Spatial-temporal variation and salt transport in the intermediate water of the northern South China Sea
-
摘要: 为探讨南海北部中层水盐度的时空分布特征及与外海水的交换，选用1871—2010年共140年的月平均海洋同化数据（SODA2.2.4），利用EOF、小波等分析方法，分析南海北部中层水盐度的时空分布、变化周期、盐通量等特征。结果表明：① 南海北部中层水的盐度月际变化特征为：1—3月，南海北部中层水受到越南东部沿岸向东北方向延伸出的高盐舌的影响（＞34.45 psu），盐度偏高，中部盐度较低；4月南海北部中层水的盐度分布均一，盐度范围在34.40～34.45 psu；5—8月，夏季南海北部的中层气旋式环流将北太平洋中层水（North Pacific Intermediate Water，NPIW）携带至南海中部，在南海中部偏北形成一低盐水团（＜34.42 psu）, 并在此时间段内低盐水团逐渐向东北方向移动，直至9—10月，上述低盐水团与NPIW混合；11—12月，NPIW东撤，收缩至吕宋海峡西北侧。② 过去140年，南海北部中层水的盐度值波动上升，其中，1985年中层水盐度值最高，可能与当年夏季风爆发早且强有关。1963—2002年，存在较强的16～21 a的周期性，小波系数的实部正相位的峰值和负相位的谷值所对应的年份，与ENSO冷事件具有较好的对应。③ 对EOF第一模态分析显示，整个研究海域为单极子变化特征，呈一致性变化。第二模态的空间分布呈偶极子形态，一正一负相位中心沿NW-SE走向对称分布。④ 南海北部中层水全年的净盐通量均由南海向东流入太平洋，夏季最少，冬季最多。1871—2010年的140年间，中层水的盐通量一直处于下降的趋势，下降的趋势十分缓慢。Abstract: To explore the spatial-temporal distribution of salinity in the intermediate water and water exchange with the external waters of the northern South China Sea(SCS), the monthly mean oceanic assimilation data of past 140-year from 1871 to 2010 (SODA2.2.4) were selected, on which the spatial-temporal variation, periodicity, and salt transport of intermediate water salinity in the SCS and adjacent northwest Pacific Ocean were analyzed using wavelet analysis and EOF decomposition. The result show that the monthly salinity variation of intermediate water in the northern SCS is higher in January-March than that of the central part due to northeastward extending of high salinity water from the eastern coast of Vietnam (＞34.45 psu). The salinity distribution of the intermediate water in the northern SCS is uniform in April, and the salinity ranged from 34.40 to 34.45 psu. In May-August, there is a cyclonic circulation in the intermediate water of the northern SCS in summer, which can carry the North Pacific Intermediate Water (NPIW) to the central part of SCS, and then forms a low-salinity water lens (＜34.42 psu) in the north-central SCS. Meanwhile, the low-salinity water lens move northeastward gradually until mix with NPIW in September-October. In November-December, NPIW withdraws eastward and shrinks to the northwest of the Luzon Strait. In the past 140 years, the salinity of intermediate water in the northern SCS has been rising periodically, reaching the peak in 1985, which may be related to the early and strong summer monsoon. From 1963 to 2002, a strong 16-21–year periodicity is shown, and the years of the maximum (minimum) values of the real part of wavelet coefficients well agree with corresponding ENSO cold events. The first EOF analysis shows that the intermediate water salinity in the northern SCS is in a monopole and consistent variation pattern. The positive and negative phase centers identified by the second mode is symmetrical in distribution in NW-SE strike. The annual net salt fluxes of the intermediate water in the northern SCS flow eastward from the South China Sea to the Pacific Ocean, the least in summer and the most in winter. During the 140 years from 1871 to 2010, the salt fluxes in the intermediate water has been decreasing constantly and slowly.
