影响南海混合层盐度季节变化的因素分析

郭 敬,陈显尧,张远凌

(1.国家海洋局 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；2.海洋环境科学和数值模拟国家海洋局重点实验室，山东 青岛 266061)

盐度是海洋的重要物理参数之一，盐度的变化可以通过改变海洋中的流场，影响大洋的热量输送，进而影响全球气候变化。受到观测数据量的限制，关于盐度变化的研究仍主要集中在上层海洋和季节时间尺度上。Delcroix和Henin[1]指出影响上混合层盐度变化的主要因素是蒸发降水、水平平流和混合层底部的垂直混合。这三个影响因素对盐度季节变化的贡献率各不相同。Rao等[2]指出在北印度洋，不同季节控制盐度季节变化的主导因素是不同的：冬季主要由于表层顺时针环流将南部海区高盐水带入北印度洋导致混合层盐度上升，而在其他季节，由于降水增加和河流径流输入增加，盐度明显下降。Foltz等[3]指出影响北大西洋西部盐度变化的主导因素是水平平流，亚马逊河口的低盐水随西北向的海流入侵此区域，在春夏季节亚马逊河流量较大，导致北大西洋西部盐度下降，在秋冬季节亚马逊河流量较小，盐度上升；在北大西洋北部，北向的海流将低纬度低盐海水带入该海区，抵消了蒸发量大于降水量所引起的盐度上升，所以全年盐度变化很小；而在北大西洋南部，盐度的季节变化是由蒸发与降水量之差所控制，冬季蒸发大于降水，盐度上升，夏季反之。

影响南海盐度变化的主要因素在不同季节不尽相同。其中，冬季南海北部，受到北太平洋高盐水通过吕宋海峡入侵的影响，混合层盐度上升[4-7]，而夏季太平洋高盐水的入侵减少，同时降水量增加，导致混合层盐度明显下降[8]。在南海南部，由于观测数据比较匮乏，所以关于南部的研究主要依靠模式的结果。根据模式的结果显示：冬季在东北季风的控制下，南海西部沿岸会生成一支南向的西边界流，将南海北部的高盐水带入南部，导致南部盐度上升，夏季西边界流反向，高盐水流回北部，导致南部盐度降低[9-13]。以往关于南海盐度的工作分析了各因素对混合层盐度季节变化的影响机制，但没有对比各个影响因素贡献率的大小。本研究希望通过分析南海区域的EN3(quality controlled subsurface ocean temperature and salinity data)盐度数据和SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化数据，评估各影响因素对南海不同区域盐度季节变化的贡献，从而确定影响南海混合层盐度季节变化的主导因素。

1数据来源

由于南海盐度观测数据在空间上覆盖面积较小且在时间上不连续，所以本文采用的盐度数据是来自Met office的EN3客观分析数据，该数据包含了1950-2012年全球海洋温、盐月平均资料，水平分辨率为1°×1°。该数据是由观测数据合成的，主要包含了WOD05数据，1999年又加入了Argo数据，所以具有较高的可信度。

为研究盐度季节变化的影响因素，本文还用到以下数据：

1)蒸发数据。本文所用蒸发数据来自于美国伍兹霍尔海洋研究所客观分析海气通量项目提供的OAFlux数据集，该数据集包含了海气界面热通量以及相关的气象要素场。海面蒸发量是由OAFlux数据中的潜热通量数据换算而来，该数据为月平均资料，水平分辨率为1°×1°。

2)降水数据。降水数据采用美国NASA的全球降水气候学计划(GPCP)数据，包括逐日和逐月全球降水数据，本文选择逐月平均数据进行分析，该数据时间长度为1979-01-2010-12，水平分辨率为2.5°×2.5°。

3)海流数据。海流数据采用的是全球海洋资料同化分析系统提供的SODA海洋数据，该数据为月平均资料，覆盖时段为1950—2008年，水平分辨率为0.5°×0.5°。

4)混合层深度(MLD)数据。MLD数据由法国气候学与海洋动力学实验室(LODYC)提供，此数据为常年月平均数据，水平分辨率为2°×2°。

5)风场数据。风场数据采用QuikSCAT卫星数据，覆盖时段为1999-2009年，水平分辨率为0.5°×0.5°。

为了数据匹配，本文取各个数据时间上的共同区域2000-2008年进行分析，且为了方便研究，将南海区域所有数据插值为1°×1°。

2研究方法

混合层盐度的控制方程首先由Delcroix与Henin在1991年提出，后来经过了Foltz等人的改进[3]，最后得到：

(1)

