東中國海1976—1996年上層海洋鹽度變化趨勢及機(jī)制初步探討?

王玉琦， 林霄沛

(中國海洋大學(xué)物理海洋實驗室，山東 青島 266100)

海水鹽度是海水諸要素中最基本也是最重要的要素之一，其變化可以影響海水密度，進(jìn)而改變海洋層結(jié), 影響海洋環(huán)流和熱量輸送。同時作為全球水循環(huán)的重要指標(biāo)，海洋鹽度影響著全球的氣候變化[1-5]。海水鹽度的分布和變化主要受蒸發(fā)、降水、區(qū)域徑流以及結(jié)冰融冰的影響。海洋鹽度的分布和變化在水循環(huán)過程中起到重要作用[6]，研究其變化規(guī)律對于全面了解海洋水循環(huán)、海洋環(huán)流，乃至氣候變化都有重要意義。

作為世界上最大的邊緣海之一，東中國海(East China Sea,簡稱ECS)位于北太平洋的西邊界，包括渤海、黃海、東海，與太平洋有著良好的水交換。黑潮及其分支——臺灣暖流、對馬暖流以及黃海暖流構(gòu)成東中國海主要暖流系統(tǒng)，攜帶大量高溫高鹽水, 使其影響區(qū)域海水鹽度升高。而東中國海的沿岸淺水區(qū)域則受到由沿岸流和長江沖淡水等低鹽流系的影響。這兩種不同性質(zhì)流系的變化和相互作用, 在很大程度上影響ECS鹽度的分布與變化。同時，ECS又是地處北溫帶而且緊靠大陸的淺海, 海陸氣候都具有明顯的季節(jié)變化，不同季節(jié)的季風(fēng)、氣溫和降水等因素同樣影響著ECS的鹽度分布和變化[7]。

前人對于中國近海區(qū)域的鹽度分布及變化的研究主要集中在各單獨海域：方國洪等[8]分析渤海和北黃海西岸觀測站1965—1997 年鹽度的長期變化趨勢,發(fā)現(xiàn)渤海年平均海表鹽度升高1.34,降水減少87 mm，認(rèn)為鹽度與降水的相關(guān)關(guān)系較好。吳德星等[9]和馬超等[10]指出，渤海鹽度長期有升高趨勢主要原因是黃河徑流量持續(xù)減少；北黃海區(qū)域鹽度升高主要受淡水通量(蒸發(fā)與降水之差)的影響。呂翠蘭等[11]基于經(jīng)融合時空插值處理的鹽度實測數(shù)據(jù),10年平均得到5個年代平均的表層、10和20 m層鹽度分布,指出渤海和北黃海鹽度整體上升,并且與黃河徑流量的變化存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)。對于東海,顧玉荷等[12]、劉興泉等[13]研究137°N和PN斷面，指出海表和底層鹽度低。 次表層鹽度高, 遠(yuǎn)海鹽度高, 陸架鹽度低。Wu等[14]采用東海黑潮主流區(qū)長時間溫鹽實測數(shù)據(jù)以及日本海洋數(shù)據(jù)中心(JODC)的PN斷面溫鹽數(shù)據(jù)，分析黑潮海區(qū)上層的溫鹽分布和變化規(guī)律，指出過去50年內(nèi)上層海洋的鹽度略下降，且和降水在夏季成負(fù)相關(guān)。另外，林葵等[15]和呂華慶[16]指出，東海鹽度在西北部較低，向東南部逐漸增大, 黑潮區(qū)域鹽度高, 并有季節(jié)變化特征；唐曉暉[17]指出，長江沖淡水對東海長江口附近到125°N以西海域的鹽度變化有重要影響。對于南海，郭敬等[18]基于WOD05(世界海洋數(shù)據(jù)庫)鹽度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)降雨和水平平流對南海混合層內(nèi)鹽度的季節(jié)性變化影響很大。傅圓圓等[19]基于客觀分析資料Ishii和EN4以及同化資料OFES，發(fā)現(xiàn)1993—2014年南海表層鹽度有變淡的趨勢，并指出淡水強(qiáng)迫在呂宋島以西主導(dǎo)，水平平流輸運在南海西部主導(dǎo)。

