1979—2013年北太平洋海表面盐度变化及其与淡水通量的关系

魏翔　智海　方祝骏

摘要 利用海洋再分析资料，对北太平洋海表面盐度（Sea Surface Salinity，SSS）变化及其与淡水通量（Fresh Water Flux，FWF）的关系进行研究。结果表明：1914—2013年SSS存在增大趋势，且有25～30 a的周期变化;1979—2013年SSS存在先减小后增大趋势，且有7～12 a的周期变化。北太平洋SSS变化的活跃区域位于黑潮及其延伸区（A区）和北太平洋中部偏东地区（B区）。A区和B区SSS在2000年之前存在减小趋势，在2000—2009年出现明显增大趋势。A区和B区SSS变化与北太平洋FWF变化显著相关，其中A区SSS受局地FWF影响较大（最大相关系数出现在FWF超前16个月），B区SSS受局地FWF影响较小（最大相关系数出现在FWF超前20个月）。北太平洋FWF与A区SSS的相关表明：它们存在较大范围的正相关区，正相关区主要位于黑潮延伸区（A区东部），且正相关大值区随着FWF超前时间缩短而向东移动。对应于北太平洋温度年代际变化，SSS也存在显著的年代际变化，并且北太平洋关键区盐度变化能够表征北太平洋气候变率，它可以作为北太平洋气候变率的替代指数。

关键词海表盐度变化;淡水通量;北太平洋

海洋盐度与温度一样是物理海洋学最基本的参数之一，也是控制和调节海洋基本状态和气候变化的重要变量（Katsura et al.，2013）。以往对于海洋盐度的关注较少，其原因是海洋盐度的观测资料较少，加之海洋盐度是一个不直接参与海洋-大氣相互作用的变量。事实上，海洋盐度不仅可以作为全球水循环的指数，而且通过改变海水密度场，对海洋的动力过程产生重要影响，进而对海气相互作用和全球气候变化起到重要的作用（Fedorov et al.，2004;Huang and Mehta，2004）。

众所周知，北太平洋海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）变化表现出明显的年代际特征-太平洋年代际涛动（Pacific Decadal Oscillation，PDO）现象（Lau and Nath，1994;Miller et al.，1994;Minobe，1997;Newman，2007;朱伟军等，2019）。以往研究指出PDO是不同物理过程综合作用的结果，包括热带遥强迫和局地北太平洋大气-海洋相互作用（Newman，2007;李丽平等，2013;辛欣等，2017）。与海洋温度类似，不同时间尺度上的海洋盐度响应不同，同时对海洋温度起着调制作用（Zhang et al.，2015）。促使上层海洋盐度收支变化的主要因子是表层平流作用、垂直混合卷夹作用和表层强迫。其中，淡水通量（Fresh Water Flux，FWF）引起的表层强迫是影响海表面盐度（Sea Surface Salinity，SSS）变化的最重要强迫因子（Durack et al.，2012;Friedman et al.，2017），它的强度代表了气候系统的海-气相互作用的强度（Vinogradova and Ponte，2013）。研究发现大约86%的蒸发与78%的降水位于海洋中，FWF与SSS在长期的平均气候态上以及趋势上存在空间分布一致性（Durack et al.，2013），而且也在多种尺度上存在着很好的相关关系，而且它们的变化和气候变化密切相关。通过研究它们之间的关系，可以从更广泛的角度理解气候变化，提高气候预测准确性。

证据表明北太平洋SSS不仅存在着长期的变化趋势，而且对应FWF的变化也表现出明显的年代际异常特征。观测发现在1980—2007年，SSS不仅以（-0.024±0.011） psu/（10 a）（1 psu=1 g/kg）的趋势变化揭示了海盆尺度淡化的趋势，而且在1980—1999年期间的PDO正相位和2000—2007年间的负相位期间，北太平洋SSS分别以（-0.840±0.013）和（0.361±0.036） psu/（10 a）的变化趋势显示出明显的年代际差异。许多学者通过盐度和FWF的关系进一步研究盐度和水循环的关系，发现SSS与FWF的关系依赖于区域、时间以及空间尺度的差异（Boyer and Levitus，2002;Curry et al.，2003;Chen et al.，2012;Durack，2015;Schneider et al.，2017）。例如，不同区域盐度与FWF的关系各不相同。加之，在全球变暖的背景下，海洋的蒸发量增大，水循环过程中大量的水蒸气进入大气，使FWF在降水量大的区域越来越小，在蒸发量大的区域越来越大，直接的结果导致了海洋盐度发生变化（Held and Soden，2006）。

