沈 輝，黃大吉

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012;3.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

渤、黃、東海冬季海表冷暖水舌的時(shí)空變化及機(jī)理分析

沈 輝1,2,3，黃大吉*3,2,1

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012;3.國(guó)家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

海表冷暖水舌被廣泛應(yīng)用于定性描述海表水溫(SST)的空間分布特征，但缺少定量的表述和研究。本文以海表冷暖水舌軸線的空間位置和溫度為指標(biāo)，用2006—2014年逐年冬季(2月)的遙感SST數(shù)據(jù)，分析了渤海、黃海和東海冬季的冷暖水舌的空間分布和年際變化，并探討了其形成機(jī)理。結(jié)果表明，渤海、黃海和東海冬季存在2條冷水舌和6條暖水舌。水舌位置的EOF前三個(gè)模態(tài)(73.4%)基本解釋了其年際變化，其中空間第一模態(tài)呈同相分布，在東海中部及西部的變動(dòng)幅度最大；空間第二和第三模態(tài)主要呈反相分布，分別在九州島南部及黃海區(qū)域變動(dòng)幅度較大。水舌溫度的EOF第一模態(tài)(69.6%)呈空間同相分布，變動(dòng)幅度在渤、黃海較大，在東海南部較小。水舌位置和水舌溫度都存在準(zhǔn)2～3 a周期的年際變化，但只有水舌位置EOF第二模態(tài)通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)。海表相對(duì)較均勻的負(fù)凈熱通量(海洋向大氣輸送熱量)，使得淺水區(qū)SST比深水區(qū)下降得快，水深(上混合層深度)是冷暖水舌形成的原因之一；平流熱輸送的空間差異顯著且在冷暖水舌區(qū)域中的作用最大，在冷舌區(qū)域起到降溫作用，在暖舌區(qū)域起到增溫作用，平流熱輸送是冷暖水舌形成的主要原因。

冷暖水舌；渤海、黃海、東海；時(shí)空變化；平流熱輸送

0 引言

海表水溫(Sea Surface Temperature, SST)，是海洋學(xué)家關(guān)注的重要研究?jī)?nèi)容之一，它表征了海洋熱力和動(dòng)力過程的綜合結(jié)果[1]。類似于地形上的山脊和山谷，SST中也存在冷暖水舌(簡(jiǎn)稱海表冷暖水舌)，其中暖水舌為等溫線由高溫凸向低溫的區(qū)域，冷水舌是等溫線由低溫凸向高溫的區(qū)域。渤海、黃海和東海(簡(jiǎn)稱渤、黃、東海)冷暖水舌隨著氣溫下降在秋季開始發(fā)育，入冬后生成，在次年2月特征最明顯，之后隨氣溫的回升而逐漸消退[2]。作為SST的特征信息，海表冷暖水舌不僅被廣泛地用于定性描述SST的分布特征，而且在海流難以被直接測(cè)量時(shí)，還用于分析海流的流向和流動(dòng)范圍[2-5]。

前人既通過實(shí)測(cè)資料[5-8]也基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)[2，4，9-12]來研究渤、黃、東海SST，指出冬季渤、黃、東海SST受海底地形和冷暖流系影響，呈現(xiàn)出多條冷暖水舌的分布特征。實(shí)測(cè)資料還能揭示冷暖水舌的三維結(jié)構(gòu)，但是受到時(shí)空分辨率低和覆蓋范圍小的限制；衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)具有時(shí)空分辨率高和覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)，近年來被廣泛用于研究SST。但是，前人對(duì)海表冷暖水舌的研究較少，且側(cè)重于定性描述其面積大小、分布格局及溫度范圍[2，11]。

海表冷暖水舌作為SST的特征信息，其變化機(jī)理的研究與SST一樣，主要從熱力作用和動(dòng)力作用兩方面來分析，即通過分析海表的凈熱通量、海水的平流熱輸送和渦動(dòng)熱擴(kuò)散來研究。XIE et al[12]基于AVHRR的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)得到有明顯冷暖水舌結(jié)構(gòu)的冬季渤、黃、東海SST分布，指出海表冷暖水舌的形成與受海底地形調(diào)制的熱力過程有關(guān)。HUANG et al[13]指出黃海暖舌中SST的變化受到動(dòng)力和熱力的共同作用，前者通過平流過程、后者通過輻射和擴(kuò)散過程來實(shí)現(xiàn)。MA et al[14]用模式計(jì)算了平流熱輸送和熱通量，指出冬季水平熱輸送對(duì)黃海暖舌區(qū)域中熱量變化的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于近岸淺水區(qū)域。

盡管前人的研究指出冬季海水冷卻混合后，SST不僅受海表冷卻影響，同時(shí)也受到水平熱輸送的調(diào)整，形成了溫度低于或高于周圍水體的冷暖水舌區(qū)域，但是由于缺少定量描述海表冷暖水舌的方法，目前對(duì)渤、黃、東海海表冷暖水舌的研究仍局限于定性描述，缺少定量分析。此外，水平熱輸送和海表凈熱通量對(duì)各條海表冷暖水舌溫度變化的相對(duì)貢獻(xiàn)也缺少研究。

