20世纪80年代中期以来东亚大槽和东中国海海温关系的年代际减弱和成因分析

王国松，侯敏，李琰，牟林，尚建设，宋军，高佳，李程，李欢

（1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室，福建 厦门 361005；3.天津市滨海新区气象局，天津 300457；4.山东省商河县气象局，山东 济南 251600）

20世纪80年代中期以来东亚大槽和东中国海海温关系的年代际减弱和成因分析

王国松1，2，侯敏3，李琰1，2，牟林1，尚建设4，宋军1，高佳1，李程1，李欢1

（1.国家海洋信息中心，天津 300171；2.国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室，福建 厦门 361005；3.天津市滨海新区气象局，天津 300457；4.山东省商河县气象局，山东 济南 251600）

基于HadISST（Hadley Centre Sea-ice and Sea surface Temperature Data Set）的月平均海温（SST）资料，对1960-2012年中国近海冬季SST的长期变化趋势进行了详细分析。结果显示冬季SST经历了一个显著的升温过程，增幅达0.018℃/年，在80年代末期发生了显著的气候增暖过程。对东亚冬季风子系统与冬季东中国海SST关系的年代际变化进行了分析。结果发现在1960-2012年间，东亚冬季风5个关键子系统中，东亚大槽与东中国海冬季SST年际变率上关系最为密切。进一步研究发现，自20世纪80年代中期以来，东亚大槽和东中国海冬季SST都发生了明显的年代际变化，其中东亚大槽为年代际减弱，而东中国海冬季SST发生了年代际增暖。尽管1960-2012年间东亚大槽与东中国海冬季SST有显著的负相关关系，但这种统计相关在1989-2012年期间显著减弱。这种相关减弱的原因很可能是由于NPO（North Pacific Oscillation）的年代际变化背景下的东亚大槽的强度减弱有关。

海温；东亚冬季风；东亚大槽；中国近海；年季变化

从地理位置上看，渤、黄、东海紧密相连，海水交换频繁，因此东中国海SST长期变化有比较一致的趋势。研究表明，在过去的几十年中，渤、黄、东海SST均呈现出相当程度的升高（Jin et al，2011； Liu et al，2013； Bao et al，2014； 王慧等，2012）。造成东中国海SST年际变化的因素有很多，其中包括季风变异、黑潮增强及深层水变化等（Wu et al，2012；冯琳等，2009；Liu，et al，2005；Furey et al，2005；Xie et al，2002；陈锦年等，2013）。此外，非局地因子的影响也起着举足轻重的作用，如厄尔尼诺和南方涛动（ENSO）、北太平洋涛动（NPO）和季风环流等（吴德星等，2005；Yeh et al，2010；冯琳等，2009）。

年代际变化为年际变化提供重要背景，也可以显著调整更长时间尺度的变化（王会军 等，2013）。已有的研究表明，近百年来东中国海或中国近海SST发生了明显的年代际变化，出现显著的增暖趋势（阎俊岳等，1997；张秀芝等，2005）。早期的研究利用1951-1996年的ICOADS海温数据，指出东亚大陆边缘海SST在1960年代中期发生了年代际的位相转换，并指出该转换与赤道西太平洋有关（Park et al，2000）。最新的研究表明，中国海在1980年代中期后SST发生了显著的气候增暖（Bao et al，2014；Liu et al，2013，Jin et al，2011；伍玉梅等，2011；Yeh et al，2010），造成中国海SST年代际变化的影响因子很多，就局地影响因子而言，东亚冬季风在20世纪80年代中期发生了位相转换，东亚冬季风减弱有利于中国近海特别是东海及附近海域SST的年代际上升（蔡榕硕等，2011）。同时，黑潮的年代际增强也造成了东海及邻近海域SST的年代际上升（冯琳 等，2009；Tang et al，2011）。另一方面，诸如太平洋年代际振荡（PDO）和大西洋年代际振荡（AMO）这些非局地因子的年代际转变也是造成中国海SST年代际变化的重要原因之一（Zhang et al，2010）。

