呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SST的相關(guān)性分析

黃華梅，王銀霞，王強(qiáng)，謝健

（1.國家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣東廣州510300；2.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301；3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049）

呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SST的相關(guān)性分析

黃華梅1，王銀霞1，王強(qiáng)2，3，謝健1

（1.國家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣東廣州510300；2.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301；3.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049）

在利用1950—2009年NCEP（National Center for Environmental Prediction）資料分析風(fēng)場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)，研究表明其存在顯著的季節(jié)變化，除了夏季外，其它季節(jié)均為由太平洋向南海輸運(yùn)。分析呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海海盆表征上層熱力狀況的海表面溫度SST（Sea Surface Temperature）之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：在年內(nèi)時(shí)間尺度上，兩者不存在顯著的同期相關(guān)，Ekman輸運(yùn)對SST的影響開始于一個(gè)月之后，從北部向南擴(kuò)展，第二個(gè)月最為明顯，并擴(kuò)展至整個(gè)海盆，第三個(gè)月開始衰減，第四個(gè)月影響消失，且相關(guān)性為正；在年際尺度上，呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的異常同南海SSTA（Sea Surface Temperature Abnormal）的第二模態(tài)存在顯著的相關(guān)聯(lián)系，并且呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SSTA的相關(guān)關(guān)系在北部為正，南部為負(fù)。呂宋海峽Ekman輸運(yùn)調(diào)制南海大尺度環(huán)流，通過暖、冷平流的作用影響南海SST的變化。

Ekman輸運(yùn)；呂宋海峽；SST；南海；相關(guān)系數(shù)

1 引言

南海熱收支狀況和南海障礙層的變化與分布、季風(fēng)爆發(fā)以及降水等多種物理現(xiàn)象有著密切的關(guān)聯(lián)。南海是半封閉性質(zhì)的海盆，除了海表面的熱力強(qiáng)迫外，通過海峽的熱量交換是影響南海熱收支的另一主要因素。呂宋海峽是南海和太平洋的主要連接通道，通過呂宋海峽的南海和太平洋之間的熱交換對南海熱收支狀況特別是南海北部起著重要的作用[1]。地轉(zhuǎn)近似是海洋大尺度環(huán)流非常好的近似[2]，但由于在地轉(zhuǎn)近似的約束下，海水基本沿著等溫線運(yùn)動，因此對熱量輸運(yùn)的貢獻(xiàn)并不顯著，而海洋上層主要為風(fēng)生環(huán)流，Ekman漂流是風(fēng)生環(huán)流的重要組成部分，因此由于Ekman漂流引起的非地轉(zhuǎn)速度對海洋上層熱量的輸運(yùn)應(yīng)當(dāng)是顯著。本文的主要目的是研究表征上層熱力狀況的海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）和呂宋海峽由于風(fēng)應(yīng)力引起的Ekman輸運(yùn)之間的聯(lián)系，以此作為海峽風(fēng)致輸運(yùn)對南海熱量收支影響的初步探討。

2 研究區(qū)概況

南海位于中國陸地的最南端，屬于熱帶地區(qū)。南海為半封閉性的海盆，在北部通過臺灣海峽和東海相接，通過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[3]。南海在連接北太平洋和印度洋之間起著重要的作用[3]。依據(jù)表面風(fēng) 場 NCEP（National Center for Environmental Prediction）的資料，該海區(qū)多年平均風(fēng)場分布和氣候態(tài)SST分布如圖1和圖2所示。

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)（見圖1）。季風(fēng)的轉(zhuǎn)換控制著南海海盆尺度的表層環(huán)流，對南海起著重要的動力驅(qū)動作用[4]。海表風(fēng)場通過摩擦對海水表層動量收支起到重要作用，是其直接動量的源和匯。

南海海表面溫度SST在日照和季風(fēng)的影響下，同樣也存在顯著的季節(jié)性變化（見圖2）。在冬季，基本上呈現(xiàn)為緯向分布，由于海盆尺度的氣旋性環(huán)流，西邊界冷水南下，東邊界暖水北上，導(dǎo)致SST等值線向東北傾斜；在夏季南海南北反氣旋性環(huán)流建立，暖水北上，導(dǎo)致SST等值線傾斜變小，在暖水北上的同時(shí)東擴(kuò)，導(dǎo)致東岸水溫較高。

本文研究區(qū)域?yàn)槟虾Ｕ麄€(gè)海盆水深大于200 m的區(qū)域（見圖3）。

圖1 NCEP多年平均風(fēng)場分布（等值線為200 m水深線）

3 資料和方法

3.1 資料

本文所用的表面風(fēng)場資料為NCEP（National Center for Environmental Prediction）月平均值，分辨率為2.5°，從1950年—2009年，時(shí)間跨度60年。