-
Keywords:
- intermediate water /
- Northwest Pacific /
- seawater salinity /
- salt transport /
- the South China Sea
-
北太平洋中层水（North Pacific Intermediate Water，NPIW）起源于极地地区，为位势密度为26.5～27.0 σθ的盐度极小值水层（约34.0～34.3 psu），深度在300～800 m。受到海盆尺度环流的影响，NPIW在北太平洋亚热带地区广泛分布，在南海海域，南海中层水被认为是NPIW的延伸[1-2]。
南海中层水主要是NPIW经吕宋海峡进入南海并与南海内部水团混合而成[3-4]，是南海北部海域变性最小的大洋型水团[5]，位于南海次表层水之下，以低盐为主要特征，分布于400～1 000 m，核心区域深在500 m左右[6-7]；中层水团大体上由北向南散布，约在500 m层布满南海海区，在600～800 m层，边界向北部收缩[8]。因南海中层水与太平洋相连，因此，中层水的年代际变化可能反映了全球水文气候环境的变化[9]。
目前，对南海中层水的研究主要集中于NPIW在吕宋海峡处与南海水的交换方式及季节变化特点方面。Qu[10]根据对历史溶解氧资料的分析发现，吕宋海峡水交换具有“三明治”的垂向结构，即上层和底层水从太平洋流入南海，中层水流出南海；韩钦臣等[11]基于对吕宋海峡水交换的月际变化的分析也揭示了类似的特征。多位学者的研究表明，位于水深350～1 350 m的南海水能通过吕宋海峡流出南海，入侵太平洋[12-15]；甚至在某些年份，出现无NPIW明显进入南海的现象[3]。NPIW进出南海受到季风驱动的海洋环流控制，从而影响南海中层水的盐度变化[9]。气候平均态意义下，NPIW在南海的入侵局限在吕宋海峡附近很小的区域内，深度为480～500 m，因此，吕宋海峡东侧的盐度明显小于南海内部的盐度；NPIW在春季有一定程度的入侵，随后东撤，夏季基本退至吕宋海峡附近，冬季NPIW入侵最弱[1-2,9,16]，整个南海的盐度达到全年最大，这与此时南海经向翻转流在中层水深度范围的北向运动的阻碍有关[16]。南海经向翻转环流驱动南海深层水向南运动并不断上升，持续形成南海中层水[17]。Liu等[9]研究显示，20世纪80年代的南海中层水盐度比20世纪60年代要低，系与南海的经向翻转环流的减弱有关。
过去，由于海洋数据的获取难度大，对南海海水盐度的研究数据多来源于观测数据，研究的时段主要集中于某一年份、月份或者某一特殊时期，空间上主要集中于南海表层及次表层。近年来，海洋再分析产品的发展使得数据获取更方便、全面，促进了南海中层水及深层水的研究，但是少有年代际尺度的研究，而南海中层水作为NPIW在南海范围内的延伸，可能同样携带长期气候变化的信息。因此研究南海中层水盐度的时空变化特征，可从中发现NPIW在南海的入侵、分布随时间的变化特征，能够为研究南海中层水对世界气候变化的响应提供研究基础和有效依据。
因南海中层水与NPIW的混合主要发生在吕宋海峡附近[4,16]，因此本研究在研究区域上，选取南海及毗邻的西北太平洋范围为12.25～25.25°N，105.25～140.25°E的区域，拟用1871—2010年再分析资料，分析长时间尺度下，南海北部中层水盐度及其与西北太平洋盐量输送的变化特征。
1. 数据和方法
本文所用的盐度数据资料来源于美国马里兰大学和德州农工大学共同研制开发的全球简单海洋同化分析系统SODA2.2.4的月平均资料。SODA2.2.4海洋数据集包括的变量有温度、盐度、海流速度、海表风应力等[18-19]。水平分辨率为0.50°×0.50°，垂直方向为不等间距的分辨率，海表以下共有40层。时间跨度为1871年1月—2010年12月，共140 a 1 680个月份。ENSO历史事件统计表来源于中国气象局国家气候中心，下载网址http://cmdp.ncc-cma.net/download/ENSO/Monitor/ENSO_history_events.pdf。
依据SODA2.2.4数据集中不等间距的深度，采用MATLAB三维可视化技术，逐层分析，确定南海中层水中变化最为明显的一层（深度），作为核心层，展开南海中层水长时间尺度盐度变化特征的研究；并使用经验正交函数（EOF）方法对中层海水盐度的距平场进行时空分解，获取盐度变化的空间分布和时间系数，通过Morlet小波分析其变化趋势和周期特征，揭示盐度的年际变化特征。
为了研究南海与西北太平洋之间的盐量输送关系，取吕宋海峡附近120.75°E断面，根据盐通量计算公式（1）[20-22]，计算出断面的盐输送量。
$$ {F}_{s}=\sum _{i}\left[\Delta {l}_{i}\sum _{k}{S}_{i,k}{\rho }_{i,k}{v}_{i,k}\Delta {z}_{k}\right]\times {10}^{-3} $$ (1) 式1中，i和k分别为断面水平方向和垂向网格序号；vi,k为网格(i, k)中心处的法向流速, 向北为正；Δ
$ {l}_{i} $ 和$ \Delta {z}_{k} $ 为第(i, k)网格的宽度和厚度；$；{S}_{i,k}$ 为该网格的面积；$ {\rho }_{i,k} $ 为(i, k)网格的海水密度。盐输运的单位为 Gg/s(1 Gg/s= 106 kg/s)。2. 南海北部中层水盐度的变化特征
2.1 南海北部中层水盐度多年平均的空间分布状况
在SODA数据集中，1—40层的不等间距深度范围内，选择中层水深度17—23层（300～1000 m），分析研究该范围内南海中层水140多年平均的空间分布状况。根据刘长建等的研究结果，34.42 psu等盐线可很好地展示NPIW在南海的分布[16]；据此，本文将34.42 psu等盐线作为南海中层水的包络线。
如图1，在南海中层水深度范围内，从300 m到460 m层，中层水的盐度值随深度逐渐减小且NPIW的分布范围逐渐增加，并在460 m层分布范围最大；从460～1 000 m水层，海水的盐度值逐渐升高，NPIW的分布范围逐渐减小，直至中层水的下界完全消失。南海南部中层水的海水盐度明显高于北部。在南海位于380～580 m的中层水是NPIW主要存在于南海的深度范围。从140 a平均的空间分布状况来看，南海中层水中的NPIW确实只局限于吕宋海峡附近，与刘长建等[16]的研究结果相符；但如果看月际的分布状况，结果需进一步验证。因此，下文将对南海中层水盐度多年平均的月际空间分布特征进行分析。
