渤海冬季溫鹽年際變化時空模態與氣候響應

石強 ，2，3

（1.山東省海洋生態環境與防災減災重點實驗室，山東 青島 266033；2.國家海洋局北海環境監測中心，山東 青島 266033；3.海洋溢油鑒別與損害評估技術國家海洋局重點實驗室，山東 青島 266033）

渤海是受大氣、陸地、海洋系統交互作用的半封閉型超淺海，平均水深18 m。渤海分布著海水養殖區、自然保護區、旅游度假區等22種海洋功能區。據2008-2011年監測評價，渤海6個生態監控區均處于亞健康和不健康狀態，主要生態問題是：近岸海域污染嚴重，濱海濕地面積減少，海水鹽度升高，漁業資源衰退，富營養化加劇，赤潮頻發，外來物種入侵，岸線侵蝕等。（國家海洋局北海分局，2009，2010，2011，2012）。隨著氣候變暖以及開發活動加劇，渤海環境演變也將復雜化。

海水溫度、鹽度是海洋環境的基本要素。方國洪等（2002）、俎婷婷等（2005）和 Lin等（2001）利用線性回歸方法研究了渤海沿岸海洋站和斷面觀測海洋表層水溫和鹽度及地面氣溫和降水等要素的長期變化趨勢和相關性。吳德星等（2005）、張松等（2009）采用EOF方法分析了衛星遙感渤海SST年際變化特征。吳德星等（2004）采用淡水通量收支分析研究了渤海沿岸海洋站和斷面觀測鹽度，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。Yu等（2009）采用EOF方法研究了1950-2007年渤海、北黃海冬季鹽度，認為渤海年度鹽度與黃河年徑流量強負相關。

海水溫度、鹽度分布不僅與生化要素分布有密切關系（魏皓等，2003；李勝朋等，2004；鄒斌等，2005）也與大氣-海洋CO2交換過程有關系（張龍軍等，2008）。

渤海地區近50年來冬季氣溫升高最明顯（黃琰等，2011），并且渤海海域冬季降水量小；黃河、遼河等大型河流入海徑流量少；海水溫度垂直均勻。本文采用旋轉經驗正交函數（REOF）等方法研究近35年來渤海冬季斷面表底層溫鹽年際時空變化過程以及對冬季氣侯變暖和黃河入海年徑流量的響應，將有助于了解渤海冬季溫鹽年際變化的局地時空結構以及進一步研究溫鹽年際時空變化與其他生化要素的影響。

1 材料與方法

1.1 分析資料

渤海斷面站位分布在渤海南北中間位置，由10個站位組成（圖1），國家海洋局北海分局海洋調查隊和北海環境監測中心于1978-2012年歷年2月對海水表底層海水溫度、鹽度監測，分析方法按照海洋調查規范-第2部分：海洋水文觀測（GB/T12763.2-2007）規范執行，其中 1981年、1984年和1996年各站缺測。斷面北端站點有時受結冰影響缺測，分析中缺測數據由時間相鄰站點資料內插填補。

圖1 渤海斷面站位和氣候資料站分布

渤海中部沿岸大連站1978-2012年歷年2月平均氣溫和歷年1月、2月每日2次（0、12世界時）97 m高度處探空風速資料，由中國氣象局氣象信息中心提供。

黃河口利津站1978-2011年黃河入海年徑流量資料。

1.2 分析方法

1.2.1 旋轉經驗正交函數

（REOF）方法 旋轉經驗正交函數（REOF）方法是經驗正交函數（EOF）方法的改進。EOF方法是一種分析矩陣數據中的結構特征和提取數據主要時空特征量的方法，在海洋學科中得到了廣泛應用（石強 等，2001；吳德星等，2005；張松等，2009；Yu et al，2009）。

EOF方法可以反映分析域整體時空主要變化，當需要關注分析域變量局地時空結構時，采用旋轉經驗正交函數（REOF）是一個適宜的方法（Jolliffe，2002）。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構，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分別是基準時刻之前與之后期間（n）內的平均值和標準差，當信噪比值出現局部最大值且大于1.0時，判斷在基準時刻出現躍變現象（Yamamoto et al，1986）。本研究中取躍變時間尺度n=10年。

1.3 Pearson相關系數與非線性相關系數

當兩個隨機變量服從二元正態分布時，其線性相關關系可由Pearson積矩相關系數描述，簡稱Pearson相關系數，值域范圍-1～1。在使用Pearson相關系數時，二元正態分布假設十分重要。對于非正態分布的樣本計算該相關系數值可能導致完全錯誤的結論（陶澍，1994）。因此，除有特別說明以外，本文所有參與計算延遲關系分析的變量均通過了信度0.01正態分布檢驗。

