北黃海冬季溫鹽年際變化時空模態(tài)與氣候響應(yīng)

石強

（1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 青島，266033；2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心，山東 青島 266033；3.海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266033）

黃海是一個被中國大陸和朝鮮半島圍繞的半封閉陸架淺海，黃海南側(cè)以濟州島至長江口連線為界與東海相鄰；北側(cè)以旅順口至蓬萊連線為界與渤海相鄰；以山東半島東端成山頭為界分為南、北黃海。黃海表面積約40×104km2，平均水深44 m，最大水深140 m。在黃海中部分布著南北方向伸展的黃海槽，水深約50～80 m。黃海主要分布有5種水團：黃海暖流水團、黃海底層冷水團、朝鮮沿岸水團、中國沿岸水團和長江沖淡水團。黃海環(huán)流分為兩種季節(jié)性流系：冬季環(huán)流和夏季環(huán)流。

在山東半島東端的成山頭與大連之間有一個自1928年開始監(jiān)測的海洋調(diào)查斷面，張以懇等（1996）研究了該斷面自1928-1990年期間選取的42年觀測資料，分析了該斷面夏季8月份冷水團年際變化特征。趙保仁等（1996）、江蓓潔等（2007）研究了北黃海冷水團的溫度、鹽度以及海流系統(tǒng)的季節(jié)變化。王宗山等（1992）、徐玲玲等（2008）研究了北黃海溫鹽垂直分布。黃江嬋等（2012）根據(jù)2006-2007年期間對北黃海19條斷面調(diào)查資料，研究了北黃海四季水團分布特征。

北黃海冬季溫鹽結(jié)構(gòu)受到北黃海環(huán)流和西北季風(fēng)的共同影響，冬季渤南沿岸水勢力最強，該水團在西北季風(fēng)作用下可以越過山東半島東端成山頭向南黃海伸展（李繁華等，1989）。北黃海魯北沿岸流冬季最強，春季減弱，夏秋季消失（鮑獻文等，2009）。在秋冬季節(jié)山東半島東及北沿岸，海水交換又呈上下不同的兩層模式：上層黃海沿岸流自西向東南下，而在深底層，黃海暖流余脈的深底層流卻自南而北再向西流動，致使表層溫度低于下層溫度，形成冬秋季逆溫層現(xiàn)象（顏文彬等，1991；管秉賢，2000）。

隨著全球氣候變暖，黃海海域冬季氣候也有所改變。冬季2月份平均氣溫增暖最快（張黎紅等，2005；陳少勇等，2009），東亞季風(fēng)明顯變?nèi)酰S榮輝等，2008）。冬季氣候要素的變化對北黃海冬季溫鹽結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生顯著影響，而對北黃海冬季溫鹽結(jié)構(gòu)的氣候響應(yīng)仍然缺少研究，特別是對北黃海斷面冬季溫度、鹽度連續(xù)長期觀測資料分析有重要的科學(xué)意義。

采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)（REOF）等方法研究近36年來北黃海冬季斷面溫度、鹽度年際變化時空結(jié)構(gòu)與氣候響應(yīng)，以及冬季北黃海與渤海之間溫鹽年際變化的相關(guān)性。這些工作有助了解北黃海冬季溫鹽年際時空變化趨勢和演變過程，并進一步研究北黃海冬季溫鹽年際變化與生化要素的影響關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 分析資料

北黃海斷面8個監(jiān)測站分布在北黃海成山頭至大連之間，簡稱CD斷面。該斷面南端水深約31m；中段水深約52 m；北端水深約48 m，見圖1。國家海洋局北海分局海洋調(diào)查隊和北海環(huán)境監(jiān)測中心于1977-2012年歷年1-2月（多數(shù)是2月份）對斷面表底層海水溫度、鹽度監(jiān)測，分析方法按照海洋調(diào)查規(guī)范一篇2部分：海洋水文觀測（GB/T 12763.2-2007）執(zhí)行，其中1984年、1996年各站缺測，分析中缺測數(shù)據(jù)由時間相鄰站點資料內(nèi)插填補。

