張進(jìn)樂(lè)，李少偉，鄔曉冬

（1.國(guó)家海洋局廈門海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建廈門361008；2.大連市氣象局氣象服務(wù)中心，遼寧大連110001）

Ekman抽吸對(duì)南海海面升高變化的貢獻(xiàn)

張進(jìn)樂(lè)1，李少偉1，鄔曉冬2

（1.國(guó)家海洋局廈門海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建廈門361008；2.大連市氣象局氣象服務(wù)中心，遼寧大連110001）

利用NECP海表風(fēng)場(chǎng)資料和T/P衛(wèi)星高度計(jì)資料，研究風(fēng)場(chǎng)通過(guò)Ekman抽吸對(duì)南海海面升高變化的貢獻(xiàn)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)于南海200 m以深區(qū)域的平均海面升高的變化，Ekman抽吸在1月和2月份起到主要作用，其他月份和海面升高變化反號(hào)。在年際尺度上，Ekman抽吸的EOF第二模態(tài)對(duì)海面高度的第一模態(tài)具有緊密的聯(lián)系。

Ekman抽吸；海面升高變化；南海；EOF

1 引言

南海為與中國(guó)陸地的最南端，屬于熱帶地區(qū)。南海是半封閉性的海盆，在北部通過(guò)臺(tái)灣海峽和東海相接，通過(guò)呂宋海峽和北太平洋聯(lián)系，在南端主要通道為卡里曼塔海峽[1]。南海在連接北太平洋和印度洋之間起著重要的作用[2]。

南海位于東亞季風(fēng)區(qū)，冬季為東北季風(fēng)，夏季轉(zhuǎn)為西南季風(fēng)（如圖1）。季風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制著南海海盆尺度的表層環(huán)流，對(duì)南海起著重要的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用[3]。海表風(fēng)場(chǎng)通過(guò)摩擦對(duì)海水表層動(dòng)量收支起到重要作用，是其直接動(dòng)量的源和匯。

近年來(lái)，海面高度的變化方面有過(guò)許多的研究[4-6]，但是引起海面高度變化的動(dòng)力機(jī)制至今還未完全清楚。對(duì)于南海海面高度的研究也有許多。利用海面高度計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)在呂宋、臺(tái)灣以西的海面高度存在冬、夏反位相的分布特征，即冬季是低值區(qū)，夏季是高值區(qū)[7-8]。Li等[9]利用1993年到1999年的衛(wèi)星高度計(jì)資料計(jì)算發(fā)現(xiàn)，南海的海面高度以每年10 mm的速度在上升。Cheng和Qi[10]利用更長(zhǎng)的衛(wèi)星高度計(jì)資料（1993—2006年）計(jì)算發(fā)現(xiàn)，南海平均海平面的上升速度為每年11.3 mm。Fang等[11]研究發(fā)現(xiàn)，南海海面高度在1993—2001年表現(xiàn)為線性增加，而在2001—2003年表現(xiàn)為降低。很多研究表明海面高度的變化與ENSO循環(huán)是有緊密聯(lián)系的[12-15]。Cheng和Qi[10]研究指出，上層的熱力變化是影響海面高度變化的非常重要的機(jī)制之一。Rong等[16]指出Ekman抽吸也是海面高度變化的影響因素之一。

南海海面高度具有顯著的季節(jié)變化，海面高度的變化是由于海水的輻散輻合、密度的改變以及表面淡水通量等諸多因素造成的。由正壓連續(xù)方程可以知道，海面高度的變化是由非線性以及垂直速度引起，零階近似下，海面高度和溫躍層成正比，風(fēng)場(chǎng)通過(guò)Ekman抽吸影響溫躍層的變化，從而引起海面高度的起伏，在研究南海暖流的形成機(jī)制方面，Wang等[17]從Ekman抽吸的角度分析發(fā)現(xiàn)，由于風(fēng)應(yīng)力旋度的抽吸作用導(dǎo)致溫躍層的下沉，從而引發(fā)海面高度的上升，在陸架外側(cè)形成高壓力帶，地轉(zhuǎn)平衡下，成為南海暖流的西段驅(qū)動(dòng)力。因此本文從Ekman抽吸的角度來(lái)診斷計(jì)算風(fēng)場(chǎng)對(duì)南海平均海面高度變化的貢獻(xiàn)。

