史荒原，杜凌*，徐道歡

(1.中國海洋大學 海洋與大氣學院，山東 青島 266100)

1 引言

海洋鹽度變化是衡量海洋水團的重要指標之一，它通過改變浮力通量進而影響海洋環(huán)流和混合過程[1]，也是衡量世界大洋氣候變化過程的一個重要指標[2]。作為全球水循環(huán)的重要部分，海水鹽度的變化與海表淡水通量、地表徑流、海洋內(nèi)部混合和平流輸送以及海平面變化密切相關(guān)[3-6]。已有的研究指出，由于全球變暖引起全球水循環(huán)增強，熱帶和中緯度地區(qū)濕潤地區(qū)會變得更濕潤，亞熱帶干旱和半干旱的地區(qū)會變得更加干旱，在這一過程下，熱帶以及低緯度強降水海域鹽度會降低，副熱帶蒸發(fā)強烈的海域鹽度將增加[7-8]。

隨著海洋觀測數(shù)據(jù)的不斷豐富，以及海洋遙感數(shù)據(jù)的廣泛使用，世界大洋表層鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）的變化特征逐漸得到共識。在過去的幾十年里全球水循環(huán)增強，副極地和熱帶海區(qū)SSS降低，副熱帶海區(qū)SSS增加[9]。洋盆尺度上，太平洋海域呈現(xiàn)廣泛的淡化，最顯著的是西太暖池[10]，而Du等[11]分析熱帶太平洋1993-2017年表層鹽度趨勢，發(fā)現(xiàn)西太暖池區(qū)有咸化特征。大西洋海區(qū)則表現(xiàn)出顯著的增鹽趨勢[2,13]，南大洋在近幾十年里具有大范圍的淡化現(xiàn)象[13]。表層鹽度變化趨勢在全球尺度上表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性特征，符合全球水循環(huán)不斷增強的現(xiàn)狀[10,14]。

表層鹽度的長期變化擴展到海洋深層，太平洋不同深度上海水鹽度長期變化較為復雜。Boyer等[15]和Durack等[16]發(fā)現(xiàn)20世紀近幾十年間北太平洋上300 m海水顯著淡化，高緯度深層海洋淡化較弱；南太平洋低緯度海區(qū)上層海水咸化，高緯度深層海水淡化。而Wong等[17]研究表明1960-1994年北太平洋上300 m增鹽，中層水具有明顯的長期淡化特征。從20世紀90年代中期開始，西太平洋副熱帶環(huán)流上溫躍層/鹽躍層海水鹽度迅速淡化[18]。2000年之后熱帶太平洋北部和西南部海區(qū)上100 m增鹽明顯，最顯著的增鹽趨勢位于西太暖池，在50 m以淺達到最大，弱的淡化特征出現(xiàn)在赤道以南100 m深度[19]。而這一大范圍增鹽趨勢在2015年發(fā)生了改變，西太平洋出現(xiàn)大范圍淡化[14]。Yan等[20]發(fā)現(xiàn)2002-2013年西北太平洋次表層鹽度趨勢在15°N南北區(qū)域上相反。

影響鹽度變化垂直分布特征的因素有很多。表層鹽度變化與蒸發(fā)和降水密不可分，也與人類活動對熱帶水循環(huán)的影響有關(guān)[8]，同時還受環(huán)流的影響[21-23]。風場調(diào)整的等密度面起伏和水團混合的共同作用導致密度面上溫鹽關(guān)系的改變[12,24]。海洋表層溫鹽異常形成的潛沉，以及不穩(wěn)定混合過程，是引起次表層鹽度變化的主要原因。Nonaka和Sasaki[25]分析了東南太平洋副熱帶海域冬季表層降溫和等密度面露頭區(qū)經(jīng)向移動過程中，潛沉作用對低緯度次表層鹽度的影響，Yeager和Large[26]提出跨等密度面的混合機制影響了混合層底的溫鹽變化。此外，眾多研究從混合層鹽度收支的角度，分析了影響鹽度變化的動力因素，如平流、混合、挾卷以及湍流耗散作用[27-29]，ECCO模擬結(jié)果則顯示，垂向混合以及挾卷在鹽度收支中有著更為重要的影響，次表層高鹽水的垂直挾卷混合與表層平流和淡水通量具有同等的重要性[30]。

