基于Argo資料的呂宋島以東海域水團特征分析

秦 韜,謝 駿,宋德海,丁 揚,鮑獻文,3

(1.物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島266100;2.中國海洋大學 海洋與大氣學院,山東 青島266100;3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋動力過程與氣候功能實驗室,山東 青島266237)

大洋水團中儲存著全球25%的CO2以及溫室效應90%的含熱量[1-3]。這些水團信息豐富,與各種洋流相互交錯,共同影響著厄爾尼諾與南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)的發(fā)生過程[4],研究其來源以及變化機制與國家經濟建設、生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)、海上運輸活動等具有密切關系[5-8]。

太平洋大體分為5個水團,且各水團占比不同。表層水和次表層水的體積較小,二者體積之和為5%,所占體積較小,中層水占比22%,底層水與深層水占比73%[9]?？紤]到地域差異和水團特性,故可以對各層水團進行細分。次表層可以劃分為北太平洋熱帶水(North Pacific Tropical Water,NPTW)以及南太平洋熱帶水(South Pacific Tropical Water,SPTW)[10-11]。NPTW會受北赤道流影響向西遷移,通過呂宋海峽入侵南海[12-14]。同時,NPTW向南移動加入副熱帶環(huán)流,與南半球向北移動的SPTW相遇,形成赤道太平洋水團的十字路口[15]。

北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water,NPIW)在亞北極海域西北部生成[16],伴隨鹽析并潛沉南下加入副熱帶環(huán)流[17],鹽度通常較低,一部分在棉蘭老島附近向南入侵熱帶西太平洋[18],另一部分通過亞北極渦進入東太平洋,再逐漸流向西太平洋[19]。NPIW對南海也有一定入侵,但強度較小,相反,南海中層水可以在秋冬季通過呂宋海峽流入太平洋[20-21]。

綜上,對于北太平洋水團的來源和變化已有相關研究,但存在資料長度受限,空間采集樣本不足和實測數(shù)據(jù)缺乏導致數(shù)值模擬誤差大和成果較少等問題。同時不同的水團分類及辨識方法,導致統(tǒng)計結果差異大。而Argo自動剖面浮標具有自動測量海洋數(shù)據(jù)的功能,下潛深度可達2 000 m,工作時間一般有5 a之久[22]。多個Argo自動剖面浮標組成的觀測網(wǎng),可以獲得更為豐富連續(xù)的水文信息,能為海洋觀測提供詳細的數(shù)據(jù)資料[23]。為了厘清呂宋島以東的西北太平洋研究海域水團信息,本文基于中國Argo實時資料中心發(fā)布的共14 a剖面浮標觀測資料,將Argo資料與模糊數(shù)學中直線定位方法相結合,對西北太平洋呂宋島東部海域的水團邊界進行劃分,研究水團分布結構,分析水團的季節(jié)與年際變化,并探討其變化機制。

1 資料和方法

1.1 資料來源與質量控制

數(shù)據(jù)資料由中國Argo實時資料中心提供了剖面浮標觀測資料以及全球海洋Argo網(wǎng)格數(shù)據(jù)集(BOA_Argo,ftp:∥ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/)。網(wǎng)格資料數(shù)據(jù)時間范圍為2004年1月至2017年12月,垂向共劃分58層,分別為:0 m層,5 m層,10～180 m間取10 m間隔劃分18層,200～460 m間取20 m間隔劃分14層,500～1 250 m間取50 m間隔劃分16層,1 300～1 900 m間取100 m間隔劃分7層,以及底層1 975 m。

原始剖面資料已經進行了實時質量控制,本試驗對Argo資料進行了再次修正,刪除了無效剖面數(shù)據(jù)以及不完整剖面。最終,在研究區(qū)域內,有568個Argo自動剖面浮標的45 771個剖面資料用于數(shù)據(jù)分析。根據(jù)西北太平洋的季節(jié)特性,將12月至次年2月定義為冬季,3月至5月定義為春季,6月至8月定義為夏季,9月至11月定義為秋季。剖面資料空間分布如圖1所示,春、夏、秋、冬四季剖面數(shù)量分別為11 082,11 630,11 657和11 402個,剖面分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域浮標剖面分布Fig.1 The spatial distribution of profiles in the study area