本文首先選擇合理的數(shù)學(xué)處理方法從連續(xù)9 a(2006—2014年)冬季(2月)的微波紅外融合SST中提取海表冷暖水舌信息，包括冷暖水舌軸線的空間位置和對(duì)應(yīng)的溫度，并以水舌軸線的弧長(zhǎng)為自然切向坐標(biāo)，計(jì)算出海表冷暖水舌的平均位置、平均溫度、位置距平及溫度距平。然后，定量描述了海表冷暖水舌的位置空間分布概率和平均溫度的空間分布，運(yùn)用EOF的方法研究海表冷暖水舌位置和溫度的年際變化。最后，估算出12月至2月的平流熱輸送，討論了其與海表凈熱通量對(duì)海表溫度及冷暖水舌形成的作用。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文選擇9 a(2006—2014年)2月的微波紅外融合SST數(shù)據(jù)[15]進(jìn)行研究，該數(shù)據(jù)的空間分辨率為9 km，時(shí)間間隔為1 d。微波遙感數(shù)據(jù)不受云的干擾但無近岸數(shù)據(jù)，紅外遙感數(shù)據(jù)能覆蓋至近岸海域但受云的干擾，微波紅外融合的SST數(shù)據(jù)兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的時(shí)空覆蓋范圍和分辨率。

提取及分析渤、黃、東海冷暖水舌定量信息，以2006年2月15日的SST為例(圖1)，具體方法和步驟如下：

圖1 渤、黃、東海2006年2月15日SST及冷暖水舌分布Fig.1 SST and associated cold and warm tongues on February 15, 2006 in the BYES1-東海北部冷舌，2-東海南部冷舌，3-黑潮暖舌，4-東海西部暖舌，5-對(duì)馬暖舌，6-黃海南部暖舌，7-黃海中部暖舌，8-渤海暖舌Number 1 and 2 indicate two cold tongues in the East China Sea,number 3 to 8 indicate six warm tongues in the study area

(1)數(shù)據(jù)平滑：采用高斯濾波的方法對(duì)逐日的SST數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，使得SST等溫線連續(xù)可微。高斯分布函數(shù)中的標(biāo)準(zhǔn)差選取參照公式(n-1)/4，n為濾波器的窗口尺寸。在兼顧等溫線連續(xù)可微和保留SST主要分布特征的前提下，本文選取9×9的窗口對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行5次高斯濾波。

(2)冷暖水舌軸線提?。菏紫龋葱枨筇崛ST中等溫線的空間位置，在SST變化大的區(qū)域中每隔0.5 ℃提取1條等溫線，SST變化小的區(qū)域中每隔0.25 ℃提取1條等溫線，在等溫線急劇彎曲的區(qū)域中每隔0.1 ℃提取1條等溫線。然后，計(jì)算這些等溫線的曲率極大值點(diǎn)，其中，從低溫凸向高溫的曲率極大值點(diǎn)為冷舌點(diǎn)，從高溫凸向低溫的曲率極大值點(diǎn)為暖舌點(diǎn)。然后用三次樣條擬合的方法將各冷舌點(diǎn)和暖舌點(diǎn)分別連接起來，得到圖1中所示的冷暖水舌軸線。濟(jì)州島南部為對(duì)馬暖舌和黃海南部暖舌的連接處，因?yàn)闆]有找到合適的連接準(zhǔn)則，所以本文中將這2條水舌斷開研究。

(3)冷暖水舌位置特征信息計(jì)算：用遞推法提取水舌平均位置，以黑潮暖舌為例(圖2)。首先選1條水舌線作為水舌平均位置，沿弧長(zhǎng)自然切向坐標(biāo)逐點(diǎn)作法線，以這些法線為法向坐標(biāo)，對(duì)法線與各水舌線的交點(diǎn)的法向坐標(biāo)求平均，得到初步的平均位置(圖2中紫色線)。然后以上一步確定的紫色線作為水舌平均位置，重復(fù)上述過程，得到圖2中紅色線所示的平均位置。當(dāng)紅色線與紫色線基本重合時(shí)，即認(rèn)為其是黑潮暖舌的平均位置。其余水舌平均位置用同樣的方法提取。圖3b和4b中藍(lán)色粗線為冷舌的平均位置，黑色粗線為暖舌的平均位置。水舌位置距平是各條水舌偏離平均位置的距離，逐年對(duì)平均位置各段弧長(zhǎng)中所對(duì)應(yīng)的位置距平求月平均，可得到月平均水舌位置的年際變化(圖5)。

(4)冷暖水舌位置空間分布概率：將各條水舌經(jīng)過9 km×9 km網(wǎng)格的天數(shù)與總天數(shù)(254 d)之比作為該水舌在對(duì)應(yīng)網(wǎng)格中的出現(xiàn)概率。將水舌平均位置逐點(diǎn)法線上的水舌出現(xiàn)概率最大值作為該平均位置分布概率(圖3)。

(5)冷暖水舌溫度特征信息計(jì)算：使用Matlab自帶的二維插值方法(Two-dimensional cubic convolution interpolation)從逐日的SST數(shù)據(jù)中獲得與當(dāng)日水舌軸線位置相對(duì)應(yīng)的溫度值。將逐日冷暖水舌軸線的溫度投影至平均位置所在的點(diǎn)，對(duì)投影后的溫度數(shù)據(jù)作平均，得到冷暖水舌的平均溫度(圖4a)。水舌溫度距平由水舌溫度數(shù)據(jù)減去相應(yīng)投影點(diǎn)上的平均溫度得到，逐年對(duì)平均位置各段弧長(zhǎng)中所對(duì)應(yīng)的溫度距平求月平均，得到月平均水舌溫度的年際變化(圖8)。

