潘錫山，李春輝，王彬

（1.江蘇省海涂研究中心，江蘇 南京 210036；2.南京信息工程大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 210024）

海洋近岸區(qū)域最重要的海洋過程之一是上升流，其影響著海洋溫鹽垂直結(jié)構(gòu)。上升流對(duì)于海水營養(yǎng)鹽的分布有著重要影響，而營養(yǎng)鹽的分布則影響著海洋生物的生存環(huán)境，因此上升流對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境變化起著重要作用。黃海海域出現(xiàn)的上升流類型主要為沿岸上升流，其變化不僅需要考慮風(fēng)力因素的影響，還應(yīng)考慮地形對(duì)其調(diào)節(jié)作用，圖1展示了地形影響上升流的一種方式[1]。

圖1 沿岸流致上升流示意圖，引自呂新剛[1]

通常情況下，上升流由海流侵蝕陸架、等深線輻散、海流局地加速這三種方式誘發(fā)。對(duì)于地形這一影響因素，有研究發(fā)現(xiàn)地形起伏對(duì)上升流沿岸分布的影響大于海岸形狀的影響。此后有研究人員對(duì)于這一方面進(jìn)行更進(jìn)一步的探索，發(fā)現(xiàn)地形起伏可以引發(fā)風(fēng)生上升流的不均勻分布，在跨陸架方向上存在的地形坡度對(duì)上升流的影響更大[1-2]。海岸形狀對(duì)于上升流的影響更多體現(xiàn)誘導(dǎo)渦度上，部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)底摩擦誘發(fā)橫向次級(jí)環(huán)流的情況增強(qiáng)上升流[1，3]。

近年來，針對(duì)黃海上升流，我國的研究人員獲得諸多研究成果。蘇紀(jì)蘭和黃大吉發(fā)現(xiàn)黃海冷水團(tuán)的垂向環(huán)流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)雙環(huán)結(jié)構(gòu)[4]；呂新剛借助海浪-潮流-環(huán)流耦合模式提出在潮汐影響較強(qiáng)海域的夏季上升流具有斜壓“潮生機(jī)制”[1]；蘇育嵩等認(rèn)為江蘇沿岸低溫帶是潮混合、風(fēng)混合和海底坡度共同作用的結(jié)果[3]；柴霞等在研究臺(tái)風(fēng)“布拉萬”過境期間出現(xiàn)異常增溫現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)該臺(tái)風(fēng)強(qiáng)烈抑制該地區(qū)上升流，在風(fēng)場對(duì)上升流產(chǎn)生影響的方面做出了有力的證明[5]。上升流是海洋溫鹽垂直結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)鹽分布的重要影響因素，與海洋生物化學(xué)過程聯(lián)系極為緊密，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境具有重大意義[6]。此外，上升流通過物理過程[7]、化學(xué)過程兩方面影響著全球碳循環(huán)。

根據(jù)以往研究，我國沿岸海域?qū)儆谘匕渡仙鞯亩喟l(fā)區(qū)[8]。近年來，南黃海西南以及長江口外海域大規(guī)模的赤潮、綠潮等災(zāi)害頻繁爆發(fā)，而海水富營養(yǎng)化是其背后的潛在原因[9-13]。徑流（長江等）輸入的陸源性營養(yǎng)鹽逐年增加[14]，這曾被認(rèn)為是造成該海區(qū)富營養(yǎng)化的主要原因。夏季上升流對(duì)該海域富營養(yǎng)化起著至關(guān)重要的作用，帶來的影響不可忽視[15]。然而，迄今為止，該上升流區(qū)營養(yǎng)鹽垂向輸送通量特征尚不明確，上升流攜帶至上層的高營養(yǎng)鹽水對(duì)南黃海西南海域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)仍需要進(jìn)一步研究。因此，本文針對(duì)西南黃海沿岸上升流的變化特征及成因機(jī)制開展相關(guān)研究與討論。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 HYCOM 模式數(shù)據(jù)

