渤、黄、东海冬季海表冷暖水舌的时空变化及机理分析

沈 辉，黄大吉

(1.浙江大学 海洋学院，浙江 杭州 310058；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012;3.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

渤、黄、东海冬季海表冷暖水舌的时空变化及机理分析

沈 辉1,2,3，黄大吉*3,2,1

(1.浙江大学 海洋学院，浙江 杭州 310058；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012;3.国家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

海表冷暖水舌被广泛应用于定性描述海表水温(SST)的空间分布特征，但缺少定量的表述和研究。本文以海表冷暖水舌轴线的空间位置和温度为指标，用2006—2014年逐年冬季(2月)的遥感SST数据，分析了渤海、黄海和东海冬季的冷暖水舌的空间分布和年际变化，并探讨了其形成机理。结果表明，渤海、黄海和东海冬季存在2条冷水舌和6条暖水舌。水舌位置的EOF前三个模态(73.4%)基本解释了其年际变化，其中空间第一模态呈同相分布，在东海中部及西部的变动幅度最大；空间第二和第三模态主要呈反相分布，分别在九州岛南部及黄海区域变动幅度较大。水舌温度的EOF第一模态(69.6%)呈空间同相分布，变动幅度在渤、黄海较大，在东海南部较小。水舌位置和水舌温度都存在准2～3 a周期的年际变化，但只有水舌位置EOF第二模态通过95%水平的显著性检验。海表相对较均匀的负净热通量(海洋向大气输送热量)，使得浅水区SST比深水区下降得快，水深(上混合层深度)是冷暖水舌形成的原因之一；平流热输送的空间差异显著且在冷暖水舌区域中的作用最大，在冷舌区域起到降温作用，在暖舌区域起到增温作用，平流热输送是冷暖水舌形成的主要原因。

冷暖水舌；渤海、黄海、东海；时空变化；平流热输送

0 引言

海表水温(Sea Surface Temperature, SST)，是海洋学家关注的重要研究内容之一，它表征了海洋热力和动力过程的综合结果[1]。类似于地形上的山脊和山谷，SST中也存在冷暖水舌(简称海表冷暖水舌)，其中暖水舌为等温线由高温凸向低温的区域，冷水舌是等温线由低温凸向高温的区域。渤海、黄海和东海(简称渤、黄、东海)冷暖水舌随着气温下降在秋季开始发育，入冬后生成，在次年2月特征最明显，之后随气温的回升而逐渐消退[2]。作为SST的特征信息，海表冷暖水舌不仅被广泛地用于定性描述SST的分布特征，而且在海流难以被直接测量时，还用于分析海流的流向和流动范围[2-5]。

前人既通过实测资料[5-8]也基于卫星遥感数据[2，4，9-12]来研究渤、黄、东海SST，指出冬季渤、黄、东海SST受海底地形和冷暖流系影响，呈现出多条冷暖水舌的分布特征。实测资料还能揭示冷暖水舌的三维结构，但是受到时空分辨率低和覆盖范围小的限制；卫星遥感数据具有时空分辨率高和覆盖范围广的优势，近年来被广泛用于研究SST。但是，前人对海表冷暖水舌的研究较少，且侧重于定性描述其面积大小、分布格局及温度范围[2，11]。

海表冷暖水舌作为SST的特征信息，其变化机理的研究与SST一样，主要从热力作用和动力作用两方面来分析，即通过分析海表的净热通量、海水的平流热输送和涡动热扩散来研究。XIE et al[12]基于AVHRR的卫星遥感数据得到有明显冷暖水舌结构的冬季渤、黄、东海SST分布，指出海表冷暖水舌的形成与受海底地形调制的热力过程有关。HUANG et al[13]指出黄海暖舌中SST的变化受到动力和热力的共同作用，前者通过平流过程、后者通过辐射和扩散过程来实现。MA et al[14]用模式计算了平流热输送和热通量，指出冬季水平热输送对黄海暖舌区域中热量变化的贡献远大于近岸浅水区域。

尽管前人的研究指出冬季海水冷却混合后，SST不仅受海表冷却影响，同时也受到水平热输送的调整，形成了温度低于或高于周围水体的冷暖水舌区域，但是由于缺少定量描述海表冷暖水舌的方法，目前对渤、黄、东海海表冷暖水舌的研究仍局限于定性描述，缺少定量分析。此外，水平热输送和海表净热通量对各条海表冷暖水舌温度变化的相对贡献也缺少研究。

