南海海表溫度日變化特征及其影響因素研究

羅嘉琪，李響，張蘊斐，史珍

（國家海洋環境預報中心自然資源部海洋災害預報技術重點實驗室，北京 100081）

0 引言

海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）是表征海氣相互作用的重要因子，是兩者相互作用的結果體現，同時也是影響氣候系統變化的重要參數。海表是大氣的下邊界，許多海洋與大氣之間的物質、能量交換都發生在海表，交換過程對海洋表面的溫度及其變化十分敏感。海表溫度日變化（Diurnal Sea Surface Temperature，DSST）定義為每日最高和最低海表溫度之間的差值[1-2]。DSST 通過改變熱量和氣體通量、大氣環流和大氣邊界層高度來影響海氣相互作用[3]。

DSST 的首次觀測記載于20 世紀40 年代，當時的DSST 數據大多來源于船舶的原位觀測[4]。20 世紀70年代，首次出現了大范圍海溫日變暖事件的相關記錄，CLAYSON 等[5-6]觀測到非洲西北部出現了DSST 超過1 ℃的現象。早期研究表明，中低緯DSST幅度平均為0.2～0.6 ℃，在晴朗無風的情況下可達1.5 ℃左右[1]，極端情況下甚至可以達到6 ℃[7]。即使在北極，也會發生明顯的海溫日變化事件[8]。KARAGALI 等[9]使用衛星遙感數據研究了大西洋、地中海等地SST 日循環的變化特征，認為高緯度地區DSST 比低緯度地區更加劇烈，因為熱帶地區的海洋洋面具有溫暖穩定的水溫、持續的信風及較高的降水率，導致熱帶地區DSST 信號較弱。MORAKBOZZO 等[10]使用浮標數據研究了10°緯度帶的SST日循環，顯示其峰值出現在當地時間15 時左右，并存在向赤道方向有振幅增加和季節性減弱的現象。KAWAMURA 等[11]研究了印度洋-太平洋暖池在發生熱事件時的DSST，結果表明每日SST 最大值出現在當地時間15時，海溫最小值出現在當地時間07時。林鵬飛等[12]用12 a的衛星觀測資料驗證了氣候系統海洋環流模式模擬的東太平洋冷舌區SST 日變化特征，并指出該區域SST 日變化主要受太陽輻射和垂直混合的影響。SHENOI 等[13]用19 a 的觀測資料指出北印度洋DSST 在春季最大，其中75%～80%的觀測報告顯示DSST 小于0.5 ℃。王劍等[14]用30 a 的浮標觀測資料研究了中低緯DSST 的特征分布，結論表明北半球的平均DSST 高于南半球，DSST 具有明顯的季節變化特征。LI 等[15]研究發現在所有的海盆中都存在明顯的DSST 現象，大西洋和太平洋的DSST 受日照變化向南北向發展，而印度洋海盆的季風變化是DSST 的主要影響因素。PRICE等[16]在馬尾藻海發現海溫晝夜變化取決于表面加熱和風應力。YANG 等[17]通過對孟加拉灣和赤道以南地區DSST 的分析，證實了一年中最大的DSST 發生在季風過渡期，且會出現兩個高峰（3—4月和10月）。

