張俊鵬，曠芳芳，萬小芳，潘愛軍

（自然資源部第三海洋研究所，福建 廈門361005）

上升流是海洋中最重要的海洋現(xiàn)象之一，通常是指上層海水的輻聚輻散引起的深層海水向上的垂直運動，它不僅是近海海洋動力過程之一，同時也是海洋物質(zhì)輸運的重要環(huán)節(jié)。自1959—1960年間全國海洋普查首次提出瓊東上升流以來［1］，許多海洋工作者通過海洋調(diào)查數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等對瓊東上升流的發(fā)生時間、空間范圍和強度等進(jìn)行了研究［2-6］。瓊東上升流通常發(fā)生在每年的4—9月，強盛期主要是6—7月；空間范圍大體位于海南島東部111.5°E以西的沿岸海域，南北范圍介于18.5°～20.0°N之間；從溫度、鹽度等指標(biāo)來看，上升流區(qū)相比鄰近區(qū)域表層水溫偏低2～5℃，鹽度偏高0.5。近十多年來，隨著現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)的豐富和遙感數(shù)據(jù)的積累，瓊東上升流再次成為研究熱點之一。Su等（2011）［7］和Wang等（2015）［8］基于觀測研究了河流沖淡水對瓊東上升流的影響，指出沖淡水能使海水垂向?qū)咏Y(jié)保持穩(wěn)定，壓制上升流使其易到達(dá)表層。汪彧等（2013）［9］和謝玲玲等（2017）［10］基于現(xiàn)場觀測和遙感數(shù)據(jù)研究了臺風(fēng)等短期天氣過程對瓊東上升流垂向結(jié)構(gòu)的影響及機制。劉羿等（2009）通過珊瑚記錄海表溫度記錄重建了1906—1993年瓊東上升流的強度指數(shù)變化序列，并基于該數(shù)列發(fā)現(xiàn)瓊東上升流在這期間呈加強趨勢，并有顯著的年代際波動特征［11］。謝玲玲等（2016）通過分析遙感風(fēng)場和海面溫度分析了瓊東上升流的年際變化特征，指出近30 a來瓊東上升流強度總體減弱，瓊東上升流強度和位置的年際變化存在周期約3、5、10 a的本征模態(tài)，并以3 a周期變化為主［12］。21世紀(jì)以來，隨著海洋數(shù)值模式的發(fā)展和計算機的計算能力的不斷提升，許多海洋工作者通過數(shù)值模擬對瓊東上升流的形成機制及其對氣候變化的響應(yīng)開展了許多研究［13-19］。經(jīng)志友等（2008、2009）通過數(shù)值模式研究指出瓊東上升流與夏季西南季風(fēng)之間有極大的相關(guān)性，沿岸風(fēng)應(yīng)力引起的Ekman輸運是重要影響因素，同時風(fēng)應(yīng)力旋度也對上升流有影響［14-15］。李毅能等（2012）通過數(shù)值模型計算指出，瓊東上升流不僅受局地風(fēng)應(yīng)力的控制，同時還受到大尺度環(huán)流的影響［18］。Lin等（2016）通過理想地形實驗分析了地形在瓊東上升流中的作用［19］。柴扉等（2001）指出El Ni?o年附近，瓊東上升流要比其他年份強，表現(xiàn)為海南島東北部的七洲列島附近溫度顯著偏低，鹽度顯著偏高［13］。Jing等（2011）指出瓊東上升流在1998年夏季顯著增強，并且瓊東海域的沿岸風(fēng)應(yīng)力同樣明顯增強［16］。Su等（2013）對瓊東上升流與長期氣候變化（1960—2006年）的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)瓊東上升流海域清瀾觀測站的水溫記錄對El Ni?o信號有很好的響應(yīng)，但與La Ni?a信號的相關(guān)性并不強［17］。