本研究使用的HYCOM 模式數(shù)據(jù)為HYCOM 逐日數(shù)據(jù)，來自網(wǎng)站“http:∕∕apdrc.soest.hawaii.edu∕datadoc∕hycom.php”。HYCOM.org 提供了近實(shí)時(shí)的全球海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)輸出，本研究的時(shí)段使用的數(shù) 據(jù)為1993 年1 月1 日至2012 年12 月31 日 的 全部數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集內(nèi)包含了經(jīng)度、緯度、水深、海水鹽度、海水溫度、水平流速等多類數(shù)據(jù)。實(shí)際使用部分的經(jīng)緯度范圍為20°N－40°N、117.04°E－144.96°E，水平分辨率為0.08°×0.08°。數(shù)據(jù)集內(nèi)將水深劃分為40 層，從海表（0 m） 到海底（5 000 m）不均勻分割，最終使用數(shù)據(jù)為前15 層（0～50 m）。

1.2 SST觀測數(shù)據(jù)

研究使用的SST 觀測數(shù)據(jù)來自哥白尼海洋服務(wù)公司所提供的數(shù)據(jù)產(chǎn)品——全球海洋OSTIA 海面溫度和海冰再處理數(shù)據(jù)（Global Ocean OSTIA Sea Surface Temperature and Sea Ice Reprocessed），下載網(wǎng)址為：https:∕∕resources.marine.copernicus.eu∕produ ct-detail∕SST_GLO_SST_L4_REP_OBSERVATIONS_010_011∕INFORMATION。本研究實(shí)際使用的衛(wèi)星觀測SST 數(shù)據(jù)，覆蓋區(qū)域?yàn)?8.025°N－42.025°N、118.975°E－126.975°E，水平分辨率為0.05°×0.05°，時(shí)間范圍為1993年1月1日至2012年12月31日。

1.3 ERA5再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)

ERA5 是第五代ECMWF（歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心）對(duì)全球氣候的大氣再分析數(shù)據(jù)[16]，屬于綜合性再分析數(shù)據(jù)。ERA5把來自模型的數(shù)據(jù)和全球各地區(qū)的觀測數(shù)據(jù)組成一個(gè)覆蓋全球的連貫數(shù)據(jù)集，可以提供從1979 年至今的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括位勢(shì)高度、溫度、經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、垂直風(fēng)、相對(duì)濕度、比濕、散度及渦度等參量的網(wǎng)格數(shù)據(jù)[17]。通常情況下，ERA5 數(shù)據(jù)集接收的觀測值來自衛(wèi)星觀測與就地觀測，分析數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)同化方法[18]。ERA5 數(shù)據(jù)采用了相當(dāng)先進(jìn)的算法，整合了歷史觀測數(shù)據(jù)，這有效地提高了其準(zhǔn)確性[19]。

本次研究采用ERA5再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)中的月平均數(shù)據(jù)，來自網(wǎng)站“https:∕∕cds.climate.copernicus.eu∕#!∕search?text=ERA5&type=dataset”。實(shí) 際 使 用部分的經(jīng)緯度為27°N－41°N、117°E－132°E 區(qū)域，其水平分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間范圍為1993年1月1日至2012年12 月31 日，為距離海表10 m處的水平風(fēng)場數(shù)據(jù)。

表1 1998年夏季33.60°N斷面垂向上升流流速和海表冷水斑面積的逐月相關(guān)系數(shù)

2 HYCOM 模式數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

2.1 夏季日均區(qū)域平均SST的檢驗(yàn)

因本研究關(guān)注區(qū)域位于西南黃海，因此選取覆蓋該區(qū)域范圍（30.025°N－38.025°N、119.975°E－126.525°E）的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。從觀測的SST 中分別提取該區(qū)域范圍內(nèi)6 月、7 月、8 月三個(gè)月的日均值，從插值過的HYCOM 模式數(shù)據(jù)提取HYCOM模式數(shù)據(jù)在6 月、7 月、8 月三個(gè)月的日均值。將新獲得的兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域平均值的計(jì)算，并將結(jié)果逐日繪制在同一張圖上，得到圖2。圖2 中藍(lán)色部分為模式數(shù)據(jù)的SST 日均區(qū)域平均值，紅色部分為觀測數(shù)據(jù)的日均區(qū)域平均值。盡管圖2 只繪制了夏季三個(gè)月的日均區(qū)域平均SST，以年為單位的周期性變化特征仍非常明顯，6 月初通常為每年夏季SST區(qū)域平均的最低值，8月通常出現(xiàn)每年夏季區(qū)域平均的最高值。