SST資料是Hadisst全球長期月平均海表溫度資料[5]，分辨率為1°，時(shí)間從1870年開始，總共140年。

圖2 Hadisst氣候態(tài)SST分布（等值線為200 m水深線）

圖3 研究區(qū)域以及選取的呂宋海峽斷面（等值線為200 m）

海面高度資料為衛(wèi)星高度計(jì)資料（T/P衛(wèi)星，http://apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6/constrain?var=2452），從1992年10月—2010年12月，分辨率為1/3°。

3.2 分析方法

本文所用到的統(tǒng)計(jì)方法包括：相關(guān)系數(shù)分析，方差統(tǒng)計(jì)。

式中n為數(shù)據(jù)總長度，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，x和 y是待求相關(guān)性的時(shí)間序列。

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法（Empirical Orthogonal Function,EOF），是一種分析矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征，提取主要數(shù)據(jù)特征向量的一種方法，Lorenz在1950年首次引入氣象和氣候研究中。通過對坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，找到變化率最大的方向，然后將原始數(shù)據(jù)投影，從而將數(shù)據(jù)中的主要信息提取，從復(fù)雜的現(xiàn)象中分辨出主要特征。

將特征根從大到小排列，每個(gè)特征根對應(yīng)的特征向量即為相應(yīng)的空間模態(tài)，再將空間模態(tài)投影到原始資料上即為相應(yīng)的時(shí)間系數(shù):

其中某一特征根占所有特征根之和的比例即為該模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率。

4 呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的季節(jié)變化

利用上述Ekman輸運(yùn)公式計(jì)算呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)，宋海峽輸運(yùn)的季節(jié)變化見圖4，其中正值為南海向太平洋輸運(yùn)，負(fù)值為太平洋向南海輸運(yùn)。結(jié)果表明呂宋海峽體積輸運(yùn)呈現(xiàn)明顯的季節(jié)變化，5月起輸運(yùn)開始由太平洋到南海轉(zhuǎn)為南海到太平洋，一直持續(xù)到9月份，輸運(yùn)再次轉(zhuǎn)向。數(shù)值模擬[6]和觀測[7-11]都表明，黑潮全年都通過呂宋海峽入侵南海，但是在冬季強(qiáng)烈，夏季較弱。風(fēng)場引起的Ekman輸運(yùn)的季節(jié)變化和呂宋海峽黑潮水入侵的變化對應(yīng)一致，冬季風(fēng)場加強(qiáng)黑潮入侵，夏季減弱入侵。在冬季風(fēng)的驅(qū)動下，太平洋的水流入南海，高溫高鹽的太平洋水入侵南海后一部分通過臺灣海峽流出南海，另一支繼續(xù)西進(jìn)匯入到南海北部[12]，影響整個(gè)南海的熱力狀態(tài)。在夏季風(fēng)的驅(qū)動下，南海水流入太平洋，通過南邊界進(jìn)行水體補(bǔ)充，從而將低緯度的暖水通過北向流帶入到南海，對南海的熱力狀況產(chǎn)生影響。董丹鵬等[13]通過逆方法診斷得出呂宋海峽年平均體積輸運(yùn)量為-4.64 Sv（1Sv=1.e6m^3/s），方國洪等[3]得到的結(jié)果為-6.4 Sv，Metzger等[14]計(jì)算出的年平均體積輸運(yùn)量為-4.4 Sv。通過本文2.2節(jié)的分析方法計(jì)算由風(fēng)場引起的呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)的結(jié)果為-0.17 Sv。由此可見，本文計(jì)算的呂宋海峽Ekman輸運(yùn)方向和呂宋海峽整層的體積輸運(yùn)方向一致。由于本文僅考慮風(fēng)場引起的表層體積輸運(yùn)，而上述學(xué)者計(jì)算的體積輸運(yùn)總量所選取物理因素也比本文研究的要多。此外，Ekman層局限于海洋上層，南海北部在冬季的Ekman深度約為35 m，夏季約為17 m[15]，而上述結(jié)果[3,13-14]是對呂宋海峽整層的積分，因此結(jié)果差異較大。我們以呂宋海峽Ekman層深度為50 m，呂宋海峽水深為2000 m計(jì)算，則Ekman層約為整個(gè)呂宋海峽的1/40，假定呂宋海峽整層體積輸運(yùn)的年平均為6.4 Sv[3]，則本文計(jì)算的結(jié)果約占整層體積輸運(yùn)的1/38，雖然這種粗略的估計(jì)忽略了呂宋海峽體積輸運(yùn)的垂直結(jié)構(gòu)[16]，但是可以定性的認(rèn)為在呂宋海峽上層，Ekman輸運(yùn)是非常重要的。

