南海北部中層水鹽度時空變化及鹽量輸送研究

周莉，康建成，孟祥春，華宇彤

上海師范大學環境與地理科學學院，上海 200234

北太平洋中層水（North Pacific Intermediate Water，NPIW）起源于極地地區，為位勢密度為26.5～27.0 σθ的鹽度極小值水層（約 34.0～34.3 psu），深度在300～800 m。受到海盆尺度環流的影響，NPIW在北太平洋亞熱帶地區廣泛分布，在南海海域，南海中層水被認為是NPIW的延伸[1-2]。

南海中層水主要是NPIW經呂宋海峽進入南海并與南海內部水團混合而成[3-4]，是南海北部海域變性最小的大洋型水團[5]，位于南海次表層水之下，以低鹽為主要特征，分布于400～1 000 m，核心區域深在500 m左右[6-7]；中層水團大體上由北向南散布，約在500 m層布滿南海海區，在600～800 m層，邊界向北部收縮[8]。因南海中層水與太平洋相連，因此，中層水的年代際變化可能反映了全球水文氣候環境的變化[9]。

目前，對南海中層水的研究主要集中于NPIW在呂宋海峽處與南海水的交換方式及季節變化特點方面。Qu[10]根據對歷史溶解氧資料的分析發現，呂宋海峽水交換具有“三明治”的垂向結構，即上層和底層水從太平洋流入南海，中層水流出南海；韓欽臣等[11]基于對呂宋海峽水交換的月際變化的分析也揭示了類似的特征。多位學者的研究表明，位于水深350～1 350 m的南海水能通過呂宋海峽流出南海，入侵太平洋[12-15]；甚至在某些年份，出現無NPIW明顯進入南海的現象[3]。NPIW進出南海受到季風驅動的海洋環流控制，從而影響南海中層水的鹽度變化[9]。氣候平均態意義下，NPIW在南海的入侵局限在呂宋海峽附近很小的區域內，深度為480～500 m，因此，呂宋海峽東側的鹽度明顯小于南海內部的鹽度；NPIW在春季有一定程度的入侵，隨后東撤，夏季基本退至呂宋海峽附近，冬季NPIW入侵最弱[1-2,9,16]，整個南海的鹽度達到全年最大，這與此時南海經向翻轉流在中層水深度范圍的北向運動的阻礙有關[16]。南海經向翻轉環流驅動南海深層水向南運動并不斷上升，持續形成南海中層水[17]。Liu等[9]研究顯示，20世紀80年代的南海中層水鹽度比20世紀60年代要低，系與南海的經向翻轉環流的減弱有關。

過去，由于海洋數據的獲取難度大，對南海海水鹽度的研究數據多來源于觀測數據，研究的時段主要集中于某一年份、月份或者某一特殊時期，空間上主要集中于南海表層及次表層。近年來，海洋再分析產品的發展使得數據獲取更方便、全面，促進了南海中層水及深層水的研究，但是少有年代際尺度的研究，而南海中層水作為NPIW在南海范圍內的延伸，可能同樣攜帶長期氣候變化的信息。因此研究南海中層水鹽度的時空變化特征，可從中發現NPIW在南海的入侵、分布隨時間的變化特征，能夠為研究南海中層水對世界氣候變化的響應提供研究基礎和有效依據。

因南海中層水與NPIW的混合主要發生在呂宋海峽附近[4,16]，因此本研究在研究區域上，選取南海及毗鄰的西北太平洋范圍為12.25～25.25°N，105.25～140.25°E的區域，擬用1871——2010年再分析資料，分析長時間尺度下，南海北部中層水鹽度及其與西北太平洋鹽量輸送的變化特征。