圖2 研究區(qū)域（30.025°N－38.025°N、119.975°E－126.525°E）內(nèi)夏季平均SST觀測數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)對(duì)比

為確定HYCOM 模式數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)在夏季的區(qū)域平均SST 關(guān)聯(lián)度，繪制以模式數(shù)據(jù)為x 軸、觀測數(shù)據(jù)為y軸的SST日均區(qū)域平均值散點(diǎn)圖，得到圖3 的散點(diǎn)部分?？煽闯鰞蓴?shù)據(jù)之間應(yīng)大致為線性相關(guān)，于是進(jìn)行線性最小二乘擬合。計(jì)算得到擬合曲線的k 值（擬合曲線公式中自變量的系數(shù)）約為0.957 5，可認(rèn)為模式數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)之間相似度極高，也證明了模式數(shù)據(jù)的SST 區(qū)域平均值適用于本研究區(qū)域。

圖3 研究區(qū)域（30.025°N－38.025°N、119.975°E－126.525°E）內(nèi)平均SST的觀測數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)

2.2 夏季西南黃海表層冷水斑變化

上升流可以影響海水的物理化學(xué)性質(zhì)分布。上升流存在的海域，海表會(huì)因?yàn)樯嫌康纳顚踊虻讓铀a(chǎn)生能夠被衛(wèi)星遙感檢測到的異常理化現(xiàn)象，例如低溫、高鹽度和高密度、高營養(yǎng)鹽含量、高葉綠素、低氧等。本研究中主要關(guān)注海洋表面出現(xiàn)的異常低溫這一指標(biāo)，即夏季出現(xiàn)于黃海表層的冷水斑。在夏季西南黃海的江蘇沿岸附近，出現(xiàn)的冷水斑中心位置一般位于33°N－34°N、122°E－123.5°E 之間，因此將對(duì)冷水斑面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的研究區(qū)域設(shè)置在32.575°N－35.075°N、121.125°E－123.525°E內(nèi)。

圖4（a）和 圖4（b）分 別為SST 觀測 數(shù)據(jù) 和HYCOM 模式數(shù)據(jù)夏季1993 年至2012 年多年平均SST 場?？梢园l(fā)現(xiàn)二者呈現(xiàn)出的溫度分布均大致為南高北低的分布，而在33°N－34°N、122°E－123.5°E 區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的冷水斑；在模式數(shù)據(jù)多年平均SST 場中， 冷中心溫度為22.107 4 ℃，比周圍水體低4～5 ℃。

圖4 1993－2012年夏季多年平均SST場

盡管圖4 展示出的兩數(shù)據(jù)溫度分布大致相似，但為了確保冷水斑面積的適用性，需要對(duì)冷水斑面積這一要素進(jìn)行單獨(dú)的檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)使用的觀測數(shù)據(jù)為30.025°N－38.025°N、119.975°E－126.525°E 提取的夏季日均數(shù)據(jù)，模式數(shù)據(jù)使用在SST 檢驗(yàn)中插值到觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)格上的表層夏季日均數(shù)據(jù)。

以往對(duì)于蘇北沿岸夏季表層冷水斑的研究中，通常采用0.03 ℃∕km 的等值線作為冷水斑的邊界[20]，但是這一等值線不能保證每年均存在，于是本研究試圖采用更為適合的方式劃分冷水斑。上升流引起的深層冷水上涌會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)區(qū)域SST驟降，這會(huì)使上升流區(qū)邊界與周圍海水形成較大的溫差，即表層冷水斑邊界處的溫度梯度會(huì)比周圍區(qū)域更大，也就意味著可以用溫度梯度最大值對(duì)應(yīng)SST作為冷水斑的SST邊界值?？紤]到近岸區(qū)域的溫度梯度最大值對(duì)應(yīng)的SST，存在SST等值線不能閉合的可能，因此采用SST 等值線較為稀疏的東北方向?qū)吔缰颠M(jìn)行篩選。

