中國近海海溫年際年代際振蕩關鍵海區(qū)分析研究

張志華，陳幸榮，蔡怡

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

中國近海海溫年際年代際振蕩關鍵海區(qū)分析研究

張志華，陳幸榮，蔡怡

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

用HADLEY中心的HadISST的海溫資料、NCEP的大氣資料、國家氣象局發(fā)布的74個月平均環(huán)流指數(shù)和美國華盛頓大學的PDO指數(shù)，討論研究了中國近海海溫的年際年代際振蕩。通過對我國近海海溫的EOF分析，可以發(fā)現(xiàn)我國近海30?N附近是海溫年際年代際振蕩信號最強的關鍵區(qū)，它占了總量的58.2%，與澳大利亞東北沿海海溫年代際振蕩有相同的周期，最明顯周期是44—45年，滯后PDO信號近15年左右。該關鍵區(qū)海溫與澳大利亞東北沿海海溫都還存在1年、5年和15年的振蕩，它們的相關系數(shù)達到0.604，屬于同一個模態(tài)。另外，1年的海溫振蕩信號除了澳大利亞東北沿岸以外，還沿著西太平洋海岸線分布，因此中國近海海溫年際年代際振蕩不是一種局地現(xiàn)象，而與太平洋海溫變化有關。另外，它是海氣相互作用的結果，與中高緯度的東亞大槽和低緯度太平洋印度洋的風場、西太平洋副高和南海副高、大氣溫度場甚至南半球環(huán)流有明顯的關系。

中國近海海溫；海溫年際年代際振蕩；關鍵海區(qū)

1 引言

由于觀測資料的缺乏，到目前為止關于中國近海海溫的長期變化研究是比較少的，馮琳等[1]用HadISST1資料分析了1945—2006年東中國海海表溫度（SST）的長期變化趨勢；張秀芝等[2]用HADLEY中心的海表溫度（SST）資料，分別討論了我國渤海、黃海、東海、南海北部和南海中部各海域近100年溫度的長期變化趨勢；他們討論的關注點主要是集中在全球變暖的背景下，近百年到半個世紀以來的中國近海海溫的長期變暖趨勢。李云芳等[3]用海洋衛(wèi)星遙感資料和EOF分析方法，討論了東海海域海表溫度場的時空變化，但是由于該資料的水平分布范圍比較小僅僅局限在我國東海，時間序列也比較短只有最近20年的資料；白彬人等[4]用中國近海13個海洋站1959—2003年逐日日平均海表溫度，討論了中國近海水溫的短時（1d）、過程、旬、月、年際變率以及海溫的長期趨勢變化，并在此基礎上詳細討論了影響中國近海各時間尺度水溫變化的天氣氣候因素，但是由于他們用的是單站只有13個點的資料，因此對中國近海的代表性比較差；張松等[5]用美國NOAA極軌衛(wèi)星中的高級甚高分辨率輻射計（AV HRR）反演的海表面溫度資料和EOF方法，分析了渤、黃、東海SST的年際變化，但是它們所用的資料年限是從1985—2007年，這對于年際變化的研究，所用的資料的年限相對有點短，因此到目前為止對于中國近海洋海溫的研究，人們更多的是注重長期變暖的趨勢研究，而對于年際年代際振蕩的研究，所用的資料年限比較短，而且所用的資料范圍比較小或者只是站點資料，很難準確的反映中國近海海溫的年際年代際振蕩。

然而，隨著全球變暖的愈演愈烈，關于年際年代際振蕩的研究已越來越引起人們的關注，這是因為人們在研究全球變化時發(fā)現(xiàn)，在全球變暖的同時，年際年代際的氣候振蕩在氣候變化中起了非常重要的作用，如ENSO就是一種熱帶太平洋的海氣相互作用年際振蕩，PDO是北太平洋的一種年代際振蕩，目前比較多研究是關于ENSO、PDO等洋盆尺度的年際和年代際振蕩[6-10]，但是關于中國近海局地性的年際年代際振蕩，由于缺少長時間序列的觀測資料，研究還相對比較少。如果我們對中國近海海洋的年際年代際振蕩有清楚的認識，那么對我國海溫的長期預測將有極大的幫助，本文希望用HADELY資料中心的SST和EOF分析等方法，研究中國近海海溫的年際年代際振蕩。