胡建宇等（2016）在總結(jié)瓊東上升流以及整個中國海域上升流的研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出全球氣候變化對上升流的潛在影響應(yīng)是未來上升流研究的工作之一［20］。研究普遍認(rèn)為，季風(fēng)是瓊東上升流強弱變化的主要控制因素，南海北部陸架環(huán)流也會對上升流產(chǎn)生影響。而季風(fēng)和環(huán)流的年際變化又與El Ni?o和La Ni?a等年際尺度的氣候變化密切相關(guān)，因此本研究希望從El Ni?o和La Ni?a等氣候事件時瓊東上升流的響應(yīng)特征等角度探討全球變化對上升流的影響。目前，許多學(xué)者在對瓊東上升流年際變化的研究中多以冬季Ni?o指數(shù)的峰值來表征El Ni?o信號的強弱，然而瓊東上升流多發(fā)生在ENSO指數(shù)較弱的春末和夏季，考慮到作為瓊東上升流主要控制因素的季風(fēng)對ENSO的響應(yīng)一般滯后1個月左右，本研究中將以瓊東上升流存續(xù)時ENSO指數(shù)的強弱劃分不同事件類型，通過分析遙感SST數(shù)據(jù)并結(jié)合數(shù)值模式研究瓊東上升流對不同類型氣候事件的響應(yīng)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 2000—2013年遙感SST數(shù)據(jù)分析

ENSO是厄爾尼諾和南方濤動的簡稱，其主要是由太平洋海溫異常而引起，它的波動常常引起全球氣候異常變化。目前，用來描述ENSO強弱的指數(shù)有許多種定義方法，本研究采用南海海洋研究中常用的Nino3.4指數(shù)［21］作為ENSO事件的判斷指標(biāo)研究瓊東上升流對2000—2013年間主要氣候事件的響應(yīng)?，F(xiàn)有的研究均支持南海季風(fēng)是瓊東上升流的主要控制因素，通過對瓊東上升流海域1984—2014年多年逐月月平均風(fēng)場與Nino3.4指數(shù)的超前和滯后相關(guān)分析（圖1），發(fā)現(xiàn)瓊東海域沿岸風(fēng)與Nino3.4指數(shù)在滯后2個月時相關(guān)性最高達(dá)0.364，相關(guān)性次之的風(fēng)應(yīng)力旋度與同月份Nino3.4指數(shù)相關(guān)性達(dá)到0.266，而離岸風(fēng)與Nino3.4指數(shù)相關(guān)性最低，最大值出現(xiàn)在滯后Nino3.4指數(shù)5個月時，其值僅0.153。本研究主要研究瓊東上升流對同期ENSO信號之的響應(yīng)。圖2是2000—2013年間的Nino3.4指數(shù)，其中紅色為每年5—7月指數(shù)，如圖所示，比較強的El Ni?o信號主要發(fā)生在2002、2009年，比較強的La Ni?a信號主要出現(xiàn)在2000、2008、2010年。由于本研究數(shù)值模擬工作以2000年為起算點，如采用2000年計算結(jié)果可能引入誤差，文中對2000—2013年間氣候事件的選取主要采用：2002和2009年作為典型El Ni?o年；2008和2010年作為典型La Ni?a年，同時每年瓊東上升流存在的4—9月一般為ENSO事件的發(fā)展時期而非極值時期，因此本研究中將選取的典型年份簡稱為El Ni?o發(fā)展期和La Ni?a發(fā)展期。瓊東上升流最早出現(xiàn)于每年的4月份并可持續(xù)至當(dāng)年9月，4月一般是南海西北部海域季風(fēng)轉(zhuǎn)換時期，在部分年份瓊東上升流并不出現(xiàn)，而8—9月時由于表層海水溫度較高，在表面溫度遙感數(shù)據(jù)中瓊東上升流已比較不明顯，為便于比較分析，本研究主要選取上升流信號比較明顯的5—7月份的數(shù)據(jù)開展研究。

圖1 瓊東海域季風(fēng)與Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Fig.1 Correlation coefficients of monsoon in Qiondong sea area with Ni?o3.4 index

圖2 2000—2013年期間Ni?o3.4指數(shù)Fig.2 Ni?o3.4 index from 2000 to 2013

圖3為使用0.25°×0.25°空間分辨率的逐日海表面溫度再分析數(shù)據(jù)（OISSTv2）［22］繪制的瓊東海域5—7月多年月平均海表面溫度分布。每年隨著季風(fēng)的轉(zhuǎn)換，瓊東海域逐漸出現(xiàn)一個溫度明顯低于同緯度海域海水溫度的低溫區(qū)。圖4為5—7月El Ni?o發(fā)展期（圖4a）和La Ni?a發(fā)展期（圖4b）期間OISSTv2海表溫度相對2000—2013年多年平均海表溫度的距平。可以看出，La Ni?a發(fā)展期南海北部海域海水溫度較正常年份偏低，而在瓊東海域溫度下降尤為明顯，海水溫度下降0.2℃以上；而El Ni?o發(fā)展期的海表溫度距平與La Ni?a發(fā)展期恰恰相反，主要表現(xiàn)為海表溫度上升，并且在瓊東上升流海域存在一個溫度上升極值中心，最大升溫約0.2℃。從海表溫度（SST）數(shù)據(jù)的初步分析可以初步判斷，在El Ni?o發(fā)展期瓊東上升流減弱，而在La Ni?a發(fā)展期瓊東上升流則是加強的。