3南海混合层盐度的季节变化

如图1所示，南海混合层盐度值由北向南递减，并且盐度的季节差异非常明显。在南海北部，海水盐度冬季最高，盐度值为33.8～34.4，夏季最低，盐度值为33.5～33.7。冬季，从吕宋海峡进入南海的高盐水舌向西延伸的势力最强，这条高盐水舌的西伸势力在春季开始减弱，到夏季达到最低，秋季又开始增强，但与春季相比，秋季的高盐水舌西伸势力要弱一些。在南海中部，盐度基本沿纬度呈带状分布，和南海北部不同的是，南海中部混合层盐度春季最高，盐度值为33.4～33.6，秋季最低，盐度值为33.0～33.3。在南海南部，盐度春季最高，盐度值为33.2～33.6，秋季最低，盐度值为32.8～33.0。在春季南海南部纳土纳群岛附近存在一个高盐中心，盐度为33.6～33.8，在夏季卡里马塔海峡附近海域出现一个低盐区，盐度在32.7以下。泰国湾全年海水盐度都比较低，但它不在本文研究范围内，所以不予讨论。

蒸发降水是控制混合层盐度季节变化的重要因素，然而通过对盐度季节变化率和蒸发降水进行相关性分析发现，二者的相关性随纬度变化存在显著的差异(图2)：南海10°N以北的区域，盐度的季节变化率与蒸发降水呈现正相关关系而且相关性较高，相关系数达到0.4以上；随着逐渐南移，二者的相关系数不断降低，到6°N以南的南海区域，盐度季节变化率与蒸发降水开始呈现负的相关性。因为存在这种差异，所以要研究影响南海混合层盐度季节变化率的因素，应该要分区域进行。

图1 1950-2012年南海各季节混合层海水月平均盐度分布Fig.1 Monthly mean salinity of mixed layers in different seasons from 1950-2012 in the SCS

图2 南海各个纬度混合层盐度∂S/∂t与E-P的相关性Fig.2 The correlation between ∂S/∂t and E-P at different latitudes in the SCS

图3 南海混合层盐度的标准差以及区域划分Fig.3 The standard deviation of mixed layer salinity and regional divisions

根据盐度季节变化率和蒸发降水表现出的相关性差异，用16°N，10°N和6°N纬线将南海海域划分为四个区域，由北到南分别命名为A，B，C，D区域(图3)。区域A对应着台湾海峡与吕宋海峡，区域B对应着民都洛海峡，区域C对应着巴拉巴克海峡，区域D对应着卡里马塔海峡。由图3和图4可知，南海混合层盐度的季节差异由北向南逐渐增大，这与蒸发降水季节差异的分布(由北向南不断减小)是不吻合的。综上可知，蒸发降水不能完全解释南海混合层盐度的季节变化。

4结果分析

由盐度的控制方程(1)可知，影响混合层盐度变化的主要因素可以分为外部强迫(蒸发降水引起的海面淡水通量)和内部调整(水平平流和混合层底垂直混合)两部分。蒸发降水控制着海面的净淡水通量(图5)，降水量大于蒸发量时，淡水进入混合层使混合层海水盐度下降，反之，盐度升高。水平平流(图6)会将性质不同的水团带入区域内，改变区域内海水的温盐。垂直混合则会使上层低盐海水与下层高盐海水之间产生对流，使上层海水盐度升高。风应力旋度的正负决定了穿越混合层底Ekman垂向抽吸的方向[14]。风应力旋度为正代表该区域存在上升流，为负代表下降流(图7)。上升流会将混合层下层的高盐海水带到混合层，从而使混合层海水盐度升高。

图5 南海平均E-P分布以及风场图Fig.5 The monthly mean of E-P and wind field in the SCS

图6 南海月平均混合层深度和海洋上层流场图Fig.6 The monthly mean depth of mixed layers and the near-surface current field in the SCS

图7 南海月平均的风应力旋度Fig.7 Monthly mean of wind stress curl in the SCS

根据盐度控制方程分别求出蒸发降水、水平平流纬向分量、经向分量和垂直混合可导致的混合层盐度变化率。在区域A中(图9)，影响混合层盐度季节变化的最主要因素为蒸发降水，其次为水平平流的纬向分量。在冬季，区域A降水较少，同时受东北季风影响，海面蒸发大，蒸发量大于降水量(图5)，导致混合层海水盐度升高，而且冬季北太平洋上层海水通过吕宋海峡大量侵入南海(图6和8),给区域A带来大量高盐水，导致区域A海水盐度在冬季达到全年最大值；在春季，随着ITCZ(热带辐合带)的北移，区域A的降水量急剧增加，尤其是中国沿海区域，降水量远大于蒸发量，大量淡水进入混合层使得混合层盐度明显下降，虽然在吕宋海峡处仍有北太平洋高盐水入侵南海，但降水导致的盐度下降率大于平流引起的盐度上升率，所以在春季，区域A的盐度开始下降；在夏季，区域A降水量达到最大值，同时在夏季西南季风的影响下，吕宋海峡处北太平洋高盐水入侵南海在夏季最弱，并且在南海西部沿岸出现一支北向的西边界流，这支西边界流到达我国沿岸时转而向东北方向流动，最后经台湾海峡流出。西边界流给区域A带来大量低纬度的低盐水，降水和平流共同作用导致区域A海水盐度在夏季达到全年最小值；在秋季，区域A降水量变少，降水量小于蒸发量，并且秋季是夏季风转为冬季风的时期，东北风有利于北太平洋高盐水入侵南海，区域A海水盐度开始升高。