2 資料和研究區(qū)域

2.1 資料

本文所用的表面風(fēng)場(chǎng)資料為NECP（National Center forEnvironmental Prediction）月平均再分析資料，分辨率為2.5°，時(shí)間1950—2009年，一共60年（但本文的研究中只用到了1993—2008年的數(shù)據(jù)）。

海面高度資料是T/P衛(wèi)星高度計(jì)資料（該產(chǎn)品為TOPEX/Poseidon,ERS及Jason1三顆衛(wèi)星的融合產(chǎn)品），分辨率為1/3°，時(shí)間從1992年開始，共17年，時(shí)間分辨率為周。

2.2 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)槟虾Ｕ麄€(gè)海盆200 m以深的區(qū)域（見圖2）。

圖1 氣候態(tài)風(fēng)場(chǎng)分布（等值線為200 m水深線）

圖2 研究區(qū)域（等值線為200 m和1000 m等深線）

3 南海海面高度分布特征

3.1 季節(jié)海面高度分布

圖3是南海200 m以深區(qū)域的年平均海面高度異常分布（相對(duì)于多年平均的海面高度的異常，融合產(chǎn)品中的平均海面高度是利用1993年1月—1999年12月數(shù)據(jù)計(jì)算得到）?？梢钥吹絽嗡魏{以西存在一個(gè)很強(qiáng)的高值中心，即呂宋冷渦。由此可見呂宋冷渦是一個(gè)較為穩(wěn)定的系統(tǒng)。在西邊界存在非常明顯的波動(dòng)特征，即Kelvin波。在海盆中央則是非常強(qiáng)的Rossby波的形態(tài)。

圖4是海面高度異常的方差分布。呂宋海峽以西為一大值中心，和呂宋冷渦相對(duì)應(yīng)。說(shuō)明呂宋冷渦存的強(qiáng)度存在著顯著的季節(jié)變化。在西邊界處也存在著非常強(qiáng)的方差分布，這同邊界的作用相聯(lián)系，季風(fēng)和岸線的相互作用導(dǎo)致了該區(qū)域的海面高度變化顯著。

圖5是南海海面異常在各季節(jié)的空間分布。在冬季，海面高度異常在海盆中部為低值分布而在陸架為高值區(qū)，這種分布形態(tài)與冬季氣旋性環(huán)流相對(duì)應(yīng)。在春季，海面高度異常分布的主要特征是越南以東的高值區(qū)域，這與南海西部的春季暖渦相對(duì)應(yīng)。在夏季伴隨西南季風(fēng)的建立，南海環(huán)流轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｅ璩叨鹊姆礆庑h(huán)流，并且在越南以東存在顯著的離岸流的分布，與此對(duì)應(yīng)的是南海海面高度異常在海盆中部為高值分布而在陸坡區(qū)域這表現(xiàn)為低值區(qū)域。在秋季為西南季風(fēng)向東北季風(fēng)的轉(zhuǎn)換季節(jié)，此時(shí)的環(huán)流特征由反氣旋向氣旋性環(huán)流轉(zhuǎn)換。

3.2 海面高度分布的年際變化

本文利用EOF（經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析）分析南海海面高度異常的年際變化。表1是對(duì)南海海面高度異常進(jìn)行EOF之后前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)。根據(jù)North等（1982）提出的檢驗(yàn)方法，南海海面高度的前兩個(gè)模態(tài)具有顯著的差異。

圖6是海面高度EOF的第一模態(tài)，它描述的是海盆中央的正異常以及南北陸架上的負(fù)異常分布特征，特別是呂宋以西的高值分布中心與呂宋冷渦的存在有一定的關(guān)系。從時(shí)間系數(shù)上可以看到其表現(xiàn)有顯著地年際變化特征。從年際尺度上可以看到，該模態(tài)具有正向增強(qiáng)的趨勢(shì)，即時(shí)間系數(shù)線性的增加。

圖3 南海氣候態(tài)年平均海面高度異常分布（單位：cm；等值線為200 m等深線）

圖4 南海海面高度異常方差分布（單位：cm；等值線為200 m等深線）

圖5 南海海面高度異常季節(jié)分布特征（單位：m；等值線為200 m等深線）

表1 EOF前兩個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)

圖7是EOF的第二模態(tài)，方差貢獻(xiàn)率為10.0%。從空間分布特征上可以看到，該模態(tài)描述的是南海西側(cè)的暖渦結(jié)構(gòu)，在西沙以及越南東岸分別存在強(qiáng)的正異常分布，這與南海每年春季在海盆西側(cè)出現(xiàn)的長(zhǎng)時(shí)間暖性渦旋是相關(guān)的。從時(shí)間系數(shù)上可以發(fā)現(xiàn)，第二模態(tài)的變化相對(duì)于第一模態(tài)來(lái)講頻率更高，并且沒有表現(xiàn)出特別明顯的線性變化趨勢(shì)。

