劉松楠，許東峰*

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

太平洋是世界上最大的大洋，受太陽輻射、風(fēng)場、淡水通量等因素的影響，太平洋環(huán)流呈現(xiàn)多尺度時空變化特征。鹽度是海洋中重要的動力環(huán)境要素之一，其變化受降雨、環(huán)流以及混合過程影響，而水動力環(huán)境變化又會進(jìn)一步影響環(huán)流。因此對大洋中水體的鹽度進(jìn)行研究十分必要，對進(jìn)一步理解海洋環(huán)流和氣候變化也具有重要意義。

作為北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的高鹽中心，北太平洋熱帶水(NPTW)形成于北太平洋副熱帶環(huán)流中心表層，隨后下沉并隨著北赤道流(NEC)向西流動，其鹽度S>34.9，位勢密度σθ=22.0～25.0 kg/m3[1-2]，這是北太平洋鹽度最高的水體。對于北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的鹽度變化情況，前人已做過很多研究。SASAKI et al[3]利用Argo數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)2003—2008年期間，副熱帶東太平洋出現(xiàn)的鹽度負(fù)異常一直移動到了熱帶西太平洋，并且其鹽度傳播速度與方向和地轉(zhuǎn)流很吻合；傳播過程中鹽度異常減弱，并受到副熱帶東部高鹽水的頻繁注入影響；他們進(jìn)一步指出，到達(dá)西邊界后，鹽度異常會隨著黑潮和棉蘭老流分別向北和向赤道方向傳播。NAN et al[4]通過PN、TK、137°E斷面的分析，認(rèn)為西北太平洋副熱帶環(huán)流(North Pacific Subtropical Gyre, NPSG)的表層和次表層的鹽度有1個明顯的準(zhǔn)年代際震蕩(10 a左右)，在1987—2012年期間有持續(xù)淡化的趨勢；并且提出NPSG的海-氣淡水通量是控制海面鹽度異常的主要因素，而NPSG的鹽度、海-氣淡水通量和PDO相關(guān)性良好。

當(dāng)NPTW隨著NEC向西流動到達(dá)菲律賓沿岸后分為兩部分，一部分由黑潮攜帶向北運(yùn)動，另一部分隨著棉蘭老流向南運(yùn)動[5-10]，NPTW是北太平洋副熱帶環(huán)流的高鹽水發(fā)源地。由于鹽度觀測資料較少，國際上對NPTW的研究并不多，日本科學(xué)家在137°E斷面上開展了幾十年的長期觀測研究，對斷面上的NPTW獲得了較為充分的認(rèn)識[11]。SHUTO et al[12]認(rèn)為137°E斷面上NPTW的面積與副熱帶風(fēng)應(yīng)力旋度相關(guān)。SUGA et al[2]認(rèn)為在137°E斷面上NPTW的經(jīng)向范圍是10°～23°N，最高鹽度核心位于15°N、24.0σθ；他們指出在137°E斷面處NPTW北部增加的鹽度，可能是由于其形成速度的增加，而不是其形成區(qū)域海面鹽度的變化造成的。而NAKANO et al[1]認(rèn)為137°E斷面上的NPTW橫截面積具有1個年代際尺度的變化周期，其變化原因是NPTW北部邊界的經(jīng)向移動。OKA et al[13]總結(jié)了前人研究成果，認(rèn)為在137°E斷面上，NPTW水團(tuán)的年代際變化是受與PDO 有關(guān)的北太平洋中部地區(qū)大氣強(qiáng)迫場控制，而非局地海-氣過程控制，并且發(fā)現(xiàn)斷面上的NPTW鹽度在1997—2016年期間是在逐漸上升的。

隨著觀測方式多樣化以及數(shù)據(jù)量的增多，尤其是Argo漂流浮標(biāo)的數(shù)量迅速增加，使得探究NPTW的形成、傳播以及長期變化成為可能。KATSURA et al[14]利用Argo網(wǎng)格化數(shù)據(jù)、海-氣通量數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，認(rèn)為在NPTW(15°N～30°N,165°E～125°W)范圍內(nèi)有2個形成區(qū),這2個NPTW形成區(qū)域的混合層鹽度變化有顯著的不同。東部形成區(qū)以季節(jié)變化為主，而西部形成區(qū)以年際變化為主；下沉之后，密度較大的東部形成區(qū)的NPTW水很快消失，密度較小的西部形成區(qū)的水?dāng)y帶來自西部形成區(qū)的年際變化向西運(yùn)動。