![]()
图 1 南海中层水的分布使用SODA数据集，展示不同深度层中层水的分布范围，可见460 m层中层水的低盐特征最为突出。Figure 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.2.2 南海中层水核心层的确定
为更清楚地展现南海北部中层水盐度变化的月际特征，探究多年平均的月际空间变化，本文选择中层水的核心层来研究。
本文所指的核心层为南海中层水中对NPIW入侵反映最为明显的一层，即NPIW分布最广泛的一层。根据上文2.1的研究内容及图1可以确定，在南海，380～580 m是中层水中部的范围，是NPIW主要存在于南海的深度范围。其中460 m层为NPIW分布最为广泛的一层。为了检验核心层的准确性，选择120.75°E与20.25°N断面（图2）来展示中层水在深度上的盐度变化过程；选择120.75°E断面是因为此处为吕宋海峡，是南海与西北太平洋水交换的唯一深水通道，此处可以反映NPIW最开始进入南海中层水时的低盐特征；选择20.25°N断面的原因是，中层水的低盐水一般在南海北部比较活跃，此断面穿过南海北部及吕宋海峡，且沿该断面，没有受到陆地的影响，不存在空值的情况。
![]()
图 2 研究断面位置图填色为580 m层盐度值。Figure 2. Location map of the transection studiedFill in the salinity value of the 580 m.从图3的断面图中可以看出，在南海，低盐水团常年存在于18.75～20.25°N的460 m深度层；而在西北太平洋，中层低盐水的核部常年在580 m深度层，该水层中 15°N以北的太平洋海域，基本被NPIW所覆盖（图2）；西北太平洋中层水通过吕宋海峡进入南海与南海水团混合后，低盐核心的位置抬升到460 m左右的位置。前人提出，南海中层水的核心区域在500 m左右[4,6]；本研究使用SODA数据集，逐层对比，可进一步确定南海中层水的核心层为460 m层，并以此作为南海中层水的代表层展开研究。
![]()
图 3 140 a南海纵断面盐度的平均状况分布图左：120.75°E断面；右：20.25°N断面。Figure 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 南海北部中层水盐度的月际变化特征
在研究南海北部中层水盐度的月际变化上，采用平面与断面相结合的方式能够立体观察其盐度的空间变化特点。平面上选择了上文筛选得到的代表层460 m深度；断面上选择18.25°N断面。18°N断面在研究西北太平洋与南海以及南海内部的水交换方面具有重要作用，自2010年起，18°N断面被纳入国际CLIVAR项目中的气候与海洋计划框架[23]。因受SODA数据网格的限制，本文选取与18°N相近的18.25°N断面进行研究。
从南海及毗邻的西北太平洋中层水460 m处的盐度值月平均分布图（图4）和18.25°N断面图（图5）上可以看出，整体上，南海北部中层水的盐度分布比西北太平洋更加均一，盐度波动值较小；中层低盐水团在西北太平洋主要分布在约580 m深度，盐度核心低于34.25 psu，进入南海后主要分布于400～500 m，盐度核心低于34.42 psu。
![]()
图 4 南海北部中层水核心层（460 m处）的盐度月平均分布特征Figure 4. Characteristics of monthly distribution of salinity at 460 m of the intermediate water in the northern South China Sea![]()
图 5 18.25°N断面南海中层水平均月际变化Figure 5. The monthly variation of the intermediate water in the South China Sea at 18.25°N1—2月，南海北部中层水受到位于越南归仁–芽庄–潘切沿岸上升流的影响[24-25]，将底部较高盐度水体带至中层，向东北方向延伸出高盐舌（＞34.45 psu），南海北部盐度值高于南海中部；NPIW进入南海后，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，上述高盐舌在南海北部分离出一高盐中心（＞34.45 psu），此时NPIW在南海沿岸分布范围减少，主要盘踞在吕宋海峡以西。
4月，南海北部中层水的盐度分布最为均一，NPIW在南海连续分布在东北角。根据18.25°N断面图显示，1—4月NPIW进入南海时受到吕宋岛西北岸外海域上升流的影响，在菲律宾岛沿岸，可使低盐水上升至300 m左右。
5月，南海中部偏北处有一低盐中心（＜34.42 psu），南海夏季北部的中层有一气旋式环流[24,26]，该低盐中心的形成可能与此气旋式环流有关。此低盐中心在6—8月逐渐向东北方向移动且范围逐渐缩小；由18.25°N处的断面图可以看出，该低盐中心在8月与NPIW混合。混合后，9—10月NPIW在南海北部中层水的分布均向西有所延伸。
11—12月，NPIW逐渐东撤，主要分布在吕宋海峡东北角。
综上所述，南海北部中层水盐度的月际变化特征为：1—3月，南海北部中层水受到越南东部沿岸向东北方向延伸出的高盐舌（＞34.45 psu）的影响，盐度偏高；在南海中部，中层水的盐度较低。4月，南海北部中层水的盐度分布均一，盐度为34.40～34.45 psu；5—8月，南海中部偏北出现一低盐水团（＜34.42 psu），并在此时间段内逐渐向东北方向移动，该低盐水团的形成可能与海洋环流有关。根据前人研究可知，南海夏季北部中层水有一气旋式环流[4,24-26]，该气旋式环流可将吕宋海峡附近的NPIW携带至南海中部，由此在南海腹地形成低盐水团；9—10月，上述低盐水团与NPIW混合；11—12月，NPIW东撤，收缩至吕宋海峡西北侧。
2.4 南海北部中层水盐度的年际变化特征
