渤、黄海冬、夏季节风生流场年际变化时空模态与环流变异

石 强

(1.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；2.国家海洋局北海环境监测中心， 山东 青岛 266033；3.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266033)

冬、夏季海洋环流是渤、黄海的两种主要环流形态[1-3]，冬、夏季风场是渤、黄海相对稳定的季节风场，春、秋季风场为季节过度风场，冬、夏季风生流场形态可以延续至初春、秋末，并且影响着渤、黄海冷水团，黄海暖流的季节生消[3].由于渤、黄海海域季节风场强度呈现显著线性减弱趋势的年际变化[4]，风应力驱动的渤、黄海冬、夏季环流将产生显著年际变化，并且影响冬季黄海暖流与夏季冷水团强度及分布.因为气候平均风场模拟的渤、黄海平均风生流场[5-9]是非平衡状态[3-4]，所以减弱了模拟环流平均状态的代表性.渤、黄海风场的气候平均网格点资料、再分析资料、地转风计算风场以及中尺度风场预报模式输出风场等是目前进行渤、黄海风生流场模式研究使用风资料的主要来源[2,5-10].由于渤、黄海空间尺度小于1 000 km，低分辨率(2°×2°或1°×1°)气候平均格点资料、计算地转风场、中尺度模式计算风场等方法将减弱局地的风场涡度、散度分量.另外，再分析风场与地面观测风比较的可信度仍然存在不确定度[11-12]，从而使得模拟计算的渤、黄海风生流场形态与观测余流、漂流浮标轨迹资料相比局部出现较大偏差.因此，渤、黄海数值模式的驱动风场的准确、客观成为制约渤、黄海风生流研究的重要条件，发展渤、黄海阵列浮标风、流观测系统是提升风生流模式研究水平的有效方式.在目前观测水平条件下，采用渤、黄海沿岸气象站定时地面观测风资料，在测站分布距离小于渤、黄海风要素月平均时空尺度的前提条件下[4]，构建月平均风应力场用于渤、黄海风生流场模式研究是一种改进的方法[3].根据1978—2015年期间渤、黄海沿岸25个气象站定时地面风观测资料，构建月平均风应力场模拟渤、黄海风生流流函数、速度势场季节循环过程，经过与近30多年来在渤、黄海观测温盐分布、漂流浮标轨迹分布、定点长期观测余流分布等资料比较，该方法模拟渤、黄海风生流流函数、速度势场季节环流形态与观测资料基本一致[3]，与气候平均格点风场、再分析风场等计算的渤、黄海季节平均风生流场局部有显著差异[5-9].因此，采用渤、黄海沿岸定时地面观测风资料，构建月平均风应力场驱动模拟渤、黄海月平均风生流场更接近观测流场形态.在经过大量海流、温盐观测资料验证本方法有效的基础上[3]，本研究将采用同样的方法对渤、黄海冬、夏季节风生环流年际时空变化状况进行后继研究.

本研究根据1975—2017年渤、黄海沿岸25个气象站定时地面风观测资料，构建冬、夏季平均风应力场，采用高分辨率的二维垂直平均流风生流数学模式与旋转经验正交(REOF)等方法，分析了渤、黄海风生流场季节平均速度势、流函数场长期年际时空变化，以及对黄海暖流、黄海冷水团长期变化的影响机制.

1 数据与方法

1.1 数据来源

渤、黄海沿岸25个气象站(图1)1975年1月1日0时至2017年9月1日0时(UTC)定时(3 h或1 h观测1次)地面风观测资料，采用文献[3]相同的方法取风曳力系数计算各站定时风应力矢量，并且计算各站冬季(12月至翌年2月)、夏季(6—8月)平均风应力，采用Kriging差值方法将观测风应力资料构建渤、黄海季节平均风应力场.由于渤、黄海沿岸25个气象站之间的距离均小于渤、黄海月平均风特征空间尺度[4]，并且渤、黄海开阔海域没有造成风场突变的大型障碍物，因此，采用气象站地面风观测资料空间内插值构建渤、黄海季节平均风应力场是合理的[3-4].

根据北黄海浮标观测月平均海表面温度值订正的1982—2018年遥感观测的黄海月平均海表面温度资料[3]，确定的2月份表层黄海暖流平均轴线位置.根据气候平均海洋温度数据集[13]，确定的7月份黄海底层冷水团平均等温线分布，1976—2016年冬、夏季观测的渤海b1断面与黄海y1、y2断面站位见图1.

1.2 研究方法

以南黄海33°47′14″N为开边界，建立渤海—黄海二维非线性垂直平均流风生海流模式，模式差分解为变换方向隐式法(ADI)，空间差分为均匀正交网格，dx=1 115 m，dy=1 045 m，dt=30 s，底摩擦拖曳系数为0.002 5.在季节平均风应力驱动下，模式计算20 d稳定后取平均流场计算平均速度势、流函数场.流体速度分解定理指出：运动流体质点速度是平移、旋转、体积变形3种运动速度的矢量和，而速度势、流函数是研究无旋垂直运动与旋转水平运动流体的经典流体动力学方法[14].在渤、黄海陆架浅海，风生流场中垂直、水平运动是同样重要的分量，并且对温盐、溶解氧、表观耗氧量要素场季节与年际变化有重要的影响作用，采用速度势、流函数方法研究渤、黄海风生流场冬、夏季节年际变化可以更清楚的表述渤、黄海风生流场垂直、水平运动形态以及对黄海暖流、冷水团年际变化影响作用[3].本研究对计算模拟风生流场提取REOF分析值的方法见文献[3]，采用的速度势、流函数计算方法、REOF分析、10 a尺度跃变、周期分量显著性FR值分析和非线性相关等方法见参考文献[3，15].