(6)冷暖水舌年際變化分析：用EOF的方法對(duì)月平均的冷暖水舌位置距平和溫度距平作時(shí)空分解，得到其主要模態(tài)的空間分布和時(shí)間變化特征。

用SST、海洋上混合層深度和海表凈熱通量等數(shù)據(jù)估算出海表凈熱通量和平流熱輸送及其對(duì)SST變化的貢獻(xiàn)。混合層深度以混合層底溫度至SST的差小于0.5 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，從GDEM的溫度數(shù)據(jù)中估算出。海面凈熱通量數(shù)據(jù)來自HYCOM+NCODA Global 1/12° Analysis[16]，該數(shù)據(jù)和Da Silva氣候態(tài)2月平均數(shù)據(jù)比對(duì)，數(shù)量級(jí)相同，分布形態(tài)相似，優(yōu)點(diǎn)是分辨率高，尤其是在近岸和鋒面具有精細(xì)的空間分布結(jié)構(gòu)，適用于本文研究。由于海表熱通量數(shù)據(jù)始于2008年9月18日，本文機(jī)理探討部分只使用6 a(2009—2014年)平均的冬季(12月—2月)SST數(shù)據(jù)和月平均海表熱通量數(shù)據(jù)。

本文的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)分析和畫圖全部由Matlab 2013軟件完成。

圖2 黑潮暖舌空間分布及平均位置示意圖Fig.2 Schematic diagram on the determination of the path of warm tongue taking the example of Kuroshio Warm Tongue

圖3 冷暖水舌位置分布Fig.3 Spatial distribution of the path of two cold and six warm SST tongues

圖4 冷暖水舌溫度分布Fig.4 Spatial distribution of temperature on the path of two cold and six warm SST tongues

2 冷暖水舌空間分布和年際變化

2.1 冷暖水舌位置和溫度的空間分布特征

根據(jù)冷暖水舌所處的地理位置、空間走向和連續(xù)性，把渤、黃、東海冬季(2月)冷暖水舌分為2條冷水舌(東海北部冷舌，東海南部冷舌)和6條暖水舌(黑潮暖舌，東海西部暖舌，對(duì)馬暖舌，黃海南部暖舌，黃海中部暖舌，渤海暖舌)來研究(圖1)。

冷暖水舌位置分布概率如圖3a所示，顏色表示水舌在該區(qū)域出現(xiàn)的概率，顏色較深的區(qū)域是水舌位置集中的海域。圖3b是水舌位置標(biāo)準(zhǔn)差分布，定量地反映了水舌位置空間分布的變化程度，圖中黑色粗線為暖舌平均位置，藍(lán)色粗線為冷舌平均位置，垂直于平均位置的紅線的長(zhǎng)度代表位置標(biāo)準(zhǔn)差的大小。從圖3可知，8條海表冷暖水舌的位置分布總體上比較穩(wěn)定，其舌軸擺動(dòng)范圍不超過兩個(gè)經(jīng)緯度，標(biāo)準(zhǔn)差在8～55 km之間。

按照海表冷暖水舌分布的概率和位置標(biāo)準(zhǔn)差，這里定義4種疏密程度：非常密集(>30%，<12 km)、密集(20%～30%，12～17 km)、分散(10%～20%，17～35 km)和非常分散(<10%，>35 km)。結(jié)合圖3可知，冷舌的位置分布在東海中部非常密集，在東海北部密集，在東海南部非常分散；暖舌的位置分布在渤海海峽處非常密集，在臺(tái)灣東北部和濟(jì)州島南部密集，在浙閩沿岸和黃海中部分散，在九州島南部非常分散。

圖4a和4b分別為冷暖水舌的平均溫度和水舌溫度標(biāo)準(zhǔn)差分布，從圖中可知，海表冷暖水舌的平均溫度呈南高北低、近岸淺水低遠(yuǎn)岸深水高的分布格局，冷暖水舌的溫度在臺(tái)灣東北部最高，隨著緯度升高和水深變淺而逐漸下降，渤海最低；溫度標(biāo)準(zhǔn)差在九州島西南部最小，浙閩沿岸和黃海中部較大，長(zhǎng)江口和黃海北部最大。

各條水舌的位置和溫度分布具體特征如下：

東海北部冷舌：其空間位置基本分布在長(zhǎng)江口外的淺灘上，呈西北-東南走向，從蘇北淺灘指向東海中部。該冷舌的分布概率約為20%～30%，在蘇北淺灘的分布較東海北部稍分散些。冷舌溫度自西北向東南從7 ℃上升到16 ℃，對(duì)應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差從1.1 ℃下降到0.7 ℃以下。