南海中层水性质比较均一，盐度变化主要受到通过吕宋海峡与西北太平洋水交换的影响；因此，为了更明显地表现出南海中层水盐度140 a来年际、年代际的变化特点，取盐度变化受西北太平洋影响最为明显的范围（南海北部12.25～25.25°N，105.25～120.75°E，460 m核心层）的数据，用MATLAB软件求出1871—2010年各个年份该范围内盐度的平均值，再加以趋势线分析、四阶线性拟合进行线性分析，并用此数据进行小波分析和EOF分析。
从年平均盐度曲线（图6）可以看出，总体上，南海北部中层水的盐度呈上升的趋势，海水盐度值的波动大多数年份较平缓，在平均值上下，仅在1925—1945年间和1980年前后有较大的变化。1925—1945年间，1927年前后中层水盐度值有明显的下降，在1945年前后又有明显的上升；1980年前，中层水盐度值剧烈下降，1980年后盐度值剧烈上升。1925—1945年间和1980年前后，中层水盐度值两次在较短的时间段内出现下降、上升的波动，其中后者更剧烈，完成时间更短。
![]()
图 6 中层水盐度的年际变化曲线Figure 6. Interannual variation in salinity of the intermediate water in South China Sea将中层水各个年份的盐度值与平均值对比，可将1871—2010年南海北部中层水的盐度变化划分为4个阶段：1900年以前，基本在平均值上下，没有较大的浮动；1920—1960年，南海北部中层水的盐度值低于平均值，其中1927年中层水的盐度值是34.53 psu，为整个研究时段内的最低值；1960—2006年，南海北部中层水的盐度值高于平均值，并在1985年达到整个研究时段的最高值，为34.59 psu。根据前人研究结果可知，1985年为强夏季风年份，且爆发时间早[27-28]，强劲的西南季风影响了NPIW向南海推进[29]；2006年后，南海北部中层水的盐度值开始稍有下降，降至平均值以下。
中层水的盐度变化是否存在周期性变化特征，可根据小波分析图（图7）来探讨，中层水的盐度变化第一主周期是21 a，第二主周期是7 a。根据小波系数实部等值线图（图7a）可见，在1929—1946年和1963—2002年存在16～21 a的周期，其中1963—2002年的周期性很强，这一点在右侧的小波系数数模等值线图（图7c）中可得到验证；1979—1991年存在7～8 a的周期。从小波实部分析图（图7a）中可以看出，在周期变化最强的1963—2002年，小波系数的实部正相位的峰值（盐度高）和负相位的谷值（盐度低）所对应的年份，均有不同强度的ENSO事件发生（表1），尤其是与冷事件（La Nina）具有较好的对应。相关研究表明，强夏季风年中，La Nina 出现的频率大于El Nino[30-31]；El Nino年，在西北太平洋会存在一个从冬季维持到次年夏季的反气旋性环流异常，造成次年（可能为La Nina年）夏季风偏强[32]；由此，中层水盐度的周期变化可能是由于ENSO冷事件影响了西南季风的强弱变化，从而影响NPIW向南海的推进。
![]()
图 7 南海北部中层水盐度变化的年际周期小波分析图a. 实部，b. 方差，c. 模方。Figure 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.表 1 小波系数的实部正（负）位相年份与ENSO事件的对应Table 1. The years of maximum (minimum) value of the real part of wavelet coefficients vs ENSO events年份 小波实部正/负相位 ENSO事件 起止年月 峰值时间 强度 1965年 负相位 冷事件 1965.05—1966.05 1965.11 中等 1972年 正相位 冷事件 1972.05—1973.03 1972.11 强 1979年 负相位 冷事件 1979.09—1980.01 1980.01 弱 1986年 正相位 冷事件 1986.08—1988.02 1987.08 中等 1992年 负相位 冷事件 1991.05—1992.06 1992.01 中等 1995年 正相位 冷事件、
暖事件1994.09—1995.03、1995.09—1996.03 1994.12、1995.11 中等、弱 为探讨南海北部中层水盐度多年平均的空间变化特点，本文使用EOF进行时空分解（图8）。EOF模态分析的前两个模态的贡献率为77.08%，可大致反映原始场的主要信息（表2）。因此，选取前两个模态反映该深度盐度分布原始场的主要信息，结合时间序列，则可分析得到盐度场在相应时间段内的空间变化特征。
![]()
图 8 南海北部中层水盐度的年际模态分析Figure 8. Interannual modal analysis on the salinity of the intermediate water in the northern South China Sea表 2 南海中层海水各模态贡献率Table 2. Contribution of each mode to the intermediate seawater salinity of the South China Sea第一模态 第二模态 第三模态 第四模态 贡献率 0.5973 0.1735 0.0533 0.0397 460 m层EOF第一模态的贡献率为59.73%，该模态是研究区内中层水盐度值变化的主要形式，反映出整层的一致性变化。从第一模态值的分布看，整个研究海域呈单极子变化特征。结合时间系数可知，1940年前后和1986年前后，整个研究区域中层水盐度明显地上升到一个极大值，尤其是南海偏中部14°～18°N，盐度上升最为明显。1986年前后盐度的变化情况比1940年更为剧烈。
460 m层EOF第二模态的贡献率为17.35%，空间分布上呈偶极子分布形态，大致可沿16°N纬线将正负位相变化一分为二，16°N以南为正位相变化，16°N以北为负位相变化。正位相变化中心在研究区西南角，南海西部，负位相中心在研究区东南角，吕宋海峡西侧；一正一负位相中心沿WN-ES走向对称分布。结合时间系数可知，1981—1996年间吕宋海峡西侧中层水的盐度有明显上升。
