（气象学专业论文）海洋动力过程对南海海面温度的影响.pdf

海洋动力过程对南海海面温度的影响 摘要 南海海面温度( s s t ) 是南海海洋一大气相互作用的关键因子。本文在总结 前人对南海s s t 已有研究成果的基础上，针对海洋动力过程如何影响s s t 这一 前人关注较少的问题，利用多种最新高分辨率卫星遥感观测，以及船舶观测、 卫星遥感合成的资料优势，结合其他历史资料对南海s s t 及其他有关物理量的 气候特征进行了分析，发现冬季南海存在南部冷舌和北部暖脊现象；揭示了冬 季南海冷舌、吕宋暖脊的生消过程及形成机制；从海温变化对大气环流反馈作 用的角度，对春季菲律宾以西海域的高温暖水与南海夏季风爆发的关系进行了 探讨。本文的主要创新成果如下； ( 1 ) 发现冬季南海南部冷舌是冬季印度洋一太平洋暖池在南海的一个。豁 口”，南海冷舌的s s t 季节变化比同纬度带大；北部吕宋暖脊和黑潮温度锋的 s s t 季节变化比同纬度带小；南海中部深水海盆区的s s t 在冬季降至全年最低， 春季升至全年最高，其中5 月出现3 0 x 2 以上的高温暖水仅局限于菲律宾以西海 域。 ( 2 ) 研究发现：冬季南海被东北季风最大风速带的轴线分成两部分，南海 深水海盆东南部正的风应力旋度驱动一个气旋式环流。在越南南部陆坡上强的 向南流作为此气旋式环流的西边界流，流速超过o 5 r i d s ，从北部向南部输运冷 水，这种冷平流导致冬季南海冷舌的形成，冷舌偏于流轴的西北方是e l a m m 平 流作用所致。1 1 2 月西边界流及冷舌都很强，冷舌完全发展，此后随东北季风 的撤退冷舌逐渐消失。在冬季冷舌形成过程中，地转冷平流和海表失热这两项 有利于冷舌的形成和发展，且平流冷却作用大于海洋失热作用，两者相对贡献 之比为l ：0 9 冬季冷舌区与冷舌东侧同纬度海区的s s t 差异主要由地转冷平 流导致。 冬季冷舌的年际变化与东赤道太平洋s s t 有很好的相关性。厄尔尼诺年冬 季风减弱，导致南海海盆尺度的气旋式环流减弱，从而西边界流及其平流输送 减弱，导致南海冷舌变暖。 ( 3 ) 发现了冬季南海北部海洋环流的动力过程对局地s s t 分布也有显著影 响：由于海盆尺度的气旋式环流以及吕宋冷涡的共同作用，使得吕宋岛西北海 域s s t 等温线里东北一西南向倾斜，在吕宋岛西北沿岸形成吕宋暖脊。定量估 算表明，吕宋沿岸强的地转暖平流是吕宋暖脊形成的主要原因，海表失热则为 负贡献，两者相对贡献之比为t ：0 1 2 。在混合层深度较深的冬季，吕宋暖脊区 和同纬度吕宋冷涡区气候平均意义下s s t 的差异，主要是由地转平流效应导致。 冬季吕宋冷涡的强度存在年际变化，是引起对应区域s s t 年际变化大的主 要原因；从黑潮弯曲中脱落的反气旋涡其强度具有年际差异，对吕宋海峡西侧 s s t 年际变化幅度大有较大影响。 ( 4 ) 气候平均意义下，春季菲律宾以西海域3 0 以上高温暖水具有生成晚、 消失快，生命史短的特征；3 0 c 以上高温暖水是局地对流形成的先决条件，也 可能成为南海夏季风爆发的触发机制；高温暖水的出现并面积突增可以作为季 风爆发的先兆。t r 删卫星观测资料证实菲律宾以西海域3 0 以上高温暖水的出 现和消失是1 9 9 8 2 0 0 5 年普遍存在的现象；逐年分析还发现高温暖水的s s t 所能达到的最高温度( 强度) 及其峰值面积具有明显的年际变化特征，且与南 海夏季风爆发时间的早晚关系密切。 以上研究成果为南海海面温度时空变化特征和演变机制的研究以及揭示海 洋动力学在气候变化中的作用提供了一定的理论依据。 关键词：海洋动力过程；海面温度；南海；夏季风爆发 t h ee f f e c to fo c e a nd y n a m i c s o nt h es o u t hc h i n as e as u r f a c et e m p e r a t u r e a b s t r a c t s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ( s s t ) i sak e yf a c t o ro ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e o e g a l la n da t m o s p h e r ei nt h es o u t hc h i n as e a ( s c s ) b e c a u s ev e r yt i t t l ei sk n o w n a b o u tt h ee f f e c to fo c e a nd y n a m i c s ，w ee x p e c tt h er o l eo fo c e a nd y n a m i c si n d e t e r m i n i n gt h es c ss s tv a r i a b i l i t yo nt h eb a s i so f f o r m e rs t u d i e s t a k i n ga d v a n t a g e o fas u i t eo fn e ws a t e l l i t eo b s e r v a t i o n sa n ds o m eh i s t o r i c a ld a t a s e t s ，w eh a v e i n v e s t i g a t e dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fs s t a n di t si n t e r a n n u a lv a r i a t i o n si nt h es c s 。 