石強(qiáng)
(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266033;2.國家海洋局北海環(huán)境監(jiān)測中心,山東青島266033;3.海洋溢油鑒別與損害評估技術(shù)國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島,266033)
山東半島東端成山頭南部的黃海海域?yàn)槟宵S海,南黃海南側(cè)以濟(jì)州島至長江口一線為界與東海相鄰,在黃海中部分布著南北方向伸展的黃海槽,水深約50~80 m。黃海主要分布有5種水團(tuán):黃海暖流水團(tuán)、黃海底層冷水團(tuán)、朝鮮沿岸水團(tuán)、中國沿岸水團(tuán)和長江沖淡水團(tuán)。黃海環(huán)流分為兩種季節(jié)性流系:冬季環(huán)流和夏季環(huán)流。
樂肯堂等(1990)根據(jù)1986年1月中美聯(lián)合調(diào)查資料分析,南黃海冬季黃海暖流可以在深層和表層同時(shí)出現(xiàn);深層黃海暖流,可能沿黃海槽北上,有時(shí)甚至能到達(dá)北黃海;南黃海表層存在西側(cè)氣旋型環(huán)流和東側(cè)反氣旋型環(huán)流。湯毓祥等,(2000)根據(jù)1980-1990年的觀測分析認(rèn)為:冬季南黃海環(huán)流基本是由其中部北上的黃海暖流與其兩側(cè)向南運(yùn)移的沿岸流所組成,黃海暖流的路徑和強(qiáng)度皆存在著一定的年際變化。臧家業(yè)等(2001)認(rèn)為:黃海暖流路徑存在著一定的季節(jié)和年際變化。大多數(shù)年份暖流路徑偏于黃海槽的西側(cè),少數(shù)年份暖流路徑沿槽北上,其路徑的變化與北向季風(fēng)的強(qiáng)弱有密切關(guān)系。王輝武等(2009)認(rèn)為:黃海暖流強(qiáng)弱存在4~7a變化周期,與季風(fēng)經(jīng)向分量具有較好相關(guān)關(guān)系;黃海暖流流軸存在3~6a變化周期,流軸擺動明顯受冬季季風(fēng)緯向分量影響。邢傳璽等(2010)認(rèn)為:黃海、東海環(huán)流在其特殊地形的約束下對冬季風(fēng)的響應(yīng)和調(diào)整,是引起黃海暖流西偏的主要原因。Zhang等(2002)根據(jù)1980年2-7月南黃海斷面資料分析,3-7月期間南黃海存在6個水團(tuán):黃海冷水團(tuán)、黃海水、山東南岸水、江蘇北岸水和黃海暖流水。Chen等(2009)總結(jié)了渤海、黃海、東海冬夏季水團(tuán)和海洋鋒特征。Naimie等(2001)用三維氣候模式研究了黃海平均季節(jié)環(huán)流分布,在冬季,風(fēng)生環(huán)流形成在中國-朝鮮海岸的向南表層流和黃海中部深層的北向補(bǔ)償流—黃海暖流。張松等(2009)指出:東亞季風(fēng)的年際變率與渤、黃、東海SST年際變率一致性較好,東亞季風(fēng)是渤、黃、東海海洋年際變率的主要影響因子。馬超等(2010)認(rèn)為南黃海千里巖站鹽度短期震蕩可能和El Nin~o有關(guān),長期變化則與太平洋年代際震蕩(PDO)有關(guān)。
隨著全球氣候變暖,黃海海域冬季氣溫增暖最快(張黎紅等,2005;陳少勇等,2009),東亞季風(fēng)明顯變?nèi)酰S榮輝等,2008)。研究近37年來南黃海斷面溫度、鹽度年際變化時(shí)空結(jié)構(gòu)與氣候響應(yīng),以及北黃海與南黃海之間溫鹽年際變化的相關(guān)性,有助于了解北、南黃海溫鹽年際時(shí)空變化趨勢和演變過程的差異,并進(jìn)一步研究黃海溫鹽年際變化與生化要素的影響關(guān)系。
青島站自1977-2013年歷年1月、2月平均氣溫和每日2次(0、12世界時(shí))1 000.0 hPa處探空風(fēng)速資料,由中國氣象局氣象信息中心提供。
歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心1977-2011年再分析月平均海流格點(diǎn)值(ECMWF Ocean Reanalysis System 4(ORAS4),ftp://ftp.icdc.zmaw.de/EASYInit/ORA-S4/monthly_orca1/),分析場在中緯度為1°×1°分辨率,取南黃海中部 A(123°24′11″E,34°58′45″N)站點(diǎn)55 m層月平均流速;東海B(125°29′36″E,27°46′01″N)站點(diǎn) 55 m 層月平均鹽度分析,分別表示黃海暖流和黑潮流系鹽度年際變化(圖 1)。
1900-2012年太平洋年代際振蕩(PDO)指數(shù)年合計(jì)值(ftp://ftp.atmos.washington.edu/mantua/pnw_impacts/INDICES/PDO.latest),PDO指數(shù)是對北太平洋20°N以北的月平均SST異常進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析(EOF)所得第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù),PDO指數(shù)為正值,稱PDO暖位相,反之稱PDO冷位相(Mantua et al,1997)。
旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(REOF)方法是經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)方法的改進(jìn)。EOF方法可以反映分析域整體時(shí)空變化,當(dāng)需要關(guān)注分析域局地時(shí)空結(jié)構(gòu)時(shí),采用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(REOF)是一個適宜的方法(Storch,1999)。REOF方法是在保持EOF前K個主成分的總方差不變情況下,進(jìn)行最大方差正交變換,使變換后的空間型對原變量的方差貢獻(xiàn)差異增大,以反映原變量中的局部結(jié)構(gòu),第K個特征值方差貢獻(xiàn)用REOFk(%)表示。REOF詳細(xì)討論見(吳洪寶等,2010)。
圖1 南黃海斷面站位和海流站位(A)
采用信噪比公式確定時(shí)間序列資料躍變發(fā)生的強(qiáng)度與時(shí)刻,信噪比公式為:
其中,M1、M2和σ1、σ2分別是基準(zhǔn)時(shí)刻之前與之后期間(n)內(nèi)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,當(dāng)信噪比值出現(xiàn)局部最大值且大于1.0時(shí),判斷在基準(zhǔn)時(shí)刻出現(xiàn)躍變現(xiàn)象(Yamamoto et al,1986)。躍變現(xiàn)象可以出現(xiàn)在數(shù)年至數(shù)十年的多種時(shí)間尺度中,本研究主要關(guān)注年代際尺度溫鹽模態(tài)時(shí)間分量躍變,取躍變時(shí)間尺度n=10年。
十二連加大政務(wù)公開力度,以公開欄為平臺,架起連隊(duì)“兩委”與職工群眾之間的連心橋。團(tuán)場連隊(duì)改革后,十二連“兩委”班子職能轉(zhuǎn)變,由行政管理型轉(zhuǎn)向服務(wù)型,班子成員迅速轉(zhuǎn)換角色,為職工群眾做好服務(wù)工作,科學(xué)管理、民主決策,著力推行“四議兩公開”工作法。
當(dāng)樣本序列符合正態(tài)分布時(shí),可以用樣本平均值代表樣本序列的統(tǒng)計(jì)特征(陶澍,1994),因此,本文除特別聲明外,計(jì)算出的各年斷面溫鹽平均值的觀測序列均通過了正態(tài)分布峰度、偏度系數(shù)判據(jù)檢驗(yàn),信度0.001。