近年來，熱帶太平洋表層鹽度變化復雜，2014年赤道太平洋中部海區(qū)存在明顯的鹽度正異常[31]，Gasparin和Roemmich[32]則發(fā)現(xiàn)2015年冬季熱帶太平洋北部海區(qū)出現(xiàn)了明顯的淡水異常，這種復雜的變化對鹽度長期趨勢的影響顯著。本文利用Argo海水鹽度資料、海流同化數(shù)據(jù)，以及同期大氣風場、蒸發(fā)和降水數(shù)據(jù)，著重分析2015-2017年熱帶太平洋上層海洋鹽度異常事件及其區(qū)域性特征和垂直結(jié)構(gòu)，探討影響該鹽度異常演變過程的主要動力學因素。

2 數(shù)據(jù)

國際Argo計劃于2000年正式成立，由Argo剖面浮標組成實時海洋觀測網(wǎng)，對大洋0～2 000 m深度海水的溫度和鹽度實施大范圍的準實時觀測。該計劃基于上層海洋觀測網(wǎng)而構(gòu)建，擴大了觀測的空間和時間范圍，提高了觀測精度，是獲取世界大洋次表層數(shù)據(jù)的重要來源。本文采用斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）提供的Argo溫鹽同化網(wǎng)格數(shù)據(jù)[33]，時間跨度為2004-2017年，水平分辨率為1°×1°，共分 58層，其中上 200 m 每 10 m 一層，用以探討熱帶太平洋上400 m鹽度垂直變化特征。

海流數(shù)據(jù)來自全球海洋資料同化系統(tǒng)（NECP GODAS）[34]。該數(shù)據(jù)集采用的大氣強迫場為NECP再分析資料，基于MOM3海洋模式，同化了來自XBT和CTD的溫鹽剖面觀測數(shù)據(jù)，月均海流數(shù)據(jù)的水平分辨率為 1°×（1/3）°，垂直方向從 5 m 到 4 478 m 共分40層，本文選擇2004-2017年的海流數(shù)據(jù)。同期大氣數(shù)據(jù)均來自于歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA-Interim數(shù)據(jù)集[35]，本文采用的是月均10 m風速，數(shù)據(jù)的水平分辨率為1°×1°。蒸發(fā)數(shù)據(jù)為來自WHOI的 OAFlux (Objectively Analyzed Air-sea Fluxes)數(shù)據(jù)集[36]，分辨率為1°×1°。降水數(shù)據(jù)來自NECP的GPCP (Global Precipitation Climatology Project)[37-38]，分辨率為（1/2）°×（1/2）°。

3 熱帶太平洋鹽度變化

3.1 上層海洋鹽度特征

分析結(jié)果表明，近年來熱帶太平洋上400 m層海洋鹽度變化顯著，主要表現(xiàn)為北部副熱帶環(huán)流區(qū)表層高鹽海域的增鹽趨勢停止甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)，以致出現(xiàn)熱帶太平洋北部海區(qū)的大范圍淡化，與之相反的是東南部海區(qū)高鹽水的增鹽趨勢進一步加強。本文基于Argo數(shù)據(jù)[33]研究了兩個時段：2004-2014年和2004-2017年的熱帶太平洋表層與次表層（100 m）鹽度線性趨勢（圖1），進而比較鹽度變化差異。對于表層鹽度變化而言，2004-2014年熱帶太平洋大部分海區(qū)都呈現(xiàn)明顯的增鹽趨勢，160°W以西海區(qū)的增鹽趨勢尤為顯著，最大達到了0.4 psu/（10 a），南太平洋輻合區(qū)（Southern Ocean Convergence Zone, SPCZ）附近海區(qū)也顯著增鹽，咸化程度和北部海區(qū)相當；只有在東南部海域，即北美西岸至赤道中太平洋的狹窄海域內(nèi)，存在海水淡化趨勢，但范圍并不大，與Du等[19]的研究結(jié)果較為一致。而2004-2017年線性趨勢空間分布與前者相比有著明顯的不同，赤道以及東北部海區(qū)出現(xiàn)了大范圍的海水顯著淡化，且與前者相比增鹽海區(qū)向西退縮，同時咸化程度明顯減弱，而東南部海區(qū)則從淡化變?yōu)橄袒卣鳎▓D1b）。

圖1 2004-2014 年（a，c）和 2004-2017 年（b，d）熱帶太平洋表層（a，b）和次表層（100 m）（c，d）的鹽度線性變化趨勢Fig.1 Surface salinity (a, b) and subsurface (100 m) salinity (c, d) linear trends during 2004-2014 (a, c) and 2004-2017 (b, d) in the tropical Pacific Ocean

