吕宋海峡西侧海域混合层盐度低频变化特征分析

沈 华

（1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

盐度是海水含盐量的一个标度，是海水的重要特性之一，其分布与变化和海洋中发生的许多现象和过程密切相关，同时，盐度对海洋的热力和动力过程有着非常重要的影响。因此，对海水盐度的分布及变化规律的了解有利于更深入地理解海洋系统及海气相互作用过程。

目前，关于南海海域盐度变化的研究，主要从季节变化、年际变化及年代际变化3个方面展开。南海属于东亚季风区，受季风影响强，以致季节变化最为显著。随着夏季风的建立，南海北部和东部的盐度降低，南部的盐度增加［1］。在南海北部，由于西太平洋高盐水的输入，季节变化相对较小；而在南部，由于受季风转换的影响较大，季节变化相对比较明显。此外，南海存在多个高盐中心，其中主要的1个出现在南越南湾，存在的时间能跨越整个上半年，并在2、3、4月份达到最强，中心盐度在34.7以上［2］。WYRTKI［3］利用1950—1955年的观测资料首次绘制了南海夏季和冬季表层盐度的分布图，发现冬季有一支高盐水舌从吕宋海峡进入，并沿着大陆架一直延伸到越南南部；夏季该高盐水舌减弱，同时越南南部有一支低盐水舌向南海中部延伸。谢华伟［4］利用 WOA01的资料分析了加里曼丹岛周边的低盐水团的季节变化，其中西北侧的低盐水其中心位置基本保持在拉让河河口位置，仅在8—9月及12—翌年1月会向东北偏移；他还进一步指出，低盐水冬季影响面积大，夏季至秋季影响面积小，且在2—3月和9—10月会发生2次盐度降低的过程。

在南海盐度的年际变化方面，谢华伟［4］利用19502005年的OFES模式资料发现加里曼丹岛西北部水域盐度的年际变化存在2～5a的周期信号；进一步研究发现，净淡水通量与垂向运动对该地区盐度的年际变化较为重要，而径流的变化关系不大，同时ENSO事件对低盐水也有着极其重要的影响。

在年代际变化方面，南峰［5］利用1990—2010年的WOD以及Argo观测资料，绘制了吕宋口附近海域的T－S曲线和散点随时间变化的分布图，发现2000年后黑潮入侵有减弱的趋势，随之而来的，吕宋口西侧海域的盐度呈下降趋势。

吕宋海峡位于中国台湾岛和菲律宾吕宋岛之间，是南海与西北太平洋水体交换的主要通道，因此，吕宋海峡盐度的变化一直是学术界十分关心的问题之一。邱春华 等［6］利用SODA资料分析了年际尺度上黑潮和吕宋海峡盐度的关系，指出南海北部深水海域的盐度场受黑潮的影响较大，在黑潮流量大的年份吕宋海峡处盐度值较低，反之，在黑潮流量小的年份吕宋海峡处盐度值较高。但黑潮与南海盐度低频变化特征的联系仍不清楚。因此，本文采用了时间比较长的WOD09剖面观测资料以及Argo资料分析南海盐度的低频信号，进而利用混合层盐度平衡方程研究了吕宋海峡西侧海域上层盐度低频变化特征的形成机理。

1 数据与方法

1.1 数据

本文所用的WOD09剖面温、盐资料来自NODC（National Oceanographic Data Center，http：//www.nodc.noaa.gov／OC5／SELECT／－dbsearch／dbsearch.html），时间范围为1984—2010年，空间范围为整个南海海域（0°～25°N，100°～125°E）。由于该资料为散点剖面观测，需要先剔除大于3倍标准方差的数据和明显的奇异值以进行质量控制。该资料的盐度误差范围为－0.016±0.006。

Argo剖面温、盐资料来自中国Argo实时资料中心（http：//www.argo.org.cn／index.html），时间范围为2005—2010年，空间范围覆盖整个南海海区。