分別計(jì)算SST 觀測數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)在經(jīng)向和緯向上的兩個(gè)日均溫度梯度值。對(duì)于同一天的同一經(jīng)緯度，將經(jīng)向梯度和緯向梯度中較大的一個(gè)作為后續(xù)處理中所使用的梯度值進(jìn)行儲(chǔ)存。隨后考慮到冷水斑中心位置一般位于33°N－34°N、122°E－123.5°E之間，在其東北邊界區(qū)域（34°N－35°N、122°E－124.5°E）尋找溫度梯度最大值對(duì)應(yīng)SST 作為冷水斑的SST 邊界值。在32.575°N－35.075°N、121.125°E－123.525°E 范圍內(nèi)，SST 值低于冷水斑邊界值的網(wǎng)格點(diǎn)均屬于表層冷水斑。

在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中，冷水斑東北邊界區(qū)域（34°N－35°N、122°E－124.5°E）所求得的溫度梯度最大值可能存在多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)與之對(duì)應(yīng)。因此，先記錄所求得的溫度梯度最大值，后求東北邊界區(qū)域內(nèi)所有溫度梯度值與之相同的網(wǎng)格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的SST平均值，把這一平均值作為冷水斑的SST邊界值。遙感SST數(shù)據(jù)和HYCOM 模式數(shù)據(jù)均按照這一方式進(jìn)行處理。

求得冷水斑的SST 邊界值后，將32.575°N－35.075°N、121.125°E－123.525°E 范圍內(nèi)全部網(wǎng)格點(diǎn)上的SST值與冷水斑SST邊界值進(jìn)行對(duì)比，記錄所有SST值低于冷水斑SST邊界值的點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置，這些點(diǎn)均視為夏季西南黃海表層冷水斑范圍內(nèi)的點(diǎn)。對(duì)于多年平均的SST 場，夏季蘇北外海海表冷水斑冷中心溫度為22.1 ℃，與邊界值溫度22.4 ℃相差約0.3 ℃。

為確定這種冷水斑SST 邊界值確定方法的使用效果，在地圖上繪制出記錄下的點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。例如圖5 所示，這種邊界值確定方法對(duì)于1993 年至2012 年夏季西南黃海表層冷水斑的使用效果較為優(yōu)秀，計(jì)算得出的冷水斑基本與圖4 所示冷水斑范圍基本一致。

圖5 夏季西南黃海表層冷水斑位置示意圖

經(jīng)過上述一系列操作得到夏季西南黃海表層冷水斑內(nèi)日均網(wǎng)格點(diǎn)個(gè)數(shù)，可以求得每年夏季（6月、7 月、8 月三個(gè)月）西南黃海表層冷水斑內(nèi)平均網(wǎng)格點(diǎn)個(gè)數(shù)。在數(shù)據(jù)處理中使用的網(wǎng)格為0.05°×0.05°的經(jīng)緯度網(wǎng)格，于是可將一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)換算為30.802 5 km2的面積。將每年夏季西南黃海表層冷水斑內(nèi)平均網(wǎng)格點(diǎn)個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為每年夏季西南黃海表層冷水斑平均面積，將SST 觀測數(shù)據(jù)和HYCOM 模式數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的面積變化曲線繪制在同一張圖上，得到圖6。根據(jù)圖像信息，對(duì)于觀測數(shù)據(jù)而言，夏季西南黃海表層冷水斑年平均面積在1997 年達(dá)最大值3.234×104km2，在1998 年達(dá)最小值1.519 8 ×104km2；對(duì)于HYCOM 模式數(shù)據(jù)而言，夏季西南黃海表層冷水斑年平均面積在2012 年達(dá)最 大 值3.413 3 ×104km2，在1998 年 達(dá) 最 小 值2.028 9×104km2。

圖6 1993－2012年夏季西南黃海冷水斑年平均面積變化

為確定HYCOM 模式數(shù)據(jù)與SST觀測數(shù)據(jù)在夏季西南黃海年平均冷水斑面積變化上的關(guān)聯(lián)度，繪制以模式數(shù)據(jù)為x軸、觀測數(shù)據(jù)為y軸的夏季西南黃海年平均冷水斑面積散點(diǎn)圖，隨后對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線“y=0.9468x-0.0977”。將擬合曲線繪制在散點(diǎn)圖上，得到圖7。擬合曲線k=0.946 8，可認(rèn)為模式數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)之間相似度極高，也證明了模式數(shù)據(jù)在夏季西南黃海年平均冷水斑面積這一要素上能夠適用于研究區(qū)域。

圖7 1993－2012年模式數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)的夏季西南黃海年平均冷水斑面積