1.2 直線定位方法

水團邊界難以劃分,通常會用模糊聚類進行分析,從而逐漸衍生出用隸屬函數(shù)來區(qū)分水團。建立在隸屬函數(shù)之上,李鳳歧等[24]提出了直線定位法,其核心思想為擬合每個剖面的T-S曲線,尋找基本能夠包絡整個溫鹽散點數(shù)據(jù)的曲線,以此構造隸屬函數(shù)。本文借鑒此方法進行了水團分析。繪制了利用高斯擬合方法對溫鹽散點資料擬合出的溫鹽散點曲線示例圖(圖2),從而找出水團邊界變化形態(tài)。

圖2 研究區(qū)域溫鹽散點曲線示例Fig.2 The curve of temperature and salinity scatter diagram in the study area

從圖2a提取出已經基本涵蓋所有溫鹽散點的包絡線K線和L線,2條包絡線代表著研究區(qū)域中的T-S曲線的合成。在曲線范圍內,存在著大量的溫鹽數(shù)據(jù)點,但主要關注的有6個特征點,分別為:1)點a為表層與次表層的分界點,點a鹽度值為其中T a為次表層水團上界的溫度,可由溫度斷面圖確定;2)點b為曲線K上的鹽度極大值點,即b(S b,T b);3)點c為曲線L上的鹽度極大值點,即c(S c,S c);4)點p為曲線K和曲線L的交點,即p(S p,T p);5)點d為曲線L上的鹽度極小值點,即d(S d,T d);6)點e為曲線K上的鹽度極小值點,即e(S e,T e);7)點q為中層水團和深層水團的分界點,點q鹽度為,其中T q為中層水團的下界溫度。

根據(jù)T-S曲線解析理論,圖2b中的直線為次表層水團高鹽核心混合變性的軌跡,直線為中層水團低鹽核心變性的軌跡。由于水團的邊界難以確定,通常用隸屬度來表示水團范圍,由此本文引入隸屬度(μ),次表層水團的隸屬函數(shù)記為μU,中層水團的隸數(shù)函數(shù)記為μI。故各點隸屬度為μU(S b,T b)=1,μU(S c,T c)=0.5,μI(S e,T e)=1,μI(S d,T d)=0.5。在隸屬函數(shù)概念里,一般當隸屬度大于0.9時,就認為該點為水團核心范圍[24]。因此,點b為次表層核心,點e為中層核心,點c與點d分別代表次表層與中層水團的邊界。

次表層水團的隸屬函數(shù)(μU)和中層水團的隸屬函數(shù)(μI)總體表示為為直線是任意點i到直線T*(TU*或TI*)距離的平方;D S為任一點溫度所對應的2條包絡線鹽度

式中,S i,T i分別為曲線內任意一個點的鹽度與溫度;T*為水團變性軌跡直線,如T*U為直線距離的平方與對數(shù)的比值;D T為圖形中溫躍層中心到特征曲線距離的平方與對數(shù)的比值。對于不同水團,D S、D T和T*的表達式為

對μU,有

對μI,有

式(2)和式(5)中,ε系數(shù)較小,取ε=0.000 1。

在此方法中,μU和μI是以直線T=T p定位分界的,故稱為直線定位法。其中,點b,c,p,d和e可根據(jù)T-S曲線來確定,而點a和點q則需依溫度斷面圖選定。當隸屬度超過0.5的閉合區(qū)域認為是一個水團,隸屬度超過0.9的區(qū)域認為是水團的核心,隸屬度小于0.5的區(qū)域歸為混合區(qū)域。

