王國松，侯敏，李琰，牟林，尚建設(shè)，宋軍，高佳，李程，李歡

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005；3.天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457；4.山東省商河縣氣象局，山東 濟(jì)南 251600）

20世紀(jì)80年代中期以來東亞大槽和東中國海海溫關(guān)系的年代際減弱和成因分析

王國松1，2，侯敏3，李琰1，2，牟林1，尚建設(shè)4，宋軍1，高佳1，李程1，李歡1

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005；3.天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457；4.山東省商河縣氣象局，山東 濟(jì)南 251600）

基于HadISST（Hadley Centre Sea-ice and Sea surface Temperature Data Set）的月平均海溫（SST）資料，對1960-2012年中國近海冬季SST的長期變化趨勢進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果顯示冬季SST經(jīng)歷了一個(gè)顯著的升溫過程，增幅達(dá)0.018℃/年，在80年代末期發(fā)生了顯著的氣候增暖過程。對東亞冬季風(fēng)子系統(tǒng)與冬季東中國海SST關(guān)系的年代際變化進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1960-2012年間，東亞冬季風(fēng)5個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)中，東亞大槽與東中國海冬季SST年際變率上關(guān)系最為密切。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，自20世紀(jì)80年代中期以來，東亞大槽和東中國海冬季SST都發(fā)生了明顯的年代際變化，其中東亞大槽為年代際減弱，而東中國海冬季SST發(fā)生了年代際增暖。盡管1960-2012年間東亞大槽與東中國海冬季SST有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但這種統(tǒng)計(jì)相關(guān)在1989-2012年期間顯著減弱。這種相關(guān)減弱的原因很可能是由于NPO（North Pacific Oscillation）的年代際變化背景下的東亞大槽的強(qiáng)度減弱有關(guān)。

海溫；東亞冬季風(fēng)；東亞大槽；中國近海；年季變化

從地理位置上看，渤、黃、東海緊密相連，海水交換頻繁，因此東中國海SST長期變化有比較一致的趨勢。研究表明，在過去的幾十年中，渤、黃、東海SST均呈現(xiàn)出相當(dāng)程度的升高（Jin et al，2011； Liu et al，2013； Bao et al，2014； 王慧等，2012）。造成東中國海SST年際變化的因素有很多，其中包括季風(fēng)變異、黑潮增強(qiáng)及深層水變化等（Wu et al，2012；馮琳等，2009；Liu，et al，2005；Furey et al，2005；Xie et al，2002；陳錦年等，2013）。此外，非局地因子的影響也起著舉足輕重的作用，如厄爾尼諾和南方濤動(dòng)（ENSO）、北太平洋濤動(dòng)（NPO）和季風(fēng)環(huán)流等（吳德星等，2005；Yeh et al，2010；馮琳等，2009）。

年代際變化為年際變化提供重要背景，也可以顯著調(diào)整更長時(shí)間尺度的變化（王會(huì)軍 等，2013）。已有的研究表明，近百年來東中國?；蛑袊ST發(fā)生了明顯的年代際變化，出現(xiàn)顯著的增暖趨勢（閻俊岳等，1997；張秀芝等，2005）。早期的研究利用1951-1996年的ICOADS海溫?cái)?shù)據(jù)，指出東亞大陸邊緣海SST在1960年代中期發(fā)生了年代際的位相轉(zhuǎn)換，并指出該轉(zhuǎn)換與赤道西太平洋有關(guān)（Park et al，2000）。最新的研究表明，中國海在1980年代中期后SST發(fā)生了顯著的氣候增暖（Bao et al，2014；Liu et al，2013，Jin et al，2011；伍玉梅等，2011；Yeh et al，2010），造成中國海SST年代際變化的影響因子很多，就局地影響因子而言，東亞冬季風(fēng)在20世紀(jì)80年代中期發(fā)生了位相轉(zhuǎn)換，東亞冬季風(fēng)減弱有利于中國近海特別是東海及附近海域SST的年代際上升（蔡榕碩等，2011）。同時(shí)，黑潮的年代際增強(qiáng)也造成了東海及鄰近海域SST的年代際上升（馮琳 等，2009；Tang et al，2011）。另一方面，諸如太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋年代際振蕩（AMO）這些非局地因子的年代際轉(zhuǎn)變也是造成中國海SST年代際變化的重要原因之一（Zhang et al，2010）。

