2017, Vol. 13 
2. 中国气象局气候研究开放实验室 / 中国气象局国家气候中心，北京 100081;
3. 内蒙古农业大学，呼和浩特 010010
南海位于太平洋、东亚大陆和印度洋交汇处，这里有世界海洋中温度最高、面积最大的热带西太平洋暖池，是全球热带对流最强，海气相互作用极为强烈的区域。南海的热力效应及海气相互作用对我国大陆天气气候具有重要影响[1-6]。同时，南海是东亚季风系统与南亚季风和亚澳季风系统相互连接、相互作用的重要区域，也是夏季偏南气流向我国大陆输送水汽的主要通道[7-10]。因此，在全球平均海表温度上升的背景下[11-13]，开展南海及毗邻海区海表温度变化的研究具有重要意义。
南海海表温度的变化，受到广泛关注[14-17]。张秀芝等[14]使用HadISST资料，分析了1901—2004年中国渤海、黄海、东海和南海区域海表温度(SST)的长期变化，指出各海区海温均呈增加趋势，20世纪80年代以后增暖明显；汤超莲等[15]研究表明1971—2003年南海北部珠江口SST呈显著上升趋势，且珠江口外高于口内；蔡榕硕等[16]分析了南海表层海水温度的时空分布特征和周期变化，指出南海在1981年前后发生了一次由低到高的气候转变，南海中部SST在1950—2006年上升了约0.92 ℃；Bao等[18]利用1°×1°网格的HadISST月平均海温资料，研究中国边缘海地区海表温度长期变化，表明1870年以来和1962年以来南海年平均SST均呈明显上升趋势，分别达0.040 ℃ /10a和0.225 ℃ /10a。
制约中国近海SST长期变化研究的最主要因素是海温现场观测资料稀疏。基于船舶观测的海表温度资料通过插值填补无观测区域，生成全覆盖的网格数据，在此过程中海面观测空间采样的不均匀性和离散性会带来较大的误差和不确定性[19]。同时较低分辨率的传统观测资料也无法精细地刻画海温变化的时空结构。以往由于卫星资料观测时间较短等原因，在气候变化研究中较少受到关注[20-23]。随着卫星资料时间序列的延长和处理技术的提高，卫星气候数据集的建设和应用越来越受到重视，其在全球和区域气候监测、诊断和气候变化分析中，取得了较好的效果[24-25]。但是，目前卫星遥感资料在中国气候和气候变化研究中应用还相对较少。
本文基于1982—2012年高分辨率AVHRR Pathfinder逐日海表温度资料，对南海及毗邻海区年、季海表温度变化趋势进行了定量估计，并给出该海域近30年海表温度气候学分析。
1 资料和方法本文采用1982—2012年AVHRR Pathfinder Version 5.2 SST [26]的逐日卫星海表温度资料①。为避免白天的辐射对传感器干扰可能造成的海温数据长期变化分析的不确定性，只使用了夜间数据进行分析。AVHRR Pathfinder卫星海表温度数据是由美国国家海洋大气局(NOAA)所属国家海洋数据中心(NODC)发布。该数据空间分辨率为4 km，时间分辨率为一日两次(白天和夜间)，研究时段为1981年11月—2012年12月。
选取1982—2012年为气候参考期。资料序列不足的部分取参考期内所有年份的平均值。海温距平是逐年海温与参考期平均海温的差值。研究区域(105°~ 125°E，0°~ 26°N)为南海及其毗邻海区，简称为南海地区(图 1)。
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图 1 南海及毗邻海区范围 Figure 1 The study region (South China Sea and adjacent sea area) |
在进行区域平均时考虑到网格面积随纬度的变化，根据纬度余弦和面积的关系对海温距平值进行面积加权平均[27]，公式如下：
| $ T=\frac{\sum\limits_{i=1}^{N}{\cos ({{a}_{i}}){{T}_{i}}}}{\sum\limits_{i=1}^{N}{\cos ({{a}_{i}})}}。$ | (1) |
T为区域平均海温或海温距平(℃)，N为研究区域的总网格数，ai为第i个网格中心点的纬度，Ti为第i个网格的海温或海温距平(℃)。
采用最小二乘法对海表温度距平序列的变化趋势进行估计，并用t检验方法判断线性趋势的显著性水平。季节划分的方法是：1、2月和上年12月为冬季，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季。
2 结果分析 2.1 海表温度的气候学特征南海大部分区域处于热带，年平均海表温度常年在26 ~ 29 ℃。受太阳辐射随纬度变化的影响，南海年平均SST随纬度的增加而降低。由于海陆分布不均，SST梯度在海峡、近岸海域明显大于远海，梯度最大的区域在中国大陆沿岸，特别是台湾海峡南部。在太阳辐射、海陆分布、海流和沿岸流以及季风等因素的共同作用下，南海年平均SST等值线大致呈西南-东北向分布(图 2)。
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图 2 1982—2012年研究区域年平均海表温度分布 Figure 2 The annual mean SST distribution in study region during 1982−2012 |