5 呂宋海峽Ekman輸運(yùn)同南海SST的相關(guān)性

5.1 季節(jié)相關(guān)性

為了分析呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SST季節(jié)變化之間的聯(lián)系。本文計(jì)算呂宋海峽輸運(yùn)量同南海SST的相關(guān)性，圖5顯示南海SST同呂宋海峽體積輸運(yùn)之間的相關(guān)系數(shù)的空間分布，上半圖為超過95%置信檢驗(yàn)的分布，下圖為超過99%置信檢驗(yàn)的分布。

圖4 呂宋海峽Ekman輸運(yùn)季節(jié)變化（單位：0.1×Sv（=1.e6m^3/s））

從圖中可以看到，南海SST同呂宋海峽體積輸運(yùn)之間不存在顯著的同期相關(guān)。呂宋海峽由Ekman輸運(yùn)引起的海水輸運(yùn)對南海SST影響有滯后效應(yīng)，通過北部的陸架流以及南海氣旋式環(huán)流的北翼對入侵的海水的輸運(yùn)，將呂宋海峽處的風(fēng)應(yīng)力信號傳遞到南海中部，才能引起南海SST的響應(yīng)。經(jīng)過一個(gè)月之后，南海SST開始對呂宋海峽入侵的海水產(chǎn)生影響，并且主要集中在南海北部，到第二個(gè)月之后SST對EKman輸運(yùn)的響應(yīng)最為明顯，并且擴(kuò)散到整個(gè)海盆，但是依然是北部響應(yīng)比南部響應(yīng)強(qiáng)烈，第三個(gè)月后，SST對Ekman輸運(yùn)的響應(yīng)開始減弱，并且Ekman輸運(yùn)的影響在海盆南部已經(jīng)消失。到第四個(gè)月后，Ekman輸運(yùn)的影響已經(jīng)完全消失?？梢钥吹剑瑓嗡魏{Ekman輸運(yùn)的信號要經(jīng)過一個(gè)月之后才能傳遞到南海北部，在第二個(gè)月的時(shí)候影響最為明顯，并且可以影響到整個(gè)海盆尺度，到第三個(gè)月后影響開始減弱，并且南部已經(jīng)不受其影響，第四個(gè)月Ekman輸運(yùn)已經(jīng)不對SST產(chǎn)生作用。Ekman輸運(yùn)和SST相關(guān)系數(shù)的等值線分布和大尺度環(huán)流比較相似，由此可見，北部環(huán)流系統(tǒng)對呂宋海峽的風(fēng)場信號的傳遞作用是重要的。南海Rossby波跨越整個(gè)海盆的時(shí)間尺度為3個(gè)月，這和SST對呂宋海峽Ekman輸運(yùn)響應(yīng)的時(shí)間也是比較符合。無論通過哪種傳遞途徑進(jìn)行解釋，都比較符合南海海盆尺度的信號傳播特征。

5.2 年際相關(guān)性

為分析呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SST的年際相關(guān)性，本文首先將SST減去每個(gè)月的氣候態(tài)值，計(jì)算得到海表面溫度異常SSTA（Sea Surface Temperature Abnormal），為進(jìn)一步去掉季節(jié)信號，對SSTA做13點(diǎn)滑動平均。對呂宋海峽Ekman輸運(yùn)做相同的處理。

圖5 南海SST同呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的年內(nèi)相關(guān)系數(shù)分布

圖6 南海海面溫度EOF分析

南海SSTA的年際變化由多種因素共同影響[17-20]。本文應(yīng)用EOF分解的方法，將南海SSTA分解為不同模態(tài)，將各種信息集中提取，然后分別討論呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和不同模態(tài)的關(guān)系。圖6是SSTA的EOF分解的前兩個(gè)模態(tài)空間分布及時(shí)間系數(shù)的演變。其中第一個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為82.0%，第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為5.5%，均通過了顯著性檢驗(yàn)[21]。

