環(huán)渤海沿岸海表溫度資料的均一性檢驗(yàn)與訂正

李琰,牟林,王國(guó)松,范文靜,劉克修,李歡,張?jiān)鼋?/p>

（1 .國(guó)家海洋信息中心,天津300171；2 .國(guó)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）

?

環(huán)渤海沿岸海表溫度資料的均一性檢驗(yàn)與訂正

李琰1,2,牟林1 *,王國(guó)松1,范文靜1,劉克修1,李歡1,張?jiān)鼋?

（1 .國(guó)家海洋信息中心,天津300171；2 .國(guó)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）

摘要:本文對(duì)環(huán)渤海沿岸具有代表性且資料完整的6個(gè)海洋觀測(cè)站的月均海表溫度（SST）序列作均一性檢驗(yàn)和訂正。我國(guó)海洋觀測(cè)站密集度低,難以選擇參考序列,本文首先采用不依賴參考序列的懲罰最大E檢驗(yàn)（P M E T）方法對(duì)SST序列檢驗(yàn),利用詳盡的元數(shù)據(jù)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn),再對(duì)不連續(xù)點(diǎn)訂正,該方法適用于元數(shù)據(jù)詳盡的海洋觀測(cè)站。對(duì)于元數(shù)據(jù)不詳盡的觀測(cè)站,使用懲罰最大T檢驗(yàn)（P M T）方法,選取與海洋臺(tái)站距離近且相關(guān)顯著的氣象觀測(cè)站的均一化地面氣溫序列來(lái)制作參考序列,對(duì)SST序列進(jìn)行檢驗(yàn)和訂正。結(jié)果表明,環(huán)渤海地區(qū)SST序列都存在一定非均一性,觀測(cè)站較大距離遷移和觀測(cè)系統(tǒng)變更（從人工觀測(cè)到自動(dòng)化觀測(cè)）是造成非均一性的重要原因。訂正后的環(huán)渤海地區(qū)年平均SST增溫趨勢(shì)更加明顯。本文使用不同方法來(lái)檢驗(yàn)SST序列的均一性,該思路對(duì)沿海其他海區(qū)觀測(cè)站SST均一性檢驗(yàn)和訂正有一定參考價(jià)值和應(yīng)用前景,可為沿海氣候變化研究提供科學(xué)準(zhǔn)確的第一手資料。

關(guān)鍵詞:懲罰最大E檢驗(yàn)；P M E T；懲罰最大T檢驗(yàn)；P M T；環(huán)渤海沿岸；海表溫度；SST；均一性檢驗(yàn)

1 引言

長(zhǎng)時(shí)間序列的氣候資料是氣候變化研究及氣候預(yù)測(cè)的基礎(chǔ),這部分資料主要是由觀測(cè)資料構(gòu)成的。然而觀測(cè)站的長(zhǎng)序列氣候數(shù)據(jù)記錄不可避免地受到臺(tái)站遷址、儀器變更、觀測(cè)時(shí)次及計(jì)算方法變化等的影響,造成觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄的非均一性［1—3］,直接影響氣候變化分析結(jié)論的準(zhǔn)確性,因此均一化的氣候資料是氣候變化研究的必要前提。目前,我國(guó)在氣溫、降水和氣壓等要素的均一性檢驗(yàn)和訂正已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展,建立了均一化的中國(guó)歷史氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)集［4—9］。目前我國(guó)沿?？捎玫暮Ｑ笥^測(cè)站點(diǎn)有100余個(gè),而擁有50年以上長(zhǎng)期歷史觀測(cè)的海洋臺(tái)站僅30個(gè)左右,這些長(zhǎng)時(shí)間序列的觀測(cè)資料對(duì)于研究中國(guó)海岸帶氣候變化、近海海洋環(huán)境變化等都是十分珍貴的。但是中國(guó)沿海海洋觀測(cè)臺(tái)站海表溫度（SST）序列的均一性檢驗(yàn)和訂正尚是空白。至今,我國(guó)還沒(méi)有建立科學(xué)合理的沿海SST數(shù)據(jù)序列。如何建立具有均一性、準(zhǔn)確性和適用性的SST觀測(cè)數(shù)據(jù)序列,是目前區(qū)域海洋氣候變化研究中亟待解決的一個(gè)重要問(wèn)題。而解決這一問(wèn)題的難度主要在于沿海海洋觀測(cè)臺(tái)站空間分布稀疏,SST觀測(cè)時(shí)間短,資料缺失,元數(shù)據(jù)記錄不詳?shù)取?/p>

