秦 璐，欒東紅，姜 超，紀旭鵬

(1.牟平區(qū)氣象局，山東煙臺 264100；2.煙臺市氣象局，山東煙臺 264000)

海溫是反映海水冷熱狀況的一個物理量，不同的海溫特征可直接影響不同海氣耦合系統(tǒng)，是大氣異常的重要驅(qū)動因子[1]，對于全球氣候系統(tǒng)的季節(jié)、年際、年代際變化都有重要影響。梅笑冬[2]在論述中提到，大氣環(huán)流對上層海洋熱狀況有主導(dǎo)性的驅(qū)動作用。魏萌等[3-5]通過對全球上層海溫年周期和半年周期振蕩顯著性研究后認為，大西洋中緯度上層海溫季節(jié)變化以年變化為主，受凈熱通量影響?；衾6]較近期的研究也表明冬季大西洋的海溫EOF分布的第一模態(tài)30°N以南海區(qū)海溫有一致變化，第二模態(tài)表明北大西洋中25°N～45°N海溫有相同的變化趨勢，且與我國冬季氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)。張霏燕，徐海明[7]的研究發(fā)現(xiàn)，中北大西洋海區(qū)為影響中國東北地區(qū)春季極端低溫的關(guān)鍵海區(qū)，我國東北地區(qū)春季極端低溫的年份，中北大西洋較常年偏冷。而熱帶北大西洋海溫與南海夏季風(fēng)存在顯著負相關(guān)，北大西洋海溫正常時，南海季風(fēng)增強[8]。李忠賢[9]最新研究表明，春季熱帶大西洋北部海溫異常變化特征與中國盛夏華中地區(qū)降水異常呈現(xiàn)正相關(guān)。北大西洋海溫異常的顯著性差異是導(dǎo)致夏季中國東部降水以及大尺度環(huán)流異常存在的明顯差異的原因之一[10-11]。以上研究表明北大西洋海區(qū)為影響中國氣候的重要海區(qū)，大西洋上層海溫可作為對中國區(qū)域氣候分析與研究的重要影響要素。本文對影響大西洋上層海溫的因子做更為深入的研究，可為中國區(qū)域氣候研究提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

所用資料來自美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction,簡稱NCEP)提供的月平均全球海溫同化資料(GODAS)。20世紀80年代以后衛(wèi)星觀測顯著提高了觀測精度，使得資料具備可靠性強、時間序列長的優(yōu)點。研究選取了1981—2018年的月平均海溫資料，其空間分辨率為0.333°(緯度)×1°(經(jīng)度)，水平范圍為0°N ～64.5°N、80°W～20°E，用深度200 m的海表面上層海溫來表示上層海洋的熱力狀況。同時選取了38年間NCEP北大西洋空間分辨率相同深度同為200 m的海表向下熱通量(GODAS)、擾動速度和平均流場數(shù)據(jù)。

1.2 方法

利用38年海溫資料，通過將海溫的春、夏、秋、冬四季多年平均值與海溫38年年平均值分別做差值，得到海溫年內(nèi)距平分布，分析1981—2018年四季北大西洋上層海溫變化的空間分布。

對于影響北大西洋上層海溫變化的主要貢獻因子可根據(jù)海溫控制方程[12-13]分析得到。通過小擾動法處理，略去非線性等高階小量，海溫控制方程可簡化為式(1)：

(1)

(1)式等號左側(cè)為海溫變化的時間傾向項。將等號右邊各項進行分類：

由于海洋溫躍層的深度一般為200 m，常用海洋表層到其下200 m的整體海溫表征為上層海溫。將(1)式從H=200 m深度到表層積分，得到式(2)：

(2)

(3)

式(3)給出了海表熱通量的貢獻、擾動速度對平均溫度的平流貢獻和平均流場對擾動溫度的平流貢獻與海溫變化之間的關(guān)系。

在對海表向下熱通量(GODAS)、擾動速度和平均流場數(shù)據(jù)，采用和海溫類似的季平均及其距平處理后，即可表征式(3)右側(cè)各項，將其與海溫距平的時間變化進行相關(guān)分析及T檢驗，分析各因子對北大西洋上層海溫變化的影響。

2 北大西洋上層海溫的季節(jié)變化

利用38年上層海溫春季(3-4月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月-次年2月)和年(12月-次年11月)上層海溫資料多年(38年)平均值，將四季上層海溫資料多年平均值與年海溫多年平均值做差值，得到北大西洋上層海溫季節(jié)變化的距平值。