2 结果与讨论

2.1 冬、夏季节年平均风生流场

渤、黄海冬季平均风生流场是四季中最强的，冬季反气旋型水平环流与辐散下沉环流在渤、黄海是主要分布形态(分别占计算海域面积的61%、67%，下同)；气旋型水平环流与辐合上升环流海域较小(分别占39%、33%)，但是最大强度较大(图2a、b).冬季渤、黄海表层冷水被辐散下沉环流输入底层，位于黄海中部海槽海域的辐合上升环流将底层冷水向黄海槽海域集中，因此冬季渤、黄海深层成为冷水储存层.渤海中部反气旋型环流将渤海中北部冷水[16]输送至鲁北沿海，渤海海峡气旋型环流将辽南沿海冷水向渤海内输送，由此形成渤海海峡水体北进-南出流型.发源于渤海中北部，沿着鲁北沿岸输入南黄海的冷水体是渤海中北部冷水与辽南沿海冷水的混合体，当渤海中部反气旋型环流与渤海海峡气旋型环流较强时，鲁北沿岸流混合冷水带温度低、流量大，当出现相反环流情形时，鲁北沿海流冷水带温度较高、流量较小[3].黄海中部的气旋型环流西侧具有向南黄海输送冷水的作用；东侧具有向北黄海输送黄海暖流的作用，当黄海中部气旋型环流强盛、范围增大时，黄海暖流两侧冷水体对暖流高温水体具有较强的混合降温作用，当出现相反环流情形时，黄海中部气旋型环流强度减弱、范围缩小时，南黄海东侧反气旋型环流发展强盛、范围增大，黄海暖流两侧的冷水势力减弱，黄海暖流温度升高、范围增大[3].因此，渤、黄海冬季平均风生流场具有深层存储冷水与鲁北沿岸南下冷流、黄海暖流N—NW向暖流的输送作用.

图1 渤、黄海沿海气象站与断面站位Fig.1 Meteorological stations and cross section stations along the coast of and in the Bohai Sea and Yellow Sea

图2 渤、黄海冬、夏多年平均速度势和流函数场Fig.2 Winter and summer mean velocity potential and stream function field normal in the Bohai Sea and Yellow Sea图中数值单位为102 m2/s

渤、黄海夏季平均风生流场是四季中最弱的，夏季反气旋型环流与辐合上升环流海域是主要分布(分别占66%、79%)，并且强度较大；气旋型环流与辐散下沉环流海域较小(分别占34%、21%)，如图2c、d所示.夏季辐合上升环流减弱了浅层暖水向深层传播，黄海中部辐散下沉海域向深层输送的水体并非是近岸的暖水，而是黄海开阔海域温度相对较低的冷水.这种环流形势使得黄海深层春、夏季温度形成季节非对称型低温形态分量，该温度分量是夏季黄海冷水团形成的主要因素[17].值得指出的是：由于受水深及边界地形变化的影响，渤、黄海季节平均风生流场中气旋型环流并非与辐合上升环流相重合，即冬季渤海海峡气旋型环流与辐散下沉环流相重合；夏季反气旋型环流与辐合上升环流重合，夏季南黄海西部反气旋型环流与辐合上升环流重合.冬、夏季节渤海平均速度势场与流函数场相似系数分别为r1=0.62、r2=-0.24(N=318，信度0.05临界值为±0.14)；黄海平均速度势场与流函数场相似系数分别为r1=0.82、r2=0.04(N=639，信度0.05临界值为±0.11)，冬季渤、黄海风应力较强时，平均速度势与流函数相似性较高，夏季风应力较弱时，平均速度势与流函数无显著相似性或者显著相反.在气象与大洋环流中成立的“气旋环流中心存在上升运动”的结论在渤、黄海季节平均环流场中并不成立[3,18].因此，渤、黄海风生流速度势场与流函数场是同样重要的研究变量.冬季渤海平均速度势场、流函数场与平均风应力涡度场相似系数分别为r1=-0.63、r2= -0.63；夏季分别为r1=-0.13、r2=-0.20.冬季黄海平均速度势场、流函数场与平均风应力涡度场相似系数分别为r1=-0.36、r2=-0.16；夏季分别为r1=-0.33、r2=-0.22.渤海平均水深为19 m，黄海平均水深为44 m，均处于风生艾克曼深度尺度(10～100m)[15]范围，风生艾克曼环流是渤海冬、夏季平均风生流主要机制，风生艾克曼环流与补偿流是黄海冬、夏季平均风生流主要机制.夏季山东半岛沿岸存在中小尺度涡流，由此形成沿岸逆流，在2008—2016年的7—8月期间南黄海大范围浒苔监测中，近岸浒苔漂移轨迹显示该沿岸逆流存在.