非線性相關系數（廣義相關系數）定義：可解釋的變差與總變差比值，值域范圍0～1，其中可解釋變差計算中采用二階多項式擬合兩個變量。當多項式最高階數由2降低為1時，非線性相關系數退化為線性相關系數（斯皮格爾等，2002）。

2 結果與討論

2.1 氣候要素與海面溫度、鹽度年際變化趨勢

在全球氣候變暖的背景下，1978-2012年期間，渤海地區大連站歷年2月平均氣溫出現顯著線性升高趨勢（圖2a），歷年1月徑向、緯向偽風應力和出現顯著線性減小趨勢（圖2b、c），黃河年徑流量出現顯著線性減少趨勢（圖3a），這三種渤海重要外強迫因素的改變將影響到渤海冬季溫鹽時空結構的變化。

斷面1987年表層鹽度序列未通過正態分布檢驗，故1987年平均鹽度值由鹽度中位數代替，通過檢驗的每年溫度、鹽度序列取平均值分析趨勢（陶澍，1994）。斷面歷年表層平均溫度沒有線性升高趨勢（圖3b），這種表層平均溫度年際變化原因將采用REOF分析討論。表層平均鹽度值序列具有顯著線性升高趨勢（圖3c）。

渤海海域冬季低氣溫的形成主要受到南下極地冷氣團強度和控制時間的影響，而冬季西北季風的強弱受到高低氣壓系統配合和大氣環流系統變化的影響，例如冬季El Nino年東亞寒潮活動弱于La Nina年，El Nino年SST較La Nina年偏高（張松等，2009）。從延遲相關分析結果看，大連站冬季2月平均氣溫與大連站2月偽風應力和的模存在顯著同步負相關系數（R=-0.51），但是，延遲相關系數分布沒有出現單峰形態（圖略），因此，冬季西北季風的強弱是影響渤海地區冬季月平均氣溫高低的因素之一，但不是唯一的主要因素。

2.2 海水溫度、鹽度年際變化

渤海斷面冬季表底層溫度、鹽度分布見圖4-圖7，其中各站溫度、鹽度數據沿時間方向做邊界一階、內部二階Shapio濾波，以減少短波噪聲（Shapiro，1970）。

由圖4、5所示，近35年來渤海冬季斷面表底層溫度經歷了冷期變短、暖期變長的情形，冷期出現在1983-1985年、2000-2001年、2010-2012年，最低溫出現在1985-1986年；暖期出現在1979-1981年、1988-1999年、2002-2003年、2007-2009年，最高溫度出現在2007-2008年。渤海中部暖期增溫幅度最大，遼東灣在冷、暖期變溫范圍最大。

圖2 大連站月平均氣溫（a），月徑向偽風應力和（b）、月緯向偽風應力和（c）

圖3 黃河年徑流量（a）與表層平均溫度（b）、表層平均鹽度（c）

圖5 底層溫度分布（單位：℃）

圖6 表層鹽度分布

由圖6、7所示，渤海冬季斷面表底層鹽度出現高值期增多，河口和中部海域鹽度低值期減少的情形，鹽度較低值出現在1978年-1980年、1987-1992年和2011-2012年；鹽度較高值出現在1982-1986年和1993-2010年，其中最高值出現在2002-2004年。

圖7 底層鹽度分布

圖8 表底層溫度差（單位：℃）

圖9 表底層鹽度差

渤海冬季低氣溫天氣條件下的海氣熱輻射、蒸發作用形成海表層水體低溫、高鹽效應，同時西北季風將渤海表層水吹向渤海西南岸段堆積并產生自表層向底層的下沉流，在渤海西北岸段由于表層水被風吹離海岸，由此產生由底層向表層的補償流，這種西北季風驅動的沿渤海主軸方向的表底層風動—補償流環流將渤海西南岸段附近的表層水低溫、高鹽效應向海底運移，將底層暖溫、低鹽效應水體向表層輸送，這種環流可以抵消堆積在渤海西南岸附近水體的表層低溫、高鹽效應，增大表底層水體溫鹽混合。在渤海西北季風較強的年份（1982-1984年；1994-1998年），渤海西南岸段附近表層水溫度大于底層，底層鹽度大于表層；在西北季風較弱的年份（2007-2010年），渤海底層水溫度高于表層，底層鹽度小于表層，見圖8，圖9。因此，渤海冬季西北季風強度顯著線性減弱趨勢，將導致渤海斷面南部表底層溫鹽風動混合效應減弱，使得堆積在斷面南部水體的低溫、高鹽效應逐年增強，出現斷面南部表底層水體溫度趨勢性降低、鹽度趨勢性升高的效應。由于黃河口徑流量是影響渤海鹽度的主要因素（吳德星等，2004；石強，2013），這種環流造成的高鹽效應相對黃河口徑流量對鹽度的影響是小量。