圖3 瓊東海域5、6、7月和5—7月平均OISSTv2海面溫度Fig.3 Averaged SST in Qiongdong sea area in May，June，July and May-July

1.2 瓊東上升流的數(shù)值模擬

圖4 瓊東海域5—7月OISSTv2海表溫度距平Fig.4 SST anomaly in Qiongdong sea area from May to July

從SST數(shù)據(jù)分析結(jié)果中可以初步看到，瓊東上升流對ENSO氣候事件有明顯的響應(yīng)。但遙感數(shù)據(jù)僅能獲取海表的信息，缺乏對海洋水文三維結(jié)構(gòu)描述，為進(jìn)一步分析瓊東上升流對ENSO氣候事件的響應(yīng)及其機制，本研究以基于原始方程的區(qū)域海洋模型系統(tǒng)ROMS（Regional Ocean Modeling System）［23］為基礎(chǔ)，建立了包括南海海域的三維斜壓海洋環(huán)流模式，通過數(shù)值模擬對以上現(xiàn)象作進(jìn)一步分析研究。

1.2.1 模型介紹 本研究中所用模式計算范圍為10°S～50°N，98°～145°E，包括了整個中國近海海域（渤海、黃海、東海和南海），以及部分太平洋海域（圖5）。模式使用非均勻網(wǎng)格，水平方向網(wǎng)格距7～10 km，在南海北部海域水平分辨率約9 km。模型地形數(shù)據(jù)采用最新發(fā)布的分辨率0.5′的GEBCO全球水深地形資料（http：//www.gebco.net/），并作適當(dāng)平滑處理。在海氣界面，模型使用美國國家環(huán)境預(yù)報中心NCEP［24］的海表面風(fēng)場、氣溫、濕度、降水和輻射等再分析數(shù)據(jù)作為大氣強迫場來源。模型側(cè)邊界的三維溫、鹽、流場數(shù)據(jù)使用全球大洋環(huán)流模型SODAv2.1.6的多年逐月平均再分析資料［25］；側(cè)邊界的潮位和潮流的調(diào)和常數(shù)由全球潮流模型TPXO8提供的13個分潮（M2、S2、K1、O1、N2、K2、Q1、P1、MM、MF、MN4、M4、MS4）的調(diào)和常數(shù)插值獲取。側(cè)邊界處水位和切向流速使用Chapman邊界條件，法向流速運用Flather邊界條件，三維流速和溫鹽使用輻射邊界條件并向世界海洋圖集WOA2001［26］的氣候態(tài)溫度和鹽度資料松馳。模型計算約5 a后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，之后再積分15 a并將其結(jié)果作為模型的起算點，并連續(xù)輸出2000—2013年月平均的溫度、鹽度和流場數(shù)據(jù)。

1.2.2 模型驗證 為檢驗?zāi)Ｐ蛯ο嚓P(guān)海域主要水文動力過程的再現(xiàn)能力，模型采用SODA再分析數(shù)據(jù)、OISSTv2遙感SST數(shù)據(jù)以及南海北部陸架區(qū)底床基ADCP海流數(shù)據(jù)對模型模擬結(jié)果進(jìn)行驗證（圖6～9）。本研究主要關(guān)注的瓊東上升流主要發(fā)生在5—9月份，因此模型的對比驗證的相關(guān)數(shù)據(jù)以這段時間內(nèi)的為主。

圖6 南海多年平均7月表層海流流場比較Fig.6 Comparison of SCSmonthly averaged surface current of South China Sea in July

圖7 南海多年平均7月月平均海面溫度比較Fig.7 Comparison of SCSmonthly averaged SST of South China Sea in July

