1979—2013年北太平洋海表面鹽度變化及其與淡水通量的關系

魏翔　智海　方祝駿

摘要 利用海洋再分析資料，對北太平洋海表面鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）變化及其與淡水通量（Fresh Water Flux，FWF）的關系進行研究。結果表明：1914—2013年SSS存在增大趨勢，且有25～30 a的周期變化;1979—2013年SSS存在先減小后增大趨勢，且有7～12 a的周期變化。北太平洋SSS變化的活躍區域位于黑潮及其延伸區（A區）和北太平洋中部偏東地區（B區）。A區和B區SSS在2000年之前存在減小趨勢，在2000—2009年出現明顯增大趨勢。A區和B區SSS變化與北太平洋FWF變化顯著相關，其中A區SSS受局地FWF影響較大（最大相關系數出現在FWF超前16個月），B區SSS受局地FWF影響較小（最大相關系數出現在FWF超前20個月）。北太平洋FWF與A區SSS的相關表明：它們存在較大范圍的正相關區，正相關區主要位于黑潮延伸區（A區東部），且正相關大值區隨著FWF超前時間縮短而向東移動。對應于北太平洋溫度年代際變化，SSS也存在顯著的年代際變化，并且北太平洋關鍵區鹽度變化能夠表征北太平洋氣候變率，它可以作為北太平洋氣候變率的替代指數。

關鍵詞海表鹽度變化;淡水通量;北太平洋

海洋鹽度與溫度一樣是物理海洋學最基本的參數之一，也是控制和調節海洋基本狀態和氣候變化的重要變量（Katsura et al.，2013）。以往對于海洋鹽度的關注較少，其原因是海洋鹽度的觀測資料較少，加之海洋鹽度是一個不直接參與海洋-大氣相互作用的變量。事實上，海洋鹽度不僅可以作為全球水循環的指數，而且通過改變海水密度場，對海洋的動力過程產生重要影響，進而對海氣相互作用和全球氣候變化起到重要的作用（Fedorov et al.，2004;Huang and Mehta，2004）。

眾所周知，北太平洋海表面溫度（Sea Surface Temperature，SST）變化表現出明顯的年代際特征-太平洋年代際濤動（Pacific Decadal Oscillation，PDO）現象（Lau and Nath，1994;Miller et al.，1994;Minobe，1997;Newman，2007;朱偉軍等，2019）。以往研究指出PDO是不同物理過程綜合作用的結果，包括熱帶遙強迫和局地北太平洋大氣-海洋相互作用（Newman，2007;李麗平等，2013;辛欣等，2017）。與海洋溫度類似，不同時間尺度上的海洋鹽度響應不同，同時對海洋溫度起著調制作用（Zhang et al.，2015）。促使上層海洋鹽度收支變化的主要因子是表層平流作用、垂直混合卷夾作用和表層強迫。其中，淡水通量（Fresh Water Flux，FWF）引起的表層強迫是影響海表面鹽度（Sea Surface Salinity，SSS）變化的最重要強迫因子（Durack et al.，2012;Friedman et al.，2017），它的強度代表了氣候系統的海-氣相互作用的強度（Vinogradova and Ponte，2013）。研究發現大約86%的蒸發與78%的降水位于海洋中，FWF與SSS在長期的平均氣候態上以及趨勢上存在空間分布一致性（Durack et al.，2013），而且也在多種尺度上存在著很好的相關關系，而且它們的變化和氣候變化密切相關。通過研究它們之間的關系，可以從更廣泛的角度理解氣候變化，提高氣候預測準確性。

