北黄海冬季温盐年际变化时空模态与气候响应

2013-08-14石强

海洋通报 2013年6期

石强

（1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛，266033；2.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛 266033；3.海洋溢油鉴别与损害评估技术国家海洋局重点实验室，山东青岛 266033）

黄海是一个被中国大陆和朝鲜半岛围绕的半封闭陆架浅海，黄海南侧以济州岛至长江口连线为界与东海相邻；北侧以旅顺口至蓬莱连线为界与渤海相邻；以山东半岛东端成山头为界分为南、北黄海。黄海表面积约40×104km2，平均水深44 m，最大水深140 m。在黄海中部分布着南北方向伸展的黄海槽，水深约50～80 m。黄海主要分布有5种水团：黄海暖流水团、黄海底层冷水团、朝鲜沿岸水团、中国沿岸水团和长江冲淡水团。黄海环流分为两种季节性流系：冬季环流和夏季环流。

在山东半岛东端的成山头与大连之间有一个自1928年开始监测的海洋调查断面，张以恳等（1996）研究了该断面自1928-1990年期间选取的42年观测资料，分析了该断面夏季8月份冷水团年际变化特征。赵保仁等（1996）、江蓓洁等（2007）研究了北黄海冷水团的温度、盐度以及海流系统的季节变化。王宗山等（1992）、徐玲玲等（2008）研究了北黄海温盐垂直分布。黄江婵等（2012）根据2006-2007年期间对北黄海19条断面调查资料，研究了北黄海四季水团分布特征。

北黄海冬季温盐结构受到北黄海环流和西北季风的共同影响，冬季渤南沿岸水势力最强，该水团在西北季风作用下可以越过山东半岛东端成山头向南黄海伸展（李繁华等，1989）。北黄海鲁北沿岸流冬季最强，春季减弱，夏秋季消失（鲍献文等，2009）。在秋冬季节山东半岛东及北沿岸，海水交换又呈上下不同的两层模式：上层黄海沿岸流自西向东南下，而在深底层，黄海暖流余脉的深底层流却自南而北再向西流动，致使表层温度低于下层温度，形成冬秋季逆温层现象（颜文彬等，1991；管秉贤，2000）。

随着全球气候变暖，黄海海域冬季气候也有所改变。冬季2月份平均气温增暖最快（张黎红等，2005；陈少勇等，2009），东亚季风明显变弱（黄荣辉等，2008）。冬季气候要素的变化对北黄海冬季温盐结构也产生显著影响，而对北黄海冬季温盐结构的气候响应仍然缺少研究，特别是对北黄海断面冬季温度、盐度连续长期观测资料分析有重要的科学意义。

采用旋转经验正交函数（REOF）等方法研究近36年来北黄海冬季断面温度、盐度年际变化时空结构与气候响应，以及冬季北黄海与渤海之间温盐年际变化的相关性。这些工作有助了解北黄海冬季温盐年际时空变化趋势和演变过程，并进一步研究北黄海冬季温盐年际变化与生化要素的影响关系。

1 材料与方法

1.1 分析资料

北黄海断面8个监测站分布在北黄海成山头至大连之间，简称CD断面。该断面南端水深约31m；中段水深约52 m；北端水深约48 m，见图1。国家海洋局北海分局海洋调查队和北海环境监测中心于1977-2012年历年1-2月（多数是2月份）对断面表底层海水温度、盐度监测，分析方法按照海洋调查规范一篇2部分：海洋水文观测（GB/T 12763.2-2007）执行，其中1984年、1996年各站缺测，分析中缺测数据由时间相邻站点资料内插填补。

图1 北黄海断面站位分布

位于北黄海近岸的大连站自1977-2012年历年1月、2月月平均气温、每日2次（0、12世界时）97 m高度处探空风速资料，由中国气象局气象信息中心提供。

1.2 分析方法

1.2.1 旋转经验正交函数（REOF）方法

旋转经验正交函数（REOF）方法是经验正交函数（EOF）方法的改进。EOF方法是一种分析矩阵数据中的结构特征和提取数据主要时空特征量的方法，在海洋学科中得到了广泛的应用（Storch，1999；石强等，2001，2011）。

EOF方法可以反映分析域整体时空变化，当需要关注分析域局地时空结构时，采用旋转经验正交函数（REOF）是一个适宜的方法（Storch，1999）。REOF方法是在保持EOF前K个主成分的总方差不变情况下，进行最大方差正交变换，使变换后的空间型对原变量的方差贡献差异增大，以反映原变量中的局部结构，第K个特征值方差贡献用REOFk（%）表示。REOF详细讨论见（吴洪宝等，2010）。