圖6、7為模型模擬結(jié)果與再分析數(shù)據(jù)以及遙感觀測數(shù)據(jù)大面分布形態(tài)的對比，模擬結(jié)果的環(huán)流形態(tài)、溫度分布與觀測基本一致；圖8為本研究中采用的2006—2008年南海北部陸架區(qū)自北部灣至臺灣海峽海域18個觀測站位的349組不同季節(jié)、全深度層次的底床基ADCP潛標(biāo)長時間觀測數(shù)據(jù)的空間分布，其對南海北部的海流有充足的代表性，圖9為模型結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的M2分潮和O1分潮潮流橢圓參數(shù)的對比，二者數(shù)值吻合較好。通過以上對比可知，在南海北部海域，模型的模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)一致性吻合較好，模型的模擬能力可以滿足瓊東上升流數(shù)值模擬的需求。

圖8 南海北部海流觀測站位分布Fig.8 Distribution of current observation stations in the north of South China Sea

圖9 南海北部潮流橢圓參數(shù)模擬量與觀測數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of tidal ellipse parameters from the simulated and observed in the north of South China Sea

1.2.3 ENSO發(fā)展期瓊東上升流的動力過程響應(yīng)比較分析 從圖2典型ENSO事件中選取典型的代表年份：選取2002、2009年作為典型El Ni?o年，2008、2010年作為典型La Ni?a年。提取2 a中5—7月研究海域的表層海水溫度的模擬結(jié)果進(jìn)行合成（圖10），對ENSO發(fā)展期瓊東上升流的動力過程響應(yīng)進(jìn)行比較分析。

圖10a為El Ni?o發(fā)展期的表層溫度，圖10b為La Ni?a發(fā)展期的表層溫度，模擬結(jié)果與遙感數(shù)據(jù)的變化趨勢一致，瓊東上升流海域海表面溫度同樣呈現(xiàn)出La Ni?a發(fā)展期降低，El Ni?o發(fā)展期升高的狀態(tài)，表明La Ni?a發(fā)展期瓊東上升流增強而El Ni?o發(fā)展期瓊東上升流減弱。相比遙感數(shù)據(jù)只能體現(xiàn)海洋表層的變化，數(shù)值模型結(jié)果更能提供上升流變化的垂直結(jié)構(gòu)。為方便研究我們選取地形變化相對平緩的瓊東上升流中部的D3斷面（圖5），提取2個典型ENSO發(fā)展期的溫度數(shù)據(jù)。

圖10 模型模擬的不同氣候條件下5—7月平均海表溫度Fig.10 Averaged SST from May to July in El Ni?o and La Ni?a years from model result

圖11從左到右依次是多年平均5—7月D3斷面海水溫度，El Ni?o期間5—7月D3斷面海水溫度和La Ni?a期間5—7月D3斷面海水溫度距平。從多年月平均結(jié)果看，瓊東上升流海域存在一向岸冷水舌向上涌升，這是上升流的典型特征之一。El Ni?o期間D3斷面海水溫度與La Ni?a期間D3斷面海水溫度變化完全相反，其中El Ni?o發(fā)展期近岸海域海水溫度上升，而離岸海域海水溫度降低，La Ni?a發(fā)展期D3斷面海水溫度的變化則呈現(xiàn)近岸溫度降低，離岸區(qū)域海水溫度升高的狀態(tài)。由于上升流的一個典型特征是冷水涌升使上層海水溫度降低，因此D3斷面的溫度變化表明斷面上的上升流在El Ni?o發(fā)展期減弱，而在La Ni?a發(fā)展期加強，這與海表面溫度的對比結(jié)果一致。

圖11 5—7月瓊東海域D3斷面海水溫度Fig.11 Temperature from May to July in section D3 in Qiongdong sea area

圖12是D3斷面5—7月多年平均離岸流速和垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)（圖12a），以及El Ni?o發(fā)展期（圖12b）、La Ni?a發(fā)展期（圖12c）相對多年平均的距平。從多年平均結(jié)果來看，D3斷面處表層海水離岸運動，同時在近岸區(qū)域底層海水向岸移動、向上涌升，是典型的沿岸上升流分布特征。而在El Ni?o期間，表層海水離岸運動減弱（或反向變?yōu)橄虬兑苿樱?，壓制了近岸區(qū)域上升流的發(fā)展；La Ni?a期間則恰恰相反，使得上升流加強。垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)的變化與溫度的變化相對應(yīng)，均表明瓊東上升流對El Ni?o和La Ni?a現(xiàn)象有明顯的響應(yīng)。

圖12 5—7月瓊東海域D3斷面離岸流速和垂向環(huán)流分布Fig.12 Offshore and vertical current from May to July in section D3 in Qiongdong sea area

