東中國海海域潛熱通量長期變化特征及其影響因素

東中國海海域潛熱通量長期變化特征及其影響因素

海氣界面的潛熱是熱量從海洋表面到大氣的重要方法，其變化會影響海氣中的水和熱含量。相反，海表的溫度變化很大，影響了海氣的濕度，從而加強或減弱了潛熱。潛熱通量是海氣系統(tǒng)相互作用的重要過程,也是海洋感受大氣強迫的主要方式。東中國海包括渤海、黃海以及東海海域,其中黑潮作為太平洋西邊界流流經(jīng)中國東部陸架邊緣海,其帶來的大量暖水,加大了東海海域的海氣濕度差,使得沿黑潮主軸海域成為東中國海中失熱最多的海區(qū),同時也是太平洋海域失熱最多的海區(qū)。劉衍蘊等通過分析北太平洋海氣熱通量的年際、年代際變化特征,發(fā)現(xiàn)北太平洋冬季熱通量的低頻變化中心在黑潮及其延伸體區(qū)。Yu和Weller研究發(fā)現(xiàn)西邊界流區(qū)如灣流和黑潮及其延伸體海區(qū),是全球潛熱通量季節(jié)變化最大的地方,同時也是1990年代比1970年代全球蒸發(fā)量增加最多的區(qū)域。東中國海黑潮流域通過海表面潛熱通量對大氣的加熱會改變低緯度和高緯度大氣之間的溫度差和位勢高度差,從而對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響。Latif等人研究表明,在北太平洋氣候系統(tǒng)中,包括海洋環(huán)流動力在內(nèi)的熱帶外海氣相互作用會導致自我維持的年代際振蕩。通過對近40a海洋觀測站的資料進行分析,郭偉其等發(fā)現(xiàn)東海沿岸的海表面溫度(SST)總體呈上升趨勢。在海氣熱交換過程中,雖然SST對其會有影響,但是大氣是通過熱通量尤其是潛熱通量直接與海洋相互作用的,因此,東中國海潛熱通量是否同樣存在長期增加的趨勢?Yasuda和Kitamura研究發(fā)現(xiàn)黑潮延伸體區(qū)海表面熱通量的變化是對副熱帶海洋環(huán)流的響應。但是以往關(guān)于東中國海熱通量的變化多是針對其季節(jié)變化特征,關(guān)于潛熱通量長期的變化特點并不清楚。為了更好的了解東中國海潛熱通量變化的特點,進而理解控制氣候時間尺度上東中國海海氣相互作用的機制,本文對東中國海潛熱通量的長期變化特征進行分析,并探討潛熱通量變化的影響因素。1數(shù)據(jù)基本組成本文使用的1958—2006年的月平均潛熱通量資料(LH),距海表面高度為10m的平均風速(U)和近海面空氣比濕(qa)資料均來自WoodsHole海洋研究所OAFlux熱通量數(shù)據(jù)。OAFlux熱通量產(chǎn)品是由客觀分析海氣熱通量(OAFlux)項目開發(fā)的全球海表面熱通量數(shù)據(jù),它由1個衛(wèi)星反演的最優(yōu)混合數(shù)據(jù)和3個大氣再分析數(shù)據(jù)構(gòu)成,綜合了多套數(shù)據(jù)的優(yōu)點,應用改進的基本變量場和基于觀測發(fā)展而來的最先進的熱通量算法COARE3.0最新生成,其全球水平分辨率為1(°)×1(°),時間跨度為1958—2006年。本文研究的東中國海海區(qū)范圍是117.5°E~130.5°E,23.5°N~41.5°N。當潛熱通量為正值時,表示海洋釋放熱量;為負值時,表示海洋吸收熱量。本文中用到的海表面比濕(qs)由飽和比濕和海表面溫度根據(jù)算法COARE3.0計算得到,公式為:qs=0.98qsat(Ts)其中qsat是海表面溫度為Ts時純水的飽和比濕,其計算中使用了NCEP再分析資料1958—2006年北太平洋海平面氣壓(SLP)數(shù)據(jù)和OAFlux數(shù)據(jù)中北太平洋海表面溫度(ts)資料。