DSST 在影響海氣通量交換的同時，也會對長時間尺度的大氣過程產生影響[2]，由于低緯度地區的自然氣候波動對SST的變化非常敏感[11]，因此這種影響在熱帶地區和副熱帶地區尤為明顯。DSST 被證明與熱帶季節內震蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO）和厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o-Southern Oscillation，ENSO）現象有著不可忽視的聯系。KAWAI等[18]利用4 a 的衛星遙感數據研究了西太平洋DSST 的時空變化，指出DSST 不能直接對MJO作出響應但受MJO 影響。BERNIE 等[19]指出DSST會影響西太平洋暖池上空的大氣，SST 的晝夜變化受MJO 調節，因此增加了對MJO 不同階段的季節內SST 響應。楊洋等[20]利用7 a 的浮標觀測數據采用合成分析的方法研究了MJO 對DSST 特征的影響，指出DSST與MJO對流呈直接反位相關系，即對流活動強時DSST 弱，對流活動弱時DSST 強，受MJO的影響印度洋DSST具有顯著的季節內變化特征。GE 等[21]的模擬結果表明DSST 分辨率的改善有利于熱帶MJO 的觀測和模擬。WELLER 等[22]研究了阿拉伯海上層海洋對季風的響應，西南季風期間較強的風強迫使DSST 有所減小。SALISBURY等[23]認為DSST 及其晝夜周期變化調節了界面處的海氣交換，理解這種變化可以對上層海洋和大氣狀態的預測產生積極影響。CLAYSON 等[5，24]認為在估算海表熱量時使用省略DSST 信號的SST 數據會產生很大的誤差，不包含DSST 的海洋模型可能會高估因混合引起的冷卻效應和SST 的東西梯度差異，從而影響對ENSO 的判斷。TIAN 等[25]通過模擬SST 的日變化發現厄爾尼諾期間的DSST 通常比拉尼娜期間更強。

目前，關于DSST 的研究大多集中在熱帶和副熱帶地區，尤其是天氣系統頻發的太平洋和季風現象明顯的印度洋，且數據的時間跨度多局限在10 a左右，少有長時間尺度的相關研究。南海作為我國近海中唯一處于熱帶的海域，有著明顯的DSST 現象，但針對南海DSST 變化的相關研究卻十分有限。受東亞季風影響，強烈的水汽輸送和海氣耦合使南海的海氣相互作用活躍，導致南海DSST 具有明顯的時空分布特征[26]。臧楠[27]利用觀測數據分析了南海季風前后DSST 的特征變化，指出夏季風爆發前SST 存在規則的日變化趨勢，季風爆發后SST 日變化曲線變得不規則。TU 等[28]制作了南海地區4 a的SST 數據集并對DSST 做了簡單分析，得出南海地區SST 呈類似正弦波的日循環周期，春季海溫日變化現象明顯。林銳等[29]簡單分析了南海DSST 的時空特征，認為其在時間分布上冬季最小、春季最大，在空間分布上南高北低、東高西低。南海受西南夏季風控制，YAN 等[30]的研究表明在西南夏季風期間，由于季風在建立過程中被越南地區的山脈遮擋，南海西部山脈背風處的DSST 相對較大。 除上述特征外，YAN 等[31]還發現南海DSST 存在著年周期和半年周期，與DSST 年周期的振幅相比，半年周期振幅以17°N 為分界，17°N 以北的半年周期振幅小得多。

綜上所述，受限于長時間序列高覆蓋率的高頻SST 數據的缺失，目前針對南海地區DSST 的研究還比較少，且研究結論也存在一定的不確定性。本文將采用國家海洋環境預報中心時間跨度為38 a的長時間序列高分辨率逐時SST 數據和歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的ERA5（The Fifth Generation ECMWF Reanalysis for the Global Climate and Weather，ERA5）再分析數據集，對南海海域DSST 的時空變化特征進行研究，并探討其影響因素。

1 數據介紹

本文使用的數據包括國家海洋環境預報中心制作的全球高分辨率逐小時SST 數據以及ECMWF的ERA5再分析數據集。

高分辨率逐小時SST 數據為國家海洋環境預報中心研制的MLSST（Mixed-Layer Model Sea Surface Temperature，MLSST）[15]數據。該數據水平分辨率為0.312 5°×0.312 5°，時間分辨率為逐小時，數據覆蓋全球范圍。MLSST 數據由國家海洋環境預報中心開發的上層海洋混合層模式計算得到，其在天氣和氣候尺度上均具有較好的刻畫能力，與浮標觀測數據對比，平均偏差為-0.26～0.40 ℃。本研究中，該數據的使用時段為1982—2019 年，共計38 a，用于分析南海區域DSST的時空變化特征。