本文首先选择合理的数学处理方法从连续9 a(2006—2014年)冬季(2月)的微波红外融合SST中提取海表冷暖水舌信息，包括冷暖水舌轴线的空间位置和对应的温度，并以水舌轴线的弧长为自然切向坐标，计算出海表冷暖水舌的平均位置、平均温度、位置距平及温度距平。然后，定量描述了海表冷暖水舌的位置空间分布概率和平均温度的空间分布，运用EOF的方法研究海表冷暖水舌位置和温度的年际变化。最后，估算出12月至2月的平流热输送，讨论了其与海表净热通量对海表温度及冷暖水舌形成的作用。

1 数据和方法

本文选择9 a(2006—2014年)2月的微波红外融合SST数据[15]进行研究，该数据的空间分辨率为9 km，时间间隔为1 d。微波遥感数据不受云的干扰但无近岸数据，红外遥感数据能覆盖至近岸海域但受云的干扰，微波红外融合的SST数据兼具两者的优点，具有良好的时空覆盖范围和分辨率。

提取及分析渤、黄、东海冷暖水舌定量信息，以2006年2月15日的SST为例(图1)，具体方法和步骤如下：

图1 渤、黄、东海2006年2月15日SST及冷暖水舌分布Fig.1 SST and associated cold and warm tongues on February 15, 2006 in the BYES1-东海北部冷舌，2-东海南部冷舌，3-黑潮暖舌，4-东海西部暖舌，5-对马暖舌，6-黄海南部暖舌，7-黄海中部暖舌，8-渤海暖舌Number 1 and 2 indicate two cold tongues in the East China Sea,number 3 to 8 indicate six warm tongues in the study area

(1)数据平滑：采用高斯滤波的方法对逐日的SST数据进行平滑，使得SST等温线连续可微。高斯分布函数中的标准差选取参照公式(n-1)/4，n为滤波器的窗口尺寸。在兼顾等温线连续可微和保留SST主要分布特征的前提下，本文选取9×9的窗口对原始数据进行5次高斯滤波。

(2)冷暖水舌轴线提取：首先，按需求提取SST中等温线的空间位置，在SST变化大的区域中每隔0.5 ℃提取1条等温线，SST变化小的区域中每隔0.25 ℃提取1条等温线，在等温线急剧弯曲的区域中每隔0.1 ℃提取1条等温线。然后，计算这些等温线的曲率极大值点，其中，从低温凸向高温的曲率极大值点为冷舌点，从高温凸向低温的曲率极大值点为暖舌点。然后用三次样条拟合的方法将各冷舌点和暖舌点分别连接起来，得到图1中所示的冷暖水舌轴线。济州岛南部为对马暖舌和黄海南部暖舌的连接处，因为没有找到合适的连接准则，所以本文中将这2条水舌断开研究。

(3)冷暖水舌位置特征信息计算：用递推法提取水舌平均位置，以黑潮暖舌为例(图2)。首先选1条水舌线作为水舌平均位置，沿弧长自然切向坐标逐点作法线，以这些法线为法向坐标，对法线与各水舌线的交点的法向坐标求平均，得到初步的平均位置(图2中紫色线)。然后以上一步确定的紫色线作为水舌平均位置，重复上述过程，得到图2中红色线所示的平均位置。当红色线与紫色线基本重合时，即认为其是黑潮暖舌的平均位置。其余水舌平均位置用同样的方法提取。图3b和4b中蓝色粗线为冷舌的平均位置，黑色粗线为暖舌的平均位置。水舌位置距平是各条水舌偏离平均位置的距离，逐年对平均位置各段弧长中所对应的位置距平求月平均，可得到月平均水舌位置的年际变化(图5)。

(4)冷暖水舌位置空间分布概率：将各条水舌经过9 km×9 km网格的天数与总天数(254 d)之比作为该水舌在对应网格中的出现概率。将水舌平均位置逐点法线上的水舌出现概率最大值作为该平均位置分布概率(图3)。

(5)冷暖水舌温度特征信息计算：使用Matlab自带的二维插值方法(Two-dimensional cubic convolution interpolation)从逐日的SST数据中获得与当日水舌轴线位置相对应的温度值。将逐日冷暖水舌轴线的温度投影至平均位置所在的点，对投影后的温度数据作平均，得到冷暖水舌的平均温度(图4a)。水舌温度距平由水舌温度数据减去相应投影点上的平均温度得到，逐年对平均位置各段弧长中所对应的温度距平求月平均，得到月平均水舌温度的年际变化(图8)。

