李 娟,左軍成,李艷芳,張 蓓,陳嫣紅

(1.河海大學(xué)物理海洋研究所,江蘇南京 210098;2.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院,山東青島 266100)

海表溫度不僅是用于描述海洋表層熱狀況的主要指標(biāo),其異常還是海洋影響大氣環(huán)流和氣候變化的重要因子.在海氣相互作用研究中,海表溫度一直是人們觀測、研究和預(yù)報的重要對象.作為太平洋的西邊界以及與人類生活的陸地緊密相連的邊緣海,南海海表溫度的長期變化頗受關(guān)注[1].

南海是位于熱帶的一個半封閉深水海盆,是典型的季風(fēng)區(qū),季風(fēng)決定著南海環(huán)流的基本狀況,從而影響南海海表溫度的變化規(guī)律和空間分布.大氣主要通過風(fēng)應(yīng)力向南海提供動量,從而影響和驅(qū)動南海上層海洋環(huán)流.上混合層海水充分混合近乎均勻,因此,海表溫度可以很好地表征上混合層溫度[2-3].隨著全球氣候變暖,海洋平均溫度也逐漸升高,1961—2003年期間全球上層700 m平均升溫0.1℃[4].在太平洋,氣候變暖導(dǎo)致了厄爾尼諾事件從20世紀(jì)70年代末開始特征顯著改變,周期變長、強(qiáng)度增大[5-6],使得海表升溫更為突出.南海中部的海表溫度與南方濤動指數(shù)(SOI)和厄爾尼諾指數(shù)(MEI)有較好的相關(guān)性[7-8],南海季風(fēng)與海表溫度有著較好的相關(guān)性[9].Ashok等[10]提出了一種新的太平洋海溫異常的分布形式,其特點為中太平洋海溫異常偏高,而西、東太平洋海溫異常偏低,呈現(xiàn)出“三級型”的海溫分布特點,稱之為El Ni～no Modoki.El Ni～no Modoki對南海海表溫度的影響目前尚未見到相關(guān)文獻(xiàn).

關(guān)于大洋海表溫度變化的研究已取得很多成果,但南海海表溫度的低頻變化及其影響因素的研究成果還不夠理想,尤其是還沒有文章涉及EI Ni～no Modoki對南海海表溫度的影響.本文利用HadISST1海表溫度資料,對南海海表溫度場時空特征和年際、年代際變化進(jìn)行研究,并探討厄爾尼諾(Ni～no3)、太平洋年代際振蕩(PDO)和表面風(fēng)對南海海表溫度場的影響,以及EI Ni～no Modoki對南海海表溫度的影響.

1 資料及分析方法

本文使用的海表溫度數(shù)據(jù)來源于Met Office Hadley Centre的全球月均海表溫度資料(HadISST1)[11],覆蓋全球,空間分辨率為 1°×1°,選取的時段是1953—2010;表面風(fēng)場來源于NCEP/NCAR的再分析月均資料,空間分辨率是2.5°×2.5°,時段為 1950—2010年 ;海域范圍為(0°N ～ 25°N,100°E ～ 125°E).

El Ni～no Modoki指數(shù)(IEMI)[9]由下式計算:

式中,T為區(qū)域平均海表溫度異常值,CP代表的海域為 (165°E～140°W,145°E,10°S～20°N),WP代表的海域為(125°E ～145°E,10°S ～ 20°N),EP 代表的海域為 (110°W～ 70°W,15°S～ 5°N).

本文利用經(jīng)驗正交函數(shù)分解法(EOF)分析南海海表溫度異常場的時空變化特征,運用隨機(jī)動態(tài)分析方法[12]分析南海海表溫度的變化周期和長期變化趨勢,根據(jù)相關(guān)分析探討南海海表溫度與表面風(fēng)場的關(guān)系.

2 結(jié)果和討論

2.1 南海海表溫度的時空變化特征

南海海表溫度變化幅度存在較大的空間差異,由南向北逐漸增大,臺灣海峽和北部灣是變化最劇烈的海域,最小值出現(xiàn)在南海東南部海域(圖1(a)).1950—2010年的61a南海各個海域海表溫度都存在不同程度的上升趨勢(圖1(b)):南海中部和臺灣海峽是上升最快的海域;北部灣、泰國灣及巴拉望海峽以東海域上升速率較小.

