南黄海冬季温盐年际变化时空模态与气候响应

石强

（1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033；2.国家海洋局北海环境监测中心，山东青岛266033；3.海洋溢油鉴别与损害评估技术国家海洋局重点实验室，山东青岛，266033）

山东半岛东端成山头南部的黄海海域为南黄海，南黄海南侧以济州岛至长江口一线为界与东海相邻，在黄海中部分布着南北方向伸展的黄海槽，水深约50～80 m。黄海主要分布有5种水团：黄海暖流水团、黄海底层冷水团、朝鲜沿岸水团、中国沿岸水团和长江冲淡水团。黄海环流分为两种季节性流系：冬季环流和夏季环流。

乐肯堂等（1990）根据1986年1月中美联合调查资料分析，南黄海冬季黄海暖流可以在深层和表层同时出现；深层黄海暖流，可能沿黄海槽北上，有时甚至能到达北黄海；南黄海表层存在西侧气旋型环流和东侧反气旋型环流。汤毓祥等，（2000）根据1980-1990年的观测分析认为：冬季南黄海环流基本是由其中部北上的黄海暖流与其两侧向南运移的沿岸流所组成，黄海暖流的路径和强度皆存在着一定的年际变化。臧家业等（2001）认为：黄海暖流路径存在着一定的季节和年际变化。大多数年份暖流路径偏于黄海槽的西侧，少数年份暖流路径沿槽北上，其路径的变化与北向季风的强弱有密切关系。王辉武等（2009）认为：黄海暖流强弱存在4～7a变化周期，与季风经向分量具有较好相关关系；黄海暖流流轴存在3～6a变化周期，流轴摆动明显受冬季季风纬向分量影响。邢传玺等（2010）认为：黄海、东海环流在其特殊地形的约束下对冬季风的响应和调整，是引起黄海暖流西偏的主要原因。Zhang等（2002）根据1980年2-7月南黄海断面资料分析，3-7月期间南黄海存在6个水团：黄海冷水团、黄海水、山东南岸水、江苏北岸水和黄海暖流水。Chen等（2009）总结了渤海、黄海、东海冬夏季水团和海洋锋特征。Naimie等（2001）用三维气候模式研究了黄海平均季节环流分布，在冬季，风生环流形成在中国-朝鲜海岸的向南表层流和黄海中部深层的北向补偿流—黄海暖流。张松等（2009）指出：东亚季风的年际变率与渤、黄、东海SST年际变率一致性较好，东亚季风是渤、黄、东海海洋年际变率的主要影响因子。马超等（2010）认为南黄海千里岩站盐度短期震荡可能和El Nin~o有关，长期变化则与太平洋年代际震荡（PDO）有关。

随着全球气候变暖，黄海海域冬季气温增暖最快（张黎红等，2005；陈少勇等，2009），东亚季风明显变弱（黄荣辉等，2008）。研究近37年来南黄海断面温度、盐度年际变化时空结构与气候响应，以及北黄海与南黄海之间温盐年际变化的相关性，有助于了解北、南黄海温盐年际时空变化趋势和演变过程的差异，并进一步研究黄海温盐年际变化与生化要素的影响关系。

1 材料与方法

1.1 分析资料

青岛站自1977-2013年历年1月、2月平均气温和每日2次（0、12世界时）1 000.0 hPa处探空风速资料，由中国气象局气象信息中心提供。

欧洲中尺度天气预报中心1977-2011年再分析月平均海流格点值（ECMWF Ocean Reanalysis System 4（ORAS4），ftp：//ftp.icdc.zmaw.de/EASYInit/ORA-S4/monthly_orca1/），分析场在中纬度为1°×1°分辨率，取南黄海中部 A（123°24′11″E，34°58′45″N）站点55 m层月平均流速；东海B（125°29′36″E，27°46′01″N）站点 55 m 层月平均盐度分析，分别表示黄海暖流和黑潮流系盐度年际变化（图 1）。

1900-2012年太平洋年代际振荡（PDO）指数年合计值（ftp：//ftp.atmos.washington.edu/mantua/pnw_impacts/INDICES/PDO.latest），PDO指数是对北太平洋20°N以北的月平均SST异常进行经验正交函数分析（EOF）所得第一模态的时间系数，PDO指数为正值，称PDO暖位相，反之称PDO冷位相（Mantua et al，1997）。