證據表明北太平洋SSS不僅存在著長期的變化趨勢，而且對應FWF的變化也表現出明顯的年代際異常特征。觀測發現在1980—2007年，SSS不僅以（-0.024±0.011） psu/（10 a）（1 psu=1 g/kg）的趨勢變化揭示了海盆尺度淡化的趨勢，而且在1980—1999年期間的PDO正相位和2000—2007年間的負相位期間，北太平洋SSS分別以（-0.840±0.013）和（0.361±0.036） psu/（10 a）的變化趨勢顯示出明顯的年代際差異。許多學者通過鹽度和FWF的關系進一步研究鹽度和水循環的關系，發現SSS與FWF的關系依賴于區域、時間以及空間尺度的差異（Boyer and Levitus，2002;Curry et al.，2003;Chen et al.，2012;Durack，2015;Schneider et al.，2017）。例如，不同區域鹽度與FWF的關系各不相同。加之，在全球變暖的背景下，海洋的蒸發量增大，水循環過程中大量的水蒸氣進入大氣，使FWF在降水量大的區域越來越小，在蒸發量大的區域越來越大，直接的結果導致了海洋鹽度發生變化（Held and Soden，2006）。

本文從北太平洋鹽度變率入手，利用簡單海洋數據同化數據集（Simple Ocean Data Assimilation，SODA）再分析資料，研究北太平洋地區鹽度變化，同時，對關鍵區域SSS與FWF進行超前滯后關系分析，得到北太平洋鹽度與FWF的依賴關系。本文將從以下幾個部分進行分析：第1節介紹使用的資料與方法;第2節對北太平洋SSS變化進行分析，并根據其標準差進行分區;第3節對關鍵區域SSS變化及其原因進行分析，得出關鍵區SSS變化與FWF的關系;第4節對研究結果的總結與并進行討論。

1 資料和方法

使用的鹽度資料來自美國馬里蘭大學提供的3.3.1版本的SODA再分析逐月海洋資料，時段從1915年1月—2013年12月，分辨率為0.5°×0.5°，垂直共40層（Carton and Giese，2008）。降水資料來自全球降水氣候計劃的資料（Global Precipitation Climatology Project，GPCP;Adler et al.，2012），資料的時間段從1979年1月至今，分辨率為2.5°×2.5°。蒸發資料由美國國家大氣和海洋局提供的客觀分析的海洋-大氣通量資料（Objectively Analyzed air-sea fluxes，OAflux），時間段從1958年1月至今，分辨率為1°×1°（Yu，2007）。針對上述資料的時間匹配性，鹽度、降水和蒸發都截取了1979—2013年，研究區域選取北太平洋地區范圍為120°E～120°W、20°～65°N。使用的FWF定義為蒸發（Evaporation，E）-降水（Precipitation，P），單位為m/a，在計算中為確保資料格點一致性，將所用資料的空間網格統一插值為1°×1°。

2 北太平洋地區鹽度變化

2.1 北太平洋地區海表面鹽度趨勢及變率

對于北太平洋SSS變化，需要了解北太平洋地區SSS的變化趨勢以及周期等基本要素。對1914—2013年北太平洋地區SSS距平的時間序列做11點平滑得到圖1a。可見，1914—2013年北太平洋地區SSS總體呈現為逐漸增大趨勢，但在不同時期具有波動性，如1922、1942、1972和2000年出現下降趨勢，1947、1977、2003年出現上升趨勢。1914—2013年鹽度距平時間序列的功率譜分析（圖1b）表明，北太平洋地區主要存在25～30 a的周期變化，同時北太平洋地區鹽度存在年際和年代際變化。可以看出，存在3～4個年代際變化周期分別為，1914—1940年、1940—1975年、1975—2003年，2003年之后年代際變化規律還需要更長的時間來進行規律的總結。有學者通過分析觀測數據發現，在1925、1947、1977和2003年左右存在著PDO的相位轉換（Mantua et al.，1997;Mantua and Hare，2002;Newman，2007），這樣的相位轉換時間與鹽度的振蕩存在明顯的對應關系，可以推測PDO與北太平洋SSS的變化在年代際存在聯系

