東中國(guó)海海域潛熱通量長(zhǎng)期變化特征及其影響因素

東中國(guó)海海域潛熱通量長(zhǎng)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(huì)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(qiáng)或減弱了潛熱。潛熱通量是海氣系統(tǒng)相互作用的重要過(guò)程,也是海洋感受大氣強(qiáng)迫的主要方式。東中國(guó)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(guó)東部陸架邊緣海,其帶來(lái)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(guó)海中失熱最多的海區(qū),同時(shí)也是太平洋海域失熱最多的海區(qū)。劉衍蘊(yùn)等通過(guò)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(shí)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(guó)海黑潮流域通過(guò)海表面潛熱通量對(duì)大氣的加熱會(huì)改變低緯度和高緯度大氣之間的溫度差和位勢(shì)高度差,從而對(duì)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(dòng)力在內(nèi)的熱帶外海氣相互作用會(huì)導(dǎo)致自我維持的年代際振蕩。通過(guò)對(duì)近40a海洋觀測(cè)站的資料進(jìn)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(shì)。在海氣熱交換過(guò)程中,雖然SST對(duì)其會(huì)有影響,但是大氣是通過(guò)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(guó)海潛熱通量是否同樣存在長(zhǎng)期增加的趨勢(shì)?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(duì)副熱帶海洋環(huán)流的響應(yīng)。但是以往關(guān)于東中國(guó)海熱通量的變化多是針對(duì)其季節(jié)變化特征,關(guān)于潛熱通量長(zhǎng)期的變化特點(diǎn)并不清楚。為了更好的了解東中國(guó)海潛熱通量變化的特點(diǎn),進(jìn)而理解控制氣候時(shí)間尺度上東中國(guó)海海氣相互作用的機(jī)制,本文對(duì)東中國(guó)海潛熱通量的長(zhǎng)期變化特征進(jìn)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(fēng)速(U)和近海面空氣比濕(qa)資料均來(lái)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)的全球海表面熱通量數(shù)據(jù),它由1個(gè)衛(wèi)星反演的最優(yōu)混合數(shù)據(jù)和3個(gè)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(diǎn),應(yīng)用改進(jìn)的基本變量場(chǎng)和基于觀測(cè)發(fā)展而來(lái)的最先進(jìn)的熱通量算法COARE3.0最新生成,其全球水平分辨率為1(°)×1(°),時(shí)間跨度為1958—2006年。本文研究的東中國(guó)海海區(qū)范圍是117.5°E~130.5°E,23.5°N~41.5°N。當(dāng)潛熱通量為正值時(shí),表示海洋釋放熱量;為負(fù)值時(shí),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(jì)算得到,公式為:qs=0.98qsat(Ts)其中qsat是海表面溫度為Ts時(shí)純水的飽和比濕,其計(jì)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(zhǎng)期變化成因中,用到的北太平洋海表面風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)來(lái)自于NCEP再分析資料1958—2006年風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)。2潛熱通量與時(shí)間的關(guān)系整個(gè)東中國(guó)海海域平均的年平均潛熱通量時(shí)間序列在1958—2006年間表現(xiàn)為顯著的增加趨勢(shì)(見(jiàn)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(duì)于1958—2006年平均值的年際變化的標(biāo)準(zhǔn)差為10.5W·m-2。東中國(guó)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(shì)一致,說(shuō)明東中國(guó)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(shí)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(shí)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(fù)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(fù)距平轉(zhuǎn)為正距平,1979年又由正距平轉(zhuǎn)為負(fù)距平,之后潛熱通量不斷增加到1990年代出現(xiàn)正距平。整個(gè)東中國(guó)海海域負(fù)距平的最小值小于-20W·m-2,最大正距平超過(guò)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?jiàn),在近50a中東中國(guó)海海域潛熱通量不斷增加,且增幅最大。圖3為東中國(guó)海海域潛熱通量1958—2005年間長(zhǎng)期變化的線性趨勢(shì),由年平均的潛熱通量場(chǎng)計(jì)算得到。明顯的,東中國(guó)海海域潛熱放熱在近50a里整體表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。