1.2.2 跃变分析方法

采用信噪比公式确定时间序列资料跃变发生的强度与时刻，信噪比公式为：

其中，M1、M2和σ1、σ2分别是基准时刻之前与之后期间（n）内的平均值和标准差，当信噪比值出现局部最大值且大于1.0时，判断在基准时刻出现跃变现象（Yamamoto et al，1986）。跃变现象可以出现在数年至数十年的多种时间尺度中，本研究主要关注十年尺度的温盐模态时间分量跃变，所以取跃变时间尺度n=10年。

1.2.3 正态分布检验

当样本序列符合正态分布时，可以用样本平均值代表样本序列的统计特征（陶澍，1994），因此，本文除特别声明外，计算出的各年断面温盐平均值的观测序列均通过了正态分布峰度、偏度系数判据检验，信度0.001。

2 结果与讨论

2.1 气候要素与表底层温度、盐度年际变化

据1961-2006年月平均温度资料分析，我国东部季风区冬季增温率为0.39℃/10 a，其中2月增温最大（张少勇等，2009）。对大连站1977-2012年历年2月月平均气温和历年1月月纬向、经向伪风应力（Pseudostress）和（（τxτ）y=∑（WxW）y进行5项高斯型低通滤波处理。2月平均气温有显著线性升高趋势（图2a）；1月月经向拟风应力和有显著线性减弱趋势（图2b）；月纬向伪风应力和有非显著线性减弱趋势（图2c）。冬季气温升高和西北季风强度减弱的气候趋势将对北黄海温盐结构年际变化产生影响。

将温度、盐度数据序列分别沿各站位时间方向做边界一阶、内部二阶Shapio滤波，以减少短波噪声（Shapiro，1970），并绘制温度、盐度分布图 3-图 6。

图2 大连站2月平均气温（a）和1月经向（b）、纬向（c）伪风应力和

图3 断面表层温度分布（单位：℃）

由图3、4所示，断面表底层温度经历了10年冷期（1977-1987年）、20年暖期（1988-2008年）和近4年冷期（2009-2012年）的变化，其中2007-2008年是最暖的时期，断面中部的最高温度达到5℃以上，次暖期在1995-1999年，暖期海水温度升高主要在断面中部海域，并向两侧近岸扩展；冷期最低温度在1℃以下，出现在1977-1981年断面的南端海域，次冷期在2010-2012年，冷期海水低温主要在断面的南端近岸海域，并向断面中部海域扩展。

图4 断面底层温度分布（单位：℃）

图5 断面表层盐度分布

图6 断面底层盐度分布

由图5、6所示，断面盐度分布表底层有差异，表层盐度南、北端有低盐度水体出现，底层盐度相对表层分布比较均匀。高盐度水体主要出现在断面中部海域，低盐度水体出现在断面南、北端近岸海域。表底层高盐度期在1981-1984年、1989-1990年、1999-2003年和2008-2010年期间；低盐度期在1977-1980年、1985-1988年、1991-1993年和2011-2012年。

断面表层平均温度年际变化呈现显著线性升高趋势（图7a），断面表层平均盐度年际变化呈现准平衡状态（图7b），底层平均温盐值与表层平均温盐是相似的年际变化。

图7 断面表层平均温度（a）、平均盐度（b）

北黄海冬季西北季风将表层水体向南输送，在鲁北沿岸堆积的南移水体将携带低温、高盐效应的表层水向深层移动；在辽南沿岸表层水体被吹离，将引起底层相对高温、高盐水体向辽南沿岸补偿流动，由此，在北黄海形成一种西北季风驱动的风动-补偿环流。由于气候变暖，北黄海冬季西北季风强度逐渐减弱（图2b、2c），北黄海冬季风动-补偿环流也逐渐减弱，从断面表底层温盐差年际分布分析，表底层温盐差均存在显著的线性趋势（图8a、8b），

表底层温度显著升高，表层平均温度升高幅度比底层大，表底层平均温差减小；表底层平均盐度有升高趋势（未通过显著性判据），表层平均盐度升高幅度比底层大，表底层平均盐度差显著减小。因此，断面冬季表底层平均温盐差显著线性正距平趋势，底层温度、盐度出现高于表层的情形将减少。

图8 断面平均表底层温度差（a）、盐度差 (b)分布

2.2 表底层温度年际时空变化

采用REOF分析断面表底层温度距平序列资料，取EOF前2项做旋转变换，时间分量采用5项高斯型低通滤波处理，消除短期扰动。

根据断面表底层温度模态空间分量高值分布，断面表底层温度模态空间分量有两种型式：开阔海型（图 9d、图 10c）和南北近岸型（图 9c、图10d）。表层温度模态中，两种模态方差贡献差别不大（相差2%）；底层温度模态中，开阔海型方差贡献大于南北近岸型（相差20%）。

