萬(wàn)道靜，李洪平

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100）

南海海表鹽度異常分布特征分析

萬(wàn)道靜1，李洪平1

（1.中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院 海洋技術(shù)系，山東 青島 266100）

利用最小二乘法線性擬合和EOF分析等方法對(duì)1980～2011年共32 a的SODA月平均海洋同化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，探討了南海海表鹽度的時(shí)空分布特征。分析結(jié)果顯示，從1980～2011年，南海海表鹽度有不斷下降的趨勢(shì)，并且存在周期性波動(dòng)特征，以及明顯的季節(jié)變化和年際變化。在不同海域異常變化不同，南部和北部異常變化較高且呈反相關(guān)；靠近大洋和陸地一側(cè)的異常變化高，中部異常變化較低。

南海；海表鹽度異常；分布特征；EOF分析

海表鹽度（sea surface salinity，SSS）是描述海洋基本性質(zhì)的關(guān)鍵變量之一，對(duì)其分布和變化規(guī)律的研究有助于了解全球水循環(huán)以及海氣間相互作用對(duì)全球氣候的影響[1-3]。Dickson等[4]認(rèn)為表層低鹽度入侵對(duì)驅(qū)動(dòng)溫鹽環(huán)流和徑向熱傳輸?shù)纳顚?duì)流層有影響。鹽度影響海水密度，進(jìn)而支配海洋環(huán)流和氣候，而鹽度變化主要是由降水、蒸發(fā)、徑流和冰凍結(jié)及融化引起的。

南海接近赤道，位于太平洋邊緣，是西太平洋最大的半封閉深水海盆。其特殊的地理位置與氣候特征決定了南海地區(qū)SSS對(duì)南海環(huán)流以及海氣之間的相互作用具有重要的影響[5,6]。郭敬等[7]利用1950～2012年的WOD05鹽度數(shù)據(jù)對(duì)南海混合層鹽度的季節(jié)變化影響因素進(jìn)行了分析，得出整個(gè)南海混合層鹽度季節(jié)變化的主要影響因素是降雨量和水平平流。曾麗麗等[8]通過(guò)對(duì)南海南部、北部航測(cè)鹽度資料的研究，分析了夏季風(fēng)期間降雨對(duì)南海上層鹽度影響的可能性；王凡等[9]根據(jù)“南海季風(fēng)試驗(yàn)”期間的CTD考察資料，分析了1988年夏季風(fēng)爆發(fā)前后南海主要斷面的溫鹽結(jié)構(gòu)及變化特征；王東曉等[10]得出在夏季風(fēng)持續(xù)強(qiáng)迫下上層環(huán)流體現(xiàn)出顯著的季風(fēng)性海洋環(huán)流特征，南海夏季溫鹽水平分布隨深度有顯著變化。李秀珍等[11]利用1967～2001年共35 a的SODA（simple ocean data assimilation）月平均同化資料探討了南海不同海域鹽度對(duì)南海夏季風(fēng)爆發(fā)以及季風(fēng)強(qiáng)度的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明它們之間密切相關(guān)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

本文所用數(shù)據(jù)來(lái)自于美國(guó)馬里蘭大學(xué)（UMD）和美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)（TAMU）共同研制開發(fā)的簡(jiǎn)單海洋數(shù)據(jù)同化資料SODA月平均海水鹽度數(shù)據(jù)集。該資料是由全球簡(jiǎn)單海洋資料同化系統(tǒng)分析得到的再分析產(chǎn)品，采用了隨機(jī)連續(xù)估計(jì)理論和質(zhì)量控制方法，比如鄰近點(diǎn)檢驗(yàn)法、“預(yù)報(bào)值-觀測(cè)值”差值檢驗(yàn)、卡爾曼濾波、四維變分等多種方法來(lái)減小誤差，以保證資料的準(zhǔn)確度、可用性和可信度[12]。

SODA月平均海洋同化數(shù)據(jù)每個(gè)文件包含當(dāng)月的月平均海洋數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的水平空間分辨率為0.5°×0.5°；水平空間覆蓋范圍是0.25°～359.75°E 、75.25°S～89.25°N，因此在經(jīng)、緯度上的格點(diǎn)數(shù)分別為720和330；垂直方向上的分辨率為不等間距，共40層，深度分別為5、15、25、35、46、57、70、82、96、112、129、148、171、197、229、268、317、381、465、579、729、918、 1 139、1 378、1 625、1 875、2 125、2 375、2 624、2 874、3 124、3 374、3 624、3 874、4 124、4 374、4 624、4 874、5 124、5 374（單位：m）；包含7個(gè)變量：溫度（temp）、鹽度（salt）、維向海流速度（u）、徑向海流速度（v）、垂向海流速度（w）、維向海表風(fēng)應(yīng)力（taux）、徑向海表風(fēng)應(yīng)力（tauy）、海表面高度（ssh）。