2 資料來源和處理方法

我們所用的資料有來自英國氣象局HADLEY中心，時間長度從1870年1月到2003年12月共134年月平均海面溫度（HadISST），網(wǎng)格分辨率為1°×1°；美國NCEP大氣500 hPa月平均高度場和850 hPa月平均溫度場和風場，時間從1948年1月—2003年12月，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°；另外還用到了來自國家氣象局發(fā)布的74個月平均環(huán)流指數(shù)，時間長度都為1948年1月—2003年12月；美國華盛頓大學的PDO指數(shù)，時間為1900年1月—2003年12月。為了略去季節(jié)變化，我們對所有的原始資料進行了氣候平均，用原始資料減去氣候平均，得到氣候平均的距平，下面只用氣候平均的距平進行討論。

3 結果分析

圖1 EOF分析的第一個模態(tài)和時間系數(shù)

為了討論中國近海海溫的年際年代際振蕩，我們?nèi)≈袊５姆秶鸀?00°—140°E，0°—45°N，首先用HadISST資料進行EOF分析，得到圖1。圖1是EOF分析的第一個模態(tài)和時間系數(shù)，占了總模態(tài)的58.2%，而第二個模態(tài)就只占12.1%，可見第一模態(tài)是非常顯著的，因此，本文只討論第一模態(tài)。

從圖1a中可以看到我國近海長江口附近是我國近海海溫年際年代際振蕩信號非常強的關鍵區(qū)域，這可能是因為東海海域位于“亞印太交匯區(qū)”，海陸氣相互作用比較復雜。該海域既受到來自北邊的東亞季風的影響，又受到來自南邊的南亞季風、澳洲季風和太平洋氣流等多種因素影響，是中高緯度和低緯度相互作用的關鍵區(qū)域。從第一模態(tài)的時間序列來看，它不僅反映了近50年的全球變暖，還存在很明顯的周期變化。本文主要討論年際年代際的周期變化，我們將圖1b的時間系數(shù)進行小波分析和功率譜分析得到圖2，從圖中可以看到該模態(tài)的時間系數(shù)存在最明顯的周期是44—45年（536月）的周期，該周期與太平洋PDO有相同的周期，但是我們分析它們的位相是不同的，在20世紀PDO在1900—1924年、1947—1976年為負位相，而1925—1946年、1977—2005年為正位相，從圖2a中可以看到第一時間序列在1915—1940年、1960—1985年為負位相，而1895—1915年、1940—1960年、1985—2012為正位相，也就是說，中國近海海溫關鍵區(qū)的年代際振蕩，比PDO滯后了近15年左右，由此我們可以推測，該模態(tài)是一個獨立于PDO但是又與PDO有關的年代際振蕩，它的關鍵區(qū)域在西太平洋30°N附近的中國近海。另外，從圖1b第一分量的時間系數(shù)功率譜分析可以看到，該模態(tài)存在明顯的1年（12個月）、5年（57個月）和15年（180個月）周期。為了討論我國近海年際年代際振蕩關鍵區(qū)海溫的變化，我們將122°—123°E,29°—30?N區(qū)域的海溫距平作平均，代表我國近海年際年代際振蕩關鍵區(qū)域的海溫距平變化，用該海溫距平時間序列與整個太平洋的海溫距平作相關，得到圖3，從圖中可以看到沿著海岸線，我國近海關鍵區(qū)域海溫距平與西太平洋沿岸海溫距平都有很好的相關，有幾個比較大的相關區(qū)域沿著海岸線從15°S到48°—49°N分布，另外在55°N、142°—145°E處，有一個明顯的負相關區(qū)域，為討論這個分布模型與我國近海關鍵區(qū)的關系，我們把近海關鍵區(qū)定義為1區(qū)，再分別選取相關系數(shù)比較大的幾個區(qū)域為2—5區(qū)見圖3，其中1區(qū)與2—5區(qū)的相關系數(shù)分別達到-0.28（2區(qū)），0.604（3區(qū)）0.424（4區(qū)），0.521（5區(qū)）。我們分別對這5個區(qū)域海溫距平的時間序列進行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)1區(qū)和3區(qū)有著同樣的振蕩周期，分別為1年（12個月）、5年（57個月）、15年（180個月）和44—45年（530個月）周期，而且它們之間的相關系數(shù)達到0.604，由此可以推測，中國近海海溫關鍵區(qū)的年際年代際振蕩與澳大利亞東北沿海的海溫年際年代際振蕩完全屬于同一個變化模態(tài)；中國近海海溫關鍵區(qū)的年際年代際振蕩不僅僅是中國近海的一個局地現(xiàn)象，另外這5區(qū)域，還都存在明顯的12個月左右（1年）的周期，因此對于1年的周期這5個區(qū)域是由同一個模態(tài)構成，從它們的分布來看，該變化模態(tài)應該與西太平洋沿岸的海岸線地形有關。

