南海鹽度鋒的年際變化特征分析

趙寶宏，劉宇迪，付邦雨

（1.解放軍理工大學氣象學院 江蘇南京 211101；2.71320部隊74分隊 河南開封 475003）

1 引言

海洋鋒定義為某一個水文變量的梯度達到極大值的地方，由于水文變量可以是水溫、鹽度、密度等[1]。從水團研究的觀點來看，不同性質(zhì)的水團，在水平方向上的邊界稱為海洋鋒。海洋鋒是水平方向毗鄰的不同性質(zhì)水團間的邊界，是海洋學研究的一個重要領域。有關(guān)研究表明鋒面通常是海洋中的高生產(chǎn)力區(qū)，魚群通常沿鋒面聚集形成漁場[2-3]。

海洋鋒的定量指標在海洋界目前尚無統(tǒng)一規(guī)定。國內(nèi)外學者根據(jù)研究區(qū)域和研究目的不同，選取的海洋鋒強度標準不一。對于黃東海來說，海洋鋒的研究從上世紀80年代開始，湯毓詳、郭炳火、Hickox、劉傳玉等許多學者應用不同的資料，揭示了海洋鋒的存在和初步的分布范圍以及變化特征[4-8]。對南海而言，李立、王東曉等學者對海洋鋒的研究也只停留在北部灣以及臺灣海峽及其以西的海域范圍[9-11]。對于整個南海鹽度鋒的年際變化究竟有什么特點和規(guī)律，尚未見到相關(guān)的文章。鹽度鋒具有很強的季節(jié)變化規(guī)律，有一個問題就擺在我們面前：鹽度鋒的年際變化是不是也有規(guī)律，規(guī)律是怎么樣的，有沒有發(fā)生突變的情況。因此，本文主要研究這些問題。

2 資料和方法

所用資料來源于美國馬里蘭大學和美國德州農(nóng)工大學共同研制開發(fā)的全球簡單海洋同化分析系統(tǒng)SODA-2.1.6的月平均數(shù)據(jù)資料[12-13]。SODA海洋數(shù)據(jù)集包含的變量有溫度、鹽度、海流速度、海表風應力、海洋上層0—500 m熱含量、海洋上層0—125 m熱含量、海平面高度等。水平分辨率為0.50°×0.50°，垂直方向上的分辨率為不等間距，海表以下共40層，深度（單位/m）分別為5、15、25、35、46、57、70、82、96、112、129、148、 171、 197、 229、 268、 317、 381、 465、579、 729、 918、 1139、 1378、 1625、 1875、2125、 2375、 2624、 2874、 3124、 3374、 3624、3874、 4124、 4374、 4624、 4874、 5124、 5374。覆蓋時段為1958年1月—2007年12月，總共50年。

另外，使用經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF)方法[14-15]對鹽度鋒強度的距平場進行展開，可以得到鹽度鋒強度的空間分布和時間系數(shù)，通過功率譜和Morlet小波分析其變化趨勢和周期變化，可以得出鹽度鋒的年際變化特征。同時，利用Mann-Kendall方法對某一序列做突變檢測，可以找出這個序列發(fā)生突變的情況。