這種鹽度趨勢變化的差異不僅存在于表層，也同樣發(fā)生在次表層，深達溫躍層底。次表層鹽度趨勢分布和表層相似，程度有所不同。2004-2014年次表層鹽度變化趨勢主要表現(xiàn)為熱帶太平洋西北部與東南部海區(qū)的反相變化，東南部海區(qū)100 m深度附近淡化趨勢達到極值，約為-0.3 psu/（10 a），淡化程度明顯大于表層（圖1c），而2004-2017年鹽度趨勢則顯示這一海區(qū)淡化特征幾乎消失，甚至變?yōu)槿跸袒?00 m深度上由鹽度負異常變成正異常（圖1d）。以上的比較分析表明，熱帶太平洋鹽度在2015-2017年產(chǎn)生了顯著的異常變化，表現(xiàn)為在北部海域和SPCZ海區(qū)出現(xiàn)鹽度負異常，東南部海區(qū)則主要表現(xiàn)為正異常。

基于兩時段熱帶太平洋的鹽度趨勢差異的垂直結(jié)構(gòu)，及鹽度變化的區(qū)域性特征，本文比較了鹽度趨勢差異在垂直方向上的極大值，如圖2a所示，表示的是2004-2017年與2004-2014年鹽度趨勢之差，同時考慮垂直深度上最大趨勢差異在不同海區(qū)所處的不同深度，重點探討以下3個研究海域：熱帶太平洋北部海區(qū)（NTP：10°～20°N, 170°E～120°W），南太平洋輻合區(qū)（SPCZ：5°～15°S, 170°E～170°W）和熱帶太平洋南部海區(qū)（STP：0°～20°S, 110°～160°W）。NTP 和SPCZ海區(qū)的增鹽趨勢明顯減弱，甚至變?yōu)榈厔荩▓D2a，表1），表明2015-2017年該海域的鹽度負異常顯著，最顯著的負異常發(fā)生在日界線以東，同期STP海區(qū)次表層鹽度由淡化特征變?yōu)槿跸袒?。上層鹽度趨勢差異的廓線（圖2b）更為清晰的反映了這種鹽度變化的垂直結(jié)構(gòu)以及鹽度趨勢的改變。2004-2014年間，以低鹽為特征的NTP和SPCZ海區(qū)增鹽趨勢的極值發(fā)生在表層和近表層，而高鹽的STP海區(qū)最顯著淡化的深度是125 m。由于2015-2017年發(fā)生的鹽度異常（Salinity Anomaly Event，SAE），改變了熱帶太平洋海區(qū)鹽度的變化趨勢，使得2004-2017年整個海區(qū)鹽度變化趨勢幾乎一致，量值減小，且最大值集中在100 m以淺。其中NTP的表層鹽度趨勢差異變化最顯著，相當于SAE造成了該海域出現(xiàn)約為-0.34的鹽度負異常（表1）。此外，SPCZ海域上400 m深度內(nèi)出現(xiàn)了通過顯著性檢驗的咸化-淡化的垂直結(jié)構(gòu)。

圖2 熱帶太平洋上層鹽度的線性趨勢之差（a），及其顯著區(qū)兩個時段鹽度趨勢的垂直結(jié)構(gòu)（b）Fig.2 The salinity trend differences of the two periods (a) and salinity trends vertical structure of the three regions in the upper tropical Pacific Ocean (b)

表1 熱帶太平洋3個海區(qū)在兩個時間段的鹽度變化特征Table 1 The salinity variability in the tropical Pacific Ocean three key regions during the two periods

近年來熱帶太平洋鹽度的變化特征發(fā)生了顯著改變，Argo數(shù)據(jù)顯示，正是由于2015-2017年的鹽度異常，使得整個海區(qū)鹽度趨勢發(fā)生了根本性變化，一方面表現(xiàn)為咸化和淡化趨勢迅速減弱甚至發(fā)生逆轉(zhuǎn)，另一方面鹽度變化的垂直結(jié)構(gòu)具有顯著的區(qū)域性特征，呈現(xiàn)出表層和次表層鹽度趨勢在兩個時段內(nèi)相反變化的特征。