t h es c sc o l dt o n g u e ( s e t ) a n dl u z o nw a r mr i d g e ( l w r ) a r ef o u n d e do v e rt h e s c sd u r i n gt h eb o r e a lw i n t e r t h ef o r m a t i o na n dd e c a ym e c h a n i s m so ft h es c ta n d l w ri nw i n t e ra r ep r o p o s e d f o c u s i n go nt h es s tv a r i a b i l i t yf o rf e e d b a c k0 1 1t h e a t m o s p h e r e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew a r mw a t e ra n dt h es c ss u m m e rm o n s o o n ( s c s s m ) a r ei n v e s t i g a t e d s o m em a i na n dn e w r e s e a r c hr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) m s c ti sac o n s p i c u o u sg a po f t h ei n d o p a c i f i cw a r mw a t e rp o o li nb o r e a l w i n t e r a n n u a lr a n g eo fs c t ( l w r ) i sl a r g e r ( s m a l l e r ) t h a nt h a to ft h es a m e l a t i t u d i n a lr e g i o n m i ns s ta p p e a r si nw i n t e ra n dt h et i m eo f m a xs s ti sm a yi nt h e m o s to f d e e pb a s i n 3 0 cw a r mw a t e ri sl o c a t e dw e s to f t h ep h i l i p p i n e s ( 2 ) t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m sf o rt h ec l i m a t o l o g ya n di n t e r a n n u a lv a r i a b i l i t yo f s c ss s ti nb o r e a lw i n t e ra r ei n v e s t i g a t e d t h ew i n t e rs c si sd i v i d e di n t ot w op a r t s b yt h ea x i so f t h em a x i m u mn o r t h e a s t e r l ym o n s o o n a lw i n d s n 圮p o s i t i v ew i n dc u r l i nt h es o u t h e a s t e r nh a l fo ft h eo c e a nd r i v e sac y c l o n i cg y r ec i r c u l a t i o ni nt h ed e 印 b a s i na si t sw e s t e mb o u n d a r yc u r r e n t , a ni n t e n s es o u t h w a r df l o wi sf o u n ds o u t ho f v i e t n a mo nt h ec o n t i n e n t a ls l o p es e p a r a t i n gt h es u n d as h e l f t ot h ew e s ta n dt h ed e 印 s c sb a s i nt ot h ee a s t t h i ss l o p et u r r e ta x c e e d s0 5m si ns p e e da n da d v e c t sc o l d w a t e rf r o mt h en o r t h