(6)冷暖水舌年际变化分析：用EOF的方法对月平均的冷暖水舌位置距平和温度距平作时空分解，得到其主要模态的空间分布和时间变化特征。

用SST、海洋上混合层深度和海表净热通量等数据估算出海表净热通量和平流热输送及其对SST变化的贡献。混合层深度以混合层底温度至SST的差小于0.5 ℃为标准，从GDEM的温度数据中估算出。海面净热通量数据来自HYCOM+NCODA Global 1/12° Analysis[16]，该数据和Da Silva气候态2月平均数据比对，数量级相同，分布形态相似，优点是分辨率高，尤其是在近岸和锋面具有精细的空间分布结构，适用于本文研究。由于海表热通量数据始于2008年9月18日，本文机理探讨部分只使用6 a(2009—2014年)平均的冬季(12月—2月)SST数据和月平均海表热通量数据。

本文的计算、统计分析和画图全部由Matlab 2013软件完成。

图2 黑潮暖舌空间分布及平均位置示意图Fig.2 Schematic diagram on the determination of the path of warm tongue taking the example of Kuroshio Warm Tongue

图3 冷暖水舌位置分布Fig.3 Spatial distribution of the path of two cold and six warm SST tongues

图4 冷暖水舌温度分布Fig.4 Spatial distribution of temperature on the path of two cold and six warm SST tongues

2 冷暖水舌空间分布和年际变化

2.1 冷暖水舌位置和温度的空间分布特征

根据冷暖水舌所处的地理位置、空间走向和连续性，把渤、黄、东海冬季(2月)冷暖水舌分为2条冷水舌(东海北部冷舌，东海南部冷舌)和6条暖水舌(黑潮暖舌，东海西部暖舌，对马暖舌，黄海南部暖舌，黄海中部暖舌，渤海暖舌)来研究(图1)。

冷暖水舌位置分布概率如图3a所示，颜色表示水舌在该区域出现的概率，颜色较深的区域是水舌位置集中的海域。图3b是水舌位置标准差分布，定量地反映了水舌位置空间分布的变化程度，图中黑色粗线为暖舌平均位置，蓝色粗线为冷舌平均位置，垂直于平均位置的红线的长度代表位置标准差的大小。从图3可知，8条海表冷暖水舌的位置分布总体上比较稳定，其舌轴摆动范围不超过两个经纬度，标准差在8～55 km之间。

按照海表冷暖水舌分布的概率和位置标准差，这里定义4种疏密程度：非常密集(>30%，<12 km)、密集(20%～30%，12～17 km)、分散(10%～20%，17～35 km)和非常分散(<10%，>35 km)。结合图3可知，冷舌的位置分布在东海中部非常密集，在东海北部密集，在东海南部非常分散；暖舌的位置分布在渤海海峡处非常密集，在台湾东北部和济州岛南部密集，在浙闽沿岸和黄海中部分散，在九州岛南部非常分散。

图4a和4b分别为冷暖水舌的平均温度和水舌温度标准差分布，从图中可知，海表冷暖水舌的平均温度呈南高北低、近岸浅水低远岸深水高的分布格局，冷暖水舌的温度在台湾东北部最高，随着纬度升高和水深变浅而逐渐下降，渤海最低；温度标准差在九州岛西南部最小，浙闽沿岸和黄海中部较大，长江口和黄海北部最大。

各条水舌的位置和温度分布具体特征如下：

东海北部冷舌：其空间位置基本分布在长江口外的浅滩上，呈西北-东南走向，从苏北浅滩指向东海中部。该冷舌的分布概率约为20%～30%，在苏北浅滩的分布较东海北部稍分散些。冷舌温度自西北向东南从7 ℃上升到16 ℃，对应的温度标准差从1.1 ℃下降到0.7 ℃以下。

东海南部冷舌：其空间位置基本分布在水深为50～200 m的东海海域中，呈北-南走向，从东海中部指向东海中南部。该冷舌位置在东海中部非常密集，分布概率为30%～40%，标准差小于12 km；在东海南部非常分散，分布概率为5%～10%，标准差为35～40 km。冷舌温度自北向南从13 ℃上升到21 ℃，对应的温度标准差从1.0 ℃下降到0.7 ℃。

