中国东海黑潮海温变化特征及成因分析

易香妤，董文杰，李劭怡，李源，徐丹亚，王彰贵

（1.中山大学大气科学学院，广东珠海519082；2.南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东珠海519082）

1 引言

黑潮是西北太平洋一支强大的西边界暖流，是热带太平洋向高纬度地区输送水量、热量和能量的主要通道，其来源于菲律宾以东，130°E以西海域[1]，具有流速快、流幅窄、流量大和高温高盐等明显特征[2-4]。长期以来，黑潮流域的海温对我国气候的影响一直受到科学家的关注，黑潮不但能对区域气候产生影响[5-6]，同时也会对全球大气环流和气候产生一定影响[7]。王闪闪等[8]的研究表明，黑潮区域的净热量释放是全球海洋中最大的，热量的流动可引起大气环流异常，从而引起周边甚至更远地区气候和天气的变化。在当前全球变化的新形势下，黑潮海温的研究更加具有深远意义。目前国内外已有许多学者研究黑潮的变化以及黑潮与中国区域甚至全球气候要素的关系。赵煊等[9]研究了春季中国东海黑潮区大气热源异常对中国东部降水的影响，结果表明，春季中国东海黑潮区上空为显著大气热源，大气对该热源的响应在不同时空尺度会表现出不同形式。

目前大多数研究是针对黑潮海温在某个季节或区域对大气要素变化的影响，或者大范围黑潮海域与大气的相互作用，例如，刘明洋等[10]探讨了黑潮延伸体区域海表温度锋的时空变化特征；宋春阳等[11]根据气候态资料分析了2017年中国近海海表温度特征。但是，受限于早年资料不足、技术发展不够先进、观测资料不确定性大且覆盖不全等原因，在中国东海黑潮关键区，针对其海温在全球变化形势下的长期变化趋势及其变化原因的研究还不够多。由于黑潮的路径长，范围广，自身形态变化复杂，本研究的重点在于综合多种现有资料，参照前人工作，通过海表放热量确定最能代表黑潮特征的东海黑潮关键区，针对此关键区分析东海黑潮海表及次表层温度的长期变化趋势，并尝试分析找出其变化的原因。

2 数据及方法

2.1 实测海温数据

本文所采用实测海温数据取自中国近海海洋观测资料集。它是由中山大学整理构建的一套新的中国近海海洋温盐资料集（1978—2018年）（以下简称“中大温盐资料集”）。其原始数据来源于美国国家海洋数据中心（National Oceanographic Data Center，NODC）、全球海洋实时观测网（Array for Real-time Geostrophic Oceanography，Argo）、中国海域走航资料和近岸盐温深测量系统（Conductivity/Temperature/Depth，CTD）等。其中NODC的数据包括1978—2005年的舍弃式海水温深度自计仪（eXpendable BathyThermograph，XBT）、海洋站点资料（Ocean Station Data，OSD）、机械式深海温度计（Mechanical BathyThermograph，MBT）、锚定浮标站（MooRed Buoys，MRB）、漂流浮标（DRifting Buoys，DRB）、廓线漂流浮标（Profiling FLoats，PFL）等器测温盐资料以及世界海洋数据集（World Ocean Database，WOD）资料（网址：https://www.ncei.noaa.gov/products/world-ocean-database），涵盖日本海和中国近海（黄海、渤海、东海和南海）1978—2018年逐月温盐数据；数据库还包括2006年9月—2019年3月南海Argo浮标248个（网址：https://www.seanoe.org/data/00311/42182/），以及国家海洋局第二海洋研究所10次走航CTD温盐观测资料，包括1994年南海观测数据1次，1998年南海季风实验8次，1998年南海海洋环境补充调查1次。3种资料的详情及其对应时间见表1。

参考其他机构的全球温盐分布情况，针对上述各种实测温盐资料10 m以上的表层数据进行简单的质量控制，剔除温度＜0℃或＞30℃以及盐度＜10‰或＞40‰等不合理数据，并进行格式统一，然后利用Cressman方法进行插值计算，整合成本文所需数据，其分辨率为1°×1°。

2.2 再分析海洋数据

美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）机构下的国际综合海洋大气数据集（International Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set，ICOADS）是收集量最大的海洋表面观测数据集，包括了来自多国船只（商业、海军和研究）的测量数据，各类浮标、海岸站点以及海洋台站数据等，免费提供全球过去3个世纪的海洋表面数据，以及简单的网格化分辨率为2°×2°（1960年以后为1°×1°）的逐月数据产品（网址：https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.coads.1deg.html.）。随着数百年来测量原理和技术的发展，ICOADS数据集包含了众多不同观测系统的观测结果，因此ICOADS可能是现有资料最完整且种类最多的海表数据集。

