黄、东海沿岸海表温度变化与厄尔尼诺的关系

王智祖,左军成,陈美香,徐 青,杨逸秋

(河海大学物理海洋研究所,江苏南京 210098)

海表温度(SST)是上层海洋热力状态的重要标志,它表征了海洋热力动力过程。黄、东海SST不仅是研究黄、东海海面状态的1个重要参数,也是研究黄、东海环流、水团、温跃层、海洋锋、上升流和海水混合等问题的重要指标。黄、东海SST受厄尔尼诺的影响主要通过赤道流变异和东亚季风变异的共同作用。

黄、东海沿岸SST具有显著的年际变化,存在准2a的变化周期[1]和准3.5a的振荡周期[2]。由于黄、东海是黑潮、东海陆架混合水、沿岸低盐水、黄海暖流水及长江冲淡水的交汇之地,其SST变化尤其受到长江冲淡水和黑潮流量变化的影响。长江径流量大的年份,长江口年平均SST亦高[1]。从PN断面黑潮热输送变化的贡献来说,来自低纬海域的黑潮体积输送的强弱是处于第1位的,而水体温度的高低是第2位的[3]。SST的变化同时与ENSO有较好的响应关系[4],厄尔尼诺事件期间,赤道中、东太平洋为暖水区,而东中国海大部分海域表层为冷水区所控制[5]。

目前对黄、东海沿岸SST变化的研究中,较少系统地讨论ENSO的影响机制。本研究采用随机动态分析法分析黄、东海沿岸8个长期水文观测站的SST季节变化和年际变化,并在此基础上以1982—1983年和1997—1998年2次典型厄尔尼诺事件为例,讨论SST变异与厄尔尼诺的关系,以及ENSO对SST可能的影响通道。

1 观测站情况

选用的黄、东海沿岸8个长期水文观测站情况见表1。

表1 黄、东海沿岸8个长期水文观测站及观测起止时间Table1 Eight observation stations in coastal region of Yellow Sea and East China Sea and observation period

2 观测结果及其分析

2.1 SST的显著变化周期

采用随机动态分析预测法[6]对8个长期水文观测站的SST数据按时间序列进行分析,提取8个水文观测站SST的前10个显著变化周期(表2)。各站SST的季节变化最显著,年际变化主要存在2～5a不等的周期变化,个别站还有20a左右的周期。各站普遍存在准2a振荡周期,主要受赤道平流层低层风场QBO(quasi-biennial oscillation)准周期变化的影响。ENSO现象和亚洲季风系统均存在着显著的QBO[7],其平均周期约28个月[8]。同时,黑潮通过热输送的主要变化周期为准2a[3]。以往的研究也证实了黄、东海SST存在准2a的周期[1]。黄、东海沿岸各站SST普遍存在明显的准4a周期(表2),该周期振荡被普遍认为与厄尔尼诺现象有关,与郭文娟等[9]得出的Nino各海区的海温距平序列存在着准4a的周期变化结论一致,与北太平洋副高、沃克环流和赤道海温共有的3.5a振荡周期相接近[3]。

表2 8个水文观测站点SST的前10个显著周期Table 2 First ten prominent periods of SST at eight observation stations月

2.2 黄、东海SST的变化特征

本研究按季节划分月份：春季(4—6月)、夏季(7—9月)、秋季(10—12月)、冬季(1—3月)。从北往南8个水文观测站点依次为连云港、大戢山、嵊山、大陈、南麂、北茭、平潭、厦门,其中嵊山点离岸较远。黄、东海沿岸各站都明显存在12个月的变化周期,黄、东海沿岸SST季节变化特征明显。

最北边的连云港、大戢山的最高SST都出现在8月上旬,而中间位置的大陈、南麂、北茭、嵊山、平潭的最高SST出现在9月上旬,最南边的厦门站年SST最大值出现很早,并在7—9月维持高SST状态,呈典型的副热带年变化特征(图1)。南边的平潭、厦门和离岸站点嵊山相对于最北的连云港发生SST最高值的时间滞后1个月,年SST最高值的空间差异不大,最高的厦门与最低的嵊山相差3.2℃;但SST最低值的空间差异很大,最北边的连云港与最南边的厦门站相差11.1℃。滞后主要是由于沿岸SST流年变化受从北向南的位相传播的影响。嵊山站虽然位于30°N以北,但由于离岸较远,受陆地气温影响较小,所以最高SST也出现在9月上旬,且比近岸站点的SST要低。

