东海黑潮流量的年际和年代际变化*

齐继峰 尹宝树 杨德周 徐振华

(1. 中国科学院海洋研究所 青岛 266071; 2. 中国科学院海洋环流与波动重点实验室 青岛 266071;3. 中国科学院大学 北京 100049)

黑潮是北太平洋的西边界流, 也是世界著名的洋流之一。它起源于菲律宾以东海域, 沿台湾以东流向东北进入东海, 然后穿越吐噶喇海峡流出东海, 最终经日本以南海域汇入北太平洋。黑潮具有流速强、流量大、高温、高盐等特性, 将低纬度海域的高温、高盐水输送到中纬度区域, 从而成为影响北太平洋海洋环境和气候变化的重要因素。通常, 将流经冲绳海槽区段的黑潮称之为东海黑潮。东海黑潮的存在与变异, 不仅直接影响整个东海及其邻近海域的环流系统和水文状况, 而且对我国东南沿海地区的海洋生态环境、渔业资源等均有显著影响。此外, 东海黑潮流量的年际变化直接影响我国夏季的大气环流和降水(黄荣辉, 1996)。因此, 深入开展黑潮变异机制研究既有重要的学术意义, 又有明显的现实意义。

自20世纪80年代以来, 国内外学者对东海黑潮流量的基本特征和变化规律进行了许多研究, 取得了许多有益的研究成果。管秉贤(1982)基于1955—1979年间的调查资料, 发现东海黑潮流量具有春夏季大、秋冬季小的特征, 而Yuan等(1994)根据1986—1992年的中日黑潮联合调查资料得出, 东海黑潮流量夏季最大, 秋季最小。Ichikawa等(1993)也认为黑潮流量夏季最大。不仅如此, 黑潮流量的季节变化还存在年际差异。刘勇刚等(1998, 1999, 2000)认为, 在1992—1994年间, 东海黑潮流量夏季最大, 秋季最小, 但在1995年却变为春季最大, 夏季最小。此外, 东海黑潮流量还存在明显的年际变化。但由于所用的资料不同, 得到的结果存在较大差异。例如, 张兴法(1981)认为, 东海黑潮流量的主要周期为3a和8—9a, 而Saiki(1982)却认为, 黑潮流量的主周期为8a和5.5a。后来, 汤毓祥等(1994)用稍多一些的资料得出, 东海黑潮流量的主周期为1.8a和8a。由于黑潮热输送变异对我国夏季降水有重要影响(翁学传等,1996; 张启龙等, 1999), 因此东海黑潮热输送的基本特征和变化规律也已引起了人们的重视。张启龙等(2008)和Zhang等(2012)认为, 东海黑潮热输送存在显著的年际和年代际变化, 并在1976年前后经历了一次气候跃变。

受资料的限制, 以往的研究大都集中在黑潮的季节和年际变化方面, 而对黑潮年代际和长期变化的研究却极少。在年际和年代际尺度上, 黑潮流量的季节差异如何？其驱动机制是什么？这些科学问题迄今尚不清楚, 值得深入研究。显然, 利用更长时间序列的观测资料分析东海黑潮流量的长期变化规律,对预报黑潮变异并研究其对我国近海海洋环境和气候的影响具有重要的科学意义。本文拟利用东海PN断面的长期观测资料和NCEP风场数据, 系统研究东海黑潮流量的年际和年代际变化特征以及长期变化趋势, 并探讨风场和PDO对黑潮流量的影响, 以期为研究西北太平洋变异对我国近海海洋环境的影响提供科学依据。

1 资料与分析方法

本文采用藤原伊佐美(1981)和日本长崎气象台计算得出的1956—2005年春、夏、秋、冬四季通过PN断面的黑潮流量(图1), 计算零面取为700×102hPa。PN断面位于东海琉球群岛的冲永良部岛西北方(图1), 呈西北、东南走向(西起30°30′N, 124°30′E, 东至27°30′N,128°15′E, 与纬度成37°交角), 横切冲绳海槽, 与黑潮主轴垂直, 是东海黑潮中观测最系统的标准断面, 故而对研究东海黑潮流速和流量变化特征极具代表性。