東海南部冷舌：其空間位置基本分布在水深為50～200 m的東海海域中，呈北-南走向，從東海中部指向東海中南部。該冷舌位置在東海中部非常密集，分布概率為30%～40%，標(biāo)準(zhǔn)差小于12 km；在東海南部非常分散，分布概率為5%～10%，標(biāo)準(zhǔn)差為35～40 km。冷舌溫度自北向南從13 ℃上升到21 ℃，對(duì)應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差從1.0 ℃下降到0.7 ℃。

黑潮暖舌：其空間位置基本上沿著沖繩海槽，呈西南-東北走向，從臺(tái)灣東北部延伸到九州島南部。該暖舌位置在臺(tái)灣東北部密集，分布概率為20%～30%；在中部區(qū)域次之，分布概率為15%～20%；在九州島南部區(qū)域非常分散，分布概率為3%～10%，標(biāo)準(zhǔn)差為 35～55 km。暖舌溫度自西南向東北逐漸降低，從臺(tái)灣東北部的24 ℃，下降到九州島南部的21 ℃，對(duì)應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差也從臺(tái)灣東北部超過0.6 ℃，下降到九州島南部的0.4 ℃。

東海西部暖舌：其空間位置分布在東海西部的滬、浙、閩、臺(tái)附近海域，呈南-北走向，從臺(tái)灣東北部指向長(zhǎng)江口附近。該暖舌位置在臺(tái)灣東北部密集，分布概率為20%～30%；在長(zhǎng)江口外區(qū)域次之，分布概率為20%～27%，標(biāo)準(zhǔn)差為15～17 km；在浙閩沿岸分散，分布概率為12%～18%，標(biāo)準(zhǔn)差為20～30 km。暖舌溫度自南向北從24 ℃逐漸下降到10 ℃，對(duì)應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差從0.6 ℃上升到1.2 ℃。

對(duì)馬暖舌：其空間位置基本分布在九州島西南側(cè)水深100～1 000 m的海域中，呈東南-西北走向，從吐噶喇海峽附近指向濟(jì)州島南部。該暖舌位置在濟(jì)州島南部密集，分布概率為25%～30%，標(biāo)準(zhǔn)差為12～16 km；在九州島西南部較為分散，分布概率為17%～25%，標(biāo)準(zhǔn)差為16～23 km。暖舌溫度自東南向西北從21 ℃下降到15 ℃，溫度標(biāo)準(zhǔn)差在暖舌東南起始處為0.5 ℃，開始時(shí)自東南向西北上升，最大值在九州島西南部為0.6 ℃，然后逐漸下降，在濟(jì)州島附近暖舌終點(diǎn)處為0.5 ℃。

黃海南部暖水舌：其空間位置基本分布在黃海南部水深15～75 m的海域中，呈東南-西北走向，從濟(jì)州島西南部指向膠州灣。該暖舌位置在東南部密集，分布概率約為20%～25%，標(biāo)準(zhǔn)差為16～20 km；在西北部分散，分布概率為15%～20%，標(biāo)準(zhǔn)差為17～25 km。暖舌溫度自東南向西北從14 ℃逐漸下降到5 ℃左右，對(duì)應(yīng)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差從0.8 ℃上升到1.1 ℃以上。

黃海中部暖舌：其空間位置基本沿著黃海深槽西側(cè)75 m等深線，呈南-北走向，從黃海中部延伸至長(zhǎng)山群島附近。該暖舌位置在黃海北部密集，分布概率為25%～28%，標(biāo)準(zhǔn)差為14～16 km；在黃海中部分散，分布概率為15%～20%，標(biāo)準(zhǔn)差為15～25 km。暖舌溫度自南向北從10 ℃下降到3 ℃以下。溫度標(biāo)準(zhǔn)差在暖舌北部末端處較大，最大達(dá)1.2 ℃；在暖舌南部起始處次之，為1.0 ℃左右；在暖水舌的中部最小，為0.6 ℃左右。

渤海暖舌：其空間位置從北黃海中部穿過渤海海峽，指向秦皇島附近海域，呈東南-西北走向。該暖舌位置在渤海海峽處非常密集，分布概率為40%，標(biāo)準(zhǔn)差小于10 km；在北黃海中部密集，分布概率為25%～28%，標(biāo)準(zhǔn)差為14～16 km。暖舌溫度低于5.5 ℃，最小值在渤海西北部的暖舌末端，為0 ℃。溫度標(biāo)準(zhǔn)差自東南向西北從0.9 ℃上升到1.1 ℃。

2.2 月平均冷暖水舌位置及溫度的年際變化

圖5表示渤、黃、東海月平均海表冷暖水舌位置距平的年際變化，圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)冷暖水舌平均位置的弧長(zhǎng)，也代表冷暖水舌所分布的位置。由于同一條冷暖水舌的空間位置變化存在顯著的差異，我們將其分成不同的區(qū)域進(jìn)行討論，在圖5中用紅色虛線和數(shù)字來劃分區(qū)域。在黑潮暖舌中，正距平表示遠(yuǎn)離琉球群島方向，負(fù)距平表示靠近琉球群島方向；在渤海暖舌中正距平表示靠近遼寧方向，負(fù)距平表示靠近山東方向；在其它冷暖水舌中，正距平表示遠(yuǎn)離中國(guó)大陸方向，負(fù)距平表示靠近中國(guó)大陸方向。