3.2 鹽度異常

Argo鹽度數(shù)據(jù)顯示，近年來熱帶太平洋發(fā)生鹽度異常事件，具有明顯的區(qū)域性特征。3個海區(qū)區(qū)域平均鹽度的低頻時間變化（圖3）表明，表層及次表層鹽度變化明顯不同。去除季節(jié)變化后，表層鹽度的顯著變化主要出現(xiàn)在NTP和SPCZ海區(qū)，次表層的關(guān)鍵區(qū)則發(fā)生在STP海區(qū)。但無論是表層鹽度，還是次表層鹽度，均在2015-2017年間發(fā)生了明顯改變，表現(xiàn)為鹽度的顯著異常，是觀測時段內(nèi)最為突出的現(xiàn)象。這種年際差異的最大負異常約為-0.92，而在南部海區(qū)100 m次表層鹽度異常則可達0.46。正是2005-2017年間的SAE事件，改變了熱帶太平洋鹽度變化趨勢（圖1）。

圖3 熱帶太平洋NTP，SPCZ和STP海區(qū)的鹽度異常低頻變化（13個月低通濾波）Fig.3 The 13-month lowpass filtered salinity variabilities of three regions (NTP, SPCZ and STP) in the tropical Pacific Ocean

熱帶太平洋3個海區(qū)的SSS與次表層鹽度異常均表現(xiàn)出顯著的低頻變化特征，而在2015年10月和2016年12月NTP海區(qū)先后兩次刷新近年來的最低值，且SPCZ海區(qū)在2017年4月也出現(xiàn)了最顯著鹽度負異常，超過了-0.5；幾乎同時STP海區(qū)的次表層鹽度達到近年來的最大值。整個熱帶太平洋SPCZ海區(qū)的SSS變化最為強烈，年際變化也最大（變幅超過0.9）。由圖3可知，熱帶太平洋上層鹽度異常主要集中在以上3個海區(qū)，本文分別選取了兩條緯向斷面（14°N 和 8°S，圖 4），以便更清晰地刻畫鹽度異常的垂直結(jié)構(gòu)。

近年來熱帶太平洋鹽度異常主要發(fā)生在上400 m，空間差異顯著，這在緯向斷面（14°N 和 8°S，圖 4）上更為明顯。2004-2014年NTP海區(qū)14°N緯向斷面呈現(xiàn)上層咸化、下層淡化的特征，這一特征在日界線以西最為明顯。由于2015-2017年該海域上層海水發(fā)生了顯著的鹽度負異常，一方面改變了鹽度變化的垂直結(jié)構(gòu)，日界線以東溫躍層之上出現(xiàn)了大范圍的顯著淡化（趨勢最大值超過-0.2 psu/（10 a）），以及西側(cè)的暖池附近海域次表層淡化趨勢進一步加?。▓D4b），鹽度趨勢之差主要集中在100 m以淺的混合層內(nèi)；另一方面也表現(xiàn)為2004-2017年間鹽度趨勢的垂直分布與主溫躍層深度變化密切相關(guān)，日界線以西和140°W以東的溫躍層深度變化完全相反，SAE事件前后，西側(cè)海域的溫躍層由加深變?yōu)轱@著抬升，東部溫躍層明顯加深，伴隨著更多的低鹽水進入主溫躍層，表現(xiàn)出顯著的淡化特征。

對比NTP海區(qū)，STP海區(qū)鹽度變化特征明顯不同（圖4c, 圖4d），主要體現(xiàn)在2015年后顯著的咸化發(fā)生在次表層，且日界線以東海域溫躍層以上均發(fā)生大范圍的咸化現(xiàn)象，趨勢值可達0.2 psu/(10 a)，同樣是由于2015-2017年的SAE事件，使得溫躍層出現(xiàn)明顯的鹽度正異常。同時，8°S斷面日界線以西SPCZ海區(qū)的鹽度垂直結(jié)構(gòu)的變化表現(xiàn)為100 m以上近表層出現(xiàn)廣泛而顯著的淡化，即原有增鹽趨勢大幅度減弱，甚至轉(zhuǎn)為淡化趨勢。相應的，溫躍層深度也表現(xiàn)為SAE期間160°W以東顯著抬升，而以西變化相反。這種鹽度垂直結(jié)構(gòu)的改變和溫躍層起伏有著密切的關(guān)系，厄爾尼諾期間熱帶太平洋海溫異常造成了溫躍層的變化，溫躍層異常起伏會使得具有不同垂直分層的海水上涌或下沉，進而對溫躍層以上海水的鹽度變化有著重要的影響。

圖4 2004-2014年（a, d）和2004-2017年（b, e）熱帶太平洋上層的鹽度趨勢及溫躍層深度變化（c, f）Fig.4 Vertical structure of the upper salinity trends （a-e） and thermocline depth trends（c, f） during the 2004-2014 (a, d) and 2004-2017(b, e) periods in 14°N and 8°S sections