冬季(图 3a)南海绝大部分区域海温低于28 ℃，是该海域海表温度最低的季节。在空间分布上，南部海温高于北部，东部海温高于西部，温度梯度明显，等温线呈西南-东北向分布。显然，这种分布主要与冬季东北季风驱动下稳定、强烈的沿岸寒流作用有关。
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图 3 1982—2012年研究区域四季平均海表温度分布 Figure 3 The seasonal mean SST distribution in study region during 1982−2012 |
春季(图 3b)，随着太阳辐射增强，冬季风减弱，大陆沿岸寒流造成的冷水区域面积减少，南海南部海温明显升高，海温等温线仍呈西南-东北向分布。
由图 3(c)可见，夏季28 ℃以上的高温海水几乎覆盖整个南海海区，冬、春季西南-东北向等温线消失。在中南半岛东侧，以近岸海域为中心出现一片冷水区域。此外，海南岛东北侧海域以及台湾海峡也出现较强的低温区。产生这种现象应该主要和夏季西南季风气流的影响有关。在稳定的西南风与地转偏向力共同作用下，中南半岛和海南岛东侧表层海水向东北方向流动，海流具有离岸倾向，导致深层冷海水上涌，形成相对低温区。
秋季(图 3d)，由于太阳辐射减弱和冬季风影响等原因，近岸海水温度降低，暖水团向东南退去。南海西部和海南岛东北侧海域的冷中心消失，南海北部、中南半岛东侧海温明显降低，等温线出现西南-东北向分布。
表 1给出了南海年与四季的平均海表温度。近30年南海海域年平均海温为27.65 ℃。夏季海温最高达到28.94 ℃，冬季海温最低为25.64 ℃。
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表 1 1982—2012年研究区域年和四季的平均海表温度及其距平序列变化趋势 Table 1 The annual, seasonal mean SST and the trends of SST anomalies in study region during 1982-2012 |
图 4为1982—2012年南海年平均SST距平序列。近30年整个南海海区增温趋势为0.100 ℃ /10a(表 1)，通过了0.05的显著性检验。20世纪80年代初到90年代中期，南海海表温度为负距平，90年代升温明显，20世纪90年代后期到21世纪初是南海SST的高值期，最高值出现在1998年，近期SST相对稳定。
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图 4 1982—2012年研究区域年海温距平序列 Figure 4 The annual SST anomaly in study region during 1982−2012 |
图 5给出了1982—2012年南海年平均SST变化趋势空间分布。近30年，整个南海大部海区呈增温趋势，其中台湾海峡和中国大陆沿岸增温最显著，最大增温趋势达到0.7 ℃ /10a以上，印证了汤超莲等[15]关于1979—2003年珠江口海表温度呈显著上升趋势的结论。但本文采用高分辨率卫星观测资料的分析表明，台湾海峡的陆地沿岸地带，特别是闽江河口近岸海区，也呈现出强烈的升温趋势。此外，在中南半岛南部海域存在一个较大的小幅降温区域，但未通过0.05的显著性检验。
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注：蓝色区域表示通过0.05的显著性检验 图 5 1982—2012年研究区域年海表温度趋势分布 Figure 5 The trends distribution of annual SST in study region during 1982−2012 |
图 6、表 1给出了近30年南海四季海表温度的变化趋势。1982—2012年南海海域四季均呈上升趋势，冬季增暖最显著，达到0.194 ℃ /10a；夏季和春季次之，变化趋势分别为0.121 ℃ /10a和0.107 ℃ /10a；以上趋势均通过了0.05的显著性检验；秋季增温最弱，且未通过显著性检验。在南海四季SST距平序列中(图 6)，1998年均出现了明显的正距平。
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图 6 1982—2012年研究区域四季海表温度距平序列 Figure 6 The seasonal SST anomalies in study region during 1982−2012 |
图 7展示了近30年南海四季SST变化趋势的空间分布。台湾海峡和中国大陆沿岸，四季均有较明显的增温。南海冬季增温最显著，与年平均SST变化趋势的空间分布相似，在台湾海峡和中国大陆沿岸附近存在明显的高值区，中心值达到0.7 ℃/10a，冬季南海北部增温高于南部区域。
