黄、渤海断面及海洋站的盐度分布特征与变化趋势

马 超, 鞠 霞, 吴德星, 林霄沛

(1. 中国海洋大学 海洋环境学院, 山东 青岛 266100; 2. 国家海洋局 第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

黄、渤海断面及海洋站的盐度分布特征与变化趋势

马 超1, 鞠 霞2, 吴德星1, 林霄沛1

(1. 中国海洋大学 海洋环境学院, 山东 青岛 266100; 2. 国家海洋局 第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

采用经验正交函数(EOF)分解、超前滞后相关分析等方法, 分析了 36°N断面、大连—成山头断面和渤海中部断面盐度的空间分布特征和时间变化特征, 讨论了环黄、渤海海洋站之间盐度的关系。结果表明, 36°N断面、大连—成山头断面和渤海中部断面盐度的整体趋势都是升高, 黄河流量的减小是造成渤海盐度升高的重要原因。黄海千里岩站 1960～2000年间的盐度整体趋势也是升高, 年变化率为0.01/a, 造成盐度升高的主要原因是降水的减少, 并且其短期震荡可能和El Niño有关, 长期变化则与太平洋年代际震荡(PDO)有关。此外, 千里岩站和其他海洋站之间的盐度有较好的正相关关系, 只是在时间上存在着 1～3个月的超前。对黄、渤海盐度长期变化的系统分析表明, 近海盐度可能受到外洋的影响, 有助于加深对中国近海环境演变的认识。

黄海; 渤海; 盐度; 变化趋势

黄海是全部位于大陆架上的一个半封闭的浅海,地势较为平坦, 夏季底层水温低于8 ℃, 是有名的黄海冷水团盘踞的海域。渤海是中国的内海, 是深入中国大陆的近封闭型的一个浅海, 平均水深 18 m。两者仅通过渤海海峡进行交换, 表层有暖水舌从南黄海经北黄海直指渤海海峡[1]。

作为中国重要的边缘海, 黄、渤海海洋要素被广泛研究, 发现其存在明显的季节变化。刘哲等[2]认为外强迫、岸形和地形所共同诱导的海水平均环流, 是形成渤海水平分布和季节变化的决定因素之一。

近年来, 黄、渤海海洋要素的年际以上尺度的中长期变化成为研究的热门问题。Lin等[3]认为渤海海表盐度, 气温和海表温度在 1960～1997年间都是升高的、变化率分别是 0.074 /a, 0.024 ℃/a和0.011 ℃/a。方国洪等[4]认为渤海在1965～1997年间,海表温度升高 0.48 ℃, 海表盐度升高 1.34, 海温与气温及盐度与降水都有较好的相关关系。白虹等[5]对黄海冷水团的长期变化作了研究, 认为温跃层顶的位置有年际变化, 且与El Ninõ有关。这些研究大多是针对温度的变化, 而盐度对海洋内部动力结构有重要影响。吴德星等[6]认为1961～1996年渤海盐度升高近2, 并认为黄河入海流量持续锐减是导致渤海盐度升高的主导原因。吴德星等[7]对渤海1958年和2000年夏季温盐场和流场结构作了比较, 认为盐度场发生了根本性变异, 渤海湾及湾口区成为高盐度区, 从而导致渤海流场结构发生变化。

为了研究中国近海盐度的变化趋势, 探讨外洋对近海盐度的影响, 加深对中国近海环境演变的认识, 作者利用最新收集到的环黄、渤海海洋站和断面调查资料, 针对黄、渤海盐度的长期变化进行系统的研究, 并对其成因作简要分析。

1 资料来源和处理

断面资料取自1976～2003年36°N大连—成山头断面, 1978～1999年渤海中部断面的温盐深仪(CTD)调查资料。海洋站资料为鲅鱼圈、葫芦岛、秦皇岛、塘沽、龙口、烟台、老虎滩7个沿岸站。1965～1995年的温、盐、降水资料和千里岩站 1960～2000年的盐度资料, 站位见图1。此外, 还有青岛站1960～2000年的蒸发降水资料和利津站 1950～2000年的黄河入海径流资料。