t h i sc o l da d v e c t i o nr e s u l t si nad i s t i n c ts c ti nt h ew i n t e rs s t c l i m a t o l o g y b o t ht h es l o p ec u r r e n ta n ds c t a r es 仃o n g e s ti nn o v e m b e rt of e b r u a r y i ti sf o u n dt h a tt h eg e o s t r o p h i cc o l da d v e c t i o ni st h ed o m i n a n tt e r m sa n dt h e c o n t r i b u t i o no fs u r f a c eh e a tf l u xi st h es e c o n di nd e t e r m i n i n gt h ec o l d n e s st c n d e n c y o ft h ew i n t e r t i m em i x e dh y e r , 晰t l lr e l a t i v ec o n t r i b u t i o na s1 ：0 9 n 圮e f f e c to ft w o t e r m sh e l p st ot h ef o r ma n dd e v e l o p m e n to f t h es c t 1 1 1 eg e o s t r o p h i cc o l da d v e c t i o n i sa ni m p o r t a n tc a u s eo f t h ed i f f e r e n c eo fs s ti nt h er e g i o no f t h es c ta n dt h es a m e l a t i t u d i n a lr e g i o n n l i sw i n t e rs c td i s p l a y sc o n s i d e r a b l ei n t e r a r m u a lv a r i a b i l i t yt h a ti sh i g 址y c o r r e l a t e dw i t he a s t e r ne q u a t o r i a lp a c i f i cs s t i na ne ln i n o t h ew i n t e rm o n s o o n w e a k e n s c a u s i n gt h es c so c e a nc i r c u l a t i o nt os p i nd o w n n 圮r e d u c e dw e s t e r n b o u n d a r yc u r r e n ta n di t st h e r m a la d v e c t i o nr e s u l ti naw a r m i n gi nt h es c t ( 3 ) w i n t e ro c e a nd y n a m i c so ft h en o r t h e r ns c sh a sar e m a r k a b l ee f f e c to nt h e l o c a ls s td i s t r i b u t i o n n 地a d v e c t i o nc a u s et h ei n c l i n eo fs s ta n dt h ef o r m a t i o no f t h el w rn e a rt h en o r t h w e s to f t h el u z o ni s l a n d i ti st h er e s u l to f t h ec o o p e r a t i o no f b a s i n - s c a l ec y c l o n i cg y r ea n dt h el u z o nc o i de d d y q u a n t i t a t i v ec a l c u l a t i o n ss h o w t h a tg e o s t r o p h i cw a r ma d v e c t i o ni sa ni m p o r t a n tc a u s eo ft h ef o r m a t i o no fl w ra n d t h ec o n t r i b u t i o no fs u r f a c eh e a tf l u xi sn e g a t i v e ，w i t hr e l a t i v ec o n t r i b u t i o na si ：0 1 2 i nw i n t e rw h e r et h em i x e dl a y e rd e p t hi sd e e p e r ，t h eg e o s t r o p h i cw a r l la d v e c f i o