渤海是中國(guó)最大的內(nèi)海,由于其半封閉的內(nèi)陸淺海特征,環(huán)渤海沿岸地區(qū)氣候變化特征與我國(guó)其他沿海地區(qū)有較大差異。全球氣候變化背景下,環(huán)渤海地區(qū)出現(xiàn)了氣溫升高、降水減少的氣候暖干化趨勢(shì)［10—12］。海水溫度是渤海海岸帶及海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)重要因子,一直受到海洋和大氣科學(xué)家的普遍關(guān)注。但是在以往多數(shù)研究中都是直接使用了海洋觀測(cè)臺(tái)站的SST序列,盡管這些SST資料都進(jìn)行了高水平的質(zhì)量控制,但資料的非均一性問(wèn)題沒(méi)有充分考慮和妥善處理［13—15］,這就使得環(huán)渤海SST氣候變化的結(jié)論仍然存在著相當(dāng)不確定性。因此,本文采用國(guó)家海洋信息中心提供的經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的沿海海洋觀測(cè)臺(tái)站SST序列,從中選取了在環(huán)渤海地區(qū)具有代表性,數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)且較為完整的6個(gè)海洋觀測(cè)站的SST資料,進(jìn)行均一性檢驗(yàn)和訂正試驗(yàn)。采用一些較為成熟且廣泛認(rèn)可的技術(shù)方法,結(jié)合我國(guó)沿海海洋觀測(cè)站實(shí)際和當(dāng)前數(shù)據(jù)均一性研究的一些新成果,來(lái)探討適應(yīng)于中國(guó)沿海SST序列均一性檢驗(yàn)和訂正的方法和思路,提高新數(shù)據(jù)序列的可靠性,為研究該地區(qū)氣候及氣候變化提供科學(xué)準(zhǔn)確的第一手資料；并利用所建立的均一化氣候資料對(duì)該地區(qū)的氣候變化規(guī)律進(jìn)行研究。

2 資料、元數(shù)據(jù)及方法

2 .1 資料

本文研究對(duì)象為環(huán)渤海沿海地區(qū)的具有代表性且資料序列較為完整的6個(gè)海洋臺(tái)站（圖1）的SST資料,這些海洋觀測(cè)臺(tái)站資料的時(shí)間范圍除老虎灘站（1963年1月至2011年12月）外,其他都是從1960 年1月至2011年12月。數(shù)據(jù)資料來(lái)自國(guó)家海洋信息中心,經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格質(zhì)量控制,包括范圍檢驗(yàn)、過(guò)失誤、查檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)特性檢驗(yàn)等,從而剔除了超過(guò)氣候界限值的數(shù)據(jù)和人為造成的異常數(shù)據(jù),對(duì)不符合內(nèi)部一致性的數(shù)據(jù)進(jìn)行了更正。同時(shí)對(duì)存在的少數(shù)缺測(cè)數(shù)據(jù)利用多元線性回歸方法進(jìn)行了插補(bǔ)。本文所用的元數(shù)據(jù)信息來(lái)源于國(guó)家海洋信息中心制作的中國(guó)沿海海洋臺(tái)站數(shù)據(jù)庫(kù)歷史沿革信息文件,其中包括臺(tái)站儀器變更信息、臺(tái)站遷移信息、觀測(cè)方法和計(jì)算方法信息等,這些信息將作為檢驗(yàn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果的合理性判別和序列訂正的參考依據(jù)。另外本文還使用了國(guó)家氣象信息中心氣象資料室制作的環(huán)渤海地區(qū)1960 - 2011年逐月地面氣溫資料［8］,該資料序列通過(guò)了質(zhì)量控制和均一化訂正。由于環(huán)渤海地區(qū)地面氣溫和海表溫度相關(guān)密切,因此均一化的地面氣溫資料在本文中將嘗試作為待檢海洋臺(tái)站的參考序列。

圖1 環(huán)渤海沿岸海洋觀測(cè)臺(tái)站站位圖Eig .1 Locations of six stations for SST observation over coastal zone of circum Bohai Sea