ERA5 再分析數據是ECMWF 的第五代全球氣候和天氣的再分析數據，也是最新一代再分析數據。ERA5 數據覆蓋全球，具有0.25°×0.25°的水平分辨率、37 層標準氣壓層的垂直分辨率和逐時分辨率[32]。ERA5 產品比之前推出的ERA-Interim 等產品有著更高的水平和垂直分辨率，還提供了更多參量以供研究[33]。本文使用的海表風場、短波輻射通量、長波輻射通量、潛熱通量及感熱通量數據資料均來自ERA5 逐小時再分析資料，時間長度與MLSST 一致（1982—2019 年），該數據用于分析南海區域DSST特征的影響因子。

2 結果與討論

2.1 氣候平均態

圖1 為1982—2019 年南海區域（105°～125°E，0°～25°N）DSST 日變化幅度的氣候平均態。該區域DSST 平均為0.56 ℃，隨緯度總體呈明顯的北低南高的分布型態，且大值區分布在沿岸近海和10°N以南地區，開闊海域及10°N 以北地區的DSST 相對較小。10°N 以南地區的DSST 氣候態大多在0.6 ℃及以上，以北地區多為0.4～0.5 ℃。沿岸近海地區的DSST氣候態通?？蛇_到0.6 ℃甚至更高，開闊海洋處的DSST約為0.5 ℃。

圖1 1982—2019年南海海表溫度日變化氣候平均態（單位：℃）Fig.1 Climatological mean state of DSST in the South China Sea during 1982—2019(unit:℃)

已有研究表明，中低緯海域的DSST 幅度通常不超過1 ℃，DSST 大于1.5 ℃的日增暖現象在中低緯并不常見[14]。圖2分別統計了1982—2019年南海DSST 幅度超過0.5 ℃、1.0 ℃、1.5 ℃的事件發生頻率的空間分布，結果表明不同空間范圍的發生頻次略有差異，但共同點是離岸開闊洋面的DSST 更穩定。南海具有廣闊的洋面，SST變化相對穩定，僅有約30%的DSST＞0.5 ℃。在10°N 以南海域，DSST＞0.5 ℃的事件發生更加頻繁，與我國大陸南部近岸沿海地區的發生頻次相近，幾乎達到了35%以上。DSST＞1.0 ℃的現象并不少見，10°N 以南海域大約有至少10%的發生概率。DSST＞1.5 ℃的現象相對減少，空間分布顯示其與DSST＞1.0 ℃和DSST＞0.5 ℃的統計結果相似，近岸沿海處DSST比開闊海洋變化更劇烈。

圖2 1982—2019年南海海表溫度日變化超過不同溫度的事件發生頻率的空間分布（單位：%）Fig.2 Spatial distribution of the frequency of events with DSST exceeding different temperature in the South China Sea during 1982—2019(unit:%)

2.2 季節變化

圖3 為南海DSST 多年平均逐月的空間分布。從圖中可以看出，南海DSST 呈現顯著的季節變化特征，總體表現為DSST 在春季達到峰值，冬季達到谷值。南海冬季DSST 為一年的最低值，約為0.2～0.3 ℃，其后緩慢增強，3月進入春季后DSST迅速增強，并在4 月達到一年之中的最大值（0.7 ℃左右），而后夏季一直穩定在0.5 ℃左右且隨月份增加有緩慢的減弱趨勢，但在9月入秋后有小幅度回升，10月開始持續呈減弱趨勢直至12月。冬季，沿岸近海的DSST 與離岸開闊海洋差別不大，但在另外三季，由于大陸和海洋之間存在熱力差異，沿岸近海和離岸遠海的DSST不同，其中春季DSST在離岸開闊洋面處比沿岸近海更大，夏季和秋季沿岸近海處的DSST明顯高于離岸開闊海洋。

圖3 1982—2019年南海海表溫度日變化逐月分布（單位：℃）Fig.3 Monthly DSST in the South China Sea during 1982—2019(unit:℃)

YANG 等[17]通過敏感性試驗，驗證了6 種強迫場對孟加拉灣DSST 變化的影響，發現短波輻射通量的日變化和風應力是影響DSST 的主要因素，長波輻射通量、感熱通量、潛熱通量對DSST 也存在著不可忽視的影響。由于夜間不存在短波輻射，因此只需考慮綜合輻射通量對海溫日變化的影響。本文在考察南海區域DSST 季節變化的影響因子時除了考慮海表風速外，還將短波輻射通量、長波輻射通量、感熱通量和潛熱通量的作用效果疊加為凈輻射通量進行分析。