纬度不同,最低SST出现的时间也不同。纬度越高,最低SST发生越早,最低SST也越低。连云港最低SST出现在1月下旬,为2.6℃;大戢山、嵊山、大陈、南麂最低SST出现在2月上旬;北茭最低SST出现在2月中旬,为11.1℃;厦门的年最低SST达到13.7℃(表3)。

2.3 黄、东海沿岸SST与ENSO和PDO的关系

ENSO被认为是海洋和大气年际变化的最主要信号,其发生发展会带来全球性的海洋、气候异常,进而影响区域海洋的年际变化。而PDO(太平洋年代际振荡)是海洋和大气年际变率的重要背景,对区域海洋年际变化(如ENSO变化频率和强度)具有重要的调制作用。

图1 黄、东海沿岸SST季节变化分布图Fig.1 Seasonal variation of SST in coastal region of Yellow Sea and East China Sea

黄、东海沿岸年平均SST在ENSO处于正位相年份(如1972年和1982—1983年)一般处于较低值,而在ENSO处于负位相年份处于较高值。年平均SST变化较大的时间通常发生在ENSO位相发生转变前后。

PDO在1960—1976年期间处于冷位相,在1976年发生位相转变,一直到20世纪90年代中期,PDO一直处于暖位相。PDO的年代际变化特征与发生在中纬度太平洋的气候转型有很好的一致性。PDO处于冷位相时,黄、东海沿岸年均SST较高;而PDO处于暖位相时,黄、东海沿岸年均SST较低。

表3 黄、东海沿岸8个水文观测站年最高、最低SST发生时间Table3 Occurrence time of annual maximum and minimum SST in coastal region of Yellow Sea and East China Sea

2.4 1982—1983年和1997—1998年2次厄尔尼诺期间黄、东海沿岸SST变化的差异

2.4.1 SSTA(海表温度异常)变化特征

1982年5月至1983年6月和1997年5月至1998年4月为20世纪最强的2次厄尔尼诺事件,2次厄尔尼诺期间的海表温度距平指数(Niño3指数)的峰值都比较高,说明强度都很大。2次厄尔尼诺事件的发生、发展和衰退过程也比较相似,但1997—1998年厄尔尼诺事件来得更快,强度更大,1997年10—12月的Niño3指数的平均值达到3.53℃,比1982—1983年厄尔尼诺事件相应季节的Niño3指数2.81℃要高,并具有形成快、发展迅猛、高温持续时间长及衰减迅速等特点(表4)。

这2次厄尔尼诺事件期间,黄、东海沿岸SST均发生显著变化。1997—1998年的SST要比1982—1983年的高,且2次事件期间黄、东海沿岸SST的变化也有较大差异。厄尔尼诺对黄、东海沿岸SST变化的影响并不是单一的机制,1982—1983年厄尔尼诺期间SSTA以负异常为主,最大负异常达到-1℃左右(如大戟山12月份;南麂6—7月等),1997—1998年SSTA以正异常为主,且异常值较高,最大正异常接近3℃(如南麂4月;北茭5月等)。从SST变化的程度来看,相对于1982—1983年来说,1997—1998年厄尔尼诺对黄、东海沿岸SST的影响要更强(图2)。

表4 1982—1983年和1997—1998年厄尔尼诺期间各季节Niño3指数平均值Table4 Seasonal average of Niño3 index in El Niño events during periods from 1982 to1983 and from 1997 to 1998℃

厄尔尼诺开始前(1—4月),1982—1983年黄、东海沿岸各观测站的SSTA以负异常为主,SST较常年偏低;而1997—1998年SSTA以正异常为主,SST较常年偏高,尤其是嵊山和厦门站,比常年分别高2℃和3℃。

厄尔尼诺开始时(5—6月),1982—1983年SSTA在30°N辐散带以北沿岸以正异常为主,在30°N以南沿岸以负异常为主。30°N两侧的SSTA变化反相,说明此次事件开始时该海域的SST异常主要受控于局地风应力旋度引起的海水辐聚辐散。而1997—1998年SSTA都正异常为主,说明此次事件初期的SST异常主要受控于赤道流和黑潮的热输送。

