南海海表温度日变化特征及其影响因素研究

罗嘉琪，李响，张蕴斐，史珍

（国家海洋环境预报中心自然资源部海洋灾害预报技术重点实验室，北京 100081）

0 引言

海表温度（Sea Surface Temperature，SST）是表征海气相互作用的重要因子，是两者相互作用的结果体现，同时也是影响气候系统变化的重要参数。海表是大气的下边界，许多海洋与大气之间的物质、能量交换都发生在海表，交换过程对海洋表面的温度及其变化十分敏感。海表温度日变化（Diurnal Sea Surface Temperature，DSST）定义为每日最高和最低海表温度之间的差值[1-2]。DSST 通过改变热量和气体通量、大气环流和大气边界层高度来影响海气相互作用[3]。

DSST 的首次观测记载于20 世纪40 年代，当时的DSST 数据大多来源于船舶的原位观测[4]。20 世纪70年代，首次出现了大范围海温日变暖事件的相关记录，CLAYSON 等[5-6]观测到非洲西北部出现了DSST 超过1 ℃的现象。早期研究表明，中低纬DSST幅度平均为0.2～0.6 ℃，在晴朗无风的情况下可达1.5 ℃左右[1]，极端情况下甚至可以达到6 ℃[7]。即使在北极，也会发生明显的海温日变化事件[8]。KARAGALI 等[9]使用卫星遥感数据研究了大西洋、地中海等地SST 日循环的变化特征，认为高纬度地区DSST 比低纬度地区更加剧烈，因为热带地区的海洋洋面具有温暖稳定的水温、持续的信风及较高的降水率，导致热带地区DSST 信号较弱。MORAKBOZZO 等[10]使用浮标数据研究了10°纬度带的SST日循环，显示其峰值出现在当地时间15 时左右，并存在向赤道方向有振幅增加和季节性减弱的现象。KAWAMURA 等[11]研究了印度洋-太平洋暖池在发生热事件时的DSST，结果表明每日SST 最大值出现在当地时间15时，海温最小值出现在当地时间07时。林鹏飞等[12]用12 a的卫星观测资料验证了气候系统海洋环流模式模拟的东太平洋冷舌区SST 日变化特征，并指出该区域SST 日变化主要受太阳辐射和垂直混合的影响。SHENOI 等[13]用19 a 的观测资料指出北印度洋DSST 在春季最大，其中75%～80%的观测报告显示DSST 小于0.5 ℃。王剑等[14]用30 a 的浮标观测资料研究了中低纬DSST 的特征分布，结论表明北半球的平均DSST 高于南半球，DSST 具有明显的季节变化特征。LI 等[15]研究发现在所有的海盆中都存在明显的DSST 现象，大西洋和太平洋的DSST 受日照变化向南北向发展，而印度洋海盆的季风变化是DSST 的主要影响因素。PRICE等[16]在马尾藻海发现海温昼夜变化取决于表面加热和风应力。YANG 等[17]通过对孟加拉湾和赤道以南地区DSST 的分析，证实了一年中最大的DSST 发生在季风过渡期，且会出现两个高峰（3—4月和10月）。

