東海30°N斷面冬季溫鹽分布及年際變化特征分析?

苗慶生， 楊錦坤， 楊　揚(yáng)， 曹英志

(國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

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東海30°N斷面冬季溫鹽分布及年際變化特征分析?

苗慶生， 楊錦坤??， 楊揚(yáng)， 曹英志

(國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

摘要：根據(jù)東海30°N斷面1976—2013年歷年2月份表、底層溫度、鹽度資料，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)、譜分析等方法分析了斷面溫鹽的空間分布特征和時(shí)間變化特征。結(jié)果表明：斷面溫度空間變化趨勢(shì)可分為西段和東段，鹽度變化可分為西段、中段和東段；表層溫度第一模態(tài)呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡趨勢(shì)且近海比外海溫度變化幅度大，底層溫度第一模態(tài)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；表層鹽度有降低趨勢(shì)且近海比外海降低趨勢(shì)大，底層鹽度在近年來表現(xiàn)出降低趨勢(shì)。該斷面水溫年際變化和El Nio關(guān)系密切；鹽度短期震蕩和El Nio有關(guān)系，而長(zhǎng)期變化與PDO有關(guān)。

關(guān)鍵詞：東海； 斷面； 溫鹽； EOF； 譜分析

引用格式：苗慶生，楊錦坤，楊揚(yáng), 等.東海30°N斷面冬季溫鹽分布及年際變化特征分析[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(6): 1-7.MIAO Qing-Sheng, YANG Jin-Kun, YANG Yang, et al. Distribution and annual variation characteristics of temperature and salinity in winter along the 30°N section in the East China Sea[J].Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(6): 1-7.

30°N斷面位于東海中部，西臨杭州灣，東接琉球群島，能反映出臺(tái)灣暖流水、蘇北沿岸水、長(zhǎng)江沖淡水和黑潮暖流水等的分布態(tài)勢(shì)，并且該斷面是中國(guó)自行監(jiān)測(cè)的最長(zhǎng)水文序列資料之一，十分寶貴。近一個(gè)世紀(jì)以來，氣候變化劇烈，全球氣溫升高，導(dǎo)致海水溫度同時(shí)變暖，嚴(yán)重威脅著海洋生物的生存環(huán)境[1]；溫度的變化對(duì)海洋生物的數(shù)量影響巨大[2]，赤道太平洋海區(qū)對(duì)全球氣候系統(tǒng)變化有著重要作用和指示標(biāo)記，來源于北赤道流的黑潮與Nino3.4指標(biāo)的關(guān)系非常密切[3]，因而對(duì)受黑潮影響的東中國(guó)海研究是認(rèn)識(shí)全球氣候變化在區(qū)域性響應(yīng)的一個(gè)重要組成部分。諸多學(xué)者對(duì)東海海洋環(huán)境要素已做了大量研究，研究手段主要為遙感資料以及同化資料。如PARK等利用1951—1996年的COADS海溫?cái)?shù)據(jù)，研究了東亞大陸邊緣海海溫年際及年代際的變化特征，指出該區(qū)域海溫在年代際尺度上于1965/1996發(fā)生了位相的轉(zhuǎn)換，并指出該位相轉(zhuǎn)換與赤道西太平洋有關(guān)[4]。伍玉梅等利用AVHRR輻射計(jì)獲取的東海海表溫度資料研究其時(shí)空變化特征，得出北部海域的海溫異常與該地區(qū)的氣溫變化關(guān)系密切[5]。張松等利用AVHRR資料研究渤、黃、東海海表溫度的年際變化特征，并進(jìn)一步探討其與東亞季風(fēng)場(chǎng)年際變化特征的關(guān)系[6]。曾廣恩等基于1998—2004年的TRMM/TMI衛(wèi)星遙感海面溫度(SST)數(shù)據(jù)對(duì)東海SST的季節(jié)分布特征及變化的可能機(jī)制進(jìn)行了分析[7]。于非等利用AVHRR反演的SST溫度資料，分析了東海1991—2001年海表面溫度的變化趨勢(shì)，得出存在41個(gè)月左右的變化周期的結(jié)論[8]。李家星等利用2個(gè)東海海洋站1960—2001年SST監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與1982—2011年AVHRR水溫資料，分析了東海陸架SST年際變化的時(shí)空特征[9]。部分學(xué)者利用調(diào)查資料對(duì)東海部分海域溫鹽進(jìn)行研究。如浦泳修利用斷面調(diào)查資料將夏季30°N斷面鹽度分為4個(gè)類型，表明多數(shù)類型都有沖淡水的分布態(tài)勢(shì)[10]。張輝等利用JODC資料分析了東海北部32°N斷面的溫鹽分布，指出該區(qū)域春季有明顯的溫度躍層，秋季存在底層冷水區(qū)東移的趨勢(shì)，斷面東部底層有高鹽水入侵[11]。韋欽勝等利用一年的調(diào)查資料分析和探討了黃、東海交界海域斷面水文精細(xì)化特征的季節(jié)性演替和東海北部冷水域典型站位的溫、鹽度垂直結(jié)構(gòu)[12]。30°N斷面位于東海北部，水文情況復(fù)雜，并且該斷面是中國(guó)最早開展調(diào)查的斷面之一，時(shí)間序列長(zhǎng)并且數(shù)據(jù)良好，研究30°N斷面冬季溫度、鹽度年際變化時(shí)空結(jié)構(gòu)，將有助于了解東海溫鹽時(shí)空結(jié)構(gòu)以及進(jìn)一步研究溫鹽變化對(duì)其他生化要素的影響。