2 .2 非均一性檢驗(yàn)與訂正方法

用于氣候資料非均一性檢驗(yàn)的方法很多,主要有Craddock檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、Potter方法和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)（SN H T）等方法［3］。國(guó)內(nèi)常用的是SN H T方法、回歸法和雙質(zhì)量分析法等,這些方法都必須選取鄰近臺(tái)站資料作為參考序列［16—18］。我國(guó)沿海海洋臺(tái)站分布不均勻且稀疏,難以選擇合適參考臺(tái)站建立參考序列。此外,如果選取的參考序列本身就存在非均一性問(wèn)題,會(huì)大大影響均一性檢驗(yàn)的效果。W ang研發(fā)的懲罰最大E檢驗(yàn)（P M E T）方法［19］是不使用參考序列直接進(jìn)行單站檢查的絕對(duì)方法,該方法對(duì)于中國(guó)沿海海洋臺(tái)站樣本量少、分布稀疏、難以選擇合適參考臺(tái)站的現(xiàn)狀較為適用。該方法是由W ang于2008年在對(duì)二相回歸統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了系列改進(jìn)后提出的。P M E T方法基于懲罰最大E檢驗(yàn),并將之嵌入回歸算法來(lái)檢驗(yàn)并訂正存在于一個(gè)可能具有一階自回歸誤差的數(shù)據(jù)序列中的單個(gè)或多個(gè)突變點(diǎn)或不均一點(diǎn)。通過(guò)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的懲罰函數(shù),使得誤報(bào)警率和檢驗(yàn)?zāi)芰Φ姆蔷鶆蚍植紗?wèn)題大大減少。利用該方法進(jìn)行間斷點(diǎn)檢驗(yàn),可以不使用參考序列。需要說(shuō)明的是由于該方法沒(méi)有使用參考序列,因此必須有完整且詳盡的元數(shù)據(jù)支持才能正確地辨識(shí)氣候序列中的突變和非均一性,也就是說(shuō)該方法對(duì)元數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高。目前該方法已應(yīng)用到氣象資料研究中并取得了相應(yīng)的成果［7,20—21］。因此,本文將首先利用P M E T的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)環(huán)渤海地區(qū)海洋臺(tái)站逐月SST序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn),以找到可疑的間斷點(diǎn)（或不連續(xù)點(diǎn)）,然后查看歷史沿革元數(shù)據(jù)信息,如果元數(shù)據(jù)反映出在那些可疑點(diǎn)時(shí)段發(fā)生了臺(tái)站遷移和儀器換型等影響均一性的變化,則認(rèn)為這個(gè)可疑點(diǎn)是真正的非均一點(diǎn),需要進(jìn)行訂正和調(diào)整。

事實(shí)上中國(guó)沿海海洋觀測(cè)臺(tái)站中還存在沒(méi)有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)記錄不詳?shù)囊恍┖Ｑ笥^測(cè)臺(tái)站,對(duì)于此類海洋觀測(cè)臺(tái)站的待檢SST序列,本文將采用由W ang等于2007年給出的懲罰最大T檢驗(yàn)（P M T）方法進(jìn)行檢驗(yàn)［22］。該方法必須選擇一個(gè)盡可能均一的序列作為待檢序列的參考序列,由于同一地區(qū)地面氣溫和海表溫度二者本身的物理特點(diǎn)密切相關(guān),因此本文嘗試選擇3～5個(gè)參考?xì)庀笈_(tái)站的均一化地面氣溫資料合成一個(gè)序列作為沒(méi)有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)記錄不詳待檢海洋臺(tái)站的參考序列。參考臺(tái)站的選擇標(biāo)準(zhǔn)要求距離較近且該站氣溫年均序列和待檢臺(tái)站的SST年均序列的相關(guān)系數(shù)接近或超過(guò)0.7［23］。計(jì)算選定臺(tái)站地面氣溫序列的算術(shù)平均值來(lái)構(gòu)造參考序列,即待檢海洋臺(tái)站的參考序列表達(dá)式為:

式中,k為選取的參考臺(tái)站個(gè)數(shù),x為參考臺(tái)站的地面氣溫月平均序列。該方法構(gòu)造出的參考序列回避了個(gè)別臺(tái)站的影響,其均一性更好。利用P M T方法對(duì)該臺(tái)站資料序列進(jìn)行判斷,以保證在沒(méi)有充分元數(shù)據(jù)支持情況下均一性檢驗(yàn)的科學(xué)性和正確性。P M E T 和P M T方法對(duì)氣候序列均一性檢驗(yàn)和訂正的可行性和合理性已得到了廣泛的驗(yàn)證。Stephenson等在對(duì)加勒比海氣溫訂正時(shí)也用到了類似方法［24］。本文采用的是W ang和Eeng［25］最新發(fā)布的R Htest V4軟件包對(duì)環(huán)渤海海洋臺(tái)站SST序列的均一性檢驗(yàn)和訂正進(jìn)行研究。該軟件包是建立在一個(gè)非常強(qiáng)大且可以自由獲取的、在windows下和U nix/Linux系統(tǒng)下都能運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)包“R”的基礎(chǔ)上,包含P M T和P M E T兩種方法,并能充分考慮自相關(guān)、誤報(bào)警率和檢測(cè)能力。

