谷浩然，楊俊鋼，王 斌，崔 偉，陳 前

（1.自然資源部海上絲路海洋資源環(huán)境組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580；3.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061）

0 引言

海水的溫度和鹽度是決定其物理性質(zhì)的重要變量，了解海水溫鹽的空間分布特征以及隨深度、季節(jié)的變化特征對(duì)分析海洋動(dòng)力環(huán)境有著非常重要的意義。海洋內(nèi)部溫鹽對(duì)海洋環(huán)流和海洋循環(huán)有著重要的調(diào)制作用。例如，由溫度和鹽度變化造成的海水密度差異是形成垂直和水平海洋環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力之一。在呂宋海峽以及中沙群島周圍，溫鹽分布的變化是導(dǎo)致局地環(huán)流，如鹽度鋒、熱鋒或上升流的主要原因之一。溫度較高（＞26℃）的上層海洋是熱帶氣旋生成和發(fā)展的能量來(lái)源[1]，臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)取決于上層海洋的溫度結(jié)構(gòu)，即上層海洋熱含量（Tropical Cyclone Heat Potential，TCHP），TCHP 較大的海域更容易使臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)[2]。因此，準(zhǔn)確描述海洋三維溫鹽結(jié)構(gòu)的狀況，對(duì)加深海洋中各個(gè)尺度的動(dòng)力過(guò)程的理解具有重要意義。

南海是我國(guó)重要的海上貿(mào)易通道，是東亞、太平洋與印度洋之間的交通運(yùn)輸樞紐，對(duì)于我國(guó)的外貿(mào)和國(guó)防非常重要。海洋三維溫鹽信息對(duì)于認(rèn)識(shí)海洋現(xiàn)象動(dòng)力機(jī)制、保障南海區(qū)域艦船航行安全等具有重要的意義。

1998年謝俊[3]等人利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合T-S 曲線圖分析了南海全海域的水團(tuán)分布特征。黃誠(chéng)等[4]根據(jù)實(shí)測(cè)溫鹽數(shù)據(jù)分析了南海中沙群島區(qū)域的溫鹽水平和垂向分布特征，并結(jié)合FVCOM 模型模擬數(shù)據(jù)分析了南海溫鹽季節(jié)性變化特征，以及極端天氣在短期內(nèi)對(duì)南海溫鹽結(jié)構(gòu)的影響。魏曉[5]根據(jù)實(shí)測(cè)溫鹽分析得到了南海水平和垂向溫鹽分布特征，并結(jié)合夏季風(fēng)和海面凈熱通量的影響，分析得出南海東部和南部表層海水存在著較厚的低溫高鹽水層。俞杰[6]等人根據(jù)ARGO 浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合衛(wèi)星遙感及錨定浮標(biāo)觀測(cè)資料，對(duì)2014年臺(tái)風(fēng)“威馬遜”引起的上層海洋溫鹽響應(yīng)進(jìn)行了分析和研究，并通過(guò)計(jì)算混合長(zhǎng)度和臺(tái)風(fēng)引起的垂向流速變化解釋了溫鹽變化的原因。臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)會(huì)引起上層海洋發(fā)生強(qiáng)烈的垂向混合，加深混合層深度并導(dǎo)致下層的冷水被夾卷至表層，臺(tái)風(fēng)引起的垂向混合在夾帶下層冷水至表層的同時(shí)，也將表層的暖水帶至次表層，致使次表層增溫，即“熱泵”效應(yīng)[7]。南海地區(qū)極端天氣頻發(fā)，了解上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)和反饋過(guò)程是提高預(yù)報(bào)極端天氣精度的必要前提。

當(dāng)前海洋溫鹽數(shù)據(jù)來(lái)源主要為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感觀測(cè)以及數(shù)值模擬。衛(wèi)星遙感能夠獲取高時(shí)空分辨率的海洋數(shù)據(jù)，但僅限于海洋表層，難以獲取較深海域的海洋環(huán)境信息。當(dāng)前水下溫鹽數(shù)據(jù)的獲取來(lái)源主要依靠浮標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)較高的空間覆蓋率。因此，對(duì)于海洋三維溫鹽結(jié)構(gòu)的分析研究引入模擬數(shù)據(jù)是十分必要的。海洋再分析數(shù)據(jù)將海洋模式和觀測(cè)數(shù)據(jù)相融合，能夠提供時(shí)空連續(xù)的三維海洋數(shù)據(jù)。本文根據(jù)海洋再分析數(shù)據(jù)GLORYS12V1，分析了2020年南海三維溫鹽結(jié)構(gòu)及其季節(jié)和年際變化特征。為了解極端天氣下南海表層溫度變化，基于再分析數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，探討了南海上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的響應(yīng)。

