基于Argo资料的吕宋岛以东海域水团特征分析

秦 韬,谢 骏,宋德海,丁 扬,鲍献文,3

(1.物理海洋教育部重点实验室,山东 青岛266100;2.中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛266100;3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋动力过程与气候功能实验室,山东 青岛266237)

大洋水团中储存着全球25%的CO2以及温室效应90%的含热量[1-3]。这些水团信息丰富,与各种洋流相互交错,共同影响着厄尔尼诺与南方涛动(El Niño-Southern Oscillation,ENSO)的发生过程[4],研究其来源以及变化机制与国家经济建设、生态系统循环、海上运输活动等具有密切关系[5-8]。

太平洋大体分为5个水团,且各水团占比不同。表层水和次表层水的体积较小,二者体积之和为5%,所占体积较小,中层水占比22%,底层水与深层水占比73%[9]。考虑到地域差异和水团特性,故可以对各层水团进行细分。次表层可以划分为北太平洋热带水(North Pacific Tropical Water,NPTW)以及南太平洋热带水(South Pacific Tropical Water,SPTW)[10-11]。NPTW会受北赤道流影响向西迁移,通过吕宋海峡入侵南海[12-14]。同时,NPTW向南移动加入副热带环流,与南半球向北移动的SPTW相遇,形成赤道太平洋水团的十字路口[15]。

北太平洋中层水(North Pacific Intermediate Water,NPIW)在亚北极海域西北部生成[16],伴随盐析并潜沉南下加入副热带环流[17],盐度通常较低,一部分在棉兰老岛附近向南入侵热带西太平洋[18],另一部分通过亚北极涡进入东太平洋,再逐渐流向西太平洋[19]。NPIW对南海也有一定入侵,但强度较小,相反,南海中层水可以在秋冬季通过吕宋海峡流入太平洋[20-21]。

综上,对于北太平洋水团的来源和变化已有相关研究,但存在资料长度受限,空间采集样本不足和实测数据缺乏导致数值模拟误差大和成果较少等问题。同时不同的水团分类及辨识方法,导致统计结果差异大。而Argo自动剖面浮标具有自动测量海洋数据的功能,下潜深度可达2 000 m,工作时间一般有5 a之久[22]。多个Argo自动剖面浮标组成的观测网,可以获得更为丰富连续的水文信息,能为海洋观测提供详细的数据资料[23]。为了厘清吕宋岛以东的西北太平洋研究海域水团信息,本文基于中国Argo实时资料中心发布的共14 a剖面浮标观测资料,将Argo资料与模糊数学中直线定位方法相结合,对西北太平洋吕宋岛东部海域的水团边界进行划分,研究水团分布结构,分析水团的季节与年际变化,并探讨其变化机制。

1 资料和方法

1.1 资料来源与质量控制

数据资料由中国Argo实时资料中心提供了剖面浮标观测资料以及全球海洋Argo网格数据集(BOA_Argo,ftp:∥ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/)。网格资料数据时间范围为2004年1月至2017年12月,垂向共划分58层,分别为:0 m层,5 m层,10～180 m间取10 m间隔划分18层,200～460 m间取20 m间隔划分14层,500～1 250 m间取50 m间隔划分16层,1 300～1 900 m间取100 m间隔划分7层,以及底层1 975 m。

原始剖面资料已经进行了实时质量控制,本试验对Argo资料进行了再次修正,删除了无效剖面数据以及不完整剖面。最终,在研究区域内,有568个Argo自动剖面浮标的45 771个剖面资料用于数据分析。根据西北太平洋的季节特性,将12月至次年2月定义为冬季,3月至5月定义为春季,6月至8月定义为夏季,9月至11月定义为秋季。剖面资料空间分布如图1所示,春、夏、秋、冬四季剖面数量分别为11 082,11 630,11 657和11 402个,剖面分布如图1所示。

图1 研究区域浮标剖面分布Fig.1 The spatial distribution of profiles in the study area

1.2 直线定位方法

水团边界难以划分,通常会用模糊聚类进行分析,从而逐渐衍生出用隶属函数来区分水团。建立在隶属函数之上,李凤歧等[24]提出了直线定位法,其核心思想为拟合每个剖面的T-S曲线,寻找基本能够包络整个温盐散点数据的曲线,以此构造隶属函数。本文借鉴此方法进行了水团分析。绘制了利用高斯拟合方法对温盐散点资料拟合出的温盐散点曲线示例图(图2),从而找出水团边界变化形态。