为匹配各种资料，将以上2种资料整合后，利用反距离加权插值方法，内插到经纬度1°×1°的网格上并通过空间高斯滤波进行平滑，深度则内插到标准层上（0，10，20，30，50，75，100，125，150，200，250，300，400，500，600，700，800，900，1 000，1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，1 750，2 000，2 500，3 000，3 500，4 0004 5005 000和5 500m 以上2种均为实测资料，具有较高的可靠性。

计算混合层深度和盐通量所使用的SODA（Simple Ocean Data Assimilation）资料为来自美国德州农工大学SODA 数据网站（http：//soda.tamu.edu／assim／）的月平均资料，该资料由同化分析系统产生。该同化分析系统采用随机连续估计理论和质量控制方法，如卡尔曼滤波、临近点检验法、四维变分方法等多种方法来减小误差，以保证资料的准确度、可用性和可靠性［7］。空间分辨率为经纬度1°×1°，时间范围为1984—2010年，空间范围为0°～25°N，100°～125°E。

降水资料来自GPCP（Global Precipitation Climatology Project）［8］的网格化逐月平均数据，空间分辨率为经纬度2.5°×2.5°，为匹配其他资料将其插值到经纬度1°×1°的网格上。时间范围为1984—2010年，空间范围为0°～25°N，100°～125°E。

蒸发资料来自 WHOI（Woods Hole Oceanographic Institution）的逐月平均数据，空间分辨率为经纬度1°×1°。时间范围为1984—2010年，空间范围为0°～25°N，100°～125°E。

流场资料采用日本地球模拟器中心的OFES（O－cean General Circulation Model for Earth Simulator）模式结果产品。OFES模式是基于MOM3模式，为提高准确度和可靠性，动量的水平混合采取一个阻尼可变的双谐算子，以控制水平网格间的计算误差［9］。该资料覆盖了全球75°S～75°N的范围，水平网格分辨率为经纬度0.1°×0.1°，为匹配其他资料将其插值到经纬度1°×1°的网格上。本文采取的资料为以气候性平均的NCEP风场作为驱使风场，模式运行50a后取1984—2010年整个南海海域的月平均数据作为气候态下的资料，用于分析平流项的年际变化。

1.2 计算方法

本文使用混合层盐度平衡方程对盐度变化进行诊断，该方程定义如下［10］：

式中：E为蒸发量；P为降水量；S为混合层的盐度；hm为混合层深度；u代表混合层的流矢量；ΔS表示混合层的盐度与混合层底的盐度之差（S－S－h）；H是海维塞单位函数，当we＜0时，H（we）＝0，否则H（we）＝1；we表示卷夹速度，可用下式表示：式（1 表示混合层内盐度的变化，其主要受到3方面的影响：

（1）混合层表面的净淡水通量，由式（1）右边第1项表示。这部分主要受到海洋表层的降水以及蒸发作用的影响，与水循环有关；在近岸河口附近海域，径流量也要纳入净淡水通量的计算之中。

（2）平流引起的盐度变化，由式（1）右边第2项表示。由于海洋中不同区域的盐度存在差异，平流会将其他海域的淡水或咸水带入，从而影响当地的海水盐度。

（3）混合层深度的变化带来的卷夹效应，由式（1）右边第3项表示。混合层底与下层跃层水体之间的界面变化引起混合层盐度的变化，即卷夹作用。当混合层加深时，盐度普遍相对较高的原界面下层的水体会与原混合层水体混合，使混合层盐度升高；当混合层变浅时，该水体不与混合层的水体进行混合，故混合层的盐度不会发生变化。

由盐度控制方程可看出，影响混合层盐度变化的主要因素可分为内部调整（水平以及垂直平流）和外部强迫（降水、蒸发和径流构成的海面净淡水通量）两个部分。公式中的不同项对于盐度平衡都有着各自的影响周期，并且在不同海域各项的影响程度也不同。蒸发降水强的区域或河口附近海域，蒸发降水或径流处于主导地位，剧烈影响盐度的变化；而流速比较大的海域，会形成较强的盐度梯度，在小规模范围内会形成明显的结构分化；在接近赤道或近岸上升流强烈的区域，卷夹作用也会对局地的盐度造成较大的影响；当盐度层化非常强烈的时候，混合层底部的垂向混合就会起到十分重要的作用，抵消由于河口附近的径流和陆架上平流造成的盐度降低。

