南海混合层盐度变异的特征与机制分析
|
摘要
盐度是南海物理环境的重要组成部分之一。盐度变化对南海的水动力环境有重要影响。当水动力环境改变时，南海的环流会发生相应的改变，从而对中国气候产生影响。因此，研究南海盐度变异的特征与机制，具有重要的意义。本文主要利用经验模分解方法，分析了南海混合层盐度的季节、年际变异与长期趋势。并初步分析了不同时间尺度上影响南海盐度变异的物理过程与机制。
通过分析海面净淡水通量、水平平流和垂向混合等因素对南海不同区域盐度季节变化的贡献率，可以发现影响混合层盐度季节变化的主导因素在南海北部和南部存在很大差异。在南海北部，影响混合层盐度季节变化的主要因素是蒸发降水，其次是水平平流；随着逐步南移，蒸发降水对盐度季节变化的影响递减，水平平流的影响逐渐增大，而在南海南部，水平平流的作用超过蒸发降水成为影响盐度的季节变化的最主要因素。垂向混合对冬季海水盐度的上升趋势产生促进作用，而对夏季海水盐度的下降趋势产生阻碍作用，但整体上垂向混合对盐度季节变化的影响远小于蒸发降水和水平平流。
利用经验模分解方法，本文分析发现南海混合层盐度、海面净淡水通量和各海峡盐通量的年际变异与ENSO之间存在较强的的相关关系。南海海面净淡水通量对混合层盐度的年际变异起主要作用。其中，厄尔尼诺期间，吕宋海峡的盐通量存在西向输送异常，导致南海北部盐度上升；而民都洛海峡和巴拉巴克海峡的盐通量存在东向输送异常，导致南海中部和南部盐度下降，因此南海混合层盐度呈现出“北强南弱”的空间形态。
通过对南海混合层盐度的线性趋势分析，可以发现南海混合层盐度在1979~2008年中呈现下降趋势，下降速率为0.03psu/10年。初步分析结果表明表面淡水通量的长期变化不能完全解释混合层盐度的下降，而混合层底部水交换减弱也是导致混合层盐度下降的原因之一。后者主要由于全球变暖导致南海上层海洋温度上升，上层海洋层结变得相对稳定，从而减弱了与下层海洋的垂向交换。
As a key component of the physical environment in the South China Sea (SCS),salinity variation plays a key role in modulating the hydrodynamic environment of theSCS, and will fundamentally influence the circulation and the climate of China.Therefore, it is important for deep understanding of salinity variability in the SCS atdifferent time scales. In this study, we used Empirical Mode Decomposition (EMD)method to analyze EN3salinity data in the SCS. The results show that there arenotable seasonal, interannual variability and long-term trend of salinity in the mixedlayer of SCS. Preliminary analysis and discussion for these variations were carried outin this study.
Investigation of contribution of sea surface freshwater flux, advection andvertical mixing to the seasonal salinity variability in different areas shows that, thedominant factor in the northern SCS is evaporation-precipitation, and the secondaryfactor is advection; while in the southern South China Sea, the impact of advection ismore important than the evaporation-precipitation (E-P) in modulating the seasonalsalinity variability. The vertical mixing could facilitate the ascending tendency ofsalinity in wintertime, while block the descending tendency of salinity in summertime.However, its impacts are quite smaller than that of the net fresh water flux andadvection.
The relationship between changing rate of salinity in the mixed layer of SCS, seasurface freshwater flux, salinity flux through different straits with the ENSO cycle inthe interannual time scales is studied. The significant correlation was revealedbetween the annual components and ENSO signals after decompose of every time series into their IMFs using EMD. The sea surface freshwater flux was found to be thekey contributor to the interannual variability of salinity, however, its influence to thespatial distribution of salinity annual variation in the mixed layer, with strong signalsin the northern part and weak ones in the southern and middle parts, is still not clear.The spatial distribution of interannual salinity variability is associated with ENSOphenomenon. During El Nino events, the westward anomaly of salinity flux in theLuzon Strait strengthen the salinity rising rate in the northern SCS, while the eastwardanomalies of salinity flux in the Mindoro and Balabac Straits weaken the ascending ofsalinity in the middle and southern SCS.
The linear trend analysis of the salinity in the SCS shows the decreasing trendduring last30years from1979to2008, with decreasing rate of0.03psu/10yr. Thesalinity decreasing is very likely due to the weakening of upwelling intensity at thebottom of the mixed layer. During last30years, the warming of sea surfacetemperature (SST) increases the vertical stability of upper mixed layer, which reducesthe vertical mixing and prevent the water with high salinity from entering the mixedlayer. Further quantitative analysis is required to confirm this finding.
