南海海表温度的低频变化及影响因素

李 娟,左军成,李艳芳,张 蓓,陈嫣红

(1.河海大学物理海洋研究所,江苏南京 210098;2.中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛 266100)

海表温度不仅是用于描述海洋表层热状况的主要指标,其异常还是海洋影响大气环流和气候变化的重要因子.在海气相互作用研究中,海表温度一直是人们观测、研究和预报的重要对象.作为太平洋的西边界以及与人类生活的陆地紧密相连的边缘海,南海海表温度的长期变化颇受关注[1].

南海是位于热带的一个半封闭深水海盆,是典型的季风区,季风决定着南海环流的基本状况,从而影响南海海表温度的变化规律和空间分布.大气主要通过风应力向南海提供动量,从而影响和驱动南海上层海洋环流.上混合层海水充分混合近乎均匀,因此,海表温度可以很好地表征上混合层温度[2-3].随着全球气候变暖,海洋平均温度也逐渐升高,1961—2003年期间全球上层700 m平均升温0.1℃[4].在太平洋,气候变暖导致了厄尔尼诺事件从20世纪70年代末开始特征显著改变,周期变长、强度增大[5-6],使得海表升温更为突出.南海中部的海表温度与南方涛动指数(SOI)和厄尔尼诺指数(MEI)有较好的相关性[7-8],南海季风与海表温度有着较好的相关性[9].Ashok等[10]提出了一种新的太平洋海温异常的分布形式,其特点为中太平洋海温异常偏高,而西、东太平洋海温异常偏低,呈现出“三级型”的海温分布特点,称之为El Ni～no Modoki.El Ni～no Modoki对南海海表温度的影响目前尚未见到相关文献.

关于大洋海表温度变化的研究已取得很多成果,但南海海表温度的低频变化及其影响因素的研究成果还不够理想,尤其是还没有文章涉及EI Ni～no Modoki对南海海表温度的影响.本文利用HadISST1海表温度资料,对南海海表温度场时空特征和年际、年代际变化进行研究,并探讨厄尔尼诺(Ni～no3)、太平洋年代际振荡(PDO)和表面风对南海海表温度场的影响,以及EI Ni～no Modoki对南海海表温度的影响.

1 资料及分析方法

本文使用的海表温度数据来源于Met Office Hadley Centre的全球月均海表温度资料(HadISST1)[11],覆盖全球,空间分辨率为 1°×1°,选取的时段是1953—2010;表面风场来源于NCEP/NCAR的再分析月均资料,空间分辨率是2.5°×2.5°,时段为 1950—2010年 ;海域范围为(0°N ～ 25°N,100°E ～ 125°E).

El Ni～no Modoki指数(IEMI)[9]由下式计算:

式中,T为区域平均海表温度异常值,CP代表的海域为 (165°E～140°W,145°E,10°S～20°N),WP代表的海域为(125°E ～145°E,10°S ～ 20°N),EP 代表的海域为 (110°W～ 70°W,15°S～ 5°N).

本文利用经验正交函数分解法(EOF)分析南海海表温度异常场的时空变化特征,运用随机动态分析方法[12]分析南海海表温度的变化周期和长期变化趋势,根据相关分析探讨南海海表温度与表面风场的关系.

2 结果和讨论

2.1 南海海表温度的时空变化特征

南海海表温度变化幅度存在较大的空间差异,由南向北逐渐增大,台湾海峡和北部湾是变化最剧烈的海域,最小值出现在南海东南部海域(图1(a)).1950—2010年的61a南海各个海域海表温度都存在不同程度的上升趋势(图1(b)):南海中部和台湾海峡是上升最快的海域;北部湾、泰国湾及巴拉望海峡以东海域上升速率较小.

图1 1950—2010年南海海表温度的均方差分布及变化趋势Fig.1 Mean square deviation distribution and change trend of SST in SCS from 1950 to 2010

南海海表温度具有显著的季节变化特征,该季节变化叠加在显著的上升趋势之上(图2).利用随机动态分析方法[12]分析得到1950—2010年南海海表温度上升速率为0.014℃/a,1950—2010年间,整个南海平均海表温度增加了0.84℃,与蔡榕硕等[13]研究南海海表温度得到的结论一致.图3为南海平均海表温度距平3a低通滤波信号.由图3可以看出,南海空间平均海表温度明显受大气和海洋变化的影响,大致以1975年为界,海表温度出现了一次显著的跃变.在1975年前的几十年中,海表温度基本上呈微弱的下降趋势;跃变之后,月平均海表温度一直保持在相对较高的数值(图2),并且有非常显著的持续升高趋势[14].从图2可以看出,1967年、1973年、1988年和1998年的年较差和年极值都很大,也恰好对应着几次典型的EI Ni～no年(图4(a)).