式（1）计算中需要对整个盐度混合层进行积分，所以需要先计算出混合层深度（MLD），确定盐度混合的深度从而进行定量分析。本文使用由盐度变化场定义的混合层深度，利用状态方程计算得到密度场，进而得到混合层深度，反映表层盐度的混合程度。在实际定义中对于不同的海域，混合层阀值的选取有不同的定义。本文采用的阀值定义及求解过程参照文献 ［11］中使用的方法进行计算：

（1）由SODA温、盐资料利用UNESCO1981海洋状态方程算得密度场；

（2）将10m层的密度σ10作为起始参考层；

（3）计算阀值Δσ值，阀值定义：相对参考层（10m）温度低0.5℃处所算得的位密（P＝0），该值与10m层的位密之差，即：

（4）得到σT－0.5＝σ10＋Δσ，σT－0.5所在的深度即为混合层的深度D。

此外，趋势系数Rxt可以用下式计算［12］：

式中：｛xi｝为需要计算趋势系数的时间序列，为｛xi｝的均值，n为｛xi｝的个数，＝ （n＋1）／2。Rxt为正值（负值），则表示｛xi｝的线性趋势是上升（下降）的。

2 盐度变化特征与分析

2.1 南海盐度数据量分布

图1为南海东北部（其它海域的数据个数不足150个，故不显示）1929—2011年间经纬度1°×1°网格混合层深度内WOD09和Argo盐度观测数据量分布。由图可知，数据多分布在SW—NE走向的斜线上，这主要是由于该线为南海最主要的航线；在南海内部主要分布在吕宋海峡及两侧海域。基于以上观测数据分布情况以及研究吕宋海峡盐度在深入了解黑潮与南海的水交换中的重要性，本文将着重研究吕宋海峡西侧海域（18.5°～21.5°N ，117.5°～120.5°E）混合层盐度的低频变化特征及机理，该区域内共包含了871个Argo剖面观测数据，网格化后的盐度数据均大于250个，最大为416个，平均为327个。

图1 南海混合层内WOD09和Argo盐度数据量分布（单位：个）Fig.1 Spatial distribution of WOD09and Argo salinity data in mixed layer of South China Sea（Unit：number）

2.2 吕宋海峡西侧海域混合层盐度低频变化特征

图2为1984—2010年吕宋海峡西侧海域混合层盐度的线性变化趋势。区域内的盐度整体上都呈下降趋势，其中北部下降最多，能达到0.030／a，西南部下降最少，仅为0.010／a。

图2 1984—2010年吕宋海峡西侧海域混合层盐度线性变化趋势的空间分布Fig.2 Spatial distribution of the trend of mixed layer salinity at the western Luzon Strait during 1984－2010

为了直观地了解吕宋海峡西侧海域混合层盐度的长期变化趋势特征，分析了区域平均混合层盐度的异常变化，本文关注的是低频变化特征，故2a以下周期的高频变化已通过高斯滤波方法去除。观测数据在时间上较为连续，中间有少量的缺测（占总数的11.5%），采用内插法将这些数据补全（图3中的灰色柱）。经统计，1999年后四季的盐度剖面个数均为1999年之前的2倍左右，基本可以排除季节变化引起的误差。从图3中不难发现盐度变化的2个显著特征：

