南海西边界流时空特征初探

利用高分辨率的OFES数据,通过对中南半岛和海南岛沿岸比较有代表性的几个断面进行流速剖面分析和体积输送量计算,初步探讨了南海西边界流的时空特征.结果显示南海西边界流的季节变化特征明显:夏季向北流,冬季向南流,且冬季强于夏季.在体积输送大小上,越南沿岸流的体积输送量大小为(7.4±7.0)Sv,紧邻海南岛的沿岸流大小仅为(0.57±0.5)Sv,112.0°E以东的海南沿岸西边界流体积输送大小约为(4.8±1.9)Sv,并且常年向南流动.夏季的南海西边界流在北上到达中南半岛的东南部以后偏离岸线向东流动.随着夏季风的盛行,离岸流的流速变大,主轴发生了明显的摆动,由14.0°N移动到了10.0°N.离岸流对西边界流有着显著的影响作用.     

西太平洋暖池时空分布特征及其与ENSO的关系

应用NCEP/NCAR SST资料和SODA海温资料,分析研究了热带太平洋海温场的变化特征,讨论了气候突变前后热带西太平洋暖池(以下简称WPWP)形态的显著变化及其差异,由此重新界定了WPWP的范围,并进一步分析了WPWP的时空变化特征。结果表明,新界定的WPWP气候平均场与前人定义的气候平均场分布特征基本相同,但也存在一定的差异。新界定的WPWP的优点在于它不仅能够客观反映出气候(海洋)突变前后西太平洋暖池的时空变化特征,而且重要的是可以避免由前人定义的WPWP与东太平洋暖池合为一体的现象发生,从而避免人为地计算WPWP面积变化带来的结果差异。新界定的WPWP平均深度可达130 m左右,呈现出西浅东深的"耳状"分布特征,在冬春季节,南北(经向)窄东西(纬向)宽,呈纬向带状分布;在夏秋季节,WP-WP明显向北扩展。平均深度最大中心位于(5°S,180°)附近。由WPWP区域不同深度的异常海温变化与Niño3指数的相关分析可知,WPWP次表层异常海温变化与Niño3指数呈显著的负相关关系,而与表层的异常海温的关系并不密切,这一结果进一步证明了西太平洋暖池对ENSO的贡献是来自次表层异常海温的东传。     

夏季风爆发期南海西边界急流的变化特征研究

南海西边界区域的海流是南海环流中的主要流系,其物质、动量及能量交换可以影响到整个南海。通过分析高分辨率的HYCOM同化数据,同时结合再分析风场数据,对季风爆发时南海西边界急流的特征进行研究,主要结论概括如下:夏季风爆发时期南海环流最主要的变化发生在西边界区,西边界急流的型态转变导致了南海整体环流型态的变化;由截面流速分析结果可知,每年南海西边界急流在季风爆发过程中的变化相较于其它区域是比较恒定的,但其它区域的不稳定变化并不影响南海环流型态的过渡过程;地形、黑潮同季风一样是南海西边界急流型态转变的重要动力因素。     

ENSO与南海SST关系的年代际变化

基于NOAA重建的海面温度(sea surface temperature,SST)资料和NCEP再分析大气资料,研究了ENSO(El Ni?o-Southern Oscillation)与南海SST关系的年代际变化。结果表明:ENSO影响南海SST的冬、夏季"双峰"现象发生了显著的年代际变化,即冬季的"峰值"自20世纪80年代显著减弱,而夏季的"峰值"稳定持续且在20世纪70年代之后增强;冬季"峰值"的减弱可能与冬季西北太平洋反气旋的年代际变化有关,夏季"峰值"的维持和增强可能与20世纪70年代之后印度洋SST"电容器"效应的增强有关。     

南海近海面风场变化特征及其与ENSO的相关性研究

利用1979—2017年共39 a欧洲中期天气预报中心(ECMWF)海表面10 m风场资料,采用经验正交函数方法(EOF)、小波时频特征分析等方法分析了南海近海面风场变化特征及其对ENSO的响应。结果表明:南海近海面风场第一模态海表面平均风速呈减小趋势,呈现年代际变化,且与ENSO相关,但相关性在1990年后趋于减小;第二模态中南海北部和南部平均风速呈减小趋势,中部增大;第三模态中南海中部海表面平均风速趋于减小,北部和南部增大,第二和第三模态均表现为年际变化,且均与ENSO显著相关,近年来ENSO与第三模态的相关性逐渐增强。春季南海表面平均风速从南到北逐渐增加;夏季在越南沿岸部分海域仍有一个风速极大值中心,从该海域向四周逐渐减小,整片海域风向均是西南风;秋季由南向北依次增加;冬季南海整片海域风速都较大,越南沿岸和我国东沙群岛海域存在两个极大值中心。     