冬季渤、黄海辐散下沉运动有利于深层存储冷水，夏季的辐合上升运动有利于减弱浅层低盐度暖水向深层传播，形成春、夏季渤、黄海深层水体低温高盐分量[17,19-20],因此季节垂直环流分布是形成渤、黄海夏季深层冷水团的主要垂直运动因素.冬季渤海反气旋型环流与黄海中部气旋型环流将渤海、北黄海冷水自北向南输送，黄海东部反气旋环流与中部气旋环流共同将南黄海暖流高盐暖水自南向北输送，形成冬季黄海暖流.夏季渤海气旋型环流较弱小，黄海东部气旋型环流以及渤、黄海反气旋型环流将沿岸低盐度水体输送至黄海中部，使得黄海中部盐度季节性降低[21].黄海反气旋环流将冬季底层冷水汇集、滞留在黄海槽海域，黄海东部气旋环流与山东半岛沿岸逆流有利于阻挡沿岸暖水向黄海中部输送，此种环流形态有利于形成春、夏季节渤、黄海底层冷水团[16-17]，因此季节水平环流强弱与范围大小分布是形成渤、黄海冬季暖流与夏季深层冷水团的主要水平运动因素，冬、夏季节风生流速度势场年际变化主要对渤、黄海温度场影响明显，流函数场年际变化主要对温度、盐度场影响明显.

渤海冬季平均速度势强度(速度势绝对值)年际变化显著周期为3.7、4.9、14.0 a，平均流函数强度(流函数绝对值)年际变化显著周期为3.8、5.6、42.0 a，FR值分别为0.72、0.85，冬季平均速度势、流函数强度年际变化中周期分量与线性趋势、脉动分量有相似权重.渤海夏季平均速度势强度年际变化无显著周期，流函数强度的年际变化显著周期为4.3、6.1、9.3 a，FR值为0.26，夏季平均速度势、流函数强度年际变化中显著线性趋势和脉动分量是主要分量，周期分量不显著(图3a、b).

黄海冬季平均速度势强度年际变化显著周期为5.3、7.6 a，流函数强度年际变化显著周期为5.3、9.3 a，FR值分别为0.40、0.39，冬季平均速度势、流函数强度年际变化中线性趋势与脉动分量是主要分量，周期分量较小.黄海夏季平均速度势强度年际变化显著周期为3.4、5.4 a，流函数强度年际变化显著周期为3.4、4.1、5.7、8.6、21.5 a，FR值分别为0.20、0.85，夏季平均速度势强度年际变化中显著线性趋势与脉动分量是主要分量，周期分量很小；平均流函数强度年际变化中周期分量与显著线性趋势及脉动分量有相似权重(图3c、d).

图3 冬、夏季渤、黄海平均速度势、流函数强度年际变化Fig.3 Interannual variation of winter and summer mean velocity potential and stream function intensity in the Bohai Sea and Yellow Sea

渤、黄海平均速度势、流函数强度冬季线性减弱速率大于夏季，黄海冬、夏季平均速度势、流函数强度减弱速率大于渤海(图3).渤海夏季、黄海冬季平均速度势与流函数强度年际变化主要形态为显著线性减弱、脉动变化及10 a尺度跃变.

夏季速度势、流函数场对应的上升-下沉运动与冷暖水体水平输送效应可以影响温跃层的强度分布.根据夏季8月份渤海b1断面与黄海y1、y2断面调查站位(图1)对应的速度势、流函数、温度资料分析，8月份渤海风生流速度势、流函数强度对渤海b1断面8月平均温跃层强度[19]有显著影响(r1=-0.36，r2= -0.35)；南黄海速度势、流函数强度对南黄海y2断面8月份平均温跃层强度(另文研究)有显著影响(r1=-0.29，r2=-0.32)；北黄海速度势、流函数强度对北黄海y1断面8月份平均温跃层强度[20]无显著影响.渤海b1断面水深较浅，夏季风生流环流逐渐减弱趋势使得浅层暖水与深层冷水混合作用减弱，渤海b1断面温跃层强度呈现显著线性增强趋势[19].南黄海y2断面水深较大，北黄海y1断面潮流平流输送效应较大，风生流环流对温跃层影响效应较小，虽然风生流环流强度逐渐减弱，但是温跃层强度仍呈现准平衡态年际变化[20].

2.2 冬季平均风生环流场年际时空变化

冬季渤、黄海速度势REOF1空间分量呈现径向分布型，空间变化形态为：渤海中部辐散下沉区与渤海湾辐合上升区同位相变化，黄海中部辐合上升区与黄海东部辐散下沉区的强度与范围反位相变化，北黄海西部与南黄海西部辐散下沉区同位相变化(图4a)，REOF2空间分量呈现纬向分布型，空间变化形态为：渤海中南部辐散下沉区与渤海湾辐合上升区的强度与范围反位相变化，南、北黄海的辐散下沉区、辐合上升区为反位相变化，并且南黄海变化幅度大于北黄海(图4b).渤、黄海流函数REOF1空间分量在渤海为纬向分布型，黄海为径向分布型.空间变化形态为：渤海中部反气旋环流与辽东湾反气旋环流及渤海湾气旋环流的强度与范围反位相变化，黄海中部气旋环流与黄海东部反气旋环流、南黄海反气旋环流与渤海海峡气旋环流的强度与范围反位相变化(图5a).REOF2空间分量呈现纬向偶极子分布型，空间变化形态为：在渤海中北部反气旋环流与渤海湾气旋环流同位相变化，与莱州湾气旋环流反位相变化.以黄海37°N为分界线，在界北海域，黄海中部气旋环流与东部反气旋环流的强度与范围反位相变化；黄海中部气旋环流与渤海海峡气旋环流的强度与范围反位相变化.在界南海域：黄海中部气旋环流与黄海西部反气旋环流的强度与范围反位相变化，东部反气旋环流及海州湾反气旋环流与中部气旋环流同位相变化(图5b).因此，冬季渤、黄海速度势场年际变化主要分量呈现径向型分布的辐散下沉与辐合上升区强度与范围同位相及反位相变化，次要分量呈现纬向型分布的辐散下沉与辐合上升区强度与范围反位相变化.渤、黄海流函数场年际变化主要分量分别呈现纬向、径向型分布的气旋与反气旋环流反位相变化，次要分量呈现纬向偶极子分布型的气旋与反气旋环流同位相、反位相变化，渤海中部与黄海中部的环流形态年际变化分量较大.