為了能夠較好地分析南海海水表層的鹽度異常，文中選取的鹽度月平均數(shù)據(jù)集為：時(shí)間跨度從1980-01～2011-12，共32 a（384個(gè)月）；空間范圍為 0°～25°N、100°～125°E；深度為5 m。先剔除異常數(shù)據(jù)（處理掉陸地?cái)?shù)據(jù)的無(wú)效值），由32 a的逐月SSS數(shù)據(jù)得到氣候態(tài)的月平均SSS，再用逐月SSS減去氣候態(tài)的月平均值，得到海表鹽度異常值SSS的變化趨勢(shì)。使用最小二乘法對(duì)SSS異常進(jìn)行線性擬合，分析南海SSS的變化趨勢(shì)。然后對(duì)SSS異常作EOF分析，得到SSS異常的空間分布和時(shí)間系數(shù)，探討南海SSS異常的分布特征。

2 分析與討論

2.1 變化趨勢(shì)分析

將1980-01～2011-12的南海SSS月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行距平化處理，去掉年周期信號(hào)后繪制SSS異常趨勢(shì)圖，并進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到如圖1所示的整個(gè)南海SSS異常變化趨勢(shì)圖。從總體來(lái)看，在這32 a間，整個(gè)南海的海表鹽度存在周期性波動(dòng)特征，并且有不斷下降的趨勢(shì)。前230個(gè)月（1980-01～1999-02），南海SSS的正異常較多，負(fù)異常較少；其中，最大正異常值為0．365 5，出現(xiàn)在1983-12；最大負(fù)異常值為-0．215 9，出現(xiàn)在1989-04。從2000-02之后，南海SSS的負(fù)異常值較多，且負(fù)異常值較大，正異常值較少；其中，最大負(fù)異常值為-0．347 5，出現(xiàn)在2009-05；而最大正異常值為0．266 1，出現(xiàn)在2005-06。從數(shù)據(jù)可知，從1980～2011年，南海SSS呈緩慢下降的趨勢(shì)。

2.2 EOF分析

圖1 1980～2011年南海SSSA變化圖

利用Matlab編程對(duì)南海SSS異常進(jìn)行EOF分解，并對(duì)得到的空間分布和相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行分析討論。經(jīng)過(guò)顯著性檢驗(yàn)，前6個(gè)模態(tài)均在95%的置信度水平下。從表1可以看出，南海SSS異常的前6個(gè)模態(tài)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率占總方差的55．75%。其中，前4個(gè)模態(tài)之間存在顯著性差別，第4模態(tài)和第5模態(tài)之間沒(méi)有顯著性差別。為了探討南海SSS異常的時(shí)空分布特征，在本文中只取前 3個(gè)模態(tài)進(jìn)行分析。

表1 前6個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率/%

經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率解釋了總方差的20．42%，反映了南海SSS近32 a來(lái)的主要分布和變化趨勢(shì)。從圖2a可以看出，第1模態(tài)下SSS異常值在整個(gè)南海海域呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，表明南海SSS在空間分布上的變化具有良好的整體一致性，升高和降低的變化是同位相的。SSS異常變化比較明顯的地方分布在鄰近香港和澳門附近海域、呂宋島附近海域、民都洛海峽、馬來(lái)西亞一側(cè)海域、南沙群島西側(cè)海域，基本上都是靠近大陸架一側(cè)，表現(xiàn)為強(qiáng)負(fù)值區(qū)。靠近大陸架一側(cè)海域SSS變化的影響因素主要考慮的是河流徑流注入量，不同維度南海SSS則是主要受到降雨量和蒸發(fā)量關(guān)系的影響[7]。圖2b為第1模態(tài)空間分布所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)?？臻g分布所對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)代表了鹽度異?？臻g分布的時(shí)間變化特征[13]。通過(guò)圖2可以發(fā)現(xiàn)，時(shí)間系數(shù)為正值時(shí)反映出整個(gè)南海的SSS上升，時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí)反映出整個(gè)南海的SSS下降。1980～1984年、1986年下半年～1988年、1989年下半年～1995年底、1997年下半年～1998年上半年、2005～2008年、2010～2011年上半年，南海SSS基本為上升階段；其他時(shí)間段為下降階段。從整個(gè)時(shí)間序列上來(lái)看，南海SSS異常的上升幅度基本上一直在降低，而下降幅度先增高后降低再增高。由此可見(jiàn)，從1980～2011年，雖然南海SSS存在明顯的季節(jié)變化和年際變化，但整個(gè)南海SSS基本上一直在降低，符合圖1中表現(xiàn)的SSS異常變化趨勢(shì)。

