南黃海冬季溫鹽年際變化時空模態與氣候響應

石強

（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）

山東半島東端成山頭南部的黃海海域為南黃海，南黃海南側以濟州島至長江口一線為界與東海相鄰，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。黃海環流分為兩種季節性流系：冬季環流和夏季環流。

樂肯堂等（1990）根據1986年1月中美聯合調查資料分析，南黃海冬季黃海暖流可以在深層和表層同時出現；深層黃海暖流，可能沿黃海槽北上，有時甚至能到達北黃海；南黃海表層存在西側氣旋型環流和東側反氣旋型環流。湯毓祥等，（2000）根據1980-1990年的觀測分析認為：冬季南黃海環流基本是由其中部北上的黃海暖流與其兩側向南運移的沿岸流所組成，黃海暖流的路徑和強度皆存在著一定的年際變化。臧家業等（2001）認為：黃海暖流路徑存在著一定的季節和年際變化。大多數年份暖流路徑偏于黃海槽的西側，少數年份暖流路徑沿槽北上，其路徑的變化與北向季風的強弱有密切關系。王輝武等（2009）認為：黃海暖流強弱存在4～7a變化周期，與季風經向分量具有較好相關關系；黃海暖流流軸存在3～6a變化周期，流軸擺動明顯受冬季季風緯向分量影響。邢傳璽等（2010）認為：黃海、東海環流在其特殊地形的約束下對冬季風的響應和調整，是引起黃海暖流西偏的主要原因。Zhang等（2002）根據1980年2-7月南黃海斷面資料分析，3-7月期間南黃海存在6個水團：黃海冷水團、黃海水、山東南岸水、江蘇北岸水和黃海暖流水。Chen等（2009）總結了渤海、黃海、東海冬夏季水團和海洋鋒特征。Naimie等（2001）用三維氣候模式研究了黃海平均季節環流分布，在冬季，風生環流形成在中國-朝鮮海岸的向南表層流和黃海中部深層的北向補償流—黃海暖流。張松等（2009）指出：東亞季風的年際變率與渤、黃、東海SST年際變率一致性較好，東亞季風是渤、黃、東海海洋年際變率的主要影響因子。馬超等（2010）認為南黃海千里巖站鹽度短期震蕩可能和El Nin~o有關，長期變化則與太平洋年代際震蕩（PDO）有關。

隨著全球氣候變暖，黃海海域冬季氣溫增暖最快（張黎紅等，2005；陳少勇等，2009），東亞季風明顯變弱（黃榮輝等，2008）。研究近37年來南黃海斷面溫度、鹽度年際變化時空結構與氣候響應，以及北黃海與南黃海之間溫鹽年際變化的相關性，有助于了解北、南黃海溫鹽年際時空變化趨勢和演變過程的差異，并進一步研究黃海溫鹽年際變化與生化要素的影響關系。

1 材料與方法

1.1 分析資料

青島站自1977-2013年歷年1月、2月平均氣溫和每日2次（0、12世界時）1 000.0 hPa處探空風速資料，由中國氣象局氣象信息中心提供。

歐洲中尺度天氣預報中心1977-2011年再分析月平均海流格點值（ECMWF Ocean Reanalysis System 4（ORAS4），ftp：//ftp.icdc.zmaw.de/EASYInit/ORA-S4/monthly_orca1/），分析場在中緯度為1°×1°分辨率，取南黃海中部 A（123°24′11″E，34°58′45″N）站點55 m層月平均流速；東海B（125°29′36″E，27°46′01″N）站點 55 m 層月平均鹽度分析，分別表示黃海暖流和黑潮流系鹽度年際變化（圖 1）。

1900-2012年太平洋年代際振蕩（PDO）指數年合計值（ftp：//ftp.atmos.washington.edu/mantua/pnw_impacts/INDICES/PDO.latest），PDO指數是對北太平洋20°N以北的月平均SST異常進行經驗正交函數分析（EOF）所得第一模態的時間系數，PDO指數為正值，稱PDO暖位相，反之稱PDO冷位相（Mantua et al，1997）。

1.2 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方法可以反映分析域整體時空變化，當需要關注分析域局地時空結構時，采用旋轉經驗正交函數（REOF）是一個適宜的方法（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）。

圖1 南黃海斷面站位和海流站位（A）

1.3 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）。躍變現象可以出現在數年至數十年的多種時間尺度中，本研究主要關注年代際尺度溫鹽模態時間分量躍變，取躍變時間尺度n=10年。

