近百余年來西北太平洋SST長期變化趨勢(shì)研究

蘇勤，鄭崇偉，楊艷，陳曉斌

（1.海洋出版社，北京 100081；2.92538部隊(duì)氣象臺(tái)，遼寧大連 116041）

1 引言

全球氣候變化對(duì)人類的生產(chǎn)、生活、可持續(xù)發(fā)展有著重要影響，全球變暖導(dǎo)致的環(huán)境危機(jī)、資源危機(jī)越來越成為眾多專家關(guān)注的熱點(diǎn)。海洋作為全球氣候變化的重要調(diào)節(jié)器，海表溫度（SST—Sea Surface Temperature）的變化趨勢(shì)對(duì)全球氣候變化影響深遠(yuǎn)。

前人對(duì)于SST的變化趨勢(shì)做了很多工作，聯(lián)合國政府間氣候變化委員會(huì)（IPCC—Intergovernmen?tal Panel on Climate Change）第四次評(píng)估報(bào)告指出在1906—2005年期間全球變暖趨勢(shì)為0.074℃/10a[1-3]，氣候?qū)W家們也普遍認(rèn)為在過去的100年里，全球變暖的趨勢(shì)約0.53℃/100a[4-5]。張秀芝等[6]利用Hadley中心的SST數(shù)據(jù)，在渤海、黃海、東海、南海各選擇代表區(qū)域，分析了中國近海海溫的長期變化，研究發(fā)現(xiàn)中國海近100多年來各海區(qū)呈增溫趨勢(shì)，此外還發(fā)現(xiàn)，渤海、黃海、南海的年平均SST存在2—4年的顯著性變化周期、準(zhǔn)7年的變化周期。潘蔚娟等[7]利用實(shí)測月平均SST資料，發(fā)現(xiàn)華南近海區(qū)域年平均SST最近44年的線性增長率為0.12—0.19℃/10a。馮琳等[8]利用來自Hadley中心的SST，發(fā)現(xiàn)在1945—2006年期間東中國海的SST變化趨勢(shì)為0.015℃/a，在整個(gè)62年期間共升高了0.9℃，其中東海升溫最為突出，福建和浙江兩省沿岸向東北方向擴(kuò)展的大片海域，是SST遞增趨勢(shì)的大值區(qū)。前人對(duì)全球變暖研究做了很大貢獻(xiàn)，但多是區(qū)域平均后SST的整體變化趨勢(shì)，往往會(huì)將某些重點(diǎn)海域的變化特征忽略。不同海域SST的變化趨勢(shì)存在很大的差異，本文利用來自英國氣象局Hadley氣候預(yù)測和研究中心的SST資料，計(jì)算了近百余年來（1870—2010年）西北太平洋海域（0°—60°N，100°—180°E）SST變化趨勢(shì)的長期變化趨勢(shì)。主要分析了SST的整體變化趨勢(shì)、變化趨勢(shì)的區(qū)域性差異、季節(jié)性差異、變化周期、突變形勢(shì)，以期可為研究全球氣候變化提供參考。

圖1 1870—2010年期間西北太平洋逐年平均的SST及其整體變化趨勢(shì)

2 資料簡介

本文所用的SST資料來自英國氣象局Hadley氣候預(yù)測和研究中心，該SST數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍從1870年至今，每月1次，更新較及時(shí)，空間分辨率1°×1°，空間范圍為89.5S°—89.5°N，0.5°—359.5°E。該數(shù)據(jù)主要源自Met Office Marine Bank(MDB)，在缺測的地方利用Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set(COADS)的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充，其中1982年之前的部分還包含了Global Telecommunications System(GTS)。該數(shù)據(jù)具有較高的精度，被廣泛運(yùn)用[6,8-9]。

3 SST長期變化趨勢(shì)

3.1 近百余年SST的整體變化趨勢(shì)

為了體現(xiàn)近百余年來（1870—2010年）西北太平洋海域SST的整體變化趨勢(shì)，本文將該海域的SST從1870—2010年進(jìn)行逐年區(qū)域平均，分析SST的整體變化趨勢(shì)，見圖1。