從14°N和8°S在不同演變階段內(nèi)鹽度變化的垂直結(jié)構(gòu)（圖4, 圖5，鹽度異常已去除季節(jié)變化）中可以看出，淡化集中在100 m以上的混合層內(nèi)（圖5a至圖5e），咸化現(xiàn)象主要出現(xiàn)在溫躍層上（圖5f至圖5j）。去除季節(jié)變化后，SAE事件發(fā)生之前NTP海區(qū)東部小范圍的低鹽水（鹽度負異常）出現(xiàn)在密度面露頭區(qū)，隨后低鹽水一部分沿等位密面向西擴展，強度加強，在2015年10月和2016年12月達到兩次最強負異常，同時高鹽水向西退縮，低鹽水最終分布在上100 m的廣闊海區(qū)；在此期間一部分中部海區(qū)的低鹽水跨越了等位密面，潛沉至溫躍層以下，對應著日界線以西溫躍層底的低鹽水。近表層低鹽水的運動基本被限制在24σθ等位密面以內(nèi)，而且在這一等位密面上可以觀察到混合層內(nèi)鹽度異常的時空變化特征（圖6a），低鹽水在2015年10月前后出現(xiàn)，范圍和強度持續(xù)增大，隨著時間的演變到2017年末，24σθ等位密面的緯向斷面上覆蓋了大范圍的顯著低鹽海水。

8°S斷面位于東南太平洋副熱帶模態(tài)水（SPESMW）[39]的邊緣，主要體現(xiàn)為西側(cè)海域（SPCZ海區(qū)）的表層淡化，與東側(cè)（STP海區(qū)，圖2）次表層咸化的鹽度異常演變過程。SAE事件的初期，STP海區(qū)次表層等位密面（24.5σθ～26σθ）分布有高鹽水，200 m 深度上存在明顯的高鹽核心，該高鹽水可能是由東南熱帶太平洋表層冬季露頭區(qū)域沿等位密面潛沉而來。隨后高鹽核心的鹽度正異常進一步加強，沿著等位密面范圍不斷擴大，表層鹽度也有所增加。在2017年4月核心區(qū)鹽度正異常達到最大（0.5）。值得注意的是，2016年5月次表層高鹽核心仍然存在，但高鹽水已向西擴展到整個緯帶，主要集中在50～150 m的深度上，隨著西邊界處等位密面的抬升高鹽水到達表層[40]。次表層高鹽水體的產(chǎn)生，一部分受冬季混合層加深的影響，高鹽水向溫躍層潛沉[41]，形成鹽度正異常。次年春季時，混合層迅速變淺，混合層底水體沿等密度面潛沉，在海區(qū)西部（SPCZ海區(qū)）形成次表層高鹽水，加劇了SPCZ海區(qū)的海洋層化結(jié)構(gòu)。此后SPCZ混合層內(nèi)的低鹽水持續(xù)增強，直至2017年春季強度達到最大。25.3σθ位密面上的鹽度異常的時空分布（圖6b）體現(xiàn)了次表層的鹽度異常演變過程。NTP和STP海區(qū)在SAE事件中的演變過程相似，都是從東部開始出現(xiàn)鹽度異常，隨后沿等密面影響至西部海區(qū)，改變了局地海洋層化結(jié)構(gòu)，也受局地挾卷、平流作用的調(diào)整。另外，淡化海區(qū)鹽度可能更多的受表層強迫的影響，而咸化海區(qū)可能存在復雜的次表層過程。

圖5 14°N (a-e)和8°S (f-j) 緯度帶上2015-2017年鹽度異常事件的垂直結(jié)構(gòu)演變Fig.5 The evolution of salinity anomaly vertical structure during 2015-2017 in 14°N (a-e) and 8°S (f-j) sections

圖6 14°N和8°S緯度帶24σθ和25.3σθ等位密面上的鹽度異常時空變化Fig.6 The salinity anomaly spatiotemporal variability on 24σθand 25.3σθpotential isopycnal layers respectively in the 14°N and 8°S sections

4 鹽度異常事件的影響因素

影響熱帶太平洋上層鹽度變化的過程十分復雜，海洋動力調(diào)整是主要的影響因素，另外在淡化海區(qū)還有表層淡水通量、大尺度風場、咸化海區(qū)次表層跨密度面混合等因素的共同作用。本文參考目前廣泛用于研究混合層鹽度變化的收支方程，認為混合層鹽度變化受表層淡水通量、水平平流、垂直挾卷和混合過程的影響[19,30]。本文主要從平流和挾卷的角度，研究了與以上鹽度變化密切關(guān)聯(lián)的動力學因素，定量評估了其對鹽度變化的貢獻。