3 鹽度鋒強度的均方差分布

圖1 南海鹽度鋒強度在1、4、7、10月的均方差分布（分別代表冬、春、夏和秋季）

表1 EOF展開前6個模態(tài)的方差貢獻和North檢驗

為了解鹽度鋒強度在南海哪些區(qū)域變化比較突出，以便找出重點要作季節(jié)變化分析的區(qū)域。圖1是1958—2007年50年鹽度鋒強度4個季節(jié)代表月份的均方差圖（其余月份的均方差圖略）。從圖上可以分析出：鹽度鋒強度在以下6個地方異常增大，分別是在北部灣、海南島以東及其南海北部、呂宋海峽、東馬來西亞西北和越南最南端。具體來看，北部灣的鹽度鋒強度均方差只在秋冬兩季節(jié)變化顯著，可以達到0.002。南海北部均方差顯著變化出現(xiàn)在夏秋兩季，海南島以東、呂宋海峽和東馬來西亞西北部一年四季均方差都是大值分布區(qū)。這些規(guī)律說明，整個南海鹽度鋒強度具有很強的季節(jié)變化特點。同時，也說明鹽度鋒的季節(jié)變化也只是在某些區(qū)域變化比較顯著，研究的重點可以落到這些相關(guān)海域。因此，揭示這種季節(jié)變化的規(guī)律和特點，對我們進一步認識南海的環(huán)流和水團混合，具有重要的意義和科學價值。

4 EOF第一模態(tài)的時空演變特征分析

鹽度鋒強度距平場EOF分解得到的前6個模態(tài)的North顯著性檢驗見表一。前6個主要模態(tài)的方差貢獻分別是4.55%，4.15%，3.15%，2.77%，2.55%，2.20%，第一、二模態(tài)的異常位相中心基本覆蓋了均方差的異常區(qū)域。因此，前兩個模態(tài)基本代表了南海鹽度鋒強度的基本特征，本文主要分析鹽度鋒強度第一模態(tài)和第二模態(tài)的情況。

南海鹽度鋒強度距平場EOF分解得到的第一模態(tài)特征向量（解釋總方差的4.55%）的空間分布型（見圖2a）。從圖上可以看出，該模態(tài)是南海鹽度鋒強度變率的主要形式：整個南海海域呈單極子變化特征。海南島以東、呂宋海峽、越南最南端和東馬來西亞西北部海域同位相變化，存在明顯的負位相中心，其余海域包括整個南海海盆基本都呈現(xiàn)負位相。負位相中心與圖1中均方差所呈現(xiàn)的極大值中心一致。

圖3a為鹽度鋒強度距平場EOF分解的第一模態(tài)特征向量對應的時間序列圖。時間序列代表了鹽度鋒強度空間分布的時間變化特征。從圖上可以看出，鹽度鋒強度變化總趨勢是減小的。鹽度鋒強度呈現(xiàn)周期性減小和周期性增大的規(guī)律。

圖2 鹽度鋒強度50年距平場空間分布

圖3 鹽度鋒強度第一模態(tài)時間序列(a)、時間系數(shù)功率譜(b)和時間序列小波分析(c)

為了分析鹽度鋒強度的周期性變化規(guī)律，對第一模態(tài)時間序列做功率譜分析。從圖3b功率譜結(jié)果來看，該模態(tài)分別主要存在200、85.7、66.7和42.9個月的年際變化周期。為了進一步的分析發(fā)生周期的時間段，對時間序列做Morlet小波分析，見圖3c。從結(jié)果來看，1965—2000年主要存在4、9和12年左右的周期。

圖2a確定的第一模態(tài)3個負位相中心（110.75°E，20.25°N）、（121.25°E，19.75°N）和（103.75°E，7.75°N），分別在海南島以東（109.75°—111.75°E，19.25°—21.75°N）、呂宋海峽（118.25°—121.75°E，18.75°—20.75°N）和越南最南端（102.25°—104.25°E，7.75°—9.75°N）。然后對上述負位相中心所在區(qū)域的鹽度鋒強度分別進行突變檢測。

圖4a是鹽度鋒強度在海南島以東選取的負位相中心區(qū)域的50年平均值變化圖。從圖中看出1958—1981年之間，海南島以東的鹽度鋒強度基本維持在一個穩(wěn)定的數(shù)值0.005 psu上下，之后強度開始急劇增大，1981年之后鹽度鋒強度基本維持在0.007 psu左右。

圖4b是鹽度鋒強度在海南島以東選取的負位相中心區(qū)域的50年均值變化M-K檢驗。從UF正序列曲線來看，1981年前后UF和UB曲線相交且位于臨界線內(nèi)，因此，1981年前后可以認為是發(fā)生了一次突變，強度急劇增大；并且1981年以后UF曲線一直大于零，表明鹽度鋒強度一直在增大。這與圖4a分析結(jié)果一致。