DSST 在影响海气通量交换的同时，也会对长时间尺度的大气过程产生影响[2]，由于低纬度地区的自然气候波动对SST的变化非常敏感[11]，因此这种影响在热带地区和副热带地区尤为明显。DSST 被证明与热带季节内震荡（Madden-Julian Oscillation，MJO）和厄尔尼诺-南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）现象有着不可忽视的联系。KAWAI等[18]利用4 a 的卫星遥感数据研究了西太平洋DSST 的时空变化，指出DSST 不能直接对MJO作出响应但受MJO 影响。BERNIE 等[19]指出DSST会影响西太平洋暖池上空的大气，SST 的昼夜变化受MJO 调节，因此增加了对MJO 不同阶段的季节内SST 响应。杨洋等[20]利用7 a 的浮标观测数据采用合成分析的方法研究了MJO 对DSST 特征的影响，指出DSST与MJO对流呈直接反位相关系，即对流活动强时DSST 弱，对流活动弱时DSST 强，受MJO的影响印度洋DSST具有显著的季节内变化特征。GE 等[21]的模拟结果表明DSST 分辨率的改善有利于热带MJO 的观测和模拟。WELLER 等[22]研究了阿拉伯海上层海洋对季风的响应，西南季风期间较强的风强迫使DSST 有所减小。SALISBURY等[23]认为DSST 及其昼夜周期变化调节了界面处的海气交换，理解这种变化可以对上层海洋和大气状态的预测产生积极影响。CLAYSON 等[5，24]认为在估算海表热量时使用省略DSST 信号的SST 数据会产生很大的误差，不包含DSST 的海洋模型可能会高估因混合引起的冷却效应和SST 的东西梯度差异，从而影响对ENSO 的判断。TIAN 等[25]通过模拟SST 的日变化发现厄尔尼诺期间的DSST 通常比拉尼娜期间更强。

目前，关于DSST 的研究大多集中在热带和副热带地区，尤其是天气系统频发的太平洋和季风现象明显的印度洋，且数据的时间跨度多局限在10 a左右，少有长时间尺度的相关研究。南海作为我国近海中唯一处于热带的海域，有着明显的DSST 现象，但针对南海DSST 变化的相关研究却十分有限。受东亚季风影响，强烈的水汽输送和海气耦合使南海的海气相互作用活跃，导致南海DSST 具有明显的时空分布特征[26]。臧楠[27]利用观测数据分析了南海季风前后DSST 的特征变化，指出夏季风爆发前SST 存在规则的日变化趋势，季风爆发后SST 日变化曲线变得不规则。TU 等[28]制作了南海地区4 a的SST 数据集并对DSST 做了简单分析，得出南海地区SST 呈类似正弦波的日循环周期，春季海温日变化现象明显。林锐等[29]简单分析了南海DSST 的时空特征，认为其在时间分布上冬季最小、春季最大，在空间分布上南高北低、东高西低。南海受西南夏季风控制，YAN 等[30]的研究表明在西南夏季风期间，由于季风在建立过程中被越南地区的山脉遮挡，南海西部山脉背风处的DSST 相对较大。 除上述特征外，YAN 等[31]还发现南海DSST 存在着年周期和半年周期，与DSST 年周期的振幅相比，半年周期振幅以17°N 为分界，17°N 以北的半年周期振幅小得多。

综上所述，受限于长时间序列高覆盖率的高频SST 数据的缺失，目前针对南海地区DSST 的研究还比较少，且研究结论也存在一定的不确定性。本文将采用国家海洋环境预报中心时间跨度为38 a的长时间序列高分辨率逐时SST 数据和欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的ERA5（The Fifth Generation ECMWF Reanalysis for the Global Climate and Weather，ERA5）再分析数据集，对南海海域DSST 的时空变化特征进行研究，并探讨其影响因素。

1 数据介绍

本文使用的数据包括国家海洋环境预报中心制作的全球高分辨率逐小时SST 数据以及ECMWF的ERA5再分析数据集。

高分辨率逐小时SST 数据为国家海洋环境预报中心研制的MLSST（Mixed-Layer Model Sea Surface Temperature，MLSST）[15]数据。该数据水平分辨率为0.312 5°×0.312 5°，时间分辨率为逐小时，数据覆盖全球范围。MLSST 数据由国家海洋环境预报中心开发的上层海洋混合层模式计算得到，其在天气和气候尺度上均具有较好的刻画能力，与浮标观测数据对比，平均偏差为-0.26～0.40 ℃。本研究中，该数据的使用时段为1982—2019 年，共计38 a，用于分析南海区域DSST的时空变化特征。