由圖5可見，月平均冷暖水舌位置距平的年際變化總體上在-30～30 km之間。冷暖水舌位置的年際變化幅度在東?？傮w上大于渤、黃海。其中東海南部的冷舌、九州島南部以及浙閩沿岸區(qū)域(圖5中4、7、8區(qū)域)的暖舌位置年際變化的幅度較其它區(qū)域大，偏離平均位置的距離最大超過20 km。蘇北淺灘的冷舌以及山東東南部和黃海中部的暖舌次之(圖5中1、13、14區(qū)域)。渤海和濟(jì)州島南部(圖中11、16區(qū)域)的暖舌位置分布最密集，偏離平均位置的距離在10 km以內(nèi)。

圖5 渤、黃、東海冷暖水舌位置的年際變化Fig.5 Inter-annual variations of the path of two cold and six warm tongues in the BYES1-蘇北淺灘，2-東海北部，3-東海中部，4-東海南部，5-臺(tái)灣東北，6-黑潮暖舌中部，7-九州島南部，8-浙閩近海，9-長(zhǎng)江口外，10-九州島西南，11-濟(jì)州島南部，12-朝鮮西南部，13-山東東南部，14-黃海中部，15-黃海北部，16-渤海1-Subei shoal, 2-Northern East China Sea, 3-Central East China Sea, 4-Southern East China Sea, 5-Northeastern Taiwan coast, 6-Central Kuroshio area, 7-Southern Kyushu Island, 8-Zhe-Min coast, 9-Yangtze Estuary, 10-Southwestern Kyushu Island, 11-Southern Jizhou Island,12-Southwestern Korea coast, 13-Southeastern Shandong coast, 14-Central Yellow Sea, 15-Northern Yellow Sea, 16-Bohai Sea

圖6是渤、黃、東海月平均冷暖水舌位置距平年際變化的EOF前三個(gè)模態(tài)空間分布，反映了水舌位置年際變化的主要空間分布特征。圖中黑色粗線為暖舌平均位置，藍(lán)色粗線為冷舌平均位置，紅色及藍(lán)色區(qū)域的方向代表空間模態(tài)中水舌位置的變動(dòng)方向，其長(zhǎng)度代表變動(dòng)幅度的大小。圖7是冷暖水舌位置年際變化的前三個(gè)EOF模態(tài)時(shí)間系數(shù)變化，紅線為擬合的趨勢(shì)線。三個(gè)時(shí)間序列的小波分析的結(jié)果表明，它們都存在準(zhǔn)2～3 a的振蕩周期，但只有第二個(gè)模態(tài)通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)(圖略)。

圖6 冷暖水舌位置年際變化的EOF前三個(gè)模態(tài)空間分布Fig.6 Three leading EOF spatial modes for inter-annual variations of the path of two cold and six warm tongues

圖7 冷暖水舌位置年際變化的EOF前三個(gè)模態(tài)時(shí)間變化Fig.7 Three leading EOF temporal modes for inter-annual variations of the path of two cold and six warm tongues

經(jīng)計(jì)算，前三個(gè)模態(tài)對(duì)方差的解釋程度分別為37.3%、18.8%和17.3%，累積解釋程度為73.4%，反映了冷暖水舌位置年際變化的主要時(shí)空模態(tài)。由于圖5中具有顯著特征的區(qū)域都在前三個(gè)EOF主要模態(tài)中體現(xiàn)出來，本文只闡述前三個(gè)模態(tài)。

第一模態(tài)空間分布中，東海的各條水舌均呈現(xiàn)出同相變化的特點(diǎn)，即每條水舌在各自區(qū)域中的變動(dòng)方向相同，其中東海南部的冷舌和福建沿岸的暖舌變動(dòng)幅度最大超過30 km，解釋了該區(qū)域水舌位置分布的主要標(biāo)準(zhǔn)差，而其它區(qū)域水舌的變化幅度小于20 km。第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)有先下降后上升的趨勢(shì)，其中最大正系數(shù)約為0.7，出現(xiàn)在2009年和2014年，結(jié)合空間分布中變動(dòng)幅度較大的區(qū)域，主要說明東海南部及福建沿岸的水舌在這兩年中分布在平均位置東側(cè)，最大偏離超過15 km(圖5中區(qū)域4和8)；最大負(fù)系數(shù)約為-1，出現(xiàn)在2008年，反映東海南部及福建沿岸的水舌在2008年中分布在平均位置西側(cè)，最大偏離超過20 km(圖5中區(qū)域4和8)。

第二模態(tài)空間分布中，東海北部冷舌和東海西部暖舌呈現(xiàn)出同相變化的特點(diǎn)，其余分布在不同區(qū)域的水舌如臺(tái)灣東北部與九州島南部的暖舌、黃海南部與山東南部的暖舌以及黃海中部與北部的暖舌分別呈反相分布，其中九州島南部的暖舌變動(dòng)幅度最大超過40 km，解釋了該區(qū)域水舌位置分布的主要標(biāo)準(zhǔn)差，其余區(qū)域的變動(dòng)幅度小于15 km。第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)變化趨勢(shì)是先下降后上升，其中最大正系數(shù)約為1，出現(xiàn)在2006年和2013年，結(jié)合空間分布中變動(dòng)幅度較大的區(qū)域，說明九州島南部的暖舌在這兩年中分布在平均位置南部，最大偏離超過40 km(圖5中區(qū)域7)；最大負(fù)系數(shù)約為-0.9，出現(xiàn)在2009年，反映九州島南部的暖舌在2009年分布在平均位置北部，最大偏離超過30 km(圖5中區(qū)域7)。