2.3 海水溫度年際時空變化

采用REOF分析表底層溫度序列資料，取EOF前3項做旋轉，表層方差總和96%；底層方差總和95%，時間分量采用5項高斯型低通濾波處理，消除短期擾動。

由于冬季太陽輻射量減小，渤海海水垂直混合比較均勻，所以表底層溫度3個模態時空間分量對應形態十分相似。

依據空間分量大值分布，表底層溫度模態空間分量有3種型式：開闊海型、黃河口型和遼河口型（圖10d.e.f，圖11d.e.f）。開闊海型方差貢獻最大；遼河口型方差貢獻最小。

表底層溫度模態時間分量中第一模態具有顯著線性升高趨勢（圖10a，圖11a），并在1992年出現10年尺度躍變升高；第二模態具有顯著線性降低趨勢（圖10b，圖11b），1990年以后，時間分量年際變化幅度比較小，線性降低趨勢明顯；第三模態是準平衡年際變化，1993年以后，時間分量年際變化幅度比較小（圖10c，圖11c）。最大熵譜分析得出：表底層溫度第一模態顯著周期4.7年和10年；表層溫度第二模態顯著周期7.8年和11.7年；表層溫度第三模態顯著周期5.8年和17.5年；底層溫度第二模態顯著周期7年和11.7年；底層溫度第三模態顯著周期4.1年、5.8年和10年。

渤海表底層開闊海型水溫模態有顯著線性趨勢性升高，其機制是對氣候變暖的響應；黃河口型水溫模態有顯著線性趨勢性降低，這種形態是由于西北季風強度逐漸減弱，導致沿渤海南北方向表底層風動—補償流環流減弱，斷面南部表底層溫度混合效應減弱，由西北季風吹向斷面南部海域表底層水體的低溫效應逐漸增大，該海域溫度出現線性趨勢性降低；遼河口附近海域是冬季冰情最重的海域，受大氣環流年際變化影響，渤海海冰存在低頻、高頻和無明顯周期的多尺度年際變化特征（李劍等，2005）。20世紀90年代渤海冰情持續偏輕與全球氣候變暖趨勢相當一致，渤海冰情年際變化與EL-Nino現象以及太陽活動周期有關（白珊等，2001）。遼河口附近海域受到冰情復雜年際變化使得遼河口型水溫模態年際變化呈現準平衡形態。

圖10 表層溫度時空模態（a.d.REOF1=63%；b.e.REOF2=21%；c.f.REOF3=12%），→躍變時刻

圖11 底層溫度時空模態（a.d.REOF1=54%；b.e.REOF2=21%；c.f.REOF3=20%），→躍變時刻

渤海冬季表底層溫度年際變化分為3種時空模態，主要在開闊海域分布的第一模態（表層REOF1=63%；底層REOF1=54%）隨氣候變暖有線性升溫趨勢；主要在黃河口附近海域分布的第二模態（表層REOF2=21%；底層REOF2=21%）受季風強度逐漸減弱的影響，出現線性降溫趨勢，并且降溫斜率大于第一模態升溫斜率；主要在遼河口附近分布的第三模態（表層REOF3=12%；底層REOF3=20%）呈現準平衡變化。由于斷面占據3種不同形態的溫度年際變化海域，所以，在取斷面各站溫度值做平均計算后，平均溫度值序列中升高、降低線性趨勢被掩蓋。

2.4 表底層溫度模態與月平均氣溫和季風相關性

對歷年2月平均氣溫、1月季風強度和表層溫度模態時間分量序列做5項高斯型低通濾波處理后做延遲相關分析。

圖12 大連站2月平均氣溫與表層溫度模態延遲相關系數

如圖12所示，第一模態時間分量與大連站2月平均氣溫顯著同步正相關，第一模態是對冬季氣溫升高趨勢的響應；第二模態時間分量與2月平均氣溫有3-4年延遲顯著負相關，這種情形說明第二模態變化不是對2月平均氣溫的響應，只是有與2月平均氣溫年際變化位相延遲；第三模態時間分量與月平均氣溫基本無顯著相關性，模態受其他因素。

底層溫度模態與大連站2月平均氣溫的延遲相關性與表層溫度模態是一致的。

如圖13所示，1月擬風應力和模與表層溫度第一模態時間分量無顯著相關響應；與第二模態時間分量近似同步顯著正相關（與峰值相差不大），說明第二模態是對西北季風強度的響應，由此也證實了前節分析的風動—補償流環流與溫度影響效應；與第三模態時間分量的相關系數分布是一種位相差變化，并不是響應相關。