近百余年來，西北太平洋SST變化趨勢(shì)的相關(guān)系數(shù)為0.73，通過了95%（r0.05=0.19）的信度檢驗(yàn)，即線性變化趨勢(shì)顯著，回歸系數(shù)為0.0039，表明近百余年來，西北太平洋海域的SST以3.9×10-3℃/a的速度顯著性逐年線性遞增。從曲線的走勢(shì)來看，在1870—1910年期間表現(xiàn)出緩慢的遞減趨勢(shì)，SST基本在22.0—22.5℃之間輕微震蕩；1910—1930年期間的SST為近百余年來的波谷，曲線走勢(shì)也非常平緩；1930年以后，SST震蕩遞增，趨勢(shì)一直延續(xù)至今，詳見圖1。

3.2 SST線性趨勢(shì)的區(qū)域性差異

區(qū)域平均后再分析SST的變化趨勢(shì)，可以從整體上把握SST的變化趨勢(shì)，但這種分析方法往往會(huì)將某些重點(diǎn)海域的變化特征忽略。本文將西北太平洋海域1°×1°每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的SST從1870—2010年進(jìn)行逐年平均，分析每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上SST的逐年線性變化趨勢(shì)，具體計(jì)算方法如下：

式（1）為回歸方程，b為線性趨勢(shì)的回歸系數(shù)。相關(guān)系數(shù)為r。

圖2 1870—2010年全球海域SST的逐年變化趨勢(shì)

由圖2可看出，西北太平洋大部分海域的SST表現(xiàn)出顯著的逐年線性遞增趨勢(shì)，SST在近海的遞增趨勢(shì)明顯強(qiáng)于大洋。近海的遞增趨勢(shì)基本都在3×10-3℃/a以上，福建和廣東沿岸、臺(tái)灣周邊海域、琉球群島-日本一帶周邊海域的遞增趨勢(shì)最為強(qiáng)勁，基本在9×10-3℃/a以上，高值中心可達(dá)12×10-3℃/a以上；大洋中部的遞增趨勢(shì)為0—3×10-3℃/a，與全球變暖的大背景吻合。本文計(jì)算得到的西北太平洋SST的遞增趨勢(shì)略高于IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出在1906—2005年期間全球變暖趨勢(shì)為0.074℃/10a，也就是說西北太平洋尤其是中國近海的SST遞增趨勢(shì)稍強(qiáng)于全球變暖趨勢(shì)。而與潘蔚娟[7]、馮琳[8]等的結(jié)論比較發(fā)現(xiàn)，過去百年的SST遞增趨勢(shì)沒有近50余年來的遞增趨勢(shì)強(qiáng)勁，這是由于在1870—1910年期間SST變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，遞增趨勢(shì)主要體現(xiàn)在1910—2010年期間所致，這一點(diǎn)由圖1也可以明顯看出。僅在尚塔爾群島（鄂霍次克海西部近海）海域呈顯著的遞減趨勢(shì)，約-15×10-3— -9×10-3℃/a。張秀芝[6]、馮琳[8]等研究也發(fā)現(xiàn)中國海的SST呈顯著的遞增趨勢(shì)，福建和浙江兩省沿岸向東北方向擴(kuò)展的大片海域的遞增趨勢(shì)尤為強(qiáng)勁，本文的結(jié)果與之一致。

圖3 1870—2010年期間全球海域SST變化趨勢(shì)的季節(jié)性差異

3.3 SST線性趨勢(shì)的季節(jié)性差異

為了展現(xiàn)西北太平洋海域SST變化趨勢(shì)的季節(jié)性差異，本文還將西北太平洋海域1°×1°每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的SST從1870—2010年進(jìn)行逐春季、逐夏季、逐秋季、逐冬季平均，分析每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上SST的逐季節(jié)線性變化趨勢(shì)，并對(duì)比變化趨勢(shì)的季節(jié)性差異，見圖3。

逐春季：由圖3a可見，近百余年來，西北太平洋大部分海域的SST表現(xiàn)出顯著性遞增趨勢(shì)，大部分海域的遞增趨勢(shì)在2×10-3℃/a以上，僅低緯度小范圍海域的遞增趨勢(shì)稍弱，在0—2×10-3℃/a，高值中心分布于福建和浙江兩省沿岸向東北方向擴(kuò)展的大片海域、臺(tái)灣周邊海域、日本海南部海域、日本南部及東南部近海，遞增趨勢(shì)在8×10-3℃/a以上；鄂霍次克海中西部海域的SST呈顯著性逐春季線性遞減，約-30×10-3—10×10-3℃/a。