图4 冬季平均速度势模态空间分量Fig.4 Spatial component of winter mean velocity potential modes

图5 冬季平均流函数模态空间分量Fig.5 Spatial component of winter mean stream function modes

冬季渤海速度势REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为12.0 a与21.0 a，存在10 a尺度跃变.FR值分别为0.22、0.68(n=42，显著0.05临界值为0.26，下同)，速度势REOF1年际变化以显著线性升高趋势及脉动分量为主，周期分量很小；REOF2准平衡态年际变化中周期分量与脉动分量有相似权重，存在10 a尺度跃变(图6a、b).流函数REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为14.0、42.0 a与5.6、28.0 a.FR值分别为0.94、0.74.流函数REOF1准平衡态年际变化以周期分量为主；REOF2年际变化中周期分量与显著线性升高趋势、脉动分量有相似权重，存在10 a尺度跃变(图6c、d).

图6 冬季渤海平均速度势、流函数模态时间分量Fig.6 Temporal component of winter mean velocity potential and stream function modes of the Bohai Sea

根据冬季渤海速度势模态时空分量的年际变化趋势分析，冬季渤海速度势年际变化主要分量是渤海湾辐合上升与渤海中、北部辐散下沉环流呈现显著线性减弱趋势，次要分量是渤海湾—渤海中部—渤海口与南北部呈现同步上升-下沉增强或减弱的准平衡态年际变化.这种年际变化形态说明冬季渤海湾上升环流自底层向表层水体输送能力与渤海大部分海域下沉环流自表层向底层的水体输送能力呈现线性降低趋势，冬季2月份渤海b1断面表、底层温度REOF1显著线性增温的长期趋势[22]是这种动力因素的作用使得渤海中央水体冷水存储能力逐渐降低的表现.

冬季渤海流函数年际变化主要分量为渤海中部较大海域反气旋型环流与渤海北部气旋型环流同步增强或减弱的长周期准平衡态年际变化，次要分量为渤海湾、渤海中部与南部的气旋型环流以及渤海中部、辽东湾、莱州湾海域反气旋型环流显著线性增强趋势.因此，自渤海中北部，沿着鲁北近海向南黄海输送的冷水以及黄海暖流暖水进入渤海中部情形呈现强-弱的准平衡态长周期年际变化是主要分量，辽南沿岸冷水进入渤海北部的能力增强是次要分量，并且由此部分抵消了渤海中部的增温影响，冬季渤海b1断面2月份温度REOF3的准平衡态年际变化[21]是这种效应的表现.

冬季黄海速度势REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为21.0 a与14.0 a.FR值分别为0.78、0.38，速度势REOF1准平衡态年际变化中周期分量与脉动分量有相似权重；REOF2年际变化中显著线性降低趋势及脉动分量是主要分量，周期分量较小，存在10 a尺度跃变(图7a、b).流函数REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为9.3、21.0 a与12.0 a.FR值分别为0.76、0.31.流函数REOF1准平衡态年际变化中周期分量与脉动分量有相似权重；REOF2年际变化中显著线性升高趋势与脉动分量是主要分量，周期分量较小，存在10 a尺度跃变(图7c、d).

图7 冬季黄海速度势、流函数模态时间分量Fig.7 Temporal component of winter mean velocity potential and stream function modes of the Yellow Sea

冬季黄海速度势年际变化趋势主要分量为黄海中部辐合上升与黄海东部辐散下沉海域强度与范围反位相的准平衡态年际变化，即黄海中部辐合上升强度增强(减弱)、范围增大(缩小)时，黄海东部辐散下沉强度减弱(增强)、范围缩小(增大).次要分量为南黄海辐散下沉、辐合上升环流分别显著线性减弱、增强趋势；北黄海辐散下沉、辐合上升环流分别显著线性增强、减弱趋势.因此，冬季黄海水体垂直输送能力以及深层冷水存储能力以准平衡态年际变化是主要分量，南黄海、北黄海垂直输送能力分别降低、升高年际变化是次要分量.冬季2月份黄海y1、y2断面表底层温度模态长期线性升温趋势与准平衡态年际变化[23-24]是这两种速度势分量年际变化叠加效应的结果.

冬季黄海流函数年际变化主要分量为黄海中部气旋型环流与黄海东西部反气旋型环流、渤海海峡气旋型环流强度与范围反位相的准平衡态年际变化，黄海中部气旋型环流强度增强(减弱)、范围增大(缩小)时，黄海东部反气旋型环流强度减弱(增强)、范围缩小(增大)，而黄海西部反气旋型环流只有强度强-弱年际变化，环流范围基本不变.次要变化分量为南黄海西部反气旋型环流显著线性增强；黄海中部气旋型环流减弱与黄海东部反气旋型环流显著线性减弱趋势，北黄海中部气旋型环流显著线性增强；渤海海峡气旋型环流与北黄海东部反气旋型环流显著线性减弱趋势.因此，虽然冬季黄海风应力场强度年际变化显著减弱[4]，但是冬季黄海风生流速度势、流函数场主要分量仍然为准平衡态长周期年际变化，次要分量呈现显著线性增强-减弱趋势年际变化，由此影响了冬季渤海中北部冷水沿着鲁北近岸向南黄海输送[3]、南黄海西侧辐散下沉区冷-暖水中心[24]、黄海暖流强度与位置以及暖流暖水向渤海输送[22-25]的年际变化.