圖2 南海SSSA第1模態(tài)

圖3、4表示的是南海SSS異常經(jīng)EOF分解得到的第2模態(tài)向量和第3模態(tài)向量的空間分布和時(shí)間系數(shù)。第2模態(tài)和第3模態(tài)分別占總方差的13．57%和8．31%。由圖3a可知，第2模態(tài)下南海SSS異常值在空間分布上由西北到東南方向呈現(xiàn)帶狀分布遞減，北部灣、海南島東側(cè)以及廣東省大陸架一側(cè)海域的海表鹽度被一片強(qiáng)正值控制，說(shuō)明南海北部SSS變化較大；南海中部SSS異常由南北兩側(cè)向中部收斂，說(shuō)明SSS的變化不大；在南海東部巴拉巴克海峽、民都洛海峽一帶被強(qiáng)負(fù)值控制，說(shuō)明SSS變化較大。結(jié)合圖3b可以看出，當(dāng)時(shí)間系數(shù)為正值時(shí)，南海中部海域以北SSS上升幅度大，所以SSS較大，以南SSS下降幅度大，所以SSS較小，導(dǎo)致南海中部海域以北的SSS大于以南的SSS。從1988～1997年，時(shí)間系數(shù)基本為正值，說(shuō)明這段時(shí)間的南海北部的SSS基本上呈上升趨勢(shì)，南海南部的SSS基本呈下降趨勢(shì)；當(dāng)時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí)，南海中部海域以北SSS下降幅度大，以南SSS上升幅度大。其中，從2008年下半年～2010年底，南海北部SSS呈下降趨勢(shì)，南海南部SSS鹽度呈上升趨勢(shì)，到2010年夏季時(shí)間系數(shù)為最大負(fù)值，說(shuō)明夏季風(fēng)或強(qiáng)降雨導(dǎo)致鹽度發(fā)生很多變化[8]。綜合以上，說(shuō)明南海西南海域與東北部海域的SSS異常變化基本上呈反相關(guān)。

在第3模態(tài)下（圖4a），南海SSS異常的空間分布呈現(xiàn)的是東北方向到西南方向的遞增，結(jié)合其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列（圖4b）發(fā)現(xiàn)，時(shí)間系數(shù)為正值時(shí)，藍(lán)色區(qū)域SSS高于紅色區(qū)域SSS，時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí)，藍(lán)色區(qū)域SSS異常低于紅色區(qū)域SSS，南海東部與西部基本上呈反相關(guān)。與第2模態(tài)下的空間分布和時(shí)間序列相對(duì)比，第2和第3的空間分布基本上是相反的，而時(shí)間序列也基本上是相反的。這說(shuō)明同一時(shí)期，這2個(gè)模態(tài)下南海SSS在東北海域的變化小于西南海域，或者大于南海南部的變化?？傮w上表示了南海北部與南部SSSA變化呈反相關(guān)，中部SSS基本上變化不大的分布特征。

圖3 南海SSSA第2模態(tài)

圖4 南海SSSA第3模態(tài)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用SODA月平均海洋同化數(shù)據(jù)，通過(guò)EOF分析等方法評(píng)估了南海SSS在時(shí)間和空間上的分布特征。結(jié)果顯示，在消除年周期的基礎(chǔ)上，從1980～2011年，南海SSS存在波動(dòng)性的上升和下降，但是總體上是下降的趨勢(shì)。EOF第1模態(tài)分析說(shuō)明，南海SSS具有同相位的變化，整體上呈下降的趨勢(shì)，考慮到河流徑流注入量和來(lái)自大洋的寒暖流，靠近大洋一側(cè)的SSS和靠近陸地一側(cè)SSS異常變化高；第2、3模態(tài)EOF分析說(shuō)明不同海域的SSS異常變化是有差別的，主要分布為在南海北部和南部SSS異常變化大且呈反相關(guān)，在南海中部SSS異常變化小。通過(guò)分析南海SSSA的分布特征，為下一步南海SSS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的反演工作提供了一定的研究基礎(chǔ)。

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P237.9

B

1672-4623（2015）02-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.02.016

萬(wàn)道靜，碩士，研究方向?yàn)楹Ｑ蟮乩硇畔⑾到y(tǒng)。

2014-03-11。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009CB723903）。