1 南海概況

南海是位于太平洋最西部的邊緣海，地形水深如圖1所示，其最大深度約5 500 m，呈東北-西南向延伸的菱形海盆。其西部與安達(dá)曼海通過(guò)馬六甲海峽相連接，在東部通過(guò)巴士海峽與太平洋相通。在地形上，南海中部有一個(gè)廣泛的海盆，其附近海域被陸架所環(huán)繞。南海地區(qū)屬于熱帶氣候帶，呈現(xiàn)熱帶海洋季風(fēng)氣候特征[8]。南海的洋流主要由季風(fēng)驅(qū)動(dòng)，形成復(fù)雜的環(huán)流系統(tǒng)。在東北季風(fēng)期間，表層海流向西南方向流動(dòng)，而在西南季風(fēng)期間，則反轉(zhuǎn)向東北方向流動(dòng)。從5月下旬-9月，該地區(qū)主要受到西南季風(fēng)的影響，而11月-翌年4月中旬，則盛行東北季風(fēng)。年均氣溫保持在23～32.3℃之間，冬夏季節(jié)的溫差相對(duì)較小。降雨量豐富，通常在1 500～2 000 mm 之間，南部地區(qū)更高，超過(guò)2 500 mm。該地區(qū)在5-10月經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)和其他熱帶氣旋、風(fēng)暴的影響。這一氣候形成受到多種因素的調(diào)控，包括低緯度熱帶天氣系統(tǒng)的副熱高壓帶、熱帶輻合帶、熱帶低壓和熱帶氣旋等，同時(shí)還受到中、高緯度天氣系統(tǒng)的影響。根據(jù)海洋再分析數(shù)據(jù)，南海正經(jīng)歷溫度上升的趨勢(shì)，這可能會(huì)對(duì)溫鹽環(huán)流的強(qiáng)度及其穩(wěn)定性造成影響。

圖1 南海地形圖，黑色線為選取的垂直斷面的位置（東經(jīng)115°，北緯15°）Fig.1 Topographic map of the South China Sea，with black lines indicating the position of selected vertical cross-section（115°E，15°N）

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 海洋再分析數(shù)據(jù)

本研究使用的再分析數(shù)據(jù)為CMEMS 提供的海洋再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品 GLORYS12V1，GLORYS（Global Ocean Reanalysis and Simulations）是MyOcean框架下開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)全球海洋資料再分析系統(tǒng)，在加入同化數(shù)據(jù)的約束下使用較高分辨率的網(wǎng)格對(duì)全球海洋進(jìn)行模擬。該產(chǎn)品的海洋模式為歐洲海洋模型中心NEMO Version3.1 和耦合海冰模式LIM2。GLORYS12V1 的同化方案選擇降階卡爾曼濾波算法，同時(shí)選擇3D-var 修正溫鹽誤差，用于同化的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自CMEMS 的高度計(jì)數(shù)據(jù)、海表面溫度，以及CORA 數(shù)據(jù)庫(kù)中的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)溫度和鹽度剖面數(shù)據(jù)和ARGO 浮標(biāo)數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品的時(shí)間分辨率為日平均，空間分辨率0.083°×0.083°，垂向0～4 000 m 共50 層，提供的海洋參數(shù)包含海表溫度、鹽度、海面高度、混合層深度和海冰參數(shù)[9]。本研究使用2020年GLORYS12V1 再分析數(shù)據(jù)開(kāi)展南海溫鹽結(jié)構(gòu)特征分析。

2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

海表面溫度遙感數(shù)據(jù)來(lái)自GHRSST 的AVHRR OISST L4 網(wǎng)格產(chǎn)品，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.25°×0.25°，由美國(guó)國(guó)家環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息服務(wù)中心（NESDIS）提供。GHRSST 成立于2002年，旨在促進(jìn)國(guó)際協(xié)調(diào)，使用多傳感器方法開(kāi)發(fā)高分辨率、近實(shí)時(shí)SST 數(shù)據(jù)集。使用的海表面溫度遙感數(shù)據(jù)由AVHRR 傳感器獲取，通過(guò)在最佳插值系統(tǒng)內(nèi)結(jié)合互補(bǔ)衛(wèi)星和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)生成的。本研究使用臺(tái)風(fēng)“威馬遜”爆發(fā)期間衛(wèi)星海表面溫度數(shù)據(jù)，開(kāi)展海表溫度對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的響應(yīng)分析研究。

