ENSO发展期琼东上升流的动力过程响应差异

张俊鹏，旷芳芳，万小芳，潘爱军

（自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门361005）

上升流是海洋中最重要的海洋现象之一，通常是指上层海水的辐聚辐散引起的深层海水向上的垂直运动，它不仅是近海海洋动力过程之一，同时也是海洋物质输运的重要环节。自1959—1960年间全国海洋普查首次提出琼东上升流以来［1］，许多海洋工作者通过海洋调查数据、卫星遥感数据等对琼东上升流的发生时间、空间范围和强度等进行了研究［2-6］。琼东上升流通常发生在每年的4—9月，强盛期主要是6—7月；空间范围大体位于海南岛东部111.5°E以西的沿岸海域，南北范围介于18.5°～20.0°N之间；从温度、盐度等指标来看，上升流区相比邻近区域表层水温偏低2～5℃，盐度偏高0.5。近十多年来，随着现场调查数据的丰富和遥感数据的积累，琼东上升流再次成为研究热点之一。Su等（2011）［7］和Wang等（2015）［8］基于观测研究了河流冲淡水对琼东上升流的影响，指出冲淡水能使海水垂向层结保持稳定，压制上升流使其易到达表层。汪彧等（2013）［9］和谢玲玲等（2017）［10］基于现场观测和遥感数据研究了台风等短期天气过程对琼东上升流垂向结构的影响及机制。刘羿等（2009）通过珊瑚记录海表温度记录重建了1906—1993年琼东上升流的强度指数变化序列，并基于该数列发现琼东上升流在这期间呈加强趋势，并有显著的年代际波动特征［11］。谢玲玲等（2016）通过分析遥感风场和海面温度分析了琼东上升流的年际变化特征，指出近30 a来琼东上升流强度总体减弱，琼东上升流强度和位置的年际变化存在周期约3、5、10 a的本征模态，并以3 a周期变化为主［12］。21世纪以来，随着海洋数值模式的发展和计算机的计算能力的不断提升，许多海洋工作者通过数值模拟对琼东上升流的形成机制及其对气候变化的响应开展了许多研究［13-19］。经志友等（2008、2009）通过数值模式研究指出琼东上升流与夏季西南季风之间有极大的相关性，沿岸风应力引起的Ekman输运是重要影响因素，同时风应力旋度也对上升流有影响［14-15］。李毅能等（2012）通过数值模型计算指出，琼东上升流不仅受局地风应力的控制，同时还受到大尺度环流的影响［18］。Lin等（2016）通过理想地形实验分析了地形在琼东上升流中的作用［19］。柴扉等（2001）指出El Niño年附近，琼东上升流要比其他年份强，表现为海南岛东北部的七洲列岛附近温度显著偏低，盐度显著偏高［13］。Jing等（2011）指出琼东上升流在1998年夏季显著增强，并且琼东海域的沿岸风应力同样明显增强［16］。Su等（2013）对琼东上升流与长期气候变化（1960—2006年）的关系研究发现琼东上升流海域清澜观测站的水温记录对El Niño信号有很好的响应，但与La Niña信号的相关性并不强［17］。

胡建宇等（2016）在总结琼东上升流以及整个中国海域上升流的研究进展的基础上，提出全球气候变化对上升流的潜在影响应是未来上升流研究的工作之一［20］。研究普遍认为，季风是琼东上升流强弱变化的主要控制因素，南海北部陆架环流也会对上升流产生影响。而季风和环流的年际变化又与El Niño和La Niña等年际尺度的气候变化密切相关，因此本研究希望从El Niño和La Niña等气候事件时琼东上升流的响应特征等角度探讨全球变化对上升流的影响。目前，许多学者在对琼东上升流年际变化的研究中多以冬季Niño指数的峰值来表征El Niño信号的强弱，然而琼东上升流多发生在ENSO指数较弱的春末和夏季，考虑到作为琼东上升流主要控制因素的季风对ENSO的响应一般滞后1个月左右，本研究中将以琼东上升流存续时ENSO指数的强弱划分不同事件类型，通过分析遥感SST数据并结合数值模式研究琼东上升流对不同类型气候事件的响应。

