基于再分析数据的南海三维温盐结构特征分析

2024-03-11谷浩然杨俊钢

数字海洋与水下攻防 2024年1期

谷浩然，杨俊钢，王斌，崔伟，陈前

（1.自然资源部海上丝路海洋资源环境组网观测技术创新中心，山东青岛 266580；2.中国石油大学（华东）海洋与空间信息学院，山东青岛 266580；3.自然资源部第一海洋研究所，山东青岛 266061）

0 引言

海水的温度和盐度是决定其物理性质的重要变量，了解海水温盐的空间分布特征以及随深度、季节的变化特征对分析海洋动力环境有着非常重要的意义。海洋内部温盐对海洋环流和海洋循环有着重要的调制作用。例如，由温度和盐度变化造成的海水密度差异是形成垂直和水平海洋环流的主要驱动力之一。在吕宋海峡以及中沙群岛周围，温盐分布的变化是导致局地环流，如盐度锋、热锋或上升流的主要原因之一。温度较高（＞26℃）的上层海洋是热带气旋生成和发展的能量来源[1]，台风的增强取决于上层海洋的温度结构，即上层海洋热含量（Tropical Cyclone Heat Potential，TCHP），TCHP 较大的海域更容易使台风增强[2]。因此，准确描述海洋三维温盐结构的状况，对加深海洋中各个尺度的动力过程的理解具有重要意义。

南海是我国重要的海上贸易通道，是东亚、太平洋与印度洋之间的交通运输枢纽，对于我国的外贸和国防非常重要。海洋三维温盐信息对于认识海洋现象动力机制、保障南海区域舰船航行安全等具有重要的意义。

1998年谢俊[3]等人利用现场观测数据并结合T-S 曲线图分析了南海全海域的水团分布特征。黄诚等[4]根据实测温盐数据分析了南海中沙群岛区域的温盐水平和垂向分布特征，并结合FVCOM 模型模拟数据分析了南海温盐季节性变化特征，以及极端天气在短期内对南海温盐结构的影响。魏晓[5]根据实测温盐分析得到了南海水平和垂向温盐分布特征，并结合夏季风和海面净热通量的影响，分析得出南海东部和南部表层海水存在着较厚的低温高盐水层。俞杰[6]等人根据ARGO 浮标观测数据并结合卫星遥感及锚定浮标观测资料，对2014年台风“威马逊”引起的上层海洋温盐响应进行了分析和研究，并通过计算混合长度和台风引起的垂向流速变化解释了温盐变化的原因。台风过境时会引起上层海洋发生强烈的垂向混合，加深混合层深度并导致下层的冷水被夹卷至表层，台风引起的垂向混合在夹带下层冷水至表层的同时，也将表层的暖水带至次表层，致使次表层增温，即“热泵”效应[7]。南海地区极端天气频发，了解上层海洋对台风的响应和反馈过程是提高预报极端天气精度的必要前提。

当前海洋温盐数据来源主要为现场观测和遥感观测以及数值模拟。卫星遥感能够获取高时空分辨率的海洋数据，但仅限于海洋表层，难以获取较深海域的海洋环境信息。当前水下温盐数据的获取来源主要依靠浮标实测数据，但现场实测数据难以实现较高的空间覆盖率。因此，对于海洋三维温盐结构的分析研究引入模拟数据是十分必要的。海洋再分析数据将海洋模式和观测数据相融合，能够提供时空连续的三维海洋数据。本文根据海洋再分析数据GLORYS12V1，分析了2020年南海三维温盐结构及其季节和年际变化特征。为了解极端天气下南海表层温度变化，基于再分析数据和卫星遥感数据，探讨了南海上层海洋对台风过程的响应。

1 南海概况

南海是位于太平洋最西部的边缘海，地形水深如图1所示，其最大深度约5 500 m，呈东北-西南向延伸的菱形海盆。其西部与安达曼海通过马六甲海峡相连接，在东部通过巴士海峡与太平洋相通。在地形上，南海中部有一个广泛的海盆，其附近海域被陆架所环绕。南海地区属于热带气候带，呈现热带海洋季风气候特征[8]。南海的洋流主要由季风驱动，形成复杂的环流系统。在东北季风期间，表层海流向西南方向流动，而在西南季风期间，则反转向东北方向流动。从5月下旬-9月，该地区主要受到西南季风的影响，而11月-翌年4月中旬，则盛行东北季风。年均气温保持在23～32.3℃之间，冬夏季节的温差相对较小。降雨量丰富，通常在1 500～2 000 mm 之间，南部地区更高，超过2 500 mm。该地区在5-10月经常受到台风和其他热带气旋、风暴的影响。这一气候形成受到多种因素的调控，包括低纬度热带天气系统的副热高压带、热带辐合带、热带低压和热带气旋等，同时还受到中、高纬度天气系统的影响。根据海洋再分析数据，南海正经历温度上升的趋势，这可能会对温盐环流的强度及其稳定性造成影响。

图1 南海地形图，黑色线为选取的垂直断面的位置（东经115°，北纬15°）Fig.1 Topographic map of the South China Sea，with black lines indicating the position of selected vertical cross-section（115°E，15°N）