图2 研究区域温盐散点曲线示例Fig.2 The curve of temperature and salinity scatter diagram in the study area

从图2a提取出已经基本涵盖所有温盐散点的包络线K线和L线,2条包络线代表着研究区域中的T-S曲线的合成。在曲线范围内,存在着大量的温盐数据点,但主要关注的有6个特征点,分别为:1)点a为表层与次表层的分界点,点a盐度值为其中T a为次表层水团上界的温度,可由温度断面图确定;2)点b为曲线K上的盐度极大值点,即b(S b,T b);3)点c为曲线L上的盐度极大值点,即c(S c,S c);4)点p为曲线K和曲线L的交点,即p(S p,T p);5)点d为曲线L上的盐度极小值点,即d(S d,T d);6)点e为曲线K上的盐度极小值点,即e(S e,T e);7)点q为中层水团和深层水团的分界点,点q盐度为,其中T q为中层水团的下界温度。

根据T-S曲线解析理论,图2b中的直线为次表层水团高盐核心混合变性的轨迹,直线为中层水团低盐核心变性的轨迹。由于水团的边界难以确定,通常用隶属度来表示水团范围,由此本文引入隶属度(μ),次表层水团的隶属函数记为μU,中层水团的隶数函数记为μI。故各点隶属度为μU(S b,T b)=1,μU(S c,T c)=0.5,μI(S e,T e)=1,μI(S d,T d)=0.5。在隶属函数概念里,一般当隶属度大于0.9时,就认为该点为水团核心范围[24]。因此,点b为次表层核心,点e为中层核心,点c与点d分别代表次表层与中层水团的边界。

次表层水团的隶属函数(μU)和中层水团的隶属函数(μI)总体表示为为直线是任意点i到直线T*(TU*或TI*)距离的平方;D S为任一点温度所对应的2条包络线盐度

式中,S i,T i分别为曲线内任意一个点的盐度与温度;T*为水团变性轨迹直线,如T*U为直线距离的平方与对数的比值;D T为图形中温跃层中心到特征曲线距离的平方与对数的比值。对于不同水团,D S、D T和T*的表达式为

对μU,有

对μI,有

式(2)和式(5)中,ε系数较小,取ε=0.000 1。

在此方法中,μU和μI是以直线T=T p定位分界的,故称为直线定位法。其中,点b,c,p,d和e可根据T-S曲线来确定,而点a和点q则需依温度断面图选定。当隶属度超过0.5的闭合区域认为是一个水团,隶属度超过0.9的区域认为是水团的核心,隶属度小于0.5的区域归为混合区域。

1.3 其它资料

本文所用流场资料为美国马里兰大学提供的全球海洋月平均流场数据(SODA_3.3.2),空间分辨率为0.5°×0.5°,垂直方向为50层,水深范围为5～5 000 m,时间范围1980—2017年。ENSO指数资料来自美国国家海洋和大气管理局,热带太平洋尼诺4区指数(Niño4 Index)以及西北太平洋暖水体积指数资料(Warm Water Volume,WWV)来自美国国家大气研究中心。

结合流场资料,本文计算了北赤道流流量(North Equatorial Current Flow,NECF)与热输运量(North Equatorial Current Heat Transport,NECH),黑潮流量(Kuroshio Flow,KF)与热输运量(Kuroshio Heat Transport,KH)以及次表层、中层水团的体积和含热量,具体公式如下:

式中,ρ为密度,C p为比热容,T为温度,u为西向流速,v为北向流速。NECF计算选取(137°E,7～21°N)断面,以26.7等位势密度(σθ)面为零流速面[25]对格点的u进行深度积分,NECH计算是在相同的断面上,对u、ρ、C p和T的乘积进行积分得出。KF、K H的计算亦采用此方法,只不过在计算KF、K H时所选取的为选取台湾以东(121°42′～123°00′E,24°N)断面,以700 m为零流速面[26]。