黑潮暖舌：其空间位置基本上沿着冲绳海槽，呈西南-东北走向，从台湾东北部延伸到九州岛南部。该暖舌位置在台湾东北部密集，分布概率为20%～30%；在中部区域次之，分布概率为15%～20%；在九州岛南部区域非常分散，分布概率为3%～10%，标准差为 35～55 km。暖舌温度自西南向东北逐渐降低，从台湾东北部的24 ℃，下降到九州岛南部的21 ℃，对应的温度标准差也从台湾东北部超过0.6 ℃，下降到九州岛南部的0.4 ℃。

东海西部暖舌：其空间位置分布在东海西部的沪、浙、闽、台附近海域，呈南-北走向，从台湾东北部指向长江口附近。该暖舌位置在台湾东北部密集，分布概率为20%～30%；在长江口外区域次之，分布概率为20%～27%，标准差为15～17 km；在浙闽沿岸分散，分布概率为12%～18%，标准差为20～30 km。暖舌温度自南向北从24 ℃逐渐下降到10 ℃，对应的温度标准差从0.6 ℃上升到1.2 ℃。

对马暖舌：其空间位置基本分布在九州岛西南侧水深100～1 000 m的海域中，呈东南-西北走向，从吐噶喇海峡附近指向济州岛南部。该暖舌位置在济州岛南部密集，分布概率为25%～30%，标准差为12～16 km；在九州岛西南部较为分散，分布概率为17%～25%，标准差为16～23 km。暖舌温度自东南向西北从21 ℃下降到15 ℃，温度标准差在暖舌东南起始处为0.5 ℃，开始时自东南向西北上升，最大值在九州岛西南部为0.6 ℃，然后逐渐下降，在济州岛附近暖舌终点处为0.5 ℃。

黄海南部暖水舌：其空间位置基本分布在黄海南部水深15～75 m的海域中，呈东南-西北走向，从济州岛西南部指向胶州湾。该暖舌位置在东南部密集，分布概率约为20%～25%，标准差为16～20 km；在西北部分散，分布概率为15%～20%，标准差为17～25 km。暖舌温度自东南向西北从14 ℃逐渐下降到5 ℃左右，对应的温度标准差从0.8 ℃上升到1.1 ℃以上。

黄海中部暖舌：其空间位置基本沿着黄海深槽西侧75 m等深线，呈南-北走向，从黄海中部延伸至长山群岛附近。该暖舌位置在黄海北部密集，分布概率为25%～28%，标准差为14～16 km；在黄海中部分散，分布概率为15%～20%，标准差为15～25 km。暖舌温度自南向北从10 ℃下降到3 ℃以下。温度标准差在暖舌北部末端处较大，最大达1.2 ℃；在暖舌南部起始处次之，为1.0 ℃左右；在暖水舌的中部最小，为0.6 ℃左右。

渤海暖舌：其空间位置从北黄海中部穿过渤海海峡，指向秦皇岛附近海域，呈东南-西北走向。该暖舌位置在渤海海峡处非常密集，分布概率为40%，标准差小于10 km；在北黄海中部密集，分布概率为25%～28%，标准差为14～16 km。暖舌温度低于5.5 ℃，最小值在渤海西北部的暖舌末端，为0 ℃。温度标准差自东南向西北从0.9 ℃上升到1.1 ℃。

2.2 月平均冷暖水舌位置及温度的年际变化

图5表示渤、黄、东海月平均海表冷暖水舌位置距平的年际变化，图中横坐标对应冷暖水舌平均位置的弧长，也代表冷暖水舌所分布的位置。由于同一条冷暖水舌的空间位置变化存在显著的差异，我们将其分成不同的区域进行讨论，在图5中用红色虚线和数字来划分区域。在黑潮暖舌中，正距平表示远离琉球群岛方向，负距平表示靠近琉球群岛方向；在渤海暖舌中正距平表示靠近辽宁方向，负距平表示靠近山东方向；在其它冷暖水舌中，正距平表示远离中国大陆方向，负距平表示靠近中国大陆方向。