20世紀(jì)沿著全球西邊界流路徑如黑潮、灣流等，海洋增暖的速率比全球平均要快2～3倍，形成“熱斑”現(xiàn)象[20]。尤其在1976年前后太平洋氣候態(tài)躍遷[21-25]之后的快速升溫期(1976—1996年)，ECS海表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)的升高趨勢更加顯著，并且升溫主要沿著黑潮及陸架暖流[26-27]。許多研究表明，影響東中國海這種快速增溫的主要因素是黑潮等海洋熱平流的增強(qiáng)，而海面凈熱通量等因素的影響較小且可能抑制海溫升高[28-30]。然而幾乎沒有研究探討快速升溫時期東中國海是否存在與“熱斑”類似的“鹽斑”，不同區(qū)域和水深處的鹽度變化主要受淡水通量還是平流影響。本文采用客觀分析資料Ishii的鹽度數(shù)據(jù)，OAflux蒸發(fā)數(shù)據(jù)、GPCP降水?dāng)?shù)據(jù)以及大通站長江徑流量數(shù)據(jù)，分析1976—1996年東中國海鹽度變化趨勢，討論不同區(qū)域和水深處影響鹽度變化的主要因素。

1 資料與方法

本文使用的鹽度數(shù)據(jù)來源于Japan Marine Science and Technology Center的客觀分析資料Ishii[31-32]。Ishii數(shù)據(jù)提供了1945—2003年全球范圍內(nèi)1 500 m共24個標(biāo)準(zhǔn)層次的月平均溫鹽數(shù)據(jù)，水平分辨率是1°×1°。本文的研究海域包括東中國海及周邊海區(qū)，如東海黑潮和西北太平洋部分海域，范圍為117.5°E～143.5°E，23.5°N～41.5°N，時間上主要關(guān)注1976年氣候態(tài)躍遷之后的快速升溫期。垂直方向選取0, 10, 30, 50, 75和100 m 6個標(biāo)準(zhǔn)層次分析鹽度的變化趨勢。本文取每年的6、7、8 月作為夏季, 取12 月、次年的1、2 月作為冬季, 對每一網(wǎng)格點處鹽度的時間序列采用最小二乘法，線性回歸得到年平均、夏季和冬季的鹽度變化趨勢。

為了分析影響鹽度變化的主要因素，本文還采用來源于美國伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI)的全球海氣熱通量客觀分析資料OAflux[33-34](Objectively Analyzed Air-sea Fluxes Project),該數(shù)據(jù)集分為逐日和逐月平均兩種，本文使用其月平均蒸發(fā)數(shù)據(jù)，空間分辨率是1°×1°。降水資料來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,簡稱NASA)的全球降水氣候計劃(Global Precipitation Climatology Project, 簡稱GPCP)月平均格點降雨量數(shù)據(jù)，從 1979年開始至今，水平分辨率是2.5°×2.5°[35]。 計算E-P(蒸發(fā)減降水，即淡水通量)時，插值到1°×1°的空間網(wǎng)格上。本文還采用1976—1996年大通站的月平均長江徑流量數(shù)據(jù)(單位：m3/s)，分析長江沖淡水對東中國海鹽度變化的影響。

2 東中國海上層海洋鹽度變化趨勢

分別提取Ishii資料不同層次的年平均、夏季和冬季鹽度數(shù)據(jù)，構(gòu)造每個格點上鹽度距平的時間序列，進(jìn)行線性回歸得到其變化趨勢，計算1976—1996年間鹽度的變化量(單位：psu)，代表這段時間鹽度的線性變化趨勢。