图1 PN断面示意图, 等值线为水深Fig.1 The location of the PN section

本文选用了1955年1月至2005年12月间美国国家环境预报中心(NCEP)发布的全球再分析风场资料。该资料是将用不同手段获得的气象观测资料进行同化处理研制而成的全球气象资料数据库, 其中包括17层(1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250,200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10hPa)的风速、温度、相对湿度以及位势高度等大气环境参数, 网格点数为144×73, 水平分辨率为2.5°×2.5°, 资料覆盖范围为:90°N—90°S, 0°E—357.5°E。本文选用了西北太平洋(0°N—50°N, 100°E—180°E)850hPa风场资料。

本文使用了美国华盛顿大学提供的太平洋年代际振荡(PDO)指数。PDO指北太平洋20°N以北的月平均SST异常进行经验正交函数分析(EOF)所得到的第一模态的时间系数, 当北太平洋中部SST异常冷而北美西岸SST异常暖, 且北太平海平面气压(SLP)异常低时, 相应的PDO指数为正值, 称PDO暖相位,反之PDO指数则为负值, 称PDO冷位相, 该指数能较好地反映北太平洋大尺度海洋年代际变化特征。

文中还运用最大熵谱分析法分析黑潮流量的主要变化周期, 利用逐步回归分析法研究黑潮流量的长期变化趋势, 并用相关分析法探讨风场和PDO对黑潮流量的影响。

2 东海黑潮流量的基本特征与季节差异

为了便于论述黑潮流量的基本特征, 表1给出了1956—2005年间东海黑潮流量的统计结果。可以看到, 黑潮流量的多年季平均(即春、夏、秋、冬四个季节代表月的平均)值为24.30Sv(1Sv=106m3/s), 标准差为3.58Sv。但流量的季节变幅相对较小, 基本呈现为夏季大、秋季小的季节特征, 这与Yuan等(1994)的结果较为一致。而且, 从图2可以看到, 黑潮流量基本服从正态分布, 流量值主要集中在19—33Sv范围内,其中27—28Sv流量值出现的频率最高, 在178次的观测中共出现了21次。

另一方面, 从表1还可看出, 黑潮流量的季平均最大值为30.83Sv, 出现在2005年, 而最小值为16.56Sv, 见于1957年。在四个季节中, 最大流量值冬季最大, 为35.10Sv(2002年), 夏季次之, 为33.70Sv(2005年), 而春、秋季最小, 均为33.10Sv, 分别出现在1977年和2005年; 最小流量值冬季最小,为6.70Sv(1974年), 夏季次之, 为11.87Sv(1968年),而春、秋季最大, 分别为20.20Sv和18.30Sv, 分别见于1993年和1974年。这表明, 东海黑潮流量的年际变化幅度非常大, 其中, 季平均最大变幅高达14.27Sv, 而在四个季节中, 冬季流量的变幅最大, 最大变幅高达28.40Sv, 超过了多年平均值, 其次为夏季, 为21.83Sv, 而秋季和春季均较小, 分别为14.80Sv和12.90Sv。

表1 PN断面黑潮流量(单位: Sv)Table 1 Kuroshio volume transport on the PN section (in Sv)

图2 1956—2005年间黑潮流量频率分布Fig.2 The frequency distribution of the Kuroshio volume transport (KVT) through section PN during 1956—2005

3 东海黑潮流量的年际变化

为了全面揭示东海黑潮流量的年际变化, 本节首先论述季平均流量的年际变化, 然后再讨论冬、夏季流量年际变化的差异。

3.1 季平均黑潮流量的年际变化

图3a为东海黑潮季平均流量距平的年际变化(实线)。可以看到, 黑潮流量的年际变化较为显著。其中, 在1976年以前, 流量多为负距平, 而在1976年以后则多为正距平; 最大正距平为6.53Sv, 出现在2005年, 而最大负距平则为–7.74Sv, 见于1957年, 两者相差14.27Sv。

依据各年流量距平值与其多年平均值的标准偏差, 可将东海黑潮流量正距平值大于标准差(σ=3.58)的年份定义为强年, 而将负距平值小于负标准偏差(σ=3.58)的年份定义为弱年。于是, 1981, 1986, 1988,2000, 2001, 2002, 2003和2005年皆为黑潮流量的强年, 而1956, 1957, 1963, 1964, 1967, 1968, 1969, 1971和1974年则为黑潮流量的弱年。显然, 黑潮流量的强年主要发生在1976年以后, 而弱年则多发生在1976年以前。这意味着, 黑潮流量可能在1976年前后发生了一次气候跃变。这一问题将在下一节专门讨论。