由图5可见，月平均冷暖水舌位置距平的年际变化总体上在-30～30 km之间。冷暖水舌位置的年际变化幅度在东海总体上大于渤、黄海。其中东海南部的冷舌、九州岛南部以及浙闽沿岸区域(图5中4、7、8区域)的暖舌位置年际变化的幅度较其它区域大，偏离平均位置的距离最大超过20 km。苏北浅滩的冷舌以及山东东南部和黄海中部的暖舌次之(图5中1、13、14区域)。渤海和济州岛南部(图中11、16区域)的暖舌位置分布最密集，偏离平均位置的距离在10 km以内。

图5 渤、黄、东海冷暖水舌位置的年际变化Fig.5 Inter-annual variations of the path of two cold and six warm tongues in the BYES1-苏北浅滩，2-东海北部，3-东海中部，4-东海南部，5-台湾东北，6-黑潮暖舌中部，7-九州岛南部，8-浙闽近海，9-长江口外，10-九州岛西南，11-济州岛南部，12-朝鲜西南部，13-山东东南部，14-黄海中部，15-黄海北部，16-渤海1-Subei shoal, 2-Northern East China Sea, 3-Central East China Sea, 4-Southern East China Sea, 5-Northeastern Taiwan coast, 6-Central Kuroshio area, 7-Southern Kyushu Island, 8-Zhe-Min coast, 9-Yangtze Estuary, 10-Southwestern Kyushu Island, 11-Southern Jizhou Island,12-Southwestern Korea coast, 13-Southeastern Shandong coast, 14-Central Yellow Sea, 15-Northern Yellow Sea, 16-Bohai Sea

图6是渤、黄、东海月平均冷暖水舌位置距平年际变化的EOF前三个模态空间分布，反映了水舌位置年际变化的主要空间分布特征。图中黑色粗线为暖舌平均位置，蓝色粗线为冷舌平均位置，红色及蓝色区域的方向代表空间模态中水舌位置的变动方向，其长度代表变动幅度的大小。图7是冷暖水舌位置年际变化的前三个EOF模态时间系数变化，红线为拟合的趋势线。三个时间序列的小波分析的结果表明，它们都存在准2～3 a的振荡周期，但只有第二个模态通过95%水平的显著性检验(图略)。

图6 冷暖水舌位置年际变化的EOF前三个模态空间分布Fig.6 Three leading EOF spatial modes for inter-annual variations of the path of two cold and six warm tongues

图7 冷暖水舌位置年际变化的EOF前三个模态时间变化Fig.7 Three leading EOF temporal modes for inter-annual variations of the path of two cold and six warm tongues

经计算，前三个模态对方差的解释程度分别为37.3%、18.8%和17.3%，累积解释程度为73.4%，反映了冷暖水舌位置年际变化的主要时空模态。由于图5中具有显著特征的区域都在前三个EOF主要模态中体现出来，本文只阐述前三个模态。

第一模态空间分布中，东海的各条水舌均呈现出同相变化的特点，即每条水舌在各自区域中的变动方向相同，其中东海南部的冷舌和福建沿岸的暖舌变动幅度最大超过30 km，解释了该区域水舌位置分布的主要标准差，而其它区域水舌的变化幅度小于20 km。第一模态时间系数有先下降后上升的趋势，其中最大正系数约为0.7，出现在2009年和2014年，结合空间分布中变动幅度较大的区域，主要说明东海南部及福建沿岸的水舌在这两年中分布在平均位置东侧，最大偏离超过15 km(图5中区域4和8)；最大负系数约为-1，出现在2008年，反映东海南部及福建沿岸的水舌在2008年中分布在平均位置西侧，最大偏离超过20 km(图5中区域4和8)。

第二模态空间分布中，东海北部冷舌和东海西部暖舌呈现出同相变化的特点，其余分布在不同区域的水舌如台湾东北部与九州岛南部的暖舌、黄海南部与山东南部的暖舌以及黄海中部与北部的暖舌分别呈反相分布，其中九州岛南部的暖舌变动幅度最大超过40 km，解释了该区域水舌位置分布的主要标准差，其余区域的变动幅度小于15 km。第二模态时间系数变化趋势是先下降后上升，其中最大正系数约为1，出现在2006年和2013年，结合空间分布中变动幅度较大的区域，说明九州岛南部的暖舌在这两年中分布在平均位置南部，最大偏离超过40 km(图5中区域7)；最大负系数约为-0.9，出现在2009年，反映九州岛南部的暖舌在2009年分布在平均位置北部，最大偏离超过30 km(图5中区域7)。