非線性相關(guān)系數(shù)(廣義相關(guān)系數(shù))定義:可解釋的變差與總變差比值,值域范圍0~1,其中可解釋變差計(jì)算中采用二階多項(xiàng)式擬合兩個變量。當(dāng)多項(xiàng)式最高階數(shù)由2降低為1時(shí),非線性相關(guān)系數(shù)退化為線性相關(guān)系數(shù)(斯皮格爾等,2002)。
將溫度、鹽度數(shù)據(jù)序列分別沿各站位時(shí)間方向做邊界一階、內(nèi)部二階Shapio濾波,以減少短波噪聲(Shapiro,1970),并繪制溫度、鹽度分布圖。
圖2 青島站1月經(jīng)向(a)、緯向(b)偽風(fēng)應(yīng)力和與2月平均氣溫(c)
圖3 A站2月平均流速(a)、B站2月平均鹽度(b)和PDO指數(shù)(c)分布
由圖4、5所示,斷面表底層溫度經(jīng)歷了10年冷期(1977-1987年)、20年暖期(1988-2008年)和近5年冷期(2009-2013年)的變化,其中1999年和2008年是最暖的時(shí)期,斷面東部的最高溫度達(dá)到8.5℃以上,暖期海水溫度升高主要在斷面中東部海域,并向西側(cè)近岸擴(kuò)展;冷期最低溫度在3℃以下,出現(xiàn)在1977-1981年和2011年斷面西部海域,冷期海水低溫主要在斷面西部近岸海域,并向斷面中部海域擴(kuò)展。
由圖6、7所示,斷面表底層鹽度分布為斷面東部鹽度高;西部鹽度低,其年際變化多數(shù)年份是以斷面西部低鹽度或東部高鹽度為主的斷面單側(cè)鹽度特征發(fā)展;少數(shù)年份是斷面西部低鹽度或東部高鹽度同時(shí)發(fā)展(例如2006-2007年)。斷面東部表底層高鹽度期在1981-1984年、1994-1998年和2006-2008年;斷面西部表底層低鹽度期在1977-1980年、1985-1993年、2005-2009年和2011-2013年。
斷面東、西部溫鹽高低值多數(shù)不是同時(shí)出現(xiàn),斷面西部溫鹽出現(xiàn)相對低值的年際變化;東部溫鹽出現(xiàn)相對高值的年際變化,呈現(xiàn)“蹺蹺板”型年際變化。
表層平均溫度年際變化出現(xiàn)顯著線性升高趨勢(圖8a),表層平均鹽度年際變化呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡態(tài)狀態(tài)(圖8b)。底層平均溫度顯著線性升溫趨勢(斜率為0.031)比表層快;底層平均鹽度年際變化呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡狀態(tài)。
圖4 表層溫度分布(單位:℃)
圖5 底層溫度分布(單位:℃)
圖6 表層鹽度分布
圖7 底層鹽度分布
采用REOF分析表底層溫度距平序列資料,取EOF前2項(xiàng)做旋轉(zhuǎn)變換,模態(tài)時(shí)間分量采用5項(xiàng)高斯型低通濾波處理,消除短期擾動。
圖8 表層平均溫度(a)、平均鹽度度(b)分布
根據(jù)REOF模態(tài)空間分量高低值分布,表底層溫度模態(tài)有二種型態(tài):魯南近海型(圖9c、圖10c)和南黃海槽型(圖9d、圖10d)。二種模態(tài)方差貢獻(xiàn)差別不大(相差6%和4%)。
斷面表底層溫度魯南近海型模態(tài)時(shí)間分量存在顯著線性升高趨勢(圖9a、圖10a),底層溫度模態(tài)線性升溫斜率大于表層;南黃海槽型溫度模態(tài)時(shí)間分量為準(zhǔn)平衡態(tài)年際變化(圖9b、圖10b)。模態(tài)時(shí)間分量最大熵譜顯著周期為:表層第一模態(tài)10.3年,第二模態(tài)6.0年和24.0年;底層第一模態(tài)7.2年和12.0年,第二模態(tài)7.2年和10.3年。