1.2 旋转经验正交函数（REOF）方法

旋转经验正交函数（REOF）方法是经验正交函数（EOF）方法的改进。EOF方法可以反映分析域整体时空变化，当需要关注分析域局地时空结构时，采用旋转经验正交函数（REOF）是一个适宜的方法（Storch，1999）。REOF方法是在保持EOF前K个主成分的总方差不变情况下，进行最大方差正交变换，使变换后的空间型对原变量的方差贡献差异增大，以反映原变量中的局部结构，第K个特征值方差贡献用REOFk（%）表示。REOF详细讨论见（吴洪宝等，2010）。

图1 南黄海断面站位和海流站位（A）

1.3 跃变分析方法

采用信噪比公式确定时间序列资料跃变发生的强度与时刻，信噪比公式为：

其中，M1、M2和σ1、σ2分别是基准时刻之前与之后期间（n）内的平均值和标准差，当信噪比值出现局部最大值且大于1.0时，判断在基准时刻出现跃变现象（Yamamoto et al，1986）。跃变现象可以出现在数年至数十年的多种时间尺度中，本研究主要关注年代际尺度温盐模态时间分量跃变，取跃变时间尺度n=10年。

十二连加大政务公开力度，以公开栏为平台，架起连队“两委”与职工群众之间的连心桥。团场连队改革后，十二连“两委”班子职能转变，由行政管理型转向服务型，班子成员迅速转换角色，为职工群众做好服务工作，科学管理、民主决策，着力推行“四议两公开”工作法。

1.4 正态分布检验与非线性相关系数

当样本序列符合正态分布时，可以用样本平均值代表样本序列的统计特征（陶澍，1994），因此，本文除特别声明外，计算出的各年断面温盐平均值的观测序列均通过了正态分布峰度、偏度系数判据检验，信度0.001。

非线性相关系数（广义相关系数）定义：可解释的变差与总变差比值，值域范围0～1，其中可解释变差计算中采用二阶多项式拟合两个变量。当多项式最高阶数由2降低为1时，非线性相关系数退化为线性相关系数（斯皮格尔等，2002）。

2 结果与讨论

2.1 气候背景与表底层温度、盐度年际变化

将温度、盐度数据序列分别沿各站位时间方向做边界一阶、内部二阶Shapio滤波，以减少短波噪声（Shapiro，1970），并绘制温度、盐度分布图。

图2 青岛站1月经向（a）、纬向（b）伪风应力和与2月平均气温（c）

图3 A站2月平均流速（a）、B站2月平均盐度（b）和PDO指数（c）分布

由图4、5所示，断面表底层温度经历了10年冷期（1977-1987年）、20年暖期（1988-2008年）和近5年冷期（2009-2013年）的变化，其中1999年和2008年是最暖的时期，断面东部的最高温度达到8.5℃以上，暖期海水温度升高主要在断面中东部海域，并向西侧近岸扩展；冷期最低温度在3℃以下，出现在1977-1981年和2011年断面西部海域，冷期海水低温主要在断面西部近岸海域，并向断面中部海域扩展。

由图6、7所示，断面表底层盐度分布为断面东部盐度高；西部盐度低，其年际变化多数年份是以断面西部低盐度或东部高盐度为主的断面单侧盐度特征发展；少数年份是断面西部低盐度或东部高盐度同时发展（例如2006-2007年）。断面东部表底层高盐度期在1981-1984年、1994-1998年和2006-2008年；断面西部表底层低盐度期在1977-1980年、1985-1993年、2005-2009年和2011-2013年。

断面东、西部温盐高低值多数不是同时出现，断面西部温盐出现相对低值的年际变化；东部温盐出现相对高值的年际变化，呈现“跷跷板”型年际变化。

表层平均温度年际变化出现显著线性升高趋势（图8a），表层平均盐度年际变化呈现准平衡态状态（图8b）。底层平均温度显著线性升温趋势（斜率为0.031）比表层快；底层平均盐度年际变化呈现准平衡状态。

图4 表层温度分布（单位：℃）

图5 底层温度分布（单位：℃）

图6 表层盐度分布

图7 底层盐度分布

2.2 表底层温度年际时空变化

采用REOF分析表底层温度距平序列资料，取EOF前2项做旋转变换，模态时间分量采用5项高斯型低通滤波处理，消除短期扰动。

图8 表层平均温度（a）、平均盐度度（b）分布

根据REOF模态空间分量高低值分布，表底层温度模态有二种型态：鲁南近海型（图9c、图10c）和南黄海槽型（图9d、图10d）。二种模态方差贡献差别不大（相差6%和4%）。