厄尔尼诺年的夏季(7—9月),1982—1983年SSTA以负异常为主,黄、东海沿岸SST出现大幅降温,平均降温幅度达到0.5℃,最高达到1℃;而1997—1998年,除了嵊山和大陈以外,SSTA以负异常为主。可见,厄尔尼诺年的夏季一般容易出现“冷夏”[10-11]。同时夏季低温也与东亚季风变化有关[12],厄尔尼诺年夏季风较弱,鄂霍次克海高压加强,西太平洋副高位置偏南,强度偏强,西风带扰动偏南,不利于夏季风北推,却有利于北方冷空气南下与之交汇,使锋区偏南,位于江淮流域[13]。西南或偏南夏季风气流与北方冷空气频繁地交汇于江淮流域及长江中下游,使江淮流域及长江中下游降水偏多,黄、东海沿岸SST偏低。

厄尔尼诺年10月至翌年6月,1982—1983年和1997—1998年的SSTA都以正异常为主,其中1982—1983年的SSTA在11月达到最大值,SST最高升温在2℃左右。其中1982年12月或1983年1月发生温度突变,SST降幅达到1℃左右,SST明显低于往年平均值。主要原因是1983年1月厄尔尼诺发到最盛期,该月赤道以北中太平洋上的东北信风较强,使得洋面风速较大,同时受东亚大陆干冷冬季风不断南下的影响,洋面附近的温度和湿度梯度较大,此时的中太平洋低纬海域海、气之间的热量交换明显增强[14]。1997—1998年厄尔尼诺事件期间,黄、东海沿岸SST在1998年4—5月达到最大值,最高升温在3℃左右。这可能是因为当东南太平洋Ninol+2区海温升高时,会抑制纬向的Walker环流,使得西太平洋地区的气流上升运动减弱,经向的Hadley环流东强西弱,太平洋副热带高压东强西弱[15],进而引起长江中下游地区梅雨期缩短、梅雨量减少、冬季偏暖等一些气候异常,最终引起黄、东海海域SST偏高,这一响应过程一般需要10个月左右[16],与观测到的SST变化特征一致。

厄尔尼诺结束后,6—7月黄、东海沿岸SST出现大幅降低,下降2℃左右。这主要和黑潮SST变化有关,厄尔尼诺当年11月至次年12月,黑潮SSTA多为正异常,只是在次年6—7月出现短暂的反异常,可能与季节转换有一定关系[17]。同时,1998年于当年7月发生拉尼娜现象,SST较1983年变化较大,尤其是11月和12月,SST升高约2℃。

2.4.2 厄尔尼诺发生前冬半年SSTA

在厄尔尼诺发生前半年,东亚强冷空气活动频繁,我国东部沿海气温偏低;而在拉尼娜发生前半年,东亚地区冷空气活动偏少,我国东部沿海气温偏高[15]。黄、东海沿海受东亚季风气候控制,其气温和海温的变化受到东亚冷空气活动的显著影响。本研究取11月至翌年4月作为冬半年,则2次厄尔尼诺事件发生前冬半年的SSTA情况见表5。

表5 厄尔尼诺发生前冬半年的SSTATable5 SSTA in winter half-year before occurrence of El Niño℃

图2 1982—1983年和1997—1998年黄、东海沿岸月均SSTAFig.2 Monthly average SSTA during periods from 1982 to 1983 and from 1997 to 1998 in coastal region of Yellow Sea and East China Sea

1982年冬半年SSTA和1997年冬半年SSTA呈现出截然不同的结果,1982年冬半年SSTA以负异常为主,1997年冬半年SSTA以正异常为主。由于1982年SST在厄尔尼诺发生前的冬半年处于较低水平,进而使得厄尔尼诺发生当年黄、东海沿岸海域的SST偏低;1997年SST在厄尔尼诺发生前的冬半年处于较高水平,进而使得厄尔尼诺发生当年黄、东海沿岸海域的SST偏高。如平潭站,1982年冬半年SSTA大部分是负距平,最高达到-1.38℃,随后的1982年SSTA以负为主,SST出现明显下降;1997年冬半年SSTA都是正距平,最高达到1.26℃,随后的1997年SSTA全部都是正的,SST一直保持高温。可见,ENSO影响黄、东海沿岸SST的通道之一是通过东亚季风的异常变化。