本文从北太平洋盐度变率入手，利用简单海洋数据同化数据集（Simple Ocean Data Assimilation，SODA）再分析资料，研究北太平洋地区盐度变化，同时，对关键区域SSS与FWF进行超前滞后关系分析，得到北太平洋盐度与FWF的依赖关系。本文将从以下几个部分进行分析：第1节介绍使用的资料与方法;第2节对北太平洋SSS变化进行分析，并根据其标准差进行分区;第3节对关键区域SSS变化及其原因进行分析，得出关键区SSS变化与FWF的关系;第4节对研究结果的总结与并进行讨论。

1 资料和方法

使用的盐度资料来自美国马里兰大学提供的3.3.1版本的SODA再分析逐月海洋资料，时段从1915年1月—2013年12月，分辨率为0.5°×0.5°，垂直共40层（Carton and Giese，2008）。降水资料来自全球降水气候计划的资料（Global Precipitation Climatology Project，GPCP;Adler et al.，2012），资料的时间段从1979年1月至今，分辨率为2.5°×2.5°。蒸发资料由美国国家大气和海洋局提供的客观分析的海洋-大气通量资料（Objectively Analyzed air-sea fluxes，OAflux），时间段从1958年1月至今，分辨率为1°×1°（Yu，2007）。针对上述资料的时间匹配性，盐度、降水和蒸发都截取了1979—2013年，研究区域选取北太平洋地区范围为120°E～120°W、20°～65°N。使用的FWF定义为蒸发（Evaporation，E）-降水（Precipitation，P），单位为m/a，在计算中为确保资料格点一致性，将所用资料的空间网格统一插值为1°×1°。

2 北太平洋地区盐度变化

2.1 北太平洋地区海表面盐度趋势及变率

对于北太平洋SSS变化，需要了解北太平洋地区SSS的变化趋势以及周期等基本要素。对1914—2013年北太平洋地区SSS距平的时间序列做11点平滑得到图1a。可见，1914—2013年北太平洋地区SSS总体呈现为逐渐增大趋势，但在不同时期具有波动性，如1922、1942、1972和2000年出现下降趋势，1947、1977、2003年出现上升趋势。1914—2013年盐度距平时间序列的功率谱分析（图1b）表明，北太平洋地区主要存在25～30 a的周期变化，同时北太平洋地区盐度存在年际和年代际变化。可以看出，存在3～4个年代际变化周期分别为，1914—1940年、1940—1975年、1975—2003年，2003年之后年代际变化规律还需要更长的时间来进行规律的总结。有学者通过分析观测数据发现，在1925、1947、1977和2003年左右存在着PDO的相位转换（Mantua et al.，1997;Mantua and Hare，2002;Newman，2007），这样的相位转换时间与盐度的振荡存在明显的对应关系，可以推测PDO与北太平洋SSS的变化在年代际存在联系

从北太平洋SSS距平的时间序列还可发现，尽管1914—2013年SSS存在逐渐增大趋势，但1979年之后SSS的增大趋势逐渐减弱消失。例如，1979—2003年北太平洋SSS出现长期下降趋势（图1c），与1914—2013年北太平洋SSS變化趋势相反，原本不断增加的盐度出现了停滞，这一现象一直持续到了2003年，才重新出现了增加的趋势。

针对1979—2003年北太平洋地区SSS趋势减小以及盐度趋势随后的逆转，对1979—2013年进行分析。由功率谱分析（图1d）可见，1979—2013年SSS存在7～12 a的周期变化，说明1979—2013年存在年代际变化。尽管年代际变化不显著，这个现象可能因为年际信号较强减弱了年代际变化信号，导致1979—2013年间的SSS变化的时间序列，主要以年际变化为主，在2003年前减小，2003年后增大。同时在2003年前后，SSS变化同步伴随着PDO相位转换的情况，进一步验证了北太平洋地区SSS的变化与PDO的相位变换存在显著的相关关系，这个结果与Newman（2007）提出的结论相同。

