渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理

郑冬梅，王志斌，张书颖，许鹏，周志强

(1. 辽宁省海洋环境预报与防灾减灾中心，辽宁 沈阳 110001)

渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理

郑冬梅1，王志斌1，张书颖1，许鹏1，周志强1

(1. 辽宁省海洋环境预报与防灾减灾中心，辽宁 沈阳 110001)

根据1951-2013年间的渤海冰情等级资料，利用最大熵谱分析、相关分析和合成分析等方法，研究了渤海冰情等级的年际和年代际变化特征，探讨了局地气候、大气环流、ENSO(El Nio-Southern Oscillation)和太平洋年代际振荡(PDO)对海冰的影响。结果表明，渤海海冰具有明显的年际和年代际变化特征，并在1972年前后发生了一次由重到轻的气候跃变，在跃变后冰情较跃变前平均降低了0.7级。相关分析与合成分析结果显示，渤海冰情的年际变化除受局地气候的影响外，还受西太平洋副热带高压(副高)、极涡和欧亚环流的共同调控，特别在1972年以后，秋季副高、冬季欧亚和亚洲纬向环流对渤海冰情的年际变化均有重要影响，可作为渤海海冰预报的重要因子，而春季PDO、ENSO、冬季副高及欧亚和亚洲经向环流则是渤海冰情年代际变化的影响因素。

渤海；海冰；年际变化；年代际变化

1 引言

我国在冬季易结冰的海域主要包括渤海和黄海北部。其中，渤海由于其独特的地理环境，海冰最为严重。渤海是典型的内陆浅海，平均水深为18 m，热容量较小，盐度较低(27～31)，因而冰点相对较高(-1.7～-1.4℃)[1]。冬季，在寒潮的频繁侵袭下，渤海的热量损耗极大，水温迅速降低，进而结冰。渤海是地球上冬季结冰纬度最低的海区之一，每年都有不同程度的结冰现象，结冰期约3个多月(12月—翌年3月)。渤海海冰灾害为我国的海洋灾害之一，对海上运输、油气勘探和生产等活动均有不同程度的影响，即使在冰情较轻的年份，海冰依然在某些海区形成灾害。因此，渤海海冰已引起了我国海洋和大气科学家的重视与关注，并对海冰的变化特征、形成原因和预测方法进行了较多研究[2—12]，得到了一些有益的研究成果。但应指出的是，关于渤海海冰年际和年代际变化特征与机理方面的研究仍较少，而且还存在着一些不同的观点。例如，刘钦政等[6]利用信噪比方法分析指出，渤海冰情在1972年前后发生了一次显著的年代际转折，而刘煜等[12]则将1980年视为渤海和黄海北部冰情年代际转折的年份，并指出后30 a的冰级较前30 a下降了0.6级；白珊等[5]指出，渤海和黄海北部冰情的年际变化与ENSO有关，而张云吉等[9]却认为，ENSO并不是渤海冰情变化的原因。还应指出的是，虽然人们普遍认为大气环流对渤海冰情有重要影响，但其具体的影响过程迄今仍不十分清楚，特别在海冰发生年代际转折前后，大气环流的影响有何不同？而且，海冰的年代际变化究竟是由哪些因素引起的？这些科学问题亟待深入研究。很显然，深入开展渤海海冰年际和年代际变化特征与机理研究不仅具有重要的科学意义，而且还有明显的实际意义。本文拟利用近63 a的渤海冰情等级资料，运用数理统计方法，分析渤海冰情等级的年际和年代际变化特征，并分别研究局地气候、大气环流、ENSO、PDO等对海冰年际和年代际变化的影响，探讨渤海冰情的年际和年代际变化机理，以期为我国海冰的中长期预报提供科学依据。

2 资料与分析方法

2.1 资料

本文所用的资料主要有：国家海洋环境预报中心提供的1950/51—2012/13年间的渤海冰情等级资料；国家气候中心提供的1951—2012年间的月平均气温和1951—2013年间的74项大气环流指数；美国海洋与大气管理局(NOAA)地球系统研究实验室(ESRL)提供的1950—2013年间的月平均ENSO指数；500 hPa高度场和850 hPa风场数据均来自于美国国家环境预报中心(NCEP)的再分析资料；太平洋年代际振荡(PDO)指数从http://jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest下载获得。