总体上看，在 1871—2010年的140年间，南海北部中层水盐度值逐渐上升，1900年以前，基本在平均值上下浮动；1920—1960年南海北部中层水的盐度值低于平均值，其中1927年南海北部中层水盐度值是34.53 psu，为整个研究时段内的最低值；1960—2006年，南海北部中层水的盐度值高于平均值，并在1985年达到整个研究时段内的最高值，为34.54 psu，可能与当年夏季风爆发早且强有关。小波分析表明，1963—2002年间，存在较强的16～21 a的周期性，小波系数的实部正相位的峰值和负相位的谷值所对应的年份，与ENSO冷事件具有较好的对应。EOF第一模态反映出整层的一致性变化，该模态是研究区内中层水盐度值变化的主要形式，整个研究海域呈单极子变化特征。第二模态的空间分布上呈偶极子分布形态，一正一负位相中心沿WN-ES走向对称分布。
3. 南海北部中层水与西北太平洋中层水的盐交换变化特征
为了解南海北部中层水与西北太平洋中层水的盐交换特征，选取南海18.75°～22.25°N、120.75°E，中层300～1 000 m范围内的数据，选择该范围的原因是120.75°E断面为吕宋海峡处，是西北太平洋与南海北部中层水水交换的唯一深水通道，18.75°～22.25°N是在120.75°E断面上、南海北部中层水深度范围内，不受空值和陆地影响的连续范围，因此选择此范围来计算南海北部中层水与西北太平洋中层水的盐通量，绘制出南海中层海水140年1—12月份平均的盐通量月际和1871—2010年的年际变化曲线图进行分析。
3.1 南海与西北太平洋中层水盐交换的平均月际变化特征
中层水全年的净盐通量均由南海向东流入太平洋（图9），11月最多为73.15 Gg/s，7月最少为2.44 Gg/s；夏季少，冬季多。7—11月，盐通量上升速度比较快，以每月20 Gg/s以上的速率增加，11—次年4月以每月12 Gg/s的速率减小，5—7月下降的速度很慢，在每月1.2 Gg/s上下。
![]()
图 9 南海北部中层水120.75°E断面各月盐通量及变化率Figure 9. Monthly salt flux and variation at 120.75°E transection of the intermediate water in the South China Sea3.2 南海北部中层水与西北太平洋中层水盐交换的年际变化特征
总体来看（图10），1871—2010年的140年间，南海北部中层水的盐通量一直处于下降的趋势，但与平均值十分接近，变化十分缓慢。从长时间尺度中层水盐通量的年平均量来看，中层水的年平均盐通量绝大多数年份都是东向输送，南海向西北太平洋输送盐量，仅在1871、1936、1940和1967年中层水的盐通量是西向输送的，由西北太平洋向南海输送盐量。
![]()
图 10 南海北部中层水盐通量的年际变化曲线Figure 10. The interannual variation of water-salt flux in the intermediate water of the South China Sea根据年平均盐通量的趋势线可以将其划分为3个阶段：1926年以前，中层水的盐通量变化基本在平均值34.1 Gg/s上下波动；1926—1968年上下波动较大，出现了最高值为76.84 Gg/s，以及多次出现0 Gg/s以下的盐通量值；1968年之后，中层水的盐通量稍有下降，常在30 Gg/s上下波动。
综上可得，140年间，中层水的盐通量一直处于下降的趋势，下降的趋势十分缓慢。中层水的年平均盐通量绝大多数年份都是东向输送，1926年以前，中层水的盐通量变化基本在平均值34.1 Gg/s上下波动；1926—1968年间上下波动较大，出现了最高值76.84 Gg/s，以及多次出现0 Gg/s以下的盐通量值；1968年之后，中层水的盐通量稍有下降，常在30 Gg/s上下波动。
4. 结论
（1）南海北部中层水的盐度月际变化特征为： 1—3月，南海北部中层水受到越南东部沿岸向东北方向延伸出的高盐舌（＞34.45 psu）的影响，盐度偏高；南海中部中层水的盐度较低；4月南海北部中层水的盐度分布均一，盐度范围为34.40～34.45 psu；5—8月，在南海夏季北部的中层气旋式环流将NPIW携带至南海中部，在南海中部偏北形成一低盐水团（＜34.42 psu）, 并在此时间段内低盐水团逐渐向东北方向移动，直至9—10月，上述低盐水团与NPIW混合；11—12月，NPIW东撤，收缩至吕宋海峡西北侧。
（2）1871—2010年的140年，南海北部中层水盐度值逐渐上升，波动性较弱。1985年中层水盐度值最高，可能与当年夏季风爆发早且强有关。1963—2002年间，存在较强的16～21 a的周期性，小波实部正相位的峰值和负相位的谷值所对应的年份，均有不同强度的ENSO事件发生，尤其是与冷事件具有较好的对应。
（3）EOF第一模态反映出南海北部中层海水的一致性变化，整个研究海域呈单极子变化特征。第二模态的空间分布上呈偶极子分布形态，一正一负位相中心沿WN-ES走向对称分布。
（4）南海北部中层海水全年的净盐通量均由南海向东流入太平洋，夏季最少，冬季最多。7—11月，盐通量上升速度比较快，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的速度减小，5—7月下降的速度很慢，约每月1.2 Gg/s。在1871—2010年的140年间，中层水的盐通量一直处于下降的趋势，下降的趋势十分缓慢。
-
![]()
图 1 南海中层水的分布
使用SODA数据集，展示不同深度层中层水的分布范围，可见460 m层中层水的低盐特征最为突出。
Figure 1. The distribution of the intermediate water in the South China Sea
The 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.
![]()
图 2 研究断面位置图
填色为580 m层盐度值。
Figure 2. Location map of the transection studied
Fill in the salinity value of the 580 m.
![]()
图 3 140 a南海纵断面盐度的平均状况分布图
左：120.75°E断面；右：20.25°N断面。