2.2 北太平洋地区海表面盐度变化的显著区域

为了表征北太平洋SSS空间变化特征，以北太平洋SSS在1979—2013年期间的标准差的大值区域为依据进行分区。标准差的大值区表示SSS的变化显著区域，通过这些区域的SSS变化可以进一步推测影响北太平洋地区的SSS变化的主要因子。图2 为北太平洋地区SSS标准差分析，看到SSS变化显著的区域主要位于黑潮延伸区以及北太平洋中部偏东区域，这个区域的SSS变化较大。该地区 SSS变化较大可能与黑潮延伸区存在较强的涡旋输送有关系（Talley，2008）。黑潮延伸区也是北太平洋地区降水较多的地区，大量的降水进入海洋，造成SSS变化（Yeh et al.，2017）。进一步细划SSS标准差，得到两个关键区域，分别位于北太平洋中部偏东与偏西的位置，为方便之后称呼，将两个区域分别命名为A区（158°E～162°W，38°～43°N）和B区（157°～145°W，33°～41°N）。A区域位于北太平洋最活跃的黑潮区，该区域的海洋平流作用较强，是北太平洋涡旋输送的主要区域。黑潮区也是北太平洋地区降水最多的区域，受这些因素影响，盐度的变化较大。在北太平洋地区，海表面温度变化的最大振幅区域位于黑潮及其延伸区，海表面温度的变化，影响降水，进而改变FWF。故受到海表面温度变化影响，SSS出现响应（Schneider et al.，2017）。B区域位于北太平洋中部偏东位置，造成该地区盐度变化的主要原因是模态水以及北太平洋涡旋输送的影响。同时B区受到北太平洋西风的强迫，促使表面平流存在年代际变化，在40°N以南区域影响了SSS变化（Yeh et al.，2017）。

2.3 SSS关键区与北太平洋SSS变率的关系

根据图3所示的分区，分别将所选关键区域的SSS与北太平洋地区SSS进行变率对比以及相关分析。结果表明，A区域与北太平洋SSS的变率相关系数为0.50（通过0.01信度的显著性检验），B区域与北太平洋SSS变率的相关系数为0.52（通过0.01信度的显著性检验）。两个区域在1979—2013年SSS的时间变化与北太平洋地区的SSS时间变化相关性较强。但在个别的时间段存在差异，两个区域与北太平洋地区变率差异的时间段各不相同，A区的差异主要体现在1979—1984年与2008—2013年，在1984—2008年间具有较好一致性。B区仅在20世纪90年代后期存在差异，其余时间具有较好一致性。从上述相关系数得到，A和B区域均能代表北太平洋SSS时间变化。造成A区域和B区域与太平洋盐度变化一致的主要原因是，A区域与B区域位于北太平洋变化最显著的区域，在这个区域，海洋平流作用较强，降水量较大，这两项主导了北太平洋盐度变化。

2.4 关键区盐度趋势与变率

图4a中可以看到，1998年以前，A区SSS变化没有明显趋势，自1998年以后，A区SSS出现了增长趋势，在2008年达到了最大。在功率谱分析中（图4b），A区域存在8～11 a的周期（通过红噪声检验），并同时存在年际与年代际变化。B区的SSS趋势的年际变化较为明显，在2000年以前主要以年际变化为主（图4c），年代际变化不明显。与A区相似，以2000年为时间起点B区同样出现了增加的趋势，在2009年到达最大值。A区与B区在2000年前，SSS的趋势都不明显，而在2000—2009年出现剧烈的增长。这样的趋势变化与北太平洋地区1979—2013年的变化相似（图1c），其中A区的变化周期与北太平洋SSS变化相似，同时存在年际变化与年代际变化，B区域的变化周期相比较小，主要变化周期为4 a，年际变化显著（图4d）。与1914—2013年北太平洋SSS变化（图1a）的突变时间点相似，2000年这个时间点同样为PDO相位转换的时间点，所以A区域与B区域在这个时间点出现突然增加的趋势可能是由于PDO的位相转换引起（Mantua et al.，1997;Mantua and Hare，2002）。

3 关键区SSS变化及其原因

3.1 关键区海表面盐度收支

根据盐度收支方程，影响SSS的因子主要分为内部调整和表面强迫，内部调整包括表面的平流作用以及次表层的垂直混合，表面强迫主要是FWF引起的表层强迫作用（Kao and Yu，2009）。在北太平洋地区，由次表层所引起的垂直强迫和表面的平流强迫均较弱（Dong et al.，2015），故主要考虑平流强迫以及FWF引起的表层强迫作用。

从A区、B区的SSS变化与平流作用的关系（图略）来看，SSS变化与局地的平流作用关系较小，仅在同期相关时A区的东部出现正相关区域，以及B区的小部分地区存在负相关，同北太平洋的SSS与平流作用关系相同，相关系数超过±0.5区域较小，相关关系不显著。故从盐度收支方程得知，内部调整对于北太平洋地区的SSS影响较小，故主要从表面强迫的角度对A区和B区的SSS变化进行分析。