第三模態(tài)空間分布中，對(duì)馬暖舌與黃海南部及中部的暖舌呈現(xiàn)出同相變化的特點(diǎn)，其余分布在不同區(qū)域的水舌如東海中部與東海南部的冷舌，琉球群島中部與九州島南部的暖舌以及黃海北部與渤海的暖舌均呈反相分布。變動(dòng)幅度在黃海中部及南部最大超過15 km，解釋了該區(qū)域水舌位置分布的主要標(biāo)準(zhǔn)差。第三模態(tài)的時(shí)間系數(shù)變化趨勢(shì)是先升高后降低的，其中最大正系數(shù)約為1，出現(xiàn)在2007年；最大負(fù)系數(shù)約為-0.9，出現(xiàn)在2014年。結(jié)合空間分布中變動(dòng)幅度較大的區(qū)域，主要說明黃海南部暖舌和中部暖舌在2007年分別分布在平均位置西南側(cè)和東側(cè)，最大偏離超過10 km, 而在2014年分別分布在平均位置東北側(cè)和西側(cè)，最大偏離超過10 km(圖5)。

圖8是渤、黃、東海月平均海表冷暖水舌溫度距平的年際變化。冷暖水舌溫度的年際變化在九州島以南、浙閩沿岸以及東海南部的幅度不超過0.5 ℃，相較其它區(qū)域要小。渤、黃海的3條暖舌的溫度距平年際變化的幅度總體上要大于東海的水舌，并且在2010年之前，3條暖舌基本呈現(xiàn)正距平，而在2010年之后至2014年基本呈現(xiàn)負(fù)距平。

通過EOF分析，冷暖水舌溫度距平年際變化的前三個(gè)模態(tài)對(duì)方差的解釋程度分別為69.6%、11.4%和10.4%，第一模態(tài)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其它模態(tài)，這里只對(duì)第一模態(tài)進(jìn)行分析。第一模態(tài)空間分布與水舌溫度標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布(圖4b)相似，反映了冷暖水舌溫度年際變化的主要時(shí)空形態(tài)。

圖9為渤、黃、東海冷暖水舌溫度年際變化的EOF第一模態(tài)，由圖9a可見，各條水舌的溫度在第一模態(tài)空間分布中呈現(xiàn)同相變化，但變動(dòng)幅度存在顯著的差異。其中變動(dòng)幅度在山東半島南部超過1.8 ℃；在渤海海峽及黃海北部區(qū)域次之，為1.5 ℃左右；在福建近海和九州島西南部小于0.2 ℃。圖9b是第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)變化，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中最大正系數(shù)約為1，最大負(fù)系數(shù)約為-0.8，分別出現(xiàn)在2007年和2011年，表明2007年冷暖水舌溫度總體上達(dá)到正最大值，結(jié)合空間分布，溫度正距平從渤海區(qū)域的1.5 ℃以上下降至九州島西南部的0.2 ℃；2011年冷暖水舌溫度總體上達(dá)到負(fù)最大值，溫度負(fù)距平從渤海區(qū)域的-1.2 ℃以上下降至九州島西南的-0.2 ℃。

圖9 冷暖水舌溫度年際變化的EOF第一模態(tài)Fig.9 The first leading EOF mode of inter-annual variations of temperature on the path of two cold and six warm tongues

3 機(jī)理分析

根據(jù)熱力學(xué)海表水溫變化方程[17]：

(1)

式中：ρ和Cp分別為海水的密度和比熱，計(jì)算中取為1 025 kg/m3和3 890 J·kg-1·℃-1；H為混合層深度。右邊第一項(xiàng)為海洋平流熱輸送，第二項(xiàng)為水平渦動(dòng)熱擴(kuò)散，第三和第四項(xiàng)為海表熱通量和水體垂向熱擴(kuò)散。

前人常通過分析海表熱通量和平流熱輸送作用來研究冬季渤、黃、東海SST變化[13-14,18]，結(jié)果表明，海表熱通量及平流熱輸送所帶來的SST變化量之和基本上代表了SST在冬季的變化[14,18]。因此，本文討論冬季渤、黃、東海SST變化及海表冷暖水舌形成機(jī)理時(shí)，不考慮相對(duì)較小的水平渦動(dòng)熱擴(kuò)散與水體垂向熱擴(kuò)散，公式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

渤、黃、東海的SST冷暖水舌在12月初步形成(圖10a)，隨著海表冷卻和平流熱輸送的逐漸累加，水舌結(jié)構(gòu)逐漸變得明顯，到了2月，SST冷暖水舌結(jié)構(gòu)最為清晰(圖10c)。在SST的演變過程中，平流對(duì)不同區(qū)域的SST分別起到持續(xù)的降溫或加熱作用(圖11)。