太平洋年代際振蕩現(xiàn)象(PDO)對我國氣候變率有顯著影響,在PDO暖位相我國華北、東北和西北地區(qū)冬季氣溫顯著偏高(朱益民等,2003),東海黑潮季平均熱輸送量與PDO指數(shù)顯著正相關(guān),5年滑動平均兩者相關(guān)系數(shù)0.72(張啟龍 等,2008)。對于太平洋海溫變化PDO信號的明顯區(qū)在中緯度北太平洋;ENSO信號的明顯區(qū)在赤道中、東太平洋(呂俊梅等,2005)。由于南黃海位于黃海暖流熱輸送和東亞氣候的共同影響區(qū),所以,南黃海冬季溫度的年際變化受到ENSO和PDO現(xiàn)象的雙重作用。由于ENSO循環(huán)不具有年代際振蕩特征(呂俊梅等,2005),所以,南黃海冬季溫度年代際變化受到PDO位相影響,非年代際變化受到PDO和ENSO位相共同影響。在1977-1998年期間PDO為暖位相,雖然PDO指數(shù)沒有出現(xiàn)10年尺度躍變,但是斷面表底層溫度模態(tài)均出現(xiàn)10年尺度升溫躍變(圖9a,圖10a),這種躍變是受到1988/1989年ENSO冷事件(李曉燕,2001)中西太平洋黑潮熱輸送效應(yīng)增大(孫雙文等,2009)與PDO暖位相期東海黑潮熱輸送量增大的共同影響。2007-2012年期間PDO為冷位相期,同期ENSO冷事件(2007-2009年春,2010年春-2012年春)(Bell et al,2013)效應(yīng)并未改變斷面溫度降溫趨勢,斷面表底層溫度模態(tài)出現(xiàn)降溫年際變化(圖 9a,圖 10a)。
圖9 表層溫度時(shí)空模態(tài)
圖10 底層溫度時(shí)空模態(tài)
表層溫度魯南近海型模態(tài)超前南黃海槽型模態(tài)5年顯著正相關(guān),底層溫度魯南近海型模態(tài)滯后南黃海槽型模態(tài)3年顯著正相關(guān)。因此,冬季斷面表底層溫度模態(tài)之間相差5年、3年位相年際變化,其中表層溫度魯南近海型模態(tài)位相超前,底層溫度南黃海槽型模態(tài)超前,圖11。
圖11 表底層溫度第一模態(tài)與第二模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
圖12 延遲相關(guān)分析表明,表層溫度第一、第二模態(tài)和底層溫度第二模態(tài)與青島站2月平均氣溫顯著同步正相關(guān)響應(yīng),底層溫度第一模態(tài)與月平均氣溫顯著相關(guān)峰值有延遲偏離現(xiàn)象。從延遲相關(guān)系數(shù)分布分析,一個單峰分布的峰值比較平緩,三個是雙峰分布,并且溫度模態(tài)超前2月平均氣溫2年和7年出現(xiàn)顯著延遲正相關(guān)峰值,由于斷面底層溫度兩個模態(tài)和表層溫度第一模態(tài)與2月份黃海暖流存在顯著同步正相關(guān)和非線性相關(guān)(圖13),這種延遲正相關(guān)可能與黃海暖流強(qiáng)弱和流軸變化有關(guān)。因此,斷面溫度模態(tài)不僅與局地冬季氣溫有同步正相關(guān)響應(yīng),而且與黃海暖流熱輸送形態(tài)有關(guān)。
圖12 青島站2月平均氣溫與表底層溫度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
圖13 表底層溫度模態(tài)與A站55m處2月份平均流速延遲相關(guān)系數(shù)
風(fēng)生環(huán)流可以產(chǎn)生水體熱量輸送,偽風(fēng)應(yīng)力與表層溫度模態(tài)延遲相關(guān)分析表明:表層溫度第一模態(tài)與1月份經(jīng)向風(fēng)滯后溫度2年顯著正相關(guān)(r=0.49);第二模態(tài)與2月份經(jīng)向風(fēng)滯后溫度3年顯著正相關(guān)(r=0.72)。底層溫度模態(tài)有相似的結(jié)果。經(jīng)向風(fēng)滯后溫度2~3年的情形可能是由于風(fēng)變化隨機(jī)性強(qiáng)和每月觀測時(shí)刻較少造成的位相偏差所致。因此,冬季經(jīng)向風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)生環(huán)流對斷面溫度年際變化有降溫作用,其中對南黃海槽型溫度模態(tài)的降溫作用主要通過黃海開闊海風(fēng)海流作用;對魯南近海型溫度模態(tài)主要通過風(fēng)驅(qū)動南下的魯北沿岸流作用,由此造成兩個溫度模態(tài)對經(jīng)向風(fēng)響應(yīng)時(shí)間相差1個月。