年平均的鹽度變化趨勢的空間分布如圖1所示，具有顯著的區(qū)域差異性。渤海、北黃海等沿岸淺水區(qū)域的表層鹽度呈略增加的趨勢，這與呂翠蘭等[11]論述一致；黑潮主軸以外的深海區(qū)表層鹽度增加趨勢較為明顯，其他區(qū)域鹽度呈略下降的趨勢。隨著水深增加，主要暖流如臺灣暖流、黑潮、對馬暖流路徑上以及島鏈以外的黑潮支流區(qū)域鹽度逐漸呈增加趨勢，而渤海、北黃海等沿岸淺水區(qū)域鹽度下降。另外，朝鮮半島西側(cè)南黃海存在鹽度明顯降低的區(qū)域。夏季大部分區(qū)域鹽度變化趨勢(見圖2)與年平均趨勢分布相似，而上30 m水深長江口附近鹽度下降區(qū)域向東北方向延伸經(jīng)過濟(jì)州島至對馬海峽附近。隨著水深增加，主要暖流區(qū)域鹽度也呈增加趨勢，并且向東北方向延伸。冬季鹽度變化趨勢的空間分布如圖3所示，日本廣島附近海域鹽度明顯升高，主要暖流區(qū)除黑潮主軸路徑上鹽度呈略下降趨勢之外，大部分區(qū)域鹽度略升高，隨著水深增加，這些區(qū)域鹽度增加較為顯著。

前人研究[9-11,36]表明，渤海的鹽度主要受黃河徑流的影響，北黃海區(qū)域的鹽度主要受淡水通量，即蒸發(fā)降水之差的影響；東海鹽度變化除了受蒸發(fā)和降水的影響之外，還受長江徑流影響[17]；而基于鹽度收支分析，在南海[18-19]不同區(qū)域的鹽度變化分別受淡水通量和水平平流強(qiáng)迫。淡水通量與平流作用在不同區(qū)域、不同水深處的作用和地位還需要進(jìn)一步研究。

3 東中國海上層海洋鹽度變化趨勢的機(jī)制分析

3.1 海氣界面淡水通量對東中國海鹽度變化的影響

基于客觀分析資料OAflux蒸發(fā)率數(shù)據(jù)和GPCP降水資料得到淡水通量,即蒸發(fā)與降水之差E-P，單位統(tǒng)一為cm/a。E-P為正表示海洋失去淡水，鹽度升高；E-P為負(fù)表示海洋得到淡水，鹽度降低。本文計算1976—1996年間每個格點處E-P的變化量(單位：cm)，代表這段時間E-P的線性變化趨勢，空間分布如圖4所示。年平均淡水通量(見圖4(a))全場基本呈一致增加的趨勢，主要暖流區(qū)域更加顯著，黃海暖流和對馬暖流路徑上達(dá)到60 cm左右。渤海灣延伸至長江口附近的沿岸淺水區(qū)以及黑潮東南方向以外深水區(qū)，E-P呈略下降趨勢。冬季和夏季淡水通量基本呈現(xiàn)與年平均分布大致相同的上升趨勢，且在主要暖流區(qū)域較為顯著。冬季和夏季的渤海、北黃海區(qū)域淡水通量下降趨勢比年平均分布更加顯著，可能與蒸發(fā)和降水的季節(jié)性差異有關(guān)。夏季淡水通量下降的區(qū)域向南延伸經(jīng)過長江口至臺灣島西側(cè)，可能由于夏季陸地普遍降水增多。

((a)表示在1976—1996年期間年平均海表面鹽度變化的空間分布，每個格點上用這段時間鹽度變化的改變量來代表各個格點處的溫度變化趨勢，單位是psu。(b)～(f) 與(a)類似，但依次代表10，30，50，75和100 m處的鹽度變化趨勢分布場。圖中畫點的區(qū)域代表通過了置信水平為90%的顯著性檢驗，這里顯著性檢驗采用雙邊Student’s t 檢驗。(a) The spatial pattern of annual mean SSS during the period of 1976—1996. The accumulated salinity increment (unit:psu) during the whole period is taken as the trends in each grid. (b)～(f) As in (a), but for 10, 30, 50, 75 and 100 m, respectively. Stippling denotes where the linear trends are statistically significant above the 90% confidence level. The significance is calculated using a two-tailed Student’st-test.)