圖1 北黃海斷面站位分布

位于北黃海近岸的大連站自1977-2012年歷年1月、2月月平均氣溫、每日2次（0、12世界時）97 m高度處探空風(fēng)速資料，由中國氣象局氣象信息中心提供。

1.2 分析方法

1.2.1 旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)（REOF）方法

旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)（REOF）方法是經(jīng)驗正交函數(shù)（EOF）方法的改進。EOF方法是一種分析矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征和提取數(shù)據(jù)主要時空特征量的方法，在海洋學(xué)科中得到了廣泛的應(yīng)用（Storch，1999；石強 等，2001，2011）。

EOF方法可以反映分析域整體時空變化，當(dāng)需要關(guān)注分析域局地時空結(jié)構(gòu)時，采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)（REOF）是一個適宜的方法（Storch，1999）。REOF方法是在保持EOF前K個主成分的總方差不變情況下，進行最大方差正交變換，使變換后的空間型對原變量的方差貢獻差異增大，以反映原變量中的局部結(jié)構(gòu)，第K個特征值方差貢獻用REOFk（%）表示。REOF詳細討論見（吳洪寶等，2010）。

1.2.2 躍變分析方法

采用信噪比公式確定時間序列資料躍變發(fā)生的強度與時刻，信噪比公式為：

其中，M1、M2和σ1、σ2分別是基準(zhǔn)時刻之前與之后期間（n）內(nèi)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)信噪比值出現(xiàn)局部最大值且大于1.0時，判斷在基準(zhǔn)時刻出現(xiàn)躍變現(xiàn)象（Yamamoto et al，1986）。躍變現(xiàn)象可以出現(xiàn)在數(shù)年至數(shù)十年的多種時間尺度中，本研究主要關(guān)注十年尺度的溫鹽模態(tài)時間分量躍變，所以取躍變時間尺度n=10年。

1.2.3 正態(tài)分布檢驗

當(dāng)樣本序列符合正態(tài)分布時，可以用樣本平均值代表樣本序列的統(tǒng)計特征（陶澍，1994），因此，本文除特別聲明外，計算出的各年斷面溫鹽平均值的觀測序列均通過了正態(tài)分布峰度、偏度系數(shù)判據(jù)檢驗，信度0.001。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣候要素與表底層溫度、鹽度年際變化

據(jù)1961-2006年月平均溫度資料分析，我國東部季風(fēng)區(qū)冬季增溫率為0.39℃/10 a，其中2月增溫最大（張少勇等，2009）。對大連站1977-2012年歷年2月月平均氣溫和歷年1月月緯向、經(jīng)向偽風(fēng)應(yīng)力（Pseudostress）和（（τxτ）y=∑（WxW）y進行5項高斯型低通濾波處理。2月平均氣溫有顯著線性升高趨勢（圖2a）；1月月經(jīng)向擬風(fēng)應(yīng)力和有顯著線性減弱趨勢（圖2b）；月緯向偽風(fēng)應(yīng)力和有非顯著線性減弱趨勢（圖2c）。冬季氣溫升高和西北季風(fēng)強度減弱的氣候趨勢將對北黃海溫鹽結(jié)構(gòu)年際變化產(chǎn)生影響。

將溫度、鹽度數(shù)據(jù)序列分別沿各站位時間方向做邊界一階、內(nèi)部二階Shapio濾波，以減少短波噪聲（Shapiro，1970），并繪制溫度、鹽度分布圖 3-圖 6。