图2 1950—2010年月均海表温度距平Fig.2 Monthly average SST anomaly from 1950 to2010

图3 月均海表温度距平3a低通滤波信号Fig.3 Monthly average SST anomaly after three-year low pass filter

图4 1950—2011年 Ni～no3指数和EI Ni～no Modoki指数Fig.4 N i～no3 index and EI Ni～no M odoki index from 1950 to2010

对南海月均海表温度距平时间序列进行功率谱分析发现,南海平均海表温度具有显著的年周期、半年周期和25个月周期信号,其中年周期是主要周期信号(图5).

厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)已被认为是海洋和大气年际变化的最主要信号,它的发生、发展会带来全球性海洋、气候的异常并造成严重灾害,进而影响区域海洋各种要素的年际变化.PDO作为一种年代到年代际时间尺度上的气候变率强信号,既是叠加在长期气候趋势变化上的扰动,可直接造成太平洋及其周边地区(包括东亚地区)气候的年代际变化,又是年际变率的重要背景,对东亚气候系统年际变化(如ENSO年际变化频率和强度及其影响)具有重要的调节作用,使得东亚季风降水年际变化复杂化.

由于原始的南海海表温度距平的时间序列中含有很强的季节信号及上升趋势,本文去掉趋势项和年信号及半年信号的残差序列与EI Ni～no和PDO信号进行比较,寻找南海海表温度年际变化与EI Ni～no和PDO的联系.图6为南海海表温度距平和Ni～no3指数及PDO指数的过程曲线.从图6可以看出,南海海表温度距平与EI Ni～no和PDO存在着显著的相关关系:海表温度距平与Ni～no3指数和PDO指数存在明显的正相位相关关系,海表温度距平滞后EI Ni～no和PDO 7个月达到最大相关,最大相关系数达0.65.当EI Ni～no和PDO正相位比较强时,南海海表温度表现为较高值;EI Ni～no和PDO负相位比较强时,南海海表温度表现为较低值.当这种低频的高值或低值恰好与海表温度高频变化的极值相遇,则会出现更显著的海表温度极值.

图5 月均海表温度异常的功率谱分析Fig.5 Power spectrum of monthly average SST anomaly

2.2 南海海表温度的模态

应用EOF分析南海海表温度异常,得到前4个模态的方差贡献分别为64.8%,8.1%,6.9%和3.3%,前2个模态共概括了73.9%的信息,本文主要分析前2个模态的时空变化特征.

2.2.1 第1模态的时空特征

第1模态的空间分布在整个南海相位一致(图7),南海中部(10°N ～15°N)和台湾海峡(23°N ～25°N)是2个最大正值中心,低值区位于南海东南部海域(0～6°N).功率谱分析结果表明,第1模态时间系数具有显著的准2年和3.7a变化周期,经过10a低通滤波后的主要周期是21a.由此可见,第1模态时间系数具有明显的年际和年代际变化特征,与Ni～no3指数正相关,海表温度滞后El Ni～no 6个月达到最大相关,最大相关系数为0.72.海表温度大的正值出现在El Ni～no事件的当年或次年;大的负值则出现在La Ni～no事件的当年或次年.结合第1模态的空间分布可见,南海海表温度在El Ni～no事件的当年或次年升高,而在La Ni～no事件的当年或次年则降低.

图6 南海月均海表温度残差和Ni～no3,PDO指数Fig.6 Time series of month ly average SST residuals,Ni～no3 index and PDO index in SCS

2.2.2 第2模态的时空特征

第2模态的空间分布和时间系数与第1模态完全不同(图8),主要负值区在台湾海峡、吕宋海峡、巴拉望海峡的以东海域,全海域的最大负值区位于南海东北部台湾海峡附近海域.南海的中部及西南海域为正值区,正值区占据南海的大部分,最大正值中心位于泰国湾的外海海域(8°N ～12°N,103°E ～107°E).南海的海表温度异常场还存在东南—西北向的反位相振荡,其振荡周期以季节变化为主,时间系数呈现出明显的年际变化和年代际变化特征.

图7 南海海表温度异常EOF分解第1模态的空间分布和时间系数、Ni～no3指数Fig.7 Spatial distribution,time coefficient,and Ni～no3 index of first EOF mode for SST anomaly in SCS

2.3 南海海表温度季节变化与表面风场的关系

利用HadISST1最优插值海表温度资料和NCEP/NCAR表面风资料来研究南海海表温度和表面风的气候态分布,进而分析表面风场对南海海表温度的影响.由图8可见,秋、冬、春季南海海表温度呈南高北低分布型:(a)温度由西北向东南逐渐升高,巴拉望岛至加里曼丹岛西海岸附近海表温度全年高于28.5℃;(b)温度由南向北逐渐降低,全年30℃以上的高温暖水仅局限于菲律宾以西海域(10°N ～20°N,115°E～120°E).夏季海表温度在越南沿岸有一冷中心,原因是南部反气旋和北部气旋环流之间强的向东输送越南沿岸上升的冷水离岸[15].南海海表温度分布存在明显的季节变化,其中表层水温主要取决于海面浮力通量.菲律宾以西海域海表温度常年高于28℃,可称为高温暖水,暖水形成的机制主要是春季南海中部的反气旋式风场导致的下沉气流可抑制海面蒸发,增加海面吸收的太阳辐射,还可在海洋中产生反气旋式环流,使表层暖水向环流中心集结,抑制了上升流,从而抑制了海水垂直混合,这些都有利于海表温度的迅速升高[16].