2 水团特征分析

2.1 温、盐结构分布

将处理后的剖面温盐数据按季节归类,分别绘制T-S点聚图(图3),可以发现散点排列呈现反“S”型曲线,“S”曲线有2个极值点,表明在研究区域内至少可以划分出4个水团,从上至下依次为:北太平洋表层水(North Pacific Surface Water,NPSW)、北太平洋次表层水(North Pacific Subsurface Water,NPSSW)、北太平洋中层水(North Pacific Intermediate Water,NPIW)、北太平洋深层水(North Pacific Deep Water,NPDW)[8]。后文依次简称表层水团、次表层水团、中层水团和深层水团。图3中两个红色区域分别代表次表层水团、中层水团,其余水团由于未构造隶属函数故整体呈深蓝色。红色区域代表水团的核心,隶属度值大于0.9,蓝绿色区域代表水团的边界范围,隶属度值大于或等于0.5。次表层与中层之间的边界交汇区域,属于过渡层面,He等[27]和李凤岐等[28]称其为次-中层混合区域。

对比春、夏、秋和冬四个季节的变化(图3)可知,表层水团的T-S点聚图较为离散,夏秋季离散现象较大,冬春季离散较小,表明表层水会受到来自其它海区的低盐度水团流动混合的影响[12]。从T-S平面上看,次表层水团有一定的季节变化,核心区域变化较小,主要体现在边界混合区域的范围变化,冬春季节的混合区域厚度会稍厚一点,整体盐度值高于34.7,表现出高温高盐特征。中层水季节变化不明显,只有轻微的离散现象,整体盐度值小于34.6,表现为低温低盐。中层水向下是深层水团,在T-S平面中深层水团范围较为集中,盐度介于34.4～34.7,温度不高于8℃,季节变化不明显。

图3 4个季节T-S点聚图Fig.3 The T-S scatter diagram of 4 seasons

2.2 水团季节特征

2.2.1 水团大面分布的季节特征

由于直线定位方法的优势为对次表层以及中层水团的划分,但缺乏对其它水团隶属函数的构造,故重点对次表层以及中层水团选取位势密度面进行分析。王露等[29]曾利用24.5等σθ面和26.8等σθ面来表征次表层、中层水团的气候态特征并取得了较好结果,故本文选取这两个密度面进行隶属函数构造。

1)次表层水

由图4可见,水团分布于整个研究区域,边界能够达到琉球群岛以及日本群岛附近。由隶属度0.9等值线区域所代表的水团核心表明,次表层水团主要由北赤道流所携带的中部太平洋水团迁移形成。春夏季,核心范围较大(120°～140°E,12°～18°N),表明这一时期的北赤道流西向流动最强;秋冬季,核心范围收缩,并且在冬季水团整体范围有轻微缩小现象。

2)中层水

同样,计算中层水团所在的280～900 m水深区间的水体隶属度,选取26.8等σθ面位势密度面进行分析,水团整体位于10°N以北(图5)。中层水团的季节特征不显著,核心范围主要位于18°N北部,范围较大,在10°N附近,为中层水边界混合区域,在10°～20°N区域内隶属等值线较为平滑,基本平行于北赤道流流轴,表明中层水的边界一定程度受到北赤道流的影响。

图4 次表层水24.5等σθ面特征隶属度分布Fig.4 Distribution of characteristic membership of the subsurface water at 24.5σθ

图5 中层水26.8等σθ面特征隶属度分布Fig.5 Distribution of characteristic membership of intermediate water at 26.8σθ

2.2.2 水团断面分布的季节特征

因各水团的范围变化皆穿过137°E断面,水团在此断面面积范围较大(图6),故选取137°E断面进行分析。沿该断面,次表层水团在20°N以南位于100～220 m深度,在20°N以北位于50～220 m深度,整体位于10～28°N区域内。冬春交替季节时,20～30°N区域内表层与次表层混合较为剧烈,边界性质难以区分。