4.1 表層淡化

根據(jù)2015-2017年SAE事件中NPT和SPCZ海區(qū)表層鹽度負異常特征，表層淡化主要發(fā)生在24σθ等位密面以淺，探討平流和挾卷作用對鹽度變化的動力貢獻，如圖7。根據(jù)混合層鹽度收支方程，本節(jié)計算平流項采用公式表示層厚h內(nèi)的平均速度，這里h為24σθ等位密面所在深度，?S為鹽度水平梯度。挾卷項采用-(We·ΔS)/h。其中，ΔS=S1-S2，S1為24σθ等位密面底的鹽度，S2為24σθ位密面層底至表層的平均鹽度，hth為層厚，挾卷速度H為下層海水對上層影響的Heaviside函數(shù)，根據(jù)文獻[42]，為了更細致地分析混合層的變化，將上400 m的Argo三維溫鹽資料插值得到垂直分層為1 m的數(shù)據(jù)，并采用閾值法確定混合層深度[43]。另外本節(jié)也利用ERA-Interim風場數(shù)據(jù)計算了表層Ekman速度，方程參考其中τy和τx分別是經(jīng)向和緯向風應力，hm為混合層深度，f為柯氏參數(shù)，ρ0為海水參考密度，取1 025 kg/m3[44]。

SAE事件中表層鹽度顯著淡化主要與混合層內(nèi)海洋動力調(diào)整有關(guān)，兩個淡化海區(qū)平流作用都是引起鹽度異常的主要動力學因素，但是兩個淡化海區(qū)海洋動力學的演變過程明顯不同，NTP海區(qū)平流過程具有持續(xù)而顯著的作用，在SPCZ海區(qū)平流項則是在后期起到顯著貢獻，其動力過程和表層強迫相對復雜。本節(jié)將分別分析兩個海區(qū)的動力學過程和其他表層過程。平流過程在NTP海區(qū)鹽度異常事件期間持續(xù)有正貢獻，平流項的顯著貢獻與鹽度梯度變化密切相關(guān)，混合層內(nèi)鹽度梯度從2016年開始發(fā)生顯著的變化，2016年5-12月鹽度場水平經(jīng)向梯度達到最大負異常，期間平均流對鹽度經(jīng)向梯度擾動的平流輸運是造成較強平流項貢獻的主要原因（圖7a）。相比而言，與密度面起伏相關(guān)的挾卷項貢獻量值雖小，但仍是不可忽略的一部分，除2016年5月負貢獻外，挾卷過程也呈現(xiàn)持續(xù)的正貢獻。

圖7 NTP 淡化海區(qū)平流和挾卷過程的貢獻（a）、局地（10°～20°N，100°～140°W）表層鹽度、淡水通量、Ekman 輸運速度異常的低頻變化（b）Fig.7 Salinity advection and entrainment fractions (a), low frequency variability of surface salinity, freshwater flux and Ekman transport velocity in NTP freshening region (10°～20°N，100°～140°W)（b）

在NTP表層淡化海域，除了前文提到的混合層內(nèi)平流、挾卷過程，還包括局地Ekman流和淡水通量（GPCP降水-OAFlux蒸發(fā)）的貢獻（圖7b）。本文分析了14°N緯度帶東部局地平均風場引起的Ekman輸運效應和淡水通量對表層鹽度異常的影響。淡水通量超前鹽度異常2個月變化，有利于低鹽水在東部近表層的出現(xiàn)，但在SAE事件期間淡水通量并不存在顯著增加。Ekman流速滯后鹽度異常2個月變化，且對SAE事件的鹽度演變具有顯著影響，Ekman西向輸運效應有利于低鹽水體向西擴展，范圍得以擴大。

分析SPCZ淡化海區(qū)在SAE事件中相關(guān)平流和挾卷的演變過程發(fā)現(xiàn)，與NTP淡化海區(qū)相比，平流作用的量值較小，但仍是后期SPCZ海區(qū)的淡化顯著增強的主要原因（圖8a）。前期平流過程對這一海區(qū)鹽度變化有負貢獻，后期轉(zhuǎn)變?yōu)檎暙I并逐漸加強。挾卷過程的演變特征與平流項幾乎一致，并且在前兩個階段與平流項量值相當，對該海區(qū)鹽度變化的貢獻較NTP海區(qū)更為重要，反映出SPCZ淡化海區(qū)復雜的海洋動力學過程。類似地，這里也同時考慮表層淡水通量和風場Ekman輸運的可能影響（圖8b）。表層淡水通量超前表層鹽度4個月變化，相關(guān)性較好。Ekman輸運在這一階段影響較大，與表層淡水通量一起有利于鹽度負異常范圍的擴展。相比于NTP海區(qū)，SPCZ海區(qū)表層淡水和風場Ekman輸運量值較大，對局地表層淡化的貢獻更為重要。