以上兩個(gè)模態(tài)與前人研究的結(jié)果相似[18]，一方面驗(yàn)證了本文結(jié)果的可靠性，另一方面由于本文選用的時(shí)間序列更長(zhǎng)，因而在年際尺度上較為明顯的表現(xiàn)出模態(tài)的線性變化趨勢(shì)。

圖6 南海海面高度異常EOF第一模態(tài)的空間分布和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（紅線為時(shí)間系數(shù)的線性趨勢(shì)）

圖7 南海海面高度異常EOF第二模態(tài)的空間分布和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（紅線為時(shí)間系數(shù)的線性趨勢(shì)）

圖8 氣候態(tài)Ekman抽吸各季節(jié)分布（單位：cm/s；等值線為200 m等深線）

4 Ekman抽吸的變化

4.1 Ekman抽吸季節(jié)變化

圖8為4個(gè)季節(jié)氣候態(tài)的Ekman抽吸的分布?？梢钥吹紼kman抽吸存在明顯的季節(jié)變化。冬季海盆左側(cè)為正的Ekman抽吸，即能夠引起海面高度的上升趨勢(shì)，且正值中心位于靠近岸的區(qū)域，這和冬季南海西邊界流吻合，冬季正Ekman抽吸造成溫躍層下沉，海表高度上升，從而引起南向的正壓流動(dòng)，利于南海冬季南向西邊界流的形成。春季，正Ekman抽吸東擴(kuò)，幾乎占據(jù)整個(gè)海盆，只是在呂宋海峽西側(cè)以及南沙海區(qū)有負(fù)值分布。夏季負(fù)的Ekman抽吸由西向東擴(kuò)張，將正Ekman抽吸擠壓到東岸附近。秋季，整個(gè)海盆為負(fù)的Ekman抽吸所占據(jù)。

圖9 海面高度變化及Ekman抽吸（單位：cm/s）

4.2 Ekman抽吸和海面高度的關(guān)系

為了理解海面高度的變化，利用溫躍層模型[19]：

該模型是基于1.5重力約化模型的假定，其中h是溫躍層深度，C為第一斜壓Rossby波波速是斜壓Rossby變形半徑，g′=gΔρ/ρ0；H是平均溫躍層厚度；是Ekman抽吸的速度，τ是風(fēng)應(yīng)力。當(dāng)我們忽略平流效應(yīng)時(shí)，溫躍層深度的變化基本取決于Ekman抽吸的速度。在零階近似下，我們知道海面高度的變化同溫躍層成正比，因此Ekman抽吸通過(guò)影響溫躍層深度進(jìn)而引起海面高度的變化?；谶@種理論關(guān)系，本文分析Ekman抽吸與海面高度變化之間的聯(lián)系。

基于以上的理論分析，我們?cè)\斷Ekman抽吸速度對(duì)海面高度變化的貢獻(xiàn)在實(shí)際中是怎么樣的。

利用周平均的海面高度資料計(jì)算了海面高度變化率，同時(shí)利用NECP風(fēng)場(chǎng)資料計(jì)算了同區(qū)域的Ekman抽吸對(duì)海面高度變化的貢獻(xiàn)（見圖8），由于NECP風(fēng)場(chǎng)資料是月平均的，因此我們將風(fēng)場(chǎng)資料線性差值到了周的時(shí)間尺度，雖然兩種資料的時(shí)間分辨率不同，但是對(duì)于變化率的估計(jì)影響不大。

從圖9中可以看到，在前15周，Ekman抽吸引起的海面高度變化同實(shí)際海面高度變化非常的接近，由此可見，一、二兩個(gè)月的海面高度變化的主導(dǎo)因素是Ekman抽吸，即風(fēng)場(chǎng)決定了海面高度的變化。但是此后的時(shí)間里，兩者得差距逐漸變大，甚至是反號(hào)。但是量級(jí)仍然是相當(dāng)?shù)?，即Ekman抽吸對(duì)海面高度的變化仍然起著顯著的作用，但不是決定因素。為進(jìn)一步確定前兩個(gè)月的相關(guān)性，本文將一月、二月的Ekman抽吸與海面高度變化進(jìn)行了16年的對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)一月份兩者具有非常好的相關(guān)性，二月份有所下降，但是兩者仍然保持較好的相關(guān)性，從而再次確定了兩者在前兩個(gè)月的相關(guān)性。