從北太平洋SSS距平的時間序列還可發現，盡管1914—2013年SSS存在逐漸增大趨勢，但1979年之后SSS的增大趨勢逐漸減弱消失。例如，1979—2003年北太平洋SSS出現長期下降趨勢（圖1c），與1914—2013年北太平洋SSS變化趨勢相反，原本不斷增加的鹽度出現了停滯，這一現象一直持續到了2003年，才重新出現了增加的趨勢。

針對1979—2003年北太平洋地區SSS趨勢減小以及鹽度趨勢隨后的逆轉，對1979—2013年進行分析。由功率譜分析（圖1d）可見，1979—2013年SSS存在7～12 a的周期變化，說明1979—2013年存在年代際變化。盡管年代際變化不顯著，這個現象可能因為年際信號較強減弱了年代際變化信號，導致1979—2013年間的SSS變化的時間序列，主要以年際變化為主，在2003年前減小，2003年后增大。同時在2003年前后，SSS變化同步伴隨著PDO相位轉換的情況，進一步驗證了北太平洋地區SSS的變化與PDO的相位變換存在顯著的相關關系，這個結果與Newman（2007）提出的結論相同。

2.2 北太平洋地區海表面鹽度變化的顯著區域

為了表征北太平洋SSS空間變化特征，以北太平洋SSS在1979—2013年期間的標準差的大值區域為依據進行分區。標準差的大值區表示SSS的變化顯著區域，通過這些區域的SSS變化可以進一步推測影響北太平洋地區的SSS變化的主要因子。圖2 為北太平洋地區SSS標準差分析，看到SSS變化顯著的區域主要位于黑潮延伸區以及北太平洋中部偏東區域，這個區域的SSS變化較大。該地區 SSS變化較大可能與黑潮延伸區存在較強的渦旋輸送有關系（Talley，2008）。黑潮延伸區也是北太平洋地區降水較多的地區，大量的降水進入海洋，造成SSS變化（Yeh et al.，2017）。進一步細劃SSS標準差，得到兩個關鍵區域，分別位于北太平洋中部偏東與偏西的位置，為方便之后稱呼，將兩個區域分別命名為A區（158°E～162°W，38°～43°N）和B區（157°～145°W，33°～41°N）。A區域位于北太平洋最活躍的黑潮區，該區域的海洋平流作用較強，是北太平洋渦旋輸送的主要區域。黑潮區也是北太平洋地區降水最多的區域，受這些因素影響，鹽度的變化較大。在北太平洋地區，海表面溫度變化的最大振幅區域位于黑潮及其延伸區，海表面溫度的變化，影響降水，進而改變FWF。故受到海表面溫度變化影響，SSS出現響應（Schneider et al.，2017）。B區域位于北太平洋中部偏東位置，造成該地區鹽度變化的主要原因是模態水以及北太平洋渦旋輸送的影響。同時B區受到北太平洋西風的強迫，促使表面平流存在年代際變化，在40°N以南區域影響了SSS變化（Yeh et al.，2017）。

2.3 SSS關鍵區與北太平洋SSS變率的關系

根據圖3所示的分區，分別將所選關鍵區域的SSS與北太平洋地區SSS進行變率對比以及相關分析。結果表明，A區域與北太平洋SSS的變率相關系數為0.50（通過0.01信度的顯著性檢驗），B區域與北太平洋SSS變率的相關系數為0.52（通過0.01信度的顯著性檢驗）。兩個區域在1979—2013年SSS的時間變化與北太平洋地區的SSS時間變化相關性較強。但在個別的時間段存在差異，兩個區域與北太平洋地區變率差異的時間段各不相同，A區的差異主要體現在1979—1984年與2008—2013年，在1984—2008年間具有較好一致性。B區僅在20世紀90年代后期存在差異，其余時間具有較好一致性。從上述相關系數得到，A和B區域均能代表北太平洋SSS時間變化。造成A區域和B區域與太平洋鹽度變化一致的主要原因是，A區域與B區域位于北太平洋變化最顯著的區域，在這個區域，海洋平流作用較強，降水量較大，這兩項主導了北太平洋鹽度變化。