2.3 臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)

臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度資料來(lái)自中科院南海海洋研究所的西北太平洋熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集CMA-STI。該數(shù)據(jù)集是在每年熱帶氣旋季節(jié)過(guò)后根據(jù)所收集到的常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測(cè)資料，對(duì)當(dāng)年熱帶氣旋的路徑和強(qiáng)度資料進(jìn)行整編，形成CMA-STI 熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集。臺(tái)風(fēng)資料時(shí)間分辨率為6 h。本文所使用的臺(tái)風(fēng)資料為2014年第九號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”期間臺(tái)風(fēng)路徑數(shù)據(jù)。臺(tái)風(fēng)“威馬遜”在楚克東部的西北太平洋海面上生成，2014年7月12日下午14 時(shí)，中央氣象臺(tái)將其升格起編為熱帶風(fēng)暴。7月16日，臺(tái)風(fēng)“威馬遜”登陸我國(guó)南海東部，之后向西北方向行進(jìn)，于7月18日以17 級(jí)、60 m/s 的強(qiáng)度登錄廣東省雷州半島，成為有氣象記錄以來(lái)登陸廣東的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

3 溫鹽結(jié)構(gòu)與季節(jié)變化特征分析

本文基于GLORYS12V1 海洋再分析數(shù)據(jù)，開(kāi)展南海海水溫鹽空間分布和季節(jié)變化特征分析。

3.1 海表溫鹽空間分布與季節(jié)變化特征

海洋表層溫度和鹽度的變化對(duì)海洋物理環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)有著非常重要的作用[10]。表層溫鹽變化可以改變海氣的相互作用，影響降水模式以及風(fēng)向和風(fēng)速，繼而影響海洋熱力、動(dòng)力過(guò)程[11]。表層溫鹽變化是熱帶大氣循環(huán)的重要組成部分，這些循環(huán)通過(guò)在全球范圍內(nèi)輸送熱量和物質(zhì)，對(duì)氣候和海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[12]。

本研究對(duì)2020年再分析溫鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行月平均處理，得到全年月均溫鹽水平分布圖，如圖2 和圖3所示。從圖2 可以看出，南海月均SST 在25～32℃范圍內(nèi)[13]。在空間分布上，南海秋冬季節(jié)SST 溫差明顯，整體呈西北低、東南高的分布特征，東沙群島與西沙群島附近海域海表面溫度高于其他海域2～3℃，春夏兩季SST 溫差較小，相較于秋冬兩季，無(wú)明顯條帶狀溫差分界，這也表明了西沙群島附近海域海水性質(zhì)相較于其他海域更加穩(wěn)定，季節(jié)溫差變化較小。南海月均海表面溫度1-9月呈上升趨勢(shì)，其中1-4月變化較為平緩，4-5月升溫較快，表現(xiàn)出明顯季節(jié)特征，全年最高溫度出現(xiàn)在8月黃巖島附近海域，為33.5℃左右。9月-次年1月，南海區(qū)域SST 呈下降趨勢(shì)，其中，9-10月溫度下降明顯，南海最低溫度出現(xiàn)在1月份中沙大環(huán)礁北部，約為22℃。

圖2 月均海表面溫度分布Fig.2 Monthly distribution sea surface temperature

圖3 月均海表鹽度分布Fig.3 Monthly distribution sea surface salty

南海月均鹽度空間分布相較于溫度更為穩(wěn)定，南海北部表層鹽度略高于南部，無(wú)明顯空間差異。全年表層鹽度最小值為32.5 psu，最大值為35 psu。表層鹽度全年最低月份為1月，約為32 psu，1-6月南海表層鹽度整體上呈緩慢上升趨勢(shì)，平均鹽度約為34 psu，其中6月鹽度最大，約為34.7 psu。6月以后，南海表層鹽度開(kāi)始下降，一直持續(xù)到12月初，在12月-次年1月鹽度達(dá)到最低，然后鹽度再次開(kāi)始緩慢上升。