目前對于NPTW的研究多集中于137°斷面以及其形成過程、傳播途徑等等，對于其整體的年際變化研究較少。同時，大多數(shù)研究都討論了在混合層上的鹽度平衡，對于外部因素，尤其是北赤道流對其淡水輸送影響很少涉及；另一方面由于PDO與NPTW的變化具有一定的相關(guān)性[13]，本文將探究PDO以及北赤道流變化對NPTW體積的影響機(jī)制，有助于認(rèn)識北太平洋副熱帶水受海-氣通量以外因素的影響；探究水平輸運(yùn)作用的變化對NPTW的鹽度和體積變化的影響，將有助于進(jìn)一步深入認(rèn)識長期氣候變化過程中鹽度的變化過程與規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

鹽度采用了2000—2017年Met Office Hadley Centre 的EN4(ENACT, Enhanced Ocean Data Assimilation and Climate Prediction)再分析溫、鹽資料。EN4融合了World Ocean Database 09 (WOD09)、Global Temperature and Salinity Profile Program (GTSPP)，the Arctic Synoptic Basin Wide Oceanography (ASBO)和Argo global data assembly centers (GDACs)等數(shù)據(jù)集，水平分辨率為1°×1°[15]。

為了分析NPTW年際變化的潛在因素，還采用了2000—2015年ECCO2流場資料。ECCO2是用麻省理工學(xué)院的海洋環(huán)流模式同化現(xiàn)有的衛(wèi)星和實(shí)測數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合得到的海洋同化數(shù)據(jù)，水平方向分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率為5～5 906.25 m，不等深分層，共50層。

計(jì)算淡水通量數(shù)據(jù)時，所采用的全球蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自于伍茲霍爾海洋研究所提供的客觀分析海-氣通量項(xiàng)目產(chǎn)品：OAFlux(Objectively Analyzed air-sea Fluxes)，全球降水?dāng)?shù)據(jù)來自于全球降水氣候?qū)W項(xiàng)目產(chǎn)品。二者的分辨率分別為1°×1°和2.5°×2.5°，以上資料均線性插值到與EN4鹽度資料相同的經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)上，以便對北太平洋鹽度變化作進(jìn)一步研究。

1.2 分析方法

為了定量探究NPTW的年際變化，定義“鹽度體積”(VS -volume)如下：

(1)

式中:SNPTW為NPTW水團(tuán)流體微團(tuán)的鹽度值；dVNPTW為NPTW流體微團(tuán)的體積，這里的積分只對S>34.9的NPTW水體部分開展。我們認(rèn)為VS -volume能夠同時表征NPTW中S>34.9的水體體積以及鹽度值上的綜合特征。類似地，利用下面的公式計(jì)算北赤道流所攜帶的水體的鹽通量(VS -flux-section)：

(2)

式中:S為流體微團(tuán)的鹽度，u是水平方向流速，ds為單位面積。只考慮NEC所攜帶的鹽通量，所以水體的運(yùn)動速度只考慮負(fù)的(向西的)緯向速度。