1材料和方法

1.1 分析資料

東海30°N斷面10個(gè)監(jiān)測(cè)站位分布在東海陸架坡上(見圖1)，基本呈等間距分布，經(jīng)度范圍為123.5°E～128°E。該斷面西端水深約為60 m，最東端水深約為400 m，國(guó)家海洋局(SOA)于1976—2013年2月份對(duì)該斷面表、底層海水溫鹽進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)此資料進(jìn)行氣候?qū)W檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)、尖峰檢驗(yàn)、梯度檢驗(yàn)和連續(xù)性檢驗(yàn)等質(zhì)量控制來確保資料的準(zhǔn)確性，并對(duì)個(gè)別站點(diǎn)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，最終形成空間分辨率為0.5°，時(shí)間長(zhǎng)度為38 年的溫鹽數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

1.2.1 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)方法是一種分析矩陣數(shù)據(jù)中結(jié)構(gòu)特征和提取數(shù)據(jù)主要時(shí)空特征量的方法，在分析氣候元素的長(zhǎng)時(shí)間序列變化具有良好優(yōu)勢(shì)[13-15]。它可以反映分析區(qū)域整體時(shí)空主要變化，Lorenz在1950年代首次將其引入氣象和氣候研究，現(xiàn)在海洋和其他學(xué)科中得到了廣泛的應(yīng)用[16]。

1.2.2 顯著性檢驗(yàn)分解出的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)究竟是有物理意義的信號(hào)還是毫無(wú)意義的噪音，應(yīng)該進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，特別是當(dāng)變量場(chǎng)空間點(diǎn)數(shù)大于樣本量時(shí)，顯著性檢驗(yàn)尤其重要。檢驗(yàn)方法：用North等提出的計(jì)算特征值誤差范圍來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[17]。特征值λj誤差范圍為：

1.2.3 躍變分析方法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。

2結(jié)果與討論

2.1 溫鹽分布與年際變化

2.1.1 斷面空間平均分布將斷面溫度做多年平均得出空間變化趨勢(shì)(見圖2)，可以明顯得出斷面溫度變化趨勢(shì)線以126°E為分界點(diǎn)平均分為兩段，西段溫度相對(duì)較低并且變化幅度很小，表底層最低值均出現(xiàn)125°E處并且均為13.1℃，東段溫度變呈現(xiàn)一種穩(wěn)定上升趨勢(shì)，表層最高溫度出現(xiàn)在最東端128°處，大小為19.4℃，底層最高溫度出現(xiàn)在127.5°E處，大小為16.2℃。表底層溫度趨勢(shì)線在西段基本重合，而在東段差距較大。原因是西段水深較淺，垂向混合較為均勻，故而表底層溫差不大，而西段受高溫高鹽的黑潮影響，溫度比東段高，并且由于此段水深較大，黑潮對(duì)表層海水影響較之底層更大，故而兩條趨勢(shì)線差距較為明顯。