图3 黑潮流量距平年际变化(实线)和年代际变化(虚线)Fig.3 Inter-annual (solid line) and inter-decadal variations(bashed line) of the KVT anomalies

为了进一步了解东海黑潮流量的年际振荡周期,我们对黑潮季平均流量距平序列进行了最大熵谱分析。结果表明: 黑潮季平均流量的主周期依次为5.3a、24.9a和3.6a。显然, 黑潮流量不仅存在着3—5a的年际变化, 而且还具有约25a的年代际变化, 这些变化周期与张兴法、Saiki和汤毓祥等人所得结论有明显的不同, 这可能与研究资料时间序列长短有关。黑潮流量3—5a的振荡周期, 与ENSO和黑潮大弯曲的主周期相近(余帆, 2008)。

3.2 冬、夏季黑潮流量的年际变化

如图3b、c所示, 黑潮流量的年际变化具有明显的季节差异。其中, 冬季流量的最大正距平为10.37Sv,出现在2002年, 而最大负距平为–18.03Sv, 发生在1974年, 两者相差28.40Sv; 夏季流量的最大正距平为8.76Sv, 最大负距平为–13.04Sv, 分别发生在2005年和1968年, 两者相差21.80Sv。显然, 冬季黑潮流量的年际变化强于夏季。最大熵谱分析结果表明, 冬季流量的主周期依次为2.7a、20a和3.5a, 而夏季流量的主周期则为14.7a、3a和5.1a。这表明, 在年际尺度上, 冬、夏季黑潮流量的振荡周期有所不同, 前者为2a和3.5a, 而后者则为3a和5a。由此可见, 冬季黑潮流量的年际振荡强度和频率皆高于夏季。

根据前面介绍的判别方法, 分别确定出冬、夏季黑潮流量的强年和弱年。其中, 1959, 1981、1986、1987、2002和2005年为冬季流量的强年, 而1956、1957、1963、1964、1967、1970、1971、1974和1977年则为其弱年; 1970、1990、1992、1994、2001和2005为夏季流量的强年, 而1957、1958、1959、1962、1968、1969和1972则为其弱年。由此可见, 冬、夏季流量的强年(或弱年)皆存在着较大差异。

4 东海黑潮流量的年代际和长期变化

本节重点分析东海黑潮流量的年代际变化特征和长期变化趋势。同样, 先分析季平均流量的变化情况, 然后再讨论冬、夏季流量的变化差异。

4.1 年代际变化

图3中虚线为经5年滑动平均滤波后得到的季平均和冬、夏季东海黑潮流量的年代际变化曲线。如图3所示, 黑潮季平均流量的年代际变化较为显著, 在20世纪70年代中期以前, 季平均流量多为负距平,即黑潮偏弱; 而在70年代中期以后则多为正距平,即黑潮偏强。从前面的分析可知, 黑潮季平均流量的年代际变化周期约为25a。那么, 在20世纪70年代中期前后黑潮是否经历了一次气候跃变？为此, 本文采用滑动的t检验法(丁裕国等, 1998), 对黑潮季平均流量距平序列进行诊断分析。结果表明, 1976年的t统计值为5.770, 超过了0.01的信度(2.878)检验。因此可以认为, 东海黑潮季平均流量在1956—2005年的50年间于1976年前后经历了一次由弱到强的气候跃变。在跃变前的1956—1976年间, 黑潮流量偏少,其距平平均值为–3.0Sv, 而在跃变后的1977—2005年间, 黑潮流量则偏强, 其距平平均值为2.17Sv。这与西太平洋暖池和北太平洋SST的年代际气候跃变发生的时间相吻合(于淑秋等, 2002; 张启龙等, 2004)。

此外, 由图3还可看出, 虽然冬、夏季黑潮流量的年代际变化趋势与季平均流量较为一致, 但两者间仍然存在许多差异。首先, 在变化周期方面, 冬季流量的年代际变化周期为20a, 与季平均流量较为接近, 而夏季则为14.7a, 与季平均流量相差甚远; 其次, 在气候跃变时间方面, 冬季流量在1976年前后发生了一次气候跃变, 与季平均流量相同, 而夏季流量却在1970年前后发生了气候跃变, 不同于季平均和冬季流量。

4.2 长期变化趋势

综上所述可知, 东海黑潮流量不仅具有显著的年际变化, 而且还有明显的年代际变化。那么, 东海黑潮流量的长期变化趋势如何？为此, 本文利用逐步回归分析法来讨论这个问题。