南海区域对流活动的气候特征及其与ENSO的关系

利用1979—2013年NCEP再分析向外长波辐射、降水率和ENSO指数资料,运用联合经验正交函数等诊断方法,分析了南海区域各季对流活动年内、年际尺度变化特征和年际变化与同期ENSO指数的关系。结果表明:南海南部对流活动各月之间少变,南海中北部区域对流被抑制期和活跃期均较为持久,对流活跃区5月中旬中期跳跃北扩,9月后由北向南缓慢撤退;南海区域秋、冬和春季变化表现出良好的全区一致性,冬季对流活动较好地保留了上年秋季的异常状态,并进一步稳定地持续到春季;秋、冬和春季活动的年际变化很可能受ENSO调制,厄尔尼诺状态下,南海对流活动受抑制,拉尼娜状态下相反;夏季对流活动表现出南北反向型和全区一致型的两类重要年际变化形态,前者可能受ENSO的调制,厄尔尼诺抑制南端对流而使北端对流更活跃,后者有明显的线性趋势,气候变暖使夏季南海上空对流更活跃;春季对流的异常状态很难持续到夏季。     

南海西边界强流区季节和年际变化特征

基于1951—2010年SODA海洋同化数据资料,研究分析了南海西边界强流的季节及年际变化的特征,目的是为进一步探讨南海西边界强流的季节及年际变化机理奠定基础。分析研究发现:(1)南海西边界强流空间位置、水平和垂向范围及环流形态等季节变化明显,冬季环流形态空间位置稳定,强流一般9、10月份出现并开始加强,最强出现在12月份,1月份开始逐渐减弱。强流的水平范围一般为60—110 km,垂向范围在50—200 m之间,水平和垂向范围一般随着强流的增强(减小)而扩大(缩小);夏季环流形态变化较为复杂,强流空间位置不稳定,且逐步分裂成两支,一支移至近岸,一支在离岸原中心附近,分裂过程呈现由北向南推进的趋势,近岸支强度、垂向范围季节上没有明显变化规律,但北、中和南部有差别,北部分裂不明显且流速不大,南部分裂明显且近岸支流速较大;(2)南海西边界强流存在显著的年际变化,在转换月份上,夏季形态转换月份最早为2月份,最迟则到6月份,冬季形态转换月份最早为8月份,最迟则到11月份;流量输送上,冬季最大年份的达到23.3Sv,最小的年份流量只有1.5Sv,年际最大差异20Sv以上,夏季年际最大差异幅度也有10Sv以上;利用小波能谱分析南海西边界强流在年际变化上具有两个显著的准周期振荡:36个月(3 a)和大约99个月(8—9 a);(3)在1950年至2010年61 a时间段里,南海西边界流流量体积输送总体呈现出一种缓慢增加的趋势。     

印度洋鲣鱼围网资源渔场时空变化及其与ENSO的关系

鲣鱼是印度洋重要的金枪鱼种类之一,其资源丰度与海洋环境关系密切。本研究根据1980-2010年印度洋鲣鱼围网生产统计数据以及海洋环境与厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）指数等,对印度洋鲣鱼围网资源渔场时空分布,以及厄尔尼诺年和拉尼娜年等不同尺度气候条件下鲣鱼资源渔场时空变动及其与海洋环境因子的关系进行分析。研究结果表明,1980-2010年印度洋鲣鱼围网渔获量基本保持不断增加的趋势,但CUPE值变化幅度较大,最低仅为0.68 t/d（1997年）,最高达到1.58 t/d（2002年）。同时鲣鱼资源丰度（CPUE）与Ni?o3.4区指数存在显著的负相关关系,即厄尔尼诺年,鲣鱼CPUE 随之下降,拉尼娜年,CPUE 随之上升。ENSO现象对鲣鱼渔场时空分布也有显著影响,厄尔尼诺发生时,鲣鱼围网作业渔场重心会向东、向北移动,而拉尼娜年则向西、向南移动。     