Figure 3. Distribution of salinity in the South China Sea in the last 140 years
left: 120.75°E transection; right: 20.25°N transection.
![]()
图 4 南海北部中层水核心层（460 m处）的盐度月平均分布特征
Figure 4. Characteristics of monthly distribution of salinity at 460 m of the intermediate water in the northern South China Sea
![]()
图 5 18.25°N断面南海中层水平均月际变化
Figure 5. The monthly variation of the intermediate water in the South China Sea at 18.25°N
![]()
图 6 中层水盐度的年际变化曲线
Figure 6. Interannual variation in salinity of the intermediate water in South China Sea
![]()
图 7 南海北部中层水盐度变化的年际周期小波分析图
a. 实部，b. 方差，c. 模方。
Figure 7. Wavelet analysis of the interannual cycle of salinity in the intermediate water of the South China Sea
a. The real part of wavelet coefficients, b. the variance, c. the modulus.
![]()
图 8 南海北部中层水盐度的年际模态分析
Figure 8. Interannual modal analysis on the salinity of the intermediate water in the northern South China Sea
![]()
图 9 南海北部中层水120.75°E断面各月盐通量及变化率
Figure 9. Monthly salt flux and variation at 120.75°E transection of the intermediate water in the South China Sea
![]()
图 10 南海北部中层水盐通量的年际变化曲线
Figure 10. The interannual variation of water-salt flux in the intermediate water of the South China Sea
表 1 小波系数的实部正（负）位相年份与ENSO事件的对应
Table 1 The years of maximum (minimum) value of the real part of wavelet coefficients vs ENSO events
年份 小波实部正/负相位 ENSO事件 起止年月 峰值时间 强度 1965年 负相位 冷事件 1965.05—1966.05 1965.11 中等 1972年 正相位 冷事件 1972.05—1973.03 1972.11 强 1979年 负相位 冷事件 1979.09—1980.01 1980.01 弱 1986年 正相位 冷事件 1986.08—1988.02 1987.08 中等 1992年 负相位 冷事件 1991.05—1992.06 1992.01 中等 1995年 正相位 冷事件、
暖事件1994.09—1995.03、1995.09—1996.03 1994.12、1995.11 中等、弱 
下载: 导出CSV
表 2 南海中层海水各模态贡献率
Table 2 Contribution of each mode to the intermediate seawater salinity of the South China Sea
第一模态 第二模态 第三模态 第四模态 贡献率 0.5973 0.1735 0.0533 0.0397
下载: 导出CSV
-
[1] Qu T D, Mitsudera H, Yamagata T. Intrusion of the North Pacific waters into the South China Sea [J]. Journal of Geophysical Research:Oceans, 2000, 105(C3): 6415-6424. doi: 10.1029/1999JC900323
[2] You Y Z, Chern C S, Yang Y, et al. The South China Sea, a cul-de-sac of North Pacific intermediate water [J]. Journal of Oceanography, 2005, 61(3): 509-527. doi: 10.1007/s10872-005-0059-6
[3] 刘增宏, 许建平, 孙朝辉, 等. 吕宋海峡附近海域水团分布及季节变化特征[J]. 热带海洋学报, 2011, 30(1):11-19 doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2011.01.002 LIU Zenghong, XU Jianping, SUN Chaohui, et al. The characteristics of water mass distribution and its seasonal variation near the Luzon Strait [J]. Journal of Tropical Oceanography, 2011, 30(1): 11-19. doi: 10.3969/j.issn.1009-5470.2011.01.002
[4] 乔方利. 中国区域海洋学-物理海洋学[M]. 北京: 海洋出版社, 2012. QIAO Fangli. Regional Oceanography of China Seas[M]. Beijing: China Ocean Press, 2012.
