渤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5期

石强，2，3

（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）

渤海是受大气、陆地、海洋系统交互作用的半封闭型超浅海，平均水深18 m。渤海分布着海水养殖区、自然保护区、旅游度假区等22种海洋功能区。据2008-2011年监测评价，渤海6个生态监控区均处于亚健康和不健康状态，主要生态问题是：近岸海域污染严重，滨海湿地面积减少，海水盐度升高，渔业资源衰退，富营养化加剧，赤潮频发，外来物种入侵，岸线侵蚀等。（国家海洋局北海分局，2009，2010，2011，2012）。随着气候变暖以及开发活动加剧，渤海环境演变也将复杂化。

海水温度、盐度是海洋环境的基本要素。方国洪等（2002）、俎婷婷等（2005）和 Lin等（2001）利用线性回归方法研究了渤海沿岸海洋站和断面观测海洋表层水温和盐度及地面气温和降水等要素的长期变化趋势和相关性。吴德星等（2005）、张松等（2009）采用EOF方法分析了卫星遥感渤海SST年际变化特征。吴德星等（2004）采用淡水通量收支分析研究了渤海沿岸海洋站和断面观测盐度，认为黄河入海流量持续锐减是导致渤海盐度升高的主导原因。Yu等（2009）采用EOF方法研究了1950-2007年渤海、北黄海冬季盐度，认为渤海年度盐度与黄河年径流量强负相关。

海水温度、盐度分布不仅与生化要素分布有密切关系（魏皓等，2003；李胜朋等，2004；邹斌等，2005）也与大气-海洋CO2交换过程有关系（张龙军等，2008）。

渤海地区近50年来冬季气温升高最明显（黄琰等，2011），并且渤海海域冬季降水量小；黄河、辽河等大型河流入海径流量少；海水温度垂直均匀。本文采用旋转经验正交函数（REOF）等方法研究近35年来渤海冬季断面表底层温盐年际时空变化过程以及对冬季气侯变暖和黄河入海年径流量的响应，将有助于了解渤海冬季温盐年际变化的局地时空结构以及进一步研究温盐年际时空变化与其他生化要素的影响。

1 材料与方法

1.1 分析资料

渤海断面站位分布在渤海南北中间位置，由10个站位组成（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1978-2012年历年2月对海水表底层海水温度、盐度监测，分析方法按照海洋调查规范-第2部分：海洋水文观测（GB/T12763.2-2007）规范执行，其中 1981年、1984年和1996年各站缺测。断面北端站点有时受结冰影响缺测，分析中缺测数据由时间相邻站点资料内插填补。

图1 渤海断面站位和气候资料站分布

渤海中部沿岸大连站1978-2012年历年2月平均气温和历年1月、2月每日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。

黄河口利津站1978-2011年黄河入海年径流量资料。

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应用（石强等，2001；吴德星等，2005；张松等，2009；Yu et al，2009）。

EOF方法可以反映分析域整体时空主要变化，当需要关注分析域变量局地时空结构时，采用旋转经验正交函数（REOF）是一个适宜的方法（Jolliffe，2002）。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）。本研究中取跃变时间尺度n=10年。

1.3 Pearson相关系数与非线性相关系数

当两个随机变量服从二元正态分布时，其线性相关关系可由Pearson积矩相关系数描述，简称Pearson相关系数，值域范围-1～1。在使用Pearson相关系数时，二元正态分布假设十分重要。对于非正态分布的样本计算该相关系数值可能导致完全错误的结论（陶澍，1994）。因此，除有特别说明以外，本文所有参与计算延迟关系分析的变量均通过了信度0.01正态分布检验。

非线性相关系数（广义相关系数）定义：可解释的变差与总变差比值，值域范围0～1，其中可解释变差计算中采用二阶多项式拟合两个变量。当多项式最高阶数由2降低为1时，非线性相关系数退化为线性相关系数（斯皮格尔等，2002）。

2 结果与讨论

2.1 气候要素与海面温度、盐度年际变化趋势

在全球气候变暖的背景下，1978-2012年期间，渤海地区大连站历年2月平均气温出现显著线性升高趋势（图2a），历年1月径向、纬向伪风应力和出现显著线性减小趋势（图2b、c），黄河年径流量出现显著线性减少趋势（图3a），这三种渤海重要外强迫因素的改变将影响到渤海冬季温盐时空结构的变化。