2.4 關鍵區鹽度趨勢與變率

圖4a中可以看到，1998年以前，A區SSS變化沒有明顯趨勢，自1998年以后，A區SSS出現了增長趨勢，在2008年達到了最大。在功率譜分析中（圖4b），A區域存在8～11 a的周期（通過紅噪聲檢驗），并同時存在年際與年代際變化。B區的SSS趨勢的年際變化較為明顯，在2000年以前主要以年際變化為主（圖4c），年代際變化不明顯。與A區相似，以2000年為時間起點B區同樣出現了增加的趨勢，在2009年到達最大值。A區與B區在2000年前，SSS的趨勢都不明顯，而在2000—2009年出現劇烈的增長。這樣的趨勢變化與北太平洋地區1979—2013年的變化相似（圖1c），其中A區的變化周期與北太平洋SSS變化相似，同時存在年際變化與年代際變化，B區域的變化周期相比較小，主要變化周期為4 a，年際變化顯著（圖4d）。與1914—2013年北太平洋SSS變化（圖1a）的突變時間點相似，2000年這個時間點同樣為PDO相位轉換的時間點，所以A區域與B區域在這個時間點出現突然增加的趨勢可能是由于PDO的位相轉換引起（Mantua et al.，1997;Mantua and Hare，2002）。

3 關鍵區SSS變化及其原因

3.1 關鍵區海表面鹽度收支

根據鹽度收支方程，影響SSS的因子主要分為內部調整和表面強迫，內部調整包括表面的平流作用以及次表層的垂直混合，表面強迫主要是FWF引起的表層強迫作用（Kao and Yu，2009）。在北太平洋地區，由次表層所引起的垂直強迫和表面的平流強迫均較弱（Dong et al.，2015），故主要考慮平流強迫以及FWF引起的表層強迫作用。

從A區、B區的SSS變化與平流作用的關系（圖略）來看，SSS變化與局地的平流作用關系較小，僅在同期相關時A區的東部出現正相關區域，以及B區的小部分地區存在負相關，同北太平洋的SSS與平流作用關系相同，相關系數超過±0.5區域較小，相關關系不顯著。故從鹽度收支方程得知，內部調整對于北太平洋地區的SSS影響較小，故主要從表面強迫的角度對A區和B區的SSS變化進行分析。

3.2 關鍵區FWF與SSS變化的關系

為分析北太平洋FWF與SSS變化的對應關系，將圖2所劃分的A區與B區的SSS變化分別與北太平洋FWF變化求取逐月超前滯后相關（圖5）。結果表明，A區出現FWF異常后，出現SSS異常響應，響應超前SSS變化20 mon時達到最強，相關系數為0.56。B區的SSS與FWF的相關關系在不同的時間段內表現不同，即當FWF超前鹽度長于10 mon時都表現為負相關，而FWF滯后鹽度16～24 mon為正相關，41 mon時出現最大值為0.43（通過0.01信度的顯著性檢驗）。

從鹽度的收支分析，FWF減小導致鹽度減小，FWF增加意味鹽度增大，其相關關系為正相關關系。當A區FWF超前SSS 20 mon時以及B區FWF滯后SSS 16 mon時，FWF與SSS是正相關關系。但FWF與關鍵區SSS在一些時間段內，存在著負相關，產生負相關的主要原因可能是北太平洋的渦旋輸送作用，在黑潮及其延伸區域存在較強的渦旋輸送現象，北太平洋模態水伴隨渦旋在北太平洋中部由西向東輸送（Yasuda and Hanawa，1997）。在北太平洋渦旋輸送的影響下，A區的FWF發生變化后，鹽度快速響應，形成鹽鋒。B區位于A區東部，為北太平洋渦旋輸送的下游地區，鹽鋒經過渦旋輸送，來到B區，使得B區的SSS變化出現負相關關系（Yun，2003）。