另外本文在分析潛熱通量長期變化成因中,用到的北太平洋海表面風應力數(shù)據(jù)來自于NCEP再分析資料1958—2006年風應力場。2潛熱通量與時間的關(guān)系整個東中國海海域平均的年平均潛熱通量時間序列在1958—2006年間表現(xiàn)為顯著的增加趨勢(見圖1),從1964年的最低值93.7W·m-2到2005年的最大值135.1W·m-2,平均每年增加大約0.65W·m-2·a-1,相對于1958—2006年平均值的年際變化的標準差為10.5W·m-2。東中國海海域近50a里失熱在不斷增多,與Yu和Weller研究表明1981—2005年全球平均的潛熱通量增加的趨勢一致,說明東中國海潛熱通量的增加,放熱增多是全球潛熱通量增加的一部分。為了研究不同緯度上潛熱通量隨時間的變化情況,圖2為緯向平均的年平均潛熱通量距平在1958—2006年隨時間的變化圖。34.5°N以南的海域即東海海域潛熱通量,在1982年前后由負距平轉(zhuǎn)為正距平,海洋向大氣放熱不斷增加。渤海、黃海海域,潛熱通量在1972年由負距平轉(zhuǎn)為正距平,1979年又由正距平轉(zhuǎn)為負距平,之后潛熱通量不斷增加到1990年代出現(xiàn)正距平。整個東中國海海域負距平的最小值小于-20W·m-2,最大正距平超過20W·m-2,都出現(xiàn)在29.5°N附近,即日本島西南端黑潮主軸流經(jīng)的海域?？梢?在近50a中東中國海海域潛熱通量不斷增加,且增幅最大。圖3為東中國海海域潛熱通量1958—2005年間長期變化的線性趨勢,由年平均的潛熱通量場計算得到。明顯的,東中國海海域潛熱放熱在近50a里整體表現(xiàn)出增加的趨勢。有趣的是東中國海潛熱增加最顯著的區(qū)域恰好沿著西邊界流黑潮主軸流經(jīng)的海域,最大增加速率超過1.2W·m-2·a-1,東海潛熱線性趨勢的等值線平行于黑潮分布,隨著遠離黑潮主軸而減小。同時,在渤海和黃海海域潛熱通量的增幅遠小于黑潮海域,大約為0.2~0.4W·m-2·a-1之間。綜上可知,在1958—2006年間,與東海海表面溫度增加的趨勢一致,東中國海年平均潛熱通量呈總體增長的趨勢,海洋向大氣釋放的熱量在近50a中不斷增多,沿黑潮主軸流經(jīng)的海域增幅最大,增速最快。3東中國海潛熱通量與海表面濕度差的關(guān)系計算海表面潛熱通量的塊體空氣動力學表達式為:LH=ρLeceU(qs-qa)=ρLeceUΔq其中ρ是空氣密度,Le是蒸發(fā)潛熱,ce是水汽湍流交換系數(shù),U是相對于海表面高度10m處的平均風速,qs和qa分別是海表面比濕和近海表面空氣比濕,qs和qa之差用Δq表示。潛熱通量會隨著風速U和海氣比濕差Δq的增加而增加。由于海表面潛熱通量的變化會反映海氣比濕差Δq和風速U的變化,在東中國海海域哪個變量的變化是影響潛熱通量的變化的主要因素呢?以下內(nèi)容將從海氣比濕差Δq和風速U入手,分析導致東中國海潛熱通量增加及其分布情況的影響因素。從緯向平均的海氣比濕差距平和風速距平隨時間變化分布(見圖4a~b)中明顯可見海氣比濕差在1982年前后由負距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?呈現(xiàn)連續(xù)增長的趨勢,在34.5°N以南東海海域增幅最大,與潛熱通量變化趨勢一致。而東中國海海域緯向平均的風速在1958—2006年期間正距平和負距平交替出現(xiàn),沒有出現(xiàn)一致增長的趨勢?？梢姾獗葷癫钍菦Q定東中國海海表面潛熱通量長期增長的關(guān)鍵變量,風速的變化對潛熱的長期增長貢獻較小。