圖10 Ekman抽吸的EOF第一模態(tài)的空間分布和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（紅線為時(shí)間系數(shù)的線性趨勢(shì)）

圖11 Ekman抽吸的EOF第二模態(tài)的空間分布和對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)（紅線為時(shí)間系數(shù)的線性趨勢(shì)）

4.3 Ekman抽吸年際變化

本文采用EOF分析Ekman抽吸的年際變化特征。為了可以和海面高度進(jìn)行對(duì)比分析，本文將風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)插值到了海面高度的網(wǎng)格上進(jìn)行分析。EOF的前倆個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)列于表1中，并且經(jīng)過(guò)了95%的可信性檢驗(yàn)[20]。

圖10是第一模態(tài)的空間分布以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)。第一模態(tài)的空間分布是明顯的東西偶極子的分布特征，并且高值中心在南海的南部。這種分布形態(tài)與Ekman抽吸的冬、夏季分布形態(tài)相似。從相應(yīng)的時(shí)間的演變可以看到，其年際變化特征并不明顯。即Ekman抽吸的第一模態(tài)表達(dá)的是穩(wěn)定的季節(jié)循環(huán)特征。

Ekman抽吸的第二模態(tài)（見圖11）則表現(xiàn)出明顯的緯向分布特征，即表現(xiàn)出南北方向的三明治結(jié)構(gòu)（海盆中央為高值中心，而在兩側(cè)為低值分布）。Ekman抽吸EOF的第二模態(tài)與海面高度的第一模態(tài)存在一定的相似分布結(jié)構(gòu)。而對(duì)應(yīng)的的時(shí)間系數(shù)也表現(xiàn)出顯著的年際變化特征，即線性增長(zhǎng)。

為進(jìn)一步分析兩個(gè)模態(tài)的相關(guān)性。本文將兩個(gè)模態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化之后的時(shí)間系數(shù)繪于圖12。從兩者的演化趨勢(shì)可以看到兩者的吻合程度相當(dāng)高。兩者的相關(guān)系數(shù)為0.45，通過(guò)了95%的信度檢驗(yàn)。

從以上的分析可以看到，在年際變化的尺度上，Ekman抽吸的第二模態(tài)與海面高度的第一模態(tài)之間具有相當(dāng)好的相關(guān)性，即Ekman抽吸第二模態(tài)的增強(qiáng)對(duì)海面高度的第一模態(tài)的變化具有顯著的貢獻(xiàn)。

圖12 海面高度異常EOF第一模態(tài)與Ekman抽吸第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)（均經(jīng)過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)化處理）

5 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）南海海面高度異常的空間分布具有顯著的季節(jié)變化，冬季表現(xiàn)為氣旋性環(huán)流特征，而在夏季則為反氣旋性特征；

（2）南海海面高度EOF的第一模態(tài)具有明顯的正向增強(qiáng)，而第二模態(tài)的線性變化趨勢(shì)不明顯；

（3）Ekman抽吸對(duì)南海海面高度異常的變化起著顯著的作用，特別是1、2月份，其成為海面高度變化的主導(dǎo)因素；

（4）在年際尺度上，Ekman抽吸的第二EOF模態(tài)對(duì)海面高度的第一EOF模態(tài)具有顯著貢獻(xiàn)。

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Contribution of the Ekman pumping to the variability of the sea surface height in the South China Sea

ZHANG Jin-le1，LI Shao-wei1，WU Xiao-dong2
（1.Marine Forecast of Xiamen,Xiamen 361008 China；2.Dalian Meteorological Bureau,Dalian 110001 China）

Based on the wind data derived from National Center for Environmental Prediction(NCEP)and the Topex/Poseidon(T/P)satellite altimeter data,the influence of Ekman pumping on the variability of sea level in the South China Sea is studied.It is shown that the Ekman pumping plays a major role in mean sea level variability in January and February deeper than 200 m water depth.However,in other seasons the influence is opposite.In the interannual scale,the second EOF mode of Ekman pumping has close links with the first mode of the variability of sea level.

Ekman pumping；sea level variability；South China Sea；EOF

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0055-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.009

2013-06-24

張進(jìn)樂(lè)（1983-），助理工程師，主要從事海洋預(yù)報(bào)工作。E-mail:zhangjinle2003@gmail.com