2 数据与方法

2.1 海洋再分析数据

本研究使用的再分析数据为CMEMS 提供的海洋再分析数据产品 GLORYS12V1，GLORYS（Global Ocean Reanalysis and Simulations）是MyOcean框架下开发的一项全球海洋资料再分析系统，在加入同化数据的约束下使用较高分辨率的网格对全球海洋进行模拟。该产品的海洋模式为欧洲海洋模型中心NEMO Version3.1 和耦合海冰模式LIM2。GLORYS12V1 的同化方案选择降阶卡尔曼滤波算法，同时选择3D-var 修正温盐误差，用于同化的观测数据来自CMEMS 的高度计数据、海表面温度，以及CORA 数据库中的现场观测温度和盐度剖面数据和ARGO 浮标数据。该产品的时间分辨率为日平均，空间分辨率0.083°×0.083°，垂向0～4 000 m 共50 层，提供的海洋参数包含海表温度、盐度、海面高度、混合层深度和海冰参数[9]。本研究使用2020年GLORYS12V1 再分析数据开展南海温盐结构特征分析。

2.2 卫星遥感数据

海表面温度遥感数据来自GHRSST 的AVHRR OISST L4 网格产品，数据空间分辨率为0.25°×0.25°，由美国国家环境卫星数据信息服务中心（NESDIS）提供。GHRSST 成立于2002年，旨在促进国际协调，使用多传感器方法开发高分辨率、近实时SST 数据集。使用的海表面温度遥感数据由AVHRR 传感器获取，通过在最佳插值系统内结合互补卫星和现场观测生成的。本研究使用台风“威马逊”爆发期间卫星海表面温度数据，开展海表温度对台风过程的响应分析研究。

2.3 台风数据

台风路径及强度资料来自中科院南海海洋研究所的西北太平洋热带气旋最佳路径数据集CMA-STI。该数据集是在每年热带气旋季节过后根据所收集到的常规和非常规气象观测资料，对当年热带气旋的路径和强度资料进行整编，形成CMA-STI 热带气旋最佳路径数据集。台风资料时间分辨率为6 h。本文所使用的台风资料为2014年第九号台风“威马逊”期间台风路径数据。台风“威马逊”在楚克东部的西北太平洋海面上生成，2014年7月12日下午14 时，中央气象台将其升格起编为热带风暴。7月16日，台风“威马逊”登陆我国南海东部，之后向西北方向行进，于7月18日以17 级、60 m/s 的强度登录广东省雷州半岛，成为有气象记录以来登陆广东的最强台风。

3 温盐结构与季节变化特征分析

本文基于GLORYS12V1 海洋再分析数据，开展南海海水温盐空间分布和季节变化特征分析。

3.1 海表温盐空间分布与季节变化特征

海洋表层温度和盐度的变化对海洋物理环境和生态系统有着非常重要的作用[10]。表层温盐变化可以改变海气的相互作用，影响降水模式以及风向和风速，继而影响海洋热力、动力过程[11]。表层温盐变化是热带大气循环的重要组成部分，这些循环通过在全球范围内输送热量和物质，对气候和海洋生态系统产生深远影响[12]。

本研究对2020年再分析温盐数据进行月平均处理，得到全年月均温盐水平分布图，如图2 和图3所示。从图2 可以看出，南海月均SST 在25～32℃范围内[13]。在空间分布上，南海秋冬季节SST 温差明显，整体呈西北低、东南高的分布特征，东沙群岛与西沙群岛附近海域海表面温度高于其他海域2～3℃，春夏两季SST 温差较小，相较于秋冬两季，无明显条带状温差分界，这也表明了西沙群岛附近海域海水性质相较于其他海域更加稳定，季节温差变化较小。南海月均海表面温度1-9月呈上升趋势，其中1-4月变化较为平缓，4-5月升温较快，表现出明显季节特征，全年最高温度出现在8月黄岩岛附近海域，为33.5℃左右。9月-次年1月，南海区域SST 呈下降趋势，其中，9-10月温度下降明显，南海最低温度出现在1月份中沙大环礁北部，约为22℃。

图2 月均海表面温度分布Fig.2 Monthly distribution sea surface temperature

图3 月均海表盐度分布Fig.3 Monthly distribution sea surface salty

南海月均盐度空间分布相较于温度更为稳定，南海北部表层盐度略高于南部，无明显空间差异。全年表层盐度最小值为32.5 psu，最大值为35 psu。表层盐度全年最低月份为1月，约为32 psu，1-6月南海表层盐度整体上呈缓慢上升趋势，平均盐度约为34 psu，其中6月盐度最大，约为34.7 psu。6月以后，南海表层盐度开始下降，一直持续到12月初，在12月-次年1月盐度达到最低，然后盐度再次开始缓慢上升。

