Ekman抽吸對南海海面升高變化的貢獻

張進樂，李少偉，鄔曉冬

（1.國家海洋局廈門海洋預報臺，福建廈門361008；2.大連市氣象局氣象服務中心，遼寧大連110001）

Ekman抽吸對南海海面升高變化的貢獻

張進樂1，李少偉1，鄔曉冬2

（1.國家海洋局廈門海洋預報臺，福建廈門361008；2.大連市氣象局氣象服務中心，遼寧大連110001）

利用NECP海表風場資料和T/P衛星高度計資料，研究風場通過Ekman抽吸對南海海面升高變化的貢獻。通過分析發現：對于南海200 m以深區域的平均海面升高的變化，Ekman抽吸在1月和2月份起到主要作用，其他月份和海面升高變化反號。在年際尺度上，Ekman抽吸的EOF第二模態對海面高度的第一模態具有緊密的聯系。

Ekman抽吸；海面升高變化；南海；EOF

1 引言

南海為與中國陸地的最南端，屬于熱帶地區。南海是半封閉性的海盆，在北部通過臺灣海峽和東海相接，通過呂宋海峽和北太平洋聯系，在南端主要通道為卡里曼塔海峽[1]。南海在連接北太平洋和印度洋之間起著重要的作用[2]。

南海位于東亞季風區，冬季為東北季風，夏季轉為西南季風（如圖1）。季風的轉換控制著南海海盆尺度的表層環流，對南海起著重要的動力驅動作用[3]。海表風場通過摩擦對海水表層動量收支起到重要作用，是其直接動量的源和匯。

近年來，海面高度的變化方面有過許多的研究[4-6]，但是引起海面高度變化的動力機制至今還未完全清楚。對于南海海面高度的研究也有許多。利用海面高度計資料，發現在呂宋、臺灣以西的海面高度存在冬、夏反位相的分布特征，即冬季是低值區，夏季是高值區[7-8]。Li等[9]利用1993年到1999年的衛星高度計資料計算發現，南海的海面高度以每年10 mm的速度在上升。Cheng和Qi[10]利用更長的衛星高度計資料（1993—2006年）計算發現，南海平均海平面的上升速度為每年11.3 mm。Fang等[11]研究發現，南海海面高度在1993—2001年表現為線性增加，而在2001—2003年表現為降低。很多研究表明海面高度的變化與ENSO循環是有緊密聯系的[12-15]。Cheng和Qi[10]研究指出，上層的熱力變化是影響海面高度變化的非常重要的機制之一。Rong等[16]指出Ekman抽吸也是海面高度變化的影響因素之一。

南海海面高度具有顯著的季節變化，海面高度的變化是由于海水的輻散輻合、密度的改變以及表面淡水通量等諸多因素造成的。由正壓連續方程可以知道，海面高度的變化是由非線性以及垂直速度引起，零階近似下，海面高度和溫躍層成正比，風場通過Ekman抽吸影響溫躍層的變化，從而引起海面高度的起伏，在研究南海暖流的形成機制方面，Wang等[17]從Ekman抽吸的角度分析發現，由于風應力旋度的抽吸作用導致溫躍層的下沉，從而引發海面高度的上升，在陸架外側形成高壓力帶，地轉平衡下，成為南海暖流的西段驅動力。因此本文從Ekman抽吸的角度來診斷計算風場對南海平均海面高度變化的貢獻。

2 資料和研究區域

2.1 資料

本文所用的表面風場資料為NECP（National Center forEnvironmental Prediction）月平均再分析資料，分辨率為2.5°，時間1950—2009年，一共60年（但本文的研究中只用到了1993—2008年的數據）。

海面高度資料是T/P衛星高度計資料（該產品為TOPEX/Poseidon,ERS及Jason1三顆衛星的融合產品），分辨率為1/3°，時間從1992年開始，共17年，時間分辨率為周。

2.2 研究區域

本文研究區域為南海整個海盆200 m以深的區域（見圖2）。

圖1 氣候態風場分布（等值線為200 m水深線）

圖2 研究區域（等值線為200 m和1000 m等深線）

3 南海海面高度分布特征

3.1 季節海面高度分布

圖3是南海200 m以深區域的年平均海面高度異常分布（相對于多年平均的海面高度的異常，融合產品中的平均海面高度是利用1993年1月—1999年12月數據計算得到）。可以看到呂宋海峽以西存在一個很強的高值中心，即呂宋冷渦。由此可見呂宋冷渦是一個較為穩定的系統。在西邊界存在非常明顯的波動特征，即Kelvin波。在海盆中央則是非常強的Rossby波的形態。