3.2 溫鹽垂直分布及季節(jié)變化特征

為了解南海溫鹽的垂向結(jié)構(gòu)特征，本文根據(jù)再分析數(shù)據(jù)提取了南海東經(jīng)115°和北緯15°溫鹽斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[14]。圖4-5 清楚地顯示，中沙群島（東經(jīng)115°，北緯15°附近）南北兩側(cè)表層海水溫度差異較為明顯，而緯向剖面顯示該部分區(qū)域東西兩側(cè)沒(méi)有明顯差別，這表明中沙群島不同區(qū)域海水溫度特性存在較大差別。月均數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，隨著深度增加海水溫度季節(jié)變化越小。受大氣降雨影響海水表層鹽度低于其他深度鹽度，280 m 以淺的海水，海水溫度隨深度增加而下降且速率較快，約為0.07 ℃/m，該深度的海水存在顯著的季節(jié)變化特征，全年最大溫差約為3℃。300 m 以深的海水，溫度隨深度變化緩慢，約為0.01 ℃/m，無(wú)明顯季節(jié)變化特征。300 m 以深海域隨經(jīng)緯度變化不明顯，表明水深越深海水的季節(jié)變化與空間變化越小。南海鹽度垂向季節(jié)變化表現(xiàn)為春秋季節(jié)高于夏季和冬季，表層鹽度受降雨量影響較大，鹽度最低值在南海臺(tái)風(fēng)多發(fā)季10月出現(xiàn)，約為33.2 psu。

圖4 北緯15°斷面溫度月均變化（單位℃）Fig.4 Monthly temperature variation at 15°N section

圖5 東經(jīng)115°斷面溫度月均變化（單位℃）Fig.5 Monthly temperature variation at 115°E section

本研究以南海中部海域（東經(jīng)115°，北緯13°）點(diǎn)位溫鹽剖面為例，分析海水溫度和鹽度隨水深變化特征[15-16]。月均溫鹽剖面如圖6所示，該位置各月份溫鹽剖面具有相似的垂向變化特征，垂向溫鹽梯度較小，溫、鹽躍層深度基本一致，約為50～120 m。鹽度剖面顯示，海水鹽度在0～180 m 隨深度增加而增加，180～380 m 隨深度增加而減小，380 m 以深海域度鹽度隨深度增加而增加。溫度剖面顯示，溫度隨深度變化趨勢(shì)從表層開(kāi)始，隨深度增加而減小。南海整體上呈表層海水高溫低鹽，底層海水低溫高鹽。本文根據(jù)月均再分析數(shù)據(jù)，利用垂向梯度法[17]計(jì)算了2020年南海溫躍層深度分布圖，該方法首先計(jì)算海水溫度的垂直梯度，梯度大于0.05℃/m 即為溫躍層所在區(qū)域，滿足梯度0.05 ℃/m條件最上層的深度即為躍層上界，最下層深度即為溫躍層下界深度。南海月均溫躍層深度如圖7所示，南海躍層深度分布具有明顯季節(jié)變化特征，南海秋冬季節(jié)溫躍層深度普遍大于春夏兩季。南海地區(qū)溫躍層深度變化與海面精熱通量和海風(fēng)有關(guān)。秋冬季節(jié)南海地區(qū)盛行東北季風(fēng)，同時(shí)海面凈輻射通量較低，風(fēng)應(yīng)力攪拌作用加強(qiáng)了海水的垂向混合，表層的低溫海水使得海洋上層層結(jié)不穩(wěn)定，從而使得溫躍層深度加深[18]。春夏兩季太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，整個(gè)海域風(fēng)力較小，這使得表層海水溫度升高垂向混合減弱，從而溫躍層深度整體上升。

圖6 115°E，13°N 點(diǎn)位月均溫度、鹽度隨深度變化趨勢(shì)Fig.6 Trend of monthly average temperature and salinity changing with depth at 115°E，13°N

圖7 南海月均溫躍層深度Fig.7 Monthly average thermocline depth in the South China Sea

4 臺(tái)風(fēng)過(guò)程的溫度響應(yīng)分析

本研究以臺(tái)風(fēng)“威馬遜”為例，利用海洋再分析數(shù)據(jù)和AVHRR OISST 遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展臺(tái)風(fēng)前后海表溫度變化特征分析。一般而言，臺(tái)風(fēng)過(guò)境前后海洋上層海水溫鹽結(jié)構(gòu)以及混合層深度會(huì)發(fā)生較大改變[18-19]。臺(tái)風(fēng)期間再分析數(shù)據(jù)海表溫度如圖8所示，該數(shù)據(jù)未能體現(xiàn)出“威馬遜”過(guò)境期間海表溫度變化。此外，本文還基于GLORYS12V1 數(shù)據(jù)對(duì)2019年第29 號(hào)臺(tái)風(fēng)“巴蓬”、2020年第2 號(hào)臺(tái)風(fēng)“鸚鵡”、以及2020年第17 號(hào)臺(tái)風(fēng)“沙德兒”過(guò)程前后的海表溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)再分析數(shù)據(jù)在臺(tái)風(fēng)期間未體現(xiàn)出明顯的海表溫度變化。JEANMICHEL[20]指出GLORYS 同化系統(tǒng)的性能明顯依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)，由于南海地區(qū)ARGO 浮標(biāo)稀少，導(dǎo)致該分析數(shù)據(jù)可能無(wú)法反映出南海地區(qū)臺(tái)風(fēng)期間海洋上層溫度變化這一小尺度特征。