為分析南、北黃海斷面溫度模態(tài)之間之間年際變化相關(guān)性,引用了北黃海CD斷面溫度模態(tài)年際變化研究結(jié)果(石強(qiáng),2013)。圖14延遲相關(guān)分析表明:斷面表底層溫度魯南近海型模態(tài)與北黃海CD斷面表底層溫度開闊海型模態(tài)顯著同步正相關(guān),表層溫度南黃海槽型模態(tài)與北黃海CD斷面表層溫度開闊海型模態(tài)的正相關(guān)受到其他因素的干擾,有滯后正相關(guān)峰值出現(xiàn)。因此,南黃海冬季溫度魯南近海型模態(tài)與北黃海CD斷面溫度開闊海型模態(tài)是一種局地氣候響應(yīng)比較一致的模態(tài),而南黃海冬季溫度南黃海槽型模態(tài)受到局地氣候和黃海暖流熱輸入的共同影響。南黃海冬季溫度模態(tài)對北黃海CD斷面溫度南北近岸型模態(tài)無顯著相關(guān)影響。
表層溫度第二模態(tài)與PDO指數(shù)顯著同步非線性相關(guān);第一模態(tài)與PDO指數(shù)不存在顯著相關(guān)。底層溫度第二模態(tài)超前PDO指數(shù)2年顯著負(fù)相關(guān);第一模態(tài)超前PDO指數(shù)6年顯著負(fù)相關(guān),但是,存在延遲4年、2年的顯著非線性相關(guān)(圖15)。因此,斷面底層溫度兩個模態(tài)均與PDO指數(shù)有顯著延遲相關(guān),表層溫度黃海槽型模態(tài)與PDO指數(shù)模態(tài)存在顯著相關(guān);魯南近海型模態(tài)與PDO指數(shù)無顯著相關(guān)。
圖14 表底層溫度模態(tài)與北黃海CD斷面表底層溫度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
圖15 PDO指數(shù)與表底層溫度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
采用REOF分析表底層鹽度距平序列資料,取EOF前2項(xiàng)做旋轉(zhuǎn),模態(tài)時(shí)間分量采用5項(xiàng)高斯型低通濾波處理,消除短期擾動。
根據(jù)REOF模態(tài)空間分量高低值分布,斷面表底層鹽度模態(tài)有二種形態(tài):南黃海槽型(圖16c、圖17c)和南黃海槽型(圖16d、圖17d)。其中魯南近海型模態(tài)方差貢獻(xiàn)比南黃海型大一倍左右,魯南近海型鹽度模態(tài)是斷面鹽度年際變化的主要分量。
斷面表層鹽度第一模態(tài)時(shí)間分量呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡態(tài)變化;第二模態(tài)時(shí)間分量呈現(xiàn)顯著線性降低趨勢(圖16a、16b);底層鹽度第一、二模態(tài)時(shí)間分量均呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡態(tài)變化(圖17a、17b)。模態(tài)時(shí)間分量最大熵譜顯著周期為:表底層第一模態(tài)7.4年;表層第二模態(tài)6.2年、7.4年和14.8年;底層第二模態(tài)5.7年和10.6年。表層鹽度第一模態(tài)在1995年出現(xiàn)10年尺度躍變。
圖16 表層鹽度時(shí)空模態(tài)
圖17 底層鹽度時(shí)空模態(tài)