哈德莱中心（Hadley Centre）全球海冰和海表温度（Global Sea Ice and Sea Surface Temperature，HadISST）涵盖了1871年至今完整的全球逐月海表温度和海冰数据，并对1981年以前海洋数据库（主要是船舶航行）和ICOADS的海表面温度（Sea Surface Temperature，SST）资料采用了最优插值法，与1982年以后原位数据以及调整后的卫星SST数据结合起来组成了完整的数据集，数据空间分辨率为1°×1°[12]。

对于中国东海黑潮海温的研究，本文对1981—2010年HadISST的1°×1° SST逐月资料（网址：https://www.metoffice.gov.uk/hadobs/hadisst/data/download.html.）、ICOADS提供的1°×1° SST逐月资料（网址：https://data.nodc.noaa.gov/cgi-bin/iso?id=gov.noaa.nodc:ICOADS-netCDF#.）以及简单海洋数据 同 化 资 料（Simple Ocean Data Assimilation，SODA）0.5°×0.5°的海洋温度、海洋流速和海表净热量通量逐月资料（网址：https://www.atmos.umd.edu/~ocean/index_files/soda3_readme.html.）进行对比分析，同时利用2.1节建立的中大温盐资料集对分析结果进行简单验证，资料分辨率及时间详见表1。

表1 不同数据详情及其对应时期

2.3 东海黑潮关键区的选取

东海黑潮关键区的选取参照丁良模[13]的方法，即通过估算分析中国近海的海面放热量（感热+潜热），证明东海黑潮关键区的海面放热量具有代表黑潮全域的意义。参照此研究结果选取125°～130°E，26°～30°N海区范围作为黑潮关键区，此关键区既是黑潮流经的主干区，也是著名的气团变性试 验（Air-Mass Transformation EXperiment，AMTEX）的核心试验海区。东海黑潮关键区的大致位置如图1所示。

图1 东海黑潮关键区海域范围及水深（单位：m）

2.4 中国东海黑潮关键区气候态的确定

基于上述中大温盐资料集，对东海黑潮关键区内逐年表层海温观测样本数进行统计（见图2）。从图中可以看出，1994—2018年时间段内搜集到的资料较少，以“连续整30 a为气候态”、“选取时间段内关键区内数据资料足够多”以及“包含变化明显气象海洋事件（例如厄尔尼诺-南方涛动（El Niño-Southern Oscillation，ENSO）等）”为3个挑选指标，同时由于20世纪80年代后海洋增暖情况较为明显[14]，最终选取1981—2010年作为中国东海黑潮关键区海温的研究对象和气候平均值。

图2 1978—2018年东海黑潮关键区内中大温盐资料集观测样本数量分布

3 1981—2010年东海黑潮关键区海表温度变化特征及成因分析

3.1 东海黑潮关键区SST变化趋势

针对所选取的东海黑潮关键区，我们将1981—2010年各资料源的气候态月平均SST进行了对比，结果见图3。结果显示ICOADS和中大温盐资料集的气候态月平均值较为接近，而HadISST资料与前述两种资料相比，5—10月夏秋两季较接近，其中7—8月SST偏高0.2℃左右，但11月—次年4月秋冬两季海表温差别较大，2月平均SST偏低可达1℃。形成这种差别的原因，可能是中大温盐资料集与ICOADS相似，都是直接收集观测资料集进行整合，而HadISST的数据包含了走航的海洋数据库、ICOADS SST以及卫星SST资料并进行了最优插值。其优点是资料多，通过插值涉及的分析范围更广，也能平滑数据，但资料和插值算法可能也会导致更大的系统误差和随机误差，而对于小尺度范围解析的可信度，ICOADS和中大温盐资料集或许会占更多优势。

