黃、渤海斷面及海洋站的鹽度分布特征與變化趨勢

馬 超, 鞠 霞, 吳德星, 林霄沛

(1. 中國海洋大學 海洋環境學院, 山東 青島 266100; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

黃、渤海斷面及海洋站的鹽度分布特征與變化趨勢

馬 超1, 鞠 霞2, 吳德星1, 林霄沛1

(1. 中國海洋大學 海洋環境學院, 山東 青島 266100; 2. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

采用經驗正交函數(EOF)分解、超前滯后相關分析等方法, 分析了 36°N斷面、大連—成山頭斷面和渤海中部斷面鹽度的空間分布特征和時間變化特征, 討論了環黃、渤海海洋站之間鹽度的關系。結果表明, 36°N斷面、大連—成山頭斷面和渤海中部斷面鹽度的整體趨勢都是升高, 黃河流量的減小是造成渤海鹽度升高的重要原因。黃海千里巖站 1960～2000年間的鹽度整體趨勢也是升高, 年變化率為0.01/a, 造成鹽度升高的主要原因是降水的減少, 并且其短期震蕩可能和El Ni?o有關, 長期變化則與太平洋年代際震蕩(PDO)有關。此外, 千里巖站和其他海洋站之間的鹽度有較好的正相關關系, 只是在時間上存在著 1～3個月的超前。對黃、渤海鹽度長期變化的系統分析表明, 近海鹽度可能受到外洋的影響, 有助于加深對中國近海環境演變的認識。

黃海; 渤海; 鹽度; 變化趨勢

黃海是全部位于大陸架上的一個半封閉的淺海,地勢較為平坦, 夏季底層水溫低于8 ℃, 是有名的黃海冷水團盤踞的海域。渤海是中國的內海, 是深入中國大陸的近封閉型的一個淺海, 平均水深 18 m。兩者僅通過渤海海峽進行交換, 表層有暖水舌從南黃海經北黃海直指渤海海峽[1]。

作為中國重要的邊緣海, 黃、渤海海洋要素被廣泛研究, 發現其存在明顯的季節變化。劉哲等[2]認為外強迫、岸形和地形所共同誘導的海水平均環流, 是形成渤海水平分布和季節變化的決定因素之一。

近年來, 黃、渤海海洋要素的年際以上尺度的中長期變化成為研究的熱門問題。Lin等[3]認為渤海海表鹽度, 氣溫和海表溫度在 1960～1997年間都是升高的、變化率分別是 0.074 /a, 0.024 ℃/a和0.011 ℃/a。方國洪等[4]認為渤海在1965～1997年間,海表溫度升高 0.48 ℃, 海表鹽度升高 1.34, 海溫與氣溫及鹽度與降水都有較好的相關關系。白虹等[5]對黃海冷水團的長期變化作了研究, 認為溫躍層頂的位置有年際變化, 且與El Nin?有關。這些研究大多是針對溫度的變化, 而鹽度對海洋內部動力結構有重要影響。吳德星等[6]認為1961～1996年渤海鹽度升高近2, 并認為黃河入海流量持續銳減是導致渤海鹽度升高的主導原因。吳德星等[7]對渤海1958年和2000年夏季溫鹽場和流場結構作了比較, 認為鹽度場發生了根本性變異, 渤海灣及灣口區成為高鹽度區, 從而導致渤海流場結構發生變化。

為了研究中國近海鹽度的變化趨勢, 探討外洋對近海鹽度的影響, 加深對中國近海環境演變的認識, 作者利用最新收集到的環黃、渤海海洋站和斷面調查資料, 針對黃、渤海鹽度的長期變化進行系統的研究, 并對其成因作簡要分析。

1 資料來源和處理

斷面資料取自1976～2003年36°N大連—成山頭斷面, 1978～1999年渤海中部斷面的溫鹽深儀(CTD)調查資料。海洋站資料為鲅魚圈、葫蘆島、秦皇島、塘沽、龍口、煙臺、老虎灘7個沿岸站。1965～1995年的溫、鹽、降水資料和千里巖站 1960～2000年的鹽度資料, 站位見圖1。此外, 還有青島站1960～2000年的蒸發降水資料和利津站 1950～2000年的黃河入海徑流資料。

作者繪制了各個斷面的鹽度等值線圖, 分析了斷面鹽度的年際變化。對千里巖站鹽度的長期變化趨勢進行了研究, 并與其他環黃、渤海海洋站鹽度之間作了超前滯后分析。

圖1 北黃海與渤海地形及觀測站位Fig. 1 Topography of the northern Yellow Sea, the Bohai Sea, and the observation stations