將斷面鹽度做多年平均得出空間變化趨勢(shì)(見圖3)，將斷面鹽度變化分為三段：西段為123.5°E～125°E，中段為125°E～126.5°E，東段為126.5°E～128°E。西段受近岸沖淡水的影響，鹽度較低，東段受黑潮影響，鹽度較高。西段底層鹽度高于表層且由西往東呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表層鹽度呈現(xiàn)先升高后下降趨勢(shì)；中段表層鹽度和底層鹽度大致相等；東段表層鹽度高于底層，均呈現(xiàn)穩(wěn)定升高趨勢(shì)。表層和底層鹽度最大值均出現(xiàn)在128°E處，表層鹽度最小值出現(xiàn)在123.5°E處，底層鹽度最小值出現(xiàn)在125.5°E處。

2.1.2 斷面平均年際變化對(duì)斷面平均溫度求其距平值，得到斷面表底層溫度距平年際變化特征，同時(shí)為了減小極端異常事件對(duì)長(zhǎng)期趨勢(shì)分析的影響，對(duì)海溫距平進(jìn)行了5點(diǎn)滑動(dòng)平均(見圖4)。

(藍(lán)色和紅色實(shí)線分別表示表層和底層溫度初始距平值；藍(lán)色和紅色虛線分別表示表層和底層溫度滑動(dòng)平均值。Blue and red solid line for surface and bottom temperature initial anomaly respectively; Blue and red dotted line for surface and bottom temperature moving average anomaly respectively.)

圖4表、底層溫度距平值年際變化

Fig.4Inter-annual variation of surface and bottom temperature anomaly

(藍(lán)色和紅色實(shí)線分別表示表層和底層溫度初始距平值；藍(lán)色和紅色虛線分別表示表層和底層鹽度滑動(dòng)平均值。Blue and red solid line for surface and bottom salinity initial anomaly respectively; Blue and red dotted line for surface and bottom salinity moving average anomaly respectively.)

圖5表、底層鹽度距平值年際變化

Fig.5Inter-annual variation of surface and bottom salinity anomaly

在1976—2013年間，該斷面表底層溫度變化趨勢(shì)基本一致，僅在大小上略有不同。溫度變化非常劇烈且底層波動(dòng)略大于表層，最小值發(fā)生在2011年，最大值發(fā)生在1984年。最顯著的負(fù)距平發(fā)生在1977、1982、1986和2011年，最顯著的正距平發(fā)生在1979、1984、1999和2009年，這2個(gè)時(shí)期分別對(duì)應(yīng)的是強(qiáng)El Nio和La Nina的發(fā)生年。對(duì)于表層溫度而言，變化范圍為-2.0～2.4℃。在1976—1997年之間，負(fù)距平和正距平交替出現(xiàn)且較為頻繁；1997—2005年期間基本呈現(xiàn)正距平，溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；2006—2013年變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，雖有正負(fù)距平值，但都較小，并且總體呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)。對(duì)1997年時(shí)間點(diǎn)前后各15 年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得到該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的信噪比為1.17，該信噪比大于1，表明1997年為氣候突變年，此結(jié)論也和前人結(jié)論一致[5]。對(duì)于底層溫度而言，變化范圍為-2.3～2.5℃，在1976—1994年之間基本呈現(xiàn)正距平，之后呈現(xiàn)短暫的負(fù)距平，1998—2004為正距平，2005年之后溫度為負(fù)距平并且呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

對(duì)斷面平均鹽度求其距平值，得到斷面表底層鹽度距平年際變化特征并對(duì)鹽度距平進(jìn)行了5點(diǎn)滑動(dòng)平均(見圖5)。由圖5可知，表底層鹽度變化趨勢(shì)基本一致，最顯著的負(fù)距平發(fā)生在1986、2000、2008和2011年，最顯著的正距平發(fā)生在1979、1984、1987年和1999年。相對(duì)于底層鹽度，表層鹽度變化較劇烈，變化范圍為-0.6～0.5。表層鹽度在1976—1999期間基本呈現(xiàn)正距平，之后表現(xiàn)為負(fù)距平，有逐漸下降趨勢(shì)，底層鹽度較表層滯后，2005年之后開始表現(xiàn)為負(fù)距平。