圖4是海面高度異常的方差分布。呂宋海峽以西為一大值中心，和呂宋冷渦相對應。說明呂宋冷渦存的強度存在著顯著的季節變化。在西邊界處也存在著非常強的方差分布，這同邊界的作用相聯系，季風和岸線的相互作用導致了該區域的海面高度變化顯著。

圖5是南海海面異常在各季節的空間分布。在冬季，海面高度異常在海盆中部為低值分布而在陸架為高值區，這種分布形態與冬季氣旋性環流相對應。在春季，海面高度異常分布的主要特征是越南以東的高值區域，這與南海西部的春季暖渦相對應。在夏季伴隨西南季風的建立，南海環流轉變為海盆尺度的反氣旋環流，并且在越南以東存在顯著的離岸流的分布，與此對應的是南海海面高度異常在海盆中部為高值分布而在陸坡區域這表現為低值區域。在秋季為西南季風向東北季風的轉換季節，此時的環流特征由反氣旋向氣旋性環流轉換。

3.2 海面高度分布的年際變化

本文利用EOF（經驗正交函數分析）分析南海海面高度異常的年際變化。表1是對南海海面高度異常進行EOF之后前兩個模態的方差貢獻。根據North等（1982）提出的檢驗方法，南海海面高度的前兩個模態具有顯著的差異。

圖6是海面高度EOF的第一模態，它描述的是海盆中央的正異常以及南北陸架上的負異常分布特征，特別是呂宋以西的高值分布中心與呂宋冷渦的存在有一定的關系。從時間系數上可以看到其表現有顯著地年際變化特征。從年際尺度上可以看到，該模態具有正向增強的趨勢，即時間系數線性的增加。

圖3 南海氣候態年平均海面高度異常分布（單位：cm；等值線為200 m等深線）

圖4 南海海面高度異常方差分布（單位：cm；等值線為200 m等深線）

圖5 南海海面高度異常季節分布特征（單位：m；等值線為200 m等深線）

表1 EOF前兩個模態的方差貢獻

圖7是EOF的第二模態，方差貢獻率為10.0%。從空間分布特征上可以看到，該模態描述的是南海西側的暖渦結構，在西沙以及越南東岸分別存在強的正異常分布，這與南海每年春季在海盆西側出現的長時間暖性渦旋是相關的。從時間系數上可以發現，第二模態的變化相對于第一模態來講頻率更高，并且沒有表現出特別明顯的線性變化趨勢。

以上兩個模態與前人研究的結果相似[18]，一方面驗證了本文結果的可靠性，另一方面由于本文選用的時間序列更長，因而在年際尺度上較為明顯的表現出模態的線性變化趨勢。

圖6 南海海面高度異常EOF第一模態的空間分布和對應的時間系數（紅線為時間系數的線性趨勢）

圖7 南海海面高度異常EOF第二模態的空間分布和對應的時間系數（紅線為時間系數的線性趨勢）

圖8 氣候態Ekman抽吸各季節分布（單位：cm/s；等值線為200 m等深線）

4 Ekman抽吸的變化

4.1 Ekman抽吸季節變化

圖8為4個季節氣候態的Ekman抽吸的分布。可以看到Ekman抽吸存在明顯的季節變化。冬季海盆左側為正的Ekman抽吸，即能夠引起海面高度的上升趨勢，且正值中心位于靠近岸的區域，這和冬季南海西邊界流吻合，冬季正Ekman抽吸造成溫躍層下沉，海表高度上升，從而引起南向的正壓流動，利于南海冬季南向西邊界流的形成。春季，正Ekman抽吸東擴，幾乎占據整個海盆，只是在呂宋海峽西側以及南沙海區有負值分布。夏季負的Ekman抽吸由西向東擴張，將正Ekman抽吸擠壓到東岸附近。秋季，整個海盆為負的Ekman抽吸所占據。

圖9 海面高度變化及Ekman抽吸（單位：cm/s）

4.2 Ekman抽吸和海面高度的關系

為了理解海面高度的變化，利用溫躍層模型[19]：

該模型是基于1.5重力約化模型的假定，其中h是溫躍層深度，C為第一斜壓Rossby波波速是斜壓Rossby變形半徑，g′=gΔρ/ρ0；H是平均溫躍層厚度；是Ekman抽吸的速度，τ是風應力。當我們忽略平流效應時，溫躍層深度的變化基本取決于Ekman抽吸的速度。在零階近似下，我們知道海面高度的變化同溫躍層成正比，因此Ekman抽吸通過影響溫躍層深度進而引起海面高度的變化。基于這種理論關系，本文分析Ekman抽吸與海面高度變化之間的聯系。