西太平洋暖池海温的时空变化及其在ENSO循环中的作用

应用SODA_1.4.2版本资料,分析研究了热带西太平洋暖池(以下简称WPWP)海温场的变化特征,讨论了WPWP海温的时空变化特征与ENSO之间的联系途径.分析结果表明,在上层海洋,WPWP的海温场在垂向结构上具有显著的年际变化特征,在不同深度存在较大差异.表层的异常海温出现明显的增温趋势,在47年期间(1958-2004)增温幅度达0.15℃.而随着深度的增加,异常海温出现明显的降低趋势,次表层(120-170 m)的降温幅度最大,其降温可达-0.72℃.这种变化可能与20世纪70年代末WPWP区域的海温场发生突变过程存在一定关系.另外,在热带太平洋温跃层曲面上,WPWP区域海温变化与赤道东太平洋海温变化存在跷跷板现象.据此,定义了赤道东西太平洋温跃层曲面上异常海温变化强度指数,为ENSO循环过程的研究提供了又一参考依据.通过对WPWP不同深度的异常海温和海流分析发现,WPWP异常海温的东传过程与赤道潜流的强弱变化存在密切关系.     

南海海面风、浪场时空变化特征及其关系分析

利用长时间序列的卫星观测数据,对南海海域的风、浪场时空分布及其相互关系进行了分析。结果显示,海面风距平场VEOF分解后得到的第一模态具有明显的季节变化,即季风特征,说明季风是影响整个南海风速的主要因素;第二模态具有较强的区域变化特征,是季风转换时期的距平场特征;第三模态反映的是海面风距平场受陆地地形影响所表现的分布特征。有效波高距平场EOF分解后得到的第一模态、第二模态与风距平场的前2个模态的空间分布较为相似,并且,风、浪距平场第一模态间的相关系数达0.76,均说明南海作为边缘海其波浪场与风场变化有很好的相关性。有效波高第三模态的分布与风场的第三模态相关性较弱,反映的是受海底地形影响所表现的分布特征。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

山东气候年际变化特征及其与ENSO的关系

利用1951年以来65年的热带太平洋海表面温度数据和中国气温以及降水的站点观测资料,通过标准化处理和合成分析的方法,分析了山东气温和降水的季节气候特征及其年际变化,揭示了ENSO冷暖位相发展年及衰减年与山东气温和降水年际气候异常的关系。结果表明:在气温方面,山东地区春夏和秋冬季节温度分别呈经向和纬向分布,降水一年四季都表现为南多北少的特征;冬季鲁西北的气温年际变化在1°C以上,最为显著,而秋季气温的年际变化最不明显。对于降水的年际变化,夏季鲁西北、鲁南东部和胶州湾西部地区的年际变化最大,季节累计降水量异常最大达120mm以上,冬季降水年际变化最弱。ENSO对山东地区不同季节气温和降水异常强度的影响并非严格反对称,且存在显著的空间分布不均匀性;拉尼娜对山东气温年际变化的影响要比厄尔尼诺强、且影响范围广,厄尔尼诺对山东降水年际变化的影响更明显;厄尔尼诺和拉尼娜发展年和衰减年夏季对山东南部沿海地区(以青岛为例)气温正负变化的影响是反对称的,但是对内陆地区(以济南为例)而言,在厄尔尼诺/拉尼娜发展年冬季以及衰减年夏季两者对济南气温的影响是一致的;ENSO发展年夏季和秋季,厄尔尼诺/拉尼娜对南部沿海地区和内陆降水的影响不对称,但是对衰减年夏季降水的影响是反对称的。     

南海波浪时空变化特征研究

利用SWAN波浪数值模式和ECMWF的ERA-Interim风场数据建立模型,对中国南海地区1981-2012的波浪进行了计算。利用浮标实测波浪资料进行对比验证后发现,波浪的计算结果良好。利用计算的结果进行分析,得到如下的结论:1.有效波高距平场的EOF分解结果显示,第一模态解释了波浪变化的最主要形态,具有明显的季节性特征;第二模态反映了季风的季节转换对有效波高的影响;第三模态代表的可能是地形的某种变化对有效波高变化的影响。2.整个南海地区主体的常浪向为NE,强浪向以NE和N为主,这主要是由于风速大且持续时间长的冬季风造成的。3.南海冬季有效波高最大,主要是受冬季风影响;夏季西南季风对南海南部的影响大于北部。4.100年一遇重现期有效波高整体北大南小,北部接近17m,南部为9m左右。     