東亞冬季風(fēng)（EAWM）作為影響中國近海冬季SST最顯著的因子之一，是北半球冬季東亞地區(qū)最為顯著的氣候特征。東亞冬季風(fēng)具有很大的年際和年代際變化（陳海山等，2013；陳文等，2013，Zhu et al，2005；何金海等，2004）。于是，東亞冬季風(fēng)與中國大陸冬季氣溫和東亞沿海的SST之間的關(guān)系發(fā)生了顯著的年代際變化（李維京等，2013；Wang et al，2012）。在1956-1980年間，東亞冬季風(fēng)的年際變率與東亞沿海冬季SST呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而這種關(guān)系在1980年代中期之后已明顯地減弱了（Wang et al，2012）。那么造成這種年代際變化的原因是什么？目前尚未有明確的解釋。東亞冬季風(fēng)5個(gè)系統(tǒng)成員彼此之間相互聯(lián)系、相互影響（賀圣平等，2012）。前期研究指出，上述系統(tǒng)相應(yīng)的強(qiáng)度指數(shù)與東亞同期SST的相關(guān)顯著區(qū)有所不同。那么上述系統(tǒng)成員是否都能對東中國海SST產(chǎn)生顯著影響？東亞冬季風(fēng)在20世紀(jì)80年代發(fā)生了一次顯著的年代際變化，其系統(tǒng)成員都呈現(xiàn)明顯的減弱趨勢（梁蘇潔等，2014；黃小梅等，2013；Wang et al，2009）。那么，在東亞冬季風(fēng)發(fā)生年代際突變前后，東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)成員與東中國海SST的相關(guān)關(guān)系是否會(huì)存在不穩(wěn)定性？如果存在，其物理成因是什么？這是一個(gè)亟待解決的科學(xué)問題。

因此，本文將在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討東亞冬季風(fēng)發(fā)生年代際突變前后，東亞冬季風(fēng)系統(tǒng)成員和東中國海SST間的相互關(guān)系是否存在著年代際不穩(wěn)定性？并揭示如何年代際不穩(wěn)定性存在，其物理成因是什么？

1 資料和方法

本文所用的資料包括：（1）NCEP/NCAR全球再分析大氣月平均資料，空間分辨率2.5°×2.5°（Kalnay et al，1996）；（2）英國Hadley中心提供的月平均海表溫度資料，空間分辨率1°×1°（Rayner，2003）；為了強(qiáng)調(diào)年際變率，文中所研究時(shí)段為1960-2012年，冬季平均定義為12月、次年1和2月。

2 東中國海海表溫度年代際變化特征

首先分析了冬季中國近海海表溫度SST的變化，通過對原始SST數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解，得出SST前兩個(gè)模態(tài)的揭示方差分別為68%和12.8%，占總方差的80.8%。其中第一主模態(tài)反應(yīng)了中國近海整體一致型的SST增暖趨勢（圖1a），這可能與全球氣候變化密切相關(guān)。其中東中國海地區(qū)增暖幅度最大，相應(yīng)的時(shí)間序列（PC1）有著顯著的年代際變化特征（圖1a），在20世紀(jì)80年代中期以前基本為負(fù)位相指數(shù)，而從20世紀(jì)80年代中期以來基本為正位相指數(shù)，并呈現(xiàn)出顯著的增暖趨勢，增暖速率為0.181℃/10年。其中第二模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)南北反向變化特征（圖1b）。相應(yīng)的時(shí)間序列（PC2）有著明顯的年際和年代際變化特征（圖1b）。由于本文主要分析東亞冬季風(fēng)與東中國海SST關(guān)系的年代際轉(zhuǎn)變，因此將對東亞東中國海冬季SST第一模態(tài)的變化規(guī)律及與東亞冬季風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行探討，為了便于表述，將東中國海冬季SST第一模態(tài)記為SST-PC1，相應(yīng)的時(shí)間序列記為PC1。

圖1 冬季中國近海SST的EOF分解第一主模態(tài)（上左圖，方差貢獻(xiàn)67.9%）和第二模態(tài)（上右圖，方差貢獻(xiàn)12.8%）的多年平均空間分布（下左圖）和時(shí)間序列（下右圖）