2.2 分析方法

最大熵谱分析法在周期分析中表现出公认的优良特性，在对时间序列未作任何假定下，便能得到连续谱分布，对时间序列中的周期信号具有较高的分辨力，而且它非常适用于取样个数较少的时间序列。因此，本文选用最大熵谱分析法估计渤海冰情等级的年际和年代际变化主周期，并运用相关、合成等分析方法研究渤海冰情的年际和年代际变化机理。

3 渤海海冰的年际变化

渤海每年秋末冬初开始结冰，翌年春天融冰，冰期长达3个多月。渤海冰情等级是根据每年冬季(12月-翌年3月)渤海海冰范围、厚度等指标综合确定的，它反映了渤海海冰的冰情。冰情等级共分为5级：1级为轻冰年，2级为偏轻冰年，3级为常冰年，4级为偏重冰年，5级为重冰年。图1为1950/51—2012/13年间渤海冰情等级的年际和年代际变化。可以看到，渤海冰情等级具有明显的年际变化特征。其中在1952/53、1955/56、1956/57、1967/68、1968/69、1976/77、2000/01和2009/10年冰情较重，均在4.0级以上，而在1953/54、1972/73、1974/75、1975/76、1988/89、1992/93、1994/95、1998/99、2001/02和2006/07年冰情较轻，均在2.0级以下。最大熵谱分析表明(图2)，冰情等级的主周期分别为2.6 a、4.0 a、5.8 a、6.8 a和11.0 a。很显然，渤海海冰不仅具有2～7 a的年际变化周期，而且还存在着11 a的年代际变化周期。这与白珊等[5]和李剑等[7]的结果较为一致。

图1 渤海冰情等级的年际(实线)和年代际变化(虚线)Fig.1 The interannual (solid line) and interdecadal (dashed line) variations of the Bohai Sea ice grade

图2 渤海冰情等级的最大熵谱图Fig.2 The maximum-entropy spectrum for the sea ice grade in the Bohai Sea

4 渤海海冰的年代际变化

Zhang等[13]曾利用5 a滑动平均滤波技术分析了东海黑潮热输送的年代际变化。本文也利用这一技术来探讨渤海冰清的年代际变化。图1中的虚线为经过5 a滑动平均滤波后的渤海冰情等级的年代际变化。可以看出，冰情等级的年代际变化较为明显。其中，在20世纪70年代初期以前，冰情等级围绕3级冰情线振荡，而且偏重冰年较多，即渤海处于冰情偏重时期，而在70年代初期之后，冰情等级大都在3级冰情线以下，即渤海处于冰情偏轻时期。那么，渤海海冰是否还存在着年代际转折(即气候跃变)？为此，本文运用10 a滑动平均的t检验法，对渤海冰情等级时间序列进行了诊断分析。结果表明，1972年(即1971/72年)的t统计值最大，为2.814，超过了信度为0.01的显著性(t临界值为2.656)检验。因此可以认为，渤海冰情等级在1972年前后经历了一次由重到轻的气候跃变，这与刘钦政等[6]利用信噪比方法得到的结果完全一致。在跃变前的22 a(1950/51—1971/72年)间，渤海冰情等级的平均值为3.1级，而在跃变后的41 a(1972/73—2012/13年)间则为2.4级，平均降低了0.7级，与刘煜等[12]的结果略微不同，这可能与所用的气候转折年份不同有关。对经5 a滑动平均滤波后的冰情等级序列进行最大熵谱分析得出，渤海冰情等级的主周期为11 a，与太阳黑子的活动周期相近[9]。

综上所述，渤海冰情等级存在着显著的年际和年代际变化，并在1972年前后经历了一次由重到轻的气候跃变。那么，渤海海冰的年际和年代际变化究竟是由哪些要素引起的，其影响过程如何？为此，下面分别探讨渤海海冰的年际和年代际变化机理。

5 渤海海冰的年际变化机理

5.1 局地气候对海冰的影响

已有研究表明，局地气候(以大连和营口站的气温为气候指数)对渤海海冰的年际变化有重要影响[5，12]。但应指出的是，大连和营口站分别位于渤海的东南部和东北部，其代表性可能存在着一定的局限性。因此，本文选用大连、营口、天津和潍坊4个台站的气温作为渤海地区气候指数来进一步分析局地气候对海冰的影响。时滞相关分析表明，冬季(1月和2月)4个台站的气温与渤海冰情等级均存在着较密切的负相关(表1)，其相关系数都通过了0.001的信度检验。这说明大连、营口、天津和潍坊站的气温对渤海海冰的生成和发展均有重要影响。当这些站的气温偏低时，渤海冰情将偏重；反之则偏轻。可是，局地气候的变化在很大程度上要受到大气环流的调控。因此，下面具体分析大气环流对渤海海冰的影响过程。