东亚冬季风（EAWM）作为影响中国近海冬季SST最显著的因子之一，是北半球冬季东亚地区最为显著的气候特征。东亚冬季风具有很大的年际和年代际变化（陈海山等，2013；陈文等，2013，Zhu et al，2005；何金海等，2004）。于是，东亚冬季风与中国大陆冬季气温和东亚沿海的SST之间的关系发生了显著的年代际变化（李维京等，2013；Wang et al，2012）。在1956-1980年间，东亚冬季风的年际变率与东亚沿海冬季SST呈显著的负相关关系，而这种关系在1980年代中期之后已明显地减弱了（Wang et al，2012）。那么造成这种年代际变化的原因是什么？目前尚未有明确的解释。东亚冬季风5个系统成员彼此之间相互联系、相互影响（贺圣平等，2012）。前期研究指出，上述系统相应的强度指数与东亚同期SST的相关显著区有所不同。那么上述系统成员是否都能对东中国海SST产生显著影响？东亚冬季风在20世纪80年代发生了一次显著的年代际变化，其系统成员都呈现明显的减弱趋势（梁苏洁等，2014；黄小梅等，2013；Wang et al，2009）。那么，在东亚冬季风发生年代际突变前后，东亚冬季风系统成员与东中国海SST的相关关系是否会存在不稳定性？如果存在，其物理成因是什么？这是一个亟待解决的科学问题。

因此，本文将在前人研究基础上，进一步探讨东亚冬季风发生年代际突变前后，东亚冬季风系统成员和东中国海SST间的相互关系是否存在着年代际不稳定性？并揭示如何年代际不稳定性存在，其物理成因是什么？

1 资料和方法

本文所用的资料包括：（1）NCEP/NCAR全球再分析大气月平均资料，空间分辨率2.5°×2.5°（Kalnay et al，1996）；（2）英国Hadley中心提供的月平均海表温度资料，空间分辨率1°×1°（Rayner，2003）；为了强调年际变率，文中所研究时段为1960-2012年，冬季平均定义为12月、次年1和2月。

2 东中国海海表温度年代际变化特征

首先分析了冬季中国近海海表温度SST的变化，通过对原始SST数据经验正交函数（EOF）分解，得出SST前两个模态的揭示方差分别为68%和12.8%，占总方差的80.8%。其中第一主模态反应了中国近海整体一致型的SST增暖趋势（图1a），这可能与全球气候变化密切相关。其中东中国海地区增暖幅度最大，相应的时间序列（PC1）有着显著的年代际变化特征（图1a），在20世纪80年代中期以前基本为负位相指数，而从20世纪80年代中期以来基本为正位相指数，并呈现出显著的增暖趋势，增暖速率为0.181℃/10年。其中第二模态的空间分布呈现南北反向变化特征（图1b）。相应的时间序列（PC2）有着明显的年际和年代际变化特征（图1b）。由于本文主要分析东亚冬季风与东中国海SST关系的年代际转变，因此将对东亚东中国海冬季SST第一模态的变化规律及与东亚冬季风的关系进行探讨，为了便于表述，将东中国海冬季SST第一模态记为SST-PC1，相应的时间序列记为PC1。

图1 冬季中国近海SST的EOF分解第一主模态（上左图，方差贡献67.9%）和第二模态（上右图，方差贡献12.8%）的多年平均空间分布（下左图）和时间序列（下右图）

3 东中国海海表温度与东亚冬季风关系的年代际变化

东亚冬季风（EAWM）是一个十分复杂的系统，主要由5个系统成员组成，包括西伯利亚高压、阿留申低压、东亚大槽、对流层低层偏北风及高层东亚急流。近年来，学者们从不同的季风系统角度定义了东亚冬季风指数，如海-陆气压差：标准化的东西向（110°E与160°E）海平面气压差描述东亚冬季风强度（施能，1996，记为ISN）；西伯利亚高压：将西伯利亚高压指数用来描述东亚冬季风的强弱（Gong et al，2001，记为IGWZ）；区域平均经向风：（20°N-60°N，120°E-140°E）和（10 °N-25°N，110°E-130°E）范围内地面经向风平均值（陈隽等，1999，ICS）；纬向风：（27.5°N-37.5 °N，110°E-170°E）与（50°N-60°N，80°E-140° E）两区域内300 hPa标准化的纬向风之差（Jhun et al，2004，记为IJL）；东亚大槽：25°N-45°N，110°E-145°E范围内位势高度的区域加权平均值标准化后（孙柏民等，1997）。阿留申低压：陈文等，2006，记为ICw）。

本文计算了上述指数与东中国海PC1的1960-2012年期间的相关关系。结果发现，在这些冬季风指数中，表征东亚大槽强度的冬季风指数与PC1的相关关系最好，相关系数为-0.71，远超过99%置信度检验。其次为表征低层经向风的冬季风指数，相关系数为-0.48，超过99%置信度检验。而且另外表征西伯利亚高压和阿留申低压的3个冬季风指数相关系数却没有超过95%置信度检验，可认为相关不显著。因此，本文将重点分析相关最显著的东亚大槽与PC1相关关系的年代际变化。

