南海混合层深度的季节和年际变化特征_武扬

第30卷 第3期 2013年06月 海 洋 预 报 MARINE FORECASTS Vol.30，No.3 Jun.2013 南海混合层深度的季节和年际变化特征 武扬，程国胜 (南京信息大学，数学与统计学院，江苏南京 210044) 摘 要：利用1871—2008年SODA资料和月平均的Levitus资料计算了南海混合层深度（MLD）的 季节及年际变化特征。资料分析表明：季风通过流场调整对南海MLD的时空分布特征有显著的 影响。南海MLD的距平变化总体上呈上升趋势，南海南部MLD的距平变化趋势和北部的有显著 差异，特别在1955年后北部整体呈下降趋势而南部呈上升趋势，二者的显著周期北部为2—3年， 南部与整个区域平均的基本相似有2—6年的显著周期。SOI指数对滞后的南海各个区域有较好 的相关性。EOF分析表明第一模态整体呈单极型最大变率分布在南海南部，由南往北逐渐减小显 著周期2—3年变化为主；第二模态呈偶极子型，显著周期以2—5年变化为主。回归分析表明南海 南部深水区域呈现增深的趋势，而吕宋海峡至南海北部陆架区呈变浅趋势，滑动 t检验表明南海 MLD有6个显著的突变年份。 关键词：南海；混合层深度；季节和年际变化；EOF分析 中图分类号：P731.2 文献标志码：A 文章编号：1003-0239（2013）03-0009-09 收稿日期：2012-02-27 基金项目：中国科学院南海海洋研究所LED开放课题（LED1004） 作者简介：武扬（1987-），男，硕士研究生，主要从事海气相互作用研究。E-mail: wuyanggood@163.com DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2013.03.002 1 引言 混合层是海洋的上边界层，它的上界面同时又 是大气的下界面。在大尺度海气相互作用中，能 量、动量和物质交换主要通过混合层进行。相对于 海洋中的温跃层而言，混合层随时间急剧变化，更 明显的体现海洋对大气强迫的响应。在动力强迫、 热力强迫及淡水通量作用下，混合层呈现明显的季 节、年际变化特征[1]。 南海地处低纬，属于热带深海，它是联系太平 洋及印度洋的海上重要通道，同时又是印度季风与 亚洲季风的中间地带，无论地理位置还是其对大气 环流、气候的影响都有着重要的地位。对于南海这 样一个具有较大面积的热带深水边缘海，在季风作 用下其上层海洋存在明显的季节性反转[2]。在季风 转换期风力较弱,上层海水垂直混合也较弱上混合 层较薄主温跃层上抬，而在季风盛行期则相反最大 的混合层厚度多偏于海盆盛行风向右侧海域,即冬 季出现于海区偏西海域,夏季出现于东部海域。此 外,混合层的厚度在有回流或暖涡存在的海域也较 大,而在有冷涡存在或涌升流较强的海域则较小[3]。 同时上层海洋的热状况也存在明显的季节性变 化 [4-5]。通过混合层的质量、动量和能量的输送提供 了几乎海洋的全部动能。混合层深度对净热通量 的分配、近表层声速场分布及海洋生态等均具有重 要影响[6]。混合层深度直接反应了上层海洋对各种 外界强迫响应的强度，是刻画海洋混合层的一个重 要物理参数，它对净热通量的分布、海表温度异常 的季节变化、障碍层的形成、模态水的形成和变化 及海洋声学和生态动力学等都具有重要影响[7]。关 于南海混合层及上层水温前人已经做了不少的研 究: Jin等[8]使用HadISST资料分析了中国海海表面 温度（SST）的多时间尺度变化发现，季节变化明 显，年际变化主要集中在深海盆区域，年代际变 化比较明显的区域在长江口附近。Wang等[9]分析 了南海SST的年际变化与ENSO的关系。Qu等[10]用 海 洋 预 报 30卷 WOD01的资料分析了南海等温线深度的季节循环 发现，其除了受海气界面的强迫作用的影响外还受 制于 Ekman抽吸以及黑潮通过吕宋海峡的入侵。 年平均的等温线深度存在两个高值区，集中在南海 北部的陆架区和南部的深水区，主要是受冬夏季风 的作用。同时混合层深度的变化对大气也有一个 反馈作用特别是在夏季风发展阶段[11]。杨海军等[12] 分析了南海上层海洋的热量收支情况，并指出上层 海洋热含量的变化与海洋中热量输运以及垂直运 动紧密联系；刘秦玉 [13]利用 1998年“南海季风实验 （SCSMEX）”南北部 2个点的资料，计算了潜热通 量、感热通量和风应力，分析了南海上混合层动力、 热力特征及其与南海夏季风爆发的关系；杜岩等[1] 利用Levitus 1994版气候平均温盐资料剖析了混合 层深度及其内部温度的季节变化规律；刘秦玉等[14] 用一维湍动能模式对南海南部的SST及混合层进行 数值模拟和数值试验。孙成学等[15]分析了南海混合 层深度的季节及年际变化特征。 本文借助多年的 SODA（Simple Ocean Data As⁃ similation）资料和气候平均的温度资料通过对混合 层深度(Mixed Layer Depth, MLD)的分析，得到了其 多时间尺度的分布特征，并试图对其变化特征给出 相应的解释。