3.2 关键区FWF与SSS变化的关系

为分析北太平洋FWF与SSS变化的对应关系，将图2所划分的A区与B区的SSS变化分别与北太平洋FWF变化求取逐月超前滞后相关（图5）。结果表明，A区出现FWF异常后，出现SSS异常响应，响应超前SSS变化20 mon时达到最强，相关系数为0.56。B区的SSS与FWF的相关关系在不同的时间段内表现不同，即当FWF超前盐度长于10 mon时都表现为负相关，而FWF滞后盐度16～24 mon为正相关，41 mon时出现最大值为0.43（通过0.01信度的显著性检验）。

从盐度的收支分析，FWF减小导致盐度减小，FWF增加意味盐度增大，其相关关系为正相关关系。当A区FWF超前SSS 20 mon时以及B区FWF滞后SSS 16 mon时，FWF与SSS是正相关关系。但FWF与关键区SSS在一些时间段内，存在着负相关，产生负相关的主要原因可能是北太平洋的涡旋输送作用，在黑潮及其延伸区域存在较强的涡旋输送现象，北太平洋模态水伴随涡旋在北太平洋中部由西向东输送（Yasuda and Hanawa，1997）。在北太平洋涡旋输送的影响下，A区的FWF发生变化后，盐度快速响应，形成盐锋。B区位于A区东部，为北太平洋涡旋输送的下游地区，盐锋经过涡旋输送，来到B区，使得B区的SSS变化出现负相关关系（Yun，2003）。

将A区与B区的SSS变化分别与北太平洋地区的FWF变化进行空间超前滞后相关分析。结果表明，A区域SSS变化与北太平洋FWF变化存在较大范围的正相关，主要正相关区域在黑潮延伸区，也就是关键区A的东部（图6），其中正相关系数最大区域位于太平洋中部的位置，最大值为0.82（通过0.01信度的显著性检验）。

同时在西太平洋暖池北部，也存在较大的正相关区域，最大值为0.73，产生这样变化的原因与日本暖流的存在有关（Yeh et al.，2017）。与此同时，在靠近热带地区存在较大区域的负异常，最大值为-0.67。而在中纬度地区，正相关大值区主要位于中西部，在东部太平洋地区除了靠近赤道地区外，没有较明显的相关关系。从整体的空间分布上来看，A区位于北太平洋西部，黑潮及其延伸区域。特别是正相关关系最大的区域，所显示的时间段内基本没有出现偏移，并且相关系数超过0.7。大值区域随着FWF超前的时间变短，相关关系的大值区域会向东移动，比较图6a与图6g可以得到，大值区域从西太平洋移动到了东太平洋。当FWF超前SSS变化的时候，影响A区SSS的FWF主要来自于黑潮及其延伸区，主要位于北太平洋中部偏西，当FWF滞后于SSS变化时，影响的SSS的FWF主要来自于北太平洋中东部。

通过北太平洋FWF与B区SSS空間逐月超前滞后相关系数空间分布得到图7。结果表明，B区SSS变化与北太平洋中部FWF变化存在正相关，正相关最显著区域大致位于关键区B的西北侧，数值最大值为0.81。与B区域SSS正相关的FWF区域，主要位于B区域的西北部，在东北太平洋。在靠近北美洲大陆的地方同样存在正值区域，但是由于靠近大陆的地表径流以及靠近极地地区的融冰影响，所以影响FWF的因素存在不确定性，所以暂时不考虑，主要关注位于北太平洋中部地区的大值区域。随着FWF超前的时间变短，正相关区域并没有出现移动。也可以看到，在北太平洋北部靠近北冰洋地区出现负相关，由于靠近北冰洋，该地区海冰对于FWF影响较大，出现的负相关关系可能与海冰有关。

4 结论

本文研究发现北太平洋SSS变化在1914—2013年存在着25～30 a变化周期，表明在北太平洋SSS变化呈现出明显的年代际变化。在分析近年的SSS趋势时发现，1979—2003年SSS也存在长时间的趋势减小，在2003年后趋势增加，故将1979—2013年期间的SSS变化提取出来进行具体分析，1979—2013年北太平洋SSS存在7～12 a变化周期，以2003年作为时间节点，存在先减小再增加的趋势。对1979—2013年SSS变化显著区域进行分析，将变化显著区域进行划分，得到关键区域A和B。A与B区域与北太平洋的SSS变率存在较好相关性。A区域与B区域在2000年前，均存在SSS减小的趋势，在2000—2009年明显增长。这样的趋势变化与1979—2013年北太平洋SSS的变化相似。而且在观测中也得到了验证（Di Lorenzo et al.，2005，2008）。