3 夏季西南黃海表層冷水斑與上升流

3.1 氣候態(tài)變化

在對(duì)夏季西南黃海表層冷水斑進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，已經(jīng)獲得夏季西南黃海表層冷水斑的分布范圍。將表層冷水斑范圍內(nèi)溫度最低點(diǎn)作為冷水斑中心，計(jì)算得到多年平均的冷水斑中心緯度在33.60°N附近。

在HYCOM 模式數(shù)據(jù)中，僅提供了每層的水平流速，因此上升流的垂向流速需要使用流體的連續(xù)性方程計(jì)算得到。連續(xù)性方程的一般形式為：

式中：ρ為流體的密度，u、v、w分別為流體在x、y、z方向上的流速。

通常將海水視為不可壓縮流體，即海水密度為常數(shù)，公式1可化簡為：

根據(jù)化簡后的連續(xù)性方程（公式2）進(jìn)行計(jì)算HYCOM模式下1993－2012年的日均垂向流速。

根據(jù)上一步得到的日均垂向流速，計(jì)算多年夏季6月、7月、8月三個(gè)月平均垂向流速，考慮到上升流的流速量級(jí)非常小，一般為×10-7～×10-5m∕s，為方便觀察，繪圖時(shí)使用的數(shù)值均乘105。沿33.60°N 繪制121°E－124°E 范圍內(nèi)的多年平均斷面垂向流速分布圖，得到圖8，圖8 中正值為流速向上方向。從圖中可以看出122.5°E附近存在明顯的上升流，這一上升的垂向流速隨深度的增加逐漸減小，最大值位于海表附近，大于3.6×10-5m∕s；在123.3°E附近存在一個(gè)強(qiáng)烈的下降流，這一下降的垂向流速也隨深度的增加逐漸減小，最大值同樣位于海表附近，大于5.7×10-5m∕s；此外，在123.7°E 附近存在一個(gè)較弱的上升流速，這一經(jīng)度附近最大流速約為3×10-6m∕s。上升流與下降流進(jìn)行配合，保證了海水的連續(xù)性。

圖8 冷水斑中心平均緯度多年平均33.60°N斷面垂向流速

為確定垂向流速與垂向的溫度場匹配情況，繪制33.60°N 這一斷面在121°E－124°E 范圍內(nèi)的多年夏季平均垂向溫度場，得到圖9?？梢钥闯鲈?22.5°E附近為明顯的低溫區(qū)域，海水溫度隨深度的增加而降低。將圖8和圖9結(jié)合，可認(rèn)為該斷面122.5°E附近存在強(qiáng)烈的冷水上涌現(xiàn)象，上升流主軸位置與圖4（b）所展示的冷水斑中心位置相符。

圖9 冷水斑中心平均緯度多年平均斷面海溫

上升流最強(qiáng)烈的分支和最大值均出現(xiàn)在海表冷水斑范圍內(nèi)，這種吻合證明多年變化中上升流對(duì)于夏季西南黃海表層冷水斑現(xiàn)象的形成具有直接作用。

3.2 年際變化

為確定年際變化情況下，夏季年均垂向上升流流速與表層冷水斑面積的相關(guān)情況，繪制33.60°N 斷面處夏季年均垂向上升流流速與表層冷水斑面積的時(shí)間序列圖像，得到圖10?？梢园l(fā)現(xiàn)年際尺度下，1998－2012 年間垂向上升流流速與表層冷水斑面的變化趨勢(shì)有部分相似。為了確定年平均夏季西南黃海表層冷水斑面積和33.60°N斷面處的年平均上升流垂向流速間是否存在相關(guān)性，計(jì)算年平均夏季西南黃海表層冷水斑面積和33.60°N 斷面處的年平均上升流垂向流速的相關(guān)系數(shù)，為0.445 3，采用P 檢驗(yàn)方法對(duì)其顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)p 值矩陣非對(duì)角元素值為0.045 1，小于顯著水平0.05，通過了95%置信度檢驗(yàn)。因此可以證明年際變化中，夏季西南黃海的沿岸上升流對(duì)于夏季西南黃海表層冷水斑面積有一定程度的影響。

