jù)由AVHRR 傳感器獲取，通過在最佳插值系統(tǒng)內結合互補衛(wèi)星和現(xiàn)場觀測生成的。本研究使用臺風“威馬遜”爆發(fā)期間衛(wèi)星海表面溫度數(shù)據(jù)，開展海表溫度對臺風過程的響應分析研究。

2.3 臺風數(shù)據(jù)

臺風路徑及強度資料來自中科院南海海洋研究所的西北太平洋熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集CMA-STI。該數(shù)據(jù)集是在每年熱帶氣旋季節(jié)過后根據(jù)所收集到的常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測資料，對當年熱帶氣旋的路徑和強度資料進行整編，形成CMA-STI 熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。臺風資料時間分辨率為6 h。本文所使用的臺風資料為2014年第九號臺風“威馬遜”期間臺風路徑數(shù)據(jù)。臺風“威馬遜”在楚克東部的西北太平洋海面上生成，2014年7月12日下午14 時，中央氣象臺將其升格起編為熱帶風暴。7月16日，臺風“威馬遜”登陸我國南海東部，之后向西北方向行進，于7月18日以17 級、60 m/s 的強度登錄廣東省雷州半島，成為有氣象記錄以來登陸廣東的最強臺風。

3 溫鹽結構與季節(jié)變化特征分析

本文基于GLORYS12V1 海洋再分析數(shù)據(jù)，開展南海海水溫鹽空間分布和季節(jié)變化特征分析。

3.1 海表溫鹽空間分布與季節(jié)變化特征

海洋表層溫度和鹽度的變化對海洋物理環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)有著非常重要的作用[10]。表層溫鹽變化可以改變海氣的相互作用，影響降水模式以及風向和風速，繼而影響海洋熱力、動力過程[11]。表層溫鹽變化是熱帶大氣循環(huán)的重要組成部分，這些循環(huán)通過在全球范圍內輸送熱量和物質，對氣候和海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠影響[12]。

本研究對2020年再分析溫鹽數(shù)據(jù)進行月平均處理，得到全年月均溫鹽水平分布圖，如圖2 和圖3所示。從圖2 可以看出，南海月均SST 在25～32℃范圍內[13]。在空間分布上，南海秋冬季節(jié)SST 溫差明顯，整體呈西北低、東南高的分布特征，東沙群島與西沙群島附近海域海表面溫度高于其他海域2～3℃，春夏兩季SST 溫差較小，相較于秋冬兩季，無明顯條帶狀溫差分界，這也表明了西沙群島附近海域海水性質相較于其他海域更加穩(wěn)定，季節(jié)溫差變化較小。南海月均海表面溫度1-9月呈上升趨勢，其中1-4月變化較為平緩，4-5月升溫較快，表現(xiàn)出明顯季節(jié)特征，全年最高溫度出現(xiàn)在8月黃巖島附近海域，為33.5℃左右。9月-次年1月，南海區(qū)域SST 呈下降趨勢，其中，9-10月溫度下降明顯，南海最低溫度出現(xiàn)在1月份中沙大環(huán)礁北部，約為22℃。

圖2 月均海表面溫度分布Fig.2 Monthly distribution sea surface temperature

圖3 月均海表鹽度分布Fig.3 Monthly distribution sea surface salty

南海月均鹽度空間分布相較于溫度更為穩(wěn)定，南海北部表層鹽度略高于南部，無明顯空間差異。全年表層鹽度最小值為32.5 psu，最大值為35 psu。表層鹽度全年最低月份為1月，約為32 psu，1-6月南海表層鹽度整體上呈緩慢上升趨勢，平均鹽度約為34 psu，其中6月鹽度最大，約為34.7 psu。6月以后，南海表層鹽度開始下降，一直持續(xù)到12月初，在12月-次年1月鹽度達到最低，然后鹽度再次開始緩慢上升。