海氣比濕差是海表面溫度的函數(shù),表示為dq=qs(SST)-qa(SST+ΔT),其中ΔT是海氣溫度差,海表面溫度不只決定了海表面比濕qs,而且會調(diào)整大尺度近海表面空氣比濕qa的分布。緯向平均的年平均海表面溫度距平(見圖4c)同樣表現(xiàn)為在1982年前后由負距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?呈現(xiàn)一致增長的趨勢,表明東中國海海域海表面溫度的增加使得海氣濕度差加大,進而使海表面潛熱通量不斷增大。海表面濕度差(見圖5a)和海表面溫度(見圖5c)的線性趨勢在整個東中國海均表現(xiàn)出增加的趨勢,都是在黑潮主軸海域增加最多。通過比較,海表面濕度差和海表面溫度的線性趨勢與潛熱通量的線性趨勢空間分布非常一致。海表面濕度差是將潛熱通量線性增長(見圖3)和海表面溫度的線性增長聯(lián)系起來的關(guān)鍵變量。與海表面濕度差不同,風速的變化對潛熱通量的增加貢獻較小,雖然在東海海域為增加的趨勢,在渤海黃海海域甚至出現(xiàn)減小的趨勢。東中國海海表面溫度的增加通過改變海氣比濕差進而使?jié)摕嵬砍尸F(xiàn)增加的趨勢,加大了海氣界面的水汽和熱量交換。由于北太平洋風場的加強會強化副熱帶環(huán)流,西邊界流輸送的熱量增多,使沿著西邊界流及其延伸體的SST升高,接下來將從控制大尺度海表面風場環(huán)流的海平面氣壓場和風應力旋度場來進一步分析導致東中國海潛熱通量變化的機制。根據(jù)Sverdrup(1947)理論,風應力旋度的變化會導致海洋環(huán)流的動力調(diào)整。在Sverdrup平衡βVg=fρ0k??×(τf)中,Vg為垂直積分的經(jīng)向地轉(zhuǎn)流,k是垂直方向的單位矢量,τ是風應力矢量。在副熱帶海區(qū),風場呈順時針分布,由風應力旋度將負的相對渦度輸入到海洋中,使得海水產(chǎn)生向北的流動。風應力旋度的符號只代表方向,為了便于比較,在關(guān)于北太平洋風場的討論中,將分析負的風應力旋度的長期變化及其影響。圖6a為海平面氣壓(SLP)在1970—1979年和1990—1999年間的差值分布。從SLP的年代際變化明顯的看出北太平洋阿留申低壓系統(tǒng)在1990年代之后更加強大,阿留申低壓核心區(qū)的位置發(fā)生了顯著的東移,核心最低壓降低超過了3mb。阿留申低壓區(qū)的這種變化會使與其相關(guān)的西風帶發(fā)生相應的變化。在30°N以北的北太平洋大部分海域海表面風應力旋度加強,與低壓中心有關(guān)的西風帶得到加強,并向南擴展。阿留申低壓控制的海域風應力旋度加強最明顯(見圖6b)。與此不同的是,在東中國海大部分海域1990年代比1970年代的平均風速是減小的。由于1970年代之后,北太平洋海表面阿留申低壓加強,風應力旋度增加,在風應力旋度對海洋環(huán)流的動力調(diào)整下,黑潮延伸體南側(cè)向東的地轉(zhuǎn)流在1980年代比1970年代有所加強。Miller等利用海洋模式研究了在觀測的風場和熱通量異常強迫下,同樣得到北太平洋副熱帶環(huán)流在1980年代比1970年代增加了大約10%,指出黑潮的加強是對北太平洋風場變化的響應。Qiu和Joyce利用日本氣象廳在1967到1988年期間沿137°E斷面進行的1年2次的觀測數(shù)據(jù),計算了在日本南部相對于1.25km深度的向東的黑潮地轉(zhuǎn)輸運,圖7中可以看出從1970年代中期到1980年代初期黑潮的輸運不斷增加,從1970—1980年到1982—1988年黑潮輸運年代際增加了10.8Sv,在1981年以后出現(xiàn)正的距平。1976年氣候大躍遷之后,北太平洋風應力旋度場加強導致的黑潮體積輸運的增加。