2.4.3 环流、季风和气温的影响

厄尔尼诺事件发生年黄、东海沿岸SST偏低,尤其是夏季,有冷夏现象;厄尔尼诺事件发生次年的夏季、冬季SST偏高,属暖年[10]。这主要是因为在厄尔尼诺期间,赤道东太平洋正的SSTA使东西太平洋上的SSTA对比明显减小,使行星波强度明显减弱,同时中低纬地区热力正环流的强度加强,又把感热从副热带向赤道输送。因此在增强的热力正环流和减弱的热带、副热带行星波的共同作用下,副热带地区变冷、变干[18]。在厄尔尼诺年冬季,华南和青藏高原降水或降雪量为正距平,使得晚春和初夏南亚的加热慢,夏季海陆的热力对比小,出现弱夏季风[19],而在弱夏季风年份,长江口SST偏低[1]。而且厄尔尼诺事件期间,赤道流减弱,黑潮流量减少,带来的热量大大减少,黄、东海沿岸SST下降[20]。

黄、东海是海-气热通量异常的显著区,东亚冬季风弱时黄、东海为偏南风距平,抑制了相应海域海气界面上海表向大气释放的热通量,从而使SST出现正距平;强冬季风时情况则反之[1,21]。在厄尔尼诺发生前的冬季,冬季风偏强;在厄尔尼诺发生的当年,冬季风偏弱[22]。因此,厄尔尼诺发生前的冬季,SST出现负距平;在厄尔尼诺发生的当年冬季,SST出现正距平,这也验证了1982—1983年黄、东海沿岸SST的变化特征。

由此可见,厄尔尼诺发生前冬半年及发生当年,黄、东海沿岸SST偏低,SSTA以负异常为主;厄尔尼诺发生次年,黄、东海沿岸SST偏高,SSTA以正异常为主,1982—1983年黄、东海SST的变化基本可以解释为这种机制。造成1997—1998年黄、东海沿岸SST一直偏高的原因,主要是气温的影响。1998年平均温度为近100a来最暖的一年,全球温度平均距平为0.58℃,中国为1.35℃。而1982—1983年中国平均温度距平为0.1℃,全球是0.15℃[23]。高温天气对黄、东海沿岸海水起到了加热的作用,造成1997—1998年黄、东海沿岸SST以正距平为主。1982—1983年和1997—1998年显著的气温差异,导致2次厄尔尼诺期间黄、东海沿岸SST变化特征的不同。

综上所述,影响厄尔尼诺事件期间黄、东海沿岸SST变化的因素并不是单一的,ENSO通过调节大洋环流和大气环流影响SST的变化,大洋环流、东亚季风和气温等因素的共同作用,决定每次厄尔尼诺期间黄、东海沿岸SST的具体变化。造成1982—1983年和1997—1998年SSTA不同的主要原因是2次厄尔尼诺事件期间气温的异常。

3 结 论

a.黄、东海沿岸SST的年际变化存在准2a和准4a的显著振荡周期。

b.年最高值SST的发生时间存在明显的位相传播关系,南边的平潭、厦门和离岸站点嵊山相对于最北的连云港发生SST最高值的时间滞后1个月,空间差异不大,滞后主要是由沿岸流年变化从北向南传播的位相关系决定的;年最低值SST发生时间的位相差异不大,空间分布明显,最北边的连云港与最南边的厦门站相差11.1℃,差异的主要原因气温的纬向分布。

c.黄、东海沿岸SST受到ENSO和PDO的共同影响和调制。ENSO和PDO处于冷位相时,黄、东海沿岸平均SST较高;反之,则较低。PDO的年代际变化特征与发生在中纬度太平洋的气候转型有较好的一致性,在1976年发生位相转变。

d.厄尔尼诺发生前冬半年及发生当年,黄、东海沿岸SST偏低,SSTA以负异常为主;厄尔尼诺发生次年,黄、东海沿岸SST偏高,SSTA以正异常为主。黄、东海沿岸SST变化滞后厄尔尼诺事件6～10个月。

e.厄尔尼诺对黄、东海沿岸SST变化的影响通道有大洋环流和大气环流2个通道,1982—1983年黄、东海沿岸SSTA以负异常为主,1997—1998年黄、东海沿岸SSTA以正异常为主,造成两者SSTA不同的主要原因是2次厄尔尼诺事件期间气温的异常,高温天气对黄、东海沿岸海水起到了加热的作用。ENSO通过调节大洋环流和大气环流影响SST变化,大洋环流、东亚季风和局地气温等因素的共同作用,决定每次厄尔尼诺期间黄、东海沿岸SST的变化特征。

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