圖1 東中國海上層海洋年平均鹽度變化趨勢的空間分布
Fig.1 Spatial patterns of linear trends in annual mean upper-ocean salinity

((a)表示在1976—1996年期間年平均海表面鹽度變化的空間分布，每個格點上用這段時間鹽度變化的改變量來代表各個格點處的溫度變化趨勢，單位是psu。(b)～(f) 與(a)類似，但依次代表10，30，50，75和100 m處的鹽度變化趨勢分布場。圖中畫點的區(qū)域代表通過了置信水平為90%的顯著性檢驗，這里顯著性檢驗采用雙邊Student’s t 檢驗。(a) The spatial pattern of annual mean SSS during the period of 1976—1996. The accumulated salinity increment (unit: psu) during the whole period is taken as the trends in each grid. (b)～(f) As in (a), but for 10, 30, 50, 75 and 100 m, respectively. Stippling denotes where the linear trends are statistically significant above the 90% confidence level. The significance is calculated using a two-tailed Student’st-test.)

圖2 東中國海上層海洋夏季鹽度變化趨勢的空間分布
Fig.2 Spatial patterns of linear trends in summer upper-ocean salinity

((a)表示在1976—1996年期間年平均海表面鹽度變化的空間分布，每個格點上用這段時間鹽度變化的改變量來代表各個格點處的溫度變化趨勢，單位是psu。(b)～(f) 與(a)類似，但依次代表10，30，50，75和100 m處的鹽度變化趨勢分布場。圖中畫點的區(qū)域代表通過了置信水平為90%的顯著性檢驗，這里顯著性檢驗采用雙邊Student’s t 檢驗。(a) The spatial pattern of annual mean SSS during the period of 1976—1996. The accumulated salinity increment (unit: psu) during the whole period is taken as the trends in each grid. (b)～(f) As in (a), but for 10, 30, 50, 75 and 100 m, respectively. Stippling denotes where the linear trends are statistically significant above the 90% confidence level. The significance is calculated using a two-tailed Student’st-test.)

圖3 東中國海上層海洋冬季鹽度變化趨勢的空間分布
Fig.3 Spatial patterns of linear trends in winter upper-ocean salinity

((a)表示1976—1996年期間年平均淡水強(qiáng)迫線性趨勢的空間分布，每個格點上用這段時間E-P變化的改變量來代表這個格點處E-P的變化趨勢，單位是cm。(b)和(c) 與(a)類似，但依次代表冬季和夏季的E-P變化趨勢的分布。圖中畫點的區(qū)域代表通過了置信水平為90%的顯著性檢驗，這里顯著性檢驗采用雙邊Student’s t 檢驗。(a) The spatial pattern of annual mean E-P during the period of 1976—1996. The accumulated E-P increment (unit: cm) during the whole period is taken as the trends in each grid. (b) and (c) As in (a), but for winter and summer, respectively. Stippling denotes where the linear trends are statistically significant above the 90% confidence level. The significance is calculated using a two-tailed Student’st-test.)

圖4 東中國海淡水強(qiáng)迫(E-P，單位：cm)線性趨勢的空間分布場
Fig.4 Spatial patterns of the E-P linear trends in the ECS

對比鹽度變化趨勢的空間分布，渤海和北黃海區(qū)鹽度升高，主要受黃河徑流量減少的影響[9-10]。另外大通站長江徑流量時間序列(見圖5)顯示，1976—1996年間年平均、冬季和夏季的長江徑流都呈上升趨勢，夏季上升速率明顯大于冬季和年平均的序列。可以解釋年平均、夏季和冬季長江口附近不同程度和范圍的鹽度下降趨勢。其中夏季長江徑流量增加最明顯，導(dǎo)致夏季長江口附近鹽度下降幅度最大，達(dá)到0.2～0.3，影響區(qū)域至對馬海峽附近，與毛漢禮等[37]論述一致。其他區(qū)域表層鹽度趨勢大致與淡水通量一致，而隨著水深增加，臺灣島附近向東北延伸的黑潮主軸路徑，以及中部黃海暖流區(qū)域的鹽度增加。鹽度增加區(qū)域與攜帶高溫高鹽水的暖流路徑一致，說明表層以下鹽度可能主要受水平平流的影響。

