长江口邻近海域海表温度变化特征分析

王 洁王 杰许佳峰栾奎峰*杨奕杰吕阳阳

(1.上海海洋大学 海洋科学学院,上海201306;2.上海河口海洋测绘工程技术研究中心,上海201306;3.南京师范大学 地理科学学院,江苏 南京210023)

海表面温度(Sea Surface Temperature,SST)体现了海洋内、外动力过程以及海气之间相互作用的综合结果,它不仅是海面水汽和热量交换研究的一个重要物理参数,也是海洋环流、水团、海洋锋、上升流和海水混合等海洋科学研究的一种直观指示量[1]。在200多年的发展进程中,人类对海表面温度的观测经历了船舶观测到船体感应温度再到浮标观测、卫星遥感观测的演变[2-4],国内外研究学者对各个海域的SST 时空分布变化进行了广泛的研究和分析[5-8]。

长江口紧邻大陆,SST 变化受陆地地面环境的影响很大,陆地气候对SST 变化也存在较为显著的影响,同时由于长江径流量的作用,使得长江口邻近海域的SST 变化与外海温度变化相比要更加明显。伍玉梅等[9]通过EOF方法对1985—2005年的东海SST 距平进行了分析,认为1998年之前的SST 变化幅度要大于1998年以后;冯琳和林霄沛[10]在2009年对东中国海SST 趋势进行分析后指出,东中国海区有明显的长期升温趋势,其中东海最明显;郭伟其等[11]研究指出东海沿岸SST 总体呈现上升趋势,其中嵊山站冬季上升趋势可达0.52 ℃/(10 a),夏季可低至0.12 ℃/(10 a)。我国对近海的研究主要集中在大尺度海气相互作用上,对近海SST 长期变化研究很少,而对近海SST 变化及其对沿岸中尺度气候影响的研究则更少。

本文利用长时间序列资料对长江口及其邻近海区的SST 进行统计研究,还分析了径流量和气温对SST的影响。对长江口邻近海域SST 的变化情况以及影响因素进行分析研究,不仅具有非常重要的理论意义,而且能更好地服务于海洋渔业、矿产资源的开发利用,以及更准确地对海洋环境进行监测以及预报。

1 数据与方法

1.1 数据源

本文使用数据包括:SST 遥感数据、径流量数据以及NOAA 气候数据。SST 遥感数据:1982—2009 年NOAA卫星高分辨率辐射计(AVHRR)反演的年平均及月平均SST 产品,分辨率为0.044°×0.044°,该数据由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)发布,利用探路者算法进行反演,精度可达0.02 ℃[12];2010—2017年MODIS Terra反演的年平均及月平均SST 产品,分辨率为0.041°×0.041°,该数据由美国国家航空航天局发布,其反演算法是在探路者算法的基础上发展而来的,反演精度更高。上述2种SST 产品已业务化运行多年,数据产品已非常成熟。径流量数据:长江口最下游的大通水文站实测1982—2017 年的月径流量数据。大通水文站是长江流域最下游的一个具有长期观测资料的水文站,是国家一类水文站。NOAA 气候数据是空间分辨率为0.25°×0.25°的1982—2017年的850 hPa处的月平均气温资料。该数据是经过后处理再分析的月平均数据。在研究区域的选择上,研究空间分布时选取的范围为部分中国海(114°～130°E,24°～40°N,即图1中大框区域),进行时间序列分析时选择长江口海域(122°00′～122°30′E,31°00′～31°30′N,即图1中红框区域)的数据的平均值来代替整个区域。

图1 研究区域Fig.1 Domain of study area

1.2 数据处理方法

本文主要运用了2种分析方法:功率谱分析以及相关性分析。功率谱分析[13]是以傅里叶变换为基础发展而成的一种分析方法,该方法是通过分配整个时间序列数据的总能量到不同的频率上,获取各个频率的分量,对不同频率的波的方差贡献进行分析,发现整个时间段具有的几个明显周期,从而获得时间序列上的显著振荡周期。利用功率谱分析对长江口SST 的振荡周期进行分析,得到了长江口SST 具有10.0,3.6,2.4和1.0 a的振荡周期。相关性是指两个因素之间存在一定的影响关系,相关系数的大小代表了两者之间的相关程度,相关系数越大,两个变量的关联越密切,影响越显著,相关系数越小,说明两者表现为轻微相关,影响程度很小。在讨论长江径流和气温对长江口SST 的影响时,通过对径流量和SST、气温和SST 的年均和月均数据进行相关性分析,来说明两者之间存在的影响关系。