圖8 臺(tái)風(fēng)“威馬遜”期間GLORYS12V1 表層溫度Fig.8 Surface temperature of GLORYS12V1 during Typhoon Rammasun

臺(tái)風(fēng)期間遙感海表溫度如圖9所示，遙感數(shù)據(jù)能夠較好地反映臺(tái)風(fēng)期間海洋表層溫度變化。臺(tái)風(fēng)登錄期間南海區(qū)域整體上出現(xiàn)了大范圍降溫，中沙大環(huán)礁北部海域降溫明顯強(qiáng)于其他海域。系統(tǒng)地描述上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程地影響，對(duì)提高臺(tái)風(fēng)路徑及強(qiáng)度地預(yù)報(bào)有著重大意義[21]，準(zhǔn)確地獲取臺(tái)風(fēng)期間的海洋數(shù)據(jù)是研究上層海洋變化的前提。從圖9 可以看出，臺(tái)風(fēng)發(fā)生前南海北部海表面溫度大約在30℃，2014年7月16日臺(tái)風(fēng)進(jìn)入南海黃巖島附近海域，當(dāng)天該海域海表面溫度無(wú)明顯降溫，南海西北部部分海域海表面溫度略有升高，這可能與臺(tái)風(fēng)引起的次表層溫度變化與混合作用和上升流的主要地位有關(guān)，當(dāng)混合作用強(qiáng)于上升流時(shí)，表層與次表層溫度升高，反之則溫度下降。臺(tái)風(fēng)隨后繼續(xù)向西北方向行進(jìn)。7月17日，臺(tái)風(fēng)到達(dá)中沙群島附近海域，南海東南部出現(xiàn)明顯降溫，黃巖島西北部海域當(dāng)日降溫2～3℃。2014年7月18日，臺(tái)風(fēng)到達(dá)海南島西北部，強(qiáng)烈的海-氣交互作用導(dǎo)致當(dāng)日西沙群島東北部海表面溫度急劇下降，部分海域降溫可達(dá)5℃以上。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文使用海洋再分析數(shù)據(jù)以及遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展南海三維溫鹽結(jié)構(gòu)及其季節(jié)變化特征研究，分析結(jié)果對(duì)南海地區(qū)海洋動(dòng)力環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的相關(guān)研究具有參考價(jià)值。了解臺(tái)風(fēng)期間的溫鹽響應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑的預(yù)測(cè)以及強(qiáng)度的評(píng)估都有著重大意義，本文主要結(jié)論如下：

1）2020年南海全年月均海表面最高溫度32 ℃，最低溫度25 ℃，春夏兩季海表溫度分布均勻，秋冬季節(jié)海表面溫度存在明顯南北差異鹽。鹽度全年最低值32.5 psu，最高值35 psu，全年分布較為均勻。

2）表層到300 m 水深，海水溫度隨深度增加而下降，該部分海水存在較為顯著的季節(jié)變化，300 m 以深海水溫度隨深度變化逐漸緩慢，全年溫度變化在0.5 ℃以內(nèi)。南海地區(qū)溫躍層深度存在明顯季節(jié)變化特征，秋冬季節(jié)溫躍層深度大于春夏兩季。

3）臺(tái)風(fēng)“威馬遜”爆發(fā)期間，再分析數(shù)據(jù)未能反映出南海溫度變化。遙感數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，臺(tái)風(fēng)過(guò)境前期，南海西北部海域出現(xiàn)局部升溫現(xiàn)象，之后開(kāi)始大范圍降溫，其中北部中沙大環(huán)礁附近降溫最為顯著，臺(tái)風(fēng)過(guò)后海溫逐漸回暖。

目前海洋次表層溫鹽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稀缺，再分析數(shù)據(jù)已逐漸應(yīng)用在海洋科學(xué)的研究中。GLORYS12V1再分析數(shù)據(jù)能夠反映出南海地區(qū)溫鹽季節(jié)變化特征，但難以表征出小尺度海洋環(huán)境變化，未來(lái)可考慮精度更高的模擬數(shù)據(jù)來(lái)研究南海三維溫鹽環(huán)境。