ni s a l li m p o r t a n tc a u s eo f t h ed i f f e r e n c eo fs s ti nt h er e g i o no f t h el f 馄a n dl u z o nc o l d e d d y t b ei n t e r a u n u a lv a r i a t i o no f t h el u z o nc o l de d d yi nw i n t e ri sa l li m p o r t a n tc a u s e o fa f f e c t i n gt h ei n t e r a u n u a lv a r i a t i o no fs s ti nt h ec o r r e s p o n d i n gr e g i o n t h e i n t e r a n n u a l v a r i a t i o no ft h e a n t i c y c l o n i ce d d ys h e d d i n gf r o m t h ek u r o s h i o d e f o r m a t i o nh a sar e m a r k a b l ee f f e c to nt h ei n t e r a u n u a lv a r i a t i o no fs s ti nt h ew e s t o f t h el u z o ns t r a i t ( 4 ) t h ef o r m a t i o na n dd e c a y o ft h ew a f 皿w a t e rw i t hs s t h i g h e rt h a n3 0 ci n t h eu p p e rs c sw e s to ft h ep h i l i p p i n e si si n v e s t i g a t e du s i n gas u i t eo fn e ws a t e l l i t e m e a s u r e m e n t sa n dt h en c e p n c a rr e a n a l y s i sd a t a i ti sf o u n dt h a tt h ea p p e a r a n c e a n dr a p i de x p a n s i o no ft h i sw a r mw a t e ri sp r o p o s e df o ro b j e c t i v e l yp r e d i c t i n gt h e s c s s mo n s e t o u rh y p o t h e s i ss u g g e s t sa na i r - s e af e e d b a c ks c e n a r i ot h a tm a y e x p l a i nt h ed e v e l o p m e n to ft h es c s s m t h ew a r mw a t e re x h i b i t sc o n s i d e r a b l e y e a r - t o y e a rv a r i a t i o n t h e r ea r ec l o s er e l a t i o n so f t h ew a r mw a t e ra r e aa n ds 订e n g t h t 0m co n s e td a t eo f s c s s m a b o v er e s e a r c hr e s u l t sl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fe v o l u t i o n m e c h a n i s m ，s p a t i a l - t e m p o r a lv a r i a t j o nf e a t u r eo ft h es c s s s ta n dt h ee x p l o r a t i o no f t h er o l eo f o c e a nd y n a m i c so nt h es c s c l i m a t ec h a n g e k e yw o r d s ：o c e a nd y n a m i c s ；s e as u r f a c et e m p e r a t u r e ；t h es o u t hc h i n as e a ；s u m m e r m o n s o o no n s e t 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼i 童旦遗直基地霞壁挂别直明 鲍! 奎拦丑窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 薹靛 签字日期：沙年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作者魏篓 签字日期：2 而参年占月i 同 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签字 签字日期：历伊羼_ 日 电话 邮编 致谢 论文的按时完成首先要感谢导师刘秦玉教授的悉心指导和严格督促。 