[5] 范立群, 苏育嵩, 李凤岐. 南海北部海区水团分析[J]. 中国海洋大学学报, 1989(S1):169-180 FAN Liqun, SU Yusong, LI Fengqi. Analysis of water masses in the northern area of the South China Sea [J]. Periodical of Ocean University of China, 1989(S1): 169-180.
[6] 李凤岐, 苏育嵩. 海洋水团分析[M]. 青岛: 青岛海洋大学出版社, 2000. LI Fengqi, SU Yusong. Ocean Water Mass Analysis[M]. Qingdao: Qingdao Ocean University Press, 2000.
[7] 田天, 魏皓. 南海北部及巴士海峡附近的水团分析[J]. 中国海洋大学学报, 2005, 35(1):9-12 TIAN Tian, WEI Hao. Analysis of water masses in the northern South China Sea and Bashi Channel [J]. Periodical of Ocean University of China, 2005, 35(1): 9-12.
[8] 李凤岐, 谢骏, 俎婷婷. 大洋性次-中层混合水团隶属函数的拟合及南海水团分析[J]. 中国海洋大学学报, 2004, 34(5):861-866 LI Fengqi, XIE Jun, ZU Tingting. Fitting method of membership function of the oceanic subsurface-intermediate mixing water mass and analysis of water masses in the South China Sea [J]. Periodical of Ocean University of China, 2004, 34(5): 861-866.
[9] Liu C J, Wang D X, Chen J, et al. Freshening of the intermediate water of the South China Sea between the 1960s and the 1980s [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 2012, 30(6): 1010-1015. doi: 10.1007/s00343-012-1280-y
[10] Qu T D. Evidence for water exchange between the South China Sea and the Pacific Ocean through the Luzon Strait [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2002, 21(2): 175-185.
[11] 韩钦臣, 康建成, HAN Guoqi, 等. 基于海洋分析资料的吕宋海峡水交换的月际变化特征[J]. 地球科学进展, 2015, 30(5):609-619 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2015.05.0609 HAN Qinchen, KANG Jiancheng, HAN Guoqi, et al. Monthly variation characteristics of water exchange based on the analyzed ocean data in the Luzon Strait [J]. Advances in Earth Science, 2015, 30(5): 609-619. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2015.05.0609
[12] Chen C T A, Huang M H. A mid-depth front separating the South China Sea water and the Philippine Sea water [J]. Journal of Oceanography, 1996, 52(1): 17-25. doi: 10.1007/BF02236530
[13] Chen C T A, Wang S L. Influence of intermediate water in the western Okinawa Trough by the outflow from the South China Sea [J]. Journal of Geophysical Research:Oceans, 1998, 103(C6): 12683-12688. doi: 10.1029/98JC00366
[14] Tian J W, Yang Q X, Liang X F, et al. Observation of Luzon Strait transport [J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33(19): L19607. doi: 10.1029/2006GL026272
[15] Yang Q X, Tian J W, Zhao W. Observation of Luzon Strait transport in summer 2007 [J]. Deep Sea Research Part I:Oceanographic Research Papers, 2010, 57(5): 670-676. doi: 10.1016/j.dsr.2010.02.004
[16] 刘长建, 杜岩, 张庆荣, 等. 南海次表层和中层水团年平均和季节变化特征[J]. 海洋与湖沼, 2008, 39(1):55-64 doi: 10.3321/j.issn:0029-814X.2008.01.009 LIU Changjian, DU Yan, ZHANG Qingrong, et al. Seasonal variation of subsurface and intermediate water masses in the South China Sea [J]. Oceanologia et Limnologia Sinica, 2008, 39(1): 55-64. doi: 10.3321/j.issn:0029-814X.2008.01.009
[17] 王东晓, 刘雄斌, 王文质, 等. 理想海底地形的南海海洋经向翻转数值模拟[J]. 科学通报, 2004, 49(7):740-746 doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2004.05.014 WANG Dongxiao, LIU Xiongbin, WANG Wenzhi, et al. Simulation of meridional overturning in the upper layer of the South China Sea with an idealized bottom topography [J]. Chinese Science Bulletin, 2004, 49(7): 740-746. doi: 10.3321/j.issn:0023-074X.2004.05.014
[18] 王世红, 赵一丁, 尹训强, 等. 全球海洋再分析产品的研究现状[J]. 地球科学进展, 2018, 33(8):794-807 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2018.08.0794 WANG Shihong, ZHAO Yiding, YIN Xunqiang, et al. Current status of global ocean reanalysis datasets [J]. Advances in Earth Science, 2018, 33(8): 794-807. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2018.08.0794
[19] Carton J A, Giese B S. A reanalysis of ocean climate using simple ocean data assimilation (SODA) [J]. Monthly Weather Review, 2008, 136(8): 2999-3017. doi: 10.1175/2007MWR1978.1
[20] 方国洪, 魏泽勋, 崔秉昊, 等. 中国近海域际水、热、盐输运: 全球变网格模式结果[J]. 中国科学(D辑), 2003, 46(2):149-161 doi: 10.1360/03yd9014 FANG Guohong, WEI Zexun, CHOI C B, et al. Intercontinental water, heat and salt transport in China’s offshore waters: results from a global variable grid model [J]. Science in China Series D:Earth Sciences, 2003, 46(2): 149-161. doi: 10.1360/03yd9014
[21] 葛黎丽, 程旭华, 齐义泉, 等. 南海18°N断面上的体积和热盐输运[J]. 热带海洋学报, 2012, 31(1):10-17 GE Lili, CHENG Xuhua, QI Yiquan, et al. Upper-layer geostrophic volume, heat and salt transports across 18°N in the South China Sea [J]. Journal of Tropical Oceanography, 2012, 31(1): 10-17.