結(jié)果表明北大西洋上層海溫最冷的季節(jié)是春季，春季比冬季的海溫更冷、位置更偏南；最暖的是秋季，秋季比夏季海溫更高，秋季和夏季海溫分布位置基本相同，但低緯副熱帶海區(qū)海溫極值位置分布與春季相同，海溫距平值正負相反(圖1)。

夏半年夏、秋二季在北大西洋的西北側(cè)海區(qū)出現(xiàn)海溫暖中心，極值高達1.5 ℃以上。在秋季暖海溫正中心范圍很大，緯向橫跨半個大西洋，海區(qū)分布在30°N～50°N，在熱帶地區(qū)有高值，副熱帶存在低值中心。夏季高值中心位置雖與前者相同但強度明顯減弱、范圍縮小，高值中心也不存在。兩季的海溫冷(負距平)中心皆在靠近赤道的海區(qū)出現(xiàn)，負距平值超過-1 ℃，但秋季負距平中心強度強、范圍大，位置靠北。

冬半年冬、春季的海溫距平中心與夏半年的高值區(qū)和負高值區(qū)位置重合且出現(xiàn)反向趨勢，負中心出現(xiàn)在北大西洋的西北沿岸，正中心在赤道附近海域出現(xiàn)。春季負值中心相比冬季明顯強度更強且范圍更大，而高值中心強于冬季。

由分析可見，北大西洋四季的海溫距平在中緯大洋西側(cè)海區(qū)海溫最暖(最冷)，出現(xiàn)正(負)值中心，低緯熱帶與副熱帶海區(qū)分布出現(xiàn)相對的暖海溫(冷海溫)值與冷海溫(暖海溫)值中心。由于海洋特性，上層最暖季節(jié)出現(xiàn)在秋季，最冷季節(jié)出現(xiàn)在春季，而非氣候夏季、冬季，四季中海溫的季節(jié)變化出現(xiàn)滯后，相比大氣滯后一個季節(jié)。

圖1 1981—2018年北大西洋上層海溫的四季分布圖

3 各項因子對北大西洋上層海溫季節(jié)變化的影響

3.1 各項因子對北大西洋上層海溫變化的貢獻

海氣界面的能量交換(即海表向下熱通量)是影響上層海溫的重要因子，海水熱通量凈收入時海溫呈現(xiàn)上升趨勢，熱通量凈支出時海溫表現(xiàn)下降趨勢[14]。以簡化的海溫控制方程為基礎(chǔ)，進行線性化處理，對式(3)右側(cè)三項因子在北大西洋上層海溫變化所起作用進行分析。

將海溫變化的時間傾向(圖2)與熱通量的貢獻(圖3)對比，可以看出二者季節(jié)分布對應(yīng)較好，具有很高的相似度，中高緯地區(qū)尤其明顯。春、夏季和冬季的海溫在熱通量貢獻的影響下，在北大西洋西北海區(qū)出現(xiàn)了極大值中心，夏、冬季的溫度變化略弱且位置偏南；春季兩個變量范圍分布相同，海溫距平的時間變化貢獻強度略強于熱通量貢獻。秋季強度較弱，總體分布呈現(xiàn)一致性。

對比分析海溫變化的時間傾向(圖2)與擾動速度對平均溫度的平流貢獻(圖4)，可以看出在低緯地區(qū)此項因子對海溫有影響，這種作用夏季、冬季表現(xiàn)強烈，春、秋影響較弱，冬季表現(xiàn)的最為明顯，同時大西洋西北沿岸也出現(xiàn)了次高值中心。

對比分析海溫變化的時間傾向(圖2)與平均流場對擾動溫度的平流貢獻(圖5)表明，此項因子總體上對大西洋海溫的影響表現(xiàn)較弱，夏季與秋季對大西洋西岸有產(chǎn)生小范圍影響。

綜上，熱通量貢獻項在上層海溫變化中起主要作用，高緯地區(qū)大西洋西岸與海溫變化的時間傾向在空間分布上四季均有一致性；擾動速度對平均溫度的平流貢獻起次要作用，主要表現(xiàn)在熱帶低緯海區(qū)；與前兩者相比，平均流場對擾動溫度的平流貢獻的影響較弱。