通过分析海面净淡水通量、水平平流和垂向混合等因素对南海不同区域盐度季节变化的贡献率，可以发现影响混合层盐度季节变化的主导因素在南海北部和南部存在很大差异。在南海北部，影响混合层盐度季节变化的主要因素是蒸发降水，其次是水平平流；随着逐步南移，蒸发降水对盐度季节变化的影响递减，水平平流的影响逐渐增大，而在南海南部，水平平流的作用超过蒸发降水成为影响盐度的季节变化的最主要因素。垂向混合对冬季海水盐度的上升趋势产生促进作用，而对夏季海水盐度的下降趋势产生阻碍作用，但整体上垂向混合对盐度季节变化的影响远小于蒸发降水和水平平流。
利用经验模分解方法，本文分析发现南海混合层盐度、海面净淡水通量和各海峡盐通量的年际变异与ENSO之间存在较强的的相关关系。南海海面净淡水通量对混合层盐度的年际变异起主要作用。其中，厄尔尼诺期间，吕宋海峡的盐通量存在西向输送异常，导致南海北部盐度上升；而民都洛海峡和巴拉巴克海峡的盐通量存在东向输送异常，导致南海中部和南部盐度下降，因此南海混合层盐度呈现出“北强南弱”的空间形态。
通过对南海混合层盐度的线性趋势分析，可以发现南海混合层盐度在1979~2008年中呈现下降趋势，下降速率为0.03psu/10年。初步分析结果表明表面淡水通量的长期变化不能完全解释混合层盐度的下降，而混合层底部水交换减弱也是导致混合层盐度下降的原因之一。后者主要由于全球变暖导致南海上层海洋温度上升，上层海洋层结变得相对稳定，从而减弱了与下层海洋的垂向交换。
As a key component of the physical environment in the South China Sea (SCS),salinity variation plays a key role in modulating the hydrodynamic environment of theSCS, and will fundamentally influence the circulation and the climate of China.Therefore, it is important for deep understanding of salinity variability in the SCS atdifferent time scales. In this study, we used Empirical Mode Decomposition (EMD)method to analyze EN3salinity data in the SCS. The results show that there arenotable seasonal, interannual variability and long-term trend of salinity in the mixedlayer of SCS. Preliminary analysis and discussion for these variations were carried outin this study.
Investigation of contribution of sea surface freshwater flux, advection andvertical mixing to the seasonal salinity variability in different areas shows that, thedominant factor in the northern SCS is evaporation-precipitation, and the secondaryfactor is advection; while in the southern South China Sea, the impact of advection ismore important than the evaporation-precipitation (E-P) in modulating the seasonalsalinity variability. The vertical mixing could facilitate the ascending tendency ofsalinity in wintertime, while block the descending tendency of salinity in summertime.However, its impacts are quite smaller than that of the net fresh water flux andadvection.
The relationship between changing rate of salinity in the mixed layer of SCS, seasurface freshwater flux, salinity flux through different straits with the ENSO cycle inthe interannual time scales is studied. The significant correlation was revealedbetween the annual components and ENSO signals after decompose of every time series into their IMFs using EMD. The sea surface freshwater flux was found to be thekey contributor to the interannual variability of salinity, however, its influence to thespatial distribution of salinity annual variation in the mixed layer, with strong signalsin the northern part and weak ones in the southern and middle parts, is still not clear.The spatial distribution of interannual salinity variability is associated with ENSOphenomenon. During El Nino events, the westward anomaly of salinity flux in theLuzon Strait strengthen the salinity rising rate in the northern SCS, while the eastwardanomalies of salinity flux in the Mindoro and Balabac Straits weaken the ascending ofsalinity in the middle and southern SCS.
The linear trend analysis of the salinity in the SCS shows the decreasing trendduring last30years from1979to2008, with decreasing rate of0.03psu/10yr. Thesalinity decreasing is very likely due to the weakening of upwelling intensity at thebottom of the mixed layer. During last30years, the warming of sea surfacetemperature (SST) increases the vertical stability of upper mixed layer, which reducesthe vertical mixing and prevent the water with high salinity from entering the mixedlayer. Further quantitative analysis is required to confirm this finding.
引文
1. Ho, C.-R., Q. Zheng, N.-J. Kuo, et al.(2004), Observation of the Kuroshio intrusion regionin the South China Sea from AVHRR data. Inter. J. Remote Sensing,25,4583-4591.
2. Delcroix,T., C. Henin (1991), Seasonal and interannual variations of sea surface salinity inthe tropical Pacific Ocean. J. Geophys. Res.,96,22135-22150.