1 数据与方法

1.1 2000—2013年遥感SST数据分析

ENSO是厄尔尼诺和南方涛动的简称，其主要是由太平洋海温异常而引起，它的波动常常引起全球气候异常变化。目前，用来描述ENSO强弱的指数有许多种定义方法，本研究采用南海海洋研究中常用的Nino3.4指数［21］作为ENSO事件的判断指标研究琼东上升流对2000—2013年间主要气候事件的响应。现有的研究均支持南海季风是琼东上升流的主要控制因素，通过对琼东上升流海域1984—2014年多年逐月月平均风场与Nino3.4指数的超前和滞后相关分析（图1），发现琼东海域沿岸风与Nino3.4指数在滞后2个月时相关性最高达0.364，相关性次之的风应力旋度与同月份Nino3.4指数相关性达到0.266，而离岸风与Nino3.4指数相关性最低，最大值出现在滞后Nino3.4指数5个月时，其值仅0.153。本研究主要研究琼东上升流对同期ENSO信号之的响应。图2是2000—2013年间的Nino3.4指数，其中红色为每年5—7月指数，如图所示，比较强的El Niño信号主要发生在2002、2009年，比较强的La Niña信号主要出现在2000、2008、2010年。由于本研究数值模拟工作以2000年为起算点，如采用2000年计算结果可能引入误差，文中对2000—2013年间气候事件的选取主要采用：2002和2009年作为典型El Niño年；2008和2010年作为典型La Niña年，同时每年琼东上升流存在的4—9月一般为ENSO事件的发展时期而非极值时期，因此本研究中将选取的典型年份简称为El Niño发展期和La Niña发展期。琼东上升流最早出现于每年的4月份并可持续至当年9月，4月一般是南海西北部海域季风转换时期，在部分年份琼东上升流并不出现，而8—9月时由于表层海水温度较高，在表面温度遥感数据中琼东上升流已比较不明显，为便于比较分析，本研究主要选取上升流信号比较明显的5—7月份的数据开展研究。

图1 琼东海域季风与Niño3.4指数的相关系数Fig.1 Correlation coefficients of monsoon in Qiondong sea area with Niño3.4 index

图2 2000—2013年期间Niño3.4指数Fig.2 Niño3.4 index from 2000 to 2013

图3为使用0.25°×0.25°空间分辨率的逐日海表面温度再分析数据（OISSTv2）［22］绘制的琼东海域5—7月多年月平均海表面温度分布。每年随着季风的转换，琼东海域逐渐出现一个温度明显低于同纬度海域海水温度的低温区。图4为5—7月El Niño发展期（图4a）和La Niña发展期（图4b）期间OISSTv2海表温度相对2000—2013年多年平均海表温度的距平。可以看出，La Niña发展期南海北部海域海水温度较正常年份偏低，而在琼东海域温度下降尤为明显，海水温度下降0.2℃以上；而El Niño发展期的海表温度距平与La Niña发展期恰恰相反，主要表现为海表温度上升，并且在琼东上升流海域存在一个温度上升极值中心，最大升温约0.2℃。从海表温度（SST）数据的初步分析可以初步判断，在El Niño发展期琼东上升流减弱，而在La Niña发展期琼东上升流则是加强的。

图3 琼东海域5、6、7月和5—7月平均OISSTv2海面温度Fig.3 Averaged SST in Qiongdong sea area in May，June，July and May-July

1.2 琼东上升流的数值模拟

图4 琼东海域5—7月OISSTv2海表温度距平Fig.4 SST anomaly in Qiongdong sea area from May to July

从SST数据分析结果中可以初步看到，琼东上升流对ENSO气候事件有明显的响应。但遥感数据仅能获取海表的信息，缺乏对海洋水文三维结构描述，为进一步分析琼东上升流对ENSO气候事件的响应及其机制，本研究以基于原始方程的区域海洋模型系统ROMS（Regional Ocean Modeling System）［23］为基础，建立了包括南海海域的三维斜压海洋环流模式，通过数值模拟对以上现象作进一步分析研究。