ERA5 再分析数据是ECMWF 的第五代全球气候和天气的再分析数据，也是最新一代再分析数据。ERA5 数据覆盖全球，具有0.25°×0.25°的水平分辨率、37 层标准气压层的垂直分辨率和逐时分辨率[32]。ERA5 产品比之前推出的ERA-Interim 等产品有着更高的水平和垂直分辨率，还提供了更多参量以供研究[33]。本文使用的海表风场、短波辐射通量、长波辐射通量、潜热通量及感热通量数据资料均来自ERA5 逐小时再分析资料，时间长度与MLSST 一致（1982—2019 年），该数据用于分析南海区域DSST特征的影响因子。

2 结果与讨论

2.1 气候平均态

图1 为1982—2019 年南海区域（105°～125°E，0°～25°N）DSST 日变化幅度的气候平均态。该区域DSST 平均为0.56 ℃，随纬度总体呈明显的北低南高的分布型态，且大值区分布在沿岸近海和10°N以南地区，开阔海域及10°N 以北地区的DSST 相对较小。10°N 以南地区的DSST 气候态大多在0.6 ℃及以上，以北地区多为0.4～0.5 ℃。沿岸近海地区的DSST气候态通常可达到0.6 ℃甚至更高，开阔海洋处的DSST约为0.5 ℃。

图1 1982—2019年南海海表温度日变化气候平均态（单位：℃）Fig.1 Climatological mean state of DSST in the South China Sea during 1982—2019(unit:℃)

已有研究表明，中低纬海域的DSST 幅度通常不超过1 ℃，DSST 大于1.5 ℃的日增暖现象在中低纬并不常见[14]。图2分别统计了1982—2019年南海DSST 幅度超过0.5 ℃、1.0 ℃、1.5 ℃的事件发生频率的空间分布，结果表明不同空间范围的发生频次略有差异，但共同点是离岸开阔洋面的DSST 更稳定。南海具有广阔的洋面，SST变化相对稳定，仅有约30%的DSST＞0.5 ℃。在10°N 以南海域，DSST＞0.5 ℃的事件发生更加频繁，与我国大陆南部近岸沿海地区的发生频次相近，几乎达到了35%以上。DSST＞1.0 ℃的现象并不少见，10°N 以南海域大约有至少10%的发生概率。DSST＞1.5 ℃的现象相对减少，空间分布显示其与DSST＞1.0 ℃和DSST＞0.5 ℃的统计结果相似，近岸沿海处DSST比开阔海洋变化更剧烈。

图2 1982—2019年南海海表温度日变化超过不同温度的事件发生频率的空间分布（单位：%）Fig.2 Spatial distribution of the frequency of events with DSST exceeding different temperature in the South China Sea during 1982—2019(unit:%)

2.2 季节变化

图3 为南海DSST 多年平均逐月的空间分布。从图中可以看出，南海DSST 呈现显著的季节变化特征，总体表现为DSST 在春季达到峰值，冬季达到谷值。南海冬季DSST 为一年的最低值，约为0.2～0.3 ℃，其后缓慢增强，3月进入春季后DSST迅速增强，并在4 月达到一年之中的最大值（0.7 ℃左右），而后夏季一直稳定在0.5 ℃左右且随月份增加有缓慢的减弱趋势，但在9月入秋后有小幅度回升，10月开始持续呈减弱趋势直至12月。冬季，沿岸近海的DSST 与离岸开阔海洋差别不大，但在另外三季，由于大陆和海洋之间存在热力差异，沿岸近海和离岸远海的DSST不同，其中春季DSST在离岸开阔洋面处比沿岸近海更大，夏季和秋季沿岸近海处的DSST明显高于离岸开阔海洋。

图3 1982—2019年南海海表温度日变化逐月分布（单位：℃）Fig.3 Monthly DSST in the South China Sea during 1982—2019(unit:℃)

YANG 等[17]通过敏感性试验，验证了6 种强迫场对孟加拉湾DSST 变化的影响，发现短波辐射通量的日变化和风应力是影响DSST 的主要因素，长波辐射通量、感热通量、潜热通量对DSST 也存在着不可忽视的影响。由于夜间不存在短波辐射，因此只需考虑综合辐射通量对海温日变化的影响。本文在考察南海区域DSST 季节变化的影响因子时除了考虑海表风速外，还将短波辐射通量、长波辐射通量、感热通量和潜热通量的作用效果叠加为净辐射通量进行分析。

