南海位于我国大陆以南, 是西北太平洋最大的深水边缘海, 地理位置独特, 海底地形复杂多变。南海通过吕宋海峡、台湾海峡、马六甲海峡、巴拉巴克海峡等分别与太平洋、东海、和印度洋相连, 显示出与大洋相似的水文特征; 但是除了吕宋海峡的深度达到2500m外, 其他的海峡水深都比较浅, 而且宽度也比较窄, 形成了南海特有的半封闭贯通格局, 所以, 南海具有区域海洋和开阔大洋的综合水文演变特点。

南海是印度太平洋暖池的重要组成部分, 通过吕宋海峡西北太平洋与南海在各个深度层次上存在广泛的水交换。吕宋海峡水交换所伴随的热通量和盐通量交换对南海水团的性质、构成和变异起到了决定性作用, 对南海环流也具有重要影响(Nitani, 1972; Shaw, 1991)。此外, 吕宋海峡水交换能够将在大洋产生的一些现象和信号(如黑潮变异、厄尔尼诺、拉尼娜等)通过大气桥和南海贯穿流传到南海, 进而对南海的海洋动力过程产生影响, 引起局地气候变化(Qu et al, 2004; Wang et al, 2006)。Yu等(2015)发现吕宋海峡输运(上层0—745m)具有显著年代际变率特征, 分析表明PDO正位相时阿留申低压向南入侵, 热带北太平洋的信风减弱而且西风异常增强。北赤道流分叉点相应北移, 吕宋以东的黑潮减弱, 上层0—745m的吕宋海峡输运增强。

黑潮通过吕宋海峡入侵低温-高盐水(Dale, 1956; Wyrtki, 1961; Nan et al, 2011; Chen et al, 2012; Zeng et al, 2014)。南海中的盐度在不同的时间尺度上也表现出显著的变异性。Nan等(2013)指出, 在过去二十年里, 南海北部次表层海洋的含盐量减少。Zeng等(2016)指出, 南海北部次表层盐度具有显著的年代际变化特征。海洋盐度是水文循环的一个良好指示剂, 是描述海水性质的重要物理量, 有助于整体了解南海实际水文特征。然而, 由于盐度数据有限, 一般缺乏对盐度变异性尤其是极端变异事件的深入研究。本文拟利用南海北部海域的开放航次数据和SODA数据, 对南海北部次表层水体盐度异常事件进行分析。

1 数据和方法 1.1 数据

本文所使用的CTD数据来自中国科学院南海海洋研究所(SCSIO)2004—2013年的南海北部开放航次(Zeng et al, 2015)。观测海域为南海北部110°—120°E, 18°—23°N之间。其中, 2004—2006、2009—2011年观测时间为9月份, 2007—2008年观测时间为8月份, 2012—2013年观测时间为10月份。2004年9月和2005年9月观测站位分布见图 1, 站位中有位于吕宋海峡的120°E断面, 亦有反映典型南海水体性质南海18°N断面等, 站位信息十分丰富。

SODA海洋数据集由美国马里兰大学的全球简单海洋资料同化分析系统产生。本文采用的数据集SODA2.2.4, 这套数据同化了包括WOD09与COADS 2.5等观测数据。它的空间分辨率是0.5°×0.5°, 垂向0—150m, 分辨率为不等间距共12层, 分别为148.96、129.49、112.32、96.92、82.92、70.02、57.98、46.61、35.76、25.28、15.07、5.01m。时间跨度为1980年1月至2010年1月, 共31年。

月平均的净淡水通量计算所使用的数据是Tropical Rainfall Measuring Mission satellite (TRMM) 3B43的降水数据和Objectively Analyzed air-sea Fluxes(OAFlux)的蒸发数据(Yu et al, 2007)。

1.2 盐度收支方程

为了解决盐度年际平衡, 我们考虑了一种简化版的次表层盐度收支方程:

这个方程, 从左到右每一项分别为, 次表层上部盐度变化趋势, 表层淡水通量, 水平平流和剩余项。剩余项是垂向夹卷所造成的盐度变化, 像水平耗散一样是个小量。h_m是次表层厚度0—150m, 等式右端第一项中的S是表层盐度, 其余的S是次表层盐度, (E-P)是淡水通量, E是蒸发, P是降水, ν是水平速度, ∇S是水平盐度梯度(Nan et al, 2013; Zeng et al, 2014)。

水平平流项可以分成两部份计算, 一部分是通过吕宋海峡的输运量, 即吕宋海峡西部(110°—120°E, 18°—22°N)的南海北部海水(S_NSCS)与吕宋海峡东部(120°—124°E, 18°—23°N)的黑潮水(S_KW)之间的输运量, 另一部分则是通过18°N断面的经向输运量, 即南海北部(S_NSCS)与南海南部(110°—120°E, 15.5°— 18°N, S_SSCS)之间的输运量。所选范围如图 1a中方框所示。这部分采用1980—2010年SODA (Carton et al, 2008)的再分析数据。