5.2 大气环流对海冰的影响

从1951-2013年间的74项大气环流指数中选取对渤海冬季气温有重要影响的环流指数，并分别对其按季平均，从而得到各年春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-翌年2月)4个季节的平均值。然后，分别用这些时间序列与渤海冰情等级指数进行相关分析，结果列于表2。可以看到，冬季西太平洋副热带高压(简称副高，下同)、亚洲区极涡面积指数、北半球极涡指数以及欧亚和亚洲纬向环流指数与渤海海冰的相关关系都比较密切。其中，副高面积、强度和北界指数与海冰间均存在着显著的负相关，而副高西伸脊点指数则与海冰间存在着显著的正相关，相关系数都达到了0.001(r=0.41)的信度检验；亚洲区和北半球极涡面积指数与海冰间均存在着较密切的正相关，相关系数也都超过了0.001的信度检验；亚欧和亚洲纬向环流与海冰间均有显著的负相关，特别是欧亚纬向环流与海冰间的关系尤为密切，其相关系数为-0.57，远远超过了0.001的信度检验。由此可见，副高、极涡和纬向环流对渤海海冰皆有重要影响，但它们的作用有所不同。具体讲来，当冬季副高面积较常年偏大(小)、强度偏强(弱)、位置偏北(南)偏西(东)以及亚欧和亚洲纬向环流较强(弱)时，渤海冰情较常年偏轻(重)；而当冬季亚洲区和北半球极涡面积都偏大(小)时，渤海冰情较常年偏重(轻)。

表1 渤海冰情等级与局地气温的相关系数

表2 大气环流指数与渤海冰情等级的相关系数

续表2

为了进一步了解大气环流对渤海海冰的影响过程，下面对海冰偏重年(1952/53、1955/56、1956/57、1967/68、1968/69、1976/77、2000/01、2009/10年，冰情等级4.0)和偏轻年(1953/54、1972/73、1974/75、1975/76、1988/89、1991/92、1994/95、1998/99、2001/02、2006/07年，冰情等级小于2.0)冬季500 hPa高度场进行合成分析，结果如图3所示。而且，图中还给出了偏重冰年与偏轻冰年间的500 hPa高度场之差(图3c)。对比图3a和图3b可以发现，在偏重冰年的冬季，极涡面积较大，而副高面积偏小，强度偏弱，位置偏南偏东；与之相反，在偏轻冰年的冬季，极涡面积较小，而副高面积较大，强度较强，位置偏北偏西。此外，从图3c可以清晰地看到，极涡区呈现为正值，而中纬度地区则为呈纬向分布的负值带。这进一步说明，在偏重(轻)冰年的冬季，极涡面积偏大(小)，副高面积偏小(大)，强度偏弱(强)，位置偏南(北)偏东(西)，中纬度地区高度场异常偏低(高)。这与相关分析得到的结果相一致。

图3 冬季偏重冰年和偏轻冰年的500 hPa高度场合成Fig.3 The distributions of the composite 500 hPa height field during heavy years and light years of the sea ice grade

高空大气环流的演变必然会引起低空风场的改变。那么，风场对渤海海冰有何影响？为此，本文分别对偏重冰年和偏轻冰年冬季850 hPa风场进行了合成分析，结果如图4所示。同样，图中也给出了冬季偏重冰年与偏轻冰年间的风场之差(图4c)。对比图4a和图4b可以发现，在偏重冰年的冬季，中低纬度的偏东风较弱，而来自极涡区的偏北风则较强，这在偏重冰年与偏轻冰年间的风场之差(图4c)中表现得尤为清晰。显然，在偏重冰年的冬季，副高偏弱并偏南偏东，欧亚纬向环流也偏弱，而经向环流则加强，这不利于南方的暖湿气流北上，而有利于极涡区的冷空气南下，从而导致渤海地区气温下降、冰情发展迅速并加重；相反，在偏轻冰年的冬季，副高偏强且偏北偏西，欧亚纬向环流偏强，而经向环流则减弱，这有利于南方的暖湿气流北上，但不利于极涡区的冷空气南下，因而渤海地区的气温偏高，使得渤海冰情发展缓慢且偏轻。