图3 东海黑潮关键区3种资料源1981—2010年气候态月平均SST对比

此外，在东海黑潮关键区，不同资料在1981—2010年SST的趋势大体一致，四季都呈现出增暖趋势，这与冯琳等[15]得出的在东中国海SST具有明显的长期升高的线性变化趋势的结论相似。表2为各资料4个季节的平均SST以及变化趋势，可以看到平均SST在春冬两季差别更大，夏秋差别较小，HadISST在春冬两季的平均温度较其他两种资料更低；同时也发现3种资料都显示在春季和冬季的增温幅度更大，中大温盐资料集的增温速度最大在春季，达到0.57℃/10 a，冬季次之，为0.39℃/10 a，而HadISST和ICOADS则是冬季增暖速度更大，增速分别达到0.44℃/10 a和0.34℃/10 a。

表2 东海黑潮关键区各数据平均SST变化趋势

为了更加直观地表现东海黑潮关键区SST增温趋势，选取3种资料1981—2010年的月平均序列和年平均值资料分别作为气候态平均场，并在此基础上计算各自30 a的年平均异常值和月平均异常值，海表面温度异常（Sea Surface Temperature Anomaly，SSTA）结果如图4所示。

图4 东海黑潮关键区1981—2010年月平均SSTA（深蓝、深红对应右侧坐标）叠加年平均SSTA（浅蓝、浅红对应左侧坐标）对比图（使用各资料1981—2010年SST平均作为气候态平均）

图4为东海黑潮关键区的年平均和月平均SSTA值序列叠加显示。1981—2010年30 a间，3种资料在关键区的SST都呈现出增温趋势，且中大温盐资料集、HadISST和ICOADS的异常值年际变化趋势分别为0.38℃/10 a、0.37℃/10 a以及0.28℃/10 a（见表3）。对于此现象，前人大多着眼于更长时间或更大范围海域的海温变化，例如苏勤等[16]研究得出近百余年来，西北太平洋SST整体上以3.9×10-3℃/a的速度显著性逐年线性递增，1870—1910年间表现出缓慢的递减趋势，1910—1930年间的SST为近百余年来的波谷，曲线走势非常平缓，1930年以后SST持续性递增至今；张秀芝等[14]研究得出近100多年来中国近海各海区都呈增温趋势，20世纪80年代以后增暖更加明显，20世纪90年代至今最暖；但目前还鲜有单独关注东海黑潮区域在20世纪80年代后的海温变化趋势。从图4中可以直观看出，1981—2010年间东海黑潮关键区在1997年前后温度由长期负异常变为长期正异常，但此序列未通过M-K突变检验，所以不能算作突变点，但从图4可看出东海黑潮关键区海温变暖的趋势毋庸置疑。中大温盐资料集的SST年异常值在1998年升高近1.5℃以上，HadISST和ICOADS的SST年异常值在1998年升高近1℃。这种突然升高的异常现象很可能与1997—1998年的强El Niño现象有关。

表3 东海黑潮关键区年平均SSTA变化趋势（单位：℃/10 a）

王彰贵等[17]研究指出，1997—1999年出现了本世纪最强的El Niño现象，并伴有海温增温速度快、持续时间长和强度大等特点，1997年12月上旬，中、东热带太平洋的海水增暖高达4℃，比1982/1983年El Niño现象增暖还高0.4℃，1997年7月—1998年2月，赤道中、东太平洋海水增暖一直高于2.5℃，持续长达8 M，足以证明此次El Niño现象的增温幅度之大和持续时间之久。

从图4中我们还发现，1998年El Niño现象后十余年，东海黑潮关键区SST正异常的现象依然持续保持，这种海温异常的维持是全球变暖导致还是与El Niño现象相关，这或许是值得我们关注和研究的一个方向。

3.2 东海黑潮关键区表层增温原因探讨

根据上混合层理论，若将SST视为上混合层的温度，上混合层内垂直积分下的温度局部变化方程[18]为：

由于本研究选取上层SST为研究对象，根据尺度分析，将方程省去了垂直方向的卷挟作用和水平扩散项，省略后的SST变化简单方程如下：

利用SODA再分析资料的海表0～20 m平均数据，计算上式中右边各项物理量，图5为各项物理量的逐年变化异常图。图中可大致看出，1981—2010年东海黑潮关键区逐年SST整体为增温，2000—2010年变化较为平缓，甚至2005—2010年SST有所降低，同样也由于1997—1998年超强El Niño现象，使得1997年增温率达到最高，随后1999年局部温度为负增长且达到30 a中最低；纬向平流项和海表净辐射通量项在30 a间随时间减少，减少速度逐年降低，即纬向平流和海表辐射对SST的增暖为负影响；与之相反的是，经向平流的变化一直为正值，且20世纪90年代后一直增强，表明经向平流项对SST的影响逐年增加，且从1990年开始增速越来越快。根据图4的年平均（月平均）SSTA分布的转折点，分别计算了1981—1997年和1998—2010年平流项平均值。1981—1997年平均纬向平流项为0.41×10-7，平均经向平流项为-0.51×10-7，1998—2010年平均纬向平流项为-0.54×10-7，平均经向平流项为0.66×10-7，同样分析可知，纬向平流带来的温度变化由增温变为降温作用，而经向平流是由降温变为增温作用。