圖4 鹽度鋒強度在海南島以東選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(b)

圖5 鹽度鋒強度在呂宋海峽選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(b)

圖6 鹽度鋒強度在越南最南端選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(b)

圖7 鹽度鋒強度第二模態(tài)時間序列(a)、時間系數(shù)功率譜(b)和時間序列小波分析(c)

圖8 鹽度鋒強度在東馬來西亞西北部選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(b)

圖9 鹽度鋒強度在南海北部選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(b)

下面我們來分析呂宋海峽的負位相中心50年的面積均值變化（見圖5a）。從線性傾向看，呂宋海峽的鹽度鋒強度變化總趨勢也是逐漸增大的，強度呈現(xiàn)周期性增大和減小的螺旋式上升，增大的幅度很小，不超過0.001 psu/50 a。結(jié)合呂宋海峽面積均值的M-K突變檢測的圖5b可以看出，UF和UB曲線在1969年相交，說明1969年發(fā)生了一次突變，之后強度顯著增大。

下面接著分析處在越南最南端的負位相中心所在區(qū)域的鹽度鋒強度50年面積均值變化情況（見圖6a）?？梢钥闯觯}度鋒強度50年的變化總趨勢是強度緩慢增大的。具體來說，1965—1980年，強度在減小，1980—1996年左右強度基本保持不變，之后強度急劇增強。為了反映這種突變發(fā)生的情況，圖6(b)是對越南最南端負位相中心所做的面積均值的M-K突變檢測?？梢钥吹剑琔F和UB曲線相交點處在1997年且位于臨界線之內(nèi)。因此，1997年既是一個突變點，UF曲線在2000年之后一直大于零，所以越南最南端鹽度鋒強度增大顯著。

5 EOF第二模態(tài)的時空演變特征分析

南海鹽度鋒強度距平場EOF分解得到的第二模態(tài)向量的空間分布型（見圖2b），向量的解釋總方差為4.15%?？臻g分布呈現(xiàn)偶極子型，基本沿著南海東北-西南方向把正負位相分開，左上部分為負位相，右下部為正位相分布，整個南海的強度變率存在一正一負相反的中心，兩個中心的位置分別在東馬來西亞西北部和南海北部。這兩個海域的鹽度鋒強度在均方差圖上很顯著。說明南海除了這兩個正負中心所在海域有變化外，南海其余地方的鹽度鋒強度發(fā)生變化不大。

圖7a為鹽度鋒強度第二特征向量對應的時間序列的50年變化趨勢。從圖上可以看出，線性傾向估計線表明鹽度鋒強度是逐漸減小的，Cubic擬合曲線說明鹽度鋒強度有周期性變化特征。因此，我們后面主要分別來研究正負中心的年際變化情況。

進一步分析第二模態(tài)時間序列的功率譜，結(jié)果見圖7b。可以看出，該模態(tài)主要存在150、100、60和35.3個月的年際變化周期。對該模態(tài)的時間序列進行Morlet小波分析，結(jié)果見圖7c。可以得出，1962—2001年期間存在3年左右的周期，1973—1999年存在5年左右的周期，1977—1988年存在9—12年的周期。

由以上討論可以發(fā)現(xiàn)，鹽度鋒強度第二模態(tài)對應的時間序列所反映的強度在整個南海來說，整體上強度也是逐漸減小的。但從第三節(jié)均方差圖上可以知道，整個南海的鹽度鋒強度的差異性是很明顯的。且從圖2(右)的第二模態(tài)空間分布型上可以看到，南海存在年際變化尺度顯著的正負位相中心，東馬來西亞西北部（110.25°—115.75°E，2.25°—6.25°N）和南海北部（109.25°—114.25°E，19.25°—21.75°N）。