1 數據和方法

本文所用的鹽度數據資料來源于美國馬里蘭大學和德州農工大學共同研制開發的全球簡單海洋同化分析系統SODA2.2.4的月平均資料。SODA2.2.4海洋數據集包括的變量有溫度、鹽度、海流速度、海表風應力等[18-19]。水平分辨率為0.50°×0.50°，垂直方向為不等間距的分辨率，海表以下共有40層。時間跨度為1871年1月——2010年12月，共140 a 1 680個月份。ENSO歷史事件統計表來源于中國氣象局國家氣候中心，下載網址http://cmdp.ncc-cma.net/download/ENSO/Monitor/ENSO_history_events.pdf。

依據SODA2.2.4數據集中不等間距的深度，采用MATLAB三維可視化技術，逐層分析，確定南海中層水中變化最為明顯的一層（深度），作為核心層，展開南海中層水長時間尺度鹽度變化特征的研究；并使用經驗正交函數（EOF）方法對中層海水鹽度的距平場進行時空分解，獲取鹽度變化的空間分布和時間系數，通過Morlet小波分析其變化趨勢和周期特征，揭示鹽度的年際變化特征。

為了研究南海與西北太平洋之間的鹽量輸送關系，取呂宋海峽附近120.75°E斷面，根據鹽通量計算公式（1）[20-22]，計算出斷面的鹽輸送量。

式1中，i和k分別為斷面水平方向和垂向網格序號；vi,k為網格(i,k)中心處的法向流速, 向北為正；Δli和 Δzk為第(i,k)網格的寬度和厚度；Si,k為該網格的面積； ρi,k為(i,k)網格的海水密度。鹽輸運的單位為 Gg/s(1 Gg/s= 106kg/s)。

2 南海北部中層水鹽度的變化特征

2.1 南海北部中層水鹽度多年平均的空間分布狀況

在SODA數據集中，1——40層的不等間距深度范圍內，選擇中層水深度17——23層（300～1 000 m），分析研究該范圍內南海中層水140多年平均的空間分布狀況。根據劉長建等的研究結果，34.42 psu等鹽線可很好地展示NPIW在南海的分布[16]；據此，本文將34.42 psu等鹽線作為南海中層水的包絡線。

如圖1，在南海中層水深度范圍內，從300 m到460 m層，中層水的鹽度值隨深度逐漸減小且NPIW的分布范圍逐漸增加，并在460 m層分布范圍最大；從460～1 000 m水層，海水的鹽度值逐漸升高，NPIW的分布范圍逐漸減小，直至中層水的下界完全消失。南海南部中層水的海水鹽度明顯高于北部。在南海位于380～580 m的中層水是NPIW主要存在于南海的深度范圍。從140 a平均的空間分布狀況來看，南海中層水中的NPIW確實只局限于呂宋海峽附近，與劉長建等[16]的研究結果相符；但如果看月際的分布狀況，結果需進一步驗證。因此，下文將對南海中層水鹽度多年平均的月際空間分布特征進行分析。

2.2 南海中層水核心層的確定

為更清楚地展現南海北部中層水鹽度變化的月際特征，探究多年平均的月際空間變化，本文選擇中層水的核心層來研究。

本文所指的核心層為南海中層水中對NPIW入侵反映最為明顯的一層，即NPIW分布最廣泛的一層。根據上文2.1的研究內容及圖1可以確定，在南海，380～580 m是中層水中部的范圍，是NPIW主要存在于南海的深度范圍。其中460 m層為NPIW分布最為廣泛的一層。為了檢驗核心層的準確性，選擇 120.75°E 與 20.25°N 斷面（圖2）來展示中層水在深度上的鹽度變化過程；選擇120.75°E斷面是因為此處為呂宋海峽，是南海與西北太平洋水交換的唯一深水通道，此處可以反映NPIW最開始進入南海中層水時的低鹽特征；選擇20.25°N斷面的原因是，中層水的低鹽水一般在南海北部比較活躍，此斷面穿過南海北部及呂宋海峽，且沿該斷面，沒有受到陸地的影響，不存在空值的情況。

圖1 南海中層水的分布使用SODA數據集，展示不同深度層中層水的分布范圍，可見460 m層中層水的低鹽特征最為突出。Fig.1 The distribution of the intermediate water in the South China SeaThe SODA datasets present the distribution range of the intermediate water at different depths, and the low-salinity is the most prominent in the 460 m layer.