圖1 1950—2010年南海海表溫度的均方差分布及變化趨勢Fig.1 Mean square deviation distribution and change trend of SST in SCS from 1950 to 2010

南海海表溫度具有顯著的季節(jié)變化特征,該季節(jié)變化疊加在顯著的上升趨勢之上(圖2).利用隨機(jī)動態(tài)分析方法[12]分析得到1950—2010年南海海表溫度上升速率為0.014℃/a,1950—2010年間,整個南海平均海表溫度增加了0.84℃,與蔡榕碩等[13]研究南海海表溫度得到的結(jié)論一致.圖3為南海平均海表溫度距平3a低通濾波信號.由圖3可以看出,南?？臻g平均海表溫度明顯受大氣和海洋變化的影響,大致以1975年為界,海表溫度出現(xiàn)了一次顯著的躍變.在1975年前的幾十年中,海表溫度基本上呈微弱的下降趨勢;躍變之后,月平均海表溫度一直保持在相對較高的數(shù)值(圖2),并且有非常顯著的持續(xù)升高趨勢[14].從圖2可以看出,1967年、1973年、1988年和1998年的年較差和年極值都很大,也恰好對應(yīng)著幾次典型的EI Ni～no年(圖4(a)).

圖2 1950—2010年月均海表溫度距平Fig.2 Monthly average SST anomaly from 1950 to2010

圖3 月均海表溫度距平3a低通濾波信號Fig.3 Monthly average SST anomaly after three-year low pass filter

圖4 1950—2011年 Ni～no3指數(shù)和EI Ni～no Modoki指數(shù)Fig.4 N i～no3 index and EI Ni～no M odoki index from 1950 to2010

對南海月均海表溫度距平時間序列進(jìn)行功率譜分析發(fā)現(xiàn),南海平均海表溫度具有顯著的年周期、半年周期和25個月周期信號,其中年周期是主要周期信號(圖5).

厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)已被認(rèn)為是海洋和大氣年際變化的最主要信號,它的發(fā)生、發(fā)展會帶來全球性海洋、氣候的異常并造成嚴(yán)重災(zāi)害,進(jìn)而影響區(qū)域海洋各種要素的年際變化.PDO作為一種年代到年代際時間尺度上的氣候變率強(qiáng)信號,既是疊加在長期氣候趨勢變化上的擾動,可直接造成太平洋及其周邊地區(qū)(包括東亞地區(qū))氣候的年代際變化,又是年際變率的重要背景,對東亞氣候系統(tǒng)年際變化(如ENSO年際變化頻率和強(qiáng)度及其影響)具有重要的調(diào)節(jié)作用,使得東亞季風(fēng)降水年際變化復(fù)雜化.

由于原始的南海海表溫度距平的時間序列中含有很強(qiáng)的季節(jié)信號及上升趨勢,本文去掉趨勢項和年信號及半年信號的殘差序列與EI Ni～no和PDO信號進(jìn)行比較,尋找南海海表溫度年際變化與EI Ni～no和PDO的聯(lián)系.圖6為南海海表溫度距平和Ni～no3指數(shù)及PDO指數(shù)的過程曲線.從圖6可以看出,南海海表溫度距平與EI Ni～no和PDO存在著顯著的相關(guān)關(guān)系:海表溫度距平與Ni～no3指數(shù)和PDO指數(shù)存在明顯的正相位相關(guān)關(guān)系,海表溫度距平滯后EI Ni～no和PDO 7個月達(dá)到最大相關(guān),最大相關(guān)系數(shù)達(dá)0.65.當(dāng)EI Ni～no和PDO正相位比較強(qiáng)時,南海海表溫度表現(xiàn)為較高值;EI Ni～no和PDO負(fù)相位比較強(qiáng)時,南海海表溫度表現(xiàn)為較低值.當(dāng)這種低頻的高值或低值恰好與海表溫度高頻變化的極值相遇,則會出現(xiàn)更顯著的海表溫度極值.

圖5 月均海表溫度異常的功率譜分析Fig.5 Power spectrum of monthly average SST anomaly

2.2 南海海表溫度的模態(tài)

應(yīng)用EOF分析南海海表溫度異常,得到前4個模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別為64.8%,8.1%,6.9%和3.3%,前2個模態(tài)共概括了73.9%的信息,本文主要分析前2個模態(tài)的時空變化特征.