图2给出了冬季东亚大槽指数和PC1的时间演变曲线，可以清晰地看到东亚大槽在20世纪80年代中后期开始显著变弱了。而PC1指数也表现出明显的年代际变化，即20世纪80年代中期之后开始显著增强了。之后计算了1960-2012年期间两者的滑动相关系数（图3），结果表明：两者在20世纪80年代中期之前有显著（统计上超过95%的置信度）的反相关关系，而在那以后这种显著反相关关系不复存在。

表1 东亚季风指数与SST-PC1的相关系数

图2 冬季东亚大槽指数（黄色柱）和PC1（蓝色柱）的时间序列（1960-2012），黑实线和红实线分别为两指数的10年滑动平均

图3 冬季东亚大槽指数与PC1在1960-2012年间的23年滑动相关系数，横虚线表示达到95%信度的水平（t检验）

图4 1960-1983年（a）冷时段和1989-2012年（b）暖时段东亚大槽指数和东中国海冬季SST第一模态空间分布SST-PC1的年际变化相关系数空间分布（阴影：超过95%信度检验）

于是将1960-2012年期间（全时段）按照温度变化分成了两段，冷时段（1960-1983）和暖时段（1989-2012）。分别计算了两时段内东亚大槽和东中国海冬季SST第一模态空间分布的相关系数，结果表明在冷时段两者的相关系数为-0.72远超过95%置信度水平。在暖时段两者的相关系数为-0.14远低于95%，没有显著相关关系。从两时段的东亚大槽指数和东中国海冬季SST第一模态空间分布之间的相关系数的空间分布特征（图4）来看，确实在冷时段东亚大槽的正位相对应着东中国海SST的负异常，反之亦然。而在暖时段，在东中国海的负相关区基本消失，没有显著相关区，负相关范围则缩小到仅仅（140°E-150°E，20°N-25°N）的一个小范围区域。而暖时段在日本海以东（160°E-180°E，40°N-55°N）出现了显著的正相关区，而这冷时段这个显著正相关区并不存在。综上，自20世纪80年代中期开始，东亚大槽与东中国海SST年际变率间的联系明显减弱。

那么是什么原因导致了东亚冬季风的关键子系统——东亚大槽与冬季东中国海SST的年际关系在1960-1983年期间如此显著，而到了1989-2012年期间却迅速减弱了呢？为回答这个问题，给出了冷期和暖期的500 hPa距平高度场和1 000 hPa距平风场分布（图5）。首先，从冷期和暖期的500hPa距平高度场上看，冷期，乌拉尔山为正距平，在东亚及其沿海地区上空呈显著的负高度距平，这种距平分布意味着乌拉尔山高压脊强且东亚大槽较深，东亚高纬度地区偏北气流较强，冷空气活动较强，东亚冬季风偏强，使得我国东部沿海冬季容易发生持续偏冷的情况。而在1989-2012年暖期的500 hPa高度距平场与冷期的环流型相反，乌拉尔山为负距平区且东亚大槽较浅，东亚冬季风偏弱，不利于冷空气南下影响我国，使得我国东部沿海地区温度偏暖。可见，1980年代前后冬季冷期和暖期，欧亚地区大气环流型基本呈相反的分布特征，东亚大槽呈明显的减弱形势。

图5 500 hPa位势高度场距平分布图（填色，单位：dagpm）和1 000 hPa的距平风场结构（单位：m/s）

图6 冬季东亚大槽指数与1 000百帕风场相关系数的矢量合成（阴影：径向风场相关系数超过95%信度检验）

图7 NPO指数（黑色柱）的时间序列（1960-2012），红实线为10年滑动平均

图5中显示，在冷期的1 000 hPa风场中，东中国海海区上空表现为显著的北风和西北风异常，显示出东亚冬季风的偏强。而当暖期时，东中国海海区上空表现为显著的南风异常，显示出东亚冬季风的偏弱。使得暖期的风场结果更有利于海水的增温。

图8 NPO指数与1 000百帕风场相关系数的矢量合成

图9 NPO指数和西北太平洋SST的年际变化相关系数的空间分布

合成分析结果表明1980年代前后东亚大槽强度发生了显著的由强到弱的转变特征。那么在这种改变情形下，东亚大槽与影响冬季东中国海SST的关键因子的关系发生了什么样的变化？为回答这个问题，图6给出了冬季东亚大槽指数与1 000 hPa风场相关系数的矢量合成。在冷期，显著的北风信号出现在东中国海海域上面。表明当东亚大槽强时，在东中国海海域上面会出现显著的北风距平。而在暖期时，在东中国海海区上空显著的北风信号北撤到日本海附近，在东中国海的大部分地区都没有显著相关。