圖2 大連站2月平均氣溫（a）和1月經(jīng)向（b）、緯向（c）偽風(fēng)應(yīng)力和

圖3 斷面表層溫度分布（單位：℃）

由圖3、4所示，斷面表底層溫度經(jīng)歷了10年冷期（1977-1987年）、20年暖期（1988-2008年）和近4年冷期（2009-2012年）的變化，其中2007-2008年是最暖的時期，斷面中部的最高溫度達到5℃以上，次暖期在1995-1999年，暖期海水溫度升高主要在斷面中部海域，并向兩側(cè)近岸擴展；冷期最低溫度在1℃以下，出現(xiàn)在1977-1981年斷面的南端海域，次冷期在2010-2012年，冷期海水低溫主要在斷面的南端近岸海域，并向斷面中部海域擴展。

圖4 斷面底層溫度分布（單位：℃）

圖5 斷面表層鹽度分布

圖6 斷面底層鹽度分布

由圖5、6所示，斷面鹽度分布表底層有差異，表層鹽度南、北端有低鹽度水體出現(xiàn)，底層鹽度相對表層分布比較均勻。高鹽度水體主要出現(xiàn)在斷面中部海域，低鹽度水體出現(xiàn)在斷面南、北端近岸海域。表底層高鹽度期在1981-1984年、1989-1990年、1999-2003年和2008-2010年期間；低鹽度期在1977-1980年、1985-1988年、1991-1993年和2011-2012年。

斷面表層平均溫度年際變化呈現(xiàn)顯著線性升高趨勢（圖7a），斷面表層平均鹽度年際變化呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡狀態(tài)（圖7b），底層平均溫鹽值與表層平均溫鹽是相似的年際變化。

圖7 斷面表層平均溫度（a）、平均鹽度（b）

北黃海冬季西北季風(fēng)將表層水體向南輸送，在魯北沿岸堆積的南移水體將攜帶低溫、高鹽效應(yīng)的表層水向深層移動；在遼南沿岸表層水體被吹離，將引起底層相對高溫、高鹽水體向遼南沿岸補償流動，由此，在北黃海形成一種西北季風(fēng)驅(qū)動的風(fēng)動-補償環(huán)流。由于氣候變暖，北黃海冬季西北季風(fēng)強度逐漸減弱（圖2b、2c），北黃海冬季風(fēng)動-補償環(huán)流也逐漸減弱，從斷面表底層溫鹽差年際分布分析，表底層溫鹽差均存在顯著的線性趨勢（圖8a、8b），

表底層溫度顯著升高，表層平均溫度升高幅度比底層大，表底層平均溫差減?。槐淼讓悠骄}度有升高趨勢（未通過顯著性判據(jù)），表層平均鹽度升高幅度比底層大，表底層平均鹽度差顯著減小。因此，斷面冬季表底層平均溫鹽差顯著線性正距平趨勢，底層溫度、鹽度出現(xiàn)高于表層的情形將減少。

圖8 斷面平均表底層溫度差（a）、鹽度差 (b)分布

2.2 表底層溫度年際時空變化

采用REOF分析斷面表底層溫度距平序列資料，取EOF前2項做旋轉(zhuǎn)變換，時間分量采用5項高斯型低通濾波處理，消除短期擾動。

根據(jù)斷面表底層溫度模態(tài)空間分量高值分布，斷面表底層溫度模態(tài)空間分量有兩種型式：開闊海型（圖 9d、圖 10c）和南北近岸型（圖 9c、圖10d）。表層溫度模態(tài)中，兩種模態(tài)方差貢獻差別不大（相差2%）；底層溫度模態(tài)中，開闊海型方差貢獻大于南北近岸型（相差20%）。

圖9 斷面表層溫度時空模態(tài)（a，c.REOF1=47%，b，d.REOF2=45%），↓躍變時刻

圖10 斷面底層溫度時空模態(tài)