2.2 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解

2.2.1 溫度采用EOF分析斷面表底層溫度距平序列資料，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(dòng)。

對(duì)于表層溫度而言，EOF第一模態(tài)(EOF1)所占的方差比例為58.0%(見表1)，這一模態(tài)是斷面表層溫度距平的最主要變化形態(tài)。結(jié)合該模態(tài)的時(shí)間序列(見圖6)可以看出，該模態(tài)呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡態(tài)勢(shì)，在2005年以后稍顯變冷趨勢(shì)，這和圖4的表層溫度距平值變化是一致的。從近岸往外海，溫度異常變化幅度逐漸減弱(見圖7)。對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為32，4.1和7.1年。其中32年周期最明顯。因此EOF1表示在該斷面表層海溫在近幾年來呈現(xiàn)變冷趨勢(shì)，近海比外海溫度變化幅度大，以32年的變化周期為主。

EOF第二模態(tài)(EOF2)所占方差比例為26.7%(見表1)，是表層溫度距平的次要形態(tài)。該模態(tài)呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡略顯上升趨勢(shì)(見圖7)?？臻g分布和第一模態(tài)相反，由近岸往外海溫度異常變化幅度逐漸增強(qiáng)(見圖6)。對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為4.9 和5.8 年，4.9 年周期最明顯。

對(duì)于底層溫度而言，EOF第一模態(tài)(EOF1)所占的方差比例為51.6%(見表1)，這一模態(tài)是斷面底層溫度距平的最主要變化形態(tài)。結(jié)合該模態(tài)的時(shí)間序列(見圖8)可以看出，該模態(tài)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，自1997年之后時(shí)間系數(shù)主要表現(xiàn)為負(fù)值。從近岸往外海，溫度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)且變化幅度逐漸變大(見圖9)。對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為4.9和3.8 年，其中4.9 年周期最明顯。因此REOF1表示在1976—2013年間該斷面底層海溫呈現(xiàn)變冷趨勢(shì)，以4.9 年的變化周期為主。

EOF第二模態(tài)(EOF2)所占方差比例為32.5%(見表1)，是表層溫度距平的次要形態(tài)。該模態(tài)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(見圖8)。從近岸往外海，溫度呈現(xiàn)升高趨勢(shì)且變化幅度逐漸變大(見圖9)。對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為16和4.6 年，其中16 年周期最明顯。

2.2.2 鹽度采用EOF分析斷面表底層鹽度距平序列資料，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(dòng)。

對(duì)于表層鹽度，EOF的第一模態(tài)(EOF1)所占的方差比例為45.3%(見表2)，這一模態(tài)是斷面鹽度距平的最主要變化形態(tài)。結(jié)合該模態(tài)的時(shí)間序列，可以看出從2000年之后時(shí)間系數(shù)主要為負(fù)值，說明鹽度一直有降低趨勢(shì)(見圖10)。從近岸往外海，鹽度異常呈現(xiàn)負(fù)值-正值-0的趨勢(shì)(見圖11)；對(duì)第一模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為2.4年，其次為2.8～10.7 年。其中2.4 年最明顯。因此REOF1表示在1976—2013年間該斷面表層鹽度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，近海比外海降低趨勢(shì)大，以2.4 a的變化周期為主。

第二模態(tài)(REOF2)所占的方差比例為27.1%(見表2)，代表表層鹽度距平的次要形態(tài)，這一模態(tài)空間上從近岸往外海，鹽度異常呈現(xiàn)正值降低的趨勢(shì)(見圖11)，時(shí)間系數(shù)大致呈現(xiàn)負(fù)值-正值-負(fù)值變化趨勢(shì)(見圖10)。對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為16～2.4 年，其中16 年周期最明顯。