高辐射、低风速可以使热量尽可能地聚集在海表[2]，高辐射持续对海表进行加热，低风速导致的弱湍流混合抑制了从海面向下的热量传输[34]，故SST在海表风弱且辐射变化强时变化更大。图4 和图5分别为1982—2019 年南海净辐射通量日变化和平均海面风速的季节变化。从图中可以看出，净辐射通量日变化的季节变化特征与南海DSST 的季节变化特征具有一致的变化趋势，最大值都出现在春季的4月，最小值出现在冬季；而平均海面风速的季节变化特征则呈现相反的变化趋势，最小值出现在春季，大值区域出现在夏季和冬季。南海季风在风速影响南海DSST 的过程中起重要作用，在季风建立期间，南海上方的平均纬向风由东风转为稳定的西风，海表面风速变弱，此时南海DSST 达到全年最高值。上述结果表明，春季是一年中净辐射通量日变化幅度最大但风速最小的季节，这导致南海区域DSST 在春季最大；冬季则相反，由于冬季南海海表的净辐射通量日变化最低，而强风又加剧了海表的热损失，进而抑制了DSST[4]，这是南海DSST最小值发生在冬季的原因。

图4 1982—2019年南海海表净辐射通量日变化逐月分布（单位：W/m2）Fig.4 Monthly diurnal variation of net radiation flux in the South China Sea during 1982—2019(unit:W/m2)

图5 1982—2019年南海海表风速逐月分布（单位：m/s）Fig.5 Monthly distribution of sea surface wind speed over the South China Sea from 1982 to 2019(unit:m/s)

南海位于季风区，夏季风对南海区域的天气和气候变化具有重要影响。采用张莉萍等[35]对南海夏季风建立与结束日期的定义，计算了1982—2019年南海夏季风建立和结束的时间序列距平（见图6）。从图中可以看出，南海夏季风的爆发时间平均在每年的第28.29 候，即五月，而结束平均在每年的第52.89 候，即9 月，季风爆发的时间前后浮动通常不超过6候（一个月）。南海的夏季有着一年中最长的日照时间和最强烈的短波辐射，但是由于夏季风为南海上方带来了对流降雨和强烈的表面风，引起了强烈的水汽输送[36]，导致到达海表面的短波辐射较少，进而导致南海DSST 的幅度在夏季反而不大。季风结束时间的前后浮动比建立时间偏小，通常不会超过4 候，因此从9 月开始，风速逐渐减小，南海上方的平均纬向风由西风逐渐重新转为东风，随着季风逐渐结束，南海DSST 在逐渐降低的过程中有回升现象。

图6 1982—2019年南海季风爆发（a）和结束（b）的时间序列距平Fig.6 Time series anomalies of the onset(a)and the offset(b)of monsoon in the South China Sea during 1982—2019

2.3 日变化

南海区域SST 呈现显著的日循环特征（见图7），即平均在08 时（北京时，下同）左右达到一天中的谷值，而在16 时左右达到峰值，其中DJF 代表12月—次年2 月，MAM 代表3—5 月，JJA 代表6—8月，SON 代表9—11 月。SST 日循环还表征出季节差异性，春季DSST 相对剧烈，幅度最大，而冬季DSST相对稳定，幅度最小。

图7 1982—2019年南海海表温度日循环Fig.7 Diurnal cycle of sea surface temperature in the South China Sea during 1982—2019

为了探究影响南海区域SST 日变化的成因，分别分析了南海区域平均海表净辐射通量日循环（见图8）和海表风速日循环（见图9）变化。

图8 1982—2019年南海净辐射通量日循环Fig.8 Daily cycle of net radiation flux over the South China Sea during 1982—2019

图9 1982—2019年南海海表风速日循环Fig.9 Diurnal circulation of sea surface wind speed over the South China Sea from 1982 to 2019