2 NPTW的年際變化及其傳播過程

2.1 NPTW的年際變化

從圖1能夠看出在北太平洋副熱帶地區(qū)存在1個顯著的表層高鹽區(qū)，同時這一區(qū)域蒸發(fā)強(qiáng)降雨弱，淡水通量高。選取15°N～30°N、165°E～125°W作為NPTW形成區(qū)域，并將S>34.9作為NPTW的判定依據(jù)[1-2]。由于NPTW的年際變化與PDO密切相關(guān)，而PDO在2014年發(fā)生過1次位相轉(zhuǎn)換，所以選擇2000—2017年的鹽度資料進(jìn)行研究，以便觀察1個完整的NPTW變化周期。從圖2可以看出NPTW的體積和面積在2000—2008年緩慢下降；在2008—2014年持續(xù)增長，鹽度月平均增長0.05(圖中未顯示)，體積增長速率為5 964.44 km3/月，面積增長速率為43 985.68 km2/月；在2014年之后迅速下降，鹽度月平均下降0.04(圖中未顯示)，體積下降速率為6 318.05 km3/月，面積下降速率為60 740.15 km2/月， NPTW體積(面積)的增長與下降與PDO的負(fù)位相與正位相分別對應(yīng)。而且在2009年9月—2010年5月期間，PDO指數(shù)為正，NPTW的面積和體積出現(xiàn)短暫下降，說明NPTW對PDO的變化響應(yīng)十分敏感且迅速。在北太平洋海表面，鹽度差異與淡水通量(E-P)差異基本一致(圖3)。選取2003、2004、2014—2017年作為PDO正位相的顯著年份，2008、2009、2011—2013年作為負(fù)位相的顯著年份。PDO正位相期間，NPTW在海表面的分布呈現(xiàn)“瘦長”的形態(tài)，覆蓋范圍141°E～134°W，20°N～34°N；而PDO負(fù)位相期間，NPTW在海表面的分布呈現(xiàn)“胖寬”的形態(tài)，覆蓋范圍149°E～133°W，16°N～34°N，比正位相期間的覆蓋面積更大。同時NPTW的體積也呈現(xiàn)與表層鹽度相似的分布形態(tài)，負(fù)位相期間表層整體的鹽度更高，整體的體積也更加圓潤，深度上能達(dá)到更深的位置(接近200 dbar)，在150 dbar位置處，其向西南方向延伸的鹽舌更長 (圖4)。

2.2 NPTW的傳播過程

NPTW形成后下沉并隨著NEC向西運(yùn)動，OKA et al[13]已經(jīng)討論過這一過程。在此基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)1次顯著的鹽度正異常西傳現(xiàn)象(圖5和圖6)。有趣的是，在不同的密度層，鹽度異常的傳播速度不一致，隨著位勢密度的增加，傳播速度減弱，而傳播的速度與該位置處的流速一致。同時，鹽度異常隨著位勢密度的增加而減弱，出現(xiàn)的時間也滯后，也證明了鹽度異常在表層出現(xiàn)后開始傳播到次表層，傳播過程中異常減弱。另一方面，將NEC分為兩部分，分界點(diǎn)為NEC-Yb，其中北支在NEC到達(dá)菲律賓以東后向北流動形成黑潮，南支形成棉蘭老流。在NEC的南北兩支，鹽度異常的傳播速度也不一致，南支要明顯快于北支。除卻鹽度異常在密度層和緯向的傳播速度不一致，鹽度的正、負(fù)異常傳播速度也不相同，正異常的傳播速度要明顯快于負(fù)異常(表1)。

圖1 2000—2017年北太平洋副熱帶平均蒸發(fā)量(a)、降水量(b)、淡水通量(c)以及5 dbar處鹽度(d)Fig.1 Averaged distributions of evaporation (a), precipitation (b), E-P (c) and S at 5 dbar depth(d)at the sea surface in the North Pacific subtropical from 2000 to 2017(圖中紅色矩形框?yàn)镹PTW形成區(qū)。蒸發(fā)量、降水量和淡水通量單位為mm/月。)(The red rectangles indicate the NPTW formation area. The unit of evaporation, precipitation and E-P is mm/month.)

圖2 NPTW的面積和體積時間序列以及與PDO指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Time series of the surface NPTW area and NPTW volume and the corresponding relationship with PDO index(時間序列已通過13個月低通濾波以提高年際變化顯著性。紅色和藍(lán)色著色圖分別代表PDO正、負(fù)位相。)(The time series has been low-pass filtered for 13 months to increase the significance of inter-annual changes.Red shading and blue shading indicate positive and negative PDO index respectively.)

圖3 PDO正、負(fù)位相年份的淡水通量(著色圖)和海表面鹽度(黑色等值線) 差異Fig.3 Difference of E-P (shading) and SSS (black contours) between PDO positive phase years and negative years(紫色等值線和綠色等值線分別代表PDO正、負(fù)位相期間海表面鹽度34.9等值線?；疑匦慰虼鞱PTW形成區(qū)。)(The purple contour and the green contour respectively represent the 34.9 contours of SSS during the positiveand negative PDO phases. The gay rectangles indicate the NPTW formation area.)