圖8 SPCZ 淡化海域平流和挾卷的貢獻（a），局地（5°～10°S，170°E～180°）表層鹽度、淡水通量、Ekman 輸運速度異常的低頻變化（b）Fig.8 Salinity advection and entrainment fractions (a), low frequency variability of surface salinity, freshwater flux and Ekman transport velocity in SPCZ freshening region (5°～10°S，170°E～180°) (b)

4.2 次表層咸化

已有的研究多聚焦于東南副熱帶太平洋海區(qū)次表層密度面上的鹽度異?，F(xiàn)象，包括鹽度異常的產(chǎn)生，及其沿密度面向西北方向的擴展，研究海區(qū)集中在15°～35°S的范圍內(nèi)。本文基于鹽度變化特征，著重討論了STP海區(qū)次表層顯著持續(xù)咸化的動力學因素，以及事件初期由密度補償造成的混合過程對鹽度異常的影響。

咸化海區(qū)的鹽度變化主要受動力學因素的調(diào)控，鹽度平流和挾卷在事件期間都起到了重要貢獻（圖9）。這里計算的是從表層到25.3σθ等位密面深度積分的平流項和挾卷項。和淡化海區(qū)相比，平流和挾卷的量值都較小，但是平流過程仍然是主要貢獻者。其中，鹽度平流一直處于正貢獻，在中后期（2016年12月至2017年4月）的作用尤為顯著，說明SAE事件期間，海洋環(huán)流調(diào)整具有重要的作用。雖然挾卷貢獻較小，在SAE前期貢獻為負，但后期轉(zhuǎn)為正貢獻，可能與此處較弱的密度層結(jié)有關(guān)。

圖9 咸化海區(qū)(STP)平流和挾卷的動力貢獻Fig.9 The contribution of salinity advection and entrainment terms to the STP salinification SAE

STP海區(qū)冬季海洋表層降溫，破壞了夏季的穩(wěn)定溫度躍層，混合達到更深的深度。隨著上層混合過程的加深，混合層底出現(xiàn)極大的鹽度梯度。以25.3σθ等位密面附近為例（圖10），冬季鹽度層結(jié)強烈且梯度為負，這種鹽度場的垂直結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，而此時的溫度層結(jié)穩(wěn)定。存在不穩(wěn)定的鹽度垂直結(jié)構(gòu)的海域，如副熱帶SSS極值區(qū)，由溫度造成層結(jié)效應會被不穩(wěn)定的鹽度層結(jié)所抵消，這種密度補償過程會產(chǎn)生對流和垂直混合[45]。2015年冬季出現(xiàn)的不穩(wěn)定的鹽度躍層和較為穩(wěn)定的溫度躍層，有利于發(fā)生密度補償現(xiàn)象，正是這種跨等密度面混合，最終造成次表層25.3σθ等位密面附近的咸化現(xiàn)象。本文利用Argo溫鹽剖面數(shù)據(jù)計算了特奈角（Tu），來研究這一混合強度與層結(jié)的關(guān)系[26,46]，

式中，α、β分別是熱膨脹系數(shù)和鹽收縮系數(shù)；?zT和?zS分別是溫度和鹽度的垂直梯度；ρ0為海水參考密度；ρ為海水密度。特奈角Tu值的大小反映了混合的程度，當Tu在±45°之間即?zT＞0，?zS＜0 時，海水溫、鹽層結(jié)都較為穩(wěn)定；Tu＞45°時，溫度層結(jié)穩(wěn)定而鹽度梯度不穩(wěn)定；Tu＞71.6°時，密度補償過程開始活躍[47]；而當Tu值接近90°時，即發(fā)生密度完全補償作用。

圖10 2015年6-8月STP海區(qū)鹽度垂向梯度Fig.10 Salinity vertical gradients in STP from June to August,2015

圖11 次表層鹽度梯度顯著區(qū)（如圖10白色方框所示）的鹽度、密度層結(jié)（浮力頻率N2）和特奈角（Tu）的變化Fig.11 Salinity variability, density stratification (N2) and Turner angle (Tu) in the marked subsurface box with remarkable salinity gradients shown in Fig.10