（1）图3a中红实线为盐度趋势线，从1984年到2010年，盐度整体上呈现下降的趋势，线性趋势为－0.020／a；

（2）以1999年为界，1999年以前的盐度距平值多数为正，1999年以后的盐度距平值则恰好相反，负值占绝大多数。其中最大正距平值可达0.14，平均值为0.05；最大负距平值为－0.22，平均值为－0.06（图3a）。图3b中的盐度累计异常曲线也很好地验证了这个现象，1999年之前盐度总体呈上升趋势，特别是1990—1996年这段时间上升得最明显；1999年之后盐度总体呈下降趋势，2003年以前下降很明显，但2003—2008年这几年间有稍许回升，随后又开始显著下降。图3b中红虚线对应盐度累计异常峰值的位置，即1999年。

图3 吕宋海峡西侧海域混合层盐度变化Fig.3 Mixed layer salinity anomaly at the western Luzon Strait

3 吕宋海峡西侧海域混合层盐度低频变化的机理分析

3.1 长期线性趋势

图4为吕宋海峡以西海域混合层年平均的盐度和净淡水通量（WHOI蒸发量减去GPCP降水量）变化曲线。净淡水通量整体呈上升趋势，为0.019cm／a。这表示进入海洋的淡水在减少，盐度变化应该是上升趋势。但是实际的盐度变化呈下降趋势，下降幅度为－0.020／a，所以我们认为吕宋海峡西侧海域混合层的盐度下降并不是由净淡水通量引起的。

图4 混合层盐度与净淡水通量变化和趋势Fig.4 Variation and trend of mixed layer salinity and freshwater flux

图5显示了吕宋海峡西侧海域盐通量的变化（利用SODA流场资料计算），其中研究区域东面和南面的盐通量为正值，表明外界通过这两侧输入盐分；而研究区域北面和西面的盐通量为负值，表明研究海域内部通过这两侧输出盐分；研究海域总的盐通量为负值，表明总体上研究区域内部的盐分是流失的。从趋势来看，北面盐通量下降最多，为－0.015a东面的次之，为－0.012／a；而南面的下降得最少，仅为－0.009／a；此外只有西面的盐通量是呈上升趋势的，为0.016／a。吕宋海峡西侧海域总的盐通量呈下降趋势，为－0.016／a。由此我们可以推断，盐度的长期下降趋势主要是由于研究区北面和东面的盐通量下降引起的。

图5 吕宋海峡西侧海域盐通量的变化Fig.5 Variation of salinity flux at the western Luzon Strait

3.2 年代际变化

图6为吕宋海峡西侧海域1984—1998年和1999—2010年2个时间段平均的盐度和净淡水通量异常分布。从图中不难看出，1984—1998年的盐度是正距平，1999—2010年的是负距平；而净淡水通量则正好相反，1984—1998年的为负距平，1999—2010年的为正距平。另外，从峰值的走向来看，盐度异常呈SE走向，而净淡水通量异常则呈NE走向。所以我们认为盐度的年代际变化也不是由净淡水通量引起的。

图7为吕宋海峡西侧和东侧海域（122.5°～124.5°，18.5°～21.5°N）的T－S曲线，其中等值线为等位密线。从图中不难发现，吕宋海峡西侧海域的盐度，1999年之后比1999年之前有明显下降；而吕宋海峡东侧海域的盐度不仅没有降低，在上层还略微有所增加。因此，吕宋海峡西侧海域盐度在1999年后相对较低的现象并不是由黑潮本身海水的变化引起的。

图6 净淡水通量（a、b）和盐度（c、d）变化率多年平均分布Fig.6 Multi－year mean variation rate distribution of freshwater flux（a、b）and salinity（c、d）

图7 吕宋海峡西侧（a）和东侧（b）海域T－S曲线Fig.7 T－Scurve at western Luzon Strait（a）and eastern Luzon Strait（b）

图8为吕宋海峡西侧海域的盐度沿着纬线方向的时间序列分布，其中图8a为每个观测剖面的最大盐度值，图8b为混合层的盐度值，等值线是经度网格上取2°内作年平均后得到的结果。众所周知，次表层的高盐水是能够较好地表征黑潮入侵南海的示踪物，且对混合层的盐度会产生不小的影响。从图8a中可以看出，以1999年为界（图中黑色横线），1999年之前黑潮入侵明显比1999年之后剧烈，从34.68的等盐线能明显看出，1999年之前等盐线相对入侵得更远，即跨越121°E经线（图中黑色竖线）的距离更远。从图8b中的34.14等盐线也可以看出同样的现象，即混合层的盐度在1999年之前入侵得更加剧烈。