從圖3的斷面圖中可以看出，在南海，低鹽水團常年存在于18.75～20.25°N的460 m深度層；而在西北太平洋，中層低鹽水的核部常年在580 m深度層，該水層中 15°N以北的太平洋海域，基本被NPIW所覆蓋（圖2）；西北太平洋中層水通過呂宋海峽進入南海與南海水團混合后，低鹽核心的位置抬升到460 m左右的位置。前人提出，南海中層水的核心區域在500 m左右[4,6]；本研究使用SODA數據集，逐層對比，可進一步確定南海中層水的核心層為460 m層，并以此作為南海中層水的代表層展開研究。

圖2 研究斷面位置圖填色為580 m層鹽度值。Fig.2 Location map of the transection studiedFill in the salinity value of the 580 m.

圖3 140 a南?？v斷面鹽度的平均狀況分布圖左：120.75°E 斷面；右：20.25°N 斷面。Fig.3 Distribution of salinity in the South China Sea in the last 140 yearsleft: 120.75°E transection; right: 20.25°N transection.

2.3 南海北部中層水鹽度的月際變化特征

在研究南海北部中層水鹽度的月際變化上，采用平面與斷面相結合的方式能夠立體觀察其鹽度的空間變化特點。平面上選擇了上文篩選得到的代表層460 m深度；斷面上選擇18.25°N斷面。18°N斷面在研究西北太平洋與南海以及南海內部的水交換方面具有重要作用，自2010年起，18°N斷面被納入國際CLIVAR項目中的氣候與海洋計劃框架[23]。因受SODA數據網格的限制，本文選取與18°N相近的18.25°N斷面進行研究。

從南海及毗鄰的西北太平洋中層水460 m處的鹽度值月平均分布圖（圖4）和18.25°N斷面圖（圖5）上可以看出，整體上，南海北部中層水的鹽度分布比西北太平洋更加均一，鹽度波動值較??；中層低鹽水團在西北太平洋主要分布在約580 m深度，鹽度核心低于34.25 psu，進入南海后主要分布于400～500 m，鹽度核心低于34.42 psu。

圖4 南海北部中層水核心層（460 m處）的鹽度月平均分布特征Fig.4 Characteristics of monthly distribution of salinity at 460 m of the intermediate water in the northern South China Sea

圖5 18.25°N斷面南海中層水平均月際變化Fig.5 The monthly variation of the intermediate water in the South China Sea at 18.25°N

1——2月，南海北部中層水受到位于越南歸仁-芽莊-潘切沿岸上升流的影響[24-25]，將底部較高鹽度水體帶至中層，向東北方向延伸出高鹽舌（＞34.45 psu），南海北部鹽度值高于南海中部；NPIW進入南海后，沿南海北部入侵，在南海主要分布在北部115.25°E以西的沿岸。

3月，上述高鹽舌在南海北部分離出一高鹽中心（＞34.45 psu），此時NPIW在南海沿岸分布范圍減少，主要盤踞在呂宋海峽以西。

4月，南海北部中層水的鹽度分布最為均一，NPIW在南海連續分布在東北角。根據18.25°N斷面圖顯示，1——4月NPIW進入南海時受到呂宋島西北岸外海域上升流的影響，在菲律賓島沿岸，可使低鹽水上升至300 m左右。

5月，南海中部偏北處有一低鹽中心（＜34.42 psu），南海夏季北部的中層有一氣旋式環流[24,26]，該低鹽中心的形成可能與此氣旋式環流有關。此低鹽中心在6——8月逐漸向東北方向移動且范圍逐漸縮??；由18.25°N處的斷面圖可以看出，該低鹽中心在8月與NPIW混合?；旌虾?，9——10月NPIW在南海北部中層水的分布均向西有所延伸。