冬季渤海速度势REOF1、REOF2空间分量与渤海风应力散度REOF1、REOF2空间分量显著相似(r1=0.43、r2=0.36)，时间分量显著负相关及非线性相关(r1=-0.95、r2=-0.41、nr2=0.62).冬季渤海流函数REOF1、REOF2空间分量与渤海风应力涡度REOF1、REOF2空间分量显著相似(r1=0.62、r2=0.38)，时间分量显著负相关(r1=-0.96、r2=-0.77).冬季黄海速度势REOF1、REOF2空间分量与黄海风应力涡度REOF1、散度REOF2空间分量显著相似(r1=0.73、r2= 0.42)，时间分量显著负相关(r1=-0.77、r2=-0.70).冬季黄海流函数REOF1、REOF2空间分量与黄海风应力涡度REOF2、REOF1空间分量显著相似(r1=0.57、r2=0.56)，时间分量显著负相关(r1=-0.77、r2=-0.80).由于风应力散度、涡度场对风生流变化过程均有作用[15]，因此，冬季渤、黄海风生流场垂直、水平环流场年际变化主要由渤、黄海风应力场散度、涡度年际变化控制，并且存在非线性作用分量，虽然冬季渤、黄海风应力强度显著线性减弱，但是，冬季渤、黄海风应力场散度、涡度场中长周期的准平衡态年际变化分量能够造成冬季渤、黄海风生流场垂直、水平环流场中呈现相应的长周期准平衡态年际变化分量.

2.3 夏季风生环流场年际时空变化

夏季渤、黄海速度势REOF1空间分量在渤海为开阔海-沿岸分布型；在黄海为径向分布型.空间分布形态为：渤海中部辐合上升区与辐散下沉区及莱州湾内辐散下沉区强度与范围反位相变化；辽东湾、渤海湾辐散下沉区与渤海中部辐散下沉区反位相变化.黄海中部辐散下沉区与黄海东部、中部辐合上升区强度与范围反位相变化，黄海西部与东南部辐散下沉区同位相变化(图8a).REOF2空间分量在渤海为开阔海-渤海湾分布型，在北黄海为纬向开阔海-沿岸型，在南黄海为径向分布型.空间分布形态为：渤海辽东湾、渤海中部、莱州湾的辐散下沉区与渤海中部辐合上升区强度与范围反位相变化，渤海湾内辐散下沉与辐合上升同位相变化.北黄海辐散下沉区与辐合上升区强度与范围反位相年际变化，南黄海中部辐散下沉区与南黄海东、西、南部辐合上升区强度与范围反位相年际变化(图8b).渤、黄海流函数REOF1空间分量呈现径向偶极子分布型，空间形态为：辽东湾气旋环流与渤海中部、渤海湾及莱州湾反气旋环流同位相变化；与渤海中部气旋环流反位相变化.黄海中部反气旋环流与黄海东部气旋环流强度与范围反位相变化，北黄海西部反气旋环流与黄海中部反气旋环流反位相变化，山东半岛沿岸逆流与黄海中部反气旋环流反位相变化(图9a).REOF2空间分量呈现纬向偶极子分布型，空间形态为：辽东湾、渤海中部气旋环流与渤海湾、莱州湾反气旋环流同位相变化，渤海中部反气旋环流与渤海中部气旋环流反位相变化.黄海中、西部反气旋环流与黄海东部气旋环流及山东半岛沿岸逆流同位相变化(图9b).因此，夏季渤、黄海速度势年际变化主要分量为径向分布的辐散下沉与辐合上升区强度与范围同位相及反位相变化，次要分量为纬向分布的辐散下沉与辐合上升区强度与范围同位相及反位相变化.渤、黄海流函数年际变化主要分量为径向偶极子分布的气旋与反气旋环流同位相及反位相变化，次要分量为纬向偶极子分布的气旋与反气旋环流同位相及反位相变化.

图8 夏季平均速度势模态空间分量Fig.8 Spatial component of summer mean velocity potential modes

图9 夏季平均流函数模态空间分量Fig.9 Spatial component of summer mean stream function modes

夏季渤海速度势REOF1、REOF2时间分量显著周期分别为8.6、43.0 a与10.8、28.7 a.FR值分别为0.77、0.69.速度势REOF1显著线性升高趋势周期年际变化，其中周期分量与显著线性升高趋势、脉动分量有相似权重；REOF2准平衡态周期年际变化分量，其中周期分量与脉动分量有相似权重，存在10 a尺度跃变(图10a、b).流函数REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为28.7 a与4.8、6.6 a.FR值分别为0.64、0.42.流函数REOF1准平衡年际变化中周期分量与脉动分量有相似权重；REOF2显著线性降低趋势与脉动分量是主要年际变化分量，周期分量较小，存在10 a尺度跃变(图10c、d).