斷面表層溫度模態(tài)第二時間分量線性擬合相關(guān)R=0.23，與信度0.05相關(guān)系數(shù)臨界值0.28十分接近，存在近似的線性升高趨勢（圖9b），斷面其他表底層溫度模態(tài)時間分量均有顯著線性升高趨勢（圖9a、圖10a、10b）。開闊海型溫度模態(tài)中底層模態(tài)線性升溫趨勢比表層快，南北近岸型溫度模態(tài)中表層模態(tài)線性升溫趨勢比底層快。最大熵譜分析結(jié)果：表層第二模態(tài)和底層第一模態(tài)時間分量顯著周期5.5年、9.0年和36.0年；表層第一時間分量顯著周期5.1年、6.5年和14.4年；底層第二時間分量顯著周期5.5年、10.3年。表底層開闊海型溫度模態(tài)有相同的顯著年際周期變化，表底層南北近岸型溫度模態(tài)顯著年際周期不同。

表底層溫度南北近岸型模態(tài)時間分量存在十年尺度躍變現(xiàn)象；開闊海型模態(tài)無躍變現(xiàn)象（圖9a，圖 10b）。

2.3 斷面溫度的氣候響應(yīng)

延遲分析表明：斷面2月溫度模態(tài)與大連站歷年1月經(jīng)向偽風(fēng)應(yīng)力和序列顯著相關(guān)；與2月經(jīng)向偽風(fēng)應(yīng)力和序列無顯著相關(guān)，溫度模態(tài)位相落后1個月對風(fēng)應(yīng)力響應(yīng)的情況與其他學(xué)者分析結(jié)果是一致的（劉哲等，2003）。2月溫度模態(tài)與2月平均氣溫序列有顯著同步正相關(guān)，與1月平均氣溫模態(tài)顯著正相關(guān)分布有峰值偏離現(xiàn)象（圖略）。

圖11 大連站2月平均氣溫與斷面表底層溫度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)

圖11 所示，斷面表層溫度第一、第二模態(tài)和底層溫度第一模態(tài)對2月平均氣溫有顯著同步正相關(guān)響應(yīng)，底層溫度第二模態(tài)與月平均氣溫顯著正相關(guān)響應(yīng)中存在其他因素的干擾較大，顯著相關(guān)峰值有延遲偏離現(xiàn)象。

由圖12所示，斷面表層溫度第一模態(tài)和底層溫度第二模態(tài)與1月經(jīng)向偽風(fēng)應(yīng)力有顯著正相關(guān)響應(yīng)，其他溫度模態(tài)未有顯著相關(guān)響應(yīng)。溫度模態(tài)與2月經(jīng)向偽風(fēng)應(yīng)力和未有顯著正相關(guān)峰值響應(yīng)（圖略）。斷面表底層溫度模態(tài)對氣溫的顯著響應(yīng)比對偽風(fēng)應(yīng)力的顯著響應(yīng)快1個月時間，說明西北季風(fēng)驅(qū)動的風(fēng)動環(huán)流對溫度變化位相影響時間大約是1個月時間。表層溫度第一模態(tài)和底層溫度第二模態(tài)存在對偽風(fēng)應(yīng)力顯著延遲1個月響應(yīng)，可能導(dǎo)致對2月平均氣溫同步相關(guān)系數(shù)分布中出現(xiàn)峰值弱化和偏移的現(xiàn)象（圖11）。

斷面2月表底層溫度開闊海型模態(tài)是對2月平均氣溫年際變化的響應(yīng)，表層溫度開闊海型模態(tài)時間分量線性升高趨勢斜率大于底層；2月表底層溫度南北近岸型模態(tài)是對1月經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和與2月平均氣溫的響應(yīng)，底層溫度南北近岸型模態(tài)時間分量線性升高趨勢斜率大于表層。

圖12 大連站1月經(jīng)向偽風(fēng)應(yīng)力和與斷面表底層溫度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)

渤海與北黃海之間通過渤海海峽產(chǎn)生水體交換，北黃海海域冬季存在黃海水團、渤南（魯北）沿岸水、遼南沿岸水和渤-黃海混合水團（李繁華等，1989；黃江嬋等，2012）。斷面橫跨黃海水團（斷面中部）、渤南（魯北）沿岸水（斷面南部）和渤-黃?；旌纤畧F（斷面北部）。將同步的北黃海斷面溫度模態(tài)與渤海斷面溫度模態(tài)（石強，2013）進行延遲相關(guān)分析，研究冬季北黃海與渤海之間溫度模態(tài)的相關(guān)關(guān)系。