1.2.1 模型介绍 本研究中所用模式计算范围为10°S～50°N，98°～145°E，包括了整个中国近海海域（渤海、黄海、东海和南海），以及部分太平洋海域（图5）。模式使用非均匀网格，水平方向网格距7～10 km，在南海北部海域水平分辨率约9 km。模型地形数据采用最新发布的分辨率0.5′的GEBCO全球水深地形资料（http：//www.gebco.net/），并作适当平滑处理。在海气界面，模型使用美国国家环境预报中心NCEP［24］的海表面风场、气温、湿度、降水和辐射等再分析数据作为大气强迫场来源。模型侧边界的三维温、盐、流场数据使用全球大洋环流模型SODAv2.1.6的多年逐月平均再分析资料［25］；侧边界的潮位和潮流的调和常数由全球潮流模型TPXO8提供的13个分潮（M2、S2、K1、O1、N2、K2、Q1、P1、MM、MF、MN4、M4、MS4）的调和常数插值获取。侧边界处水位和切向流速使用Chapman边界条件，法向流速运用Flather边界条件，三维流速和温盐使用辐射边界条件并向世界海洋图集WOA2001［26］的气候态温度和盐度资料松驰。模型计算约5 a后达到稳定状态，之后再积分15 a并将其结果作为模型的起算点，并连续输出2000—2013年月平均的温度、盐度和流场数据。

1.2.2 模型验证 为检验模型对相关海域主要水文动力过程的再现能力，模型采用SODA再分析数据、OISSTv2遥感SST数据以及南海北部陆架区底床基ADCP海流数据对模型模拟结果进行验证（图6～9）。本研究主要关注的琼东上升流主要发生在5—9月份，因此模型的对比验证的相关数据以这段时间内的为主。

图6 南海多年平均7月表层海流流场比较Fig.6 Comparison of SCSmonthly averaged surface current of South China Sea in July

图7 南海多年平均7月月平均海面温度比较Fig.7 Comparison of SCSmonthly averaged SST of South China Sea in July

图6、7为模型模拟结果与再分析数据以及遥感观测数据大面分布形态的对比，模拟结果的环流形态、温度分布与观测基本一致；图8为本研究中采用的2006—2008年南海北部陆架区自北部湾至台湾海峡海域18个观测站位的349组不同季节、全深度层次的底床基ADCP潜标长时间观测数据的空间分布，其对南海北部的海流有充足的代表性，图9为模型结果与观测数据的M2分潮和O1分潮潮流椭圆参数的对比，二者数值吻合较好。通过以上对比可知，在南海北部海域，模型的模拟结果与观测数据一致性吻合较好，模型的模拟能力可以满足琼东上升流数值模拟的需求。

图8 南海北部海流观测站位分布Fig.8 Distribution of current observation stations in the north of South China Sea

图9 南海北部潮流椭圆参数模拟量与观测数据对比Fig.9 Comparison of tidal ellipse parameters from the simulated and observed in the north of South China Sea

1.2.3 ENSO发展期琼东上升流的动力过程响应比较分析 从图2典型ENSO事件中选取典型的代表年份：选取2002、2009年作为典型El Niño年，2008、2010年作为典型La Niña年。提取2 a中5—7月研究海域的表层海水温度的模拟结果进行合成（图10），对ENSO发展期琼东上升流的动力过程响应进行比较分析。

图10a为El Niño发展期的表层温度，图10b为La Niña发展期的表层温度，模拟结果与遥感数据的变化趋势一致，琼东上升流海域海表面温度同样呈现出La Niña发展期降低，El Niño发展期升高的状态，表明La Niña发展期琼东上升流增强而El Niño发展期琼东上升流减弱。相比遥感数据只能体现海洋表层的变化，数值模型结果更能提供上升流变化的垂直结构。为方便研究我们选取地形变化相对平缓的琼东上升流中部的D3断面（图5），提取2个典型ENSO发展期的温度数据。

图10 模型模拟的不同气候条件下5—7月平均海表温度Fig.10 Averaged SST from May to July in El Niño and La Niña years from model result

图11从左到右依次是多年平均5—7月D3断面海水温度，El Niño期间5—7月D3断面海水温度和La Niña期间5—7月D3断面海水温度距平。从多年月平均结果看，琼东上升流海域存在一向岸冷水舌向上涌升，这是上升流的典型特征之一。El Niño期间D3断面海水温度与La Niña期间D3断面海水温度变化完全相反，其中El Niño发展期近岸海域海水温度上升，而离岸海域海水温度降低，La Niña发展期D3断面海水温度的变化则呈现近岸温度降低，离岸区域海水温度升高的状态。由于上升流的一个典型特征是冷水涌升使上层海水温度降低，因此D3断面的温度变化表明断面上的上升流在El Niño发展期减弱，而在La Niña发展期加强，这与海表面温度的对比结果一致。