2.2.1 第1模態(tài)的時空特征

第1模態(tài)的空間分布在整個南海相位一致(圖7),南海中部(10°N ～15°N)和臺灣海峽(23°N ～25°N)是2個最大正值中心,低值區(qū)位于南海東南部海域(0～6°N).功率譜分析結(jié)果表明,第1模態(tài)時間系數(shù)具有顯著的準(zhǔn)2年和3.7a變化周期,經(jīng)過10a低通濾波后的主要周期是21a.由此可見,第1模態(tài)時間系數(shù)具有明顯的年際和年代際變化特征,與Ni～no3指數(shù)正相關(guān),海表溫度滯后El Ni～no 6個月達(dá)到最大相關(guān),最大相關(guān)系數(shù)為0.72.海表溫度大的正值出現(xiàn)在El Ni～no事件的當(dāng)年或次年;大的負(fù)值則出現(xiàn)在La Ni～no事件的當(dāng)年或次年.結(jié)合第1模態(tài)的空間分布可見,南海海表溫度在El Ni～no事件的當(dāng)年或次年升高,而在La Ni～no事件的當(dāng)年或次年則降低.

圖6 南海月均海表溫度殘差和Ni～no3,PDO指數(shù)Fig.6 Time series of month ly average SST residuals,Ni～no3 index and PDO index in SCS

2.2.2 第2模態(tài)的時空特征

第2模態(tài)的空間分布和時間系數(shù)與第1模態(tài)完全不同(圖8),主要負(fù)值區(qū)在臺灣海峽、呂宋海峽、巴拉望海峽的以東海域,全海域的最大負(fù)值區(qū)位于南海東北部臺灣海峽附近海域.南海的中部及西南海域為正值區(qū),正值區(qū)占據(jù)南海的大部分,最大正值中心位于泰國灣的外海海域(8°N ～12°N,103°E ～107°E).南海的海表溫度異常場還存在東南—西北向的反位相振蕩,其振蕩周期以季節(jié)變化為主,時間系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的年際變化和年代際變化特征.

圖7 南海海表溫度異常EOF分解第1模態(tài)的空間分布和時間系數(shù)、Ni～no3指數(shù)Fig.7 Spatial distribution,time coefficient,and Ni～no3 index of first EOF mode for SST anomaly in SCS

2.3 南海海表溫度季節(jié)變化與表面風(fēng)場的關(guān)系

利用HadISST1最優(yōu)插值海表溫度資料和NCEP/NCAR表面風(fēng)資料來研究南海海表溫度和表面風(fēng)的氣候態(tài)分布,進(jìn)而分析表面風(fēng)場對南海海表溫度的影響.由圖8可見,秋、冬、春季南海海表溫度呈南高北低分布型:(a)溫度由西北向東南逐漸升高,巴拉望島至加里曼丹島西海岸附近海表溫度全年高于28.5℃;(b)溫度由南向北逐漸降低,全年30℃以上的高溫暖水僅局限于菲律賓以西海域(10°N ～20°N,115°E～120°E).夏季海表溫度在越南沿岸有一冷中心,原因是南部反氣旋和北部氣旋環(huán)流之間強(qiáng)的向東輸送越南沿岸上升的冷水離岸[15].南海海表溫度分布存在明顯的季節(jié)變化,其中表層水溫主要取決于海面浮力通量.菲律賓以西海域海表溫度常年高于28℃,可稱為高溫暖水,暖水形成的機(jī)制主要是春季南海中部的反氣旋式風(fēng)場導(dǎo)致的下沉氣流可抑制海面蒸發(fā),增加海面吸收的太陽輻射,還可在海洋中產(chǎn)生反氣旋式環(huán)流,使表層暖水向環(huán)流中心集結(jié),抑制了上升流,從而抑制了海水垂直混合,這些都有利于海表溫度的迅速升高[16].

圖8 南海海表溫度異常場EOF分解第2模態(tài)的空間分布及其時間系數(shù)Fig.8 Spatial distribution and time coefficient of second EOF mode for SST anomaly in SCS

南海海表溫度的季節(jié)變化主要受太陽高度角、海面盛行風(fēng)、海氣界面熱通量、海流分布、與鄰近海域的水交換以及陸地徑流等熱力學(xué)、動力學(xué)因素制約[17-18].本文著重從表面風(fēng)場這一動力因素對南海海表溫度的影響進(jìn)行分析.結(jié)合本文的分析可知:冬季風(fēng)來自中緯度大陸地區(qū),使得南海上空盛行干冷的偏北風(fēng);而夏季風(fēng)則來自于熱帶海洋,導(dǎo)致南海上空盛行暖濕的偏南風(fēng).通過海氣界面熱量和動量的直接交換,冬、夏季低空氣流性質(zhì)和流向的季節(jié)轉(zhuǎn)換必然影響南海海表溫度季節(jié)性區(qū)域特征(圖9).夏季南海海表溫度年際變化最大的區(qū)域位于南海中部,對應(yīng)著夏季南海冷絲.該冷水區(qū)主要是由夏季西南季風(fēng)在越南沿岸引起的上升流導(dǎo)致的[19].可見,南海夏季具有越南沿岸冷中心的現(xiàn)象,是季風(fēng)驅(qū)動下WBC對溫度的平流作用所致.越南冷渦對應(yīng)越南沿岸上升流,冷水中心在12°N～13°N之間,它的生命僅3個月(6～8月),平均水平寬度約3個經(jīng)度,這在夏季海洋上層溫度場上有明顯體現(xiàn)[20-21].