對于黃、渤海海溫, 月最低值一般出現在 2月,月最高值一般出現在8月, 因此作者選用2月和8月分別代表冬、夏兩季。

對黃、渤海鹽度的長期變化進行的系統分析, 可以說明近海鹽度變化的可能原因, 有助于加深對中國近海環境演變的認識。

2 結果和討論

2.1 各斷面的鹽度分布特征

由圖2可知, 36°N斷面夏季上10 m垂直混合比較均勻, 鹽度東高西低, 等鹽線在陸坡處向下傾斜,在斷面東側20 m以下形成高鹽區。冬季從表層到底層垂直混合均勻, 等鹽度線豎直分布, 鹽度東高西 低。

圖2 鹽度斷面圖Fig. 2 Distribution of salinity at the sectionsa. 夏季36°N斷面; b. 夏季大連—成山頭斷面; c. 夏季渤海中部斷面; d. 冬季36°N斷面; e. 冬季大連—成山頭斷面; f. 冬季渤海中部斷面a. 36 °N section in summer; b. Dalian to Chengshantou section in summer; c. central Bohai section in summer; d. 36°N section in winter; e. Dalian to Chengshantou section in winter; f. central Bohai section in winter

大連—成山頭斷面夏季上10 m垂直混合比較均勻, 鹽度大致南高北低, 海峽北部10～15 m鹽度垂直梯度較大, 等鹽度線較密集, 并在中部海底突起處向下延伸, 在海峽北部15 m以下形成一個高鹽中心,位置與冷水中心一致。冬季垂直混合較強, 等鹽度線豎直分布, 鹽度大致北高南低, 一定程度上反映出北黃海水從海峽北部進入渤海, 萊州灣較低鹽度水沿海峽南側流出的特性, 最高值出現在中部偏北的狹長區域。

渤海中部斷面在南部上 5 m最低, 原因是靠近黃河口, 受河流淡水輸入的影響; 渤海中部淺灘兩側的凹槽處是鹽度最高的區域, 溫度則對應著兩個冷水中心; 渤海中部淺灘鹽度上下相對均勻, 等鹽度線稀疏。冬季垂直混合強, 等鹽度線豎直分布, 斷面南部黃河入海口附近鹽度仍較低, 此處等鹽度線密集, 水平梯度最大; 斷面中部鹽度較均勻, 鹽度也較高, 到斷面北部靠岸處鹽度又逐漸降低, 水平梯度變大。

2.2 各斷面鹽度距平的經驗正交函數分解

分別對 3個斷面的鹽度距平進行了經驗正交函數(EOF)分解, 表1中是其前3個模態的特征值及方差 貢 獻 。 根 據 相 鄰 特 征 值 滿 足 ：λj-λj+1≥ej,是樣本個數)時, 認為這兩個特征值對應的 EOF是有價值的信號的顯著性檢驗條件, 前 3個特征向量都是可信的。前 3個模態累積方差貢獻率達到 75%以上, 可以代表原始場的主要特征, 是各斷面鹽度距平場的3個基本形態。

表1 各斷面鹽度距平的前3個特征向量對應的特征值及其方差貢獻Tab.1 Eigenvalues and variance contributions of the first three eigenvectors associated with the deviations of salinity

將其第一模態時間變化曲線與臨近的海洋站鹽度作比較(圖3), 可以發現之間有很好的相關關系,說明其可以反映鹽度的變化趨勢, 即整體趨勢都是升高。并且渤海的時間變化曲線與黃河流量變化有很好的反相關關系, 說明黃河流量的減小是造成渤海鹽度升高的重要原因。

2.3 千里巖鹽度的長期變化趨勢及其成因簡析

對千里巖站的鹽度進行 2年濾波分析(圖 4a)可以發現, 40 a間千里巖站的鹽度長期變化趨勢是上升,鹽度年變率為0.01 /a, 并且存在大約5 a和10 a的周期變化。

鹽度與降水有著直接聯系, 而由于缺少千里巖站的降水資料, 作者與距離該站最近的青島的降水作了比較, 發現兩者存在比較明顯的負相關, 并估計1960～2000年的 40 a間由于降水的減少, 可以造成大約 0.19的鹽度升高, 大概占到鹽度實際升高的 50%,因此降水的減少是造成其鹽度升高的主要原因。而由于ENSO對降水有影響, 一般的, El Ni?o年中國北方降水將減少[10,11], 因此把千里巖站的月平均鹽度和Nin?3指數標準化之后進行比較(圖4b), 可以發現兩者之間存在著很好的正相關關系, 即El Ni?o年鹽度升高,與降水減少也是一致的, 但是經過 2年濾波后則對應得不好, 說明千里巖站鹽度的短期震蕩可能和El Ni?o的發生有關。再將千里巖站 2年濾波后的鹽度和年平均太平洋年代際震蕩(PDO)指數比較(圖4c), 發現其與PDO的變化趨勢存在較好的正相關關系, 這說明其年際以上尺度變化和外洋傳來的信號有關系, 而導致這種長期變化相關關系的原因還有待進一步研究。

圖3 各斷面鹽度距平EOF分解的第一模態時間變化曲線(粗實線)Fig. 3 The first temporal EOFs of the deviation of salinity (thick solid line) in each section