断面1987年表层盐度序列未通过正态分布检验，故1987年平均盐度值由盐度中位数代替，通过检验的每年温度、盐度序列取平均值分析趋势（陶澍，1994）。断面历年表层平均温度没有线性升高趋势（图3b），这种表层平均温度年际变化原因将采用REOF分析讨论。表层平均盐度值序列具有显著线性升高趋势（图3c）。

渤海海域冬季低气温的形成主要受到南下极地冷气团强度和控制时间的影响，而冬季西北季风的强弱受到高低气压系统配合和大气环流系统变化的影响，例如冬季El Nino年东亚寒潮活动弱于La Nina年，El Nino年SST较La Nina年偏高（张松等，2009）。从延迟相关分析结果看，大连站冬季2月平均气温与大连站2月伪风应力和的模存在显著同步负相关系数（R=-0.51），但是，延迟相关系数分布没有出现单峰形态（图略），因此，冬季西北季风的强弱是影响渤海地区冬季月平均气温高低的因素之一，但不是唯一的主要因素。

2.2 海水温度、盐度年际变化

渤海断面冬季表底层温度、盐度分布见图4-图7，其中各站温度、盐度数据沿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）。

由图4、5所示，近35年来渤海冬季断面表底层温度经历了冷期变短、暖期变长的情形，冷期出现在1983-1985年、2000-2001年、2010-2012年，最低温出现在1985-1986年；暖期出现在1979-1981年、1988-1999年、2002-2003年、2007-2009年，最高温度出现在2007-2008年。渤海中部暖期增温幅度最大，辽东湾在冷、暖期变温范围最大。

图2 大连站月平均气温（a），月径向伪风应力和（b）、月纬向伪风应力和（c）

图3 黄河年径流量（a）与表层平均温度（b）、表层平均盐度（c）

图5 底层温度分布（单位：℃）

图6 表层盐度分布

由图6、7所示，渤海冬季断面表底层盐度出现高值期增多，河口和中部海域盐度低值期减少的情形，盐度较低值出现在1978年-1980年、1987-1992年和2011-2012年；盐度较高值出现在1982-1986年和1993-2010年，其中最高值出现在2002-2004年。

图7 底层盐度分布

图8 表底层温度差（单位：℃）

图9 表底层盐度差

渤海冬季低气温天气条件下的海气热辐射、蒸发作用形成海表层水体低温、高盐效应，同时西北季风将渤海表层水吹向渤海西南岸段堆积并产生自表层向底层的下沉流，在渤海西北岸段由于表层水被风吹离海岸，由此产生由底层向表层的补偿流，这种西北季风驱动的沿渤海主轴方向的表底层风动—补偿流环流将渤海西南岸段附近的表层水低温、高盐效应向海底运移，将底层暖温、低盐效应水体向表层输送，这种环流可以抵消堆积在渤海西南岸附近水体的表层低温、高盐效应，增大表底层水体温盐混合。在渤海西北季风较强的年份（1982-1984年；1994-1998年），渤海西南岸段附近表层水温度大于底层，底层盐度大于表层；在西北季风较弱的年份（2007-2010年），渤海底层水温度高于表层，底层盐度小于表层，见图8，图9。因此，渤海冬季西北季风强度显著线性减弱趋势，将导致渤海断面南部表底层温盐风动混合效应减弱，使得堆积在断面南部水体的低温、高盐效应逐年增强，出现断面南部表底层水体温度趋势性降低、盐度趋势性升高的效应。由于黄河口径流量是影响渤海盐度的主要因素（吴德星等，2004；石强，2013），这种环流造成的高盐效应相对黄河口径流量对盐度的影响是小量。

2.3 海水温度年际时空变化

采用REOF分析表底层温度序列资料，取EOF前3项做旋转，表层方差总和96%；底层方差总和95%，时间分量采用5项高斯型低通滤波处理，消除短期扰动。

由于冬季太阳辐射量减小，渤海海水垂直混合比较均匀，所以表底层温度3个模态时空间分量对应形态十分相似。

依据空间分量大值分布，表底层温度模态空间分量有3种型式：开阔海型、黄河口型和辽河口型（图10d.e.f，图11d.e.f）。开阔海型方差贡献最大；辽河口型方差贡献最小。