圖2 EOF分析第一時間系數(shù)的小波分析結果和功率譜分析

圖3 中國近海海溫關鍵區(qū)（1區(qū)）與太平洋海溫距平相關系數(shù)分布

圖4 中國近海海溫關鍵區(qū)海溫距平滯后56個月500 hPa高度場距平相關系數(shù)分布

圖5 中國近海海溫關鍵區(qū)海溫距平滯后36個月850 hPa氣溫場距平相關系數(shù)分布

圖6 中國近海海溫關鍵區(qū)海溫距平滯后44個月850 hPa緯向風場距平相關系數(shù)分布

圖7 中國近海海溫關鍵區(qū)海溫距平滯后56個月850 hPa經(jīng)向風場距平相關系數(shù)分布

從上面的討論可以發(fā)現(xiàn)中國近海海溫關鍵區(qū)年際年代際振蕩，并不是一種局地的海溫變化現(xiàn)象，它與整個太平洋的海溫變化有聯(lián)系，特別是它的年代際振蕩應該是一種海氣相互作用現(xiàn)象。為此，我們將1區(qū)的海溫距平與各種大氣環(huán)流指數(shù)作相關，發(fā)現(xiàn)當1區(qū)出現(xiàn)最大正的海溫距平65個月（5年左右）以后，西太平洋副高的西伸位置達到最西，相關系數(shù)達到-0.304，對應的副高面積指數(shù)和強度指數(shù)也達到比較強；另外，我們還研究了南海副高和西太平洋副高對1區(qū)海溫的影響，發(fā)現(xiàn)當西太平洋副高強度最強70個月以后，1區(qū)的正海溫最大，相關系數(shù)相關系數(shù)達到0.35，而與南海副高的關系則是當南海副高強度最強57個月以后，1區(qū)的正海溫距平最大，相關系數(shù)也達到0.35。由此可見，1區(qū)的海溫變化與來自熱帶副熱帶的環(huán)流變化有很大的關系。另外，我們還將1區(qū)的海溫與500 hPa的高度距平場作滯后的相關，發(fā)現(xiàn)500 hPa的高度距平場超前1區(qū)的海溫56個月相關最好得到圖4，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)熱帶印度洋與1區(qū)有非常好的正相關，相關系數(shù)超過0.5，這與前面關于副高與1區(qū)海溫變化的結論是一致的，而北半球中高緯度東亞大槽則與1區(qū)有負相關，相關系數(shù)為-0.2以上，可見1區(qū)的海溫變化與來自中高緯度的大氣環(huán)流變化也有密切的關系。

我們還將1區(qū)的海溫與850 hPa的氣溫距平場作滯后的相關，發(fā)現(xiàn)850 hPa的氣溫距平場超前1區(qū)海溫變化36個月相關最好得到圖5。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)在中國近海相關系數(shù)的分布與圖3相似，可見該信號是由大氣向海洋傳播，在熱帶印度洋和東太平洋上850 hPa的氣溫距平場超前1區(qū)海溫變化36個月，相關系數(shù)都達到0.5以上；將1區(qū)的海溫與850 hPa的緯向風距平場作滯后，發(fā)現(xiàn)850 hPa的緯向風距平場超前1區(qū)海溫變化44個月相關最好得到圖6。從圖6中可以發(fā)現(xiàn)中國近海海溫關鍵區(qū)，不但與熱帶東太平洋的緯向風有很好的正相關，還與熱帶印度洋的緯向風有很好的負相關，它們的相關系數(shù)都超0.5，它與東亞大陸中高緯度的緯向風也有很好的負相關。將1區(qū)的海溫與850 hPa的經(jīng)向風距平場作滯后的相關，發(fā)現(xiàn)850 hPa的經(jīng)向風距平場超前1區(qū)海溫變化56個月相關最好，得到圖7。從圖7可以發(fā)現(xiàn)最大的負相關在南半球中緯度澳大利亞附近，相關系數(shù)超過-0.5。目前雖然我們還不能確定大氣環(huán)流與中國近海海溫年際年代際振蕩關鍵區(qū)之間存在怎樣的聯(lián)系機制，但是如此高的相關系數(shù)，可以讓我們確定中國近海海溫關鍵區(qū)年際年代際振蕩信號，不但與整個太平洋海溫有關，而且與中高緯度的風場、低緯度的副高和風場、大氣溫度場甚至南半球環(huán)流有明顯的關系，這種年際年代際振蕩是海氣相互作用的結果。