2 长江口海域SST 的年际变化

2.1 时空变化

图2为不同年份长江口邻近海域年平均SST 变化趋势,长期年均SST 分布于18～24℃,36 a中年平均SST 最高值出现在1995年,其值约25 ℃,1987年的年平均SST 在36 a中最低,低于20 ℃,年平均SST 的最高与最低值相差了5 ℃。

图3中分别为4个不同年份的长江口邻近海域的年均SST 分布图。SST 分布呈现出有层次的带状分布,离长江口100～400 km 的SST 比近海SST 低1～2 ℃,400 km 以外的远海的SST最高,大范围内其值分布较均匀。长江近海SST 比稍远处SST 高主要是由于靠近内陆地区的SST 会受陆地下垫面各种复杂因素的影响。远海的SST 更高是受台湾暖流和黑潮的影响,SST 比较稳定是因为大洋环流稳定,再加上受陆地的影响较小,因此远海的SST 更高且变化差异小。

由图2和图3可见,长江口邻近海域的年平均SST 在时间上呈现出一种振荡变化的特征,空间上呈现带状分布的特征,且没有明显异常点。

图2 1982—2017年长江口邻近海域年平均SST 变化Fig.2 Variation of annual mean sea surface temperature(SST)in the Yangtze River estuary from 1982 to 2017

图3 不同年代长江口邻近海域年平均海表面温度Fig.3 Distribution of annual mean SST in different years

2.2 SST年变化趋势及振荡周期

通过计算1982—2017年间每10 a的SST 的变化率,进行SST 时间分布特征的分析(图4)。1982—2017年长江口邻近海域的SST 变化率大于0,并且长江口海域呈现每10 a增温0.48 ℃的趋势,这一结果与伍玉梅等[9]对东海SST 增温趋势的研究结果一致。此外,近海海域的SST 变化率大于外海海域的SST 变化率。长江口邻近海域年均SST 呈现整体的增温趋势以外,还具有先降温后升温,再降温的振荡特征(图5)。

图4 1982—2017年长江口邻近海域年均SST 变化趋势Fig.4 Trend of annual mean SST from 1982 to 2017

对122°00′～122°30′E,31°00′～31°30′N 范围内SST 的月平均数据进行功率谱分析,结果如图6所示。长江口邻近海域的SST 变化存在着多个振荡周期,其中比较明显的谱峰对应的频率约为0.0083,0.0231,0.0347和0.0833,分别对应120,43.2,28.8和12个月,说明长江口海域SST 值的变化对应有10.0,3.6,2.4和1.0 a的变化周期。

图5 长江口邻近海域年均SST 变化趋势Fig.5 Trend of annual mean SST of the adjacent area of the Yangtze River estuary

图6 长江口邻近海域月平均SST 的频谱图Fig.6 Spectrum of the SST

3 长江口海域SST 的季节变化

3.1 时空变化

通过分析36 a的月平均SST 数据(图7)发现,长江口邻近海域的月平均SST 变化曲线接近正弦曲线,月均SST 最低值出现在2月,最高值出现在8月。其中春季由于太阳辐射的不断增加,SST 值不断升高,并且温度升高的速率也呈现增加的趋势,而秋季到冬季则相反,SST 值不断降低。

图7 多年各月平均SST 变化曲线Fig.7 Seasonal variation of the SST

在分析不同季节SST 空间分布时,将不同年代的2月、5月、8月和11月的SST 分布,来分别代表该年代冬、春、夏、秋季时期SST 的分布。研究区域内不同年份相同季节的SST 分布结构极为相似,而同一年内不同季节之间SST 分布存在较明显的差异。冬季长江口近岸SST 值的范围为5～12 ℃,近岸到远海的SST 分布呈现出由低到高递增的带状分布,且递变梯度最大(图8)。春季长江口邻近海域的SST 分布范围为18～23 ℃,依然存在NW—SE向SST 递增分布的特征,递增的梯度较冬季来说较弱(图9)。夏季长江口邻近海域的SST 范围为26～31 ℃,夏季SST 空间分带不明显,长江口附近与外海的SST 几乎相当,高达30℃左右(图10)。秋季长江口邻近海域的SST 值范围为18～23 ℃,与夏季类似,不具有明显的空间分带特征(图11)。