第三模态空间分布中，对马暖舌与黄海南部及中部的暖舌呈现出同相变化的特点，其余分布在不同区域的水舌如东海中部与东海南部的冷舌，琉球群岛中部与九州岛南部的暖舌以及黄海北部与渤海的暖舌均呈反相分布。变动幅度在黄海中部及南部最大超过15 km，解释了该区域水舌位置分布的主要标准差。第三模态的时间系数变化趋势是先升高后降低的，其中最大正系数约为1，出现在2007年；最大负系数约为-0.9，出现在2014年。结合空间分布中变动幅度较大的区域，主要说明黄海南部暖舌和中部暖舌在2007年分别分布在平均位置西南侧和东侧，最大偏离超过10 km, 而在2014年分别分布在平均位置东北侧和西侧，最大偏离超过10 km(图5)。

图8是渤、黄、东海月平均海表冷暖水舌温度距平的年际变化。冷暖水舌温度的年际变化在九州岛以南、浙闽沿岸以及东海南部的幅度不超过0.5 ℃，相较其它区域要小。渤、黄海的3条暖舌的温度距平年际变化的幅度总体上要大于东海的水舌，并且在2010年之前，3条暖舌基本呈现正距平，而在2010年之后至2014年基本呈现负距平。

通过EOF分析，冷暖水舌温度距平年际变化的前三个模态对方差的解释程度分别为69.6%、11.4%和10.4%，第一模态的贡献远大于其它模态，这里只对第一模态进行分析。第一模态空间分布与水舌温度标准差的空间分布(图4b)相似，反映了冷暖水舌温度年际变化的主要时空形态。

图9为渤、黄、东海冷暖水舌温度年际变化的EOF第一模态，由图9a可见，各条水舌的温度在第一模态空间分布中呈现同相变化，但变动幅度存在显著的差异。其中变动幅度在山东半岛南部超过1.8 ℃；在渤海海峡及黄海北部区域次之，为1.5 ℃左右；在福建近海和九州岛西南部小于0.2 ℃。图9b是第一模态的时间系数变化，呈现下降趋势，其中最大正系数约为1，最大负系数约为-0.8，分别出现在2007年和2011年，表明2007年冷暖水舌温度总体上达到正最大值，结合空间分布，温度正距平从渤海区域的1.5 ℃以上下降至九州岛西南部的0.2 ℃；2011年冷暖水舌温度总体上达到负最大值，温度负距平从渤海区域的-1.2 ℃以上下降至九州岛西南的-0.2 ℃。

图9 冷暖水舌温度年际变化的EOF第一模态Fig.9 The first leading EOF mode of inter-annual variations of temperature on the path of two cold and six warm tongues

3 机理分析

根据热力学海表水温变化方程[17]：

(1)

式中：ρ和Cp分别为海水的密度和比热，计算中取为1 025 kg/m3和3 890 J·kg-1·℃-1；H为混合层深度。右边第一项为海洋平流热输送，第二项为水平涡动热扩散，第三和第四项为海表热通量和水体垂向热扩散。

前人常通过分析海表热通量和平流热输送作用来研究冬季渤、黄、东海SST变化[13-14,18]，结果表明，海表热通量及平流热输送所带来的SST变化量之和基本上代表了SST在冬季的变化[14,18]。因此，本文讨论冬季渤、黄、东海SST变化及海表冷暖水舌形成机理时，不考虑相对较小的水平涡动热扩散与水体垂向热扩散，公式(1)可简化为：

(2)

渤、黄、东海的SST冷暖水舌在12月初步形成(图10a)，随着海表冷却和平流热输送的逐渐累加，水舌结构逐渐变得明显，到了2月，SST冷暖水舌结构最为清晰(图10c)。在SST的演变过程中，平流对不同区域的SST分别起到持续的降温或加热作用(图11)。