3. Wang, D. X., Q. Y. Liu, R. X. Huang (2006), Interannual variability of the South ChinaSea throughflow inferred from wind data and an ocean data assimilation product. Geophys.Res. Lett.,33, L14605, doi:10.1029/2006GL026316.
4. Foltz, G. R., and M. J. Mcphaden (2008), Seasonal mixed layer salinity balance of thetropical North Atlantic Ocean, J. Geophys. Res.,113, C02013,doi:10.1029/2007JC004178.
5. Centurioni, L., P. Niiler, and D.-K. Lee (2004), Observations of Inflow of Philippine SeaSurface Water into the South China Sea through the Luzon Strait, J. Phys. Oceanogr.,34,113-121.
6. Shaw, P. T., and S.-Y. Chao (1994), Surface circulation in the South China Sea. Deep SeaResearch,41,1663-1683.
7. Shaw, P. T.(1991), The Seasonal Variation of the Intrusion of the Philippine Sea Water Intothe South China Sea. J. Geophys. Res.,96,821-827.
8. Qinyan Liu, Ming Feng, Dongxiao Wang. ENSO-induced interannual variability in thesoutheastern South China Sea. Short Contribution,67:127-133.
9. Rao, R. R., and R. Sivakumar (2003), Seasonal variability of sea surface salinity and saltbudget of the mixed layer of the north Indian Ocean, J. Geophys. Res.,108,3009,doi:10.1029/2001JC000907.
10. Qu, T, Y. Y. Kim, M, Yaremchuk, and et al.(2004), Can Luzon Strait Transport Play a Role inConveying the Impact of ENSO to the South China sea? J. Clim.,17,3644-3657.
11. Qu, T. D., H. Mitsudera, and T.Yamagata (2000), Intrusion of the North Pacific waters intothe South China Sea. J. Geophys. Res.,105,6415-6424.
12. Qu, T. D., Y. Du, and H. Sasaki (2006), South China Sea throughflow: A heat and freshwaterconveyor. Geophys. Res. Lett.,33, L23617.
13. Miyama, T., T. Awaji, K. Akitomo, and et al.(1996), A Lagrangian approach to the seasonalvariation of salinity in the mixed layer of the Indonesian Seas. J. Geophys. Res.,101, C5,12265-12285.
14. Wyrtki, K (1961), Physical oceanography of Southeast Asian waters. NAGA Report,Scripps Inst Oceanogr, La Jolla, Calif,2,1-195.
15.鲍颖，兰健，王毅（2008），南海在1997/1998年El Ni o事件后的异常变化，地球科学进展，23，1027-1036。
16.蔡树群，刘海龙，李薇（2002），南海与邻近海洋的水通量交换，海洋科学进展，20，29-34。
17.曾丽丽，施平，王东晓（2009），南海蒸发和净淡水通量的季节和年际变化，地球物理学报，52，929-938。
18.陈锦年，王宏娜，吕心艳（2007），南海区域海气热通量的变化特征分析，水科学进展，18，390-397。
19.陈特固，周强（1990），1986-1987年El Ni o期间南海北部的气候异常，热带海洋，9，98-102。
20.丁张巍，黎伟标，温之平等（2010），近50年来南海海面蒸发量的时空变化特征分析，热带海洋学报，29，34-45。
21.杜岩，王东晓，施平等（2004），南海障碍层的季节变化及其与海面通量的关系，大气科学，28，101-110。
22.方国洪，魏泽勋，黄企洲等（2002），南海南部与外海间的体积和热、盐输运及其对印尼贯穿流的贡献，海洋与湖沼，33，296-302。
23.方文东，郭忠信，黄羽庭（1997），南海南部海区的环流观测研究，科学通报，42，2264-2271。
24.方文东，黄企洲，邱章等（2001），春夏季季风转换期南海南部的异常表层水，热带海洋学报，20，77-81。
25.郭炳火，黄振宗，李培英（2001），中国近海及邻近海域海洋环境，北京，海洋出版社。
26.郭忠信，（1989），El Ni o时期北部湾表层水温和盐度的异常，热带海洋，8，52-57。
27.黄企洲，郑有任（1996），1992年3月南海东北部巴士海峡的海流，中国海洋学文集，第6集，北京，海洋出版社，42-52。
28.姜涛，黄洪辉，王文质（2006），吕宋海峡输送年际变异数值研究，热带海洋学报，25，13-20。
29.柯东胜（1991），ENSO对南海气候环境影响研究概况，海洋信息，11，6-8。
30.柯东胜（1992），南海环境要素的年际变化与1982-1983年El Nino，海洋与湖沼，23，379-386。