图8 不同年份冬季SSTFig.8 Winter SST in different years

图9 不同年份春季SSTFig.9 Spring SST in in different years

图10 不同年份夏季SSTFig.10 Summer SST in in different years

图11 不同年份秋季SSTFig.11 Autumn SST in in different years

3.2 SST季节变化趋势

1982—2017年的不同季节SST 的10 a变化率,如图12所示。冬季长江口近岸SST 升温趋势明显,每10 a约升高0.5℃,远海无显著升温。春季长江口近岸升温幅度较大,每10 a约升高0.6℃,与春季相似,升温海域集中在近海海域,远海升温趋势不明显。整个研究区夏季SST 多年变化不明显,近岸海域每10 a约升温0.3 ℃。秋季长江口近岸SST 每10 a约升高0.1 ℃,近岸多为升温状态,有大部分海域每10 a降温约0.1～0.2 ℃。

图12 1982—2017年不同季节SST 变化率Fig.12 Rates of SST change in different seasons from 1982 to 2017

从36 a不同季节SST 值的总体变化趋势(图13)来看,四季均呈现升温趋势,其中冬季和春季的升温趋势显著,冬季2000年前SST 比较稳定,之后升温迅速,春季SST 多年来以较快的速度增温,且速率几乎不变。夏、秋季的升温趋势并不显著,夏季SST 在2000年前增温较迅速,而秋季SST 在2000年后增温较迅速。冬季平均每10 a升高0.5℃,春季平均每10 a升高0.6℃,夏季每10 a升高0.4℃,秋季每10 a升高约0.2 ℃。

图13 长江口邻近海域不同季节SST 变化趋势Fig.13 Trend of the SST change in different seasons

4 影响长江口海域SST 变化因素的分析

SST 在没有强烈的外部因素的作用下呈现均匀稳定状态,而随着全球气候变暖,SST 呈现不断上升的趋势,打破了之前温度变化的规律性。在气候作用剧烈时,会在某个时间段发生SST 异常现象。陈美榕等[14]指出,长江口海域SST 变化情况受厄尔尼诺影响较明显。张守文等[15]的研究发现台风对东海的SST有负异常贡献。河口海区的SST 在很大程度上受陆地河流径流量以及各种水团冲击的影响[16]。Materia等[17]的研究指出,河流径流会影响海洋温度,但SST 的响应并不是线性的。除了太阳辐射、气候和径流量等因素影响,海洋动力作用也会引起SST 的变化,比如海流[18]、海浪[19]等都会在一定程度上导致SST 变化。李娟等[20]指出南海SST 空间分布具有明显的季节性变化,其中表层水温主要受海面浮力通量的影响。本文主要讨论径流量以及气温对长江口邻近海域SST 的影响。

4.1 径流量对长江口邻近海域SST的影响

长江口径流量具有显著的季节性变化,将多年平均径流量数据以及月均SST 数据进行对比(图14),可以明显地看到长江口径流量的季节变化曲线与SST 变化曲线形状比较一致,但是长江口径流量的变化大概要比SST 变化提前一段时间,该情况主要可能是因为径流数据是在内陆河流的大通水文站观测,河流以径流的方式到达长江口,水团混合都需要一定的时间,从而导致一年中径流量的曲线比SST 曲线稍微提前了一点。长江口7 月份径流量最大,1 月份径流量最小。分析月均径流量与SST 的相关性(图15),两者的相关系数(r)达到0.794,通过了0.01的显著性检验,说明径流量对SST 确实具有一定的影响,即从多年月均SST 与径流量分析来看,随着径流量的增大(减小),长江口SST 随之升高(降低)。

图14 各月平均径流量与海表面温度分布Fig.14 Seasonal variation of runoff of the Yangtze River and SST

图15 月平均径流量与海表面温度的相关性Fig.15 Correlation between monthly mean runoff and SST

表1 是1982—2017 年长江径流量与长江口SST 各月间的相关系数,由同期相关系数比较可以看出:3月、4月两者相关系数较大,分别为0.343和0.326,且都通过了0.05的显著性检验,说明长江口径流对SST 的季节影响主要体现在春季,尤其是春季的3月、4月。春季降雨增多,加上气温的转变,携带大量冷水入海,使得长江口SST 降低。冬季径流量对于SST 的影响较弱,而夏、秋季两者相关性比较差。