為了比較水平熱輸送和海表冷卻對(duì)水舌區(qū)域的作用，對(duì)比12月至2月SST的變化量(圖12a)，以及水平熱輸送和海表熱通量所產(chǎn)生SST變化量的空間分布(圖12b和12c)。從圖中可以看出在冷水舌區(qū)域降溫最多，平流熱輸送與海表熱通量共同起到冷卻作用；在暖舌區(qū)域降溫最少，海表熱通量仍然起到冷卻作用，但平流熱輸送起到增溫作用，減緩了水溫的下降程度。圖12d為平流熱輸送與海表熱通量導(dǎo)致的SST變化量之比，正值區(qū)代表水平熱輸送和海表熱通量一同起到冷卻作用，負(fù)值區(qū)表示水平熱輸送起到增溫作用而海表熱通量起到冷卻作用，數(shù)值大小反映了平流熱輸送相對(duì)于海表熱通量的重要性。從圖12d中可知，等值線為0的線基本就是冷暖水舌的分界線，說明這些地方的平流熱輸送很小，SST變化由海表熱通量決定；而在水舌區(qū)域，尤其在水舌軸線附近，比值很大，是平流熱輸送極值所在的位置，反映了平流熱輸送在SST變化中的重要作用。冷舌區(qū)域中，平流熱輸送相對(duì)于海表熱通量的作用在江蘇近岸大于東海北部；暖舌區(qū)域中，平流熱輸送在臺(tái)灣東北部的作用最明顯，約抵消了80%以上的海表熱通量的冷卻作用，使得該區(qū)域在整個(gè)冬季中的降溫最小(圖12a)。沿著黑潮暖舌—對(duì)馬暖舌—黃海暖舌的路徑，水平熱輸送相對(duì)于海表熱通量的冷卻作用自南向北逐漸減小，在黃海南部大約抵消40%的海表冷卻作用。圖12c和圖12 d的分布結(jié)構(gòu)很相似，也進(jìn)一步說明冬季海表熱通量的冷卻作用在渤、黃、東海SST的整體降溫上起到主要作用，而平流熱輸送則在冷暖水舌結(jié)構(gòu)形成中起到主要作用。

綜上所述，平流熱輸送在冷暖水舌區(qū)域中的作用最大，在暖舌區(qū)域起到增溫作用，在冷舌區(qū)域起到降溫作用，分別抵消和加強(qiáng)海表熱通量的冷卻作用，使得SST降低的同時(shí)逐漸形成冷暖水舌的分布結(jié)構(gòu)。平流熱輸送相對(duì)于海表凈熱通量的作用在冷暖水舌中明顯，而在冷暖水舌分界處平流熱輸送對(duì)SST變化幾乎沒有貢獻(xiàn)。

圖10 渤、黃、東海冬季(12月—2月)SST變化過程Fig.10 Evolution process of SST from December to February in the BYES

圖11 渤、黃、東海冬季(12月—2月)平流熱輸送累積對(duì)SST的作用Fig.11 Accumulative effect of advectional heat transport from December to February in the BYES

圖12 渤、黃、東海冬季(12月—2月)SST變化分布(a)，海表冷卻帶來的SST變化分布(b)，平流熱輸送帶來的SST變化分布(c)以及平流熱輸送與海表熱通量的比值(d)Fig.12 The observed increment of SST (a), the corresponding part due to net air-sea heat flux (b), and due to advectional heat transport (c), and the ratio between advectional and heat flux (d) from December to February in the BYES

4 結(jié)論

本文從9 a(2006—2014年)2月的微波紅外融合SST數(shù)據(jù)中提取海表冷暖水舌軸線的空間位置和對(duì)應(yīng)的溫度，并計(jì)算出海表冷暖水舌的平均位置、平均溫度、位置距平及溫度距平。從而定量描述了海表冷暖水舌的位置空間分布概率和平均溫度的空間分布，運(yùn)用EOF的方法分析冷暖水舌的年際變化并估算出12月至2月的累積平流熱輸送，討論其與海表凈熱通量對(duì)SST變化及冷暖水舌形成的影響。主要結(jié)果如下：

(1)冬季(2月)渤、黃、東海共有2條冷水舌和6條暖水舌，分別是東海北部冷舌、東海南部冷舌、黑潮暖舌、東海西部暖舌、對(duì)馬暖舌、黃海南部暖舌、黃海中部暖舌和渤海暖舌。冷暖水舌位置標(biāo)準(zhǔn)差在8～55 km之間，舌軸擺動(dòng)范圍在兩個(gè)經(jīng)緯度之內(nèi)。冷暖水舌位置分布在東海中部和渤海海峽非常密集(分布概率>30%)，在臺(tái)灣東北部、東海北部、濟(jì)州島南部和黃海北部密集(20%～30%)，在浙閩沿岸、黑潮中部和黃海中部分散(10%～20%)，在東海南部和九州島南部非常分散(<10%)。冷暖水舌的平均溫度在臺(tái)灣東北部最高(24.0 ℃)，由南往北、從深水至淺水逐漸降低，在渤海達(dá)到最低(1.0 ℃)；溫度標(biāo)準(zhǔn)差在九州島西南部最低(0.4 ℃)，在浙閩沿岸和黃海中部次之(0.6 ℃)，在長(zhǎng)江口和黃海北部最高(1.2 ℃)。