1.3 其它資料

本文所用流場資料為美國馬里蘭大學提供的全球海洋月平均流場數(shù)據(jù)(SODA_3.3.2),空間分辨率為0.5°×0.5°,垂直方向為50層,水深范圍為5～5 000 m,時間范圍1980—2017年。ENSO指數(shù)資料來自美國國家海洋和大氣管理局,熱帶太平洋尼諾4區(qū)指數(shù)(Ni?o4 Index)以及西北太平洋暖水體積指數(shù)資料(Warm Water Volume,WWV)來自美國國家大氣研究中心。

結合流場資料,本文計算了北赤道流流量(North Equatorial Current Flow,NECF)與熱輸運量(North Equatorial Current Heat Transport,NECH),黑潮流量(Kuroshio Flow,KF)與熱輸運量(Kuroshio Heat Transport,KH)以及次表層、中層水團的體積和含熱量,具體公式如下:

式中,ρ為密度,C p為比熱容,T為溫度,u為西向流速,v為北向流速。NECF計算選取(137°E,7～21°N)斷面,以26.7等位勢密度(σθ)面為零流速面[25]對格點的u進行深度積分,NECH計算是在相同的斷面上,對u、ρ、C p和T的乘積進行積分得出。KF、K H的計算亦采用此方法,只不過在計算KF、K H時所選取的為選取臺灣以東(121°42′～123°00′E,24°N)斷面,以700 m為零流速面[26]。

2 水團特征分析

2.1 溫、鹽結構分布

將處理后的剖面溫鹽數(shù)據(jù)按季節(jié)歸類,分別繪制T-S點聚圖(圖3),可以發(fā)現(xiàn)散點排列呈現(xiàn)反“S”型曲線,“S”曲線有2個極值點,表明在研究區(qū)域內至少可以劃分出4個水團,從上至下依次為:北太平洋表層水(North Pacific Surface Water,NPSW)、北太平洋次表層水(North Pacific Subsurface Water,NPSSW)、北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water,NPIW)、北太平洋深層水(North Pacific Deep Water,NPDW)[8]。后文依次簡稱表層水團、次表層水團、中層水團和深層水團。圖3中兩個紅色區(qū)域分別代表次表層水團、中層水團,其余水團由于未構造隸屬函數(shù)故整體呈深藍色。紅色區(qū)域代表水團的核心,隸屬度值大于0.9,藍綠色區(qū)域代表水團的邊界范圍,隸屬度值大于或等于0.5。次表層與中層之間的邊界交匯區(qū)域,屬于過渡層面,He等[27]和李鳳岐等[28]稱其為次-中層混合區(qū)域。

對比春、夏、秋和冬四個季節(jié)的變化(圖3)可知,表層水團的T-S點聚圖較為離散,夏秋季離散現(xiàn)象較大,冬春季離散較小,表明表層水會受到來自其它海區(qū)的低鹽度水團流動混合的影響[12]。從T-S平面上看,次表層水團有一定的季節(jié)變化,核心區(qū)域變化較小,主要體現(xiàn)在邊界混合區(qū)域的范圍變化,冬春季節(jié)的混合區(qū)域厚度會稍厚一點,整體鹽度值高于34.7,表現(xiàn)出高溫高鹽特征。中層水季節(jié)變化不明顯,只有輕微的離散現(xiàn)象,整體鹽度值小于34.6,表現(xiàn)為低溫低鹽。中層水向下是深層水團,在T-S平面中深層水團范圍較為集中,鹽度介于34.4～34.7,溫度不高于8℃,季節(jié)變化不明顯。

圖3 4個季節(jié)T-S點聚圖Fig.3 The T-S scatter diagram of 4 seasons

2.2 水團季節(jié)特征

2.2.1 水團大面分布的季節(jié)特征

由于直線定位方法的優(yōu)勢為對次表層以及中層水團的劃分,但缺乏對其它水團隸屬函數(shù)的構造,故重點對次表層以及中層水團選取位勢密度面進行分析。王露等[29]曾利用24.5等σθ面和26.8等σθ面來表征次表層、中層水團的氣候態(tài)特征并取得了較好結果,故本文選取這兩個密度面進行隸屬函數(shù)構造。