作者绘制了各个断面的盐度等值线图, 分析了断面盐度的年际变化。对千里岩站盐度的长期变化趋势进行了研究, 并与其他环黄、渤海海洋站盐度之间作了超前滞后分析。

图1 北黄海与渤海地形及观测站位Fig. 1 Topography of the northern Yellow Sea, the Bohai Sea, and the observation stations

对于黄、渤海海温, 月最低值一般出现在 2月,月最高值一般出现在8月, 因此作者选用2月和8月分别代表冬、夏两季。

对黄、渤海盐度的长期变化进行的系统分析, 可以说明近海盐度变化的可能原因, 有助于加深对中国近海环境演变的认识。

2 结果和讨论

2.1 各断面的盐度分布特征

由图2可知, 36°N断面夏季上10 m垂直混合比较均匀, 盐度东高西低, 等盐线在陆坡处向下倾斜,在断面东侧20 m以下形成高盐区。冬季从表层到底层垂直混合均匀, 等盐度线竖直分布, 盐度东高西 低。

图2 盐度断面图Fig. 2 Distribution of salinity at the sectionsa. 夏季36°N断面; b. 夏季大连—成山头断面; c. 夏季渤海中部断面; d. 冬季36°N断面; e. 冬季大连—成山头断面; f. 冬季渤海中部断面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

大连—成山头断面夏季上10 m垂直混合比较均匀, 盐度大致南高北低, 海峡北部10～15 m盐度垂直梯度较大, 等盐度线较密集, 并在中部海底突起处向下延伸, 在海峡北部15 m以下形成一个高盐中心,位置与冷水中心一致。冬季垂直混合较强, 等盐度线竖直分布, 盐度大致北高南低, 一定程度上反映出北黄海水从海峡北部进入渤海, 莱州湾较低盐度水沿海峡南侧流出的特性, 最高值出现在中部偏北的狭长区域。

渤海中部断面在南部上 5 m最低, 原因是靠近黄河口, 受河流淡水输入的影响; 渤海中部浅滩两侧的凹槽处是盐度最高的区域, 温度则对应着两个冷水中心; 渤海中部浅滩盐度上下相对均匀, 等盐度线稀疏。冬季垂直混合强, 等盐度线竖直分布, 断面南部黄河入海口附近盐度仍较低, 此处等盐度线密集, 水平梯度最大; 断面中部盐度较均匀, 盐度也较高, 到断面北部靠岸处盐度又逐渐降低, 水平梯度变大。

2.2 各断面盐度距平的经验正交函数分解

分别对 3个断面的盐度距平进行了经验正交函数(EOF)分解, 表1中是其前3个模态的特征值及方差 贡 献 。 根 据 相 邻 特 征 值 满 足 ：λj-λj+1≥ej,是样本个数)时, 认为这两个特征值对应的 EOF是有价值的信号的显著性检验条件, 前 3个特征向量都是可信的。前 3个模态累积方差贡献率达到 75%以上, 可以代表原始场的主要特征, 是各断面盐度距平场的3个基本形态。

表1 各断面盐度距平的前3个特征向量对应的特征值及其方差贡献Tab.1 Eigenvalues and variance contributions of the first three eigenvectors associated with the deviations of salinity

将其第一模态时间变化曲线与临近的海洋站盐度作比较(图3), 可以发现之间有很好的相关关系,说明其可以反映盐度的变化趋势, 即整体趋势都是升高。并且渤海的时间变化曲线与黄河流量变化有很好的反相关关系, 说明黄河流量的减小是造成渤海盐度升高的重要原因。

2.3 千里岩盐度的长期变化趋势及其成因简析

对千里岩站的盐度进行 2年滤波分析(图 4a)可以发现, 40 a间千里岩站的盐度长期变化趋势是上升,盐度年变率为0.01 /a, 并且存在大约5 a和10 a的周期变化。

盐度与降水有着直接联系, 而由于缺少千里岩站的降水资料, 作者与距离该站最近的青岛的降水作了比较, 发现两者存在比较明显的负相关, 并估计1960～2000年的 40 a间由于降水的减少, 可以造成大约 0.19的盐度升高, 大概占到盐度实际升高的 50%,因此降水的减少是造成其盐度升高的主要原因。而由于ENSO对降水有影响, 一般的, El Niño年中国北方降水将减少[10,11], 因此把千里岩站的月平均盐度和Ninõ3指数标准化之后进行比较(图4b), 可以发现两者之间存在着很好的正相关关系, 即El Niño年盐度升高,与降水减少也是一致的, 但是经过 2年滤波后则对应得不好, 说明千里岩站盐度的短期震荡可能和El Niño的发生有关。再将千里岩站 2年滤波后的盐度和年平均太平洋年代际震荡(PDO)指数比较(图4c), 发现其与PDO的变化趋势存在较好的正相关关系, 这说明其年际以上尺度变化和外洋传来的信号有关系, 而导致这种长期变化相关关系的原因还有待进一步研究。