南海SSTA的第一模態(tài)表現(xiàn)為整個(gè)海盆尺度的一致性變化，并且異常的強(qiáng)度從東南到西北逐步減小，第二模態(tài)反應(yīng)出的是南北反位相變化特征，并且從呂宋海峽到卡里曼塔海峽逐步變化。本文得到前兩個(gè)模態(tài)的空間異常分布和已有文獻(xiàn)的結(jié)論比較的接近[19]。為分析呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和前兩個(gè)模態(tài)之間的關(guān)系，本文分別計(jì)算了Ekman輸運(yùn)和兩個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)，分別為-0.0074和0.3707。呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和第一個(gè)模態(tài)之間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，而和第二個(gè)模態(tài)之間的相關(guān)性已經(jīng)超過了99.9%的置信檢驗(yàn)，存在顯著的相關(guān)性。因此，呂宋海峽Ekman輸運(yùn)對南海SSTA的影響主要是通過第二模態(tài)實(shí)現(xiàn)的。

南海SSTA第二模態(tài)空間分布南北異號，從呂宋海峽到卡里曼塔海峽逐漸由正異常轉(zhuǎn)為負(fù)異常（只有和時(shí)間系數(shù)相乘才能最終確定異常的正負(fù)）。呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和第二模態(tài)時(shí)間演變之間存在顯著的正相關(guān)，因此當(dāng)呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)變?yōu)檎惓r(shí)，從呂宋海峽延伸到南海北部，SSTA表現(xiàn)為正異常，而此時(shí)從南沙向東北延伸到南海中部的SSTA則表現(xiàn)為負(fù)異常。

6 響應(yīng)機(jī)制分析

本文分析了呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SST在季節(jié)、年際尺度上的相關(guān)聯(lián)系，本小節(jié)主要通過簡單的流場分析，初步解釋兩者相互聯(lián)系的一些物理機(jī)制。

本節(jié)利用多年平均衛(wèi)星高度計(jì)資料分析出冬季、夏季以及年平均的南海海表地轉(zhuǎn)流分布（見圖7）。為了更加真實(shí)的表達(dá)出海表流場的分布，本文利用NCEP多年平均的風(fēng)場資料計(jì)算出冬夏兩季和年平均的海表Ekman漂流的分布（見圖8）。利用地轉(zhuǎn)流和Ekman漂流的疊加場作為南海海表流場的一級近似（見圖9）。由歷史資料診斷的南海等密度面環(huán)流分布[22]，以及高分辨率區(qū)域模式模擬[23]及診斷[24]結(jié)果都表明，南海表層海流在冬季為海盆尺度的氣旋式環(huán)流，而到了夏季由于季風(fēng)的轉(zhuǎn)換，反氣旋式環(huán)流占主導(dǎo)。本文計(jì)算的呂宋海峽表層環(huán)流符合上述研究的南海大尺度環(huán)流特征。

本小節(jié)通過分析一級近似的海表流場來初步解釋呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SST在季節(jié)以及年際尺度上的相互聯(lián)系。

圖9a、b分別為南海冬季和夏季海表的流場分布。在冬季，整個(gè)海盆尺度為氣旋性環(huán)流，并且可以明顯的看到從南海北部到塔里曼塔海峽通過西邊界貫穿整個(gè)南海的一支流的存在。而到了夏季，整個(gè)南海的大尺度環(huán)流場的流動方向和冬季相反。從塔里曼塔海峽經(jīng)西邊界北上，并且在越南沿岸（11°N附近）出現(xiàn)一支非常強(qiáng)勁的離岸流，一部分回流至南部區(qū)域外，仍有一支流繼續(xù)北上達(dá)到南海北部，貫穿整個(gè)南海。

在冬夏兩季的流場分布特征中，均有一支貫穿整個(gè)南海的流存在（冬季由北向南，夏季反之），而這支貫穿流的存在對于南海熱量的南北輸運(yùn)具有重要的作用[24-25]。當(dāng)呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)正異常時(shí)，由于呂宋海峽的抽吸作用，將會相應(yīng)的導(dǎo)致貫穿南海的這支流同樣發(fā)生正異常（由南向北為正）。當(dāng)這支貫穿南海的流變強(qiáng)后，由此引起的暖平流作用將會導(dǎo)致南海SST的增強(qiáng)。同理，當(dāng)呂宋海峽Ekman輸運(yùn)為負(fù)異常時(shí)，貫穿南海的這支流同樣會發(fā)生負(fù)異常，即冷平流效應(yīng)增強(qiáng)，導(dǎo)致南海SST變冷。在季節(jié)尺度上，呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的變化調(diào)制貫穿整個(gè)南海的大尺度環(huán)流場，通過暖、冷平流效應(yīng)，進(jìn)而影響整個(gè)南海的SST變化。