3.2 温盐垂直分布及季节变化特征

为了解南海温盐的垂向结构特征，本文根据再分析数据提取了南海东经115°和北纬15°温盐断面数据进行分析[14]。图4-5 清楚地显示，中沙群岛（东经115°，北纬15°附近）南北两侧表层海水温度差异较为明显，而纬向剖面显示该部分区域东西两侧没有明显差别，这表明中沙群岛不同区域海水温度特性存在较大差别。月均数据分析结果显示，随着深度增加海水温度季节变化越小。受大气降雨影响海水表层盐度低于其他深度盐度，280 m 以浅的海水，海水温度随深度增加而下降且速率较快，约为0.07 ℃/m，该深度的海水存在显著的季节变化特征，全年最大温差约为3℃。300 m 以深的海水，温度随深度变化缓慢，约为0.01 ℃/m，无明显季节变化特征。300 m 以深海域随经纬度变化不明显，表明水深越深海水的季节变化与空间变化越小。南海盐度垂向季节变化表现为春秋季节高于夏季和冬季，表层盐度受降雨量影响较大，盐度最低值在南海台风多发季10月出现，约为33.2 psu。

图4 北纬15°断面温度月均变化（单位℃）Fig.4 Monthly temperature variation at 15°N section

图5 东经115°断面温度月均变化（单位℃）Fig.5 Monthly temperature variation at 115°E section

本研究以南海中部海域（东经115°，北纬13°）点位温盐剖面为例，分析海水温度和盐度随水深变化特征[15-16]。月均温盐剖面如图6所示，该位置各月份温盐剖面具有相似的垂向变化特征，垂向温盐梯度较小，温、盐跃层深度基本一致，约为50～120 m。盐度剖面显示，海水盐度在0～180 m 随深度增加而增加，180～380 m 随深度增加而减小，380 m 以深海域度盐度随深度增加而增加。温度剖面显示，温度随深度变化趋势从表层开始，随深度增加而减小。南海整体上呈表层海水高温低盐，底层海水低温高盐。本文根据月均再分析数据，利用垂向梯度法[17]计算了2020年南海温跃层深度分布图，该方法首先计算海水温度的垂直梯度，梯度大于0.05℃/m 即为温跃层所在区域，满足梯度0.05 ℃/m条件最上层的深度即为跃层上界，最下层深度即为温跃层下界深度。南海月均温跃层深度如图7所示，南海跃层深度分布具有明显季节变化特征，南海秋冬季节温跃层深度普遍大于春夏两季。南海地区温跃层深度变化与海面精热通量和海风有关。秋冬季节南海地区盛行东北季风，同时海面净辐射通量较低，风应力搅拌作用加强了海水的垂向混合，表层的低温海水使得海洋上层层结不稳定，从而使得温跃层深度加深[18]。春夏两季太阳辐射增强，整个海域风力较小，这使得表层海水温度升高垂向混合减弱，从而温跃层深度整体上升。

图6 115°E，13°N 点位月均温度、盐度随深度变化趋势Fig.6 Trend of monthly average temperature and salinity changing with depth at 115°E，13°N

图7 南海月均温跃层深度Fig.7 Monthly average thermocline depth in the South China Sea

4 台风过程的温度响应分析

本研究以台风“威马逊”为例，利用海洋再分析数据和AVHRR OISST 遥感数据开展台风前后海表温度变化特征分析。一般而言，台风过境前后海洋上层海水温盐结构以及混合层深度会发生较大改变[18-19]。台风期间再分析数据海表温度如图8所示，该数据未能体现出“威马逊”过境期间海表温度变化。此外，本文还基于GLORYS12V1 数据对2019年第29 号台风“巴蓬”、2020年第2 号台风“鹦鹉”、以及2020年第17 号台风“沙德儿”过程前后的海表温度进行分析，发现再分析数据在台风期间未体现出明显的海表温度变化。JEANMICHEL[20]指出GLORYS 同化系统的性能明显依赖于实测数据观测系统，由于南海地区ARGO 浮标稀少，导致该分析数据可能无法反映出南海地区台风期间海洋上层温度变化这一小尺度特征。

图8 台风“威马逊”期间GLORYS12V1 表层温度Fig.8 Surface temperature of GLORYS12V1 during Typhoon Rammasun

台风期间遥感海表温度如图9所示，遥感数据能够较好地反映台风期间海洋表层温度变化。台风登录期间南海区域整体上出现了大范围降温，中沙大环礁北部海域降温明显强于其他海域。系统地描述上层海洋对台风过程地影响，对提高台风路径及强度地预报有着重大意义[21]，准确地获取台风期间的海洋数据是研究上层海洋变化的前提。从图9 可以看出，台风发生前南海北部海表面温度大约在30℃，2014年7月16日台风进入南海黄岩岛附近海域，当天该海域海表面温度无明显降温，南海西北部部分海域海表面温度略有升高，这可能与台风引起的次表层温度变化与混合作用和上升流的主要地位有关，当混合作用强于上升流时，表层与次表层温度升高，反之则温度下降。台风随后继续向西北方向行进。7月17日，台风到达中沙群岛附近海域，南海东南部出现明显降温，黄岩岛西北部海域当日降温2～3℃。2014年7月18日，台风到达海南岛西北部，强烈的海-气交互作用导致当日西沙群岛东北部海表面温度急剧下降，部分海域降温可达5℃以上。