高輻射、低風速可以使熱量盡可能地聚集在海表[2]，高輻射持續對海表進行加熱，低風速導致的弱湍流混合抑制了從海面向下的熱量傳輸[34]，故SST在海表風弱且輻射變化強時變化更大。圖4 和圖5分別為1982—2019 年南海凈輻射通量日變化和平均海面風速的季節變化。從圖中可以看出，凈輻射通量日變化的季節變化特征與南海DSST 的季節變化特征具有一致的變化趨勢，最大值都出現在春季的4月，最小值出現在冬季；而平均海面風速的季節變化特征則呈現相反的變化趨勢，最小值出現在春季，大值區域出現在夏季和冬季。南海季風在風速影響南海DSST 的過程中起重要作用，在季風建立期間，南海上方的平均緯向風由東風轉為穩定的西風，海表面風速變弱，此時南海DSST 達到全年最高值。上述結果表明，春季是一年中凈輻射通量日變化幅度最大但風速最小的季節，這導致南海區域DSST 在春季最大；冬季則相反，由于冬季南海海表的凈輻射通量日變化最低，而強風又加劇了海表的熱損失，進而抑制了DSST[4]，這是南海DSST最小值發生在冬季的原因。

圖4 1982—2019年南海海表凈輻射通量日變化逐月分布（單位：W/m2）Fig.4 Monthly diurnal variation of net radiation flux in the South China Sea during 1982—2019(unit:W/m2)

圖5 1982—2019年南海海表風速逐月分布（單位：m/s）Fig.5 Monthly distribution of sea surface wind speed over the South China Sea from 1982 to 2019(unit:m/s)

南海位于季風區，夏季風對南海區域的天氣和氣候變化具有重要影響。采用張莉萍等[35]對南海夏季風建立與結束日期的定義，計算了1982—2019年南海夏季風建立和結束的時間序列距平（見圖6）。從圖中可以看出，南海夏季風的爆發時間平均在每年的第28.29 候，即五月，而結束平均在每年的第52.89 候，即9 月，季風爆發的時間前后浮動通常不超過6候（一個月）。南海的夏季有著一年中最長的日照時間和最強烈的短波輻射，但是由于夏季風為南海上方帶來了對流降雨和強烈的表面風，引起了強烈的水汽輸送[36]，導致到達海表面的短波輻射較少，進而導致南海DSST 的幅度在夏季反而不大。季風結束時間的前后浮動比建立時間偏小，通常不會超過4 候，因此從9 月開始，風速逐漸減小，南海上方的平均緯向風由西風逐漸重新轉為東風，隨著季風逐漸結束，南海DSST 在逐漸降低的過程中有回升現象。

圖6 1982—2019年南海季風爆發（a）和結束（b）的時間序列距平Fig.6 Time series anomalies of the onset(a)and the offset(b)of monsoon in the South China Sea during 1982—2019

2.3 日變化

南海區域SST 呈現顯著的日循環特征（見圖7），即平均在08 時（北京時，下同）左右達到一天中的谷值，而在16 時左右達到峰值，其中DJF 代表12月—次年2 月，MAM 代表3—5 月，JJA 代表6—8月，SON 代表9—11 月。SST 日循環還表征出季節差異性，春季DSST 相對劇烈，幅度最大，而冬季DSST相對穩定，幅度最小。

圖7 1982—2019年南海海表溫度日循環Fig.7 Diurnal cycle of sea surface temperature in the South China Sea during 1982—2019

為了探究影響南海區域SST 日變化的成因，分別分析了南海區域平均海表凈輻射通量日循環（見圖8）和海表風速日循環（見圖9）變化。

圖8 1982—2019年南海凈輻射通量日循環Fig.8 Daily cycle of net radiation flux over the South China Sea during 1982—2019

圖9 1982—2019年南海海表風速日循環Fig.9 Diurnal circulation of sea surface wind speed over the South China Sea from 1982 to 2019