亦讨论了MLD对ENSO的响应和其 变化趋势以及其突变特征。 2 资料和方法 2.1 资料 本文使用 SODA SST数据，其空间分辨率为 0.5°× 0.5°,时间跨度为1871—2008年分辨率为一个 月，垂向为40层。包括的海洋再分析要素为海表面 高度、三维温度、盐度和海流。也使用了 1994年版 Levitus多年气候平均的逐月温度资料，该资料在垂 直方向 1000 m深度上分为 19层,水平方向的分辨 率为 1°×1°。用 3次样条方法将 SODA、Levitus温度 数据在垂直方向插值成1 m间隔的数据。关于混合 层深度的定义本文采用类似于Huang等[16]的定义方 式,是以温度的阶跃代替密度的阶跃。由于海洋中 温度或密度层化是连续的,故混合层的深度定义也 不是唯一的。由于南海地处热带海区,降水较为频 繁,在风速度较小、垂直混合弱、降水较为剧烈时,常 常出现“淡盖”现象,造成在表层海水出现密度梯度 较大的“浅混合层”现象[15]。文献[6]中采用的定义方 法为：选取比近表层 10 m深处温度低 0.8℃所在的 深度来定义混合层深度。文中将表层温度取为表 层10 m的平均温度,以减小局地异常值的影响。采 用上述方法,可以使混合层的深度减少受“淡盖”的 影响[15]。综合参考文献[6]、[15]中的定义方法所以 本文关于混合层的定义为：求出比表层10 m平均温 度低 0.8 ℃ 的深度位置,将该深度定义为混合层 深度。 2.2 方法 为了侧重分析南海MLD的异常情况减小季节 周期性的影响，本文对MLD的距平进行分析,并用 落后交叉相关分析法分析MLD的距平和 SOI指数 的相关性，分析MLD对ENSO的响应情况,进一步用 最大熵谱方法分析其显著性周期。然后利用经验 正交函数分解（Empirical Orthogonal Function ,EOF） 方法对MLD进行时空特征分析。在分析年际变化 时为消除季节变化的影响，对每个测点的时间序列 扣除其年以下的信号再对其进行EOF分解，用以探 讨此区域MLD的年际变化特征。进一步对每个格 点进行回归分析得到其变化趋势，最后对年平均的 MLD的距平进行滑动T检验探讨其突变特性。 3 季节变化特征 混合层深度受多种因素的影响，如风应力、太 阳辐射、海气间的感热通量和潜热通量，另外它也 受局地涡旋的影响，南海混合层的深度在此诸多要 素的共同影响下而存在着季节和年际的变化。 图 1给出了南海混合层深度的季节平均分布 （春 a、夏b、秋 c、冬d）、年平均分布(e)以及季节变化 的差(f)分布。由图 1b可以看出夏季由于西南 季风盛行Ekman输运在东南海区堆积，混合层深度 由南向北逐渐递减高值中心在南海东南部。冬季 (见图 1d)南海上层在东北季风强迫下，Ekman漂流 在中国近岸陆架约束作用下在南海西北陆架区堆 积，南海混合层表现为西北较厚东南较浅的分布结 构。春季(a)为冬季风向夏季风转换期间冬季风减 弱所提供的能量不能维持深的混合层深度因此混 合层深度变浅，此时的分布特征仍然是由北向南逐 10 武扬等：南海混合层深度的季节和年际变化特征3期 图1 南海混合层深度的季节平均、年平均、季节标准差分布 图2 风速的季节平均分布 渐变浅。秋季(c)为夏季风向冬季风转换期，混合层 深度在整体上变浅，但仍然保持住夏季分布形态 为：由南向北逐渐变浅。混合层年平均的分布形态 (e)为南海北部以及南部各有一个高值区域，北部的 高值区表现的是受东北季风的影响，南部的高值区 表现的是受西南季风的影响。季节变化的标准差(f) 大值区主要集中在吕宋海峡和西北陆架区，因在西 北陆架区存在丰富的地面径流。另外在加里曼丹 岛的西北侧变化也较大。混合层的水平分布特征 与贾英来等[17]和蔡树群等[18]的分析结果是一致的。 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E a. 春 b. 夏 c. 秋 d. 冬 e. 年平均 f. 标准差分别 a. 夏 b. 冬 11 海 洋 预 报 30卷 图 2为南海海表面风速的冬(b)夏(a)季分布，在 南海南部冬季风强于夏季风，但混合层深度在冬季 反而要比夏季浅一些。这是因为冬季风所驱动的 环流为一气旋式环流海水在垂直方向上呈上升运 动；而夏季风所驱动的环流为一反气旋式环流海水 在垂直方向上呈下沉运动。这样一来，在相同风速 条件下，南海夏季混合层也就会发展到比冬季较大 的深度上。季风通过流场调整对南海混合层深度 有着明显的影响。 4 年际变化 4.1 混合层深度的距平变化特征 南海混合层深度年循环的空间分布在南海南、 北部各存在一个高值区域，二者的影响机制是不同 的：北部的高值中心主要受到冬季东北季风的影响 和Ekman抽吸的作用使水体在这区域堆积；南部的 高值中心主要受到夏季西南季风的影响[10]。