圖13 斷面表底層溫度模態(tài)與渤海斷面表底層溫度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)

圖13 所示，冬季北黃海斷面表底層溫度開闊海型、南北近岸型模態(tài)與渤海斷面表底層溫度開闊海型模態(tài)有顯著同步正相關(guān)，斷面底層溫度開闊海型模態(tài)與渤海底層溫度遼河口型模態(tài)有顯著同步正相關(guān)。由此分析，渤海斷面開闊海域表底層溫度主要與北黃海斷面表底層溫度同步年際變化，北黃海斷面底層溫度開闊海模態(tài)與渤海斷面底層溫度遼河口型模態(tài)有比較顯著的同步正相關(guān)，而渤海斷面表底層溫度的黃河口型模態(tài)與表層溫度遼河口型模態(tài)是顯著局地效應(yīng)產(chǎn)生的年際變化，與北黃海斷面溫度年際變化無關(guān)。

2.4 表底層鹽度年際時空變化

采用REOF分析斷面表底層鹽度距平序列資料，取EOF前2項做旋轉(zhuǎn)，時間分量采用5項高斯型低通濾波處理，消除短期擾動。

根據(jù)斷面表底層鹽度模態(tài)空間分量高值分布，斷面表底層鹽度模態(tài)空間分量有二種形態(tài)：魯北近海型（圖14c、圖15c）和遼南近海型（圖14d、圖15d）。斷面鹽度年際變化主要出現(xiàn)在斷面南北部海域，這種形態(tài)說明渤南（魯北）沿岸水和遼南沿岸水鹽度的年際變化是影響北黃海斷面海域鹽度年際變化的主要因素。

表底層鹽度模態(tài)時間分量出現(xiàn)兩種相反的線性趨勢變化，表底層鹽度第一模態(tài)（圖14a、圖15a）有顯著線性升高趨勢；表底層鹽度第二模態(tài)（圖14b、圖15b）有顯著線性降低趨勢。這種形態(tài)說明渤南（魯北）沿岸水影響的鹽度模態(tài)有顯著線性升高趨勢，遼南沿岸水影響的鹽度模態(tài)有顯著線性降低趨勢，并且升高斜率大于降低斜率。最大熵譜分析：表底層鹽度第一模態(tài)顯著周期9.0年；表層鹽度第二模態(tài)顯著周期5.1年、6.5年；底層鹽度第二模態(tài)顯著周期6.5年。

圖14 斷面表層鹽度時空模態(tài)

圖15 斷面底層鹽度時空模態(tài)

表底層鹽度魯北近岸型模態(tài)時間分量存在十年尺度躍變現(xiàn)象；遼南近岸型模態(tài)無躍變現(xiàn)象（圖14a、圖 15a）。

表底層鹽度第一模態(tài)時間分量之間有顯著同步正相關(guān)系數(shù)0.94；第二模態(tài)之間有顯著同步正相關(guān)系數(shù)0.98；依據(jù)REOF分析時間分量的正交性，表、底層鹽度第一、二模態(tài)時間分量之間無顯著同步正相關(guān)系數(shù)。

2.5 鹽度模態(tài)的氣候響應(yīng)

冬季遼南沿岸受鴨綠江等河流入海淡水影響，溫度和鹽度較低。遼南沿岸水4個季節(jié)都是以低鹽為特征（鮑獻文等，2009）。這種遼南沿岸水低鹽特征是因為遼南沿岸存在一個四季基本不變沿遼南岸流向西南的遼南沿岸流，這種流系夏季流速大，流幅窄；冬季流速小，流幅寬（臧家業(yè)等，2001）。北黃海冬季斷面海水鹽度年際變化受到遼南沿岸水、遼南沿岸流以及渤海-北黃海海水交換的影響。。