表底层温度模态时间分量中第一模态具有显著线性升高趋势（图10a，图11a），并在1992年出现10年尺度跃变升高；第二模态具有显著线性降低趋势（图10b，图11b），1990年以后，时间分量年际变化幅度比较小，线性降低趋势明显；第三模态是准平衡年际变化，1993年以后，时间分量年际变化幅度比较小（图10c，图11c）。最大熵谱分析得出：表底层温度第一模态显著周期4.7年和10年；表层温度第二模态显著周期7.8年和11.7年；表层温度第三模态显著周期5.8年和17.5年；底层温度第二模态显著周期7年和11.7年；底层温度第三模态显著周期4.1年、5.8年和10年。

渤海表底层开阔海型水温模态有显著线性趋势性升高，其机制是对气候变暖的响应；黄河口型水温模态有显著线性趋势性降低，这种形态是由于西北季风强度逐渐减弱，导致沿渤海南北方向表底层风动—补偿流环流减弱，断面南部表底层温度混合效应减弱，由西北季风吹向断面南部海域表底层水体的低温效应逐渐增大，该海域温度出现线性趋势性降低；辽河口附近海域是冬季冰情最重的海域，受大气环流年际变化影响，渤海海冰存在低频、高频和无明显周期的多尺度年际变化特征（李剑等，2005）。20世纪90年代渤海冰情持续偏轻与全球气候变暖趋势相当一致，渤海冰情年际变化与EL-Nino现象以及太阳活动周期有关（白珊等，2001）。辽河口附近海域受到冰情复杂年际变化使得辽河口型水温模态年际变化呈现准平衡形态。

图10 表层温度时空模态（a.d.REOF1=63%；b.e.REOF2=21%；c.f.REOF3=12%），→跃变时刻

图11 底层温度时空模态（a.d.REOF1=54%；b.e.REOF2=21%；c.f.REOF3=20%），→跃变时刻

渤海冬季表底层温度年际变化分为3种时空模态，主要在开阔海域分布的第一模态（表层REOF1=63%；底层REOF1=54%）随气候变暖有线性升温趋势；主要在黄河口附近海域分布的第二模态（表层REOF2=21%；底层REOF2=21%）受季风强度逐渐减弱的影响，出现线性降温趋势，并且降温斜率大于第一模态升温斜率；主要在辽河口附近分布的第三模态（表层REOF3=12%；底层REOF3=20%）呈现准平衡变化。由于断面占据3种不同形态的温度年际变化海域，所以，在取断面各站温度值做平均计算后，平均温度值序列中升高、降低线性趋势被掩盖。

2.4 表底层温度模态与月平均气温和季风相关性

对历年2月平均气温、1月季风强度和表层温度模态时间分量序列做5项高斯型低通滤波处理后做延迟相关分析。

图12 大连站2月平均气温与表层温度模态延迟相关系数

如图12所示，第一模态时间分量与大连站2月平均气温显著同步正相关，第一模态是对冬季气温升高趋势的响应；第二模态时间分量与2月平均气温有3-4年延迟显著负相关，这种情形说明第二模态变化不是对2月平均气温的响应，只是有与2月平均气温年际变化位相延迟；第三模态时间分量与月平均气温基本无显著相关性，模态受其他因素。

底层温度模态与大连站2月平均气温的延迟相关性与表层温度模态是一致的。

如图13所示，1月拟风应力和模与表层温度第一模态时间分量无显著相关响应；与第二模态时间分量近似同步显著正相关（与峰值相差不大），说明第二模态是对西北季风强度的响应，由此也证实了前节分析的风动—补偿流环流与温度影响效应；与第三模态时间分量的相关系数分布是一种位相差变化，并不是响应相关。

图13 大连站1月伪风应力和的模与表层温度模态延迟相关系数

底层温度模态与大连站1月伪风应力和模的延迟相关性与表层温度模态是一致的。

渤海冬季表底层温度对气候变暖响应主要出现在渤海断面开阔海域；对西北季风强度减弱的响应主要在渤海断面南部海域，造成局地海域温度出现显著线性降温趋势；断面北部海域温度主要对海冰年际变化响应，呈现准平衡态年际变化。