表層鹽度魯南近海型模態(tài)超前南黃海槽模態(tài)4~5年顯著負(fù)相關(guān),底層鹽度魯南近海型模態(tài)滯后南黃海槽模態(tài)3年顯著正相關(guān)。因此,冬季斷面表層鹽度模態(tài)之間存在反位相變化信號,導(dǎo)致斷面表層鹽度東西方向“蹺蹺板”型年際變化(圖6),底層鹽度模態(tài)之間為同位相變化(圖18),表底層鹽度模態(tài)之間的延遲時(shí)間與表底層溫度模態(tài)是基本一致的(圖18,圖11)。
圖18 表底層鹽度第一模態(tài)與第二模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
冬季2月黃海降水量小,1977-2012年歷年2月南黃海海面蒸發(fā)量在57~129 mm變化(Yu et al,2008),延遲相關(guān)分析表明:斷面表底層鹽度二個模態(tài)與青島站2月平均氣溫和1月經(jīng)向、緯向偽風(fēng)應(yīng)力和以及海面蒸發(fā)量均不存在顯著相關(guān)。因此,斷面鹽度模態(tài)對局地氣溫、風(fēng)應(yīng)力、蒸發(fā)等氣候因素?zé)o顯著響應(yīng),斷面鹽度模態(tài)年際變化主要受黃海多種水團(tuán)和黃海暖流輸送黑潮高鹽度水體影響。
圖19 CD斷面鹽度模態(tài)與鹽度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
圖20 B點(diǎn)55 m處2月平均鹽度與表底層鹽度模態(tài)延遲相關(guān)系數(shù)
黑潮流系高鹽度水體隨黃海暖流進(jìn)入黃海(Naimie et al,2001),斷面表層鹽度魯南近海型模態(tài)與B站鹽度無顯著相關(guān);南黃海槽型模態(tài)滯后1年與B站鹽度顯著正相關(guān),底層鹽度魯南近海型模態(tài)超前1年與B站鹽度顯著正相關(guān);南黃海槽型模態(tài)滯后3年與B站鹽度顯著正相關(guān)(圖20)。因此,冬季斷面表層鹽度兩個模態(tài)受渤南沿岸水、遼南水和黃海暖流水的共同影響;底層鹽度兩個模態(tài)主要受黃海暖水影響。關(guān)于冬季黑潮區(qū)與南黃海鹽度場之間年際變化的位相關(guān)系仍然需要做進(jìn)一步研究。
(1)冬季南黃海36°N斷面表底層溫度年際變化主要有二種時(shí)空模態(tài):魯南近海型和南黃海槽型。模態(tài)主要有準(zhǔn)周期和線性趨勢年際變化。表底層溫度魯南近海型模態(tài)有顯著線性升溫趨勢;表底層溫度南黃海槽型模態(tài)為準(zhǔn)平衡態(tài)變化。斷面冬季溫度模態(tài)年際變化受到局地氣溫、西北季風(fēng)強(qiáng)度、黃海暖流、太平洋年代際振蕩(PDO)指數(shù)位相和ENSO事件的共同影響。
(2)冬季南黃海36°N斷面表底層鹽度年際變化主要有二種時(shí)空模態(tài):魯南近海型和南黃海槽型。模態(tài)主要有準(zhǔn)周期和線性趨勢年際變化。受北黃海低鹽度遼南水向南輸送影響,斷面表層鹽度南黃海槽型模態(tài)存在顯著線性降低趨勢;北黃海渤南沿岸(魯北)水鹽度線性升高趨勢并沒有影響斷面表層鹽度魯南近海型模態(tài)年際變化趨勢。斷面表底層鹽度魯南近海型模態(tài)和底層鹽度南黃海槽型模態(tài)時(shí)間分量準(zhǔn)平衡態(tài)年際變化。斷面表層鹽度模態(tài)年際變化主要受北黃海遼南水、渤南沿岸水和黃海暖流水共同影響;底層鹽度模態(tài)主要受黃海暖流水影響。
(3)冬季南黃海36°N斷面表(底)層溫度二個時(shí)空模態(tài)之間年際變化有顯著延遲正相關(guān)。表層鹽度二個時(shí)空模態(tài)之間年際變化有顯著延遲負(fù)相關(guān),底層鹽度二個時(shí)空模態(tài)之間年際變化有顯著延遲正相關(guān)。
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