造成这种现象的原因是什么呢？为回答这个问题，在图5中发现风场在北太平洋上也发生了显著的变化。其环流场由冷期的反气旋环流变成气旋式环流，北太平洋风场的变化很可能与北太平洋涛动（NPO）的年代际变化相关。NPO是指北太平洋阿留申群岛附近和夏威夷群岛附近南北气压差反相变化的大气遥相关模态。北太平洋涛动指数定义为北太平洋区域海平面气压场经验正交函数分解的第二模态的时间系数（Yeh et al，2010）。图7给出了冬季NPO指数的时间演变曲线，可以清晰地看到NPO在20世纪80年代中期存在显著的年代际变化，表现为从负位相到正位相的转变。因此NPO很可能作为一个背景状态对东亚大槽起影响，从图5也可看出NPO年代际变化前后500 hPa位势高度场的分布几乎相反，NPO处于正位相时东亚地区500 hPa位势高度场距平变化，说明与负位相NPO相比，NPO正位相背景下的东亚大槽变弱，东亚冬季风也变弱，进而影响东中国海海表温度。

同时，在这种情况下还分析了冷暖期NPO指数与1 000 hPa风场相关系数的矢量合成结果（图8）。在冷期，显著的北风信号出现在东中国海海域上面。表明当NPO年代际变化前，即NPO为负位相时，东亚沿岸有较显著的北风，异常偏北气流会带来干冷的空气，使得东亚大槽加深，从而导致东中国海显著降温（图9）。而当NPO处于正位相时，东中国海上空表现为南风和西风异常，且NPO指数与东中国海上空的风场没有明显的相关关系。在这种情形下，东中国海将会升温。

4 结论

本文对东亚冬季风子系统与冬季东中国海SST关系的年代际变化进行了分析。结果发现在东亚冬季风5个关键子系统中，与东中国海冬季SST年际变率上关系最为密切的是东亚大槽，而与西伯利亚高压、阿留申低压等没有显著的相关关系。在年代际变化中，自20世纪80年代中期以来，东亚大槽和东中国海冬季SST都发生了明显的年代际变化，其中东亚大槽为年代际减弱，而东中国海冬季SST发生了年代际增暖。尽管1960-2012年间东亚大槽与东中国海冬季SST有显著的负相关关系，但这种统计相关在1989-2012年期间显著减弱。这种相关减弱的原因很可能是由于NPO的年代际变化背景下东亚大槽的强度减弱有关。

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（本文编辑:袁泽轶）

Weakening relationship between the East Asian Trough and Sea Surface Temperature over East China Sea after mid-1980s and possible cause

WANG Guo-song1,2,HOU Min3,LI Yan1,2,MU Lin1,SHANG Jian-she4, SONG Jun1,GAO Jia1,LI Cheng1,LI Huan1

（1.National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China;2.Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry,Xiamen 361005,China;3.Tianjin Binhai New Area Meteorology Administration,Tianjin300457,China; 4.Shandong ProvinceShanghe Meteorology Administration,Jinan 251600,China）

Based on monthly mean HadISST data,long-term changes of sea surface temperature(SST)in winter over the East China Sea （ECS） have been analyzed for the time period 1960-2012.The results show that SST in winter experiences a significant increase by the value of 0.018°C/year.An abrupt warming of SST occurred in late 1980s.The East Asian winter monsoon（EAWM）consists of subsystems such as the Siberian high,Aleutian low,East Asian Trough(EAT),low-level northerly wind and high-level East Asian jet stream.It is revealed that the correlation between these subsystems and SST over East China Sea was calculated.The most significant relationship occurs between the EAT and SST over the ECS during 1960-2012.Further study shows that there is also significant inter-annual relationship between EAT and SST over the ECS in winter during 1960-1983.However,the significant inter-annual relations in the previous period are found to have beendisrupted during 1989～2012.Further analysis reveals that after late 1980s,the intensity of EAT tends to decrease.These changes may have caused the weakening relationships between the EAWM and SST over the ECS during 1987-2012.

sea surface temperature;East Asian winter monsoon;East Asian Trough;China seas;inter-annual variability

P732.5

A

1001-6932（2016）06-0649-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.007

2015-06-30；

2015-11-02

国家自然科学基金面上项目（41376014）；国家科技支撑计划课题 （2014BAB12B02）；天津市科技支撑计划项目（14ZCZDSF00012），国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室开放基金（GCMAC1402）。

王国松 (1987-)，男，硕士，研究实习员，主要从事海洋气候变化、数值模拟研究。电子邮箱：wgs_wrf@163.com。

李琰，博士，副研究员。电子邮箱：ok8200@sina.com。