断面表底层温度鲁南近海型模态时间分量存在显著线性升高趋势（图9a、图10a），底层温度模态线性升温斜率大于表层；南黄海槽型温度模态时间分量为准平衡态年际变化（图9b、图10b）。模态时间分量最大熵谱显著周期为：表层第一模态10.3年，第二模态6.0年和24.0年；底层第一模态7.2年和12.0年，第二模态7.2年和10.3年。

太平洋年代际振荡现象（PDO）对我国气候变率有显著影响，在PDO暖位相我国华北、东北和西北地区冬季气温显著偏高（朱益民等，2003），东海黑潮季平均热输送量与PDO指数显著正相关，5年滑动平均两者相关系数0.72（张启龙 等，2008）。对于太平洋海温变化PDO信号的明显区在中纬度北太平洋；ENSO信号的明显区在赤道中、东太平洋（吕俊梅等，2005）。由于南黄海位于黄海暖流热输送和东亚气候的共同影响区，所以，南黄海冬季温度的年际变化受到ENSO和PDO现象的双重作用。由于ENSO循环不具有年代际振荡特征（吕俊梅等，2005），所以，南黄海冬季温度年代际变化受到PDO位相影响，非年代际变化受到PDO和ENSO位相共同影响。在1977-1998年期间PDO为暖位相，虽然PDO指数没有出现10年尺度跃变，但是断面表底层温度模态均出现10年尺度升温跃变（图9a，图10a），这种跃变是受到1988/1989年ENSO冷事件（李晓燕，2001）中西太平洋黑潮热输送效应增大（孙双文等，2009）与PDO暖位相期东海黑潮热输送量增大的共同影响。2007-2012年期间PDO为冷位相期，同期ENSO冷事件（2007-2009年春，2010年春-2012年春）（Bell et al，2013）效应并未改变断面温度降温趋势，断面表底层温度模态出现降温年际变化（图 9a，图 10a）。

图9 表层温度时空模态

图10 底层温度时空模态

表层温度鲁南近海型模态超前南黄海槽型模态5年显著正相关，底层温度鲁南近海型模态滞后南黄海槽型模态3年显著正相关。因此，冬季断面表底层温度模态之间相差5年、3年位相年际变化，其中表层温度鲁南近海型模态位相超前，底层温度南黄海槽型模态超前，图11。

图11 表底层温度第一模态与第二模态延迟相关系数

2.3 温度模态的气候响应

图12 延迟相关分析表明，表层温度第一、第二模态和底层温度第二模态与青岛站2月平均气温显著同步正相关响应，底层温度第一模态与月平均气温显著相关峰值有延迟偏离现象。从延迟相关系数分布分析，一个单峰分布的峰值比较平缓，三个是双峰分布，并且温度模态超前2月平均气温2年和7年出现显著延迟正相关峰值，由于断面底层温度两个模态和表层温度第一模态与2月份黄海暖流存在显著同步正相关和非线性相关（图13），这种延迟正相关可能与黄海暖流强弱和流轴变化有关。因此，断面温度模态不仅与局地冬季气温有同步正相关响应，而且与黄海暖流热输送形态有关。

图12 青岛站2月平均气温与表底层温度模态延迟相关系数

图13 表底层温度模态与A站55m处2月份平均流速延迟相关系数

风生环流可以产生水体热量输送，伪风应力与表层温度模态延迟相关分析表明：表层温度第一模态与1月份经向风滞后温度2年显著正相关（r=0.49）；第二模态与2月份经向风滞后温度3年显著正相关（r=0.72）。底层温度模态有相似的结果。经向风滞后温度2～3年的情形可能是由于风变化随机性强和每月观测时刻较少造成的位相偏差所致。因此，冬季经向风产生的风生环流对断面温度年际变化有降温作用，其中对南黄海槽型温度模态的降温作用主要通过黄海开阔海风海流作用；对鲁南近海型温度模态主要通过风驱动南下的鲁北沿岸流作用，由此造成两个温度模态对经向风响应时间相差1个月。

为分析南、北黄海断面温度模态之间之间年际变化相关性，引用了北黄海CD断面温度模态年际变化研究结果（石强，2013）。图14延迟相关分析表明：断面表底层温度鲁南近海型模态与北黄海CD断面表底层温度开阔海型模态显著同步正相关，表层温度南黄海槽型模态与北黄海CD断面表层温度开阔海型模态的正相关受到其他因素的干扰，有滞后正相关峰值出现。因此，南黄海冬季温度鲁南近海型模态与北黄海CD断面温度开阔海型模态是一种局地气候响应比较一致的模态，而南黄海冬季温度南黄海槽型模态受到局地气候和黄海暖流热输入的共同影响。南黄海冬季温度模态对北黄海CD断面温度南北近岸型模态无显著相关影响。