十二連加大政務公開力度，以公開欄為平臺，架起連隊“兩委”與職工群眾之間的連心橋。團場連隊改革后，十二連“兩委”班子職能轉變，由行政管理型轉向服務型，班子成員迅速轉換角色，為職工群眾做好服務工作，科學管理、民主決策，著力推行“四議兩公開”工作法。

1.4 正態分布檢驗與非線性相關系數

當樣本序列符合正態分布時，可以用樣本平均值代表樣本序列的統計特征（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分布峰度、偏度系數判據檢驗，信度0.001。

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 氣候背景與表底層溫度、鹽度年際變化

將溫度、鹽度數據序列分別沿各站位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），并繪制溫度、鹽度分布圖。

圖2 青島站1月經向（a）、緯向（b）偽風應力和與2月平均氣溫（c）

圖3 A站2月平均流速（a）、B站2月平均鹽度（b）和PDO指數（c）分布

由圖4、5所示，斷面表底層溫度經歷了10年冷期（1977-1987年）、20年暖期（1988-2008年）和近5年冷期（2009-2013年）的變化，其中1999年和2008年是最暖的時期，斷面東部的最高溫度達到8.5℃以上，暖期海水溫度升高主要在斷面中東部海域，并向西側近岸擴展；冷期最低溫度在3℃以下，出現在1977-1981年和2011年斷面西部海域，冷期海水低溫主要在斷面西部近岸海域，并向斷面中部海域擴展。

由圖6、7所示，斷面表底層鹽度分布為斷面東部鹽度高；西部鹽度低，其年際變化多數年份是以斷面西部低鹽度或東部高鹽度為主的斷面單側鹽度特征發展；少數年份是斷面西部低鹽度或東部高鹽度同時發展（例如2006-2007年）。斷面東部表底層高鹽度期在1981-1984年、1994-1998年和2006-2008年；斷面西部表底層低鹽度期在1977-1980年、1985-1993年、2005-2009年和2011-2013年。

斷面東、西部溫鹽高低值多數不是同時出現，斷面西部溫鹽出現相對低值的年際變化；東部溫鹽出現相對高值的年際變化，呈現“蹺蹺板”型年際變化。

表層平均溫度年際變化出現顯著線性升高趨勢（圖8a），表層平均鹽度年際變化呈現準平衡態狀態（圖8b）。底層平均溫度顯著線性升溫趨勢（斜率為0.031）比表層快；底層平均鹽度年際變化呈現準平衡狀態。

圖4 表層溫度分布（單位：℃）

圖5 底層溫度分布（單位：℃）

圖6 表層鹽度分布

圖7 底層鹽度分布

2.2 表底層溫度年際時空變化

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

圖8 表層平均溫度（a）、平均鹽度度（b）分布

根據REOF模態空間分量高低值分布，表底層溫度模態有二種型態：魯南近海型（圖9c、圖10c）和南黃海槽型（圖9d、圖10d）。二種模態方差貢獻差別不大（相差6%和4%）。

斷面表底層溫度魯南近海型模態時間分量存在顯著線性升高趨勢（圖9a、圖10a），底層溫度模態線性升溫斜率大于表層；南黃海槽型溫度模態時間分量為準平衡態年際變化（圖9b、圖10b）。模態時間分量最大熵譜顯著周期為：表層第一模態10.3年，第二模態6.0年和24.0年；底層第一模態7.2年和12.0年，第二模態7.2年和10.3年。

太平洋年代際振蕩現象（PDO）對我國氣候變率有顯著影響，在PDO暖位相我國華北、東北和西北地區冬季氣溫顯著偏高（朱益民等，2003），東海黑潮季平均熱輸送量與PDO指數顯著正相關，5年滑動平均兩者相關系數0.72（張啟龍 等，2008）。對于太平洋海溫變化PDO信號的明顯區在中緯度北太平洋；ENSO信號的明顯區在赤道中、東太平洋（呂俊梅等，2005）。由于南黃海位于黃海暖流熱輸送和東亞氣候的共同影響區，所以，南黃海冬季溫度的年際變化受到ENSO和PDO現象的雙重作用。由于ENSO循環不具有年代際振蕩特征（呂俊梅等，2005），所以，南黃海冬季溫度年代際變化受到PDO位相影響，非年代際變化受到PDO和ENSO位相共同影響。在1977-1998年期間PDO為暖位相，雖然PDO指數沒有出現10年尺度躍變，但是斷面表底層溫度模態均出現10年尺度升溫躍變（圖9a，圖10a），這種躍變是受到1988/1989年ENSO冷事件（李曉燕，2001）中西太平洋黑潮熱輸送效應增大（孫雙文等，2009）與PDO暖位相期東海黑潮熱輸送量增大的共同影響。2007-2012年期間PDO為冷位相期，同期ENSO冷事件（2007-2009年春，2010年春-2012年春）（Bell et al，2013）效應并未改變斷面溫度降溫趨勢，斷面表底層溫度模態出現降溫年際變化（圖 9a，圖 10a）。