(2)月平均冷暖水舌位置距平的年際變化總體上在-30～30 km范圍之內(nèi)，變化幅度在東?？傮w上大于渤、黃海。EOF前三個(gè)模態(tài)(73.4%)基本解釋了水舌位置的年際變化，其中空間第一模態(tài)呈同相分布，在東海中部及西部的變動(dòng)幅度最大?？臻g第二模態(tài)和第三模態(tài)主要呈反相分布，分別在九州島南部和黃海區(qū)域有較大的變動(dòng)幅度。水舌溫度的EOF第一模態(tài)(69.6%)呈空間同相分布，變動(dòng)幅度在渤、黃海較大，在東海南部較小。

(3)冬季，渤、黃、東海海洋向大氣輸送熱量，且空間分布較為均勻，受上混合層深度的影響，SST在淺水區(qū)比深水區(qū)下降得快，導(dǎo)致SST空間分布差異，是形成冷暖水舌的原因之一。相對(duì)而言，平流熱輸送的空間差異大，而且在冷暖水舌區(qū)域中的作用最大，在冷舌區(qū)域起到降溫作用，在暖舌區(qū)域起到增溫作用，分別加強(qiáng)和抵消海表凈熱通量的冷卻作用，是冷暖水舌形成的主要原因。平流熱輸送相對(duì)于海表凈熱通量的作用也在冷暖水舌中最強(qiáng)，而在冷暖水舌分界處平流熱輸送對(duì)SST變化幾乎沒有貢獻(xiàn)。

海表冷暖水舌是SST的特征之一，其位置和溫度也具有相似的周期性變化，雖然冷暖水舌位置和溫度的EOF時(shí)間序列中都存在準(zhǔn)2～3 a周期的年際變化，但只有水舌位置的EOF第二模態(tài)通過了95%水平的顯著性檢驗(yàn)，需要積累更長(zhǎng)的時(shí)間序列資料來進(jìn)一步研究。

致謝 衷心感謝Remote Sensing Systems (RSS) 提供的SST數(shù)據(jù)以及HYCOM提供的海表熱通量數(shù)據(jù)。

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Temporal and spatial variations of the surface cold and warm tongues in the Bohai, Yellow and East China Seas and their formation mechanism

SHEN Hui1,2,3, HUANG Da-ji*3,2,1

(1.OceanCollege,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China; 2.StateKeyLaboratoryofSatelliteOceanEnvironmentDynamics,Hangzhou310012,China; 3.SecondInstituteofOceanography,SOA,Hangzhou310012,China)

The surface cold and warm tongues are used as a key characteristic to describe the spatial feature of SST. However, that characteristic is often used qualitatively rather than quantitatively because of lacking quantitative parameters. In this paper, we use nine years (2006-2014) merged microwave and infrared SST data to analyze quantitatively the spatial and temporal variations of the surface cold and warm tongues in the Bohai, Yellow and East China Seas (BYES). The characteristics of the surface cold and warm tongues are expressed in terms of their path and associated temperature. Two cold tongues and six warm tongues are identified in the BYES in February. The Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis shows that the total variance of the path of tongues is explained mostly by the three leading EOF modes (73.4%). Specifically, the first spatial mode of path shows that every tongue moves coherently in same direction, and the most significant movement occurs in the central and the west of East China Sea. In contrast, the second and third spatial modes show that most tongues move with a seesaw pattern, and the most significant movement occurs at the south of Kyushu and in the Yellow Sea respectively. The total variance of temperature on the path of tongues is explained mostly by the first EOF mode (69.6%)，which has a coherent increase or decrease of temperature in each tongue with a large amplitude in the Bohai and Yellow Seas. Both the path and associated temperature of the tongues have a 2-3 year inter-annual variation, however only the second EOF temporal mode of the path has passed the significant test. In winter, the relatively even loss of the heat in the sea leads to a much faster decrease of SST in the shallow area than in the deep area and forms cold and warm patterns associated with the bathymetry of the BYES. The uneven advectional heat transport plays a different role at various areas to reinforce and compensate the decrease of SST. In the cold tongue area, the advectional heat transport reinforces the heat loss of the water and leads to a much colder SST than the surrounding area, consequently forms the cold tongues. In contrast, in the warm tongue areas, the advectional heat transport compensates the heat loss of the water and leads to a much warmer SST than the surrounding area, consequently forms the warm tongues. The advectional heat transport plays a major role at the formation of the cold and warm tongues in the BYES.

sea surface cold and warm tongues; the Bohai, Yellow and East China Seas; temporal and spatial variations; advectional heat transport

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.001.

2015-11-11

2015-11-29

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助(2011CB409803);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(41276028)

沈輝(1989-)，男，浙江杭州市人，主要從事海洋動(dòng)力過程研究。E-mail:physhenhui@gmail.com

*通訊作者：黃大吉(1962-)，男，研究員，主要從事海洋動(dòng)力過程和海洋生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究。E-mail:djhuang@sio.org.cn

P731.11

A

1001-909X(2017)01-0001-13

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.001

沈輝，黃大吉.渤、黃、東海冬季海表冷暖水舌的時(shí)空變化及機(jī)理分析[J].海洋學(xué)研究,2017,35(1):1-13,

SHEN Hui, HUANG Da-ji. Temporal and spatial variations of the surface cold and warm tongues in the Bohai, Yellow and East China Seas and their formation mechanism[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(1):1-13, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.01.001.