而二者 和海气界面热通量和风应力也有很好的相关 性 [10]。由下文中图 9混合层变化趋势分析可知：在 南海北部和南部的大部分区域呈现出完全相反的 变化趋势。另外年际变化EOF分析的第二模态的 空间分布也呈现出南部和北部完全反对称的结构， 这都说明在南部和北部的区域影响混合层的机制 是不同的。因此以 18°N为界把南海分为南部和北 部对混合层深度的变化进行分析。 对南海海区内的所有点进行算术平均，计算其 年距平变化序列，同时为减小极端异常事件对长期 趋势的影响对MLD的距平值做了 5a的滑动平均。 南海海区的年平均MLD距平变化范围为-4—4 m （见图 3a），最大值发生在 1938年，最小值发生在 1877年。在 1910年之前MLD主要呈现为负距平， 1910—1955年MLD呈现正距平，在此期间MLD变 化比较明显。1955—1996年MLD变化比较平稳， 1996—2008年MLD呈明显的上升趋势。利用最大 熵谱分析计算南海MLD的显著性周期（见图3b），分 别有 2.3年、3.7年、6年的显著周期，最显著的周期 为6年，这与ENSO的变化周期相当。 将南北部两个海区的MLD进行对比（见图 4）， 二者的变化曲线是不完全一样的，南海南部的变化 最剧烈达到-4—4 m，北部变化范围为-3—4 m。南 部的变化趋势基本上和整个区域的年变化相当，北 部在 1910年前基本上呈现为负距平。但在 1981— 1987年的正距平期间北部的5点滑动值达到2 m远 大于同时期的南部和整个区域平均的距平值。在 北部1955年以后都呈现为负距平，而南部基本上呈 现为正距平且为上升趋势。这说明在南海影响 MLD的机制在南部和北部是不同的。南海MLD的 显著性周期（见图5），北部的最显著周期为3年，南 部与整个区域平均的基本相似有2.3年、3.7年、6年 的显著周期，最显著的周期为6年。 4.2 EOF分解结果 借助EOF分解及功率谱分析，对南海混合层深 度的年际变化特征进行研究。对混合层深度求距 图3 年平均的MLD距平(a)、及其最大熵谱分析(b)，粗线为5年平滑值 1871 4 2 0 -2 -4 -6 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2008 年平均距平 5年平滑 2 1.5 1 0.5 0 b. 周期/年 2 3 4 5 6 7 8 谱 密 度 a. 年 距 平 值 /m 12 武扬等：南海混合层深度的季节和年际变化特征3期 平场，且进行 1a以上高通滤波去掉周期小于 1a的 信号，得到它所对应的几个主要模态的空间分布及 其时间序列。然后对时间序列进行功率谱分析。 其前两个主要模态的方差贡献分别是 28.3 %、 19.2 %。 南海混合层深度距平EOF分解得到的第一模 态特征向量的空间分布型见图 6a。该模态是南海 混合层深度变率的最主要的形式，菲律宾附近海域 除外其空间分布明显为单极型，整个南海混合层深 度的变率基本上呈同相分布。然而其深度的变率 分布也并非是均一的，最大深度变率中心在南海的 东南部，由南往北逐渐减小。在菲律宾海区呈现正 的变率，可能与黑潮流经此区域有关。对该时间序 列进行功率谱分析（见图7a），得到其主要的变化周 期为 10—20，25—33，35—37个月，以 2—3年变化 为主。从时间序列（6b）中还可以看出其有更长时 间尺度的变化趋势如：1960—1969年整体呈下降趋 势；1970—1996在零线上下波动，有个别年份变化 比较大；1997—2008年整体呈上升趋势。 南海混合层深度距平EOF分解得到的第二模 态特征向量的空间分布型见图6b，其空间明显为一 南北的偶极子型，整个南海混合层深度变率存在 2 个正负相反的中心，位置分别在 20°N和 11°N。从 吕宋海峡到南海北部陆架区整个为正的变率，是受 黑潮通过吕宋海峡对南海入侵的影响。对其时间 序列进行功率谱分析（见图7b），得到其主要的变化 周期为 18—21，26—30，66—70个月同时也表现了 ENSO的信号。 图5 南海北部(a)、南部(b)混合层深度显著性周期 图4 南海南部(a)、北部(b)混合层深度年距平，粗线为5年平滑值 4 2 0 -2 -4 5年平滑南部 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 谱 密 度 a. 周期/年 -5 2 3.53 4.54 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 2.5 2 1.5 1 0.5 0 b. 