[22] Qiu C, Zhu J R. Assessing the influence of Sea level rise on salt transport processes and estuarine circulation in the Changjiang River estuary [J]. Journal of Coastal Research, 2015, 31(3): 661-670.
[23] 赵德平, 王卫强, 覃慧玲, 等. 南海18°N断面中层水的年代际变化[J]. 海洋学报, 2014, 36(9):56-64 ZHAO Deping, WANG Weiqiang, QIN Huiling, et al. Decadal changes of the intermediate water at 18°N in the South China Sea [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2014, 36(9): 56-64.
[24] 苏纪兰. 南海环流动力机制研究综述[J]. 海洋学报, 2005, 27(6):1-8 SU Jilan. Overview of the South China Sea circulation and its dynamics [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2005, 27(6): 1-8.
[25] . Qiao F L, Lü X G. Coastal upwelling in the South China Sea[M]//Satellite Remote Sensing of South China Sea. Taiwan: Tingmao Publish Company, 2008: 135-158.
[26] 李立, 吴日升, 郭小钢. 南海的季节环流: TOPEX/POSEIDON卫星测高应用研究[J]. 海洋学报, 2000, 22(6):13-26 LI Li, WU Risheng, GUO Xiaogang. Seasonal circulation in the South China Sea a TOPEX/POSEIDON satellite altimetry study [J]. Acta Oceanologica Sinica, 2000, 22(6): 13-26.
[27] 戴念军, 谢安, 张勇. 南海夏季风活动的年际和年代际特征[J]. 气候与环境研究, 2000, 5(4):363-374 doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2000.04.04 DAI Nianjun, XIE An, ZHANG Yong. Interannual and interdecadal variations of summer monsoon activities over South China Sea [J]. Climatic and Environmental Research, 2000, 5(4): 363-374. doi: 10.3878/j.issn.1006-9585.2000.04.04
[28] 赵永平, 陈永利. 南海暖池的季节和年际变化及其与南海季风爆发的关系[J]. 热带气象学报, 2000, 16(3):202-211 doi: 10.3969/j.issn.1004-4965.2000.03.002 ZHAO Yongping, CHEN Yongli. The seasonal and inter-annual variability of the South China Sea warm pool and its relation to the South China Sea monsoon onset [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2000, 16(3): 202-211. doi: 10.3969/j.issn.1004-4965.2000.03.002
[29] 王雪竹. 南海中层水、中层环流及其与西北太平洋中层水交换研究[D]. 中国海洋大学硕士学位论文, 2010. WANG Xuezhu. The study of intermediate water, circulation in South China Sea and its intermediate water exchange with northwest pacific[D]. Master Dissertation of Ocean University of China, 2010.
[30] 冯晓伟, 孙照渤. ENSO对东亚夏季风强度的影响[J]. 南京气象学院学报, 1998, 21(2):196-200 FENG Xiaowei, SUN Zhaobo. The influnence of ENSO on the East Asian summer monsoon intensity [J]. Journal of Nanjing Institute of Meteorology, 1998, 21(2): 196-200.
[31] 朱益民, 杨修群, 陈晓颖, 等. ENSO与中国夏季年际气候异常关系的年代际变化[J]. 热带气象学报, 2007, 23(2):105-116 doi: 10.3969/j.issn.1004-4965.2007.02.001 ZHU Yimin, YANG Xiuqun, CHEN Xiaoying, et al. Interdecadal variation of the relationship between ENSO and summer interannual climate variability in China [J]. Journal of Tropical Meteorology, 2007, 23(2): 105-116. doi: 10.3969/j.issn.1004-4965.2007.02.001
[32] 徐霈强, 冯娟, 陈文. ENSO冷暖位相影响东亚冬季风与东亚夏季风联系的非对称性[J]. 大气科学, 2016, 40(4):831-840 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15192 XU Peiqiang, FENG Juan, CHEN Wen. Asymmetric role of ENSO in the link between the East Asian winter monsoon and the following summer monsoon [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2016, 40(4): 831-840. doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.1509.15192
计量
- 文章访问数: 878
- HTML全文浏览量: 313
- PDF下载量: 105