圖7 南海海面高度（上）分布及地轉(zhuǎn)流分布（下）

圖8 南海海表風(fēng)場（上）及表層Ekman漂流分布（下）

圖9 南海表層地轉(zhuǎn)流及Ekman漂流的疊加速度場

分析年平均環(huán)流場（見圖9c）可以發(fā)現(xiàn)，在南海北部為一氣旋性環(huán)流，而在南北則為一反氣旋性環(huán)流。并且在塔里曼塔海峽的流向?yàn)橛赡虾Ｏ蛲獬隽鱗1]。呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的年際變化同樣會調(diào)制南海大尺度環(huán)流，進(jìn)而引起暖、冷平流作用，從而影響南海SST的變化。呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的正（負(fù)）異常引起南海北部環(huán)流的反氣旋（氣旋）性異常，進(jìn)而引起暖（冷）平流效應(yīng)。通過暖（冷）平流的作用，影響南海北部SST的變化。在南海南部，西邊界流主要由反氣旋的東翼來補(bǔ)充，也就是由高緯度的水來補(bǔ)充，這和季節(jié)變化中該西邊界流通過卡里曼塔海峽進(jìn)行水交換不同。因此，當(dāng)呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)的正異常引起南海南部的反氣旋性異常時(shí)，西邊界流增強(qiáng)，導(dǎo)致更多的高緯度水補(bǔ)充到南部，由于這種冷平流作用，導(dǎo)致SST降低，同理當(dāng)呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)為負(fù)異常時(shí)，引起南部SST的增強(qiáng)。

6 結(jié)論

通過以上討論分析可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

呂宋海峽的Ekman輸運(yùn)存在顯著的季節(jié)變化，除了夏季外，其它季節(jié)均為由太平洋向南海輸運(yùn)；

呂宋海峽Ekman年輸運(yùn)和南海海盆SST在年內(nèi)時(shí)間尺度上，兩者不存在顯著的同期相關(guān)，Ekman輸運(yùn)對SST的影響開始于一個(gè)月之后，從北部向南擴(kuò)展，第二個(gè)月最為明顯擴(kuò)展為整個(gè)海盆，第三個(gè)月開始衰減，第四個(gè)月影響消失；

在年際尺度上，呂宋海峽Ekman輸運(yùn)的異常同南海SSTA的第二模態(tài)存在顯著的相關(guān)聯(lián)系。并且呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南海SSTA的相關(guān)關(guān)系在南北反號；

通過對南海大尺度流場的分析發(fā)現(xiàn)，呂宋海峽Ekman輸運(yùn)調(diào)制南海大尺度環(huán)流，通過暖、冷平流的作用影響南海SST的變化。在季節(jié)尺度上，由于貫穿流的存在，呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和SST的相關(guān)性為正；在年際尺度上，由于在南部西邊界流的水體補(bǔ)充主要來源于高緯度的冷水，因此呂宋海峽Ekman輸運(yùn)和南部的SSTA的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為負(fù)。

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Correlation analysis between Ekman transport through the Luzon Strait and SST in the South China Sea

HUANG Hua-mei1,WANG Yin-xia1,WANG Qiang2，3,XIE Jian1
(1.South China Sea Marine Engineering and Environment Institute,State Oceanic Administration,Guangzhou 510300,China;2.South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China；3 Graduate University of CAS,Beijing 100049,China)

Based on the wind data archived in the National Center for Environmental Prediction(NCEP)from 1950—2009,Ekman transport through the Luzon Strait(ETLS)is calculated.It is shown that ETLS is from the western Pacific Ocean to the South China Sea(SCS)all the year except in summer,and varies significantly with seasons.Correlation analysis indicates a positive relationship between ETLS and sea surface temperature(SST)in the SCS on the seasonal scale.The influence of ETLS on the SST starts after the first month and extends from the northern to the southern part of the basin in the SCS,reaches the maximum significance in the second month throughout the whole basin,decays in the third month and disappears in the fourth month.On the interannual scale,the ETLS anomaly is significantly related with the second mode of SST anomaly(SSTA)with a correlation index positive and negative in the northern and southern SCS,respectively.The basin-scale circulation in the SCS is modulated by the ETLS because the SST varies with the advection of cold or warm waters.

Ekman transport;Luzon Strait;SST;South China Sea;correlation analysis

P731

A

1003-0239（2012）02-0050-09

2011-09-28

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展“973計(jì)劃”（2011CB403501）；國家海洋局“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)項(xiàng)目”（“908”專 項(xiàng)）；南海分局局長基金（1263）

黃華梅（1978—），女，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境學(xué)，E-mail:hmhuang2007@gmail.com