逐夏季：SST變化趨勢(shì)的分布特征與逐春季相近，只是第一島鏈（日本-琉球群島-臺(tái)灣-菲律賓一線）以內(nèi)及附近海域SST的遞增趨勢(shì)稍有增強(qiáng)。值得注意的是：鄂霍次克海西部SST呈遞減趨勢(shì)的海域范圍教春季縮小，鄂霍次克海東部的SST在春季無顯著變化趨勢(shì)，但在夏季卻呈顯著的遞增趨勢(shì)。

逐秋季：SST的遞增趨勢(shì)教春季、夏季更為強(qiáng)勁，整個(gè)西北太平洋海域的遞增趨勢(shì)基本都在2×10-3℃/a以上；日本-琉球群島-臺(tái)灣一線附近大范圍海域SST的遞增趨勢(shì)尤為強(qiáng)勁，可達(dá)8×10-3℃/a以上；鄂霍次克海大部分海域的SST轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著性逐秋季遞增趨勢(shì)，在2×10-3—8×10-3℃/a。

逐冬季：大部分海域SST變化趨勢(shì)的分布特征與逐秋季相近，僅在鄂霍次克海的SST又轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性遞減，詳見圖3c、圖3d。

整體來看，無論哪個(gè)季節(jié)，SST在近海的遞增趨勢(shì)明顯強(qiáng)于大洋。

3.4 SST的變化周期

將西北太平洋海域的SST從1870—2010年進(jìn)行逐年區(qū)域平均，然后利用功率譜分析方法，分析近百余年來西北太平洋SST的變化周期，見圖4。

通過分析不難發(fā)現(xiàn)西北太平洋海域的SST存在多種尺度的變化周期：具有顯著的2.1—2.3年、2.6—3.0年、3.3—3.8年、4.1—4.3年、4.7—6.0年、6.9—9.0年的顯著性變化周期，以及45年以上的長周期震蕩。張秀芝等[6]研究發(fā)現(xiàn)中國海近100多年來中國各海區(qū)的SST存在2—4年的顯著性變化周期、準(zhǔn)7年的變化周期。陳紅霞等[10]指出中國近海及臨近海域（15°—25°N，112°—130°E）海浪的年際變化中以5年為周期的變化最為顯著，和ENSO事件有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系；郭隨平等[11]的研究發(fā)現(xiàn)南海的風(fēng)浪、涌浪、混合浪與厄爾尼諾有著較為密切的關(guān)系。本文猜想：中國海的海洋水文要素與厄爾尼諾現(xiàn)象可能存在一定的相關(guān)性，在下一步的研究中可重點(diǎn)就厄爾尼諾現(xiàn)象與中國海的海洋水文要素之間的超前、同期、滯后相關(guān)進(jìn)行計(jì)算，探索其是否存在聯(lián)系，為氣候預(yù)測、全球氣候變化提供參考。

3.5 SST的突變形勢(shì)

將西北太平洋海域的SST從1870—2010年進(jìn)行逐年區(qū)域平均，利用MK（Mann-Kendall）檢驗(yàn)分析方法[12]，分析近百余年來該海域SST的突變形勢(shì)。如果UF與UB線相交，且交點(diǎn)位于兩條臨界線之間，則說明存在明顯的突變形勢(shì)。

由圖5可見，UF與UB線相交于1982年，80年代初期北太平洋發(fā)生了一次年代際振蕩，PDO位相發(fā)生了轉(zhuǎn)變，作者在此猜想西北太平洋海域的SST是否與此存在聯(lián)系，在以后的工作中需要就此重點(diǎn)展開計(jì)算。但交點(diǎn)并不分布于兩條檢驗(yàn)線之間，表明近百余年來，西北太平洋海域的SST并不存在顯著的突變形勢(shì)。由UF曲線可見，在1870—1910年期間，西北太平洋海域的SST表現(xiàn)出緩慢的遞減趨勢(shì)，1910—1930年期間的SST為近百余年來的波谷，曲線走勢(shì)也非常平緩；1930年以后，SST震蕩遞增，趨勢(shì)一直延續(xù)至今，與圖1的結(jié)論完全吻合。

4 結(jié)論

圖4 西北太平洋海域SST的功率譜分析

圖5 西北太平洋海域SST的突變形勢(shì)檢驗(yàn)