1)次表層水

由圖4可見,水團分布于整個研究區(qū)域,邊界能夠達到琉球群島以及日本群島附近。由隸屬度0.9等值線區(qū)域所代表的水團核心表明,次表層水團主要由北赤道流所攜帶的中部太平洋水團遷移形成。春夏季,核心范圍較大(120°～140°E,12°～18°N),表明這一時期的北赤道流西向流動最強;秋冬季,核心范圍收縮,并且在冬季水團整體范圍有輕微縮小現(xiàn)象。

2)中層水

同樣,計算中層水團所在的280～900 m水深區(qū)間的水體隸屬度,選取26.8等σθ面位勢密度面進行分析,水團整體位于10°N以北(圖5)。中層水團的季節(jié)特征不顯著,核心范圍主要位于18°N北部,范圍較大,在10°N附近,為中層水邊界混合區(qū)域,在10°～20°N區(qū)域內隸屬等值線較為平滑,基本平行于北赤道流流軸,表明中層水的邊界一定程度受到北赤道流的影響。

圖4 次表層水24.5等σθ面特征隸屬度分布Fig.4 Distribution of characteristic membership of the subsurface water at 24.5σθ

圖5 中層水26.8等σθ面特征隸屬度分布Fig.5 Distribution of characteristic membership of intermediate water at 26.8σθ

2.2.2 水團斷面分布的季節(jié)特征

因各水團的范圍變化皆穿過137°E斷面,水團在此斷面面積范圍較大(圖6),故選取137°E斷面進行分析。沿該斷面,次表層水團在20°N以南位于100～220 m深度,在20°N以北位于50～220 m深度,整體位于10～28°N區(qū)域內。冬春交替季節(jié)時,20～30°N區(qū)域內表層與次表層混合較為劇烈,邊界性質難以區(qū)分。

圖6 137°E斷面特征隸屬度分布Fig.6 Vertical section of characteristic membership along 137°E

中層水團深度280～900 m,整體位于10°N以北,水團厚度變化不大,但在不同緯度其所在深度不同,從280 m深度開始,10°～15°N之間出現(xiàn)中層水團跡象,隨著深度增加,中層水團范圍向北逐漸擴大,遍布整個研究區(qū)域,深度超過550 m時,中層水團核心整體范圍介于16°N以北,水團核心與水團整體范圍隨深度增加逐漸向北移動并縮小。在30°N緯線上隸屬度線沒有閉合,表明在研究區(qū)域外還有中層水團的存在。本文將各個水團的溫鹽范圍進行梳理,并與李緒錄[30]、陳上及[31]的研究結果進行對比(表1)后發(fā)現(xiàn)結果稍有不同,但總體結果較為吻合。其結果的不同一方面來源于水團隸屬函數(shù)構造思路的差異,另一方面來由于直線定位方法未構造次-中層混合區(qū)域隸屬函數(shù),導致兩層水團的邊界范圍稍稍擴大。

表1 本文與前人次表層水團和中層水團的溫鹽特征Table 1 Comparision of temperature and salinity of the subsurface and intermediate water masses by present and previous study

3 討 論

3.1 水團核心溫度/鹽度的年際變化

將次表層與中層水團核心區(qū)域內的溫度/鹽度平均值作為該水團的核心溫度/鹽度,本文計算了2004—2017年共168個月次表層與中層水團的溫度/鹽度核心異常值,即將逐月的溫度/鹽度減去多年平均的溫度/鹽度值。經低通濾波去掉季節(jié)變化后,得到水團核心溫度和鹽度年際變化(圖7)。