周期/年 1871 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2008 4 2 0 -2 -4 5年平滑北部 -5 1871 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2008 b. a. 2.5 年 年 年 距 平 值 /m 距 平 值 /m 13 海 洋 预 报 30卷 图7 年际EOF的前两个时间系数的功率谱分析 图6 年际EOF的第一(a、b)第二(c、d)模态及其时间系数 利用落后交叉相关分析法分别对南海2个海区 MLD距平与 SOI指数进行了交叉相关分析（见图 8），SOI与滞后 6—7,10—12,21—23,34—35个月的 南海北部MLD距平相关性均超过了 0.2，达到了 95 %的置信度；SOI与滞后 5—6,11—17,21—23, 25—26,31—35个月的南海南部MLD距平相关性均 超过了 0.2，达到了 95 %的置信度，除 25—26月外 都超过了 0.3，达到了 99 %的置信度；SOI与滞后 5—7,10—16,21—23, 31—35个月的南海MLD距平 相关性均超过了 0.2，达到了 95 %的置信度，其中 31—35月外都超过了 0.4，达到了 99 %的置信度。 SOI与滞后其 2 a左右的南海两个区域相关性非常 显著，这说明对南海的MLD异常进行年平均后，表 现出与ENSO发生具有一定的相关性，但滞后2a以 上的相关性更为强烈。 南方涛动指的是南太平洋与印度洋之间气压 变化的相反关系，是赤道地面气压的大尺度振动， 它表示赤道南太平洋气压高于正常值时，赤道印度 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 15 10 5 0 -5 -10 1960 1970 1980 1990 2000 2008 10 5 0 -5 -10 -15 0.2 0.15 0.1 0.05 0 谱 密 度 0 10 20 30 40 50 60 70 80 a. 周期/月 b. 周期/月 100° 108° 116° 124°E 1960 1970 1980 1990 2000 2008 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 a. b. c. d. 年 年 14 武扬等：南海混合层深度的季节和年际变化特征3期 洋气压相对低于正常值的一个相关联的振动。常 用SOI表征其强度。因此图8中南海MLD与SOI指 数在滞后31—35月之间表现出的相关性最显著，表 明大气对ENSO现象的反馈传播到南海，又通过海 气界面的热通量以及风的作用对混合层产生 影响。 4.3 混合层深度变化趋势分析 将研究区域的数据处理成年距平进行逐点线 性回归，得到回归系数的空间分布场（见图9），从吕 图8 SOI指数与不同滞后时间南海各海区MLD距平的落后交叉相关系数 图9 南海混合层深度年距平线性变化趋势（单位/ m· a-1） 24°N 20° 16° 12° 8° 4° 0° 100° 108° 116° 124°E 0.4 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 相 关 性 滞后时间/月 1 6 11 16 21 26 31 35 年平均 北部 南部 （横虚线为95 %的置信水平线，相关性为） 0.13 15 海 洋 预 报 30卷 宋海峡到南海北部陆架区处于变浅的趋势中，负的 最大值在台湾岛东北侧。而南海深水海域的MLD 都处于增深的趋势中，特别是在菲律宾海域附近最 大能达到0.15 m·a-1，这可能与全球变暖以及黑潮的 长期变化有关。另外一部分区域MLD变化较为稳 定，在所研究的时间段内总体上没有变化。利用滑 动 t检验对南海 MLD年变化进行 10年检验，取 ta=0.01=±3.2做年平均逐年 t值变化曲线。由图 10在 1883年、1890年、1900年、1920年、1955年、1998年 均发生了显著性的突变现象均已超过显著性水平， 其中1883年、1900年、1998年这些年为负值说明南 海MLD在所研究的时段内出现了明显的突变经历 了三次明显的由浅到深的突变。1890年、1920年、 1955年这些年为正值，说明南海MLD在所研究的 时段内出现了明显的突变经历了三次明显的由深 到浅的突变，这些突变点在图3a上吻合的很好。 5 结论 本文利用 SODA、Levitus资料共同分析了南海 混合层深度的季节和年际变化特征。得到以下几 点结论： （1）季风通过表层流场对南海混合层的深度 有着明显的影响。一方面通过海洋表层Ekman输 运效应来影响混合层水平分布；另一方面通过大尺 度环流造成的辐合或辐散来限制或促进混合层深 度的发展； （2）南海MLD总体上表现为上升趋势，最大可 相差 8 m。南部和北部的变化趋势不同，在 1955年 以后南部整体上呈现为上升趋势而北部为下降趋 势。北部的显著周期为3年，南部有2—6年的显著 周期； （3）南海的年际变化中，EOF第一模态的空间 分布为一单极型，显著周期为 2—3年；第二模态的 空间分布呈明显的偶极子分布，显著周期为 2—4 年。