南海赤潮的时空分布特征及其与南海环境关系的综合分析

利用历史数据和卫星观测,系统分析20多年来(1980年-2003年)在南海海域发生的赤潮事件与环境特征,详细比较赤潮在南海四大区域(北部、东部、南部和西部海区)的区域分布、多发藻种和季节变化等特征。研究结果表明南海海域赤潮发生具有以下特点:(1)区域性:赤潮多发区域集中在珠江口附近(中国),马尼拉湾和马辛洛克湾(菲律宾)和沙巴州的西海岸(马来西亚);(2)季节性:在北部海区,赤潮的发生时间主要集中在3-5月份,东部海区在5-7月份,西部海区在7月份,而南部海区在全年都会发生;(3)藻种差异性:主要赤潮藻种在北部海区是夜光藻(Noctiluca scintillans),东部海区和南部海区是扁甲藻(Pyrodinium bahamense);(4)年际变化:不同海域赤潮的多发年份不同,对于整个南海而言,1991-1998年是赤潮的多发年。赤潮发生受到环境条件的影响,如季风、河流的排放、上升流、以及沿岸海域水体富营养化。     

赤道潜流变化及其与ENSO的关系

应用TOGA/TAO实测海流和SODA全球海洋再分析资料,分析研究了热带太平洋赤道潜流的变化特征及其与ENSO循环的关系,初步探讨了赤道潜流变化对两种不同类型(中部型和东部型)ENSO事件的影响。对赤道潜流距平场的EOF分解表明,第一模态为东太平洋潜流模态,特征向量主要反映东太平洋赤道潜流的变化情况;第二模态为中太平洋潜流模态,特征向量主要反映中太平洋赤道潜流的变化情况;这两个主要模态基本可以反映赤道潜流距平场的主要信息。这两个模态对应的时间系数有明显的年际变化特征,并且与NINO指数都有较好的负相关,最大相关均通过99.9%的信度检验。相关分析表明潜流第一模态的变化滞后于NINO指数变化,而第二模态的变化则提前于NINO指数变化,即ENSO事件对东太平洋赤道潜流的变化有一定影响,而中太平洋的潜流变化又会对ENSO事件产生影响。通过个例分析表明,中太平洋赤道潜流的变化对两种不同类型ENSO事件的发生有重要影响。在东部型ENSO事件发生前,中太平洋赤道潜流增强,这样西太平洋暖池的异常海温在潜流的引导下快速向东传播,直接到达东太平洋形成东部型ENSO事件;中部型ENSO事件发生前,中太平洋赤道潜流明显减弱,西太平洋的异常海温不能迅速东传速,在中太平洋堆积上升到达海面,使得中部型ENSO事件爆发。     

南海西南海盆地震反射特征及其形成时代

利用横穿西南海盆的地震剖面，结合声纳浮标资料获得的海盆中沉积物及基底的速度结构，同时结合陆上的钻井分层，并与邻区的沉积盆地地层进行对比，在西南海盆中划分出T2、T3、T4、、T5、Tg5个反射界面。T5界面之下的沉积层对应的年龄约为27Ma，即西南海盆在早渐新世开始扩张；T4界面以上的沉积在海盆中基本呈披覆式沉积。因此，海盆信止扩张的年龄应该在16Ma左右，即西南海盆的扩张时段为早渐新世－中中新世，穿过中央海盆的地震剖面显示海盆中的沉积结构与西南海盆相似，由此推测这两个海盆的海底扩张时代相近，可能是同一次海底扩张的产物。     

北太平洋西边界流的低频变化特征

基于日本气象厅长时间序列的温、盐度再分析资料,利用动力计算方法分析了北太平洋西边界的北赤道流及其下游黑潮和棉兰老流流量的年际和年代际变化,并探讨了北赤道流变化的可能原因。结果表明,北赤道流和黑潮具有比较一致的年际和年代际变化,均在1976年前后发生了一次气候跃变,之后有长期偏强的趋势,而棉兰老流的年际和年代际变化则有所不同。特别是,北赤道流1976年之后增加的流量似乎大多进入黑潮,而流入棉兰老流的流量则减少。进一步的分析还表明,西传的Rossby波和棉兰老冷涡的变动可能对北赤道流的年际变化有重要影响。     