3.2 溫鹽垂直分布及季節(jié)變化特征

為了解南海溫鹽的垂向結構特征，本文根據(jù)再分析數(shù)據(jù)提取了南海東經(jīng)115°和北緯15°溫鹽斷面數(shù)據(jù)進行分析[14]。圖4-5 清楚地顯示，中沙群島（東經(jīng)115°，北緯15°附近）南北兩側表層海水溫度差異較為明顯，而緯向剖面顯示該部分區(qū)域東西兩側沒有明顯差別，這表明中沙群島不同區(qū)域海水溫度特性存在較大差別。月均數(shù)據(jù)分析結果顯示，隨著深度增加海水溫度季節(jié)變化越小。受大氣降雨影響海水表層鹽度低于其他深度鹽度，280 m 以淺的海水，海水溫度隨深度增加而下降且速率較快，約為0.07 ℃/m，該深度的海水存在顯著的季節(jié)變化特征，全年最大溫差約為3℃。300 m 以深的海水，溫度隨深度變化緩慢，約為0.01 ℃/m，無明顯季節(jié)變化特征。300 m 以深海域隨經(jīng)緯度變化不明顯，表明水深越深海水的季節(jié)變化與空間變化越小。南海鹽度垂向季節(jié)變化表現(xiàn)為春秋季節(jié)高于夏季和冬季，表層鹽度受降雨量影響較大，鹽度最低值在南海臺風多發(fā)季10月出現(xiàn)，約為33.2 psu。

圖4 北緯15°斷面溫度月均變化（單位℃）Fig.4 Monthly temperature variation at 15°N section

圖5 東經(jīng)115°斷面溫度月均變化（單位℃）Fig.5 Monthly temperature variation at 115°E section

本研究以南海中部海域（東經(jīng)115°，北緯13°）點位溫鹽剖面為例，分析海水溫度和鹽度隨水深變化特征[15-16]。月均溫鹽剖面如圖6所示，該位置各月份溫鹽剖面具有相似的垂向變化特征，垂向溫鹽梯度較小，溫、鹽躍層深度基本一致，約為50～120 m。鹽度剖面顯示，海水鹽度在0～180 m 隨深度增加而增加，180～380 m 隨深度增加而減小，380 m 以深海域度鹽度隨深度增加而增加。溫度剖面顯示，溫度隨深度變化趨勢從表層開始，隨深度增加而減小。南海整體上呈表層海水高溫低鹽，底層海水低溫高鹽。本文根據(jù)月均再分析數(shù)據(jù)，利用垂向梯度法[17]計算了2020年南海溫躍層深度分布圖，該方法首先計算海水溫度的垂直梯度，梯度大于0.05℃/m 即為溫躍層所在區(qū)域，滿足梯度0.05 ℃/m條件最上層的深度即為躍層上界，最下層深度即為溫躍層下界深度。南海月均溫躍層深度如圖7所示，南海躍層深度分布具有明顯季節(jié)變化特征，南海秋冬季節(jié)溫躍層深度普遍大于春夏兩季。南海地區(qū)溫躍層深度變化與海面精熱通量和海風有關。秋冬季節(jié)南海地區(qū)盛行東北季風，同時海面凈輻射通量較低，風應力攪拌作用加強了海水的垂向混合，表層的低溫海水使得海洋上層層結不穩(wěn)定，從而使得溫躍層深度加深[18]。春夏兩季太陽輻射增強，整個海域風力較小，這使得表層海水溫度升高垂向混合減弱，從而溫躍層深度整體上升。

圖6 115°E，13°N 點位月均溫度、鹽度隨深度變化趨勢Fig.6 Trend of monthly average temperature and salinity changing with depth at 115°E，13°N