有趣的是東中國(guó)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(guò)1.2W·m-2·a-1,東海潛熱線性趨勢(shì)的等值線平行于黑潮分布,隨著遠(yuǎn)離黑潮主軸而減小。同時(shí),在渤海和黃海海域潛熱通量的增幅遠(yuǎn)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(shì)一致,東中國(guó)海年平均潛熱通量呈總體增長(zhǎng)的趨勢(shì),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(guó)海潛熱通量與海表面濕度差的關(guān)系計(jì)算海表面潛熱通量的塊體空氣動(dòng)力學(xué)表達(dá)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(duì)于海表面高度10m處的平均風(fēng)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(huì)隨著風(fēng)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(huì)反映海氣比濕差Δq和風(fēng)速U的變化,在東中國(guó)海海域哪個(gè)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(fēng)速U入手,分析導(dǎo)致東中國(guó)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(fēng)速距平隨時(shí)間變化分布(見(jiàn)圖4a~b)中明顯可見(jiàn)海氣比濕差在1982年前后由負(fù)距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?呈現(xiàn)連續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì),在34.5°N以南東海海域增幅最大,與潛熱通量變化趨勢(shì)一致。而東中國(guó)海海域緯向平均的風(fēng)速在1958—2006年期間正距平和負(fù)距平交替出現(xiàn),沒(méi)有出現(xiàn)一致增長(zhǎng)的趨勢(shì)。可見(jiàn)海氣比濕差是決定東中國(guó)海海表面潛熱通量長(zhǎng)期增長(zhǎng)的關(guān)鍵變量,風(fēng)速的變化對(duì)潛熱的長(zhǎng)期增長(zhǎng)貢獻(xiàn)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(huì)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(jiàn)圖4c)同樣表現(xiàn)為在1982年前后由負(fù)距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?呈現(xiàn)一致增長(zhǎng)的趨勢(shì),表明東中國(guó)海海域海表面溫度的增加使得海氣濕度差加大,進(jìn)而使海表面潛熱通量不斷增大。海表面濕度差(見(jiàn)圖5a)和海表面溫度(見(jiàn)圖5c)的線性趨勢(shì)在整個(gè)東中國(guó)海均表現(xiàn)出增加的趨勢(shì),都是在黑潮主軸海域增加最多。通過(guò)比較,海表面濕度差和海表面溫度的線性趨勢(shì)與潛熱通量的線性趨勢(shì)空間分布非常一致。海表面濕度差是將潛熱通量線性增長(zhǎng)(見(jiàn)圖3)和海表面溫度的線性增長(zhǎng)聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵變量。與海表面濕度差不同,風(fēng)速的變化對(duì)潛熱通量的增加貢獻(xiàn)較小,雖然在東海海域?yàn)樵黾拥内厔?shì),在渤海黃海海域甚至出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。東中國(guó)海海表面溫度的增加通過(guò)改變海氣比濕差進(jìn)而使?jié)摕嵬砍尸F(xiàn)增加的趨勢(shì),加大了海氣界面的水汽和熱量交換。由于北太平洋風(fēng)場(chǎng)的加強(qiáng)會(huì)強(qiáng)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(lái)將從控制大尺度海表面風(fēng)場(chǎng)環(huán)流的海平面氣壓場(chǎng)和風(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)來(lái)進(jìn)一步分析導(dǎo)致東中國(guó)海潛熱通量變化的機(jī)制。根據(jù)Sverdrup(1947)理論,風(fēng)應(yīng)力旋度的變化會(huì)導(dǎo)致海洋環(huán)流的動(dòng)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(fēng)應(yīng)力矢量。在副熱帶海區(qū),風(fēng)場(chǎng)呈順時(shí)針?lè)植?由風(fēng)應(yīng)力旋度將負(fù)的相對(duì)渦度輸入到海洋中,使得海水產(chǎn)生向北的流動(dòng)。風(fēng)應(yīng)力旋度的符號(hào)只代表方向,為了便于比較,在關(guān)于北太平洋風(fēng)場(chǎng)的討論中,將分析負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度的長(zhǎng)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(qiáng)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(guò)了3mb。阿留申低壓區(qū)的這種變化會(huì)使與其相關(guān)的西風(fēng)帶發(fā)生相應(yīng)的變化。在30°N以北的北太平洋大部分海域海表面風(fēng)應(yīng)力旋度加強(qiáng),與低壓中心有關(guān)的西風(fēng)帶得到加強(qiáng),并向南擴(kuò)展。阿留申低壓控制的海域風(fēng)應(yīng)力旋度加強(qiáng)最明顯(見(jiàn)圖6b)。與此不同的是,在東中國(guó)海大部分海域1990年代比1970年代的平均風(fēng)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(qiáng),風(fēng)應(yīng)力旋度增加,在風(fēng)應(yīng)力旋度對(duì)海洋環(huán)流的動(dòng)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(qiáng)。