2 ENSO發(fā)展期不同響應(yīng)特征的機理分析

遙感SST數(shù)據(jù)、模型表層海水溫度以及D3斷面處海水溫度和垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)變化的分析相互印證，均表明瓊東上升流在El Ni?o期間減弱，而在La Ni?a期間加強。從前人的研究成果來看，上升流的強弱變化主要受風(fēng)（風(fēng)應(yīng)力）、沿岸流等的影響。因此，本研究將從影響上升流的這2個方面入手，分析各個影響因素在不同氣候事件狀態(tài)下的異同，研究氣候事件對瓊東上升流的影響機制。

2.1 海面風(fēng)場

風(fēng)場對瓊東上升流的影響前人已經(jīng)做了相當(dāng)多的工作，風(fēng)基本主導(dǎo)了瓊東上升流的發(fā)生發(fā)展以及消失的整個過程，同時局地風(fēng)的大小變化會直接影響Ekman抽吸和輸運的強弱。

提取并處理El Ni?o和La Ni?a期間研究海域的海面風(fēng)場數(shù)據(jù)（圖13）。對比風(fēng)場變化可見，在La Ni?a期間瓊東海域沿岸風(fēng)明顯加強；由于Ekman輸運效應(yīng)的影響，因此在近岸海域產(chǎn)生抽吸，使得底層冷水上翻，因此在岸邊表現(xiàn)為溫度下降，上升流加強；而在El Ni?o期間，風(fēng)場的變化方向恰恰相反，因此在El Ni?o期間，風(fēng)場對上升流的驅(qū)動會減弱。

2.2 沿岸流

海面風(fēng)場的分析表明距地風(fēng)場對ENSO事件有明顯的響應(yīng)，其變化進(jìn)一步通過Ekman作用影響了瓊東上升流。ENSO事件作為一個重要的影響因素，其變化的影響范圍在不同海域可能有所不同，而沿岸流不僅受局地風(fēng)的影響，還受到整個南海內(nèi)環(huán)流系統(tǒng)的控制。因此有必要對瓊東海域的沿岸流做進(jìn)一步分析。圖14是瓊東海域表層流場的多年平均結(jié)果以及不同氣候事件影響下的距平?？梢钥闯?，El Ni?o期間海南島東側(cè)的沿岸流減弱，不利于海水的涌升，而La Ni?a期間沿岸流增強，有助于上升流的發(fā)展。

3 結(jié)論與展望

El Ni?o和La Ni?a作為典型的年際氣候變化事件，深刻的影響著瓊東上升流海域。本研究通過2000—2013年間遙感SST數(shù)據(jù)以及數(shù)值模擬，選取2002、2009年作為典型El Ni?o年，2008、2010年作為典型La Ni?a年，分析了瓊東上升流對ENSO發(fā)展期的響應(yīng)。在El Ni?o發(fā)展期瓊東上升流減弱，近岸海域海水溫度升高；而在La Ni?a發(fā)展期瓊東上升流加強，沿岸海域海水溫度相比其他年份降低。同時上升流海域海水溫度變化分析表明，受不同氣候變化事件影響，上升流變化最顯著的主要為沿岸70 km以內(nèi)、深度介于20～100 m之間的水體，上升流區(qū)表層水體所受影響的反而小些。對不同氣候事件期間海面風(fēng)場以及瓊東海域沿岸流的分析發(fā)現(xiàn)局地海面風(fēng)場和沿岸流對瓊東上升流的影響作用是協(xié)同的，在El Ni?o發(fā)展期二者均不利于上升流的發(fā)展，而在La Ni?a發(fā)展期二者的變化均有助于瓊東上升流的強化。

圖13 瓊東海域5—7月海面風(fēng)場分布Fig.13 Surface wind from May to July in the sea area of Qiongdong

圖14 瓊東海域5—7月海面流場分布Fig.14 Surface current from May to July in the sea area of Qiongdong

本研究基于幾個典型年份瓊東上升流對不同ENSO氣候事件的響應(yīng)，初步分析了不同氣候事件期間上升流的響應(yīng)差異，相關(guān)工作還比較粗淺，在后續(xù)工作中有必要對相關(guān)問題做更深入的量化分析。另外本研究中所采用的數(shù)值模式水平分辨率約7～10 km，在下一步的工作中有必要建立更高分辨率的數(shù)值模型用以分析瓊東不同地形區(qū)域的上升流響應(yīng)差異。