圖9 表層溫度時空模態

圖10 底層溫度時空模態

表層溫度魯南近海型模態超前南黃海槽型模態5年顯著正相關，底層溫度魯南近海型模態滯后南黃海槽型模態3年顯著正相關。因此，冬季斷面表底層溫度模態之間相差5年、3年位相年際變化，其中表層溫度魯南近海型模態位相超前，底層溫度南黃海槽型模態超前，圖11。

圖11 表底層溫度第一模態與第二模態延遲相關系數

2.3 溫度模態的氣候響應

圖12 延遲相關分析表明，表層溫度第一、第二模態和底層溫度第二模態與青島站2月平均氣溫顯著同步正相關響應，底層溫度第一模態與月平均氣溫顯著相關峰值有延遲偏離現象。從延遲相關系數分布分析，一個單峰分布的峰值比較平緩，三個是雙峰分布，并且溫度模態超前2月平均氣溫2年和7年出現顯著延遲正相關峰值，由于斷面底層溫度兩個模態和表層溫度第一模態與2月份黃海暖流存在顯著同步正相關和非線性相關（圖13），這種延遲正相關可能與黃海暖流強弱和流軸變化有關。因此，斷面溫度模態不僅與局地冬季氣溫有同步正相關響應，而且與黃海暖流熱輸送形態有關。

圖12 青島站2月平均氣溫與表底層溫度模態延遲相關系數

圖13 表底層溫度模態與A站55m處2月份平均流速延遲相關系數

風生環流可以產生水體熱量輸送，偽風應力與表層溫度模態延遲相關分析表明：表層溫度第一模態與1月份經向風滯后溫度2年顯著正相關（r=0.49）；第二模態與2月份經向風滯后溫度3年顯著正相關（r=0.72）。底層溫度模態有相似的結果。經向風滯后溫度2～3年的情形可能是由于風變化隨機性強和每月觀測時刻較少造成的位相偏差所致。因此，冬季經向風產生的風生環流對斷面溫度年際變化有降溫作用，其中對南黃海槽型溫度模態的降溫作用主要通過黃海開闊海風海流作用；對魯南近海型溫度模態主要通過風驅動南下的魯北沿岸流作用，由此造成兩個溫度模態對經向風響應時間相差1個月。

為分析南、北黃海斷面溫度模態之間之間年際變化相關性，引用了北黃海CD斷面溫度模態年際變化研究結果（石強，2013）。圖14延遲相關分析表明：斷面表底層溫度魯南近海型模態與北黃海CD斷面表底層溫度開闊海型模態顯著同步正相關，表層溫度南黃海槽型模態與北黃海CD斷面表層溫度開闊海型模態的正相關受到其他因素的干擾，有滯后正相關峰值出現。因此，南黃海冬季溫度魯南近海型模態與北黃海CD斷面溫度開闊海型模態是一種局地氣候響應比較一致的模態，而南黃海冬季溫度南黃海槽型模態受到局地氣候和黃海暖流熱輸入的共同影響。南黃海冬季溫度模態對北黃海CD斷面溫度南北近岸型模態無顯著相關影響。

表層溫度第二模態與PDO指數顯著同步非線性相關；第一模態與PDO指數不存在顯著相關。底層溫度第二模態超前PDO指數2年顯著負相關；第一模態超前PDO指數6年顯著負相關，但是，存在延遲4年、2年的顯著非線性相關（圖15）。因此，斷面底層溫度兩個模態均與PDO指數有顯著延遲相關，表層溫度黃海槽型模態與PDO指數模態存在顯著相關；魯南近海型模態與PDO指數無顯著相關。