图10 夏季渤海平均速度势、流函数模态时间分量Fig.10 Temporal component of summer mean velocity potential and stream function modes of the Bohai Sea

根据夏季渤海速度势、流函数模态时空分量的年际变化趋势分析，夏季渤海速度势年际变化主要分量为全部海域辐合上升强度显著线性减弱趋势，次要分量为辐合上升强度呈现准平衡态长周期年际变化.当主要与次要分量的辐合上升同位相或反位相叠加时，辐合上升的年际变化幅度将增大.夏季8月份渤海b1断面温跃层强度显著线性增强年际变化[19]说明辐合上升强度显著减弱.夏季渤海辽东湾气旋环流与渤海湾、莱州湾反气旋环流同位相以及渤海中部气旋环流反位相准平衡态长周期年际变化是主要分量，辽东湾气旋环流、渤海中部气旋环流及渤海湾、莱州湾反气旋环流存在显著线性减弱趋势；渤海中部反气旋环流存在显著线性增强趋势是次要分量.夏季8月份渤海b1断面温度模态时间分量的准平衡态变化(REOF1)与线性降低趋势(REOF2—REOF4)变化[15]是渤海速度势、流函数场年际变化综合动力作用的结果.

夏季黄海速度势REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为10.8、21.5 a与7.2、12.3 a.FR值分别为0.80、0.46.速度势REOF1年际变化周期分量与显著线性升高趋势、脉动分量有相似权重；REOF2显著线性升高趋势与脉动分量是主要分量，周期分量较小，存在10 a尺度跃变(图11a、b).流函数REOF1与REOF2时间分量显著周期分别为7.2、12.3 a与28.7 a.FR值分别为0.49、0.41.流函数REOF1、REOF2年际变化中显著线升高性趋势、脉动分量是主要分量，周期分量较小，存在10 a尺度跃变(图11c、d).

图11 夏季平均黄海速度势、流函数模态时间分量Fig.11 Temporal component of summer mean velocity potential and stream function modes of the Yellow Sea

夏季黄海速度势年际变化趋势主要分量为渤海海峡、南黄海西侧及黄海东部辐合上升环流与黄海中部辐散下沉环流显著线性减弱；南黄海中部辐合上升环流显著线性增强，次要分量为北黄海西侧、东侧辐合上升环流显著线性减弱；北黄海中部辐散下沉环流显著线性增强，南黄海西侧、东侧辐合上升环流线性减弱；黄海中部辐散下沉环流显著线性减弱.夏季黄海流函数年际变化主要分量为黄海中部、南黄海西部反气旋环流强度显著线性增强、范围增大；渤海海峡反气旋环流显著线性减弱；山东半岛沿岸逆流、黄海东部气旋环流强度显著线性减弱、范围缩小，次要分量为北黄海、南黄海反气旋环流、山东半岛沿岸逆流及黄海东部气旋环流显著线性减弱.夏季8月份北黄海y1断面温度、盐度年际变化时空模态[20]是黄海速度势、流函数综合动力作用的结果.

夏季渤海速度势REOF1空间分量与渤海风应力散度REOF1、涡度REOF1空间分量显著相似(r1=0.38、r2=0.29)，时间分量显著负相关(r1=-0.71、r2=-0.72)；速度势REOF2空间分量与渤海风应力散度REOF3、涡度REOF2空间分量显著相似(r1=0.21、r2=0.29)，时间分量显著非线性相关(nr1=0.41、nr2=0.84).夏季渤海流函数REOF1、REOF2空间分量与渤海风应力涡度REOF1、REOF2空间分量显著相似(r1=0.71、r2=0.49)，时间分量显著负相关及非线性相关(r1=-0.72、nr2=0.84).夏季黄海速度势REOF1空间分量与黄海风应力散度REOF1、涡度REOF2空间分量显著相似(r1=0.50、r2=0.44)，时间分量显著负相关(r1=-0.91、r2=-0.63)；速度势REOF2空间分量与黄海风应力涡度REOF2空间分量显著相似(r=0.42)，时间分量显著非线性相关(nr= 0.68).夏季黄海流函数REOF1空间分量与黄海风应力散度REOF1、涡度REOF2空间分量显著相似(r1=0.64、r2=0.48)，时间分量显著负相关(r1=-0.56、r2=-0.63)；流函数REOF2空间分量与黄海风应力涡度REOF1空间分量显著相似(r=0.22)，时间分量显著负相关(r1=-0.93).因此，在夏季较弱风应力强度作用下，渤、黄海风应力场对风生流场作用形态的年际变化过程比冬季复杂，非线性作用分量增大，夏季风应力与风生流之间的非线性作用过程值得进一步研究.

2.4 风生流环流与黄海暖流、黄海冷水团的年际变化

冬季黄海暖流范围、温度强度呈现显著年际变化形态[22-26].1999年冬季是黄海暖流暖年，1999年2月黄海暖流高温水体自南黄海、北黄海侵入渤海中部，并且在南黄海西侧辐散下沉中心形成暖中心[22-24].1999年2月黄海中部辐合上升环流、气旋环流强度与范围显著减小，黄海东部辐散下沉环流及反气旋环流强度增强、范围增大，南黄海西侧辐散下沉环流减弱、反气旋环流增强，渤海海峡为反气旋环流占据；渤海中部辐散下沉环流、反气旋环流减弱(图12).黄海东部反气旋环流强度增强、范围增大有利于加强南黄海暖流进入黄海，黄海中部气旋环流强度减弱、范围缩小及南黄海西侧反气旋环流增强，有利于黄海暖流西北分支发展.渤海海峡、北黄海反气旋环流发展有利于阻止辽南沿岸冷水进入北黄海暖流水体，同时将黄海暖流暖水向渤海中部输送，渤海中部反气旋环流减弱，有利于减弱渤海中北部冷水向鲁北近海输送,以及减弱阻挡黄海暖流暖水自渤海海峡流入渤海中部[16].由此，渤、黄海环流垂直、水平分布形态的输送效应使得黄海暖流高温水体自南黄海中部向南黄海西北部、北黄海及渤海输送形成黄海暖流暖年.