圖10 1993－2012年間在夏季年均垂向上升流流速與表層冷水斑面積

為確定年際變化情況下，33.60°N 斷面上升流區(qū)域的垂向流速與對(duì)應(yīng)區(qū)域的表層冷水斑平均溫度的相關(guān)情況，繪制年均斷面上升流區(qū)域的垂向流速與對(duì)應(yīng)區(qū)域的年均海水溫度之間的時(shí)間序列，得到圖11?？砂l(fā)現(xiàn)年均垂向斷面流速與上升流區(qū)的年平均海水溫度呈現(xiàn)大致相似的波動(dòng)上升趨勢(shì)；33.60°N 斷面上升流流速最大值出現(xiàn)在2010 年，最小值出現(xiàn)在1993 年；而上升流區(qū)SST 的最大值出現(xiàn)在1999年，最小值出現(xiàn)在1993年。因?yàn)閳D像未完全重合，所以需要計(jì)算年均斷面上升流區(qū)域的垂向流速與對(duì)應(yīng)的年均SST 之間的相關(guān)系數(shù)來確定具體相關(guān)情況。計(jì)算相關(guān)系數(shù)后，得到年均斷面上升流區(qū)域的垂向流速與對(duì)應(yīng)的年均SST 之間的相關(guān)系數(shù)為0.382 9，對(duì)應(yīng)p 值矩陣非對(duì)角元素值為0.045 7，通過95%置信度檢驗(yàn)。因此可以證明年際變化中，夏季西南黃海的沿岸上升流對(duì)于夏季西南黃海表層冷水斑的SST 有一定程度的影響。

圖11 1993－2012年間在33.60°N斷面每年夏季年均垂向上升流流速和SST

3.3 季節(jié)內(nèi)變化

根據(jù)圖6 所示信息，在HYCOM 模式數(shù)據(jù)中，1993－2012 年間夏季西南黃海表層冷水斑面積最小值年在1998年，為2.028 9萬平方千米；夏季西南黃海表層冷水斑面積最大值年在2012 年，為3.413 3 萬平方千米。為研究上升流與夏季西南黃海表層冷水斑之間的季節(jié)內(nèi)變化關(guān)系，分別對(duì)1998 年和2012 年在33.60°N 斷面的垂向上升流流速和表層冷水斑面積與平均溫度進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。

計(jì)算兩個(gè)最值年（最小值和最大值所在年份，分別為1998年和2012年）在33.60°N斷面121°E－124°E 范圍內(nèi)的夏季的垂向上升流流速和海表冷水斑面積的逐月相關(guān)系數(shù)，1998 年的逐月相關(guān)系數(shù)在表1 中展示，2012 年的逐月相關(guān)系數(shù)展示在表2 中，表中全部相關(guān)系數(shù)均通過95%置信度檢驗(yàn)?？梢钥闯鰞勺钪的暝戮嚓P(guān)系數(shù)主要分布在0.39～0.5 之間；最高可達(dá)0.608 0，在2012 年6 月份達(dá)到；最低值為0.389 1，在1998 年8 月份達(dá)到（全部相關(guān)系數(shù)均通過95%置信度檢驗(yàn)）。

表2 2012年夏季33.60°N斷面垂向上升流流速和海表冷水斑面積的逐月相關(guān)系數(shù)

因此，可以認(rèn)為33.60°N斷面夏季垂向上升流流速和表層冷水斑面積之間的相關(guān)性屬于中度相關(guān)。

計(jì)算1998 年在33.60°N 斷面121°E－124°E 范圍內(nèi)的6 月、7 月、8 月的垂向上升流流速和冷水斑平均溫度的逐月相關(guān)系數(shù)，可以得到表3。計(jì)算2012 年在33.60°N 斷面121°E－124°E 范圍內(nèi)的6 月、7 月、8 月的垂向上升流流速和冷水斑平均溫度的逐月相關(guān)系數(shù)，得到表4。能夠看出兩最值年月均相關(guān)系數(shù)主要分布在0.49～0.6 之間；最高可達(dá)0.710 8，最低值為0.496 5，兩個(gè)極值均在最大值年達(dá)到（全部相關(guān)系數(shù)均通過置信度檢驗(yàn)）。

表3 1998年夏季33.60°N斷面垂向上升流流速和冷水斑平均溫度的逐月相關(guān)系數(shù)

表4 2012年夏季33.60°N斷面垂向上升流流速和冷水斑平均溫度的逐月相關(guān)系數(shù)