为了比较水平热输送和海表冷却对水舌区域的作用，对比12月至2月SST的变化量(图12a)，以及水平热输送和海表热通量所产生SST变化量的空间分布(图12b和12c)。从图中可以看出在冷水舌区域降温最多，平流热输送与海表热通量共同起到冷却作用；在暖舌区域降温最少，海表热通量仍然起到冷却作用，但平流热输送起到增温作用，减缓了水温的下降程度。图12d为平流热输送与海表热通量导致的SST变化量之比，正值区代表水平热输送和海表热通量一同起到冷却作用，负值区表示水平热输送起到增温作用而海表热通量起到冷却作用，数值大小反映了平流热输送相对于海表热通量的重要性。从图12d中可知，等值线为0的线基本就是冷暖水舌的分界线，说明这些地方的平流热输送很小，SST变化由海表热通量决定；而在水舌区域，尤其在水舌轴线附近，比值很大，是平流热输送极值所在的位置，反映了平流热输送在SST变化中的重要作用。冷舌区域中，平流热输送相对于海表热通量的作用在江苏近岸大于东海北部；暖舌区域中，平流热输送在台湾东北部的作用最明显，约抵消了80%以上的海表热通量的冷却作用，使得该区域在整个冬季中的降温最小(图12a)。沿着黑潮暖舌—对马暖舌—黄海暖舌的路径，水平热输送相对于海表热通量的冷却作用自南向北逐渐减小，在黄海南部大约抵消40%的海表冷却作用。图12c和图12 d的分布结构很相似，也进一步说明冬季海表热通量的冷却作用在渤、黄、东海SST的整体降温上起到主要作用，而平流热输送则在冷暖水舌结构形成中起到主要作用。

综上所述，平流热输送在冷暖水舌区域中的作用最大，在暖舌区域起到增温作用，在冷舌区域起到降温作用，分别抵消和加强海表热通量的冷却作用，使得SST降低的同时逐渐形成冷暖水舌的分布结构。平流热输送相对于海表净热通量的作用在冷暖水舌中明显，而在冷暖水舌分界处平流热输送对SST变化几乎没有贡献。

图10 渤、黄、东海冬季(12月—2月)SST变化过程Fig.10 Evolution process of SST from December to February in the BYES

图11 渤、黄、东海冬季(12月—2月)平流热输送累积对SST的作用Fig.11 Accumulative effect of advectional heat transport from December to February in the BYES

图12 渤、黄、东海冬季(12月—2月)SST变化分布(a)，海表冷却带来的SST变化分布(b)，平流热输送带来的SST变化分布(c)以及平流热输送与海表热通量的比值(d)Fig.12 The observed increment of SST (a), the corresponding part due to net air-sea heat flux (b), and due to advectional heat transport (c), and the ratio between advectional and heat flux (d) from December to February in the BYES

4 结论

本文从9 a(2006—2014年)2月的微波红外融合SST数据中提取海表冷暖水舌轴线的空间位置和对应的温度，并计算出海表冷暖水舌的平均位置、平均温度、位置距平及温度距平。从而定量描述了海表冷暖水舌的位置空间分布概率和平均温度的空间分布，运用EOF的方法分析冷暖水舌的年际变化并估算出12月至2月的累积平流热输送，讨论其与海表净热通量对SST变化及冷暖水舌形成的影响。主要结果如下：

(1)冬季(2月)渤、黄、东海共有2条冷水舌和6条暖水舌，分别是东海北部冷舌、东海南部冷舌、黑潮暖舌、东海西部暖舌、对马暖舌、黄海南部暖舌、黄海中部暖舌和渤海暖舌。冷暖水舌位置标准差在8～55 km之间，舌轴摆动范围在两个经纬度之内。冷暖水舌位置分布在东海中部和渤海海峡非常密集(分布概率>30%)，在台湾东北部、东海北部、济州岛南部和黄海北部密集(20%～30%)，在浙闽沿岸、黑潮中部和黄海中部分散(10%～20%)，在东海南部和九州岛南部非常分散(<10%)。冷暖水舌的平均温度在台湾东北部最高(24.0 ℃)，由南往北、从深水至浅水逐渐降低，在渤海达到最低(1.0 ℃)；温度标准差在九州岛西南部最低(0.4 ℃)，在浙闽沿岸和黄海中部次之(0.6 ℃)，在长江口和黄海北部最高(1.2 ℃)。

(2)月平均冷暖水舌位置距平的年际变化总体上在-30～30 km范围之内，变化幅度在东海总体上大于渤、黄海。EOF前三个模态(73.4%)基本解释了水舌位置的年际变化，其中空间第一模态呈同相分布，在东海中部及西部的变动幅度最大。空间第二模态和第三模态主要呈反相分布，分别在九州岛南部和黄海区域有较大的变动幅度。水舌温度的EOF第一模态(69.6%)呈空间同相分布，变动幅度在渤、黄海较大，在东海南部较小。