图4 冬季偏重冰年和偏轻冰年的850 hPa风场合成Fig.4 The distributions of the composite 850 hPa wind field during heavy years and light years of the sea ice grade

根据以上分析，可将大气环流对渤海海冰的影响过程归纳如下：当副高较弱并偏南偏东时，不利于南方的暖湿气流北上，而当极涡面积偏大、欧亚纬向环流减弱、经向环流增强时，则有利于极涡区的冷空气南下，并入侵渤海，导致渤海地区的气温急剧下降，进而加速渤海冰情的发展，于是当年冬季的冰情偏重；反之亦然。

5.3 ENSO对海冰的影响

从前面的分析可知，渤海海冰具有2～7 a的年际变化，与ENSO的主周期相近。那么，ENSO对渤海海冰究竟有多大影响？下面简要探讨这一问题。

近期的研究[14]表明，自1951年以来，共发生了20次El Nio事件(1951/52、1957/58、1963/64、1965/66、1968/69、1969/70、1972/73、1976/77、1977/78、1982/83、1986/88、1991/92、1993、1994/95、1997/98、2002/03、2003/04、2004/05、2006/07和2009/10年)和16次La Nia事件(1950/51、1954/57、1961、1962/63、1964/65、1966/67、1967/68、1970/72、1973/74、1974/76、1978、1984/86、1988/89、1995/96、1998/00和2007/08年)。在20次El Nio事件中有11次中部型事件(CP-El Nio)和9次东部型事件(EP-El Nio)；在16次La Nia事件中有6次中部型事件(CP-La Nia)和10次东部型事件(EP-La Nia)。此外，从Nio4指数还可看到，在2011年9月至2012年3月间发生了一次中部型La Nia事件。这样，在1950—2013年间共发生了17次La Nia事件。其中有7次CP-La Nia事件和10次EP-La Nia事件。

6 渤海海冰的年代际变化机理

6.1 太平洋年代际振荡(PDO)对海冰的影响

从上面的分析可知，渤海海冰存在着明显的年代际变化，而太平洋海气相互作用系统中也存在着显著的年代际振荡，即太平洋年代际振荡(PDO)，这种年代际振荡不仅给太平洋和北美地区带来了显著的气候异常，而且也影响到我国气候的年代际变化[15—16]。那么，PDO对渤海海冰年代际变化的影响如何？因此，下面探讨这个问题。

图5为年平均的PDO指数的年际和年代际变化。对比图5和图1可以看到，PDO指数的变化趋势基本与渤海冰情相反，即当PDO指数为负时，渤海冰情基本偏重；反之则偏轻。相关分析表明，春季(5月)PDO指数与当年冬季渤海冰情等级的关系最密切，其相关系数为-0.33，而10 a滑动平均后，两者间的相关系数高达-0.74，超过了0.001的信度检验。这表明，PDO对渤海海冰的年代际变化有重要影响。当春季北太平洋异常偏冷，即PDO为暖位相时，渤海处于轻冰年多发阶段；反之，当PDO为冷位相时，渤海处于重冰年多发阶段。

图5 年平均PDO指数的年际(实线)和年代际变化(虚线)Fig.5 The interannual (solid lines) and interdecadal (dashed lines) variations of the yearly average PDO index

6.2 大气环流和ENSO对海冰的影响

从前面的分析可知，渤海海冰在1972年前后经历了一次由重到轻的气候跃变。那么，在跃变前后海冰与大气环流和ENSO间的关系如何？而且，大气环流和ENSO对渤海海冰的年代际变化是否也有影响？为此，下面分别探讨这些问题。

相关分析表明，在1972年以前，冬季副高指数与渤海海冰之间的关系均较密切，但在1972年之后，它们之间的关系均明显减弱，但秋季副高与海冰之间的关系却明显增强，特别是面积和强度指数与海冰间的关系均较密切，其相关系数分别为-0.56和-0.55；亚洲极涡和纬向环流与海冰间的关系在跃变前后并无明显的改变，但欧亚纬向环流与海冰间的关系在跃变后却显著增强，其相关系数为-0.59；Nio3和Nio4指数与海冰间的关系在跃变之后均明显减弱。由此可见，在气候跃变之后，副高对渤海海冰有约一个季度的超前影响，而欧亚纬向环流的影响也有所加强。这些皆可作为渤海海冰预报的重要因子。