將A區與B區的SSS變化分別與北太平洋地區的FWF變化進行空間超前滯后相關分析。結果表明，A區域SSS變化與北太平洋FWF變化存在較大范圍的正相關，主要正相關區域在黑潮延伸區，也就是關鍵區A的東部（圖6），其中正相關系數最大區域位于太平洋中部的位置，最大值為0.82（通過0.01信度的顯著性檢驗）。

同時在西太平洋暖池北部，也存在較大的正相關區域，最大值為0.73，產生這樣變化的原因與日本暖流的存在有關（Yeh et al.，2017）。與此同時，在靠近熱帶地區存在較大區域的負異常，最大值為-0.67。而在中緯度地區，正相關大值區主要位于中西部，在東部太平洋地區除了靠近赤道地區外，沒有較明顯的相關關系。從整體的空間分布上來看，A區位于北太平洋西部，黑潮及其延伸區域。特別是正相關關系最大的區域，所顯示的時間段內基本沒有出現偏移，并且相關系數超過0.7。大值區域隨著FWF超前的時間變短，相關關系的大值區域會向東移動，比較圖6a與圖6g可以得到，大值區域從西太平洋移動到了東太平洋。當FWF超前SSS變化的時候，影響A區SSS的FWF主要來自于黑潮及其延伸區，主要位于北太平洋中部偏西，當FWF滯后于SSS變化時，影響的SSS的FWF主要來自于北太平洋中東部。

通過北太平洋FWF與B區SSS空間逐月超前滯后相關系數空間分布得到圖7。結果表明，B區SSS變化與北太平洋中部FWF變化存在正相關，正相關最顯著區域大致位于關鍵區B的西北側，數值最大值為0.81。與B區域SSS正相關的FWF區域，主要位于B區域的西北部，在東北太平洋。在靠近北美洲大陸的地方同樣存在正值區域，但是由于靠近大陸的地表徑流以及靠近極地地區的融冰影響，所以影響FWF的因素存在不確定性，所以暫時不考慮，主要關注位于北太平洋中部地區的大值區域。隨著FWF超前的時間變短，正相關區域并沒有出現移動。也可以看到，在北太平洋北部靠近北冰洋地區出現負相關，由于靠近北冰洋，該地區海冰對于FWF影響較大，出現的負相關關系可能與海冰有關。

4 結論

本文研究發現北太平洋SSS變化在1914—2013年存在著25～30 a變化周期，表明在北太平洋SSS變化呈現出明顯的年代際變化。在分析近年的SSS趨勢時發現，1979—2003年SSS也存在長時間的趨勢減小，在2003年后趨勢增加，故將1979—2013年期間的SSS變化提取出來進行具體分析，1979—2013年北太平洋SSS存在7～12 a變化周期，以2003年作為時間節點，存在先減小再增加的趨勢。對1979—2013年SSS變化顯著區域進行分析，將變化顯著區域進行劃分，得到關鍵區域A和B。A與B區域與北太平洋的SSS變率存在較好相關性。A區域與B區域在2000年前，均存在SSS減小的趨勢，在2000—2009年明顯增長。這樣的趨勢變化與1979—2013年北太平洋SSS的變化相似。而且在觀測中也得到了驗證（Di Lorenzo et al.，2005，2008）。

將北太平洋SSS與FWF氣候態進行對比發現，兩個變量的氣候態分布與Durack et al.（2012，2013）和Yin et al.（2010）的結果相似。將A區與B區的SSS變化分別與北太平洋FWF變化進行超前滯后相關，發現A區SSS變化與FWF變化存在較大范圍的正相關區，正值區大部分位于關鍵區A的東部，大值區域隨著FWF超前的時間越來越短，相關關系的大值區域也會向東移動。B區SSS與北太平洋中部存在正相關，正相關最顯著區域主要位于關鍵區B的西北部，隨著FWF超前的時間變化，正相關區域并沒有出現移動。這些結論可以解釋北太平洋的SSS變化的原因。所得到的SSS與FWF的超前和滯后性質可以作為預測北太平洋的氣候變化的指數，這一點將在今后進一步研究。