图3 各断面盐度距平EOF分解的第一模态时间变化曲线(粗实线)Fig. 3 The first temporal EOFs of the deviation of salinity (thick solid line) in each section

2.4 千里岩站与其他海洋站盐度之间的变化关系和超前/滞后分析

再将千里岩站和烟台、塘沽、秦皇岛站的盐度作比较(图5), 可以发现4站的变化趋势基本相同,仅存在幅度上的偏差, 4站都在1970年、1984年、1995年附近出现最大值, 而总的趋势也都是升高。

将千里岩的盐度和其他海洋站的盐度做超前滞后分析, 将千里岩的盐度记为mx, 在葫芦岛、老虎滩、鲅鱼圈、塘沽、秦皇岛、烟台海洋站中任取一个站的盐度, 记为my, 然后对mlx+和my作相关分析, 其中l= －12, －11, …, 0, …, 11, 12代表时间滞后(负值代表超前)年数, 计算相关系数 ：

其中, ∑表示对xm+l和ym均有数据的资料求和,xm+l和ym是这些数据的平均值, 所得结果如图6。

图4 千里岩盐度与青岛降水、Niño3指数、PDO指数时间变化图Fig. 4 The correlations of the salinity at Qianliyan between the Qingdao precipitation, Niño3 index, and PDO indexa. 青岛降水(2年滤波); b. Niño3指数; c. PDO指数(2年滤波)a. Qingdao precipitation (2 years filter); b. Niño3 index; c. PDO index (2 years filter)

由图6可以看到, 千里岩站与环黄、渤海海洋站的盐度有较好的相关关系。其中, 千里岩与老虎滩、秦皇岛和塘沽的相关系数以 1l=-时为最高, 分别是0.352, 0.389和0.374, 与葫芦岛和鲅鱼圈的相关系数以 3l=- 时为最高, 分别是0.319和0.373, 与烟台的相关系数以 4l=- 时最高, 为0.299。由此看来, 千里岩站的盐度比其他环黄、渤海海洋站的盐度都有一定的超前, 时间一般为1～3个月。这也表明了渤海盐度的升高可能与黄海的入侵有一定的关系。

3 结论

图5 环黄、渤海海洋站盐度时间变化图Fig. 5 The variations of the salinity at stations around the Yellow Sea and the Bohai Sea

图6 千里岩与其他海洋站盐度超前滞后相关Fig. 6 The lagging correlation analysis between the salinity values at Qianliyan and other stations

(1)36°N断面、大连—成山头断面、渤海中部断面的盐度的整体趋势都是升高。黄河流量的减小是造成渤海盐度升高的重要原因。(2)黄海千里岩站的盐度40年间总体呈上升趋势, 年变率为0.01 a-1, 降水减少是造成盐度上升的主要因素。并且盐度存在着5a和10a左右的周期变化, 其季节短期震荡和El Niño有关系, 而长期变化与PDO有关, 说明年际以上尺度变化和外洋传来的信号有关系。(3)千里岩站与其他环渤、黄海海洋站的盐度成正相关关系,它们都有 5～6a的周期, 总体趋势都是升高。而且千里岩站的盐度比鲅鱼圈、葫芦岛、秦皇岛、塘沽、烟台、老虎滩6站的盐度都有一定的超前, 表明渤海盐度的升高可能与黄海的入侵有一定的关系。

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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 Niño, 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

国家重点基础研究发展计划项目(2005CB422302); 国家自然科学基金项目(40930844); 国家科技支撑计划项目(2008BAC49B02)

马超(1983-), 男, 山东济宁人, 博士, 主要从事中国东海环境演变研究, 电话： 0532-66782853, E-mail： machao@ouc.edu.cn

(本文编辑： 刘珊珊)