正值表示流入南海，负值为流出南海，实线表示纬向方向，虚线表示经向方向

图9 不同影响因子导致的区域A混合层盐度变化率以及它们的总和与盐度变化率实测值的对比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

图10 不同影响因子导致的区域B混合层盐度变化率以及它们的总和与盐度变化率实测值的对比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，海洋表层海水由于失热温度降低，密度变大，冷重的表层海水下沉，相对温度较高的下层海水上升至表面，继续失热下沉，周而复始导致对流加强，混合层变厚，下层高盐海水进入混合层(图7)，导致混合层内海水盐度升高；在夏季区域A风应力旋度为正，代表混合层底存在上升流，将下层高盐海水带入混合层，导致盐度升高。与蒸发降水与平流对盐度变化的作用相比，垂直混合的作用较小。

在区域B中(图10)，影响混合层盐度季节变化的最主要因素为蒸发降水，其次为水平平流。区域B盐度季节变化的原因与区域A类似：冬季受降水减少和民都洛海峡侵入的苏禄海高盐海水影响，混合层海水盐度升高；夏季由于降水增加和季风影响，盐度下降。区域B的垂直混合作用在冬季和夏季对盐度的影响都是使之升高。

但区域B与区域A存在明显差异：和区域A相比，区域B蒸发降水对盐度季节变化的作用变小，而水平平流的作用开始变大；在春季，区域B海面蒸发量大于降水量，并且苏禄海高盐水通过民都洛海峡侵入南海，导致盐度变化率为正，盐度继续升高，所以区域B盐度在春季达到全年最大值；在秋季，降水量大于蒸发量，并且在秋冬两季南海海盆被气旋式环流所控制，区域b除西部沿岸的西边界流为南向外，其他大部分区域的水平平流经向分量都是北向的，从而给区域B带来低纬度的低盐海水，虽然垂直混合作用和由民都洛海峡入侵的苏禄海高盐海水会使区域B盐度升高，但是总体盐度下降率大于盐度上升率，结果导致区域B混合层海水盐度在秋季继续降低达到全年最小值。

区域C(图11)全年降水量都比较充沛，除冬季和春季几个月份蒸发量略大于降水量外，其他月份蒸发量均远小于降水量。E-P已不能主导盐度的季节变化，水平平流的纬向分量成为影响该区域盐度季节变化的最主要因素。在冬季和春季，海面蒸发量大于降水量，且苏禄海高盐水通过巴拉巴克海峡侵入南海，导致区域C海水盐度持续升高并在春季达到全年最大值。在夏季和秋季，海面降水量大于蒸发量，同时受西南季风影响，低纬度海水向北流动在越南沿岸转向东北方向，给区域C带来大量低盐海水。上层海水在东南向的Ekman水平输运下，水体在南海东南部堆积，导致混合层加厚[15]，使混合层内盐度升高。但降水和水平平流引起的盐度下降率大于垂直混合引起的盐度上升率，所以在夏秋季节区域C混合层海水盐度持续下降并在秋季达到全年最小值。

图11 不同影响因子导致的区域C混合层盐度变化率以及它们的总和与盐度变化率实测值的对比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

图12 不同影响因子导致的区域D混合层盐度变化率以及它们的总和与盐度变化率实测值的对比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

在区域D中(图12)，影响盐度季节变化的最主要因素是水平平流的经向分量，蒸发降水对盐度季节变化起阻碍作用。在冬季和春季，南海西边界流流入区域D，带来大量高盐水。虽然海面降水量大于蒸发量，但是平流引起的盐度上升率大于降水引起的盐度下降率，所以区域D的海水盐度持续上升并在春季达到全年最大值；夏季在西南季风的影响下，低纬度海水通过卡里马塔海峡大量侵入区域D，给区域D带来大量低盐海水，使海水盐度下降；在秋季，冬季风开始形成，南海西部沿岸又开始出现南向的西边界流给区域D带来高盐水，但由于降水量较大，降水引起的盐度下降率大于平流引起的盐度上升率，所以，在秋季，区域D海水盐度继续下降达到全年最小值。

5 结 语

本文通过分析南海区域的EN3盐度数据和SODA同化数据等资料，评估了各影响因素对南海不同区域盐度季节变化的贡献率，发现在南海北部和南部，影响混合层盐度季节变化的主导因素存在很大差异。在南海北部，混合层盐度的季节变化主要受蒸发降水和水平平流影响，其中蒸发降水占主导地位；随着逐步南移，蒸发降水的影响递减，水平平流的影响递增，而在南海南部，水平平流的作用超过蒸发降水成为影响盐度季节变化的主导因素。

目前的工作仅为南海混合层盐度研究的一个初步结果，随着观测资料的增加，将会对南海混合层盐度的变化规律和影响因素有更深入的认识。

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