圖4 NPTW在PDO不同位相期間的3D圖像Fig.4 The 3-D graphics of NPTW during different phase of PDO

圖5 不同位勢密度層鹽度異常Fig.5 Longitude-time plot of salinity anomaly on the different isopycnals(其中鹽度異常為8°N～18°N緯向平均后相對于2000—2017多年平均值的異常值，且經(jīng)過12個月滑動平均。)(The salinity anomaly is relative to the 2000—2017 average at each longitude and is averaged between8°N and 18°N and it has been low-pass filtered for 12 months.)

圖6 24.0等密層上不同緯度的鹽度異常Fig.6 Salinity anomaly on the 24.0 isopycnals within different latitude range

表1 不同位勢密度及緯度范圍上的鹽度正、負(fù)異常傳播速度Tab.1 Positive and negative salinity anomaly propagation velocity of different latitude range and isopycnals

3 PDO對NPTW年際變化的影響

前人的許多關(guān)于混合層鹽度的研究，都引用了REN et al[16]在2009年提出的混合層鹽度方程：

(3)

式中：S是混合層鹽度，E是蒸發(fā)量，P是降水量，hm是混合層深度，uE是Ekman流速，ug是地轉(zhuǎn)流速,we是穿過混合層的垂向流速。因此我們認(rèn)為NPTW的鹽度和體積變化受到表層淡水通量、水平平流以及垂向?qū)α鞯挠绊憽Ｓ捎谒P(guān)心的是NPTW整體的年際變化，NPTW穩(wěn)定在300 dbar以淺的深度，為了簡化問題，忽略垂向?qū)α鞯淖饔?。而該區(qū)域的經(jīng)向流動相對較弱，因此僅考慮緯向NEC的平流作用。

3.1 表層淡水通量對NPTW年際變化的貢獻(xiàn)

NPTW的形成是由于區(qū)域內(nèi)的淡水通量常年為正值，使得海表面產(chǎn)生了高鹽水，因此通常情況下，認(rèn)為海表面的NPTW變化是由海面淡水通量造成的，之后異常再逐漸傳播到次表層。從圖3可以看出，PDO正、負(fù)位相期間NPTW海表面積變化最大的區(qū)域位于南部和西部邊界，但是在邊界區(qū)域淡水通量的變化(從正位相轉(zhuǎn)換到負(fù)位相，5.6 mm/月)并不能使鹽度改變那么大(-0.06月-1)。同時，淡水通量在NPTW形成區(qū)域內(nèi)的變化并不一致(以160°W為分界)，其年際變化也并不顯著(圖7)。因此淡水通量并不能解釋NPTW在PDO正、負(fù)位相期間的劇烈變化。

3.2 北赤道流對NPTW年際變化的影響

除了海表面淡水通量，水平方向的平流對水團(tuán)的鹽度也會造成影響。由于NPTW形成后，其南面的部分水體會隨著NEC向西運(yùn)動，因此NEC的變化也可能是NPTW的年際變化的原因之一。首先關(guān)注NEC的流軸位置。利用ECCO2數(shù)據(jù)，得到NEC在PDO正、負(fù)位相特征年份時期的流軸位置(圖8a)，能夠看出，正位相期間的流軸位置要比負(fù)位相時偏北，最大距離超過2°。這一變化使得NEC在PDO正位相期間更靠近NPTW的形成區(qū)，由于NEC攜帶的水體鹽度相對較低，因此將會有更多的相對低鹽水與NPTW水體混合。同時考慮到NEC的水通量以及所攜帶的水體鹽度變化，利用方程(1)和(2)來考慮NEC對NPTW造成的影響，根據(jù)前人的研究成果，認(rèn)為125°W斷面為NPTW的東部邊界[14]，因此我們也選擇這一斷面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

圖7 NPTW形成區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的淡水通量異常時間序列Fig.7 Time series of E-P anomaly in different area of NPTW formation region

表2 PDO不同時期125°W斷面的鹽通量和NPTW的 “鹽度體積”變化Tab.2 Salt-flux in 125°W section and salt-volume of NPTW during different period of PDO km3·月-1

由表2可知，從PDO負(fù)位相(2008—2011年)到正位相(2014—2016年)的轉(zhuǎn)換過程中，VS -volume平均變化為-0.1×105km3·月-1，在125°W斷面上NEC的鹽通量的速率變化為-0.16×105km3·月-1。由于考慮了NEC中與NPTW水團(tuán)未交叉的部分，因此NEC的平流輸運(yùn)量要大于NPTW的變化量，但二者在量級上是一致的，因此水平方向上的平流作用對NPTW的年際變化起到了重要作用。