3 東中國海海表溫度與東亞冬季風(fēng)關(guān)系的年代際變化

東亞冬季風(fēng)（EAWM）是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由5個(gè)系統(tǒng)成員組成，包括西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞大槽、對流層低層偏北風(fēng)及高層?xùn)|亞急流。近年來，學(xué)者們從不同的季風(fēng)系統(tǒng)角度定義了東亞冬季風(fēng)指數(shù)，如海-陸氣壓差：標(biāo)準(zhǔn)化的東西向（110°E與160°E）海平面氣壓差描述東亞冬季風(fēng)強(qiáng)度（施能，1996，記為ISN）；西伯利亞高壓：將西伯利亞高壓指數(shù)用來描述東亞冬季風(fēng)的強(qiáng)弱（Gong et al，2001，記為IGWZ）；區(qū)域平均經(jīng)向風(fēng)：（20°N-60°N，120°E-140°E）和（10 °N-25°N，110°E-130°E）范圍內(nèi)地面經(jīng)向風(fēng)平均值（陳雋等，1999，ICS）；緯向風(fēng)：（27.5°N-37.5 °N，110°E-170°E）與（50°N-60°N，80°E-140° E）兩區(qū)域內(nèi)300 hPa標(biāo)準(zhǔn)化的緯向風(fēng)之差（Jhun et al，2004，記為IJL）；東亞大槽：25°N-45°N，110°E-145°E范圍內(nèi)位勢高度的區(qū)域加權(quán)平均值標(biāo)準(zhǔn)化后（孫柏民等，1997）。阿留申低壓：陳文等，2006，記為ICw）。

本文計(jì)算了上述指數(shù)與東中國海PC1的1960-2012年期間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在這些冬季風(fēng)指數(shù)中，表征東亞大槽強(qiáng)度的冬季風(fēng)指數(shù)與PC1的相關(guān)關(guān)系最好，相關(guān)系數(shù)為-0.71，遠(yuǎn)超過99%置信度檢驗(yàn)。其次為表征低層經(jīng)向風(fēng)的冬季風(fēng)指數(shù)，相關(guān)系數(shù)為-0.48，超過99%置信度檢驗(yàn)。而且另外表征西伯利亞高壓和阿留申低壓的3個(gè)冬季風(fēng)指數(shù)相關(guān)系數(shù)卻沒有超過95%置信度檢驗(yàn)，可認(rèn)為相關(guān)不顯著。因此，本文將重點(diǎn)分析相關(guān)最顯著的東亞大槽與PC1相關(guān)關(guān)系的年代際變化。

圖2給出了冬季東亞大槽指數(shù)和PC1的時(shí)間演變曲線，可以清晰地看到東亞大槽在20世紀(jì)80年代中后期開始顯著變?nèi)趿恕６鳳C1指數(shù)也表現(xiàn)出明顯的年代際變化，即20世紀(jì)80年代中期之后開始顯著增強(qiáng)了。之后計(jì)算了1960-2012年期間兩者的滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)（圖3），結(jié)果表明：兩者在20世紀(jì)80年代中期之前有顯著（統(tǒng)計(jì)上超過95%的置信度）的反相關(guān)關(guān)系，而在那以后這種顯著反相關(guān)關(guān)系不復(fù)存在。

表1 東亞季風(fēng)指數(shù)與SST-PC1的相關(guān)系數(shù)

圖2 冬季東亞大槽指數(shù)（黃色柱）和PC1（藍(lán)色柱）的時(shí)間序列（1960-2012），黑實(shí)線和紅實(shí)線分別為兩指數(shù)的10年滑動(dòng)平均

圖3 冬季東亞大槽指數(shù)與PC1在1960-2012年間的23年滑動(dòng)相關(guān)系數(shù)，橫虛線表示達(dá)到95%信度的水平（t檢驗(yàn)）

圖4 1960-1983年（a）冷時(shí)段和1989-2012年（b）暖時(shí)段東亞大槽指數(shù)和東中國海冬季SST第一模態(tài)空間分布SST-PC1的年際變化相關(guān)系數(shù)空間分布（陰影：超過95%信度檢驗(yàn)）