本文利用來自英國氣象局Hadley氣候預(yù)測和研究中心的SST資料，計(jì)算了近百余年來（1870—2010年）西北太平洋SST的整體變化趨勢(shì)、變化趨勢(shì)的區(qū)域性差異、季節(jié)性差異、變化周期、突變形勢(shì)，得到如下主要結(jié)論：

（1）近百余年來，西北太平洋的SST整體上以3.9×10-3℃/a的速度顯著性逐年線性遞增。在1870—1910年期間表現(xiàn)出緩慢的遞減趨勢(shì)，SST基本在22.0—22.5℃之間輕微震蕩；1910年—1930年期間的SST為近百余年來的波谷，曲線走勢(shì)也非常平緩；1930年以后，SST震蕩遞增，趨勢(shì)一直延續(xù)至今，與全球變暖的大背景相吻合；

（2）西北太平洋大部分海域的SST表現(xiàn)出顯著的逐年線性遞增趨勢(shì)，SST在近海的遞增趨勢(shì)明顯強(qiáng)于大洋。近海的遞增趨勢(shì)基本都在3×10-3℃/a以上，其中福建和廣東沿岸、臺(tái)灣周邊海域、琉球群島-日本一帶周邊海域的遞增趨勢(shì)最為強(qiáng)勁，基本在9×10-3℃/a以上，高值中心可達(dá)12×10-3℃/a以上；僅在尚塔爾群島（鄂霍次克海西部近海）海域呈顯著的遞減趨勢(shì)，約-15×10-3— -9×10-3℃/a；

（3）西北太平洋SST的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出較大的季節(jié)性差異，大部分海域的SST在各個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出顯著的線性遞增趨勢(shì)，秋冬兩季的遞增趨勢(shì)強(qiáng)于春夏兩季。鄂霍次克海的SST在冬春兩季表現(xiàn)出顯著性遞減趨勢(shì)，在秋季則表現(xiàn)出顯著性遞增趨勢(shì)，夏季為過渡季節(jié)；

（4）西北太平洋的SST存在多種尺度的變化周期：具有顯著的2.1—2.3年、2.6—3.0年、3.3—3.8年、4.1—4.3年、4.7—6.0年、6.9—9.0年的顯著性變化周期，以及45年以上的長周期震蕩。近百余年來，西北太平洋的SST并不存在顯著的突變現(xiàn)象。

[1]IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change).Climate Change 2007:Synthesis report[R].Cambridge:Cambridge University Press,2007.

[2]Zheng C W,Zhuang H,Li X,et al.Wind Energy and Wave Energy Resources Assessment in the East China Sea and South China Sea[J].Science China Technology Sciences,2012,55(1):163-173.[3]Zheng C W,Pan J,Li J X.Assessing the China Sea Wind Energy and Wave Energy Resources from 1988 to 2009[J].Ocean Engineering,2013,65:39-48.

[4]王紹武.現(xiàn)代氣候?qū)W概論[M].北京:氣象出版社,2005,60-62.

[5]鄭崇偉,潘靜,田妍妍,等.全球海域風(fēng)浪、涌浪、混合浪波候圖集[M].北京:海洋出版社,2012.

[6]張秀芝,裘越芳,吳迅英.近百年中國近海海溫變化[J].氣候與環(huán)境研究,2005,10(4):799-807.

[7]潘蔚娟,錢光明,余克服,等.華南近海近40年的實(shí)測SST變化特征[J].熱帶氣象學(xué)報(bào),2007,23(3):271-276.

[8]馮琳,林霄沛.1945—2006年東中國海海表溫度的長期變化趨勢(shì)[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,39(1):13-18.

[9]鄭崇偉,莊卉,李訓(xùn)強(qiáng),等.基于兩種數(shù)據(jù)集的全球SST變化趨勢(shì)的對(duì)比研究[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2012,30(2):171-176.

[10]陳紅霞,華鋒,袁業(yè)立.中國近海及臨近海域海浪的季節(jié)特征及其時(shí)間變化[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2006,24(4):407-415.

[11]郭隨平,莊卉,鄭崇偉,等.南海海浪場與厄爾尼諾的相關(guān)性分析[J].海洋預(yù)報(bào),2012,29(6):37-43.

[12]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2007.