表层温度第二模态与PDO指数显著同步非线性相关；第一模态与PDO指数不存在显著相关。底层温度第二模态超前PDO指数2年显著负相关；第一模态超前PDO指数6年显著负相关，但是，存在延迟4年、2年的显著非线性相关（图15）。因此，断面底层温度两个模态均与PDO指数有显著延迟相关，表层温度黄海槽型模态与PDO指数模态存在显著相关；鲁南近海型模态与PDO指数无显著相关。

图14 表底层温度模态与北黄海CD断面表底层温度模态延迟相关系数

图15 PDO指数与表底层温度模态延迟相关系数

2.4 表底层盐度年际时空变化

采用REOF分析表底层盐度距平序列资料，取EOF前2项做旋转，模态时间分量采用5项高斯型低通滤波处理，消除短期扰动。

根据REOF模态空间分量高低值分布，断面表底层盐度模态有二种形态：南黄海槽型（图16c、图17c）和南黄海槽型（图16d、图17d）。其中鲁南近海型模态方差贡献比南黄海型大一倍左右，鲁南近海型盐度模态是断面盐度年际变化的主要分量。

断面表层盐度第一模态时间分量呈现准平衡态变化；第二模态时间分量呈现显著线性降低趋势（图16a、16b）；底层盐度第一、二模态时间分量均呈现准平衡态变化（图17a、17b）。模态时间分量最大熵谱显著周期为：表底层第一模态7.4年；表层第二模态6.2年、7.4年和14.8年；底层第二模态5.7年和10.6年。表层盐度第一模态在1995年出现10年尺度跃变。

图16 表层盐度时空模态

图17 底层盐度时空模态

表层盐度鲁南近海型模态超前南黄海槽模态4～5年显著负相关，底层盐度鲁南近海型模态滞后南黄海槽模态3年显著正相关。因此，冬季断面表层盐度模态之间存在反位相变化信号，导致断面表层盐度东西方向“跷跷板”型年际变化（图6），底层盐度模态之间为同位相变化（图18），表底层盐度模态之间的延迟时间与表底层温度模态是基本一致的（图18，图11）。

图18 表底层盐度第一模态与第二模态延迟相关系数

2.5 盐度模态的气候响应

冬季2月黄海降水量小，1977-2012年历年2月南黄海海面蒸发量在57～129 mm变化（Yu et al，2008），延迟相关分析表明：断面表底层盐度二个模态与青岛站2月平均气温和1月经向、纬向伪风应力和以及海面蒸发量均不存在显著相关。因此，断面盐度模态对局地气温、风应力、蒸发等气候因素无显著响应，断面盐度模态年际变化主要受黄海多种水团和黄海暖流输送黑潮高盐度水体影响。

图19 CD断面盐度模态与盐度模态延迟相关系数

图20 B点55 m处2月平均盐度与表底层盐度模态延迟相关系数

黑潮流系高盐度水体随黄海暖流进入黄海（Naimie et al，2001），断面表层盐度鲁南近海型模态与B站盐度无显著相关；南黄海槽型模态滞后1年与B站盐度显著正相关，底层盐度鲁南近海型模态超前1年与B站盐度显著正相关；南黄海槽型模态滞后3年与B站盐度显著正相关（图20）。因此，冬季断面表层盐度两个模态受渤南沿岸水、辽南水和黄海暖流水的共同影响；底层盐度两个模态主要受黄海暖水影响。关于冬季黑潮区与南黄海盐度场之间年际变化的位相关系仍然需要做进一步研究。

3 结论

（1）冬季南黄海36°N断面表底层温度年际变化主要有二种时空模态：鲁南近海型和南黄海槽型。模态主要有准周期和线性趋势年际变化。表底层温度鲁南近海型模态有显著线性升温趋势；表底层温度南黄海槽型模态为准平衡态变化。断面冬季温度模态年际变化受到局地气温、西北季风强度、黄海暖流、太平洋年代际振荡（PDO）指数位相和ENSO事件的共同影响。

（2）冬季南黄海36°N断面表底层盐度年际变化主要有二种时空模态：鲁南近海型和南黄海槽型。模态主要有准周期和线性趋势年际变化。受北黄海低盐度辽南水向南输送影响，断面表层盐度南黄海槽型模态存在显著线性降低趋势；北黄海渤南沿岸（鲁北）水盐度线性升高趋势并没有影响断面表层盐度鲁南近海型模态年际变化趋势。断面表底层盐度鲁南近海型模态和底层盐度南黄海槽型模态时间分量准平衡态年际变化。断面表层盐度模态年际变化主要受北黄海辽南水、渤南沿岸水和黄海暖流水共同影响；底层盐度模态主要受黄海暖流水影响。

（3）冬季南黄海36°N断面表（底）层温度二个时空模态之间年际变化有显著延迟正相关。表层盐度二个时空模态之间年际变化有显著延迟负相关，底层盐度二个时空模态之间年际变化有显著延迟正相关。

Bell G D,Shi W,L′Heureux M,et al,2013.Climate diagnostics bulletin.Climate Prediction Center.NOAA.