4 結論

通過對我國近海海溫的EOF分析，可以發(fā)現(xiàn)我國近海30?N附近是海溫年際年代際振蕩信號最強的關鍵區(qū)，占了總量的58.2%，與澳大利亞東北沿海海溫年代際振蕩有相同的周期，最明顯周期是44—45年，滯后PDO信號近15年左右，該關鍵區(qū)海溫與澳大利亞東北沿海海溫都還存在1年、5年和15年的振蕩，它們的相關系數(shù)達到0.604，屬于同一個模態(tài)；另外，1年的海溫振蕩信號除了澳大利亞東北沿岸以外，還沿著西太平洋海岸線分布，因此中國近海海溫年際年代際振蕩不是一種局地現(xiàn)象，而與太平洋海溫變化有關。另外，它是海氣相互作用的結果，與中高緯度的東亞大槽和低緯度太平洋印度洋的風場、西太平洋副高和南海副高、大氣溫度場甚至南半球環(huán)流有明顯的關系。但是關于中高緯度和低緯度的風場、低緯度的副高、大氣溫度場甚至南半球環(huán)流對我國近海海溫關鍵區(qū)年際年代際振蕩的影響機制還需要作進一步的研究。

[1]馮琳,林霄沛.1945—2006年東中國海海表溫度的長期變化趨勢[J].中國海洋大學學報,2009,39(1):13-18.

[2]張秀芝,裘越芳,吳迅英.近百年中國近海海溫變化[J].氣候與環(huán)境研究,2005,4:799-807.

[3]李云芳,郭佩芳,李廣云.東海海域海表溫度場的EOF分析[J].海洋湖沼通報,2007,3:1-4.

[4]白彬人,宋家喜.中國近海沿岸海溫多時間尺度變率及影響其變化的天氣氣候因素[J].海洋預報,2005,22(4):78-88.

[5]張松,于非,刁新源,等.渤、黃、東海海表面溫度年際變化特征分析[J].海洋科學,2009,33(8):76-81.

[6]鐘姍姍,何金海,劉宣飛.太平洋次表層海溫年代際變率及其突變特征[J].南京氣象學院學報,2002,25(5):595-602.

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[8]陳幸榮,王彰貴,巢紀平,等.PDO的三維空間結構和實際演變特征[J].海洋學報,2011,33(6):19-28.

[9]蔡怡,李海,張人禾.熱帶印度洋海溫異常與ENSO關系的進一步研究[J].氣象學報,2008,66(1):120-124.

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A study of SST decadal oscillation in China Sea

ZHANG Zhi-hua，CHEN Xing-rong，CAI Yi
(National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China)

Based on the HadISST data from HADLEY Center,geopotential height at 500 hPa and air temperature and wind at 850hPa from NCEP,74-month averaged circulation index from Chinese Meteorology Administration and PDO index from Washington University,the SST decadal oscillation in China Sea is analyzed by EOF method.The results show that the key area is close to 30°N in the East of the China Sea,where showing strongest SST decadal oscillation and.It takes account about 58.2%of total amount.The period of SST decadal oscillation in the key area of the China Sea is same as that in the northeast coast of the Australia Ocean.The period of the strongest signal SST decadal oscillation is 44—45 years,showing a lag of 15 years with PDO.The SST oscillation in the key area of the China Sea and in the northeast coast of the Australia Ocean share the same periods with 1 year,5 years and 15 years and the correlation coefficient is 0.604,suggesting that they are in the same mode. There is also 1 year period in the western Pacific coast.The results indicate that the SST decadal oscillation in the key area of the China Sea is not a local event,but connects to the sea temperature in the Pacific Ocean.It is the results of the air—sea interaction,being related with the wind from mid-high and low latitude,the subtropical high in the west Pacific Ocean and the South China Sea,the air temperature and the circulation in the southern hemisphere.

SST;decadal oscillation;key sea area

P732

A

1003-0239（2012）04-0001-06

2012-03-01

國家自然科學基金（40976015）；國家“973”項目（2010CB950302）

張志華（1976-），男，助理研究員，主要從事工作：ENSO動力學和海洋數(shù)值模擬研究。E-mail∶zhangzhihua@nmefc.gov.cn