Miller等利用海洋模式研究了在觀測(cè)的風(fēng)場(chǎng)和熱通量異常強(qiáng)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(qiáng)是對(duì)北太平洋風(fēng)場(chǎng)變化的響應(yīng)。Qiu和Joyce利用日本氣象廳在1967到1988年期間沿137°E斷面進(jìn)行的1年2次的觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算了在日本南部相對(duì)于1.25km深度的向東的黑潮地轉(zhuǎn)輸運(yùn),圖7中可以看出從1970年代中期到1980年代初期黑潮的輸運(yùn)不斷增加,從1970—1980年到1982—1988年黑潮輸運(yùn)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(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)加強(qiáng)導(dǎo)致的黑潮體積輸運(yùn)的增加。而來(lái)自低緯度海域的黑潮體積輸送強(qiáng)弱對(duì)黑潮熱輸送變化的貢獻(xiàn)占第一位,因此黑潮體積輸運(yùn)的增加導(dǎo)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(shí)間序列(見(jiàn)圖8b)在1976年前后發(fā)生了突變,由正距平轉(zhuǎn)為負(fù)距平,阿留申低壓加強(qiáng);在1988—1991年間又出現(xiàn)正距平,之后的年份里以負(fù)距平為主。阿留申低壓區(qū)對(duì)應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力旋度變化與海平面氣壓場(chǎng)呈現(xiàn)較好的負(fù)相關(guān),當(dāng)阿留申低壓加強(qiáng)即氣壓降低時(shí)風(fēng)應(yīng)力旋度增大,阿留申低壓減弱即氣壓增高時(shí),風(fēng)應(yīng)力旋度減小。東中國(guó)海潛熱通量(見(jiàn)圖8a)和海氣比濕差(見(jiàn)圖8c)長(zhǎng)期變化具有明顯的一致性,進(jìn)一步說(shuō)明了東中國(guó)海海氣比濕差的變化決定了潛熱通量的變化。通過(guò)對(duì)比圖8b和圖8d,明顯可見(jiàn),東中國(guó)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(fēng)應(yīng)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(shì),都在1970年代末1980年代初發(fā)生了一次躍遷,由負(fù)距平轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?。東中國(guó)海海氣比濕差或潛熱通量發(fā)生躍遷的時(shí)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(guó)海海氣比濕差或由其決定的潛熱通量的變化相對(duì)于北太平洋風(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)的變化延遲了4a左右。將1958—2006年經(jīng)過(guò)3a滑動(dòng)平均的東中國(guó)海年平均海氣比濕差以及經(jīng)過(guò)3a滑動(dòng)平均的阿留申低壓區(qū)年平均風(fēng)應(yīng)力旋度進(jìn)行超前和滯后相關(guān)分析(見(jiàn)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(fēng)應(yīng)力旋度超前東中國(guó)海海氣比濕差4a時(shí)二者的相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)到0.52,通過(guò)了置信水平為95%的檢驗(yàn)。這意味著,阿留申低壓的異常加強(qiáng)或減弱時(shí),副熱帶環(huán)流將經(jīng)過(guò)4a左右時(shí)間的調(diào)整,通過(guò)黑潮流量的變化使東中國(guó)海海域海氣比濕差增加或減少,進(jìn)而使?jié)摕嵬康玫郊訌?qiáng)或減弱。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(fēng)應(yīng)力旋度變化存在大約4~5a的延遲現(xiàn)象非常一致,他認(rèn)為這種延遲時(shí)由于風(fēng)應(yīng)力改變后,副熱帶環(huán)流通過(guò)斜壓Rossby波進(jìn)行調(diào)整所需要的時(shí)間。通過(guò)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(qiáng),其對(duì)應(yīng)的海表面風(fēng)應(yīng)力旋度增加。在風(fēng)場(chǎng)異常強(qiáng)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(qiáng),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(guó)海域潛熱通量的增加。由于副熱帶環(huán)流的調(diào)整需要時(shí)間,東中國(guó)海潛熱通量的變化會(huì)比太平洋阿留申低壓處的風(fēng)場(chǎng)變化存在4a左右的延遲。4海域潛熱通量的長(zhǎng)期變化本文利用OAFlux熱通量數(shù)據(jù),分析了近50a來(lái)東中國(guó)海海域潛熱通量的長(zhǎng)期變化,并通過(guò)局地的風(fēng)速、海氣比濕差、SST和北太平洋大尺度海平面氣壓和風(fēng)場(chǎng)的變化,探討了東中國(guó)海海域潛熱通量長(zhǎng)期變化的可能成因,主要結(jié)論如下:(1)東中國(guó)海海域潛熱通量在近50a里存在顯著的增加趨勢(shì),沿黑潮主軸海域增幅最大,最大增加速率超過(guò)1.2W·m-2·a-1。(2)導(dǎo)致東中國(guó)海海域潛熱通量長(zhǎng)期增加的主要原因可能是北太平洋風(fēng)應(yīng)力旋度場(chǎng)的加強(qiáng),而不是東中國(guó)海