图8 南海海表温度异常场EOF分解第2模态的空间分布及其时间系数Fig.8 Spatial distribution and time coefficient of second EOF mode for SST anomaly in SCS

南海海表温度的季节变化主要受太阳高度角、海面盛行风、海气界面热通量、海流分布、与邻近海域的水交换以及陆地径流等热力学、动力学因素制约[17-18].本文着重从表面风场这一动力因素对南海海表温度的影响进行分析.结合本文的分析可知:冬季风来自中纬度大陆地区,使得南海上空盛行干冷的偏北风;而夏季风则来自于热带海洋,导致南海上空盛行暖湿的偏南风.通过海气界面热量和动量的直接交换,冬、夏季低空气流性质和流向的季节转换必然影响南海海表温度季节性区域特征(图9).夏季南海海表温度年际变化最大的区域位于南海中部,对应着夏季南海冷丝.该冷水区主要是由夏季西南季风在越南沿岸引起的上升流导致的[19].可见,南海夏季具有越南沿岸冷中心的现象,是季风驱动下WBC对温度的平流作用所致.越南冷涡对应越南沿岸上升流,冷水中心在12°N～13°N之间,它的生命仅3个月(6～8月),平均水平宽度约3个经度,这在夏季海洋上层温度场上有明显体现[20-21].

2.4 EI Ni～no Modoki对南海海表温度的影响

EI Ni～no Modoki是Ashok等[10]在2007年提出的一种新的太平洋海温异常的分布形式,与EI Ni～no年东太平洋海温偏暖、西太平洋海温偏冷的偶极型海温分布不同.本文对EI Ni～no Modoki对南海海表温度年际变化的影响进行探讨.

去除南海海表温度的年信号、半年信号及趋势项的残差序列与EI Ni～no Modoki进行比较,分析可知,在1972—2010年间,EI Ni～no Modoki与南海海表温度存在明显的反相位关系.EI Ni～no Modoki负相位信号比较强时,南海海表温度提前8个月表现为较大值(图10).EI Ni～no Modoki事件(1994年,2002年,2004年)发生期间,南海海表温度呈现微弱的下降趋势;发生时中太平洋海温异常偏高,而西、东太平洋海温异常偏低,呈现出“三级型”的海温分布特点[8].西太平洋偏冷的海水通过巴拉望海峡传到南海,同时大气环流异常也会影响南海海表温度的变化,导致南海海表温度在EI Ni～no Modoki事件的当年和次年温度偏低.

图9 南海气候态的季节海表温度场和表面风场Fig.9 Climatic state season SST and surface wind field in SCS

图10 1950—2010年南海月均海表温度残差与El Ni～no Modoki指数Fig.10 Time series of monthly average SST residuals and El Ni～no Modoki index from 1950 to 2010

从图11可以看出,南海大部分海域的海表温度2004年1月比2005年1月偏高,而2004年4月比2005年4月偏低,可推测El Ni～no Modoki事件发生在2004年春季,消亡在2005冬季.El Ni～no Modoki年南海中部和泰国湾的海表温度下降最明显,而苏禄海和苏拉威西海的海表温度有所升高,吕宋海峡和台湾海峡附近海域的海表温度基本不变.El Ni～no Modoki年南海海表温度下降的原因可能由于El Ni～no Modoki通过遥相关导致南海上空的大气环流异常,异常的大气环流和西太平洋西传的片冷水共同影响南海海表温度的变化.

图11 南海海表温度场在2004—2005年El Ni～no Modoki事件发生期间的演变过程Fig.11 Evolution process of SST field in El N i～no Modoki event during 2004 to 2005 in South China Sea

3 结 语

a.南海海表温度存在显著的季节、年际、年代际变化,1975年左右发生1次由低到高的跃变.1950—2010年间南海海表温度具有显著的线性上升趋势,平均上升速率0.014℃/a,61a共升高了0.84℃.

b.南海海表温度异常场分别存在着全海域同位相振荡和东南—西北向反位相振荡2个模态,前者是主要模态,以年际振荡为主,而后者则是次要模态,以季节振荡为主.

c.南海海表温度在秋、冬、春季呈现由南向北逐渐降低的特征,夏季在越南沿岸有一冷中心.南海海表温度的季节变化有显著的空间差异,受季风影响显著,冬、夏季表面风场的季节转换影响了南海海表温度季节性区域特征.

d.El Ni～no Modoki事件发生时,南海中部和泰国湾的海表温度下降最明显,而苏禄海和苏拉威西海的海表温度有所升高.导致南海海表温度下降的原因可能是由于西太平洋的偏冷水通过巴拉望海峡传到南海,同时大气环流也发生了异常.

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