如圖7a和圖7b可知,次表層的溫度、鹽度變化具有較好的一致性,核心溫度22.79～24.02℃,在2004—2010年溫度比平均溫度低0.5℃左右,屬于冷季;2011—2016年溫度比平均溫度高0.3℃左右,屬于暖季;兩者存在一定的周期變化。小波分析表明,次表層溫度存在4 a的周期。核心鹽度介于34.99～35.11,與溫度變化趨勢一樣,2004—2010年鹽度較均值低0.04,2011—2016年鹽度較均值高0.04。小波分析顯示存在約4 a的周期,周期變化與溫度基本一致。中層水的核心溫度為7.47～7.80℃,核心鹽度為34.02～34.16(圖7c和圖7d)。整個溫鹽變化同樣出現(xiàn)正負異常的交替變化,小波分析結果表明,中層核心溫度周期3.5 a,核心鹽度周期為3 a。

為了探尋水團年際變化的原因,本文對次表層160 m、中層550 m等深面做經驗正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)分析,其第一模態(tài)空間分布如圖8所示,次表層溫度、鹽度第一模態(tài)貢獻率分別為51.41%和41.15%,在空間分布上二者表現(xiàn)出了較好的一致性,在18°N以北基本呈現(xiàn)負相位,15°N以南為正相位,且正相位分布的趨勢與北赤道流的流軸較為切合,可能受北赤道流的影響,而負相位主要表現(xiàn)出黑潮的一定影響。中層溫度、鹽度第一模態(tài)貢獻率分別為13.34%和10.62%,對于中層溫度第一模態(tài)分布,整體為負相位,但在臺灣島東部以及日本群島附近出現(xiàn)了正相位,表現(xiàn)出黑潮以及四國島附近洋流的影響。鹽度第一模態(tài)在日本群島南部表現(xiàn)出負相位,向南過渡到20°N附近逐漸接近零。本文將各層時間序列、體積、含熱量與各氣候因子做相關分析,時間序列曲線如圖9所示,結果如表2所示。

圖8 次表層和中層水團EOF第一模態(tài)空間分布Fig.8 The first EOF modes of the subsurface and intermediate water masses

表2 次表層和中層水團變化指數(shù)與氣候變化指數(shù)相關關系(95%置信度)Table 2 The correlations between subsurface/intermediate water mass indicators and climatic indices(95%confidence level)

由表2可知,次表層水團溫度與鹽度時間序列對于各氣候變化指數(shù)表現(xiàn)出了較好的關系。各項系數(shù)基本大于0.3,屬于實相關,與黑潮的相關系數(shù)稍稍較小,但總體說明氣候因子對于次表層的溫鹽性質具有一定的關系。結合其時間序列可以說明,當發(fā)生厄爾尼諾事件時,西北太平洋氣旋性異常環(huán)流加強,北赤道流的流速增大[25],攜帶更多的中部太平洋水團進入西太平洋,導致流軸區(qū)域的溫度與鹽度都升高的較快。在拉尼娜期間,北赤道流的流速減小,流軸區(qū)域的水團溫度、鹽度降低的也較快一些。在18°N北部,次表層的邊界混合區(qū)域溫度變化受ENSO的影響相對鹽度較弱。次表層水團體積/含熱量與各氣候變化指數(shù)的相關系數(shù)相對溫鹽序列稍小,但與前4項氣候因子相關系數(shù)在0.3附近波動,具有實相關特征?？梢奅NSO現(xiàn)象對于次表層水團相關特性具有一定的影響,從相關系數(shù)大小來看,二者的影響程度相當。次表層與WWV的關系表現(xiàn)為負實相關,可以說明西北太平洋暖池的增長與否影響著次表層水團各項特征的變化。

圖9 次表層和中層水團EOF時間序列與氣候變化指數(shù)Fig.9 Climatic indices and EOF time series of temperature and salinity in the subsurface and intermediate water masses

中層水團各指數(shù)與氣候變化指數(shù)相關性都較小,尤其是體積、含熱量與氣候變化指數(shù)的相關關系,皆小于0.3,屬于微相關,但其鹽度與黑潮相關系數(shù)達到了0.3,表明鹽度特征的改變與黑潮有一定的關系。當ENSO現(xiàn)象發(fā)生時,中層水20°N以南的部分溫鹽基本不發(fā)生變化,20°N北部溫度和鹽度會稍稍降低。但總體來講,中層水的結構較為穩(wěn)定,各項氣候因子對其影響均較小。