因此，可以認(rèn)為33.60°N斷面夏季垂向上升流流速和表層冷水斑平均海水溫度之間的相關(guān)性屬于中度相關(guān)。

4 西南黃海上升流的動(dòng)力機(jī)制研究

已有研究表明，黃海上升流除了風(fēng)生機(jī)制（Ekman），還與潮汐過程有關(guān)。由于潮流與風(fēng)生流之間復(fù)雜、強(qiáng)烈的非線性作用，大多研究將兩者分開簡化討論。本文基于的HYCOM數(shù)據(jù)，未引入潮汐過程，因此重點(diǎn)僅討論上升流的風(fēng)生機(jī)制。

Ekman 輸運(yùn)、Ekman 抽吸可促使上升流產(chǎn)生，而Ekman 輸運(yùn)與Ekman 抽吸均是因?yàn)轱L(fēng)力因素產(chǎn)生的現(xiàn)象，本質(zhì)作用是漂流使上層水體產(chǎn)生輸運(yùn)。因此研究中使用了ERA5 再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)，對(duì)多年風(fēng)應(yīng)力和風(fēng)應(yīng)力旋度分別對(duì)表層海水帶來的影響進(jìn)行探討。

風(fēng)應(yīng)力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為：

相應(yīng)的垂向風(fēng)應(yīng)力旋度為：

式中：curl(τ)為垂向風(fēng)應(yīng)力旋度，τ→為風(fēng)應(yīng)力矢量，U為距海表10 米處風(fēng)應(yīng)力矢量，x、y分別為向東和向北方向，Cd為拖曳系數(shù)（研究中取Cd=(0.8 + 0.065 |U|) × 10-3），ρa(bǔ)為空氣密度（研究中使用值為1.29 kg∕m3）[15]。

4.1 風(fēng)應(yīng)力對(duì)上升流的影響

本研究中使用的ERA5 再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)與HYCOM 模式數(shù)據(jù)使用的經(jīng)緯度網(wǎng)格不同，為保證后續(xù)分析正常進(jìn)行，將ERA5 再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)插值至HYCOM 模式數(shù)據(jù)所用經(jīng)緯度網(wǎng)格。依據(jù)插值后的ERA5 再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)繪制28°N－36°N、120°E－128°E 范圍內(nèi)的多年夏季平均風(fēng)場分布，具體如圖12 所示?？梢钥闯鲈谙募疚髂宵S海表層冷水斑范圍（32.575°N－35.075°N、121.125°E－123.525°E）內(nèi)，盛行東南風(fēng)，將會(huì)產(chǎn)生東北方向的Ekman輸運(yùn)。

圖12 在28°N－36°N、120°E－128°E范圍內(nèi)多年夏季平均風(fēng)應(yīng)力矢量圖

根據(jù)圖12 的陸地分布，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)風(fēng)場產(chǎn)生的Ekman 輸運(yùn)是一個(gè)離岸的方向，因此需要得到深層或底層水的補(bǔ)充來維持水體穩(wěn)定。

根據(jù)ERA5 再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)插值結(jié)果計(jì)算風(fēng)應(yīng)力，單位為N∕m2，隨后計(jì)算關(guān)鍵斷面年平均上升流流速大小與風(fēng)應(yīng)力大小，將兩者的時(shí)間序列繪制在同一張圖上，得到圖13。能夠看出二者的變化趨勢(shì)存在一定的相似性，為確定二者間關(guān)系，隨后計(jì)算關(guān)鍵斷面年平均上升流流速大小與風(fēng)應(yīng)力大小的相關(guān)系數(shù)，其值為0.487 2，對(duì)應(yīng)p 值矩陣非對(duì)角元素值為0.040 3，小于顯著水平0.05，通過95%置信度檢驗(yàn)，證明斷面平均上升流速大小與風(fēng)應(yīng)力大小之間的具有一定的相關(guān)性。