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注：蓝色区域表示通过0.05的显著性检验。 图 7 1982—2012年研究区域四季海表温度趋势分布 Figure 7 The trends distribution of seasonal SST in study region during 1982−2012 |
春季SST增温的高值区域主要集中在南海北部，特别是在台湾海峡和海南岛周围海域存在明显的高值中心。夏季南海增暖较为均匀，北部海温上升相对较大，但不存在明显的高值中心。从南海气候特征可知，夏季南海西部和越南东岸存在一个相对低温区，近30年夏季该海区SST呈上升趋势，可能导致该冷水区存在减弱的趋势。秋季的增温区主要分布在中国大陆沿岸附近，范围小但增幅较大，而南海的西部存在较大范围海温稳定或弱降温区域，其变化趋势未通过0.05的显著性检验。
3 结果比较目前多采用分辨率较粗的长期船舶观测数据进行海温趋势分析，利用高分辨率卫星气候资料进行相关研究的工作还很少，在南海海域还没有相关研究。NOAA发起CDR数据研制计划，将存档的历史卫星资料处理成气候数据，用于气候变化和变率研究[19]。AVHRR Pathfinder SST是CDR计划多个数据集之一。由于使用了高分辨率资料，第一次清楚地指出近30年中国东南部沿海海表温度快速上升的区域及趋势。清晰地展现了夏季南海的涌升流现象，首次发现海南岛东北部海域夏季也存在涌升现象。
根据高分辨率卫星反演资料分析发现，近30年南海地区年和四季平均海表温度均表现出明显增温趋势，这一结果与前人根据传统观测资料得到的结果具有相似性[14, 16, 18]。Bao等[18]分析HadISST月平均海温资料，指出1979—2005年南海海表温度存在显著的上升趋势，冬季升温最明显，分析结果与本文结论相符。在温度变化趋势的空间分布上，也印证了汤超莲等[15]关于1979—2003年珠江口SST呈显著上升趋势的结论，并同时发现在闽江河口等沿岸地带也存在类似温度快速上升的现象，但这一现象不能被低分辨率海表温度资料所揭示。由此充分体现了高分辨率卫星气候资料的优势。
本文对比分析了相同时间段、相同区域AVHRR Pathfinder Version 5.2 SST和HadISST的海表温度序列和变化趋势(表 2)。近30年在该海域两种资料年海表温度变化趋势非常接近，分别为0.100 ℃ /10a和0.118 ℃ /10a。在冬季，二者均表现出明显的增温，且都通过了0.05的显著性检验。主要差别表现在夏季，趋势分别为0.121 ℃ /10a和0.065 ℃ /10a，前者通过了0.05的显著性检验。造成这种差异的主要原因可能是HadISST融合了船舶、浮标等现场观测资料和卫星反演资料[12]，由于不同来源的资料精度不同、时空覆盖范围不同，可能影响长时间序列气候资料的均一性，该差异存在的原因需要后期深入研究。
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表 2 1982—2012年研究区域AVHRR Pathfinder与HadISST海温距平序列的变化趋势 Table 2 The trends of AVHRR Pathfinder and HadISST in study region during 1982-2012 |
南海西部夏季SST相对低值区在前人研究中也有报道[28]。这个涌升流区域的形成主要与南海夏季西南季风和地转偏向力的共同作用有关[29-31]。本文除了揭示出南海西部相对冷水区外，还发现在海南岛东北部和台湾海峡南部大陆沿岸也存在较明显的冷水区，其中台湾海峡南部冷水区强度大于越南近岸地带，值得给予高度关注。涌升流和南海夏季风有关，夏季风越强，海表暖水离岸现象越明显，深层冷水上翻越强烈，涌升区的温度越低、范围越广；反之亦然。随着南海夏季风强度的减弱，南海西部海表温度呈现上升趋势，而冷水区的强度和范围也有所减弱[28]。
4 结论采用高分辨率AVHRR Pathfinder卫星海表温度资料，分析了1982—2012年南海海域海表温度的气候学特征和长期变化趋势，得到如下结论。
(1) 南海年平均海表温度随纬度增加而降低，且越靠近陆地温度梯度越大，造成等温线呈西南-东北向分布。南海海表温度最高温出现在夏季，最低值出现在冬季。夏季中南半岛东侧存在一个相对低温区，海南岛东部和台湾海峡也存在较明显的低温区域，应该是西南季风和地转偏向力共同作用引起的涌升流影响所致。
(2) 1982—2012年南海年平均SST增暖趋势为0.100 ℃ /10a。20世纪90年代末到21世纪初海温处于高值期，最高值出现在1998年。近30年南海海区四季均存在变暖趋势，冬季增温趋势最大，为0.194 ℃ /10a，夏、春季次之，分别为0.121 ℃ /10a和0.107 ℃ /10a，秋季最小，为0.086 ℃ /10a。
(3) 海表温度变化趋势的空间分布上，高分辨率资料能精细地反映海温的变化，如珠江口和台湾海峡海表温度的显著上升。近30年台湾海峡和南海北部中国大陆岸外海域增温最显著，最大值达到0.7 ℃ /10a以上。
致谢：感谢国家气象卫星中心王素娟研究员在海表温度资料处理方面给予的指导。
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