3.2 與相關指數(shù)之間的關系

通過本文研究可以看出,次表層水團與氣候因子都具有較好的相關關系,ENSO氣候因子具有一定的周期性,其相位的改變影響著大洋環(huán)流以及赤道信風,從而改變海洋內部水體上升下沉等混合過程,最終改變水團的性質[32-33],Ni?o4指數(shù)為通過計算海域(160°E～150°W,5°S～5°N)海溫距平所得,主要影響太平洋中部降雨鋒面的變化,從而對北赤道流向西運動產生影響。對于西北太平洋暖池而言,暖池的表層海溫較高,可以通過感熱、潛熱方式釋放能量進入大氣,影響大氣環(huán)流系統(tǒng),改變著海表的蒸發(fā)降水[34]。本文中暖池與次表層水溫度、鹽度時間序列、體積、含熱量指標皆呈負相關,主要由于暖池在區(qū)域分布上與次表層在空間區(qū)域分布上較為相近,但暖池相對較淺,次表層相對較深,兩者之間由混合層相隔開,所以當暖池發(fā)生變化時一定程度上也易影響著次表層性質的變化。

中層水與氣候變化大部分指數(shù)的相關系數(shù)要小于次表層水,主要為微相關,但鹽度與黑潮的相關系數(shù)要稍大于次表層,說明黑潮可能會對于中層水團的鹽度有一定影響。當氣候因子對海面造成擾動時,次表層水深度較淺,氣候擾動能夠較好的傳遞到該層中。而中層水團較深,水團的構成較為復雜,在不同的緯度,所在的深度范圍也不同,故從單一的氣候因子說明二者的相關關系較為困難,具體影響物理機制還應結合其具體范圍進行獨立探討。

4 結 論

本文利用Argo自動剖面浮標觀測資料對西北太平洋海域(120°～140°E,10°～30°N)進行了水團分析,劃分出北太平洋次表層水團(NPSSW)與北太平洋中層水團(NPIW)的分布范圍,并探討了兩種水團的季節(jié)變化以及年際變化,進而選取水團變化指數(shù)與氣候變化指數(shù)做相關分析。主要結論:

1)次表層水團呈東西向分布,30°N以南區(qū)域皆有次表層水的分布,位于50～220 m深度。24.5等位密面上,核心區(qū)域在130°E以東,與北赤道流流軸相重合。核心區(qū)域面積在春夏季較大,秋冬季較小。50～150 m深度的次表層水主要存在于20°～28°N范圍內,隨深度的增加,次表層水體向南遷移,在150～220 m深度上其已位于10°～24°N之間。次表層溫鹽核心具有一定的年際變化,且二者具有較好的一致性。核心溫度與鹽度的年際變化周期皆為4 a。

2)中層水出現(xiàn)于280 m深度。在280～360 m,中層水分布于12°～14°N;在360 m以深,中層水范圍隨深度增加向西北方向擴大;在420 m深度時,其范圍已擴展至琉球群島附近;最大面積出現(xiàn)在550 m深度,核心范圍介于18°～25°N;在550～900 m深度,水團逐漸向北縮小直至消失。中層水的年際變化明顯,核心溫度周期3.5 a,核心鹽度的變化周期3 a。

3)ENSO對次表層水的性質改變具有一定影響,厄爾尼諾時期,次表層水的核心區(qū)域溫度鹽度升高,邊界混合區(qū)域變化較小,部分區(qū)域會有溫度鹽度降低的現(xiàn)象,拉尼娜時期,次表層水的核心區(qū)域溫度鹽度降低的較快,邊界混合區(qū)域降低的較慢。中層水較為穩(wěn)定,各氣候因子對其溫鹽性質影響較小。

本文研究采用了568個Argo自動剖面浮標的45 771個剖面資料,時間范圍涵蓋了從2004年1月至2017年12月共14 a,因而對水團范圍以及各項指標的劃分更為準確,分析結果能夠為該區(qū)域的水團研究提供一定的參考。