2 次表层高盐异常分析 2.1 观测证明

通过对比各年份的T-S点聚图, 可以看出南海北部次表层2004年和2005年为盐度比较大的年份。在22σ_θ(位势密度)层以上, 2004年、2005年与2006—2013年平均盐度相比, 随着深度的增加, 盐度差异逐渐增大。在22σ_θ层以下, 随着深度的增加, 2004年、2005年与2006—2013年平均盐度相比, 盐度差异逐渐减小。其中2005年, 在22σ_θ层盐度差异到达最大值, 比2006—2013年平均盐度值大0.35。

为了更好的分析盐度增大的原因, 选取2004年9月和2005年9月的航次数据与(WOA气候态下的温盐数据进行对比。在气候态平均场下, 海水深度1000m以上, 可分为南海北部水和黑潮水, 前者范围18°—21°N、110°—119°E, 后者范围18°—23°N、122°— 124°E。南海北部水, 在盐度极大的次表层, 平均盐度最大值为34.59, 分布在25.2σ_θ层上, 而具有高温高盐的黑潮水, 盐度极大值在24.1σ_θ层上, 平均盐度最大值为34.86。2005年南海北部盐度极大值为34.65, 其所在的次表层主要分布在24.8σ_θ层上, 位于气候态平均场下南海北部水次表层盐度极大值所在密度层的上方, 则黑潮水和南海北部水压力差减小, 从而在一定程度上抑制黑潮水的进入, 使南海北部次表层水体盐度增长放缓。

黑潮水的次表层盐度大、密度小, 在进入南海北部之后, 会在南海北部次表层的上部再形成一个盐度极大值层。图 3b显示2005年南海北部盐度极大的次表层, 个别站点会出现分层现象, 次表层有两个盐度极大值, 形成类似于“3”的结构曲线。有的站点“3”结构曲线明显, 说明此站点附近的海水还没彻底混合, 在图 3b小图中以红点显示其位置。有的站点次表层的两个盐度极大值很接近, 造成“3”结构曲线不明显, 说明此站点附近的海水混合充分, 在图 3b小图中以绿点显示其位置。可以看出, 南海北部海水混合的范围主要是在大陆架以外, 这些高盐水在吕宋海峡20°N以北进入南海, 沿着1000m等深线深入南海内部, 这和李薇等(1998)报道的情形一致。

2.2 净淡水通量分析

2005年降水相比2004年略多一些, 主要分布在吕宋岛和台湾岛两岛的东侧, 而2004年降水主要分布在吕宋岛东西两侧。图 4c、4d分别显示出2004年南海北部降水少于气候态均值, 海南岛东部降水比气候态均值少6—8cm/month, 2005年南海北部降水大于气候态均值, 其中最大差值出现在吕宋岛西北部和台湾岛西南部, 此地降水比气候态多2—4cm/ month。2004年南海北部净淡水通量整体表现为略高于气候态均值, 增加的净淡水通量主要分布在20°N。2005年南海北部净淡水通量也比气候态高, 主要集中在吕宋海峡西南部, 说明2004—2005年南海北部净淡水通量会抑制南海北部盐度增大, 不会造成高盐事件。

在2004—2010年, SODA和开放航次数据在南海北部次表层盐度变化趋势上保持一致, 开放航次数据显示2005年南海北部次表层盐度达到34.31, 在2004年到2013年这一期间为最大, 比SODA的平均盐度大了0.1。SODA数据同样显示出2005年南海北部次表层盐度达到34.35, 为1995年到2010年期间的最大值, 比SODA的气候态平均盐度大了0.14。从图 5还可以看出, 1993—2001年和2005—2008年南海北部次表层盐度逐渐减小, 1985—1993年和2001—2005年南海北部盐度逐渐增大。其中2011—2012年, 南海北部海水有明显淡化现象, 2012年盐度最小为33.7。这与Zeng等(2014)利用观测和卫星资料证明2012年南海北部海水淡化的结果一致。

2.3 盐度特征分析

2004—2005年盐度增大的现象主要发现在次表层150m以浅。盐度最大增量所在的深度为50—80m。2004年的盐度最大增量比2005年大: 2004年盐度最大增量大约为0.3, 而2005年大约为0.2。

2004—2005年净淡水通量(降水-蒸发)比气候态下要多, 对盐度的增长为负影响, Zeng等(2014)发现南海北部表面的降水、蒸发、河流径流对南海北部次表层盐度的影响不大。把表层净淡水通量项和剩余项省略之后, 只保留平流项。为了与观测数据的时间相对应, 计算出的结果都是盐含量输运值减去气候态均值, 从1980年1月开始, 然后再积分到每年的9月份, 显示在图中的曲线斜率就可以表示盐度输运变化程度