圖13 大連站1月偽風應力和的模與表層溫度模態延遲相關系數

底層溫度模態與大連站1月偽風應力和模的延遲相關性與表層溫度模態是一致的。

渤海冬季表底層溫度對氣候變暖響應主要出現在渤海斷面開闊海域；對西北季風強度減弱的響應主要在渤海斷面南部海域，造成局地海域溫度出現顯著線性降溫趨勢；斷面北部海域溫度主要對海冰年際變化響應，呈現準平衡態年際變化。

2.5 鹽度年際時空變化

采用REOF分析表底層鹽度序列資料，取EOF前2項做旋轉，表底層方差總和均是95%，時間分量采用5項高斯型低通濾波處理，消除短期擾動。

渤海冬季降水量、河流徑流量少，海水垂直混合比較均勻，所以表底層鹽度二個模態時空間分量對應形態十分相似。

依據空間分量大值分布，表底層鹽度模態空間分量有二種型式：遼東灣型、黃河口型（圖14c、d，圖15c、d）。遼東灣型方差貢獻稍大于黃河口型。

表底層鹽度模態時間分量中第一模態是準平衡年際變化（圖14a，圖15a）；最大熵譜分析得出：表底層鹽度第一模態顯著周期是5.8年和11.7年；第二模態具有顯著線性升高趨勢（圖14b，圖15b），其中第二模態在1997年出現10年尺度躍變升高。最大熵譜分析得出：表層鹽度第二模態顯著周期是7.8年和17.5年；底層鹽度第二模態顯著周期是5.4年和17.5年。

圖14 表層鹽度時空模態（a.c.REOF1=49%；b.d.REOF2=46%），↓躍變時刻

圖15 底層鹽度時空模態（a.c.REOF1=52%；bde.REOF2=43%），←躍變時刻

黃河入海徑流量不僅可以影響渤海鹽度季節變化（石強，2013），也可以影響渤海鹽度年際變化（吳德星等，2004）。黃河入海年徑流量線性減少趨勢（圖3a）造成黃河口附近海域鹽度模態年際變化出現線性升高趨勢，并且出現鹽度躍變升高。冬季遼東灣及附近海域存在鹽度模態準平衡態年際變化，渤海海冰和渤海-北黃海之間海水交換等因素，可能與這種模態年際變化形態有關。

2.6 鹽度模態與黃河年徑流量相關性

各組黃河年徑流量-鹽度模態延遲數據均符合正態分布，只有黃河年徑流量-表層鹽度第二模態在滯后-6年步長處數組出現非正態分布，但是該組Pearson相關系數接近零（圖16），所以一組數據的非正態分布不影響整體分析結果。由于冬季風動-補償流環流年際變化對表底層鹽度的影響相對黃海年徑流量是小量，因此，只對黃河年徑流量、表層鹽度模式時間分量做5項高斯型低通濾波處理后做延遲相關分析。

如圖16所示，黃河年徑流量超前表層鹽度第一模態5年顯著最大負線性相關，非線性相關系數也是在5年出現最大值（圖16未標出），說明黃河年徑流量可以在黃河口附近海域維持5年左右的冬季海水低鹽度效應，黃河年徑流量的大小是影響渤海冬季海水鹽度的主要因素。黃河年徑流量超前表層鹽度第二模態7年顯著最大負線性相關；超前表層鹽度第二模態2年最大非線性相關，說明黃河年徑流量變化對第二模態的影響快于第一模態，并且可以對遼東灣和渤海中部海域維持2-7年的冬季海水低鹽度效應。由于缺少遼河口年徑流量資料，所以，不能確定第二模態對遼河與黃河年徑流量響應的差異情況。

圖16 黃河利津站年徑流量與表層鹽度模態延遲相關系數

3 結論

（1）渤海冬季表底層溫度年際變化分為3種時空模態：開闊海型、黃河口型和遼河口型，其中只有開闊海型模態是對冬季氣溫變暖的響應，該模態時間分量有顯著線性升高趨勢和躍變。黃河口型模態是對冬季西北季風強度逐漸減弱的響應，該模態時間分量有顯著線性降低趨勢。遼河口型模態是對局地海冰年際變化的響應，呈現準平衡變化。

（2）由于渤海斷面占據3種不同形態的溫度年際變化海域，渤海冬季斷面平均海水溫度值序列呈現準平衡形態年際變化。

（3）渤海冬季表底層鹽度年際變化分為2種時空模態：遼東灣型和黃河口型，其中黃河口型模態與黃河口年徑流量滯后5年顯著負線性相關，該模態時間分量有顯著線性升高趨勢和躍變；遼東灣型模態與黃河年徑流量滯后7年顯著負線性相關；滯后2年顯著非線性相關，該模態時間分量年際變化為準平衡形態。

（4）黃河年徑流量是影響渤海冬季鹽度年際變化的主要因素，渤海冬季斷面表底層平均海水鹽度年際變化呈現顯著線性升高趨勢。

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