基于以上的理論分析，我們診斷Ekman抽吸速度對海面高度變化的貢獻在實際中是怎么樣的。

利用周平均的海面高度資料計算了海面高度變化率，同時利用NECP風場資料計算了同區域的Ekman抽吸對海面高度變化的貢獻（見圖8），由于NECP風場資料是月平均的，因此我們將風場資料線性差值到了周的時間尺度，雖然兩種資料的時間分辨率不同，但是對于變化率的估計影響不大。

從圖9中可以看到，在前15周，Ekman抽吸引起的海面高度變化同實際海面高度變化非常的接近，由此可見，一、二兩個月的海面高度變化的主導因素是Ekman抽吸，即風場決定了海面高度的變化。但是此后的時間里，兩者得差距逐漸變大，甚至是反號。但是量級仍然是相當的，即Ekman抽吸對海面高度的變化仍然起著顯著的作用，但不是決定因素。為進一步確定前兩個月的相關性，本文將一月、二月的Ekman抽吸與海面高度變化進行了16年的對比。對比發現一月份兩者具有非常好的相關性，二月份有所下降，但是兩者仍然保持較好的相關性，從而再次確定了兩者在前兩個月的相關性。

圖10 Ekman抽吸的EOF第一模態的空間分布和對應的時間系數（紅線為時間系數的線性趨勢）

圖11 Ekman抽吸的EOF第二模態的空間分布和對應的時間系數（紅線為時間系數的線性趨勢）

4.3 Ekman抽吸年際變化

本文采用EOF分析Ekman抽吸的年際變化特征。為了可以和海面高度進行對比分析，本文將風場數據插值到了海面高度的網格上進行分析。EOF的前倆個模態的方差貢獻列于表1中，并且經過了95%的可信性檢驗[20]。

圖10是第一模態的空間分布以及對應的時間系數。第一模態的空間分布是明顯的東西偶極子的分布特征，并且高值中心在南海的南部。這種分布形態與Ekman抽吸的冬、夏季分布形態相似。從相應的時間的演變可以看到，其年際變化特征并不明顯。即Ekman抽吸的第一模態表達的是穩定的季節循環特征。

Ekman抽吸的第二模態（見圖11）則表現出明顯的緯向分布特征，即表現出南北方向的三明治結構（海盆中央為高值中心，而在兩側為低值分布）。Ekman抽吸EOF的第二模態與海面高度的第一模態存在一定的相似分布結構。而對應的的時間系數也表現出顯著的年際變化特征，即線性增長。

為進一步分析兩個模態的相關性。本文將兩個模態標準化之后的時間系數繪于圖12。從兩者的演化趨勢可以看到兩者的吻合程度相當高。兩者的相關系數為0.45，通過了95%的信度檢驗。

從以上的分析可以看到，在年際變化的尺度上，Ekman抽吸的第二模態與海面高度的第一模態之間具有相當好的相關性，即Ekman抽吸第二模態的增強對海面高度的第一模態的變化具有顯著的貢獻。

圖12 海面高度異常EOF第一模態與Ekman抽吸第二模態的時間系數（均經過了標準化處理）

5 結論

通過以上分析，可以得到以下結論：

（1）南海海面高度異常的空間分布具有顯著的季節變化，冬季表現為氣旋性環流特征，而在夏季則為反氣旋性特征；

（2）南海海面高度EOF的第一模態具有明顯的正向增強，而第二模態的線性變化趨勢不明顯；

（3）Ekman抽吸對南海海面高度異常的變化起著顯著的作用，特別是1、2月份，其成為海面高度變化的主導因素；

（4）在年際尺度上，Ekman抽吸的第二EOF模態對海面高度的第一EOF模態具有顯著貢獻。

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Contribution of the Ekman pumping to the variability of the sea surface height in the South China Sea

ZHANG Jin-le1，LI Shao-wei1，WU Xiao-dong2
（1.Marine Forecast of Xiamen,Xiamen 361008 China；2.Dalian Meteorological Bureau,Dalian 110001 China）

Based on the wind data derived from National Center for Environmental Prediction(NCEP)and the Topex/Poseidon(T/P)satellite altimeter data,the influence of Ekman pumping on the variability of sea level in the South China Sea is studied.It is shown that the Ekman pumping plays a major role in mean sea level variability in January and February deeper than 200 m water depth.However,in other seasons the influence is opposite.In the interannual scale,the second EOF mode of Ekman pumping has close links with the first mode of the variability of sea level.

Ekman pumping；sea level variability；South China Sea；EOF

P732

：A

：1003-0239（2014）05-0055-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.05.009

2013-06-24

張進樂（1983-），助理工程師，主要從事海洋預報工作。E-mail:zhangjinle2003@gmail.com