图9 断面表层温度时空模态（a，c.REOF1=47%，b，d.REOF2=45%），↓跃变时刻

图10 断面底层温度时空模态

断面表层温度模态第二时间分量线性拟合相关R=0.23，与信度0.05相关系数临界值0.28十分接近，存在近似的线性升高趋势（图9b），断面其他表底层温度模态时间分量均有显著线性升高趋势（图9a、图10a、10b）。开阔海型温度模态中底层模态线性升温趋势比表层快，南北近岸型温度模态中表层模态线性升温趋势比底层快。最大熵谱分析结果：表层第二模态和底层第一模态时间分量显著周期5.5年、9.0年和36.0年；表层第一时间分量显著周期5.1年、6.5年和14.4年；底层第二时间分量显著周期5.5年、10.3年。表底层开阔海型温度模态有相同的显著年际周期变化，表底层南北近岸型温度模态显著年际周期不同。

表底层温度南北近岸型模态时间分量存在十年尺度跃变现象；开阔海型模态无跃变现象（图9a，图 10b）。

2.3 断面温度的气候响应

延迟分析表明：断面2月温度模态与大连站历年1月经向伪风应力和序列显著相关；与2月经向伪风应力和序列无显著相关，温度模态位相落后1个月对风应力响应的情况与其他学者分析结果是一致的（刘哲等，2003）。2月温度模态与2月平均气温序列有显著同步正相关，与1月平均气温模态显著正相关分布有峰值偏离现象（图略）。

图11 大连站2月平均气温与断面表底层温度模态延迟相关系数

图11 所示，断面表层温度第一、第二模态和底层温度第一模态对2月平均气温有显著同步正相关响应，底层温度第二模态与月平均气温显著正相关响应中存在其他因素的干扰较大，显著相关峰值有延迟偏离现象。

由图12所示，断面表层温度第一模态和底层温度第二模态与1月经向伪风应力有显著正相关响应，其他温度模态未有显著相关响应。温度模态与2月经向伪风应力和未有显著正相关峰值响应（图略）。断面表底层温度模态对气温的显著响应比对伪风应力的显著响应快1个月时间，说明西北季风驱动的风动环流对温度变化位相影响时间大约是1个月时间。表层温度第一模态和底层温度第二模态存在对伪风应力显著延迟1个月响应，可能导致对2月平均气温同步相关系数分布中出现峰值弱化和偏移的现象（图11）。

断面2月表底层温度开阔海型模态是对2月平均气温年际变化的响应，表层温度开阔海型模态时间分量线性升高趋势斜率大于底层；2月表底层温度南北近岸型模态是对1月经向风应力和与2月平均气温的响应，底层温度南北近岸型模态时间分量线性升高趋势斜率大于表层。

图12 大连站1月经向伪风应力和与断面表底层温度模态延迟相关系数

渤海与北黄海之间通过渤海海峡产生水体交换，北黄海海域冬季存在黄海水团、渤南（鲁北）沿岸水、辽南沿岸水和渤-黄海混合水团（李繁华等，1989；黄江婵等，2012）。断面横跨黄海水团（断面中部）、渤南（鲁北）沿岸水（断面南部）和渤-黄海混合水团（断面北部）。将同步的北黄海断面温度模态与渤海断面温度模态（石强，2013）进行延迟相关分析，研究冬季北黄海与渤海之间温度模态的相关关系。

图13 断面表底层温度模态与渤海断面表底层温度模态延迟相关系数

图13 所示，冬季北黄海断面表底层温度开阔海型、南北近岸型模态与渤海断面表底层温度开阔海型模态有显著同步正相关，断面底层温度开阔海型模态与渤海底层温度辽河口型模态有显著同步正相关。由此分析，渤海断面开阔海域表底层温度主要与北黄海断面表底层温度同步年际变化，北黄海断面底层温度开阔海模态与渤海断面底层温度辽河口型模态有比较显著的同步正相关，而渤海断面表底层温度的黄河口型模态与表层温度辽河口型模态是显著局地效应产生的年际变化，与北黄海断面温度年际变化无关。

2.4 表底层盐度年际时空变化

采用REOF分析断面表底层盐度距平序列资料，取EOF前2项做旋转，时间分量采用5项高斯型低通滤波处理，消除短期扰动。

根据断面表底层盐度模态空间分量高值分布，断面表底层盐度模态空间分量有二种形态：鲁北近海型（图14c、图15c）和辽南近海型（图14d、图15d）。断面盐度年际变化主要出现在断面南北部海域，这种形态说明渤南（鲁北）沿岸水和辽南沿岸水盐度的年际变化是影响北黄海断面海域盐度年际变化的主要因素。