2.4 千里巖站與其他海洋站鹽度之間的變化關系和超前/滯后分析

再將千里巖站和煙臺、塘沽、秦皇島站的鹽度作比較(圖5), 可以發現4站的變化趨勢基本相同,僅存在幅度上的偏差, 4站都在1970年、1984年、1995年附近出現最大值, 而總的趨勢也都是升高。

將千里巖的鹽度和其他海洋站的鹽度做超前滯后分析, 將千里巖的鹽度記為mx, 在葫蘆島、老虎灘、鲅魚圈、塘沽、秦皇島、煙臺海洋站中任取一個站的鹽度, 記為my, 然后對mlx+和my作相關分析, 其中l= －12, －11, …, 0, …, 11, 12代表時間滯后(負值代表超前)年數, 計算相關系數 ：

其中, ∑表示對xm+l和ym均有數據的資料求和,xm+l和ym是這些數據的平均值, 所得結果如圖6。

圖4 千里巖鹽度與青島降水、Ni?o3指數、PDO指數時間變化圖Fig. 4 The correlations of the salinity at Qianliyan between the Qingdao precipitation, Ni?o3 index, and PDO indexa. 青島降水(2年濾波); b. Ni?o3指數; c. PDO指數(2年濾波)a. Qingdao precipitation (2 years filter); b. Ni?o3 index; c. PDO index (2 years filter)

由圖6可以看到, 千里巖站與環黃、渤海海洋站的鹽度有較好的相關關系。其中, 千里巖與老虎灘、秦皇島和塘沽的相關系數以 1l=-時為最高, 分別是0.352, 0.389和0.374, 與葫蘆島和鲅魚圈的相關系數以 3l=- 時為最高, 分別是0.319和0.373, 與煙臺的相關系數以 4l=- 時最高, 為0.299。由此看來, 千里巖站的鹽度比其他環黃、渤海海洋站的鹽度都有一定的超前, 時間一般為1～3個月。這也表明了渤海鹽度的升高可能與黃海的入侵有一定的關系。

3 結論

圖5 環黃、渤海海洋站鹽度時間變化圖Fig. 5 The variations of the salinity at stations around the Yellow Sea and the Bohai Sea

圖6 千里巖與其他海洋站鹽度超前滯后相關Fig. 6 The lagging correlation analysis between the salinity values at Qianliyan and other stations

(1)36°N斷面、大連—成山頭斷面、渤海中部斷面的鹽度的整體趨勢都是升高。黃河流量的減小是造成渤海鹽度升高的重要原因。(2)黃海千里巖站的鹽度40年間總體呈上升趨勢, 年變率為0.01 a-1, 降水減少是造成鹽度上升的主要因素。并且鹽度存在著5a和10a左右的周期變化, 其季節短期震蕩和El Ni?o有關系, 而長期變化與PDO有關, 說明年際以上尺度變化和外洋傳來的信號有關系。(3)千里巖站與其他環渤、黃海海洋站的鹽度成正相關關系,它們都有 5～6a的周期, 總體趨勢都是升高。而且千里巖站的鹽度比鲅魚圈、葫蘆島、秦皇島、塘沽、煙臺、老虎灘6站的鹽度都有一定的超前, 表明渤海鹽度的升高可能與黃海的入侵有一定的關系。

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The spatial distribution and temporal evolution of salinity at the sections and observation stations in the Yellow Sea and Bohai Sea

MA Chao1, JU Xia2, WU De-xing1, LIN Xiao-pei1
(1. College of Physical and Environmental Oceanography, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China)

Dec., 16, 2008

the Yellow Sea, the Bohai Sea, salinity, variation

Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis and lagging correlation analysis were adopted to analyze the spatial distribution and temporal evolution of salinity at the 36°N section, Dalian-Chengshantou section and central Bohai section, and to describe the relationship among the observation stations around the Yellow Sea and Bohai Sea. The conclusion is that the salinity at Qianliyan station in the Yellow Sea increased during the period of 1960～2000 with an annual rate of 0.01/a, and it was probably caused by the decrease of precipitation. The short-term oscillation of the salinity might related to the El Ni?o, while the long-term variation related to the Pacific Decal Oscillation (PDO). Besides, there were positive correlations between the salinity at Qianliyan and other stations, and the only difference was a temporal lead of 1～3 months. This study systematically analyzed the long term variation of the salinity in the Yellow and Bohai Seas, and showed that the salinity in coastal sea might be affected by the open ocean, which is helpful to understand the evolution of marine environment in the China coastal sea.

P722.4; P722.5

A

1000-3096(2010)09-0070-06

2008-12-16;

2009-12-30

國家重點基礎研究發展計劃項目(2005CB422302); 國家自然科學基金項目(40930844); 國家科技支撐計劃項目(2008BAC49B02)

馬超(1983-), 男, 山東濟寧人, 博士, 主要從事中國東海環境演變研究, 電話： 0532-66782853, E-mail： machao@ouc.edu.cn

(本文編輯： 劉珊珊)