图6 137°E断面特征隶属度分布Fig.6 Vertical section of characteristic membership along 137°E

中层水团深度280～900 m,整体位于10°N以北,水团厚度变化不大,但在不同纬度其所在深度不同,从280 m深度开始,10°～15°N之间出现中层水团迹象,随着深度增加,中层水团范围向北逐渐扩大,遍布整个研究区域,深度超过550 m时,中层水团核心整体范围介于16°N以北,水团核心与水团整体范围随深度增加逐渐向北移动并缩小。在30°N纬线上隶属度线没有闭合,表明在研究区域外还有中层水团的存在。本文将各个水团的温盐范围进行梳理,并与李绪录[30]、陈上及[31]的研究结果进行对比(表1)后发现结果稍有不同,但总体结果较为吻合。其结果的不同一方面来源于水团隶属函数构造思路的差异,另一方面来由于直线定位方法未构造次-中层混合区域隶属函数,导致两层水团的边界范围稍稍扩大。

表1 本文与前人次表层水团和中层水团的温盐特征Table 1 Comparision of temperature and salinity of the subsurface and intermediate water masses by present and previous study

3 讨 论

3.1 水团核心温度/盐度的年际变化

将次表层与中层水团核心区域内的温度/盐度平均值作为该水团的核心温度/盐度,本文计算了2004—2017年共168个月次表层与中层水团的温度/盐度核心异常值,即将逐月的温度/盐度减去多年平均的温度/盐度值。经低通滤波去掉季节变化后,得到水团核心温度和盐度年际变化(图7)。

如图7a和图7b可知,次表层的温度、盐度变化具有较好的一致性,核心温度22.79～24.02℃,在2004—2010年温度比平均温度低0.5℃左右,属于冷季;2011—2016年温度比平均温度高0.3℃左右,属于暖季;两者存在一定的周期变化。小波分析表明,次表层温度存在4 a的周期。核心盐度介于34.99～35.11,与温度变化趋势一样,2004—2010年盐度较均值低0.04,2011—2016年盐度较均值高0.04。小波分析显示存在约4 a的周期,周期变化与温度基本一致。中层水的核心温度为7.47～7.80℃,核心盐度为34.02～34.16(图7c和图7d)。整个温盐变化同样出现正负异常的交替变化,小波分析结果表明,中层核心温度周期3.5 a,核心盐度周期为3 a。

为了探寻水团年际变化的原因,本文对次表层160 m、中层550 m等深面做经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)分析,其第一模态空间分布如图8所示,次表层温度、盐度第一模态贡献率分别为51.41%和41.15%,在空间分布上二者表现出了较好的一致性,在18°N以北基本呈现负相位,15°N以南为正相位,且正相位分布的趋势与北赤道流的流轴较为切合,可能受北赤道流的影响,而负相位主要表现出黑潮的一定影响。中层温度、盐度第一模态贡献率分别为13.34%和10.62%,对于中层温度第一模态分布,整体为负相位,但在台湾岛东部以及日本群岛附近出现了正相位,表现出黑潮以及四国岛附近洋流的影响。盐度第一模态在日本群岛南部表现出负相位,向南过渡到20°N附近逐渐接近零。本文将各层时间序列、体积、含热量与各气候因子做相关分析,时间序列曲线如图9所示,结果如表2所示。

图8 次表层和中层水团EOF第一模态空间分布Fig.8 The first EOF modes of the subsurface and intermediate water masses

表2 次表层和中层水团变化指数与气候变化指数相关关系(95%置信度)Table 2 The correlations between subsurface/intermediate water mass indicators and climatic indices(95%confidence level)

由表2可知,次表层水团温度与盐度时间序列对于各气候变化指数表现出了较好的关系。各项系数基本大于0.3,属于实相关,与黑潮的相关系数稍稍较小,但总体说明气候因子对于次表层的温盐性质具有一定的关系。结合其时间序列可以说明,当发生厄尔尼诺事件时,西北太平洋气旋性异常环流加强,北赤道流的流速增大[25],携带更多的中部太平洋水团进入西太平洋,导致流轴区域的温度与盐度都升高的较快。在拉尼娜期间,北赤道流的流速减小,流轴区域的水团温度、盐度降低的也较快一些。在18°N北部,次表层的边界混合区域温度变化受ENSO的影响相对盐度较弱。次表层水团体积/含热量与各气候变化指数的相关系数相对温盐序列稍小,但与前4项气候因子相关系数在0.3附近波动,具有实相关特征。可见ENSO现象对于次表层水团相关特性具有一定的影响,从相关系数大小来看,二者的影响程度相当。次表层与WWV的关系表现为负实相关,可以说明西北太平洋暖池的增长与否影响着次表层水团各项特征的变化。