SOI指数和南海北部、南部、区域平均的MLD 异常都有较好的相关性。SOI与滞后其2a左右的南 海两个区域相关性非常显著，这说明南海的MLD异 常进行年平均后，表现出与ENSO发生具有一定的 同步性，但滞后2a以上的相关性更为密切； （4）回归分析表明，南海混合层深度的变化趋 势为：从吕宋海峡到南海北部陆架区处于变浅的趋 势中，而南海深水海域都处于增深的趋势中，特别 是在菲律宾海域附近最大能达到0.15 m每年，这可 能与全球变暖以及黑潮的长期变化有关。在 1883年、1890年、1900年、1920年、1955年、1998年 混合层深度均发生了显著的突变。 参考文献: [1] 施平,杜言,王东晓,等.南海混合层年循环特征[J].热带海洋学 图10 南海混合层深度年距平滑动T检验曲线 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 1998 年 （横虚线为95 %置信水平线） 16 武扬等：南海混合层深度的季节和年际变化特征3期 报,2001,20(1):10-17. 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Seasonal and inter-annual variations of the mixed layer depth in the South China Sea WU Yang, CHENG Guo-sheng ( School of Mathematics and Statistics, Nanjing University of Information & Technology, Nanjing 210044 China） Abstract：Based on the Simple Ocean Data Assimilation (SODA) data, characteristics of seasonal and inter-an- nual variations of the mixed layer depth (MLD) in the South China Sea (SCS) are derived. Data analysis indi- cates that monsoon has an obvious impact on the temporal and spatial features of MLD in the SCS through an ad- justment of the current field. The MLD of the SCS has a deepening trend in general, however the differences be- tween northern and southern areas are obvious, for example there is a shallowing trend in the north but opposite in the south after 1955. The main period is 2—3a in the north while 2—6a in the south and the area average of the SCS. The variability of MLD was analyzed by the Empirical Orthogonal Function (EOF) and Spectrum meth- od. The first mode shows that the variability is same in the whole area of SCS basically and the main cycle is about 2—3a. The second mode shows that the variability is dipole-type and the main cycle is 2—5a. The trend of MLD in the SCS is different from the north to the south, that is, it is shallowing from the Luzon Strait to the west continental shelf in theSCS, and is deepening in the deep basin of the southern SCS. There are six times suddenly change of MLD detected by moving t-test technique. Key words：South China Sea;mixed layer depth; seasonal and interannual variability; EOF analysis 17