图5 1981—2010年东海黑潮关键区SSTA及引起温度变化的各项因子异常值（资料来源于SODA3.4.1）

本研究认为，在海表20 m以上的范围内，若忽略垂直方向的卷挟作用和水平扩散作用，1981—2010年SST的增强主要是由于经向平流增强而带来的增温效应，即由于海水经向流速和温度梯度共同作用导致东海黑潮关键区SST升高，这可能是由于西北太平洋西边界流加强带来的效果，背后更复杂的原因和机制有待今后的进一步研究。

4 1981—2010年东海黑潮次表层海温和流速变化趋势

4.1 关键区1 000 m以浅海温及其异常变化

除SST之外，本研究也关注东海黑潮关键区的次表层温度变化。为了研究这种增温趋势能辐射到的海表以下范围，我们利用SODA数据分析了1981—2010年东海黑潮关键区不同深度的年平均海温时空分布情况。从图6a可以看到，从1981—2010年，200 m以上的海温有较明显的升温趋势，其中在1987—1988年和1997—1998年，东海黑潮关键区在150 m以上有两次明显的突然升温过程。通过文献调研，发现1987—1988年和1997—1998年正是经历了两次比较强大的El Niño现象；同表层相似，每一次El Niño现象之后10 a内，150 m以上的海域年平均温度都比这次El Niño发生之前更高，这一点在1997年El Niño现象之后表现尤为明显。

从1981—2010年东海黑潮关键区1000 m以内（共28层）海温及其异常分布也可以看到（见图6b），海温正异常最明显的时期是在1997—1998年（如前所述El Niño事件发生时期），100 m以上达到正异常1℃，且在200 m以上均有明显正异常现象，这种正异常直到2010年仍在200 m以上海域有所体现。从图6还可看出，1997年前300 m以上海域呈降温状态，300 m以下呈升温状态，而1997年之后，1 000 m以浅的整个海域几乎均为正异常，伴随300 m以下海水的短期负异常，此现象表明1997年后，海水增暖现象使得1 000 m以上整层海水增暖系统比1997年以前更加深厚。上述结论与谭能志[19]研究得到的1945—2010年“温度在300 m以浅显著增温，300～500 m为过渡层，500 m以深以下降温”有类似结论。

图6 1981—2010年东海黑潮关键区海温及其异常分布深度-时间剖面图（单位：℃）

4.2 次表层流速和温度变化

根据上述研究，考虑到台湾东北部东海黑潮的主流区流幅比较狭窄，二节以上的强流带不到25 n mile（约45 km）宽[20]，东海黑潮最大流速一般也在1.5～3.0节（约0.75～1.5 m/s）间[21]，因此上述选取的东海黑潮关键区太大，不仅包含黑潮的主流区，还包含了黑潮主流周围的次尺度涡。本文取PN断面附近多年平均流速最大的一点（28°N，127°E）来代表东海黑潮，分析黑潮流速最近30 a的变化趋势，这一点的变化情况在一定程度上能反应出30 a黑潮海温和流速的变化。由于此点的海洋再分析资料分辨率较粗，图中只给出500 m以浅流速的结果，为便于分析，也同时给出海温变化进行对比分析。

从全年来看，50 m以浅流速最大能达到0.8 m/s以上（见图7），且黑潮流速的年际变化显著。1987—1988年、1993年、1997年、2001—2005年东海黑潮流速明显增强，温度升高，尤其在1977—1978年和1997—1998年增温显著，这与ENSO变化周期一致。流速的变化趋势结果显示，1981—2010年，表层流速大约每10 a增长0.6 cm/s，增长趋势随深度递减，220 m后海流增长趋势逐渐变大。对于温度变化，150 m以浅的温度在1997年出现最大正异常，1997年后一直保持正距平。东海黑潮主流区温度变化趋势结果与前面的分析相似，100 m以浅海温增暖最为显著，即每10 a增加0.2～0.3℃，且在100 m左右增速达到最大。