圖2 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海溫變化的時間傾向分布圖

圖3 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海洋熱通量對上層海溫變化的貢獻分布圖

圖4 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海洋擾動速度對上層海溫變化的貢獻分布圖

圖5 1981—2018年北大西洋各季節(jié)上層海洋平均流場對上層海溫變化的貢獻分布圖

3.2 各項因子與北大西洋上層海溫變化的相關(guān)性分析

圖6a給出了38年海溫變化的時間傾向與熱通量貢獻的相關(guān)系數(shù)(r)的分布圖，其中白色標示未通過檢驗的區(qū)域，暖色為通過檢驗的正相關(guān)區(qū)域，冷色區(qū)域為通過檢驗的負相關(guān)區(qū)域?？梢钥闯?，兩者的相關(guān)程度穩(wěn)定，通過了0.01的顯著性檢驗。正相關(guān)區(qū)域中心位于北大西洋海區(qū)中高緯大部分地區(qū)以及副熱帶大洋沿岸,r最高值超過0.8；赤道附近海區(qū)存在負相關(guān)，負相關(guān)中心也具有很好的穩(wěn)定性，通過0.01的顯著性檢驗，負相關(guān)系數(shù)最高可達-0.6。在通過正負顯著性檢驗的海區(qū)，存在少量未通過檢驗的海區(qū)。表明雖然整個海區(qū)的海溫與熱通量值存在連續(xù)的相關(guān)關(guān)系，但不同區(qū)域也存在一定差異?？梢姛嵬康呢暙I對在中高緯上層海溫的變化起到了很好的相關(guān)影響。

海溫變化的時間傾向與擾動速度對平均溫度的平流貢獻的相關(guān)系數(shù)(r)如圖6b所示，以通過了0.01的顯著性檢驗的負相關(guān)區(qū)域為主，主要分布在高緯和低緯地區(qū)。通過0.01顯著性檢驗的正相關(guān)海區(qū)分布于中緯。兩者的相關(guān)穩(wěn)定性程度明顯弱于熱通量貢獻的溫度變率。

從海溫變化的時間傾向與平均流場對擾動溫度平流貢獻的相關(guān)系數(shù)(r)分布圖(6c)可以看出，檢驗效果次于熱通量貢獻、擾動速度對平均溫度的平流貢獻。在高緯與副熱帶表現(xiàn)為正相關(guān)，中緯與赤道地區(qū)表現(xiàn)出負相關(guān)，正負相關(guān)分別通過了0.01的顯著性檢驗，相關(guān)區(qū)域分布零散。

圖6 1981—2018年北大西洋上層海溫變化的時間傾向與熱通量貢獻(a)、擾動速度對平均溫度的平流貢獻(b)和平均流場對擾動溫度的平流貢獻(c)的相關(guān)系數(shù)分布

4 結(jié)論

(1)北大西洋在中緯大洋西側(cè)海區(qū)冬半年(春、冬)出現(xiàn)海溫距平負值中心，夏半年(夏、秋)出現(xiàn)海溫距平正值中心，副熱帶與熱帶赤道附近也隨季節(jié)變化出現(xiàn)反相位的海溫距平正負中心。其中海溫距平的正、負極值分別出現(xiàn)在秋季和春季，北大西洋上層海溫季節(jié)變化出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，受海洋特性影響上層海溫變化相比氣溫變化滯后一個季節(jié)。

(2)簡化后的海溫控制方程進行積分處理(H=200 m)，得到了影響北大西洋上層海溫變化的三項影響因子：熱通量貢獻、擾動速度對平均溫度的平流貢獻與平均流場對擾動溫度的平流貢獻。

(3)第一項因子熱通量貢獻在上層海溫變化中起主要作用，其中高緯度海區(qū)與北大西洋海溫變化的時間傾向在四個季節(jié)都高度重合；第二項因子擾動速度對平均溫度的平流貢獻表現(xiàn)出次要作用，在低緯地區(qū)對海溫有影響，其作用夏季、冬季表現(xiàn)強烈，春秋影響較弱；第三項因子平均流場對擾動溫度的平流貢獻表現(xiàn)較弱，在夏季與秋季對北大西洋西岸有產(chǎn)生小范圍影響。

(4)北大西洋上層海溫變化與各因子的相關(guān)性分析中，第一項影響因子熱通量貢獻在整個海區(qū)基本通過顯著性為0.01的正相關(guān)檢驗，相關(guān)性良好。第二項影響因子在高緯和低緯地區(qū)，以負相關(guān)為主，相關(guān)穩(wěn)定性程度弱于第一項影響因子。第三項影響因子在高緯與副熱帶表現(xiàn)為正相關(guān)，中緯與赤道地區(qū)表現(xiàn)出負相關(guān)，相關(guān)區(qū)域分布零散。