首先，我們先分析正位相中心在東馬來西亞西北部海域的鹽度鋒強度變化。圖8a給出了這個區(qū)域的鹽度鋒強度50年面積均值的變化情況?？梢钥闯?，Cubic擬合曲線和線性傾向曲線基本重合，強度變化的總趨勢是逐漸減小的。結(jié)合圖8b鹽度鋒強度在這個區(qū)域的50年均值M-K突變檢測結(jié)果來看，UF和UB曲線在1983年相交，說明突變在1981年發(fā)生，并且UF曲線一直小于零，說明鹽度鋒強度是顯著減小的。

下面接著分析第二模態(tài)負位相中心在南海北部的鹽度鋒強度變化情況。圖9a給出了其50年面積均值的變化。從線性傾向看，強度的變化總趨勢逐漸增大的。1958—1980年，強度基本維持在0.005 psu的數(shù)值上。結(jié)合圖9b面積均值的M-K突變檢測結(jié)果來看，1977年正序列UF和逆序列UB曲線相交，說明一次突變開始，1980年后UF曲線一直大于零，說明突變發(fā)生后，強度是逐漸增大的，甚至1984年UF曲線超過了臨界線，說明強度顯著增大。

6 結(jié)論

結(jié)合對鹽度鋒強度距平場所作EOF展開的空間分布圖，通過對其第一模態(tài)和第二模態(tài)時間序列的分析，加上時間序列的功率譜和Morlet小波分析，可以確定整個南海鹽度鋒強度的年際變化特征和周期規(guī)律。然后結(jié)合鹽度鋒強度均方差的分布特征，對確定的正負位相中心作面積均值變化分析和M-K突變檢測，來探討南海鹽度鋒關(guān)鍵區(qū)的年際變化趨勢。為以后的理論分析和資料驗證提供一個參考依據(jù)。得到以下主要結(jié)論：

（1）通過鹽度鋒強度的均方差分析，發(fā)現(xiàn)了6個強度顯著變化的海域，分別是北部灣、海南島以東及其南海北部、呂宋海峽、東馬來西亞西北和越南最南端。與第一模態(tài)和第二模態(tài)的位相中心位置基本一致。

（2）鹽度鋒強度EOF展開第一模態(tài)：第一模態(tài)的空間分布主要呈現(xiàn)單極子型分布，存在的三個負位相中心分別在海南島以東、呂宋海峽和越南最南端，其余海域呈負位相變化。作為主模態(tài)，反映了鹽度鋒強度主要的變率信息。從時間序列看，鹽度鋒強度變化總趨勢在逐漸減小，周期分析顯示出該模態(tài)存在200、85.7、66.7和42.9個月的周期，Morlet小波分析表明1965—2000年期間主要存在4年、9年和12年左右的周期；

3個負位相中心區(qū)域的均值變化趨勢一致，強度都在逐漸增大。強度都發(fā)生急劇增大的突變點，但發(fā)生時間不同?？偟膩砜矗麄€南海鹽度鋒強度在減小，而只有小范圍區(qū)域的強度在增大。至于如何解釋這一現(xiàn)象有待于進一步研究；

（3）鹽度鋒強度EOF展開第二模態(tài)：第二模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)偶極子型，基本沿著南海東北-西南方向把正負位相分開，左上部分為負位相，右下部為正位相分布。正負位相中心分別位于東馬來西亞西北部和南海北部。鹽度鋒強度在該模態(tài)下總趨勢也是逐漸減小的，但減小幅度不大。從功率譜分析表明該模態(tài)存在150、100、60和35.3個月的周期。Morlet小波分析表明1962—2001年期間存在3年左右的周期，1973—1999年存在5年左右的周期，1977—1988年存在9—12年的周期。

東馬來西亞西北部正位相中心突變的時間是1983年，南海北部負位相中心的突變時間是1977年。前者突變發(fā)生后，強度卻在減小，而后者卻顯著增大。結(jié)果表明，兩個正負位相中心的鹽度鋒強度的年際變化呈現(xiàn)反位相變化特征。

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