将1956—2005年间的季平均、冬季和夏季东海黑潮流量时间序列分别视为由时间t为自变量构成的一些简单函数的线性组合(丁裕国等, 1998), 即:

其中,t是以年为单位的时间变量, 起始时间为1956年, 即t=1, 2, 3,···, 50;c0—c10为回归系数。

根据式(1), 利用逐步回归分析法分别对季平均、冬季和夏季黑潮流量进行求解。经过逐步计算, 得到了季平均、冬季和夏季东海黑潮流量的最佳回归方程,分别如下:

图4 东海黑潮流量输送的年际变化和长期变化趋势(虚线)Fig.4 The inter-annual variations (solid line) and long-term trend (dash line) of the KVT in the East China Sea

由式(2)—(4)可知, 季平均、冬季和夏季东海黑潮流量的长期变化趋势近似为一线性函数, 这表明黑潮流量在最近50年间整体上呈现为明显的线性上升趋势。图4给出了各黑潮流量的长期变化趋势曲线(虚线为长期变化趋势, 实线为实测流量的年际变化)。显然, 自20世纪50年代中期以来, 东海黑潮流量处于缓慢的递增趋势。在1956—2005年间, 季平均、冬季和夏季黑潮流量分别增加了8.73Sv、9.86Sv和9.38Sv。显然, 冬季流量的增幅最大, 夏季次之, 而季平均最小。

5 讨论

由以上分析可知, 东海黑潮流量具有较显著的年际和年代际变化, 而且这些变化都存在明显的季节差异。本节将重点讨论引起这些变化的驱动机制。

管秉贤(1982)认为, 北太平洋夏威夷群岛邻近海域的风应力旋度与黑潮流量变化存在较好的遥相关,即当风应力旋度增大时, 黑潮流量增强; 反之则减弱。姚静娴等(1992)指出, 西北太平洋上空风应力场变异会引起海平面的起伏, 进而影响北赤道流强度的改变, 最终导致东海黑潮流量发生变化。余帆(2008)的研究结果表明, 东海黑潮表层流量不仅受到局地风的影响, 还受到北太平洋内区(20°N—28°N,150°E—130°W)的非局地风的影响。但应指出的是,以往的研究主要集中在黑潮年平均流量的变异机制方面, 而对冬、夏季黑潮流量的驱动机制却很少涉及。因此, 本文重点探讨冬、夏季东海黑潮流量年际和年代际变化的可能原因。

5.1 年际变化的可能原因

已有研究表明, 经向风应力对年平均黑潮流量变化具有重要影响。于是, 本文利用西北太平洋850hPa风场资料来探讨经向风异常对冬、夏季东海黑潮流量年际变化的影响。结果表明, 夏季东海黑潮流量与同年6月份的经向风异常具有很好的相关性(图5a), 其中在黑潮源区的菲律宾附近和东海黑潮流域存在着较高的正相关区, 相关系数都在0.40以上,最大值出现在菲律宾以东海域, 为0.60(超过了99%的信度检验)。图5b是冬季黑潮流量与上一年12月份经向风异常间的相关场。可以看到, 在台湾以东海域存在一个较高的负相关区, 最大值为–0.36(超过了99%的信度检验)。管秉贤(1982)研究发现北太平洋副热带上空风应力涡度变化对东海黑潮流量的变动存在着约一年的超前影响, 与本文结论有所不同。

图5 东海黑潮流量与经向风的相关系数分布a. 夏季东海黑潮流量与6月经向风间的相关场; b. 冬季黑潮流量与上年12月经向风间的相关场Fig.5 Distribution of correlation coefficients between the KVT and meridional wind anomaly fields: a: summer KVT and meridional wind anomaly in June; b: winter KVT and meridional wind anomaly in December of the previous year

图6 东海黑潮流量强(a)、弱年(b)经向风距平场a. 6月经向风距平; b. 12月经向风距平Fig.6 Distributions of meridional wind anomalies in stronger KVT years (a: in June) and weaker KVT years (b: in December)