2.4 EI Ni～no Modoki對南海海表溫度的影響

EI Ni～no Modoki是Ashok等[10]在2007年提出的一種新的太平洋海溫異常的分布形式,與EI Ni～no年東太平洋海溫偏暖、西太平洋海溫偏冷的偶極型海溫分布不同.本文對EI Ni～no Modoki對南海海表溫度年際變化的影響進(jìn)行探討.

去除南海海表溫度的年信號、半年信號及趨勢項的殘差序列與EI Ni～no Modoki進(jìn)行比較,分析可知,在1972—2010年間,EI Ni～no Modoki與南海海表溫度存在明顯的反相位關(guān)系.EI Ni～no Modoki負(fù)相位信號比較強(qiáng)時,南海海表溫度提前8個月表現(xiàn)為較大值(圖10).EI Ni～no Modoki事件(1994年,2002年,2004年)發(fā)生期間,南海海表溫度呈現(xiàn)微弱的下降趨勢;發(fā)生時中太平洋海溫異常偏高,而西、東太平洋海溫異常偏低,呈現(xiàn)出“三級型”的海溫分布特點[8].西太平洋偏冷的海水通過巴拉望海峽傳到南海,同時大氣環(huán)流異常也會影響南海海表溫度的變化,導(dǎo)致南海海表溫度在EI Ni～no Modoki事件的當(dāng)年和次年溫度偏低.

圖9 南海氣候態(tài)的季節(jié)海表溫度場和表面風(fēng)場Fig.9 Climatic state season SST and surface wind field in SCS

圖10 1950—2010年南海月均海表溫度殘差與El Ni～no Modoki指數(shù)Fig.10 Time series of monthly average SST residuals and El Ni～no Modoki index from 1950 to 2010

從圖11可以看出,南海大部分海域的海表溫度2004年1月比2005年1月偏高,而2004年4月比2005年4月偏低,可推測El Ni～no Modoki事件發(fā)生在2004年春季,消亡在2005冬季.El Ni～no Modoki年南海中部和泰國灣的海表溫度下降最明顯,而蘇祿海和蘇拉威西海的海表溫度有所升高,呂宋海峽和臺灣海峽附近海域的海表溫度基本不變.El Ni～no Modoki年南海海表溫度下降的原因可能由于El Ni～no Modoki通過遙相關(guān)導(dǎo)致南海上空的大氣環(huán)流異常,異常的大氣環(huán)流和西太平洋西傳的片冷水共同影響南海海表溫度的變化.

圖11 南海海表溫度場在2004—2005年El Ni～no Modoki事件發(fā)生期間的演變過程Fig.11 Evolution process of SST field in El N i～no Modoki event during 2004 to 2005 in South China Sea

3 結(jié) 語

a.南海海表溫度存在顯著的季節(jié)、年際、年代際變化,1975年左右發(fā)生1次由低到高的躍變.1950—2010年間南海海表溫度具有顯著的線性上升趨勢,平均上升速率0.014℃/a,61a共升高了0.84℃.

b.南海海表溫度異常場分別存在著全海域同位相振蕩和東南—西北向反位相振蕩2個模態(tài),前者是主要模態(tài),以年際振蕩為主,而后者則是次要模態(tài),以季節(jié)振蕩為主.

c.南海海表溫度在秋、冬、春季呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的特征,夏季在越南沿岸有一冷中心.南海海表溫度的季節(jié)變化有顯著的空間差異,受季風(fēng)影響顯著,冬、夏季表面風(fēng)場的季節(jié)轉(zhuǎn)換影響了南海海表溫度季節(jié)性區(qū)域特征.

d.El Ni～no Modoki事件發(fā)生時,南海中部和泰國灣的海表溫度下降最明顯,而蘇祿海和蘇拉威西海的海表溫度有所升高.導(dǎo)致南海海表溫度下降的原因可能是由于西太平洋的偏冷水通過巴拉望海峽傳到南海,同時大氣環(huán)流也發(fā)生了異常.

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