圖7 南海月均溫躍層深度Fig.7 Monthly average thermocline depth in the South China Sea

4 臺風過程的溫度響應分析

本研究以臺風“威馬遜”為例，利用海洋再分析數(shù)據(jù)和AVHRR OISST 遙感數(shù)據(jù)開展臺風前后海表溫度變化特征分析。一般而言，臺風過境前后海洋上層海水溫鹽結構以及混合層深度會發(fā)生較大改變[18-19]。臺風期間再分析數(shù)據(jù)海表溫度如圖8所示，該數(shù)據(jù)未能體現(xiàn)出“威馬遜”過境期間海表溫度變化。此外，本文還基于GLORYS12V1 數(shù)據(jù)對2019年第29 號臺風“巴蓬”、2020年第2 號臺風“鸚鵡”、以及2020年第17 號臺風“沙德兒”過程前后的海表溫度進行分析，發(fā)現(xiàn)再分析數(shù)據(jù)在臺風期間未體現(xiàn)出明顯的海表溫度變化。JEANMICHEL[20]指出GLORYS 同化系統(tǒng)的性能明顯依賴于實測數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)，由于南海地區(qū)ARGO 浮標稀少，導致該分析數(shù)據(jù)可能無法反映出南海地區(qū)臺風期間海洋上層溫度變化這一小尺度特征。

圖8 臺風“威馬遜”期間GLORYS12V1 表層溫度Fig.8 Surface temperature of GLORYS12V1 during Typhoon Rammasun

臺風期間遙感海表溫度如圖9所示，遙感數(shù)據(jù)能夠較好地反映臺風期間海洋表層溫度變化。臺風登錄期間南海區(qū)域整體上出現(xiàn)了大范圍降溫，中沙大環(huán)礁北部海域降溫明顯強于其他海域。系統(tǒng)地描述上層海洋對臺風過程地影響，對提高臺風路徑及強度地預報有著重大意義[21]，準確地獲取臺風期間的海洋數(shù)據(jù)是研究上層海洋變化的前提。從圖9 可以看出，臺風發(fā)生前南海北部海表面溫度大約在30℃，2014年7月16日臺風進入南海黃巖島附近海域，當天該海域海表面溫度無明顯降溫，南海西北部部分海域海表面溫度略有升高，這可能與臺風引起的次表層溫度變化與混合作用和上升流的主要地位有關，當混合作用強于上升流時，表層與次表層溫度升高，反之則溫度下降。臺風隨后繼續(xù)向西北方向行進。7月17日，臺風到達中沙群島附近海域，南海東南部出現(xiàn)明顯降溫，黃巖島西北部海域當日降溫2～3℃。2014年7月18日，臺風到達海南島西北部，強烈的海-氣交互作用導致當日西沙群島東北部海表面溫度急劇下降，部分海域降溫可達5℃以上。

5 結束語

本文使用海洋再分析數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)開展南海三維溫鹽結構及其季節(jié)變化特征研究，分析結果對南海地區(qū)海洋動力環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的相關研究具有參考價值。了解臺風期間的溫鹽響應對臺風路徑的預測以及強度的評估都有著重大意義，本文主要結論如下：

1）2020年南海全年月均海表面最高溫度32 ℃，最低溫度25 ℃，春夏兩季海表溫度分布均勻，秋冬季節(jié)海表面溫度存在明顯南北差異鹽。鹽度全年最低值32.5 psu，最高值35 psu，全年分布較為均勻。

2）表層到300 m 水深，海水溫度隨深度增加而下降，該部分海水存在較為顯著的季節(jié)變化，300 m 以深海水溫度隨深度變化逐漸緩慢，全年溫度變化在0.5 ℃以內。南海地區(qū)溫躍層深度存在明顯季節(jié)變化特征，秋冬季節(jié)溫躍層深度大于春夏兩季。

3）臺風“威馬遜”爆發(fā)期間，再分析數(shù)據(jù)未能反映出南海溫度變化。遙感數(shù)據(jù)分析結果顯示，臺風過境前期，南海西北部海域出現(xiàn)局部升溫現(xiàn)象，之后開始大范圍降溫，其中北部中沙大環(huán)礁附近降溫最為顯著，臺風過后海溫逐漸回暖。

目前海洋次表層溫鹽實測數(shù)據(jù)稀缺，再分析數(shù)據(jù)已逐漸應用在海洋科學的研究中。GLORYS12V1再分析數(shù)據(jù)能夠反映出南海地區(qū)溫鹽季節(jié)變化特征，但難以表征出小尺度海洋環(huán)境變化，未來可考慮精度更高的模擬數(shù)據(jù)來研究南海三維溫鹽環(huán)境。