图12 1999年2月黄海暖流暖年月平均速度势、流函数场Fig.12 Warm year monthly mean velocity potential and stream function field of the Yellow Sea Warm Current in February 1999图中数值单位为102 m2/s

图13 1982年2月黄海暖流冷年月平均速度势、流函数场Fig.13 Cold year monthly mean velocity potential and stream function field of the Yellow Sea Warm Current in February 1982图中数值单位为102 m2/s

1982年冬季是黄海暖流冷年，1982年2月份南黄海124°E附近黄海暖流流域温度较低；南黄海西侧辐散下沉区为冷水中心，北黄海—渤海海峡及渤海中部为冷水控制[22-24].1982年2月黄海中部辐合上升环流及气旋环流强度增强、范围增大，黄海东部辐散下沉环流及反气旋环流强度减弱、范围减小，南黄海西侧辐散下沉环流增强、反气旋环流减弱，北黄海、渤海海峡为气旋环流控制，渤海中部反气旋环流增强(图13).

黄海中部气旋环流东侧对暖水的输送作用小于东部的反气旋环流，黄海中部气旋环流西侧冷水向南黄海输送作用增强，南黄海西侧反气旋环流减弱，因此减弱了黄海暖流西北分支发展，在南黄海西侧辐散下沉区形成冷水中心[24].北黄海气旋环流将辽南沿海冷水向黄海暖流海域输送，对黄海暖流水体降温作用显著，渤海中部反气旋环流增强使得渤海中北部冷水向鲁北近海输送增强，并阻挡了渤海海峡水体进入渤海中部.由此，形成北上黄海暖流暖水体在北黄海、渤海中部海域消失以及黄海暖流冷年[22-26].因此，冬季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部至渤海海峡的气旋环流、黄海东部辐散下沉反气旋环流是形成冬季黄海暖流强度与范围冷暖年的控制环流.

夏季渤、黄海深层冷水的强度与范围以及温度跃层、盐度跃层强度存在显著年际变化[17,19-21].1990年夏季为渤、黄海深层冷水团暖年，1990年8月渤、黄海深层冷水团温度较高、核心冷水团(≤8℃)范围较小[19-20].1990年8月渤海北、南部浅水区为辐散下沉环流，将浅层暖水向底层输送，渤海中部为辐合上升环流，将近岸底层暖水向中部深层集中，渤海海峡为较强反气旋环流，阻挡了北黄海深层冷水向渤海内部输送(图14)，由此，形成渤海底层冷水团暖年[19].渤海夏季风生流速度势、流函数场平均强度显著线性减弱，浅层暖、低盐水体与深层冷、高盐水体混合作用减弱，形成了夏季渤海b1断面平均温度跃层、盐度跃层强度显著线性增强[19].渤海海峡辐合上升环流与反气旋环流将近岸暖水向北黄海海槽冷水区集中(图14)，提升了北黄海冷水团温度[20].黄海中部气旋环流较弱，但是环流形态为辽南、鲁南近岸暖水向黄海中部冷水区输送(图14)，使得夏季黄海冷水团温度升高，形成夏季黄海冷水团暖年[20].

图14 1990年8月黄海冷水团暖年月平均速度势、流函数场Fig.14 Warm year monthly mean velocity potential and stream function field of the Yellow Sea Cold Water Mass in August 1990图中数值单位为102 m2/s

2011年夏季为渤、黄海深层冷水冷年，2011年8月渤、黄海深层冷水团温度较低、黄海核心冷水团范围较大[19-20].2011年8月渤海大部分浅海海域为辐合上升环流(只有莱州湾附近为辐散下沉环流)，阻挡近岸表层暖水向底层输送，渤海中部反气旋环流延伸至渤海海峡，使得渤海海峡冷水能够进入渤海中部，渤海中部辐散下沉环流将来自北黄海冷水向底层输送(图15)，由此形成渤海底层冷水团冷年[19].黄海中部气旋环流强度与范围增大，使得近岸暖水只能沿着海岸方向运移，不能进入黄海中部冷水团海域，黄海中部辐合上升环流强度与范围增大，减弱了表层暖水向底层热传播，由此，黄海中部冷水团受到辐合上升环流与气旋环流保护免受表层暖水向底层转播与近岸暖水侵入影响，维持较低温度.渤海海峡较弱的辐散下沉环流将北黄海冷水向深层输送，南黄海西侧辐散下沉环流向深层输送的暖水由气旋环流携带向南黄海南部输送，并不能进入黄海中部的黄海核心冷水团海域(图15)，这些动力因素有利于维持夏季黄海冷水团低温形态，形成夏季黄海冷水团冷年[19-20].