對(duì)于底層鹽度而言，EOF的第一模態(tài)(EOF1)所占的方差比例為48.7%(見表2)，這一模態(tài)是斷面底層鹽度距平的最主要變化形態(tài)。結(jié)合該模態(tài)的時(shí)間序列，可以看出該模態(tài)在以1992年之前以負(fù)值為主，之后變化為正值，在2002年之后又變?yōu)樨?fù)值且表現(xiàn)出降低趨勢(shì)(見圖12)。從近岸往外海，鹽度異常呈現(xiàn)先降低再升高趨勢(shì)(見圖13)；對(duì)第一模態(tài)時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為32 年。因此REOF1表示在1976—2013年間該斷面表層鹽度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，近海比外海降低趨勢(shì)大，以32年的變化周期為主。

第二模態(tài)(REOF2)所占的方差比例為21.5%(見表2)，代表表層鹽度距平的次要形態(tài)，這一模態(tài)的時(shí)間序列在2000年之后表現(xiàn)為上升趨勢(shì)(見圖12)，空間上從近岸往外海，鹽度異常呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)(見圖13)。對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行功率譜分析，得到其主要變化周期為32～4.6 年，其中32 年周期最明顯。

2.3 斷面溫鹽變化成因簡(jiǎn)析

3結(jié)論

(1)斷面溫度空間變化趨勢(shì)平均可分為東段和西段，鹽度變化可分為東段、中段和西段；近40年來，該斷面表底層溫度變化趨勢(shì)基本一致，冷暖期交替出現(xiàn)且底層波動(dòng)略大于表層，溫度冷暖年和El Nino和La Nina的關(guān)系密切；表底層鹽度變化趨勢(shì)基本一致，表層鹽度變化比底層鹽度變化更加劇烈。

(2)對(duì)溫鹽進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解，表層溫度第一模態(tài)呈現(xiàn)準(zhǔn)平衡態(tài)勢(shì)，在2005年以后稍顯變冷趨勢(shì)且近海比外海溫度變幅度大，以4.8 年的變化周期為主；底層溫度第一模態(tài)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，從近岸往外海，溫度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)且變化幅度逐漸變大；表層鹽度有降低趨勢(shì)且近海比外海降低趨勢(shì)大；底層鹽度在近年來表現(xiàn)出降低趨勢(shì)且從近岸往外海，鹽度異常呈現(xiàn)先降低再升高趨勢(shì)。

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責(zé)任編輯龐旻

Distribution and Annual Variation Characteristics of Temperature and Salinity in Winter Along the 30°N Section in the East China Sea

MIAO Qing-Sheng, YANG Jin-Kun, YANG Yang, CAO Ying-Zhi

(National Marine Data and Information Service, Tianjin 300171,China)

Abstract:Spatial distributions and time variation characteristics were analyzed using EOF and spectrum analysis methods using surface and bottom temperature and salinity data in February of 1976—2013 along 30°N section in the East China Sea. Result showed that temperature trends can be divided into western part and east part，salinity trend divided into western, middle and eastern part. The first mode of surface temperature presented a quasi-equilibrium trend and the range was higher in the near-shore than the offshores, first mode of bottom temperature presented a decreasing trend; surface salinity had a decreasing trend and the extent was higher in the near-shore than the offshores, the bottom salinity showed a decreasing trend in recent years. The temperature inter-annual variability related to El Nio closely; short-term shocks of salinity related to El Nio, and long-term changes had something to do with PDO.

Key words:East China Sea; section; temperature and salinity; EOF; spectral analysis method

基金項(xiàng)目：? 海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(基于數(shù)字海洋的資料整合及其共享服務(wù)應(yīng)用示范)子任務(wù)：海洋水體環(huán)境資料整合處理技術(shù)研究與產(chǎn)品研制(201305029-01)資助

收稿日期：2015-09-29；

修訂日期：2016-02-20

作者簡(jiǎn)介：苗慶生(1986-)，男，碩士，工程師，主要從事海洋水文氣象資料研究。E-mail：mqs1986865@163.com ??通訊作者：E-mail：mqs1986@sina.com

中圖法分類號(hào)：P731.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5174(2016)06-001-07

DOI:10.16441/j.cnki.hdxb.20150339

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