11——12月，NPIW逐漸東撤，主要分布在呂宋海峽東北角。

綜上所述，南海北部中層水鹽度的月際變化特征為：1——3月，南海北部中層水受到越南東部沿岸向東北方向延伸出的高鹽舌（＞34.45 psu）的影響，鹽度偏高；在南海中部，中層水的鹽度較低。4月，南海北部中層水的鹽度分布均一，鹽度為34.40～34.45 psu；5——8月，南海中部偏北出現一低鹽水團（＜34.42 psu），并在此時間段內逐漸向東北方向移動，該低鹽水團的形成可能與海洋環流有關。根據前人研究可知，南海夏季北部中層水有一氣旋式環流[4,24-26]，該氣旋式環流可將呂宋海峽附近的NPIW攜帶至南海中部，由此在南海腹地形成低鹽水團；9——10月，上述低鹽水團與NPIW混合；11——12月，NPIW東撤，收縮至呂宋海峽西北側。

2.4 南海北部中層水鹽度的年際變化特征

南海中層水性質比較均一，鹽度變化主要受到通過呂宋海峽與西北太平洋水交換的影響；因此，為了更明顯地表現出南海中層水鹽度140 a來年際、年代際的變化特點，取鹽度變化受西北太平洋影響最為明顯的范圍（南海北部12.25～25.25°N，105.25～120.75°E ，460 m 核 心 層 ）的 數 據 ，用MATLAB軟件求出1871——2010年各個年份該范圍內鹽度的平均值，再加以趨勢線分析、四階線性擬合進行線性分析，并用此數據進行小波分析和EOF分析。

從年平均鹽度曲線（圖6）可以看出，總體上，南海北部中層水的鹽度呈上升的趨勢，海水鹽度值的波動大多數年份較平緩，在平均值上下，僅在1925——1945年間和1980年前后有較大的變化。1925——1945年間，1927年前后中層水鹽度值有明顯的下降，在1945年前后又有明顯的上升；1980年前，中層水鹽度值劇烈下降，1980年后鹽度值劇烈上升。1925——1945年間和1980年前后，中層水鹽度值兩次在較短的時間段內出現下降、上升的波動，其中后者更劇烈，完成時間更短。

圖6 中層水鹽度的年際變化曲線Fig.6 Interannual variation in salinity of the intermediate water in South China Sea

將中層水各個年份的鹽度值與平均值對比，可將1871——2010年南海北部中層水的鹽度變化劃分為4個階段：1900年以前，基本在平均值上下，沒有較大的浮動；1920——1960年，南海北部中層水的鹽度值低于平均值，其中1927年中層水的鹽度值是34.53 psu，為整個研究時段內的最低值；1960——2006年，南海北部中層水的鹽度值高于平均值，并在1985年達到整個研究時段的最高值，為34.59 psu。根據前人研究結果可知，1985年為強夏季風年份，且爆發時間早[27-28]，強勁的西南季風影響了NPIW向南海推進[29]；2006年后，南海北部中層水的鹽度值開始稍有下降，降至平均值以下。

中層水的鹽度變化是否存在周期性變化特征，可根據小波分析圖（圖7）來探討，中層水的鹽度變化第一主周期是21 a，第二主周期是7 a。根據小波系數實部等值線圖（圖7a）可見，在1929——1946年和1963——2002年存在16～21 a的周期，其中1963——2002年的周期性很強，這一點在右側的小波系數數模等值線圖（圖7c）中可得到驗證；1979——1991年存在7～8 a的周期。從小波實部分析圖（圖7a）中可以看出，在周期變化最強的1963——2002年，小波系數的實部正相位的峰值（鹽度高）和負相位的谷值（鹽度低）所對應的年份，均有不同強度的ENSO事件發生（表1），尤其是與冷事件（La Nina）具有較好的對應。相關研究表明，強夏季風年中，La Nina 出現的頻率大于 El Nino[30-31]；El Nino年，在西北太平洋會存在一個從冬季維持到次年夏季的反氣旋性環流異常，造成次年（可能為La Nina年）夏季風偏強[32]；由此，中層水鹽度的周期變化可能是由于ENSO冷事件影響了西南季風的強弱變化，從而影響NPIW向南海的推進。