为进一步研究经向风异常对黑潮流量的影响,本文分别对夏季黑潮流量强年和冬季黑潮流量弱年的经向风异常进行合成分析, 结果如图6所示。不难看出, 在黑潮流量强年的6月份, 黑潮流域上空盛行偏南风(正异常), 强南风区(距平值大于4m/s)出现在台湾以东海域(图6a); 在冬季黑潮流量弱年的上一年12月份, 东海及其邻近海域皆盛行偏北风(负异常),强北风区(距平值小于–3m/s)位于东海及其邻近海域(图6b)。可从物理意义上解释经向风异常对黑潮流量的具体影响过程。夏季, 当台湾以东上空盛行偏南风时, 风向与黑潮的流向一致, 有利于黑潮流速增强,从而导致黑潮流量增大; 冬季, 东海上空盛行偏北风时, 风向与黑潮的流向相反, 使得黑潮流速变弱, 从而导致黑潮流量减小。如果从地理位置上将东海上空的经向风称作局地风, 而将黑潮源区(从菲律宾以东至台湾以东区域)上空的经向风视为非局地风的话,那么东海黑潮流量的年际变异既受局地风的影响,又受非局地风的作用。比较而言, 夏季黑潮流量的年际变化主要是由局地和非局地风异常共同引起的,而冬季黑潮流量的年际变化则可能与局地风异常有关。这与管秉贤(1982)、姚静娴和王宗山(1992)等关于局地风和非局地风影响区域的结论有所不同。

5.2 年代际变化的可能原因

张启龙等(2008)的研究发现, 东海黑潮的热输送与太平洋年代际振荡(PDO)有较好的相关性。那么,冬、夏季东海黑潮流量是否也与PDO有联系？为此,我们分别对冬、夏季流量与各月PDO指数进行了超前与滞后相关分析。结果表明, 上一年冬季(2月)PDO指数与当年冬季流量距平间存在着较密切的正相关,相关系数为0.45, 而经过5年滑动平均后两者间的相关系数高达0.75, 均超过了99%的信度检验; 春初(3月)PDO指数与当年夏季流量距平间的相关系数为0.35, 而经过5年滑动平均后两者间的相关系数为0.56, 也超过了99%的信度检验。图7分别给出了冬季(2月)和春初(3月)PDO指数的年际和年代变化曲线。对比图7a和图3b可知, 冬季PDO指数的年代际变化趋势与黑潮流量比较一致, 而初春PDO指数的年代际变化(图7b)与夏季黑潮流量(图3c)较一致。这似乎表明, PDO对冬季黑潮流量的年代际变化具有约一年的超前影响, 而对夏季黑潮流量则有4—5个月的超前影响。但其具体的影响过程拟另文讨论。

6 结论

本文利用日本气象厅1956—2005年间在PN断面获得的观测资料, 并结合NCEP风场数据, 研究了东海黑潮流量的年际、年代际和长期变化特征及其季节差异, 并探讨了冬、夏季黑潮流量的年际和年代际变化机制, 得到的研究结果主要如下。

图7 冬季和夏季的PDO 指数年际(实线)和年代际变化(虚线, 5年滑动平均)Fig.7 The inter-annual (solid line) and inter-decadal variations(bashed line) of the Pacific Decadal Oscillation index in winter and summer

(1) 东海黑潮流量基本服从正态分布, 流量主要集中在19—33Sv范围内, 其多年平均值为24.30Sv。流量的季节变化主要表现为夏强(25.91Sv)秋弱(24.27Sv)。但在四个季节中, 黑潮流量的年际变幅夏季最大, 冬季次之, 春、秋季最小。

(2) 东海黑潮季平均流量具有3—5 a的年际变化,而冬、夏季黑潮流量的年际变化有所不同。冬季流量的主周期为2.7a和3.5a, 而夏季流量则为3a和5.1a。相关与合成分析表明, 夏季黑潮流量的年际变化主要是由同年6月黑潮流域经向风异常引起的, 而冬季黑潮流量的年际变化则可能与上一年12月份的东海局地经向风异常有关。

(3) 东海黑潮季平均流量具有明显的年代际变化, 并在1976年前后经历了一次由弱到强的气候跃变。比较而言, 冬季黑潮流量的年代变化和气候跃变时间与季平均黑潮流量比较一致, 而夏季黑潮流量却与之不同。相关分析表明, 冬季黑潮流量的年代际变化主要是由上一年冬季的PDO引起的, 而夏季黑潮流量的年代际变化则与当年春初的PDO有关。

(4) 自20世纪50年代中期以来, 季平均、冬季和夏季东海黑潮流量皆呈现较强的线性增强趋势。在1956—2005年间, 各流量分别增加了8.73Sv、9.86Sv和9.38Sv。显然, 冬季流量的增幅最大, 夏季流量次之, 季平均流量最小。

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