五载求学寒与暑，悉心教诲朝与暮，五年来，导师在我的成长与科研上倾 注了大量心血，导师在言传身教中所体现的严谨治学态度、高度的责任心、孜 孜不倦的工作精神和不断创新的研究思维都深深的影响着我，使我养成了良好 的科研习惯，具备了独立的科研能力，树立了克服困难、求实求新的探索精神。 是导师一步步把我带入神圣的科学殿堂，让我一步步走进专业研究领域，自己 的每一个进步都与导师的关怀和指导是分不开的。衷心感谢导师l 在论文撰写期间，有幸得到美国h a w a i i 大学谢尚平教授的亲自帮助和指导。 谢尚平教授为我的课题研究提供了丰富的资料来源，他在研究中所体现出的敏 锐的科学洞察力和准确的科学分析方法对我有很大的影响和帮助，特此致谢。 美国w i s c o n s i n 大学刘征宇教授和w o o d sh o l e 海洋研究所的黄瑞新教授， 他们在海大期间对我的研究提出了许多重要的建议，保证了论文的顺利进行， 特此致谢。 感谢王启教授、吴立新教授、孙即霖教授、张苏平教授、胡瑞金教授、黄 菲教授，孟祥凤副教授、贾英来副教授在小组讨论和平日里对我科研方面给予 的启发，建议、帮助和指导还要感谢周发弱教授、吴增茂教授、傅刚教授、 罗德海教授、王伟教授、魏皓教授、盛立芳教授在我研究生期间给予的关心， 教导和帮助。教授们渊博的知识、严谨的作风都深深感染着我，他们的创新、 求实的精神将激励我不断地进步、成长。 另外，感谢李薇、杨海军、王韶霞、潘爱军、刘鹏辉、王剑波、杨建玲、 刘伟、刘衍韫、李丽娟、胡海波、武术、朱小浩、温娜、曹雅静、孙成学、郑 小童等师兄、师姐、师弟、师妹们，在我们相处的岁月里给予我的关心和帮助， 感谢李杰老师在生活上的帮助。 还要感谢我的家人，我能够顺利完成学业与他们在各方面给予的支持和理 解是分不开的。 最后，向以下提供卫星遥感观测资料的单位致以谢意：美国航天航空局喷 气动力实验室( n a s a j p l ) 提供了全球多年平均a v h r rs s t 逐候数据；美国 遥感系统( r s s ) 提供了t r m ms s t 、云水量及q u i k s c a t 海面风矢逐日资料； 法国海洋开发研究院( i f r e m e r ) 提供了e r s 1 e r s 2 海面风应力月平均资料； 法国集中卫星定位局( c l s ) 提供了t o p e x p o s e i d o n ( t p ) - - e r s 卫星高 度计海面高度距平周平均分析资料。 海洋动力过程对南海海面温度的影响 1 前言 南海是位于热带的一个半封闭深水海盆，从海洋一大气相互作用的角度来 看，大气主要通过风应力向南海提供动量，影响和驱动南海上层海洋环流，而 南海上混合层中贮存的能量以长波辐射、潜热和感热交换的形式向大气输送热 量，影响大气运动就海洋动力过程而言，南海上混合层的辐合、辐散过程通 过e k m a n 抽吸效应会影响深层海洋环流；而海洋对大气运动的影响，又要通过 改变上混合层的热状况来实现。可见，对于南海季节、年际时间尺度的气候变 化问题，研究南海上混合层都是十分重要的。 ， ； ， 。 ： 由于上混合层内海水充分混合近乎均匀，海面温度( s s t ) 可以很好地表征上 混合层温度( q i u ，2 0 0 0 ；q u ，2 0 0 1 ) ，因此，海面温度不仅是用于描述海洋表层 热状况的主要指标，而且其异常还是海洋影响大气环流和气候变化的重要因子 所以，在南海海洋一大气相互作用的研究中，南海海面温度一直是人们观测、 研究和预报的重点对象。以往研究多从海洋一大气热交换的角度分析南海海面 温度的时空变化特征以及形成机制，而海洋动力过程尤其是海洋环流的平流对 南海海面温度的影响研究较少 近年来，高分辨率卫星遥感观测资料的大量涌现以及南海上层海洋环流机 理的不断完备，为本文从海洋动力学角度进一步深入探讨南海海面温度的演变 机制提供了有利条件为此，本章首先介绍与南海海面温度有关的一些背景知 识，然后概述有关南海海面温度的研究现状以及存在问题，并给出本文拟研究 的主要内容 1 1 背景知识 南海独特的地理地形使得南海成为典型的季风区，并在很大程度上影响着 南海海洋环流的基本情况，从而影响南海海面温度的空间分布和变化。因此， 海洋动力过程对南海海面温度的影响 有必要先对这些南海背景知识做以简要介绍： 1 1 1 南海的地理地形 图1 1 南海地图( 阴影表示陆地和海底地形) f i 9 1 1m a p o f t h es o u t h c h i n as e a ( t o p o g r a p h ya n db a t h y m e t r yi ss h a d e d ) 南海，又称南中国海( t h es o u t hc h i n as e a ) ，北起2 3 。3 7 n ，南讫3 。o o n ，西自9 9 。l o e ，东至1 2 2 。