圖14 表底層溫度模態與北黃海CD斷面表底層溫度模態延遲相關系數

圖15 PDO指數與表底層溫度模態延遲相關系數

2.4 表底層鹽度年際時空變化

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

根據REOF模態空間分量高低值分布，斷面表底層鹽度模態有二種形態：南黃海槽型（圖16c、圖17c）和南黃海槽型（圖16d、圖17d）。其中魯南近海型模態方差貢獻比南黃海型大一倍左右，魯南近海型鹽度模態是斷面鹽度年際變化的主要分量。

斷面表層鹽度第一模態時間分量呈現準平衡態變化；第二模態時間分量呈現顯著線性降低趨勢（圖16a、16b）；底層鹽度第一、二模態時間分量均呈現準平衡態變化（圖17a、17b）。模態時間分量最大熵譜顯著周期為：表底層第一模態7.4年；表層第二模態6.2年、7.4年和14.8年；底層第二模態5.7年和10.6年。表層鹽度第一模態在1995年出現10年尺度躍變。

圖16 表層鹽度時空模態

圖17 底層鹽度時空模態

表層鹽度魯南近海型模態超前南黃海槽模態4～5年顯著負相關，底層鹽度魯南近海型模態滯后南黃海槽模態3年顯著正相關。因此，冬季斷面表層鹽度模態之間存在反位相變化信號，導致斷面表層鹽度東西方向“蹺蹺板”型年際變化（圖6），底層鹽度模態之間為同位相變化（圖18），表底層鹽度模態之間的延遲時間與表底層溫度模態是基本一致的（圖18，圖11）。

圖18 表底層鹽度第一模態與第二模態延遲相關系數

2.5 鹽度模態的氣候響應

冬季2月黃海降水量小，1977-2012年歷年2月南黃海海面蒸發量在57～129 mm變化（Yu et al，2008），延遲相關分析表明：斷面表底層鹽度二個模態與青島站2月平均氣溫和1月經向、緯向偽風應力和以及海面蒸發量均不存在顯著相關。因此，斷面鹽度模態對局地氣溫、風應力、蒸發等氣候因素無顯著響應，斷面鹽度模態年際變化主要受黃海多種水團和黃海暖流輸送黑潮高鹽度水體影響。

圖19 CD斷面鹽度模態與鹽度模態延遲相關系數

圖20 B點55 m處2月平均鹽度與表底層鹽度模態延遲相關系數

黑潮流系高鹽度水體隨黃海暖流進入黃海（Naimie et al，2001），斷面表層鹽度魯南近海型模態與B站鹽度無顯著相關；南黃海槽型模態滯后1年與B站鹽度顯著正相關，底層鹽度魯南近海型模態超前1年與B站鹽度顯著正相關；南黃海槽型模態滯后3年與B站鹽度顯著正相關（圖20）。因此，冬季斷面表層鹽度兩個模態受渤南沿岸水、遼南水和黃海暖流水的共同影響；底層鹽度兩個模態主要受黃海暖水影響。關于冬季黑潮區與南黃海鹽度場之間年際變化的位相關系仍然需要做進一步研究。

3 結論

（1）冬季南黃海36°N斷面表底層溫度年際變化主要有二種時空模態：魯南近海型和南黃海槽型。模態主要有準周期和線性趨勢年際變化。表底層溫度魯南近海型模態有顯著線性升溫趨勢；表底層溫度南黃海槽型模態為準平衡態變化。斷面冬季溫度模態年際變化受到局地氣溫、西北季風強度、黃海暖流、太平洋年代際振蕩（PDO）指數位相和ENSO事件的共同影響。

（2）冬季南黃海36°N斷面表底層鹽度年際變化主要有二種時空模態：魯南近海型和南黃海槽型。模態主要有準周期和線性趨勢年際變化。受北黃海低鹽度遼南水向南輸送影響，斷面表層鹽度南黃海槽型模態存在顯著線性降低趨勢；北黃海渤南沿岸（魯北）水鹽度線性升高趨勢并沒有影響斷面表層鹽度魯南近海型模態年際變化趨勢。斷面表底層鹽度魯南近海型模態和底層鹽度南黃海槽型模態時間分量準平衡態年際變化。斷面表層鹽度模態年際變化主要受北黃海遼南水、渤南沿岸水和黃海暖流水共同影響；底層鹽度模態主要受黃海暖流水影響。

（3）冬季南黃海36°N斷面表（底）層溫度二個時空模態之間年際變化有顯著延遲正相關。表層鹽度二個時空模態之間年際變化有顯著延遲負相關，底層鹽度二個時空模態之間年際變化有顯著延遲正相關。

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