(3)冬季，渤、黄、东海海洋向大气输送热量，且空间分布较为均匀，受上混合层深度的影响，SST在浅水区比深水区下降得快，导致SST空间分布差异，是形成冷暖水舌的原因之一。相对而言，平流热输送的空间差异大，而且在冷暖水舌区域中的作用最大，在冷舌区域起到降温作用，在暖舌区域起到增温作用，分别加强和抵消海表净热通量的冷却作用，是冷暖水舌形成的主要原因。平流热输送相对于海表净热通量的作用也在冷暖水舌中最强，而在冷暖水舌分界处平流热输送对SST变化几乎没有贡献。

海表冷暖水舌是SST的特征之一，其位置和温度也具有相似的周期性变化，虽然冷暖水舌位置和温度的EOF时间序列中都存在准2～3 a周期的年际变化，但只有水舌位置的EOF第二模态通过了95%水平的显著性检验，需要积累更长的时间序列资料来进一步研究。

致谢 衷心感谢Remote Sensing Systems (RSS) 提供的SST数据以及HYCOM提供的海表热通量数据。

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Temporal and spatial variations of the surface cold and warm tongues in the Bohai, Yellow and East China Seas and their formation mechanism

SHEN Hui1,2,3, HUANG Da-ji*3,2,1

(1.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China; 2.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China; 3.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

The surface cold and warm tongues are used as a key characteristic to describe the spatial feature of SST. However, that characteristic is often used qualitatively rather than quantitatively because of lacking quantitative parameters. In this paper, we use nine years (2006-2014) merged microwave and infrared SST data to analyze quantitatively the spatial and temporal variations of the surface cold and warm tongues in the Bohai, Yellow and East China Seas (BYES). The characteristics of the surface cold and warm tongues are expressed in terms of their path and associated temperature. Two cold tongues and six warm tongues are identified in the BYES in February. The Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis shows that the total variance of the path of tongues is explained mostly by the three leading EOF modes (73.4%). Specifically, the first spatial mode of path shows that every tongue moves coherently in same direction, and the most significant movement occurs in the central and the west of East China Sea. In contrast, the second and third spatial modes show that most tongues move with a seesaw pattern, and the most significant movement occurs at the south of Kyushu and in the Yellow Sea respectively. The total variance of temperature on the path of tongues is explained mostly by the first EOF mode (69.6%)，which has a coherent increase or decrease of temperature in each tongue with a large amplitude in the Bohai and Yellow Seas. Both the path and associated temperature of the tongues have a 2-3 year inter-annual variation, however only the second EOF temporal mode of the path has passed the significant test. In winter, the relatively even loss of the heat in the sea leads to a much faster decrease of SST in the shallow area than in the deep area and forms cold and warm patterns associated with the bathymetry of the BYES. The uneven advectional heat transport plays a different role at various areas to reinforce and compensate the decrease of SST. In the cold tongue area, the advectional heat transport reinforces the heat loss of the water and leads to a much colder SST than the surrounding area, consequently forms the cold tongues. In contrast, in the warm tongue areas, the advectional heat transport compensates the heat loss of the water and leads to a much warmer SST than the surrounding area, consequently forms the warm tongues. The advectional heat transport plays a major role at the formation of the cold and warm tongues in the BYES.

sea surface cold and warm tongues; the Bohai, Yellow and East China Seas; temporal and spatial variations; advectional heat transport

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.001.

2015-11-11

2015-11-29

国家重点基础研究发展计划项目资助(2011CB409803);国家自然科学基金项目资助(41276028)

沈辉(1989-)，男，浙江杭州市人，主要从事海洋动力过程研究。E-mail:physhenhui@gmail.com

*通讯作者：黄大吉(1962-)，男，研究员，主要从事海洋动力过程和海洋生态系统动力学研究。E-mail:djhuang@sio.org.cn

P731.11

A

1001-909X(2017)01-0001-13

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.001

沈辉，黄大吉.渤、黄、东海冬季海表冷暖水舌的时空变化及机理分析[J].海洋学研究,2017,35(1):1-13,

SHEN Hui, HUANG Da-ji. Temporal and spatial variations of the surface cold and warm tongues in the Bohai, Yellow and East China Seas and their formation mechanism[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):1-13, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.001.