对经过10 a滑动平均后的大气环流和ENSO指数与海冰进行相关分析可知，冬季副高面积和强度指数与海冰间仍呈现出显著的负相关，其相关系数分别为-0.76和-0.73；冬季欧亚和亚洲纬向环流指数与海冰间的关系均较弱，而其经向环流指数与海冰间却存在着显著的正相关，相关系数分别为0.71和0.75；春季(5月)Nio3和Nio4指数与海冰间均有显著的负相关，相关系数分别为-0.76和0.75。显然，冬季副高面积和强度、欧亚和亚洲经向环流以及春季ENSO对渤海海冰的年代际变化均有重要影响。当春季ENSO指数为负(正)、冬季副高面积变小(大)、强度减弱(增强)、欧亚和亚洲经向环流增强(减弱)时，渤海海冰可能处于偏重(轻)时期。

7 结论

本文利用63 a的渤海冰情等级资料、大气环流指数、ENSO指数和PDO指数，分析了渤海冰情等级的年际和年代际变化特征与机理，得到的结论主要如下。

(1)冬季渤海冰情等级序列具有明显的2～7 a的年际变化和11 a的年代际变化，并在1972年前后经历了一次由重到轻的气候跃变。在跃变前的22 a间，冰情等级的平均值为3.1级，而跃变后的41 a间则为2.4级，平均降低了0.7级。这与刘钦政等[6]利用信噪比方法得到的结果完全一致。

(2)渤海冰情等级的年际变化除受同期局地气候的影响外，还受副高、极涡和欧亚环流的共同调控。当副高较弱并偏南偏东时，不利于南方的暖湿气流北上，而当极涡面积偏大、欧亚纬向环流减弱、经向环流增强时，则有利于极涡区的冷空气南下，并入侵渤海，因而使得渤海冰情加重；反之亦然。

(3)在1972年以后，秋季副高、冬季欧亚和亚洲纬向环流均对渤海冰情等级的年际变化有重要影响，这可作为渤海海冰预报的重要因子。

(4)春季(5月)PDO和ENSO、冬季副高、欧亚和亚洲经向环流对渤海海冰的年代际变化均有重要影响。当PDO为冷(暖)位相、副高减弱(增强)、欧亚和亚洲经向环流增强(减弱)及ENSO指数为负(正)时，渤海海冰将处于偏重(轻)时期。

致谢：国家海洋局北海预报中心王相玉研究员对本文提出了一些有益的建议，特此致谢!

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Interannual and interdecadal variations of the sea ice in Bohai Sea and its mechanisms

Zheng Dongmei1，Wang Zhibin1，Zhang Shuying1，Xu Peng1，Zhou Zhiqiang1

(1.MarineEnvironmentalForecastingandDisasterPreventingandReducingCenterofLiaoningProvince，Shenyang110001，China)

Based on the sea ice grade data in the Bohai Sea during 1951 to 2013，the interannual and interdecadal variations of sea ice in the Bohai Sea are studied using maximum-entropy spectrum analysis，correlation analysis and composite analysis methods. The effects of the local climate，atmospheric circulation，ENSO (El Nio-Southern Oscillation) and the Pacific Decadal Oscillation (PDO) on the sea ice are also discussed respectively. The results showed that sea ice had distinct interannual and interdecadal variations. Especially it jumped from heavy to light in 1972，and the sea ice grade dropped by 0.7 because of the climate jump. The correlation analysis and composite analysis showed that the interannual variations of sea ice had close relationships with local climate，Western Pacific Subtropical High (WPSH)，polar vortex and Eurasian circulation. WPSH in autumn，Eurasian and Asian zonal circulation in winter all had important effects on the interannual variations of sea ice，especially after 1972; these are key factors for Bohai Sea seaice forecasting. But the interdecadal variations of sea ice had close relationships with the PDO，ENSO in spring and Western Pacific Subtropical High in winter．

Bohai Sea; sea ice; interannual variations; interdecadal variations

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.002

2014-07-15；

2014-12-22。

郑冬梅(1983—)，女，辽宁省绥中县人，工程师，从事海洋环境预报及相关方面研究。E-mail：zzhengdongmei@163.com

P512.2

A

0253-4193(2015)06-0012-09

郑冬梅，王志斌，张书颖，等. 渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理[J]. 海洋学报，2015，37(6)：12-20，

Zheng Dongmei，Wang Zhibin，Zhang Shuying，et al. Interannual and interdecadal variations of the sea ice in Bohai Sea and its mechanisms[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(6)：12-20，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.06.002