盐度收支方程可简化为

而南海北部次表层盐度相对于气候态下平均盐度的变化累积量表示为

其中S_mlst为通过吕宋海峡平均输入的盐含量, S_mt18°N为经向通过18°N断面平均输入的盐含量, S_LST为通过吕宋海峡盐含量输入的累积量, S_T18°N为经向通过18°N断面盐含量输入的累积量。

2.4 盐度收支分析

2001—2004年通过吕宋海峡进入南海北部次表层的盐含量输入值均大于气候态均值, 造成2001—2004年南海北部次表层盐度快速增加, 虽2005年吕宋海峡盐输运减少, 略低于气候态均值, 但通过18°N断面进入南海北部次表层的盐含量输运增强, 大于气候平均值, 在二者的共同作用下, 2005年南海北部次表层盐度继续增加, 随后2006年进入南海北部次表层的盐含量输入减少, 二者的总量小于气候态均值, 南海北部次表层盐度随之降低。南海北部次表层水平平流所引起的盐含量输入的变化累积量使2005年盐度达到最大, 为0.09, 相比于SODA数据, 2005年南海北部次表层盐度比气候态平均盐度大的0.14稍小了一点, 但与南海北部开放航次数据里的2005年南海北部次表层盐度比气候态平均盐度大的0.1很接近, 表明水平平流是造成2005年盐度增加的主要原因, 相差那一部分盐度有可能是南海北部表面的降水、蒸发、河流径流等其他因素引起的。2001—2005年进入南海北部次表层的盐含量输运的变化累积量逐渐增加, 这与图 5中所显示的2001—2005年南海北部次表层盐度逐渐增加也是一致的。

3 讨论

本文通过盐度收支方程, 分别计算了通过吕宋海峡和18°N断面对南海北部次表层的盐含量输运。研究表明, 2001—2004年南海北部次表层盐度快速增加主要是由通过吕宋海峡的盐含量输入增强引起的, 2005年的盐度比2004年略微增加是受到了通过18°N断面的盐含量输入增强的影响。南海南部通过巴拉巴克海峡与苏禄海联通, 由于苏禄海可形成比较浅薄的相对高盐水层, 则入侵的苏禄海水也是高盐水的来源之一(李秀珍等, 2011)。从WOA气候态下的T-S点聚图可以看出(图 3a), 黑潮水、南海北部水和苏禄海水, 三者之间具有明显的差异。次表层的黑潮水具有高温高盐的特征, 次表层盐度为三者之间最大值, 而黑潮水的中层盐度要小于南海北部水。苏禄海水的温盐曲线并没有南海北部水和黑潮水的那种反向“S”型曲线。苏禄表层海水盐度小于黑潮水, 大于南海北部水, 22—26σ_θ密度层之间苏禄海水的盐度随着深度的增加缓慢增大, 23.5—26σ_θ密度层之间苏禄海水的盐度为三者之间最小盐度, 中层苏禄海水盐度与南海北部水大体保持一致。2004—2005年开放航次的温盐特征曲线显示, 南海北部次表层水温盐特征介于黑潮水和南海北部水之间, 中层水与南海北部水保持一致, 在一定程度上表明2005年南海北部次表层盐度达到极大值主要还是由黑潮水入侵引起的。

4 结论

本文利用中国科学院南海海洋研究所在2004—2013年开放航次对南海北部大面积的CTD观测数据和1980—2010年SODA数据, 针对2005年南海北部次表层水体盐度出现最大值的事件进行了分析。温盐特征曲线显示, 盐度增大的现象主要发生在150m以浅。

2004—2005年净淡水通量大于气候平均态, 表明净淡水通量不利于次表层水体的盐度增大。采用简化的盐度收支方程定量分析了平流对南海北部次表层盐度的影响, 研究表明, 2001—2004年通过吕宋海峡进入南海北部次表层的盐量输入均大于气候态均值, 其中2002年、2004年增量较大, 使南海北部次表层盐度迅速增大。2005年吕宋海峡盐输入减少, 但通过18°N断面进入南海北部次表层的经向含盐量输入增加, 在二者的共同作用下, 使南海北部次表层水体盐度在2005年有略微增加, 达到极大值。平流使2005年南海北部次表层水体盐度比气候态均值增加了0.09。

研究还表明, 吕宋海峡盐输运与18°N断面的盐输运大体呈负相关, 1980—1987年、2001—2005年通过吕宋海峡进入南海北部次表层的含盐量输入一般都大于气候态均值, 而通过18°N断面的一般都小于气候态均值; 1998—2000年正好相反, 通过18°N断面进入南海北部次表层的经向含盐量输入一般都大于气候平均态, 而通过吕宋海峡的一般都小于气候平均态, 而且通过18°N断面的经向盐量输入变化程度一般小于通过吕宋海峡的盐量输入变化程度。后续将进一步分析盐度的时空分布特点, 以及盐度在水循环、海洋环流和全球热输运中的作用。