31.李秀珍，梁卫，温之平等（2011），南海盐度对南海夏季风响应的初步分析，热带海洋学报，30，29-34。
32.刘长建，杜岩，张庆荣等（2007），海洋对全球变暖的响应及南海观测证据，气候变化研究进展，1，8-13。
33.刘长建，杜岩，张庆荣等（2008），南海次表层和中层水团年平均和季节变化特征，海洋与湖沼，39，55-64。
34.刘秦玉，杨海军，李薇（2000），吕宋海峡纬向海流及质量输送，海洋学报，22，1-8。
35.邱春华，贾英来（2009），南海北部深水海域温度以及盐度的季节及年际变化特征，中国海洋大学学报，39，375-380。
36.施平，杜岩，王东晓等（2001），南海混合层年循环特征，热带海洋报，20，10-16。
37.孙双文，万彪（2009），黑潮对中国近海热盐输运的季节和年际变化，华东师范大学学报，5，98-107。
38.孙湘平（2006），中国近海区域海洋，北京，海洋出版社。
39.王东晓，谢强，刘赟等（2003），太平洋年代际海洋变率研究进展，热带海洋学报，22，76-83。
40.王东晓，周发琇，秦曾灝（1996），南海上层海洋环流两层半模式的数值模拟，海洋学报，18，30-40。
41.王凡等（2001），1998年春夏南海温盐结构及其变化特征，海洋学报，23。
42.吴日升，郭小钢，李立（2002），1998年冬季南海的海洋水文特征与环流，海洋学报，24，340-351。
43.谢强，李海洋，王东晓（2009），热带太平洋盐含量的年际变化，海洋科学进展，27，155-165。
44.许建平，潘玉球，柴扉（2001），1998年春夏季南海若干重要水文特征及其形成机制分析，中国海洋学文集，13，211-220。
45.晏宏，孙立广，刘晓东等（2010），近50年来南海西沙群岛海域气候异常的ENSO效应，热带海洋学报，29，29-35。
46.杨修群，朱益民，谢倩等（2004），太平洋年代振荡的研究进展，大气科学，28，979-992。
47.张祥玉，梁荣金（2009），1997~1998年南海的天气与气候异常特征浅析，海洋预报，26，7-13。
2. Delcroix,T., C. Henin (1991), Seasonal and interannual variations of sea surface salinity inthe tropical Pacific Ocean. J. Geophys. Res.,96,22135-22150.
3. Wang, D. X., Q. Y. Liu, R. X. Huang (2006), Interannual variability of the South ChinaSea throughflow inferred from wind data and an ocean data assimilation product. Geophys.Res. Lett.,33, L14605, doi:10.1029/2006GL026316.
4. Foltz, G. R., and M. J. Mcphaden (2008), Seasonal mixed layer salinity balance of thetropical North Atlantic Ocean, J. Geophys. Res.,113, C02013,doi:10.1029/2007JC004178.
5. Centurioni, L., P. Niiler, and D.-K. Lee (2004), Observations of Inflow of Philippine SeaSurface Water into the South China Sea through the Luzon Strait, J. Phys. Oceanogr.,34,113-121.
6. Shaw, P. T., and S.-Y. Chao (1994), Surface circulation in the South China Sea. Deep SeaResearch,41,1663-1683.
7. Shaw, P. T.(1991), The Seasonal Variation of the Intrusion of the Philippine Sea Water Intothe South China Sea. J. Geophys. Res.,96,821-827.
8. Qinyan Liu, Ming Feng, Dongxiao Wang. ENSO-induced interannual variability in thesoutheastern South China Sea. Short Contribution,67:127-133.
9. Rao, R. R., and R. Sivakumar (2003), Seasonal variability of sea surface salinity and saltbudget of the mixed layer of the north Indian Ocean, J. Geophys. Res.,108,3009,doi:10.1029/2001JC000907.
10. Qu, T, Y. Y. Kim, M, Yaremchuk, and et al.(2004), Can Luzon Strait Transport Play a Role inConveying the Impact of ENSO to the South China sea? J. Clim.,17,3644-3657.
11. Qu, T. D., H. Mitsudera, and T.Yamagata (2000), Intrusion of the North Pacific waters intothe South China Sea. J. Geophys. Res.,105,6415-6424.
12. Qu, T. D., Y. Du, and H. Sasaki (2006), South China Sea throughflow: A heat and freshwaterconveyor. Geophys. Res. Lett.,33, L23617.
13. Miyama, T., T. Awaji, K. Akitomo, and et al.(1996), A Lagrangian approach to the seasonalvariation of salinity in the mixed layer of the Indonesian Seas. J. Geophys. Res.,101, C5,12265-12285.