图15 2011年8月黄海冷水团冷年月平均速度势、流函数场Fig.15 Cold year monthly mean velocity potential and stream function field of the Yellow Sea Cold Water Mass in August 2011图中数值单位为102 m2/s

2006年8月至2015年8月期间夏季北黄海y1断面核心冷水团平均温度与面积呈现大幅度波动，但是夏季南黄海y2断面核心冷水团平均温度并没有呈现大幅度波动[20]，该期间黄海速度势、流函数模态时间分量呈现大幅度波动(图11)，2006年8月北黄海y1断面核心冷水团平均温度较高、面积较小[20]，速度势、流函数分布与1990年8月情形相似；2011年8月北黄海y1断面核心冷水团温度较低、面积较大[20]，黄海流函数模态在北黄海气旋环流增强效应大于南黄海(图2b，图11c、d)是北、南黄海核心冷水团强度年际变化波动幅度差异的主要动力原因；2015年8月北黄海y1断面核心冷水团平均温度升高、面积减小[20],速度势、流函数模态向2006年夏季情形接近(图11).夏季黄海风生流场大幅波动年际时空变化是黄海核心冷水团强度大幅波动年际变化主要动力因素.因此，夏季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部辐合上升气旋型环流是夏季渤、黄海冷水团强度与范围的控制环流.由于渤、黄海辐合上升环流位置与气旋环流位置非一致重叠，渤、黄海风生流垂直环流效应与水平环流效应有显著的局地差异，风生流速度势场年际变化是一个重要的分析变量.渤、黄海冬、夏季风应力场强度逐渐减弱[4]使得冬季黄海暖流暖水温度逐渐降低[22-24]、夏季黄海核心冷水团范围逐渐缩小[20].

由于冬季黄海暖流源自东海的黑潮北上分支影响[1-2]，海气热力过程对渤、黄海温盐场季节变化有显著影响[16-17,21]，太平洋大尺度温度指标PDO以及海气热力作用年际变化对冬、夏季节渤、黄海温盐分布与年际变化有显著影响作用[19-20,22-24].因此，由风生流场、大尺度环流及海气热力交换共同作用的渤、黄海冬、夏季节温盐场年际变化定量过程需要进一步研究.

3 结论

(1)在气候平均状态下，冬季反气旋型水平环流、辐散下沉环流是渤、黄海主要环流形态，气旋型水平环流、辐合上升海域较小，但是强度较大.冬季渤、黄海风生流是形成深层冷水储存层以及冷-暖水体南北向输送的主要动力因素.夏季反气旋型环流、辐合上升环流海域是渤、黄海主要环流形态，并且强度较大，气旋型环流、辐散下沉海域较小.夏季渤、黄海风生流是形成冷水团及山东半岛沿岸逆流的主要动力因素.

(2)渤、黄海冬季平均风生流速度势、流函数场年际变化分别存在两种主要时空模态.冬季渤海垂直环流强度及垂直输送水体能力显著线性降低趋势年际变化是主要分量，局部垂直环流增强或减弱准平衡态年际变化是次要分量.冬季渤海冷水输出与黄海暖流暖水进入渤海的强度准平衡态长周期年际变化是主要分量，辽南沿海冷水进入渤海的强度显著增强趋势是次要分量.冬季黄海水体垂直输送能力以及深层冷水存储能力准平衡态年际变化是主要分量，南黄海、北黄海垂直输送能力分别降低、升高年际变化是次要分量.冬季黄海气旋与反气旋环流呈现此消彼长的准平衡态年际变化是主要分量，气旋与反气旋环流显著线性增强或减弱趋势是次要分量.冬季黄海垂直及水平环流的主要分量维持准平衡态年际变化.

(3)渤、黄海夏季平均风生流速度势、流函数场年际变化分别存在两种主要时空模态.夏季渤海辐合上升环流显著线性减弱年际变化是主要分量，辐合上升强度准平衡态长周期年际变化是次要分量.夏季渤海气旋与反气旋环流准平衡态长周期年际变化是主要分量，气旋与反气旋环流显著线性增强及减弱趋势年际变化是次要分量.夏季黄海大部分海域垂直环流显著线性减弱；南黄海中部垂直环流显著增强是主要分量，大部分海域垂直环流显著线性减弱；北黄海中部垂直环流显著线性增强是次要分量.夏季黄海中部、南黄海西部反气旋环流强度显著线性增强、范围增大，其他海域气旋与反气旋环流、山东半岛沿岸逆流显著线性减弱是主要分量，气旋与反气旋环流显著线性减弱是次要分量.风应力场散度、涡度时空分量年际变化是控制风生流场时空年际变化的主要因素，冬季以风-流线性作用过程为主，夏季风-流非线性作用过程增大.

(4)冬季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部至渤海海峡的气旋环流、黄海东部辐散下沉反气旋环流是冬季黄海暖流强度与范围冷暖年的主要控制环流.当黄海中部辐合上升环流、气旋环流强度与范围显著减小，黄海东部辐散下沉环流及反气旋环流强度增强、范围增大，南黄海西侧辐散下沉环流减弱、反气旋环流增强，渤海海峡为反气旋环流占据；渤海中部辐散下沉环流、反气旋环流减弱时，形成黄海暖流暖年.相反环流形态时，则形成黄海暖流冷年.

(5)夏季渤海中部辐散下沉反气旋环流与黄海中部辐合上升气旋型环流是夏季渤、黄海冷水团强度与范围冷暖年的主要控制环流.当夏季渤海风生流速度势、流函数场平均强度显著减弱，黄海气旋与反气旋环流强度减弱，并将近岸暖水向渤、黄海中部冷水团海域输送时，形成渤海底层冷水团与黄海冷水团暖年.相反环流形态时，形成渤海底层冷水团与黄海冷水团冷年.夏季黄海风生流场大幅波动年际时空变化是黄海核心冷水团强度大幅波动年际变化主要动力因素.