图9 次表层和中层水团EOF时间序列与气候变化指数Fig.9 Climatic indices and EOF time series of temperature and salinity in the subsurface and intermediate water masses

中层水团各指数与气候变化指数相关性都较小,尤其是体积、含热量与气候变化指数的相关关系,皆小于0.3,属于微相关,但其盐度与黑潮相关系数达到了0.3,表明盐度特征的改变与黑潮有一定的关系。当ENSO现象发生时,中层水20°N以南的部分温盐基本不发生变化,20°N北部温度和盐度会稍稍降低。但总体来讲,中层水的结构较为稳定,各项气候因子对其影响均较小。

3.2 与相关指数之间的关系

通过本文研究可以看出,次表层水团与气候因子都具有较好的相关关系,ENSO气候因子具有一定的周期性,其相位的改变影响着大洋环流以及赤道信风,从而改变海洋内部水体上升下沉等混合过程,最终改变水团的性质[32-33],Niño4指数为通过计算海域(160°E～150°W,5°S～5°N)海温距平所得,主要影响太平洋中部降雨锋面的变化,从而对北赤道流向西运动产生影响。对于西北太平洋暖池而言,暖池的表层海温较高,可以通过感热、潜热方式释放能量进入大气,影响大气环流系统,改变着海表的蒸发降水[34]。本文中暖池与次表层水温度、盐度时间序列、体积、含热量指标皆呈负相关,主要由于暖池在区域分布上与次表层在空间区域分布上较为相近,但暖池相对较浅,次表层相对较深,两者之间由混合层相隔开,所以当暖池发生变化时一定程度上也易影响着次表层性质的变化。

中层水与气候变化大部分指数的相关系数要小于次表层水,主要为微相关,但盐度与黑潮的相关系数要稍大于次表层,说明黑潮可能会对于中层水团的盐度有一定影响。当气候因子对海面造成扰动时,次表层水深度较浅,气候扰动能够较好的传递到该层中。而中层水团较深,水团的构成较为复杂,在不同的纬度,所在的深度范围也不同,故从单一的气候因子说明二者的相关关系较为困难,具体影响物理机制还应结合其具体范围进行独立探讨。

4 结 论

本文利用Argo自动剖面浮标观测资料对西北太平洋海域(120°～140°E,10°～30°N)进行了水团分析,划分出北太平洋次表层水团(NPSSW)与北太平洋中层水团(NPIW)的分布范围,并探讨了两种水团的季节变化以及年际变化,进而选取水团变化指数与气候变化指数做相关分析。主要结论:

1)次表层水团呈东西向分布,30°N以南区域皆有次表层水的分布,位于50～220 m深度。24.5等位密面上,核心区域在130°E以东,与北赤道流流轴相重合。核心区域面积在春夏季较大,秋冬季较小。50～150 m深度的次表层水主要存在于20°～28°N范围内,随深度的增加,次表层水体向南迁移,在150～220 m深度上其已位于10°～24°N之间。次表层温盐核心具有一定的年际变化,且二者具有较好的一致性。核心温度与盐度的年际变化周期皆为4 a。

2)中层水出现于280 m深度。在280～360 m,中层水分布于12°～14°N;在360 m以深,中层水范围随深度增加向西北方向扩大;在420 m深度时,其范围已扩展至琉球群岛附近;最大面积出现在550 m深度,核心范围介于18°～25°N;在550～900 m深度,水团逐渐向北缩小直至消失。中层水的年际变化明显,核心温度周期3.5 a,核心盐度的变化周期3 a。

3)ENSO对次表层水的性质改变具有一定影响,厄尔尼诺时期,次表层水的核心区域温度盐度升高,边界混合区域变化较小,部分区域会有温度盐度降低的现象,拉尼娜时期,次表层水的核心区域温度盐度降低的较快,边界混合区域降低的较慢。中层水较为稳定,各气候因子对其温盐性质影响较小。

本文研究采用了568个Argo自动剖面浮标的45 771个剖面资料,时间范围涵盖了从2004年1月至2017年12月共14 a,因而对水团范围以及各项指标的划分更为准确,分析结果能够为该区域的水团研究提供一定的参考。