中国东南春季降水异常特征及其与ENSO关系的年代际变化

利用中国160站观测降水资料和美国NOAA ERSST海温资料以及NCEP/NCAR再分析资料,研究了中国东南地区春季降水异常特征及其与ENSO关系的年代际变化。结果表明:东南春季降水异常具有全区一致性,在1950年代末之前有不显著的上升趋势,之后一直呈现下降趋势,其中在1960年代初至1970年代初下降趋势显著,1980、1990年代趋势较为平稳,1999年之后下降趋势增加。在过去64年中,中国东南春季降水与ENSO有显著的相关关系,即在El Ni珘no事件发生的次年春季,东南地区一般降水偏多,其主要机制为ENSO通过影响西北太平洋异常反气旋进而影响中国东南地区春季降水,并且利用前冬季Ni珘no3区海温指数可提前4个月较好地预测东南地区春季降水。进一步分析表明,东南春季降水与ENSO的相关关系具有年代际差异:在1969—1990年间两者相关性较好;而在1951—1968年和1991—2014年间,两者相关性较弱。在不同时间段内,与东南春季降水相应的春季环流系统有较大差异,ENSO作为影响因子的重要性也发生变化。在1951—1968年,影响降水的环流系统主要位于中高纬度,而西北太平洋反气旋位置较为偏东,难以影响到中国东部地区;在1969—1990年,副高和西北太平洋异常反气旋是影响东南春季降水的主要环流系统,反气旋西侧气流是提供水汽的主要来源;在1991—2014年,东南春季降水受到高低纬环流系统共同影响,来自印度洋西风气流和西北太平洋反气旋西侧气流共同为降水提供水汽,ENSO的作用减弱。因此,在中国东南春季降水预测中必须根据不同年代际背景考虑ENSO作为预报因子的可靠性。     

渤黄海海平面的变化及其与ENSO的关系

利用1992年12月至2007年5月的高度计资料,研究了渤黄海海平面的变化特征。统计分析表明,近14a间渤海及北黄海、中央黄海海平面的平均上升高度分别为45.9mm和34.7mm,各海域的海平面上升速度不完全相同。研究发现,南方涛动指数(SOI)、纬向风应力距平都与渤海及北黄海、中央黄海的SLA呈负相关性,渤黄海海平面显著受SOI、纬向风应力调制,并且,SOI与渤黄海海域的风场之间有良好相关。将坐标系进行旋转后,获得与当地海平面异常相关最大的风应力方向。对SLA与新坐标系下风应力距平u的低频分量分析发现,渤海及北黄海海区、中央黄海对海平面影响最大的风应力距平u方向分别为东偏南20°方向、东偏南8°方向,风应力距平u分量与SLA、SOI的低频分量呈现更好的相关性。ENSO通过大气环流过程对渤黄海海域的风场产生影响,当地风场通过纬向风应力对渤黄海海平面的年际变化产生调制作用。因此,ENSO可以通过风应力对渤黄海海平面产生影响。     

南海及其周缘中新生代火山活动时空特征与南海的形成模式

根据南海海区、华南和中南半岛的地面露头、钻井、拖网及地球物理资料,分析了南海地区火山活动的时空分布特点。在南海陆缘和周边陆区中生代末期花岗岩分布非常广泛。新生代火山岩活动规模较小,主要是海底扩张之后在洋盆扩张脊、北部陆缘的陆洋边界附近、雷琼地区和中南半岛南部的玄武岩。在南海北部陆缘的深部地震调查中发现,在地壳下部存在小规模的高速异常体,结合浅部的晚第三纪一第四纪火山活动,认为该高速体形成于南海扩张之后。这些特征表明,在南海的拉张过程中岩浆供应不丰富,在陆缘未形成大规模的侵入和喷出岩。南海陆缘属于岩浆匮乏型被动大陆边缘。南海海区残留多个刚性断裂陆块,反映了裂谷拉张过程中脆性破裂。根据这些特征,南海形成难以用印藏碰撞引起的软流圈物质上涌导致岩石圈破裂这样的模式来解释。