于是將1960-2012年期間（全時(shí)段）按照溫度變化分成了兩段，冷時(shí)段（1960-1983）和暖時(shí)段（1989-2012）。分別計(jì)算了兩時(shí)段內(nèi)東亞大槽和東中國海冬季SST第一模態(tài)空間分布的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果表明在冷時(shí)段兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.72遠(yuǎn)超過95%置信度水平。在暖時(shí)段兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.14遠(yuǎn)低于95%，沒有顯著相關(guān)關(guān)系。從兩時(shí)段的東亞大槽指數(shù)和東中國海冬季SST第一模態(tài)空間分布之間的相關(guān)系數(shù)的空間分布特征（圖4）來看，確實(shí)在冷時(shí)段東亞大槽的正位相對應(yīng)著東中國海SST的負(fù)異常，反之亦然。而在暖時(shí)段，在東中國海的負(fù)相關(guān)區(qū)基本消失，沒有顯著相關(guān)區(qū)，負(fù)相關(guān)范圍則縮小到僅僅（140°E-150°E，20°N-25°N）的一個(gè)小范圍區(qū)域。而暖時(shí)段在日本海以東（160°E-180°E，40°N-55°N）出現(xiàn)了顯著的正相關(guān)區(qū)，而這冷時(shí)段這個(gè)顯著正相關(guān)區(qū)并不存在。綜上，自20世紀(jì)80年代中期開始，東亞大槽與東中國海SST年際變率間的聯(lián)系明顯減弱。

那么是什么原因?qū)е铝藮|亞冬季風(fēng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)——東亞大槽與冬季東中國海SST的年際關(guān)系在1960-1983年期間如此顯著，而到了1989-2012年期間卻迅速減弱了呢？為回答這個(gè)問題，給出了冷期和暖期的500 hPa距平高度場和1 000 hPa距平風(fēng)場分布（圖5）。首先，從冷期和暖期的500hPa距平高度場上看，冷期，烏拉爾山為正距平，在東亞及其沿海地區(qū)上空呈顯著的負(fù)高度距平，這種距平分布意味著烏拉爾山高壓脊強(qiáng)且東亞大槽較深，東亞高緯度地區(qū)偏北氣流較強(qiáng)，冷空氣活動(dòng)較強(qiáng)，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)，使得我國東部沿海冬季容易發(fā)生持續(xù)偏冷的情況。而在1989-2012年暖期的500 hPa高度距平場與冷期的環(huán)流型相反，烏拉爾山為負(fù)距平區(qū)且東亞大槽較淺，東亞冬季風(fēng)偏弱，不利于冷空氣南下影響我國，使得我國東部沿海地區(qū)溫度偏暖?？梢?，1980年代前后冬季冷期和暖期，歐亞地區(qū)大氣環(huán)流型基本呈相反的分布特征，東亞大槽呈明顯的減弱形勢。

圖5 500 hPa位勢高度場距平分布圖（填色，單位：dagpm）和1 000 hPa的距平風(fēng)場結(jié)構(gòu)（單位：m/s）

圖6 冬季東亞大槽指數(shù)與1 000百帕風(fēng)場相關(guān)系數(shù)的矢量合成（陰影：徑向風(fēng)場相關(guān)系數(shù)超過95%信度檢驗(yàn)）

圖7 NPO指數(shù)（黑色柱）的時(shí)間序列（1960-2012），紅實(shí)線為10年滑動(dòng)平均

圖5中顯示，在冷期的1 000 hPa風(fēng)場中，東中國海海區(qū)上空表現(xiàn)為顯著的北風(fēng)和西北風(fēng)異常，顯示出東亞冬季風(fēng)的偏強(qiáng)。而當(dāng)暖期時(shí)，東中國海海區(qū)上空表現(xiàn)為顯著的南風(fēng)異常，顯示出東亞冬季風(fēng)的偏弱。使得暖期的風(fēng)場結(jié)果更有利于海水的增溫。