3.2 海氣界面蒸發(fā)和降水對淡水通量以及東中國海鹽度變化的影響

東中國海1979—1996年蒸發(fā)量變化趨勢的空間分布如圖6所示。主要暖流區(qū)域蒸發(fā)明顯增加，且冬季的增加幅度比年平均和夏季的幅度大，夏季變化趨勢最弱；其他區(qū)域尤其是朝鮮半島附近、長江口附近蒸發(fā)減弱。冬季渤海和北黃海區(qū)域鹽度降低趨勢較為顯著，對比冬季E-P變化趨勢的分布，發(fā)現(xiàn)E-P主要受蒸發(fā)作用影響。降雨量變化趨勢的空間分布如圖7所示，不同季節(jié)陸地降水情況的不同，可以解釋沿岸區(qū)域的淡水通量以及鹽度變化趨勢。從遼東半島、渤海沿岸再向南，陸地年平均降水量略增加，則除渤海和北黃海的沿岸淺水區(qū)淡水通量略降低，鹽度也略降低。冬季降雨量增加的陸地區(qū)域較小，只有長江口附近降水增加，再加上此區(qū)域蒸發(fā)也降低，則淡水通量和鹽度都降低。夏季大部分陸地區(qū)域包括遼東半島及朝鮮半島北部降水明顯增加，尤其臨近長江口降水增加最顯著，使沿岸區(qū)域淡水通量降低，從而表層鹽度大范圍降低；大部分海區(qū)不同于陸地，降水明顯減少，對于海洋淡水通量的增加起主導(dǎo)作用。另外，夏季渤海和北黃海的淡水通量降低也是由降水作用主導(dǎo)。

((a)黑色帶點線年平均時間序列；(b)黑色和紅色帶點線分別代表冬季和夏季的時間序列。(a) The black dotted line denotes the annual mean time series; (b) The black and red line denotes winter and summer time series, respectively.)

圖5 長江年徑流量時間序列及其線性變化趨勢
Fig.5 Time series and its linear trend of changjiang discharge

圖6 圖例與圖4類似，但是代表OAflux蒸發(fā)率變化趨勢的空間分布場Fig.6 The same as Fig.4 but for the spatial pattern of OAflux evaporation rate linear trend

圖7 圖例與圖4類似，但是代表GPCP降水率變化趨勢的空間分布場Fig.7 The same as Fig.4 but for the spatial pattern of GPCP precipitation rate linear trend

4 結(jié)論和討論

本文采用客觀分析資料Ishii，分析1976—1996年快速升溫期期間東中國海上層海洋不同區(qū)域的鹽度變化趨勢。并且結(jié)合OAflux、GPCP數(shù)據(jù)以及大通站長江徑流量資料分析蒸發(fā)、降水、徑流、淡水通量的變化在不同季節(jié)影響對鹽度變化的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1) 東中國海鹽度變化趨勢有明顯的區(qū)域差異性。渤海和北黃海區(qū)域的表層鹽度呈長期增加的趨勢，主要受黃河徑流量持續(xù)減少的影響。長江口附近區(qū)域的表層鹽度主要受長江徑流量變化的影響，夏季長江徑流量遠(yuǎn)大于冬季，導(dǎo)致夏季鹽度升高趨勢明顯且影響范圍至對馬海峽附近，冬季影響范圍小且趨勢不明顯。

(2) 通過對東中國海淡水通量、蒸發(fā)和降水的分析得出結(jié)論：除渤海和北黃海以外的沿岸淺水區(qū)域表層鹽度呈降低趨勢，主要受陸地降水增加的影響；主要暖流區(qū)(長江口附近區(qū)域除外)表層鹽度與淡水通量的變化一致呈上升趨勢。

(3) 表層以下鹽度的變化與表層不同，沿主要暖流路徑大致呈升高趨勢，可能主要受平流作用影響。

本文定性分析了淡水通量以及蒸發(fā)、降水、主要徑流對東中國海不同區(qū)域鹽度變化的影響，并簡單分析淡水通量和水平平流在不同深度處的不同地位，發(fā)現(xiàn)通量和水平平流作用對溫度和鹽度的影響是不同的。然而本文并未完成鹽度收支分析中淡水強(qiáng)迫及水平平流作用的量化。另外，鹽度變化還受混合層深度變化等因素的影響，將在下一步研究中重點關(guān)注。