表底层盐度模态时间分量出现两种相反的线性趋势变化，表底层盐度第一模态（图14a、图15a）有显著线性升高趋势；表底层盐度第二模态（图14b、图15b）有显著线性降低趋势。这种形态说明渤南（鲁北）沿岸水影响的盐度模态有显著线性升高趋势，辽南沿岸水影响的盐度模态有显著线性降低趋势，并且升高斜率大于降低斜率。最大熵谱分析：表底层盐度第一模态显著周期9.0年；表层盐度第二模态显著周期5.1年、6.5年；底层盐度第二模态显著周期6.5年。

图14 断面表层盐度时空模态

图15 断面底层盐度时空模态

表底层盐度鲁北近岸型模态时间分量存在十年尺度跃变现象；辽南近岸型模态无跃变现象（图14a、图 15a）。

表底层盐度第一模态时间分量之间有显著同步正相关系数0.94；第二模态之间有显著同步正相关系数0.98；依据REOF分析时间分量的正交性，表、底层盐度第一、二模态时间分量之间无显著同步正相关系数。

2.5 盐度模态的气候响应

冬季辽南沿岸受鸭绿江等河流入海淡水影响，温度和盐度较低。辽南沿岸水4个季节都是以低盐为特征（鲍献文等，2009）。这种辽南沿岸水低盐特征是因为辽南沿岸存在一个四季基本不变沿辽南岸流向西南的辽南沿岸流，这种流系夏季流速大，流幅窄；冬季流速小，流幅宽（臧家业等，2001）。北黄海冬季断面海水盐度年际变化受到辽南沿岸水、辽南沿岸流以及渤海-北黄海海水交换的影响。。

在冬季西北季风驱动下，渤南水经鲁北沿岸流向南黄海，黄海口径流量逐年减少的趋势造成渤海冬季断面盐度黄河口型模态出现显著线性升高效应（石强，2013），并且与北黄海断面表底层盐度鲁北近海型模态显著同步正相关（图16）。由于渤海断面表底层盐度辽河口型模态滞后1～2年与北黄海断面表底层盐度与鲁北近海型模态显著正相关（图16），因此，渤海断面表底层盐度黄河口型模态是影响北黄海断面表底层盐度鲁北型模态年际变化的主要因素。。表底层盐度辽南近海型模态与渤海冬季断面盐度辽东湾型、黄河口型模态无同步和延迟显著相关，该模态主要是受辽南沿岸水盐度的年际变化影响。

图16 渤海盐度模态与断面盐度模态延迟相关系数

延迟相关分析表明：断面表底层盐度鲁北近岸模态与2月平均气温显著同步正相关；表底层盐度辽南近海型模态超前2～3年与2月平均气温显著负相关。断面表底层盐度模态与1、2月经向、纬向伪风应力和不存在可以解释的延迟相关关系（图略）。由此分析，断面表底层盐度鲁北近岸模态与2月平均气温同步年际变化，表底层盐度辽南近海型模态形成机制与鲁北近岸模态不同，表底层盐度2个模态年际变化与西北季风强度年际变化无关，主要受到渤南（鲁北）、辽南沿岸水盐度年际变化影响。

为分析断面温盐模态之间年际变化的稳定性，我们分析了表层、底层温盐两个模态之间的延迟相关，结果表明：表（底）层温度第一模态超前第二模态7～8年显著正相关；表（底）层盐度第一模态超前第二模态4年显著负相关。断面表层、底层温（盐）两种模态之间年际变化存在显著延迟相关性。

3 结论

（1）冬季北黄海断面表底层温度有两种时空模态：开阔海型和南北近岸型。两种模态时间分量主要有准周期和线性趋势年际变化，开阔海型温度模态中底层线性升温斜率比表层大；南北近岸型温度模态中表层线性升温斜率比底层大。表底层温度开阔海型模态是对2月平均气温年际变化的响应；表底层温度南北近岸型模态是对1月经向风应力和与2月平均气温的响应。

（2）冬季北黄海断面表底层盐度有两种时空模态：鲁北近海型和辽南近海型。两种模态时间分量主要有准周期和线性趋势年际变化。表底层盐度鲁北近海型模态时间分量有显著线性升高趋势；辽南近海型模态时间分量有显著线性降低趋势，其中鲁北近海型盐度模态线性升高斜率大于辽南近海型模态降低斜率。断面表底层盐度年际变化与渤南（鲁北）沿岸水和辽南沿岸水的盐度年际变化显著相关。

（3）表底层温度南北近岸型模态时间分量存在10年尺度跃变现象；开阔海型温度模态无跃变现象。表底层盐度鲁北近岸型模态时间分量存在10年尺度跃变现象；辽南近岸型模态无跃变现象。

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