图11 5—7月琼东海域D3断面海水温度Fig.11 Temperature from May to July in section D3 in Qiongdong sea area

图12是D3断面5—7月多年平均离岸流速和垂向环流结构（图12a），以及El Niño发展期（图12b）、La Niña发展期（图12c）相对多年平均的距平。从多年平均结果来看，D3断面处表层海水离岸运动，同时在近岸区域底层海水向岸移动、向上涌升，是典型的沿岸上升流分布特征。而在El Niño期间，表层海水离岸运动减弱（或反向变为向岸移动），压制了近岸区域上升流的发展；La Niña期间则恰恰相反，使得上升流加强。垂向环流结构的变化与温度的变化相对应，均表明琼东上升流对El Niño和La Niña现象有明显的响应。

图12 5—7月琼东海域D3断面离岸流速和垂向环流分布Fig.12 Offshore and vertical current from May to July in section D3 in Qiongdong sea area

2 ENSO发展期不同响应特征的机理分析

遥感SST数据、模型表层海水温度以及D3断面处海水温度和垂向环流结构变化的分析相互印证，均表明琼东上升流在El Niño期间减弱，而在La Niña期间加强。从前人的研究成果来看，上升流的强弱变化主要受风（风应力）、沿岸流等的影响。因此，本研究将从影响上升流的这2个方面入手，分析各个影响因素在不同气候事件状态下的异同，研究气候事件对琼东上升流的影响机制。

2.1 海面风场

风场对琼东上升流的影响前人已经做了相当多的工作，风基本主导了琼东上升流的发生发展以及消失的整个过程，同时局地风的大小变化会直接影响Ekman抽吸和输运的强弱。

提取并处理El Niño和La Niña期间研究海域的海面风场数据（图13）。对比风场变化可见，在La Niña期间琼东海域沿岸风明显加强；由于Ekman输运效应的影响，因此在近岸海域产生抽吸，使得底层冷水上翻，因此在岸边表现为温度下降，上升流加强；而在El Niño期间，风场的变化方向恰恰相反，因此在El Niño期间，风场对上升流的驱动会减弱。

2.2 沿岸流

海面风场的分析表明距地风场对ENSO事件有明显的响应，其变化进一步通过Ekman作用影响了琼东上升流。ENSO事件作为一个重要的影响因素，其变化的影响范围在不同海域可能有所不同，而沿岸流不仅受局地风的影响，还受到整个南海内环流系统的控制。因此有必要对琼东海域的沿岸流做进一步分析。图14是琼东海域表层流场的多年平均结果以及不同气候事件影响下的距平。可以看出，El Niño期间海南岛东侧的沿岸流减弱，不利于海水的涌升，而La Niña期间沿岸流增强，有助于上升流的发展。

3 结论与展望

El Niño和La Niña作为典型的年际气候变化事件，深刻的影响着琼东上升流海域。本研究通过2000—2013年间遥感SST数据以及数值模拟，选取2002、2009年作为典型El Niño年，2008、2010年作为典型La Niña年，分析了琼东上升流对ENSO发展期的响应。在El Niño发展期琼东上升流减弱，近岸海域海水温度升高；而在La Niña发展期琼东上升流加强，沿岸海域海水温度相比其他年份降低。同时上升流海域海水温度变化分析表明，受不同气候变化事件影响，上升流变化最显著的主要为沿岸70 km以内、深度介于20～100 m之间的水体，上升流区表层水体所受影响的反而小些。对不同气候事件期间海面风场以及琼东海域沿岸流的分析发现局地海面风场和沿岸流对琼东上升流的影响作用是协同的，在El Niño发展期二者均不利于上升流的发展，而在La Niña发展期二者的变化均有助于琼东上升流的强化。

图13 琼东海域5—7月海面风场分布Fig.13 Surface wind from May to July in the sea area of Qiongdong

图14 琼东海域5—7月海面流场分布Fig.14 Surface current from May to July in the sea area of Qiongdong

本研究基于几个典型年份琼东上升流对不同ENSO气候事件的响应，初步分析了不同气候事件期间上升流的响应差异，相关工作还比较粗浅，在后续工作中有必要对相关问题做更深入的量化分析。另外本研究中所采用的数值模式水平分辨率约7～10 km，在下一步的工作中有必要建立更高分辨率的数值模型用以分析琼东不同地形区域的上升流响应差异。