圖8 NPO指數(shù)與1 000百帕風(fēng)場相關(guān)系數(shù)的矢量合成

圖9 NPO指數(shù)和西北太平洋SST的年際變化相關(guān)系數(shù)的空間分布

合成分析結(jié)果表明1980年代前后東亞大槽強(qiáng)度發(fā)生了顯著的由強(qiáng)到弱的轉(zhuǎn)變特征。那么在這種改變情形下，東亞大槽與影響冬季東中國海SST的關(guān)鍵因子的關(guān)系發(fā)生了什么樣的變化？為回答這個(gè)問題，圖6給出了冬季東亞大槽指數(shù)與1 000 hPa風(fēng)場相關(guān)系數(shù)的矢量合成。在冷期，顯著的北風(fēng)信號出現(xiàn)在東中國海海域上面。表明當(dāng)東亞大槽強(qiáng)時(shí)，在東中國海海域上面會(huì)出現(xiàn)顯著的北風(fēng)距平。而在暖期時(shí)，在東中國海海區(qū)上空顯著的北風(fēng)信號北撤到日本海附近，在東中國海的大部分地區(qū)都沒有顯著相關(guān)。

造成這種現(xiàn)象的原因是什么呢？為回答這個(gè)問題，在圖5中發(fā)現(xiàn)風(fēng)場在北太平洋上也發(fā)生了顯著的變化。其環(huán)流場由冷期的反氣旋環(huán)流變成氣旋式環(huán)流，北太平洋風(fēng)場的變化很可能與北太平洋濤動(dòng)（NPO）的年代際變化相關(guān)。NPO是指北太平洋阿留申群島附近和夏威夷群島附近南北氣壓差反相變化的大氣遙相關(guān)模態(tài)。北太平洋濤動(dòng)指數(shù)定義為北太平洋區(qū)域海平面氣壓場經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解的第二模態(tài)的時(shí)間系數(shù)（Yeh et al，2010）。圖7給出了冬季NPO指數(shù)的時(shí)間演變曲線，可以清晰地看到NPO在20世紀(jì)80年代中期存在顯著的年代際變化，表現(xiàn)為從負(fù)位相到正位相的轉(zhuǎn)變。因此NPO很可能作為一個(gè)背景狀態(tài)對東亞大槽起影響，從圖5也可看出NPO年代際變化前后500 hPa位勢高度場的分布幾乎相反，NPO處于正位相時(shí)東亞地區(qū)500 hPa位勢高度場距平變化，說明與負(fù)位相NPO相比，NPO正位相背景下的東亞大槽變?nèi)?，東亞冬季風(fēng)也變?nèi)?，進(jìn)而影響東中國海海表溫度。

同時(shí)，在這種情況下還分析了冷暖期NPO指數(shù)與1 000 hPa風(fēng)場相關(guān)系數(shù)的矢量合成結(jié)果（圖8）。在冷期，顯著的北風(fēng)信號出現(xiàn)在東中國海海域上面。表明當(dāng)NPO年代際變化前，即NPO為負(fù)位相時(shí)，東亞沿岸有較顯著的北風(fēng)，異常偏北氣流會(huì)帶來干冷的空氣，使得東亞大槽加深，從而導(dǎo)致東中國海顯著降溫（圖9）。而當(dāng)NPO處于正位相時(shí)，東中國海上空表現(xiàn)為南風(fēng)和西風(fēng)異常，且NPO指數(shù)與東中國海上空的風(fēng)場沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。在這種情形下，東中國海將會(huì)升溫。

4 結(jié)論

本文對東亞冬季風(fēng)子系統(tǒng)與冬季東中國海SST關(guān)系的年代際變化進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在東亞冬季風(fēng)5個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)中，與東中國海冬季SST年際變率上關(guān)系最為密切的是東亞大槽，而與西伯利亞高壓、阿留申低壓等沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。在年代際變化中，自20世紀(jì)80年代中期以來，東亞大槽和東中國海冬季SST都發(fā)生了明顯的年代際變化，其中東亞大槽為年代際減弱，而東中國海冬季SST發(fā)生了年代際增暖。盡管1960-2012年間東亞大槽與東中國海冬季SST有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但這種統(tǒng)計(jì)相關(guān)在1989-2012年期間顯著減弱。這種相關(guān)減弱的原因很可能是由于NPO的年代際變化背景下東亞大槽的強(qiáng)度減弱有關(guān)。

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（本文編輯:袁澤軼）

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

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41376014）；國家科技支撐計(jì)劃課題 （2014BAB12B02）；天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（14ZCZDSF00012），國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（GCMAC1402）。

王國松 (1987-)，男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事海洋氣候變化、數(shù)值模擬研究。電子郵箱：wgs_wrf@163.com。

李琰，博士，副研究員。電子郵箱：ok8200@sina.com。