将北太平洋SSS与FWF气候态进行对比发现，两个变量的气候态分布与Durack et al.（2012，2013）和Yin et al.（2010）的结果相似。将A区与B区的SSS变化分别与北太平洋FWF变化进行超前滞后相关，发现A区SSS变化与FWF变化存在较大范围的正相关区，正值区大部分位于关键区A的东部，大值区域随着FWF超前的时间越来越短，相关关系的大值区域也会向东移动。B区SSS与北太平洋中部存在正相关，正相关最显著区域主要位于关键区B的西北部，随着FWF超前的时间变化，正相关区域并没有出现移动。这些结论可以解释北太平洋的SSS变化的原因。所得到的SSS与FWF的超前和滞后性质可以作为预测北太平洋的气候变化的指数，这一点将在今后进一步研究。

在研究中同樣存在以下问题，现如今所能使用的盐度的准同步、连续、大范围的全球海洋环境资料为Argo资料，再分析资料主要以EN与SODA资料为主，但再分析资料与观测资料存在差异（Ingleby and Huddleston，2007;Carton and Giese，2008），对于分析结果存在着不确定性。由于Argo计划于2004年开始，资料年限较短，对于研究海洋年代际变化存在局限性（Wang et al.，2013），故在进行长时间的海洋研究时仍然使用再分析资料，同时期待更精确的模式资料或者再分析资料能够对SSS进行更准确的研究。在关键区的选择上同样存在局限性，由于SSS的变化依赖于区域、时间以及空间尺度的差异（Curry et al.，2003），当选取不同的时间段时会出现关键区域的漂移，从而使得关键区域发生变动，相对应的结论可能出现不同，未来针对北太平洋SSS与FWF的关系可以从探讨不同的时间段下不同的关键区域，及影响关键区域的FWF是否发生变化来进行。研究中同样可以尝试多种分区方法，例如以经验正交函数分解（Empirical Orthogonal Function）的主要模态作为分区依据等（Friedman et al.，2017）。本文中对SSS的收支方程仅以统计方式呈现，在北太平洋不同区域，SSS所受到的影响因子不同，在未来可以通过计算讨论每一个影响因子对关键区域SSS的影响，将北太平洋地区SSS进行更为准确的研究（Kao and Yu，2009）。FWF的定义以及计算同样存在疑问，出现这样的问题主要原因是因为海洋中的降水与蒸发资料相比盐度资料来说，不确定性更大。其余的融冰以及地表径流量注入的资料准确性存在局限性（Zhang and Wu，2012），所以在考虑计算FWF时，未考虑北太平洋副极地地区存在冰川融水，以及亚洲大陆与美洲大陆海岸线的陆地径流，未来期待出现更准确的蒸发，降水，融冰和地表径流的资料，从而对于FWF的定义更精确，对SSS变化进行更深入的研究。

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Sea surface salinity variation in North Pacific and its relationship with fresh water flux from 1979 to 2013

WEI Xiang，ZHI Hai，FANG Zhujun

School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Using ocean reanalysis data，this paper studies the variation of sea surface salinity （SSS） in the North Pacific and its relationship with fresh water flux （FWF）.Results show that SSS has an increasing trend from 1914 to 2013，with a periodic change of 25—30 a;From 1979 to 2013，SSS decreases first and then increases，with a periodic change of 7—12 a.The active areas of SSS variation in the North Pacific are located in the Kuroshio and its extension area （Area A） and the eastern central North Pacific （Area B）.SSS in Area A and Area B shows a decreasing trend before 2000 and an obvious increasing trend from 2000 to 2009.Variations of SSS in Area A and Area B are significantly correlated with variation of FWF in the North Pacific.SSS in Area A is greatly affected by local FWF （The maximum correlation coefficient is 0.56 when FWF leads 16 months），and SSS in Area B is less affected by local FWF （The maximum correlation coefficient absolute value is 0.21 when FWF leads 20 months）.Correlation between FWF in the North Pacific and SSS in Area A shows that there is a large range of positive correlation area，which is mainly located in the extension area of Kuroshio （east of Area A），and the high value area of positive correlation moves eastward with the shortening of FWF lead time.Corresponding to the interdecadal variation of temperature in the North Pacific，SSS also has significant interdecadal variation，and the variation of SSS in key areas of the North Pacific can characterize the North Pacific climate variability，which can be used as an alternative index of the North Pacific climate variability.

sea surface salinity variation;fresh water flux;North Pacific

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190301001

（責任编辑：张福颖）