在冬季西北季風(fēng)驅(qū)動下，渤南水經(jīng)魯北沿岸流向南黃海，黃?？趶搅髁恐鹉隃p少的趨勢造成渤海冬季斷面鹽度黃河口型模態(tài)出現(xiàn)顯著線性升高效應(yīng)（石強，2013），并且與北黃海斷面表底層鹽度魯北近海型模態(tài)顯著同步正相關(guān)（圖16）。由于渤海斷面表底層鹽度遼河口型模態(tài)滯后1～2年與北黃海斷面表底層鹽度與魯北近海型模態(tài)顯著正相關(guān)（圖16），因此，渤海斷面表底層鹽度黃河口型模態(tài)是影響北黃海斷面表底層鹽度魯北型模態(tài)年際變化的主要因素。。表底層鹽度遼南近海型模態(tài)與渤海冬季斷面鹽度遼東灣型、黃河口型模態(tài)無同步和延遲顯著相關(guān)，該模態(tài)主要是受遼南沿岸水鹽度的年際變化影響。

圖16 渤海鹽度模態(tài)與斷面鹽度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)

延遲相關(guān)分析表明：斷面表底層鹽度魯北近岸模態(tài)與2月平均氣溫顯著同步正相關(guān)；表底層鹽度遼南近海型模態(tài)超前2～3年與2月平均氣溫顯著負相關(guān)。斷面表底層鹽度模態(tài)與1、2月經(jīng)向、緯向偽風(fēng)應(yīng)力和不存在可以解釋的延遲相關(guān)關(guān)系（圖略）。由此分析，斷面表底層鹽度魯北近岸模態(tài)與2月平均氣溫同步年際變化，表底層鹽度遼南近海型模態(tài)形成機制與魯北近岸模態(tài)不同，表底層鹽度2個模態(tài)年際變化與西北季風(fēng)強度年際變化無關(guān)，主要受到渤南（魯北）、遼南沿岸水鹽度年際變化影響。

為分析斷面溫鹽模態(tài)之間年際變化的穩(wěn)定性，我們分析了表層、底層溫鹽兩個模態(tài)之間的延遲相關(guān)，結(jié)果表明：表（底）層溫度第一模態(tài)超前第二模態(tài)7～8年顯著正相關(guān)；表（底）層鹽度第一模態(tài)超前第二模態(tài)4年顯著負相關(guān)。斷面表層、底層溫（鹽）兩種模態(tài)之間年際變化存在顯著延遲相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）冬季北黃海斷面表底層溫度有兩種時空模態(tài)：開闊海型和南北近岸型。兩種模態(tài)時間分量主要有準(zhǔn)周期和線性趨勢年際變化，開闊海型溫度模態(tài)中底層線性升溫斜率比表層大；南北近岸型溫度模態(tài)中表層線性升溫斜率比底層大。表底層溫度開闊海型模態(tài)是對2月平均氣溫年際變化的響應(yīng)；表底層溫度南北近岸型模態(tài)是對1月經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力和與2月平均氣溫的響應(yīng)。

（2）冬季北黃海斷面表底層鹽度有兩種時空模態(tài)：魯北近海型和遼南近海型。兩種模態(tài)時間分量主要有準(zhǔn)周期和線性趨勢年際變化。表底層鹽度魯北近海型模態(tài)時間分量有顯著線性升高趨勢；遼南近海型模態(tài)時間分量有顯著線性降低趨勢，其中魯北近海型鹽度模態(tài)線性升高斜率大于遼南近海型模態(tài)降低斜率。斷面表底層鹽度年際變化與渤南（魯北）沿岸水和遼南沿岸水的鹽度年際變化顯著相關(guān)。

（3）表底層溫度南北近岸型模態(tài)時間分量存在10年尺度躍變現(xiàn)象；開闊海型溫度模態(tài)無躍變現(xiàn)象。表底層鹽度魯北近岸型模態(tài)時間分量存在10年尺度躍變現(xiàn)象；遼南近岸型模態(tài)無躍變現(xiàn)象。

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