图8 盐度纬向时间序列分布Fig.8 Time series distribution of zonal scatter of salinity

如图9所示，OFES模式模拟的盐度与实际盐度（WOD盐度）的符合度相当高，可见OFES模式资料适用于研究吕宋海峡海域的盐度。从模式的流速中得出，黑潮经向流速与混合层盐度的相关系数可达－0.55，纬向流速与盐度的相关系数可达0.49，且1999年之前经向流速以负距平为主，纬向流速以正距平为主，1999年之后则相反，经向流速以正距平为主，纬向流速以负距平为主，这很好地说明了1999年之前黑潮入侵更为剧烈的事实。不考虑其他因素的影响，若黑潮沿着经线方向（18.5°N断面）的流速增大（即经向流速增大），则黑潮的纬向流速（121°E断面）减小，即黑潮更不容易入侵南海，反之，若经向流速减小，黑潮更容易入侵南海，这也支持了SHEREMET 的观点［13］。

图9 黑潮流速异常与混合层盐度异常的关系Fig.9 Relationship between the mixed layer salinity anomaly and Kuroshio velocity anomaly

考虑到数据采集的时候没有较大偏差的前提下［5］，1999年之前吕宋海峡西侧海域的盐度为正距平，而1999年之后的为负距平，这主要可能是由于PDO（Pacific Decadal Oscillation）的年代际变化引起黑潮的径向流量变化，从而导致黑潮入侵在1999年之后减弱引起的。

3.3 盐度平衡方程

利用WOD和Argo盐度资料、GPCP降水和WHOI蒸发资料、OFES流场资料，通过盐度平衡方程式分别计算盐度变化项、净淡水通量项、平流项和卷夹项，并对吕宋海峡西侧海域取平均，得到的时间序列如图10所示。图10a中黑色点实线为盐度变化项，黑实线为等式（1）右边3项之和，两者相关度达到0.52，两者数值有稍许差异，其原因可能是：资料来源不同，数据预处理方法不一致，且模式对盐度的模拟还存在一定的误差。但总体趋势较为一致，因此利用混合层盐度方程来解释盐度变化还是可行的。图10b中黑色点实线为净淡水通量项，黑色空心点实线为平流项，黑实线为卷夹项，其中平流项和盐度变化项的关系达到0.48，由此可见，盐度变化主要受平流作用的控制。

图10 吕宋海峡西侧海域盐度诊断结果Fig.10 Diagnosis of salinity budget at the western Luzon Strait

4 结论

本文利用WOD09和Argo资料计算得到温、盐网格化数据，同时利用SODA、OFES、GPCP和 WHOI等资料对盐度低频变化特征进行分析，结果表明：

1 吕宋海峡西侧海域的盐度从19842010年整体上呈现下降趋势，线性趋势为－0.020／a，而净淡水通量整体上呈现上升趋势，线性趋势为0.019cm／a。相比于净淡水通量，吕宋海峡西侧海域四周的总盐通量呈现下降趋势，线性趋势为－0.016／a。其中北侧和东侧的盐通量下降较多，分别为－0.015／a和－0.012／a。因此盐度长期下降的趋势和净淡水通量的关系比较小，主要是由平流作用，特别是黑潮入侵的变化引起的。

（2）以1999年为界，吕宋海峡西侧海域的盐度在1999年之前为正距平，在1999年之后为负距平，其中最大正距平值可达0.14，平均值为0.05，而最大负距平值为－0.22，平均值为－0.06。

（3）通过盐度平衡方程计算可知，吕宋海峡西侧海域的盐度变化主要受到平流项变化的控制，而受净淡水通量项和卷夹项的作用则相对较小。

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