圖13 1993－2012年間在33.60°N關(guān)鍵斷面年平均上升流速大小與風(fēng)應(yīng)力的時(shí)間序列圖像

因此可以認(rèn)為因風(fēng)應(yīng)力而產(chǎn)生的Ekman 輸運(yùn)對(duì)于海洋上升流存在一定的影響。

4.2 風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)上升流的影響

根據(jù)垂向風(fēng)應(yīng)力旋度計(jì)算公式（公式4），計(jì)算得到垂向風(fēng)應(yīng)力旋度大小，單位為N∕m3，最大值為3.139 3×10-7N∕m3，最小值為-1.335 4×10-7N∕m3。將垂向風(fēng)應(yīng)力旋度分布繪制在地圖上，可以得到圖14?？梢园l(fā)現(xiàn)在28°N－34°N區(qū)域及附近的沿岸地區(qū)存在為正的風(fēng)應(yīng)力旋度，此外的大部分海域風(fēng)應(yīng)力旋度為負(fù)值。

風(fēng)應(yīng)力旋度會(huì)引起Ekman 抽吸，理論上可以影響上升流流速，但實(shí)際分析過程中對(duì)比圖14 與圖4（b），發(fā)現(xiàn)風(fēng)應(yīng)力旋度與上升流引起的SST 分布吻合情況并不明顯，因此需要計(jì)算上升流流速和風(fēng)應(yīng)力旋度間的相關(guān)系數(shù)確認(rèn)二者之間的關(guān)系。

依然采用33.60°N 這一關(guān)鍵斷面進(jìn)行相關(guān)分析，分別計(jì)算33.60°N斷面上每月的上升流平均垂向流速和冷水斑附近的風(fēng)應(yīng)力旋度平均值，將兩者的時(shí)間序列繪制在同一張圖上，得到圖15。能夠看出二者的變化趨勢(shì)存在一定的相似性，為確定二者間關(guān)系，隨后計(jì)算兩組平均值之間的相關(guān)系數(shù)?？梢缘贸?3.60°N斷面處，平均上升流流速與風(fēng)應(yīng)力旋度的相關(guān)系數(shù)為0.420 9，對(duì)應(yīng)p 值矩陣非對(duì)角元素值為0.037 6，小于顯著水平0.05，通過95%置信度檢驗(yàn)，表明風(fēng)應(yīng)力旋度與平均上升流流速之間具有一定的相關(guān)性。

圖15 1993－2012年33.60°N關(guān)鍵斷面年平均上升流速大小與風(fēng)應(yīng)力旋度的時(shí)間序列圖像

可以認(rèn)為，這一區(qū)域風(fēng)應(yīng)力旋度引起的Ekman 抽吸對(duì)關(guān)鍵斷面平均上升流流速的存在一定的影響。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用HYCOM 模式數(shù)據(jù)、高分辨率衛(wèi)星遙感SST 觀測數(shù)據(jù)和ERA5 再分析風(fēng)場數(shù)據(jù)，對(duì)HYCOM 模式數(shù)據(jù)在西南黃海江蘇沿海地區(qū)的適用性進(jìn)行了檢驗(yàn)，對(duì)于1993年至2012年間夏季西南黃海表層冷水斑進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，研究了長期情況下上升流與夏季西南黃海表層冷水斑間的關(guān)系、風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)應(yīng)力旋度與上升流之間的相關(guān)性，計(jì)算所得相關(guān)系數(shù)均通過95%置信度檢驗(yàn)。得到的主要結(jié)論如下：

（1）夏季蘇北外海海表冷水斑多年平均冷中心位于33.60°N 斷面，冷中心溫度為22.1℃，比表層冷水斑范圍外的周圍水體溫度低4～5℃；上升流主軸位置與冷水斑中心位置一致。

（2）夏季蘇北外海海表冷水斑面積與上升流流速的相關(guān)系數(shù)在年際尺度上為0.445 3，季節(jié)內(nèi)二者相關(guān)系數(shù)在0.39～0.5之間。

（3）夏季蘇北外海海表冷水斑平均溫度與上升流流速的相關(guān)系數(shù)在年際尺度上為0.382 9，季節(jié)內(nèi)二者相關(guān)系數(shù)在0.49～0.6之間。

（4）對(duì)于上升流流速，風(fēng)應(yīng)力引起的Ekman輸運(yùn)比風(fēng)應(yīng)力旋度引起的Ekman 抽吸影響更大。在33.60°N斷面處，計(jì)算得到風(fēng)應(yīng)力與平均上升流流速間相關(guān)系數(shù)為0.487 2，風(fēng)應(yīng)力旋度與平均上升流流速間相關(guān)系數(shù)為0.420 9。