南海區域平均海表凈輻射通量具有明顯的日變化特征。18 時—次日08 時海表一直向外散發熱量，08—18 時海表向內吸收熱量，且在每日14 時左右達到峰值，由于海洋的熱容較大，SST對凈輻射通量的響應存在1～2 h 的延遲。從日出開始，海表開始吸收來自太陽的短波輻射，來自外界的輻射持續對海表進行加熱，使SST 持續升高；午后，凈輻射通量達到一天中的最大值，隨后開始逐漸減小，但由于海表還未將吸收的熱量全部轉化為自身的熱能，故此時海表仍處于升溫狀態；隨著地球自轉導致的凈輻射通量逐漸減小，海表也開始隨之降溫；日落后短波輻射加熱消失，海面上的大氣持續凈熱損失使SST持續下降，夜間下降的幅度小于白天。

南海海面風速在一天中的變化較小，對SST 日循環的影響也相對較小。結合凈輻射通量日循環特征的季節變化來看，春季風速低、輻射強的特征再次得到證明，因此南海在春季具有最大的DSST；冬季的風速雖然與夏季相差不大，但凈輻射通量日變化比其他兩個季節小的多；秋季受季風轉向的影響，風速比夏季和冬季小，但比春季大得多。這表明風速對DSST 的影響是長期持續的，短期內很難有所體現。

圖10 統計了南海SST 到達每日峰值和谷值時間的空間分布。與海表凈輻射通量和海表風速日循環的結果一致，SST 的峰值出現在16 時左右，谷值出現在08 時左右。SST 的峰值與谷值在東西經向上都存在時間變化，西部到達每日峰值和谷值的時間比東部晚1 h 左右，這是由于地球自轉引起經度每15°相差1 h 導致的；南北緯向上的差異不是很明顯。由于大陸和海洋之間存在熱力差異，在由于短波輻射不足使得開闊海洋迅速作出響應并開始呈現降溫趨勢的同時，大陸仍在加熱近岸沿海處的海洋；早晨在開闊海洋已經開始吸收短波輻射而升溫時，大陸仍在吸收來自沿岸近海的熱量，因此沿岸近海SST到達峰值（谷值）的時間比開闊海洋要晚。

圖10 1982—2019年南海海表溫度到達日最大值（a）和最小值（b）的空間分布Fig.10 Spatial distribution of daily maximum(a)and minimum(b)sea surface temperature in the South China Sea during 1982—2019

3 結論與展望

本文利用國家海洋環境預報中心的高分辨率長時間逐時SST數據研究了南海區域SST日變化的時空分布特征，并使用與ECMWF 同時段的ERA5再分析數據探討了SST 日變化特征的影響因素。主要結論如下：

①南海DSST 平均為0.56 ℃，總體呈現南高北低的緯向分布特征，DSST 高于1.0 ℃的事件時有發生，但是高于1.5 ℃的事件則相對較少。

②南海海域的DSST 存在顯著的季節變化特征，通常在春季（4 月）達到峰值，而在冬季（12 月、1月）達到谷值。DSST 的季節變化主要受凈輻射通量日變化和海面風速的季節變化影響，其與前者的季節變化呈現一致性，而與后者的季節變化則相反。南海季風在DSST 的季節變化中也扮演著重要的角色。

③南海海域SST 具有顯著的日循環特征，平均在08 時左右達到一天中的谷值，而在16 時左右達到峰值。SST的日循環主要受海表凈輻射通量日循環的影響，海表風速的日循環對其影響相對較小。

本文僅從凈輻射通量日變化、海表風速和南海夏季風幾個方面研究了其對南海DSST 的影響。有研究表明其他影響因素諸如降水、云量、海水的渾濁度等[9，17-18]對DSST的影響效果雖然不如凈輻射和海表風速，但可能也是不可忽略的，未來將進一步深入開展此方面的研究。另外，除了DSST 的時空變化特征外，其長期趨勢及其對區域天氣和氣候的影響也是非常重要的問題，這些研究將在今后的工作中進一步開展，以便更全面地理解南海DSST 在區域天氣和氣候中的重要作用。