图7 1981—2010年东海黑潮主流区500 m以浅流速、温度及变化趋势

图8—11为东海黑潮1981—2010年4个季节流速、温度的分布以及各层变化趋势图。整体来看夏季流速最大，200 m以浅范围内基本超过0.7 m/s，冬季流速最小。4个季节的流速在30 a间都呈现出正异常，夏季最为明显；四季温度都是由海表向海底逐渐变冷，夏季表层达到28℃以上，冬季约在22℃左右，春季几乎500 m以浅均为正异常，异常现象在秋季表现最不明显。ENSO现象（例如1987—1988年、1993—1994年、1997—1998年 和2004—2005年等）对春冬两季流速和温度的影响最大。

图8 1981—2010年春季东海黑潮主流区500 m以浅流速、温度及变化趋势

500 m以浅各层流速变化趋势在各个季节存在较大差异（见图8-11）。各层流速在秋冬季呈现增长趋势，春夏则为减小趋势。春夏季均自表层向深层负趋势减小（即速度减小得越来越慢），但180 m处开始随深度增加而趋势减缓，而后逐渐趋于稳定；秋季表层500 m以浅随深度增速趋势逐渐减小，越到深处越稳定；冬季增速在150 m左右达到最强，之后随深度逐渐减小。对于温度而言，秋冬季节各层均为增加趋势，且增温趋势最强之处均在50～100 m处，随后又随深度增加趋势减缓；而春夏两季最强在50 m左右，其中春季在50 m处的增温趋势能达到0.4℃/10 a，但在150 m及以下则表现为降温趋势。

图9 1981—2010年夏季东海黑潮主流区500 m以浅流速、温度及变化趋势

5 结论与展望

本研究得到的结论如下：

（1）通过自建的中大温盐资料集、HadISST以及ICOADS资料分析得出，在东海黑潮关键区（125°～130°E，26°～30°N），1981—2010年SST整体呈现出增温趋势，春冬两季增暖幅度最大，1997年是海温异常由负到正的转折点。

图10 1981—2010年秋季东海黑潮主流区500 m以浅流速、温度及变化趋势

（2）通过温度局部变化方程计算得出，在海表20 m以浅范围内，若忽略垂直方向的卷挟作用和水平扩散作用，东海黑潮1981—2010年SST的增强主要是由于经向平流增强带来的，即由于经向流速和温度梯度共同作用导致东海黑潮关键区SST升高。

（3）东海黑潮关键区次表层在1981—1997年300 m以浅海域呈负温度异常，300 m以下呈正异常，而1997—2010年0～1 000 m左右的整个海域几乎均为正异常，这表明在东海黑潮1 000 m以浅范围内1997年后比1997年前海水增暖系统更加深厚。

图11 1981—2010年冬季东海黑潮主流区500 m以浅流速、温度及变化趋势

（4）通过选取PN断面附近多年平均流速最大的一点代表东海黑潮关键区情况，分析发现黑潮50 m以浅流速最大能达到0.8 m/s以上，且流速的年际变化显著，与ENSO的变化周期一致。1981—2010年表层流速大约每10 a增长0.6 cm/s，增长趋势随深度递减；100 m以浅海温增暖最为显著，约每10 a增加0.2～0.3℃，且在100 m左右增速达到最大。

（5）将4个季节分开来看，春季几乎500 m以浅均为正异常，秋季异常现象最不明显。ENSO现象对于春冬两季流速和温度的影响最大。各层的流速在秋冬两季为增长趋势，而春夏则为减少趋势。秋冬季节各层温度均为增长趋势，且在50～100 m处增温趋势最强，而春夏两季最强在50 m左右，春季在50 m处的增温趋势能达到0.4℃/10 a，而在150 m及以下则表现为降温趋势。

然而本研究还存在一些不足之处。例如：对于中大温盐资料集的原始资料收集还不够完善，个别地区的数据有待仔细排查和修正，之后会继续完善观测数据集的收集和处理工作；受到观测资料限制，本研究选取的年限不够长，东海黑潮关键区海温增强现象更为复杂的原因、增温现象背后的动力学分析、ENSO事件与东海黑潮温度和流速的具体关联、影响范围和物理机制等问题还需展开进一步研究。

致谢：诚挚感谢美国麻省大学海洋科学和技术学院终身正教授、吾兹霍尔海洋研究院物理海洋系兼职科学家陈长胜教授对中大中国近海海洋温盐资料收集提供的大力支持。