表1 1982—2017年各月月均长江径流量与长江口SST相关系数Table 1 Correlation coefficients between monthly mean runoff and SST from 1982 to 2017

综观长江口径流量和滞后的SST 的相关性,3月、9月径流量与滞后1个月的SST 相关系数较大,分别为0.310和0.484;3月、4月和9月径流量与滞后2个月的SST 相关性较高,相关系数分别为0.463,0.370以及0.404;滞后3个月的SST 与4月径流量的相关性较高,为0.302。3月径流量对滞后1,2个月的SST 影响较大,也就是对4月、5月的长江口SST 有影响,4月径流量对滞后2,3个月SST 的影响较大,这说明4月径流量对6月、7月的SST 有影响。这是因为3月、4月属于季节转换期,冷空气逐渐减弱,且长江地区处于多雨时节,而且此时SST 比气温高,长江径流携带大量冷水入海,使得混合后SST 降低[21]。9月径流量对10月、11月SST 的影响较大,这是由于9月是季节转换期,冷空气逐渐增加,长江口地区降水量变大,长江携带的暖水对10月、11月SST 有影响。径流量月变化对SST 的月变化有一定的影响,但是两者相关性较小,径流量并不是影响SST 变化的主导因素。

对长江口径流量数据进行谱分析(图16),发现长江口径流量年际变化具有4个明显谱峰,分别对应17.0,2.4,1.5以及1.0a的振荡周期。前文分析长江口海域SST 具有10.0,3.6,2.4以及1.0 a的显著振荡周期,多年来径流量及SST 两者存在较一致的振荡周期,说明长江口径流量的年际变化对SST 年际变化有一定影响。

图16 长江口月平均径流量的谱分析Fig.16 Spectrum of the runoff of the Yangtze River

4.2 气温对长江口邻近海域SST的影响

研究区多年月平均气温曲线与SST 月均曲线的形状极为相似(图17),均为单峰型曲线,但是气温曲线变化较SST 曲线提前1个月。多年月平均气温与多年月平均SST 的相关系数为0.923,而滞后1个月气温值与SST 值相关系数高达0.981。大气对海洋有决定性作用,即大气温度的变化,通过海气相互作用,从而使SST 也发生明显的响应。

将1982—2017年均SST 与年均气温相比(图18),两者存在着部分相同的变化曲线,其相关系数为0.438,当气温处于上升时,SST 也上升,当气温降低时SST 也随之降低,气温的变化同样比SST 变化提前。长时间年均SST 的变化受气温变化影响较显著,气温对SST 的变化具有决定性作用,气温升高,通过海气相互作用进行热传输,从而造成SST 升温。

图17 多年月平均气温与SST 变化曲线Fig.17 Seasonal variation of temperature and SST

图18 年平均SST 对气温的响应情况Fig.18 Interannual variation of sea surface temperature and SST

5 结 论

本文利用长时间序列(1982-2017年)SST 遥感数据分析长江口邻近海域SST 的季节和年际变化规律。利用功率谱分析研究长江口邻近海域SST 及径流量的振荡周期,并分析两者的响应关系;利用相关性分析探讨气温、长江口径流量对海表面温度的影响程度,旨在揭示影响长江口邻近海域SST 变化的主要因素。得到了以下结论:

1)从变化周期来看,长江口邻近海域年均SST 在36 a间存在10.0,3.6,2.4以及1.0 a的显著变化周期。

2)从年际变化来看,长江口海域SST 呈现增温的趋势,每10 a增温的幅度达到0.5 ℃。从季节变化来看,SST 的最低值出现在2月,最高值出现在8月;四个季节随年代变化,SST 都呈现增高的趋势,其中春季SST 增温最明显,秋季SST 变化趋势最小。

3)从空间上来说,长江口邻近海域SST 呈现NW—SE 向SST 递增的带状分布特征,其中春、冬季带状分布趋势较明显,变化梯度较大,而夏、秋季空间分带变化梯度较小。

4)长江口径流量对邻近海域SST 具有一定的影响,从多年变化来看,随着年均径流量的增大(减小),年均SST 随之升高(降低);从月变化来看,3月、4月以及9月的径流量对SST 值的影响较大;气温对SST 的变化具有决定作用,大气温度的总体趋势是升高的,通过海气相互作用进行热传输,从而造成多年来长江口邻近海域SST 逐渐升温。

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