1 0 7 e ，总面积约3 5 0 万k i n ，是仅次于珊瑚海 和阿拉伯海的世界第三大边缘海，也是我国最深、最大的海。 古往今来，海域辽阔的南海作为联系太平洋和印度洋的航运要冲，凭借其 特殊的地理环境在我国经济上、国防上都具有重要的意义首先，南海的地理 位置十分独特( 图1 1 ) ：海域西、北两侧与亚洲大陆东南部衔接，东北至西南 一线外绕诸多岛屿( 弧) ，主要有台湾岛、菲律宾群岛、巴拉望岛、加里曼丹岛、 苏门答腊岛和马来半岛，岛屿之间通过台湾海峡、吕宋海峡( 包括巴士海峡、 巴林塘海峡和巴布延海峡) 、巴拉望海峡( 包括民都洛海峡和巴拉巴克海峡) 、 卡里马塔海峡，马六甲海峡分别与中国东海、西北太平洋、苏禄海、爪哇海以 及印度洋的安达曼海相连；在这些海峡中，北部的吕宋海峡深达2 8 0 0 m 、南北跨 2 海洋动力过程对南海海面温度的影响 越3 5 个纬距( 1 8 5 。n 2 2 。n ) ，它是南海与大洋进行水交换的主要通道，其 他海峡则都较浅、较窄。其次，南海海底地形相当复杂( 图1 1 ) ：水深超过1 0 0 0 m 的菱形海盆约占南海海域的一半，最大深度约5 0 0 0 m ，海盆内的东沙群岛、中沙 群岛、西沙群岛和南沙群岛由散落的岛礁组成，这使得海盆地形更为错综多样； 海盆外缘包括泰国湾在内的巽他陆架、北部湾以及浅滩区大都浅于l o o m ，因而 从浅海到深水海盆存在陡峭的地形变化( 谢以萱，1 9 8 1 ) 。此外，南海周边陆地、 岛屿上还有海拔超过5 0 0 m 的山脉地形，如：纵贯越南南北的长山山脉、台湾岛 以及吕宋岛( 菲律宾群岛北部) 上的山脉等。 1 1 2 南海季风环流 t 南海因其特殊的地理环境及半封闭深水海盆特征，成为连接热带东印度洋 和西太平洋、南北半球大气相互联系、中低纬大气相互作用的关键海域。南 海地处亚州东南部。亚洲是个冬、夏季风都很强的著名季风区，按季风源地的 不同又可分为南亚( 印度) 季风区和东亚季风区，与印度季风环流系统既相互 独立又相互联系的东亚季风环流系统，东亚季风区可分为南海一西太平洋热带 季风区和大陆一日本副热带季风区因此，季风在南海具有一定的独特性( 丁 一汇和李崇银，1 9 9 9 ) ，被称为南海季风，它作为东亚季风的重要组成部分， 不仅受到印度西南季风气流、1 0 5 。e 越赤道气流的影响，还受到西北太平洋副 热带高压和中纬度扰动系统的影响。 i 就北半球季节平均而言，南海季风环流的基本特征表现为( 图1 2 a ) ： 、 冬季( 1 2 月2 月) 南海低空为东北风，高空西南风；海面被盛行的东北季 风控制。南海冬季风主要由来自大陆冷高压南缘的季节性东北气流和与副热带 高压相联系的东北信风组成。东北季风的建立与冷空气活动有关，一般当亚洲 大陆冷高压明显加强，冷空气南侵数次后，东北季风就会在南海稳定建立 春季( 3 5 月) 南海正处于冬季风向夏季风转换的过渡期，平均海面风为 偏东风。5 月第4 候是南海西南夏季风爆发的平均日期，比印度夏季风的爆发时 海洋动力过程对南海海面温度的影响 间早1 个月左右。 图1 2 南海内区季节平均( a ) 海面风场和( b ) 对应的s v e r d r u p 环流( 引自l i u 等， 2 0 0 1 ) f i 9 1 2 ( a ) w i n ds t r e s s ，w i n ds t r e s sc u r la n d ( b ) b a r o t r o p i ct r a n s p o r ts t r e a mf u n c t i o n i ns e a s o n a lm e a n ( f r o ml i u 吼a 1 2 0 0 1 ) 夏季( 6 8 月) 南海低空为西南风，高空东北风；此时1 8 。n 以南大部分海 区已建立起稳定的西南季风。南海夏季风主要源于南半球的越赤道气流，并受 印度西南季风的影响，因此南海盛行的西南风为我国的江淮流域，两广和台湾 地区及日本的汛期提供了主要的能量和水汽来源。南海夏季风活动是我国季风 研究的重点，通过中国科学家和各国科学家的努力，南海季风试验( s c s 娅x ) 已被列入全球规模的“气候变化及可预报性研究( c l i v a r ) ”计划季风委员会 的重点工作当中。 秋季( 9 1 1 月) 南海由夏季风向冬季风转换，1 5 。n 以北海面风场与冬季 0 型分布特点相似，1 5 。n 以南海面平均风场为偏西风，风速减为北部的1 3 4 咻 州 删 州 海洋动力过程对南海海面温度的影响 南海在东亚夏季风系统和印度夏季风系统之间的相互联系中起着极其重要 的作用。关于南海夏季风的爆发及其爆发机制是我国季风研究中非常突出的问 题。尽管许多学者都认为，亚洲季风首先从南海开始爆发，然后向北推进到中 国东部沿海地区，并同时向西扩展至孟加拉湾与印度次大陆，并于6 月上旬导致 印度季风的爆发。但近年来越来越多的焦点集中在孟加拉湾及周围地区的对流 发展对南海夏季风的影响，因此对于亚洲夏季风爆发地持有不同的看法，有人 认为是孟加拉湾，有人则认为是中南半岛。