在研究中同樣存在以下問題，現如今所能使用的鹽度的準同步、連續、大范圍的全球海洋環境資料為Argo資料，再分析資料主要以EN與SODA資料為主，但再分析資料與觀測資料存在差異（Ingleby and Huddleston，2007;Carton and Giese，2008），對于分析結果存在著不確定性。由于Argo計劃于2004年開始，資料年限較短，對于研究海洋年代際變化存在局限性（Wang et al.，2013），故在進行長時間的海洋研究時仍然使用再分析資料，同時期待更精確的模式資料或者再分析資料能夠對SSS進行更準確的研究。在關鍵區的選擇上同樣存在局限性，由于SSS的變化依賴于區域、時間以及空間尺度的差異（Curry et al.，2003），當選取不同的時間段時會出現關鍵區域的漂移，從而使得關鍵區域發生變動，相對應的結論可能出現不同，未來針對北太平洋SSS與FWF的關系可以從探討不同的時間段下不同的關鍵區域，及影響關鍵區域的FWF是否發生變化來進行。研究中同樣可以嘗試多種分區方法，例如以經驗正交函數分解（Empirical Orthogonal Function）的主要模態作為分區依據等（Friedman et al.，2017）。本文中對SSS的收支方程僅以統計方式呈現，在北太平洋不同區域，SSS所受到的影響因子不同，在未來可以通過計算討論每一個影響因子對關鍵區域SSS的影響，將北太平洋地區SSS進行更為準確的研究（Kao and Yu，2009）。FWF的定義以及計算同樣存在疑問，出現這樣的問題主要原因是因為海洋中的降水與蒸發資料相比鹽度資料來說，不確定性更大。其余的融冰以及地表徑流量注入的資料準確性存在局限性（Zhang and Wu，2012），所以在考慮計算FWF時，未考慮北太平洋副極地地區存在冰川融水，以及亞洲大陸與美洲大陸海岸線的陸地徑流，未來期待出現更準確的蒸發，降水，融冰和地表徑流的資料，從而對于FWF的定義更精確，對SSS變化進行更深入的研究。

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Sea surface salinity variation in North Pacific and its relationship with fresh water flux from 1979 to 2013

WEI Xiang，ZHI Hai，FANG Zhujun

School of Atmospheric Sciences，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China

Using ocean reanalysis data，this paper studies the variation of sea surface salinity （SSS） in the North Pacific and its relationship with fresh water flux （FWF）.Results show that SSS has an increasing trend from 1914 to 2013，with a periodic change of 25—30 a;From 1979 to 2013，SSS decreases first and then increases，with a periodic change of 7—12 a.The active areas of SSS variation in the North Pacific are located in the Kuroshio and its extension area （Area A） and the eastern central North Pacific （Area B）.SSS in Area A and Area B shows a decreasing trend before 2000 and an obvious increasing trend from 2000 to 2009.Variations of SSS in Area A and Area B are significantly correlated with variation of FWF in the North Pacific.SSS in Area A is greatly affected by local FWF （The maximum correlation coefficient is 0.56 when FWF leads 16 months），and SSS in Area B is less affected by local FWF （The maximum correlation coefficient absolute value is 0.21 when FWF leads 20 months）.Correlation between FWF in the North Pacific and SSS in Area A shows that there is a large range of positive correlation area，which is mainly located in the extension area of Kuroshio （east of Area A），and the high value area of positive correlation moves eastward with the shortening of FWF lead time.Corresponding to the interdecadal variation of temperature in the North Pacific，SSS also has significant interdecadal variation，and the variation of SSS in key areas of the North Pacific can characterize the North Pacific climate variability，which can be used as an alternative index of the North Pacific climate variability.

sea surface salinity variation;fresh water flux;North Pacific

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190301001

（責任編輯：張福穎）