由于在PDO正位相期間，NEC流軸的向北擺動使得其更加靠近副熱帶逆流(STCC)，進(jìn)而將會有更多的中尺度渦出現(xiàn)。根據(jù)KATSURA et al[14]的研究結(jié)果，NPTW形成區(qū)內(nèi)的西北形成區(qū)(NW box, 21°N～28°N, 165°E～172°W)內(nèi)的渦動能(EKE)使得混合層鹽度方程平衡，同時其與PDO指數(shù)有良好的相關(guān)性。我們延伸了他的研究范圍，計(jì)算了NEC與NPTW形成區(qū)的交叉帶(15°N～18°N,165°E～125°W)區(qū)域的EKE，發(fā)現(xiàn)其與PDO指數(shù)具有良好的正相關(guān)性(R=0.63，圖8b)，這也印證了前人的結(jié)果。中尺度渦在此處的大量出現(xiàn)將加快NPTW與NEC之間的物質(zhì)交換，進(jìn)而使得NPTW與周邊水體的混合加劇，高于34.9鹽度的“鹽度體積”VS -volume下降[17-20]。

NPTW的長期變化還會隨著黑潮進(jìn)入南海，引起南海的次表層鹽度的年代際變化。已有相關(guān)學(xué)者證實(shí)南海次表層鹽度在2012年前降低，2012—2014年持續(xù)升高[21-24]，2014年后南海次表層鹽度升高的原因可能是PDO正位相期間北赤道流分叉點(diǎn)向北移動，黑潮水對南海的入侵增強(qiáng)造成的。推測南海次表層的鹽度變化與NPTW的鹽度異常之間的聯(lián)系可能是：PDO正(負(fù))位相改變造成北赤道流軸向北(南)擺動，進(jìn)而增加(減少)黑潮次表層水在呂宋海峽進(jìn)入南海的量，從而導(dǎo)致南海次表層的鹽度變大(小)。

圖8 PDO正、負(fù)位相期間NEC流軸(a)以及NEC與NPTW形成區(qū)交叉帶位置EKE異常與PDO指數(shù)的時間序列(b)Fig.8 The flow axis of NEC during positive phase and negativephase of PDO(a) and time series of the EKE anomaly andPDO index in the intersection between NEC and NPTW (b)(EKE異常與PDO指數(shù)的時間序列經(jīng)過13個月低通濾波。)(The time series of EKE anomaly and PDO index hasbeen low-pass filtered for 13 months.)

4 結(jié)論

利用EN4鹽度資料分析了北太平洋熱帶水(NPTW)的年際變化特征，并探討了太平洋年代際震蕩PDO作用下的海表面淡水通量以及平流作用對NPTW的影響，得出如下主要結(jié)論：

(1) EN4資料顯示NPTW海表面面積以及整體體積在2000—2008年、2014—2017年存在下降趨勢，在2008—2014年存在上升趨勢；并且在2009年9月—2010年5月出現(xiàn)短暫下降，這些分別對應(yīng)著PDO的正、正、負(fù)位相以及短期正位相，NPTW海表面面積以及整體體積與PDO指數(shù)之間有著比較好的反相關(guān)關(guān)系。從NPTW海表面面積來看，變化主要存在于西部和南部邊界。NPTW的傳播速度也存在著明顯的差異，其正異常的傳播速度要明顯快于負(fù)異常。

(2) 通過計(jì)算比較表層淡水通量、NEC鹽度低于34.9的鹽通量和NPTW鹽度高于34.9的“鹽度體積”，淡水通量年際變化不明顯，無法造成NPTW面積和體積的巨大變化；而PDO不同位相時期NEC鹽度低于34.9的鹽通量對相同時期NPTW鹽度高于34.9的“鹽度體積”變化貢獻(xiàn)明顯。由于PDO正位相期間NEC向北擺動，使得更多的相對低鹽水通過平流與NPTW混合稀釋，同時NEC與STCC距離靠近將會有更多的中尺度渦生成，加劇了水體混合與物質(zhì)輸運(yùn)，造成NPTW在PDO正位相期間海表面積與體積減小。