最近的研究( w u 和z h a n g ，1 9 9 8 ；李 崇银等，1 9 9 9 ；毛江玉等，2 0 0 2 ) 又明确指出亚洲夏季风的建立分为三个阶段： 首先在孟加拉湾东岸的苏门答腊岛爆发，其后向北推进至南海地区，印度季风 最后建立。关于南海夏季风爆发的成因，综合起来主要有以下几种可能机制； 海温的影响，热带强迫，青藏高原的作用，南北半球相互作用，基本气流的对 称不稳定。这些爆发机制的假说，还有待于进一步验证。 一 1 1 3 南海上层海洋环流 二 南海复杂的岸线和海底地形使得南海上层海洋对大气强迫具有与其他深水 海盆不同的响应特征，季风是南海上层海洋环流的主要驱动力。海洋环流则是 海洋动力过程的主体，它的运动和变化对全球和区域的气候变化有着重大影响； 海洋的诸多动力现象，如海洋冷、暖水团，中，小尺度涡流，上升流，沿岸流 等等，所有这些海洋现象均是海流运动和变化的结果( 王东晓，2 0 0 1 ) 就大尺度环流系统而言：冬季南海强劲的东北季风强迫出海盆尺度的气旋 式环流；夏季南海北部气旋式环流减弱，南部则受西南季风驱动出现反气旋式 环流；冬、夏季海盆尺度环流在西边界存在强化现象。 南海环流的一个主要特征是：在空间上具有多层次结构，包括海盆尺度环 流、次海盆尺度环流、中尺度环流结构，在时间上包括瞬时变化、季节变化、 年际变化等南海北部受地形、季风以及黑潮的影响，是海洋涡旋的多发区 海洋动力过程对南海海面温度的影响 1 2 南海海面温度( s s t ) 的研究现状 揭示南海海面温度的变化特征和规律是南海海洋大气相互作用研究中的 一项基础性工作，至今已有不少研究成果。这些研究有的基于不同观测资料， 对南海海面温度的时空分布特征进行分析；有的针对影响海面温度变化的热力 学、动力学因素展开讨论。现对已有研究成果概述如下： 1 2 1 南海s s t 多时间尺度变化特征的研究进展 有关南海短期气候问题中最先引起人们注意的是南海s s t 在年际时间尺度 上的振荡；金祖辉等( 1 9 8 6 ) 提出长江中下游梅雨期旱年和涝年，南海s s t 距平 ( s s t a ) 值的空间分布截然不同。另外，早期对南海表层水温( s s t ) 的研究( 周 发绣和于慎余，1 9 9 1 ；于慎余等，1 9 9 4 ；傅剐等，1 9 9 4 ；周发绣等，1 9 9 5 ) 发 现南海中部深水区的s s t 存在准2 年和3 4 年的年际低频振荡，南海深水区和浅 海区的表层水温( s s t ) 还存在3 0 6 0 天的季节内振荡，这两种振荡分别与南海 经向风，纬向风的振荡关系密切。刘秦玉等( 1 9 9 7 ) 用数值试验表明：冬、春 两季季风与南海表层环流的相互作用，可显著影响南海s s t 的分布。杨海军、刘 秦玉( 1 9 9 8 ) 进一步的分析指出：南海上层水温分布的季节变化明显，其中表 层水温( s s t ) 主要取决于海面浮力通量；冬、春、秋季s s t 为北低南高分布型， 夏季s s t 在越南沿岸有一冷中心。 以上研究为深入理解南海s s t 季节内、季节、年际等多时间尺度的变化特征 奠定了基础。 1 2 2 春季南海暖水北扩与南海夏季风爆发 在南海s s t 的变化研究中，一个突出的热点问题( 王启，2 0 0 3 ) 是春季南 海暖水( 水温高于2 8 的水体) 迅速北扩c h u 和c h a n g ( 1 9 9 7 ) 用1 9 6 6 年的海 洋观测资料分析了南海中东部的暖水区，并首次称其为南海暖池( w a 瑚p 0 0 1 ) ， ，指出太阳辐射增强和海面反气旋风应力造成的上层水辐合导致暖池的形成。何 6 海洋动力过程对南海海面温度的影响 有海和关翠华( 1 9 9 9 ) 也明确提出南海暖池的定义，分析表明南海暖池是独立 于西太平洋暖池的暖水体。陈永利等( 1 9 9 7 ) 通过相关分析认为e 1n i n o 可以 通过西太平洋副热带高压影响南沙暖水的年际变化。贾英来等( 2 0 0 0 ) 分析了 南海暖水空间结构及季节变化特征，同时采用中间( i n t e r m e d i a t e ) 模式对 南海暖水的季节变化进行了模拟，认为局地加热是暖水范围和厚度迅速加大的 原因，西南季风可以维持暖水的厚度，而东北季风则会造成降温和底部冷水卷 入，使得暖水南退。赵永平等( 2 0 0 0 ) 根据s s t 资料定义了南海暖水强度指数， 并对该指数的年际变化与南海夏季风爆发时间的联系进行了讨论，指出前期冬 春季南海暖池持续偏暖( 冷) 时，初夏南海季风爆发一般偏晚( 早) ，并认为这 种关系与初夏南海高压撤出南海的时间有关 针对南海夏季风爆发的原因，我国为主的大型国际合作项目南海季风实验， 取得以下成果： 。 。 通过分析m o o d s 资料，c h u 等( 1 9 9 7 ) 发现有些年份四月上旬在吕宋岛西部 会出现一面积约达5 0 万k m 2 的暖水区，然后随时间向西南方向移动，最高 s s t ( 3 0 5 ) 位于1 1 1 0 e 1 1 6 。e ，7 0 n 1 2 n 海区提出了暖水形成的机制主要 是春季南海中部的反气旋式风场导致的下沉气流可抑制海面蒸发，增加海面吸 收的太阳辐射，还可在海洋中产生反气旋式环流，使表层暖水向环流中心集结， 抑制了上升流，从而抑制了海水垂直混合，这些都有利于s s t 的迅速升高。