2.5 盐度年际时空变化

采用REOF分析表底层盐度序列资料，取EOF前2项做旋转，表底层方差总和均是95%，时间分量采用5项高斯型低通滤波处理，消除短期扰动。

渤海冬季降水量、河流径流量少，海水垂直混合比较均匀，所以表底层盐度二个模态时空间分量对应形态十分相似。

依据空间分量大值分布，表底层盐度模态空间分量有二种型式：辽东湾型、黄河口型（图14c、d，图15c、d）。辽东湾型方差贡献稍大于黄河口型。

表底层盐度模态时间分量中第一模态是准平衡年际变化（图14a，图15a）；最大熵谱分析得出：表底层盐度第一模态显著周期是5.8年和11.7年；第二模态具有显著线性升高趋势（图14b，图15b），其中第二模态在1997年出现10年尺度跃变升高。最大熵谱分析得出：表层盐度第二模态显著周期是7.8年和17.5年；底层盐度第二模态显著周期是5.4年和17.5年。

图14 表层盐度时空模态（a.c.REOF1=49%；b.d.REOF2=46%），↓跃变时刻

图15 底层盐度时空模态（a.c.REOF1=52%；bde.REOF2=43%），←跃变时刻

黄河入海径流量不仅可以影响渤海盐度季节变化（石强，2013），也可以影响渤海盐度年际变化（吴德星等，2004）。黄河入海年径流量线性减少趋势（图3a）造成黄河口附近海域盐度模态年际变化出现线性升高趋势，并且出现盐度跃变升高。冬季辽东湾及附近海域存在盐度模态准平衡态年际变化，渤海海冰和渤海-北黄海之间海水交换等因素，可能与这种模态年际变化形态有关。

2.6 盐度模态与黄河年径流量相关性

各组黄河年径流量-盐度模态延迟数据均符合正态分布，只有黄河年径流量-表层盐度第二模态在滞后-6年步长处数组出现非正态分布，但是该组Pearson相关系数接近零（图16），所以一组数据的非正态分布不影响整体分析结果。由于冬季风动-补偿流环流年际变化对表底层盐度的影响相对黄海年径流量是小量，因此，只对黄河年径流量、表层盐度模式时间分量做5项高斯型低通滤波处理后做延迟相关分析。

如图16所示，黄河年径流量超前表层盐度第一模态5年显著最大负线性相关，非线性相关系数也是在5年出现最大值（图16未标出），说明黄河年径流量可以在黄河口附近海域维持5年左右的冬季海水低盐度效应，黄河年径流量的大小是影响渤海冬季海水盐度的主要因素。黄河年径流量超前表层盐度第二模态7年显著最大负线性相关；超前表层盐度第二模态2年最大非线性相关，说明黄河年径流量变化对第二模态的影响快于第一模态，并且可以对辽东湾和渤海中部海域维持2-7年的冬季海水低盐度效应。由于缺少辽河口年径流量资料，所以，不能确定第二模态对辽河与黄河年径流量响应的差异情况。

图16 黄河利津站年径流量与表层盐度模态延迟相关系数

3 结论

（1）渤海冬季表底层温度年际变化分为3种时空模态：开阔海型、黄河口型和辽河口型，其中只有开阔海型模态是对冬季气温变暖的响应，该模态时间分量有显著线性升高趋势和跃变。黄河口型模态是对冬季西北季风强度逐渐减弱的响应，该模态时间分量有显著线性降低趋势。辽河口型模态是对局地海冰年际变化的响应，呈现准平衡变化。

（2）由于渤海断面占据3种不同形态的温度年际变化海域，渤海冬季断面平均海水温度值序列呈现准平衡形态年际变化。

（3）渤海冬季表底层盐度年际变化分为2种时空模态：辽东湾型和黄河口型，其中黄河口型模态与黄河口年径流量滞后5年显著负线性相关，该模态时间分量有显著线性升高趋势和跃变；辽东湾型模态与黄河年径流量滞后7年显著负线性相关；滞后2年显著非线性相关，该模态时间分量年际变化为准平衡形态。

（4）黄河年径流量是影响渤海冬季盐度年际变化的主要因素，渤海冬季断面表底层平均海水盐度年际变化呈现显著线性升高趋势。

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