我們捕捉到了SAE事件中STP海區(qū)次表層密度面上咸化特征，鹽度異常在事件初期已較為顯著，而平流和挾卷的動力學貢獻主要集中在中后期。圖11表示STP海區(qū)次表層25.3σθ附近等密度面上混合咸化過程，結(jié)果顯示，次表層鹽度變化與跨等密面混合增鹽過程有關(guān)，主要發(fā)生在東南太平洋的副熱帶潛沉區(qū)。2015年冬季（6-8月）次表層對流混合過程明顯增強，密度層結(jié)逐漸減弱，在次年1月達到最小值，同時Tu值從6月開始顯著增加，整個冬季至春季均超過71.6°（圖11），說明SAE初期發(fā)生了較強的密度補償過程。不穩(wěn)定的鹽度梯度，以及密度層結(jié)較弱的情況下發(fā)生的跨等密度面混合，使得鹽度在2015年冬季10月出現(xiàn)最顯著的正異常（咸化），最大超過了0.2。密度補償效應主要發(fā)生在事件初期，隨后由于密度補償過程減弱，密度層結(jié)持續(xù)減弱，鹽度正異常顯著，加之存在有利于咸化的平流和挾卷過程，咸化特征得以維持。

5 結(jié)果與討論

本文結(jié)合近14年的Argo鹽度數(shù)據(jù)、海流同化數(shù)據(jù)和大氣風場、蒸發(fā)和降水數(shù)據(jù)，分析了熱帶太平洋上層鹽度長期趨勢，并探討了鹽度平流和挾卷過程的海洋動力學貢獻。結(jié)果表明：

（1）熱帶太平洋鹽度變化趨勢存在顯著改變，個別海域甚至出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，這主要是由于2015-2017年期間該海域上層海水發(fā)生大范圍的鹽度異常。

（2）SAE期間鹽度分布具有顯著的區(qū)域性特征和垂直結(jié)構(gòu)差異。熱帶太平洋北部海區(qū)和南大洋輻合海區(qū)淡化，鹽度變幅最大達到-0.71和-0.92。熱帶太平洋南部海區(qū)咸化，鹽度變幅為0.46。表層鹽度的淡化可深達混合層，而咸化則主要出現(xiàn)在次表層。兩者在SAE期間的演變特征也明顯不同，NTP東海岸首先出現(xiàn)低鹽異常，并沿著24σθ等位密面迅速擴展到整個中部太平洋，2016年5 -10月淡化最為顯著，SP-CZ海區(qū)近表層鹽度在SAE后期階段也出現(xiàn)強烈的負異常。STP海區(qū)的咸化則發(fā)生在次表層25.3σθ等位密面附近，高鹽水核心集中在100～200 m，沿著等位密面有向西擴展的演變特征，并可影響到近表層。

（3）鹽度平流和挾卷是與SAE密切相關(guān)的海洋動力學過程，是造成熱帶太平洋顯著鹽度異常的主要原因。其中鹽度平流有主要貢獻，在NTP海區(qū)具有持續(xù)而顯著的影響，在SPCZ和STP海區(qū)則在SAE后期較為顯著，這也是海洋環(huán)流調(diào)整的結(jié)果。挾卷過程雖量值較小，但SAE中后期作用有所加強，也對SAE鹽度變化有著不可忽視的影響。除此之外，其他影響淡化與咸化海區(qū)鹽度變化的因素明顯不同，NTP淡化海區(qū)初期，在表層淡水通量的影響下，東邊界近表層產(chǎn)生鹽度負異常，并在大尺度風場的作用下進一步發(fā)展。STP咸化海區(qū)初期次表層發(fā)生密度補償，跨等密度面混合作用的影響較大。另外，海區(qū)密度躍層的分布也與鹽度垂直結(jié)構(gòu)的變化有著密切關(guān)系。

有研究表明，2014-2016年連續(xù)發(fā)生兩次厄爾尼諾事件，其中2015/2016年的超強厄爾尼諾事件的爆發(fā)，對熱帶太平洋表層的淡水異常有著顯著的影響[32]。Qu等[48]分析了赤道太平洋表層鹽度分布的年際特征，并發(fā)現(xiàn)次表層高鹽水的挾卷也體現(xiàn)出很強的ENSO信號。鑒于此，作者未來將進一步探討ENSO對北太平洋表層低鹽異常、南太平洋次表層潛沉密度面上高鹽異常有怎樣的影響。