随着 南海北部夏季风的爆发，到五月中旬表层暖水逐渐消失。进一步，s s t 升高导致 蒸发加大，云量增加，又减小海面吸收的太阳辐射，从而s s t 降低。因此，春季 南海中部表层暖水的产生是局地海气相互作用的一种反应，它的消失也是局地 海气进一步相互作用的结果。 该暖水的存在是否为南海夏季风爆发的必要条件? 是否会形成位于南海上 空的局地垂直大气环流? 如果可以，该环流迭加在背景为亚澳越赤道的季风环 流上，对季风环流有何贡献? 这些问题尚未彻底解决。 7 海洋动力过程对南海海面温度的影响 1 2 3 影响南海海面温度变化的主要因素 还有一些研究则侧重于对南海s s t 变化影响因子进行探讨。许多研究表明： 南海s s t 的变化具有自身的区域性特征，主要受太阳高度角，海面盛行风、海 一气界面热通置、海流分布、与邻近海域的水交换以及陆地径流等热力学、动 力学因素制约。对这些影响因子中，大多数研究集中于探讨南海s s t 与海面风 场( 尤其是海面风的经向分量) 、海面热收支的相关关系( 王东晓等，1 9 9 7 ：王 卫强等，2 0 0 0 ) 。众所周知，海洋环流对s s t 的平流输送，特别是经向的热输送 在海洋热平衡中有非常重要的地位，并在某些特定海域成为s s t 的变异的重要 机制( l i u 等，2 0 0 5 ) 。所以，仅考虑海洋一大气界面热通量的变化无法对南海 s s t 的某些变化特征给以合理解释。o u ( 2 0 0 1 ) 计算了南海上混合层热收支，指 出海面净热通量决定了南海s s t 的年循环，但海洋动力过程的作用也不可忽略。 那么，南海哪些海洋环流会对s s t 的演变起到重要作用? 由于对南海海洋环流 的认识不足，这是一个前人较少涉及，尚未解决的问题。 近年来，有关南海上层海洋环流的研究，无论是在动力学理论，还是在观 测手段、数值模拟方面都取得了较大的进展。从而为进一步研究南海海洋动力 过程，尤其是海洋环流的平流在南海s s t 的变化中所起的作用提供了理论依据。 下面列举几个主要有关南海上层海洋环流研究成果，在此基础上确立本文 所要研究的主要内容。 ( 一) 南海上层海洋环流季节变化的动力学框架 l i u 等( 2 0 0 1 ) 在将南海考虑为一个封闭海盆的情况下，根据s v e r d r u p 流 函数分布可以反映南海海盆尺度环流的结构，首次建立了南海上层海洋环流季 节变化的动力学框架，该“框架”指出：季风驱动南海海洋环流主要是通过斜 压第一模态r o s s b y 波的调整来实现，该波在南海调整时间为l 一3 个月，该动力 学框架较好地解释了1 8 。n 以南南海季节平均意义下的上层海洋对冬季风和夏 季风的响应特征。 矗 海洋动力过程对南海海面温度的影响 1 8 。n 以南南海上层海洋环流冬、夏季基本上由海面风应力旋度确定，南海 西边界流( w b c ) 具有明显的季节反转：冬季东北季风强迫出海盆尺度的气旋式 环流，南海西边界流向南；夏季南海南部则受西南季风驱动，出现反气旋式环 流，南海西边界流向北。x i e 等( 2 0 0 3 ) 的研究表明：夏季南海s s t 年际变化的 最大区域位于南海中部，对应着夏季南海冷丝，该冷水区主要是由夏季西南季 风在越南沿岸引起的上升流导致的。可见，南海夏季具有冷丝的现象，是季风 驱动下w b c 对温度的平流作用所致。那么，冬季东北季风驱动下南海向南的西 边界流会对s s t 的空间分布和变化有何影响呢? 这是本文所要讨论的重要内容。 ( 二) 南海的涡旋冬季吕宋冷涡和夏季越南冷涡 由于近年来对南海观测强度的加大，发现了一些具有显著周期变化的次海 盆尺度涡旋，其中最明显的是冬春季位于吕宋岛西北海域1 6 。n 1 9 。n 之间的 吕宋冷涡和夏秋季位于越南东岸1 2 。1 4 9n 之间的越南冷涡( q u ，2 0 0 0 ) 杨 海军( 2 0 0 0 ) 的研究结果表明：观测和p o m 模式模拟的海面高度和温度场上均 有吕宋冷涡和越南冷涡。这两个冷涡的共同点是相对周围水体而言中心水温很 低，在3 0 0 m 以深仍很明显吕宋冷涡冬季比春季强，夏秋季消失；越南冷涡夏 季比秋季强，冬春季消失。由于两冷涡所在海域深度均超过1 0 0 0 m , 它们的产生不 仅是由局地正的风应力旋度造成的e k m a n 抽吸引起的，而且还应与海盆尺度垂 直环流有联系s h a w ( 1 9 9 6 ) 也认为吕宋冷涡是局地风场和海盆尺度深层水平 环流共同作用的结果 。 、 吕宋冷涡的存在时间为6 个月( 1 0 3 月) ，其强盛期期间的水平尺度约为 4 5 个纬距，垂直厚度约为8 0 0 m ，它对应着系统且连续的沿岸上升流。吕宋冷 涡主要是南海局地风应力强迫的结果，黑潮的贡献是次要因素，它们的贡献之 比约为2 ：l 。海面浮力通量对冬季南海北部负的s s h a 有明显贡献，但对吕宋冷 涡却无促进。吕宋冷涡可看作冬季南海北部的斜压r o s s b y 波，它的时空尺度及 其演变过程可以用海盆尺度r o s s b y 波动理论来解释，西移速度约为5 8 c m s ， 9 海洋动力过程对南海海面温度的影响 移动路径受风