表1 小波系數的實部正（負）位相年份與ENSO事件的對應Table 1 The years of maximum (minimum) value of the real part of wavelet coefficients vs ENSO events

圖7 南海北部中層水鹽度變化的年際周期小波分析圖a.實部，b.方差，c.模方。Fig.7 Wavelet analysis of the interannual cycle of salinity in the intermediate water of the South China Seaa.The real part of wavelet coefficients, b.the variance, c.the modulus.

為探討南海北部中層水鹽度多年平均的空間變化特點，本文使用EOF進行時空分解（圖8）。EOF模態分析的前兩個模態的貢獻率為77.08%，可大致反映原始場的主要信息（表2）。因此，選取前兩個模態反映該深度鹽度分布原始場的主要信息，結合時間序列，則可分析得到鹽度場在相應時間段內的空間變化特征。

表2 南海中層海水各模態貢獻率Table 2 Contribution of each mode to the intermediate seawater salinity of the South China Sea

圖8 南海北部中層水鹽度的年際模態分析Fig.8 Interannual modal analysis on the salinity of the intermediate water in the northern South China Sea

460 m層EOF第一模態的貢獻率為59.73%，該模態是研究區內中層水鹽度值變化的主要形式，反映出整層的一致性變化。從第一模態值的分布看，整個研究海域呈單極子變化特征。結合時間系數可知，1940年前后和1986年前后，整個研究區域中層水鹽度明顯地上升到一個極大值，尤其是南海偏中部14°～18°N，鹽度上升最為明顯。1986年前后鹽度的變化情況比1940年更為劇烈。

460 m層EOF第二模態的貢獻率為17.35%，空間分布上呈偶極子分布形態，大致可沿16°N緯線將正負位相變化一分為二，16°N以南為正位相變化，16°N以北為負位相變化。正位相變化中心在研究區西南角，南海西部，負位相中心在研究區東南角，呂宋海峽西側；一正一負位相中心沿WN-ES走向對稱分布。結合時間系數可知，1981——1996年間呂宋海峽西側中層水的鹽度有明顯上升。

總體上看，在 1871——2010年的140年間，南海北部中層水鹽度值逐漸上升，1900年以前，基本在平均值上下浮動；1920——1960年南海北部中層水的鹽度值低于平均值，其中1927年南海北部中層水鹽度值是34.53 psu，為整個研究時段內的最低值；1960——2006年，南海北部中層水的鹽度值高于平均值，并在1985年達到整個研究時段內的最高值，為34.54 psu，可能與當年夏季風爆發早且強有關。小波分析表明，1963——2002年間，存在較強的16～21 a的周期性，小波系數的實部正相位的峰值和負相位的谷值所對應的年份，與ENSO冷事件具有較好的對應。EOF第一模態反映出整層的一致性變化，該模態是研究區內中層水鹽度值變化的主要形式，整個研究海域呈單極子變化特征。第二模態的空間分布上呈偶極子分布形態，一正一負位相中心沿WN-ES走向對稱分布。

3 南海北部中層水與西北太平洋中層水的鹽交換變化特征

為了解南海北部中層水與西北太平洋中層水的鹽交換特征，選取南海 18.75°～22.25°N、120.75°E，中層300～1 000 m范圍內的數據，選擇該范圍的原因是120.75°E斷面為呂宋海峽處，是西北太平洋與南海北部中層水水交換的唯一深水通道，18.75°～22.25°N是在120.75°E斷面上、南海北部中層水深度范圍內，不受空值和陸地影響的連續范圍，因此選擇此范圍來計算南海北部中層水與西北太平洋中層水的鹽通量，繪制出南海中層海水140年1——12月份平均的鹽通量月際和1871——2010年的年際變化曲線圖進行分析。