南海区域平均海表净辐射通量具有明显的日变化特征。18 时—次日08 时海表一直向外散发热量，08—18 时海表向内吸收热量，且在每日14 时左右达到峰值，由于海洋的热容较大，SST对净辐射通量的响应存在1～2 h 的延迟。从日出开始，海表开始吸收来自太阳的短波辐射，来自外界的辐射持续对海表进行加热，使SST 持续升高；午后，净辐射通量达到一天中的最大值，随后开始逐渐减小，但由于海表还未将吸收的热量全部转化为自身的热能，故此时海表仍处于升温状态；随着地球自转导致的净辐射通量逐渐减小，海表也开始随之降温；日落后短波辐射加热消失，海面上的大气持续净热损失使SST持续下降，夜间下降的幅度小于白天。

南海海面风速在一天中的变化较小，对SST 日循环的影响也相对较小。结合净辐射通量日循环特征的季节变化来看，春季风速低、辐射强的特征再次得到证明，因此南海在春季具有最大的DSST；冬季的风速虽然与夏季相差不大，但净辐射通量日变化比其他两个季节小的多；秋季受季风转向的影响，风速比夏季和冬季小，但比春季大得多。这表明风速对DSST 的影响是长期持续的，短期内很难有所体现。

图10 统计了南海SST 到达每日峰值和谷值时间的空间分布。与海表净辐射通量和海表风速日循环的结果一致，SST 的峰值出现在16 时左右，谷值出现在08 时左右。SST 的峰值与谷值在东西经向上都存在时间变化，西部到达每日峰值和谷值的时间比东部晚1 h 左右，这是由于地球自转引起经度每15°相差1 h 导致的；南北纬向上的差异不是很明显。由于大陆和海洋之间存在热力差异，在由于短波辐射不足使得开阔海洋迅速作出响应并开始呈现降温趋势的同时，大陆仍在加热近岸沿海处的海洋；早晨在开阔海洋已经开始吸收短波辐射而升温时，大陆仍在吸收来自沿岸近海的热量，因此沿岸近海SST到达峰值（谷值）的时间比开阔海洋要晚。

图10 1982—2019年南海海表温度到达日最大值（a）和最小值（b）的空间分布Fig.10 Spatial distribution of daily maximum(a)and minimum(b)sea surface temperature in the South China Sea during 1982—2019

3 结论与展望

本文利用国家海洋环境预报中心的高分辨率长时间逐时SST数据研究了南海区域SST日变化的时空分布特征，并使用与ECMWF 同时段的ERA5再分析数据探讨了SST 日变化特征的影响因素。主要结论如下：

①南海DSST 平均为0.56 ℃，总体呈现南高北低的纬向分布特征，DSST 高于1.0 ℃的事件时有发生，但是高于1.5 ℃的事件则相对较少。

②南海海域的DSST 存在显著的季节变化特征，通常在春季（4 月）达到峰值，而在冬季（12 月、1月）达到谷值。DSST 的季节变化主要受净辐射通量日变化和海面风速的季节变化影响，其与前者的季节变化呈现一致性，而与后者的季节变化则相反。南海季风在DSST 的季节变化中也扮演着重要的角色。

③南海海域SST 具有显著的日循环特征，平均在08 时左右达到一天中的谷值，而在16 时左右达到峰值。SST的日循环主要受海表净辐射通量日循环的影响，海表风速的日循环对其影响相对较小。

本文仅从净辐射通量日变化、海表风速和南海夏季风几个方面研究了其对南海DSST 的影响。有研究表明其他影响因素诸如降水、云量、海水的浑浊度等[9，17-18]对DSST的影响效果虽然不如净辐射和海表风速，但可能也是不可忽略的，未来将进一步深入开展此方面的研究。另外，除了DSST 的时空变化特征外，其长期趋势及其对区域天气和气候的影响也是非常重要的问题，这些研究将在今后的工作中进一步开展，以便更全面地理解南海DSST 在区域天气和气候中的重要作用。