14. Wyrtki, K (1961), Physical oceanography of Southeast Asian waters. NAGA Report,Scripps Inst Oceanogr, La Jolla, Calif,2,1-195.
15.鲍颖，兰健，王毅（2008），南海在1997/1998年El Ni o事件后的异常变化，地球科学进展，23，1027-1036。
16.蔡树群，刘海龙，李薇（2002），南海与邻近海洋的水通量交换，海洋科学进展，20，29-34。
17.曾丽丽，施平，王东晓（2009），南海蒸发和净淡水通量的季节和年际变化，地球物理学报，52，929-938。
18.陈锦年，王宏娜，吕心艳（2007），南海区域海气热通量的变化特征分析，水科学进展，18，390-397。
19.陈特固，周强（1990），1986-1987年El Ni o期间南海北部的气候异常，热带海洋，9，98-102。
20.丁张巍，黎伟标，温之平等（2010），近50年来南海海面蒸发量的时空变化特征分析，热带海洋学报，29，34-45。
21.杜岩，王东晓，施平等（2004），南海障碍层的季节变化及其与海面通量的关系，大气科学，28，101-110。
22.方国洪，魏泽勋，黄企洲等（2002），南海南部与外海间的体积和热、盐输运及其对印尼贯穿流的贡献，海洋与湖沼，33，296-302。
23.方文东，郭忠信，黄羽庭（1997），南海南部海区的环流观测研究，科学通报，42，2264-2271。
24.方文东，黄企洲，邱章等（2001），春夏季季风转换期南海南部的异常表层水，热带海洋学报，20，77-81。
25.郭炳火，黄振宗，李培英（2001），中国近海及邻近海域海洋环境，北京，海洋出版社。
26.郭忠信，（1989），El Ni o时期北部湾表层水温和盐度的异常，热带海洋，8，52-57。
27.黄企洲，郑有任（1996），1992年3月南海东北部巴士海峡的海流，中国海洋学文集，第6集，北京，海洋出版社，42-52。
28.姜涛，黄洪辉，王文质（2006），吕宋海峡输送年际变异数值研究，热带海洋学报，25，13-20。
29.柯东胜（1991），ENSO对南海气候环境影响研究概况，海洋信息，11，6-8。
30.柯东胜（1992），南海环境要素的年际变化与1982-1983年El Nino，海洋与湖沼，23，379-386。
31.李秀珍，梁卫，温之平等（2011），南海盐度对南海夏季风响应的初步分析，热带海洋学报，30，29-34。
32.刘长建，杜岩，张庆荣等（2007），海洋对全球变暖的响应及南海观测证据，气候变化研究进展，1，8-13。
33.刘长建，杜岩，张庆荣等（2008），南海次表层和中层水团年平均和季节变化特征，海洋与湖沼，39，55-64。
34.刘秦玉，杨海军，李薇（2000），吕宋海峡纬向海流及质量输送，海洋学报，22，1-8。
35.邱春华，贾英来（2009），南海北部深水海域温度以及盐度的季节及年际变化特征，中国海洋大学学报，39，375-380。
36.施平，杜岩，王东晓等（2001），南海混合层年循环特征，热带海洋报，20，10-16。
37.孙双文，万彪（2009），黑潮对中国近海热盐输运的季节和年际变化，华东师范大学学报，5，98-107。
38.孙湘平（2006），中国近海区域海洋，北京，海洋出版社。
39.王东晓，谢强，刘赟等（2003），太平洋年代际海洋变率研究进展，热带海洋学报，22，76-83。
40.王东晓，周发琇，秦曾灝（1996），南海上层海洋环流两层半模式的数值模拟，海洋学报，18，30-40。
41.王凡等（2001），1998年春夏南海温盐结构及其变化特征，海洋学报，23。
42.吴日升，郭小钢，李立（2002），1998年冬季南海的海洋水文特征与环流，海洋学报，24，340-351。
43.谢强，李海洋，王东晓（2009），热带太平洋盐含量的年际变化，海洋科学进展，27，155-165。
44.许建平，潘玉球，柴扉（2001），1998年春夏季南海若干重要水文特征及其形成机制分析，中国海洋学文集，13，211-220。
45.晏宏，孙立广，刘晓东等（2010），近50年来南海西沙群岛海域气候异常的ENSO效应，热带海洋学报，29，29-35。
46.杨修群，朱益民，谢倩等（2004），太平洋年代振荡的研究进展，大气科学，28，979-992。
47.张祥玉，梁荣金（2009），1997~1998年南海的天气与气候异常特征浅析，海洋预报，26，7-13。