3.1 南海與西北太平洋中層水鹽交換的平均月際變化特征

中層水全年的凈鹽通量均由南海向東流入太平洋（圖9），11 月最多為 73.15 Gg/s，7 月最少為2.44 Gg/s；夏季少，冬季多。7——11月，鹽通量上升速度比較快，以每月20 Gg/s以上的速率增加，11——次年4月以每月12 Gg/s的速率減小，5——7月下降的速度很慢，在每月1.2 Gg/s上下。

圖9 南海北部中層水120.75°E斷面各月鹽通量及變化率Fig.9 Monthly salt flux and variation at 120.75°E transection of the intermediate water in the South China Sea

3.2 南海北部中層水與西北太平洋中層水鹽交換的年際變化特征

總體來看（圖10），1871——2010年的140年間，南海北部中層水的鹽通量一直處于下降的趨勢，但與平均值十分接近，變化十分緩慢。從長時間尺度中層水鹽通量的年平均量來看，中層水的年平均鹽通量絕大多數年份都是東向輸送，南海向西北太平洋輸送鹽量，僅在1871、1936、1940和1967年中層水的鹽通量是西向輸送的，由西北太平洋向南海輸送鹽量。

圖10 南海北部中層水鹽通量的年際變化曲線Fig.10 The interannual variation of water-salt flux in the intermediate water of the South China Sea

根據年平均鹽通量的趨勢線可以將其劃分為3個階段：1926年以前，中層水的鹽通量變化基本在平均值34.1 Gg/s上下波動；1926——1968年上下波動較大，出現了最高值為76.84 Gg/s，以及多次出現0 Gg/s以下的鹽通量值；1968年之后，中層水的鹽通量稍有下降，常在30 Gg/s上下波動。

綜上可得，140年間，中層水的鹽通量一直處于下降的趨勢，下降的趨勢十分緩慢。中層水的年平均鹽通量絕大多數年份都是東向輸送，1926年以前，中層水的鹽通量變化基本在平均值34.1 Gg/s上下波動；1926——1968年間上下波動較大，出現了最高值76.84 Gg/s，以及多次出現0 Gg/s以下的鹽通量值；1968年之后，中層水的鹽通量稍有下降，常在30 Gg/s上下波動。

4 結論

（1）南海北部中層水的鹽度月際變化特征為：1——3月，南海北部中層水受到越南東部沿岸向東北方向延伸出的高鹽舌（＞34.45 psu）的影響，鹽度偏高；南海中部中層水的鹽度較低；4月南海北部中層水的鹽度分布均一，鹽度范圍為34.40～34.45 psu；5——8月，在南海夏季北部的中層氣旋式環流將NPIW攜帶至南海中部，在南海中部偏北形成一低鹽水團（＜34.42 psu）, 并在此時間段內低鹽水團逐漸向東北方向移動，直至9——10月，上述低鹽水團與NPIW混合；11——12月，NPIW東撤，收縮至呂宋海峽西北側。

（2）1871——2010年的140年，南海北部中層水鹽度值逐漸上升，波動性較弱。1985年中層水鹽度值最高，可能與當年夏季風爆發早且強有關。1963——2002年間，存在較強的16～21 a的周期性，小波實部正相位的峰值和負相位的谷值所對應的年份，均有不同強度的ENSO事件發生，尤其是與冷事件具有較好的對應。

（3）EOF第一模態反映出南海北部中層海水的一致性變化，整個研究海域呈單極子變化特征。第二模態的空間分布上呈偶極子分布形態，一正一負位相中心沿WN-ES走向對稱分布。

（4）南海北部中層海水全年的凈鹽通量均由南海向東流入太平洋，夏季最少，冬季最多。7——11月，鹽通量上升速度比較快，以每月20 Gg/s以上的速度增加，11月——次年4月以每月12 Gg/s的速度減小，5——7月下降的速度很慢，約每月1.2 Gg/s。在1871——2010年的140年間，中層水的鹽通量一直處于下降的趨勢，下降的趨勢十分緩慢。