而來自低緯度海域的黑潮體積輸送強弱對黑潮熱輸送變化的貢獻占第一位,因此黑潮體積輸運的增加導致的黑潮經(jīng)向熱輸送增加,使黑潮海洋海表面溫度升高,海氣濕度差加大。阿留申低壓區(qū)(30°N~60°N,160°E~140°W)平均的SLP時間序列(見圖8b)在1976年前后發(fā)生了突變,由正距平轉(zhuǎn)為負距平,阿留申低壓加強;在1988—1991年間又出現(xiàn)正距平,之后的年份里以負距平為主。阿留申低壓區(qū)對應的風應力旋度變化與海平面氣壓場呈現(xiàn)較好的負相關(guān),當阿留申低壓加強即氣壓降低時風應力旋度增大,阿留申低壓減弱即氣壓增高時,風應力旋度減小。東中國海潛熱通量(見圖8a)和海氣比濕差(見圖8c)長期變化具有明顯的一致性,進一步說明了東中國海海氣比濕差的變化決定了潛熱通量的變化。通過對比圖8b和圖8d,明顯可見,東中國海海氣比濕差和潛熱通量的年代際變化與阿留申低壓區(qū)風應力旋度的年代際變化有著顯著的一致性。在1958—2006年間均呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢,都在1970年代末1980年代初發(fā)生了一次躍遷,由負距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?。東中國海海氣比濕差或潛熱通量發(fā)生躍遷的時間在1982年前后,而阿留申低壓區(qū)海平面氣壓的躍遷發(fā)生在1978年前后,東中國海海氣比濕差或由其決定的潛熱通量的變化相對于北太平洋風應力旋度場的變化延遲了4a左右。將1958—2006年經(jīng)過3a滑動平均的東中國海年平均海氣比濕差以及經(jīng)過3a滑動平均的阿留申低壓區(qū)年平均風應力旋度進行超前和滯后相關(guān)分析(見圖9),發(fā)現(xiàn)二者存在顯著的正相關(guān)。阿留申低壓區(qū)的風應力旋度超前東中國海海氣比濕差4a時二者的相關(guān)系數(shù)最大,達到0.52,通過了置信水平為95%的檢驗。這意味著,阿留申低壓的異常加強或減弱時,副熱帶環(huán)流將經(jīng)過4a左右時間的調(diào)整,通過黑潮流量的變化使東中國海海域海氣比濕差增加或減少,進而使?jié)摕嵬康玫郊訌娀驕p弱。這與Deser等研究表明西邊界流處溫躍層的變化比海盆尺度的風應力旋度變化存在大約4~5a的延遲現(xiàn)象非常一致,他認為這種延遲時由于風應力改變后,副熱帶環(huán)流通過斜壓Rossby波進行調(diào)整所需要的時間。通過以上的分析可以看出,在1976年以后太平洋海域阿留申低壓加強,其對應的海表面風應力旋度增加。在風場異常強迫下,使包括黑潮在內(nèi)的北太平洋副熱帶環(huán)流得到加強,黑潮的經(jīng)向熱輸送增加,海表面溫度升高,加大了海氣濕度差,從而表現(xiàn)為東中國海域潛熱通量的增加。由于副熱帶環(huán)流的調(diào)整需要時間,東中國海潛熱通量的變化會比太平洋阿留申低壓處的風場變化存在4a左右的延遲。4海域潛熱通量的長期變化本文利用OAFlux熱通量數(shù)據(jù),分析了近50a來東中國海海域潛熱通量的長期變化,并通過局地的風速、海氣比濕差、SST和北太平洋大尺度海平面氣壓和風場的變化,探討了東中國海海域潛熱通量長期變化的可能成因,主要結(jié)論如下:(1)東中國海海域潛熱通量在近50a里存在顯著的增加趨勢,沿黑潮主軸海域增幅最大,最大增加速率超過1.2W·m-2·a-1。(2)導致東中國海海域潛熱通量長期增加的主要原因可能是北太平洋風應力旋度場的加強,而不是東中國海