Chen T,Arthur C,2009.Chemical and physical fronts in the Bohai,Yellow and East China seas.Journal of Marine Systems,78：394-410.

Mantua N J,Hare S R,Zhang Y,et al,1997.A Pacific interdecadal climate oscillation with impacts on salmon production.Bull Amer Meteor Soc,78:1069-l079.

Naimie C E,Blainb C A,Lynch D R,2001.Seasonal mean circulation in the Yellow Sea-a model-generated climatology Continental Shelf Research 21:667-695.

Shapiro R,1970.Smoothing,filtering,and boundary effects,Reviews of Geophysics and Space Physics,8(2):359-387.

Storch H V,Zwiers F W,1999.Statistical Analysis in Climate Research,Cambridge University Press.

Yu L,Jin X,Weller R A,2008.Multidecade Global Flux Datasets from the Objectively Analyzed Air-sea Fluxes(OAFlux)Project:Latent and Sensible Heat Fluxes,Ocean Evaporation,and Related Surface Meteorological Variables,Woods Hole Oceanographic Institution,OAFlux Project Technical Report(OA-2008-01).

Zhang Q,Liu X,Cheng M,et al,2002.Characteristics and formation causes of Qingdao cold water mass.Chinese Journal of Oceanology and Limnology,20(4):303-308.

陈少勇,郭忠祥,高蓉,等,2009.我国东部季风区冬季气温的气候变暖特征,应用气象学报,20(4):476-485.

葛人峰,郭景松,于非,等,2006.黄、东海陆架海域温度垂直结构类型划分与温跃层分析,海洋科学进展,24(4):424-435.

黄荣辉,顾雷,陈际龙,等.2008.东亚季风系统的时空变化及其对我国气候异常影响的最近研究进展.大气科学,4:691-719.

乐肯堂,毛汉礼,1990,南黄海冬季温盐结构及其流系,海洋与湖沼,21(6):505-515.

李繁华,刘爱菊,赵松鹤,等,1989.山东近海水文状况.济南:山东省地图出版社.

李晓燕,2001.1998/2000年ENSO冷事件过程诊断.热带气象学报,17(1):90-96.

吕俊梅,琚建华,张庆云,等,2005.太平洋海温场两种不同时间尺度气候模态分析,海洋学报,27(5):30-37.

马超,鞠霞,吴德星,等.2010,黄、渤海断面及海洋站的盐度分布特征与变化趋势.海洋科学34(9):70-75.

石强,2013.北黄海冬季温盐年际变化时空模态与气候响应,海洋通报,32(6):633-640.

孙双文,万彪,2009.黑潮对中国近海热盐输运的季节和年际变化.华东师范大学学报(自然科学版).3:98-107.

汤毓祥,邹娥梅,李兴宰,等,2000,南黄海环流的若干特征,海洋学报,22(1):1-16.

陶澍,1994.应用数理统计方法,北京:中国环境科学出版社.

王辉武,于非,吕连港,2009.冬季黄海暖流区的空间变化和年际变化特征.海洋科学进展,27(2):140-148.

吴洪宝,吴蕾,2010.气候变率诊断和预测方法(第2版).北京:气象出版社.

邢传玺,黄大吉,2010.冬季黄海暖流西偏机理数值探讨.海洋学报,32(6):1-10.

臧家业,汤毓祥,邹娥梅,等,2001.黄海环流分析,科学通报,46增刊:7-15.

张黎红,王谦谦,2005.大连地区近44a冬季气温的变化特征,南京气象学院学报,28(6):827-832.

张启龙,侯一筠,齐庆华,等,2008.东海黑潮热输送变异与经向风异常.海洋科学进展.26(2):126-134.

张松,于非,刁新源,等,2009,渤、黄、东海海表面温度年际变化特征分析.海洋科学,33(8):76-81.

朱益民,杨修群,2003.太平洋年代际振荡与中国气候变率的联系.气象学报,61(6):641-654.