3 環(huán)渤海地區(qū)SST序列的不連續(xù)點(diǎn)檢驗(yàn)

本文采用1.2節(jié)中介紹的R Htest V4包含的P M E T和P M T兩種方法,選取0.95的置信度對(duì)環(huán)渤海海洋觀測(cè)站的SST序列進(jìn)行均一性檢驗(yàn)。分析發(fā)現(xiàn)環(huán)渤海地區(qū)的6個(gè)長(zhǎng)期歷史SST序列中均存在一定的非均一性。在有充分元數(shù)據(jù)記錄的3個(gè)觀測(cè)站中存在11個(gè)間斷點(diǎn),其中有5個(gè)斷點(diǎn)是由于觀測(cè)位置變動(dòng)引起的,占45 % ,其余6個(gè)斷點(diǎn)是由于儀器變更引起的,占54 %。對(duì)于沒(méi)有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)記錄不詳?shù)牧硗?個(gè)海洋觀測(cè)站,通過(guò)P M T方法最后確認(rèn)出8個(gè)間斷點(diǎn)。下面我們對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的兩種情況分別進(jìn)行分析。

3 .1 有充分元數(shù)據(jù)信息支持的海洋臺(tái)站SST序列的P M FT檢驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)P M E T檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)環(huán)渤海地區(qū)的6個(gè)長(zhǎng)期歷史SST觀測(cè)站中,塘沽、小長(zhǎng)山和老虎灘3個(gè)海洋站的SST序列存在顯著間斷點(diǎn),同時(shí)這3個(gè)站都有充分且詳盡的元數(shù)據(jù)信息支持。

圖2給出了天津塘沽海洋站逐月SST序列的P M E T檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示塘沽站SST序列存在14個(gè)間斷點(diǎn),查找塘沽站元數(shù)據(jù)信息表（表1,表2）,發(fā)現(xiàn)有7個(gè)間斷點(diǎn)與元數(shù)據(jù)信息記錄基本吻合,分別是1969年2月（元數(shù)據(jù)記錄1969年2月發(fā)生站址遷移）,1969年12月（元數(shù)據(jù)記錄1970年3月發(fā)生站址遷移）,1972年2月（元數(shù)據(jù)記錄1972年1月發(fā)生站址遷移）,1977年3月（元數(shù)據(jù)記錄1977年6月發(fā)生站址遷移）,1986年9月（元數(shù)據(jù)記錄1986年6月發(fā)生站址遷移）,1994年7月（元數(shù)據(jù)記錄1994年7月發(fā)生站址遷移）和2002年5月（元數(shù)據(jù)記錄2002年1月發(fā)生測(cè)量?jī)x器的變更）。

這里需要說(shuō)明的是環(huán)渤海沿海海洋觀測(cè)臺(tái)站對(duì)SS T的觀測(cè)在21世紀(jì)初經(jīng)歷一次從人工觀測(cè)到自動(dòng)化觀測(cè)的變更,本文將這種變更簡(jiǎn)稱為觀測(cè)系統(tǒng)變更。21世紀(jì)初（一般在2002年以前）環(huán)渤海沿海海洋臺(tái)站一般為人工觀測(cè),觀測(cè)點(diǎn)選在與外海暢通處,水桶打水取樣,取水深度在0.5 m左右,用水銀溫度表測(cè)量,每天觀測(cè)和記錄3個(gè)時(shí)次（北京時(shí)08:00,14:00,20:00）的SS T值。計(jì)算日平均SS T值時(shí)將08時(shí)的SS T算作兩次,即Tdaily=（2T8+ T14+ T20）/4。2002年后沿海海洋臺(tái)站一般為儀器自動(dòng)觀測(cè),儀器安裝在溫鹽井內(nèi),并始終保持在海面至水下0.5 m的高度,隨海面升降。儀器每個(gè)整點(diǎn)記錄一次,一天記錄24次,日平均值為24次觀測(cè)的SS T算術(shù)平均得到。月均值為當(dāng)月各日平均SS T的平均值［26］。因此,本文是對(duì)0.5 m以上SS T （bulk SS T）數(shù)據(jù)進(jìn)行均一化的。且21世紀(jì)初的觀測(cè)系統(tǒng)變更中包含了儀器換型、觀測(cè)次數(shù)、計(jì)算方法和測(cè)量深度的變化（其中由于測(cè)量深度變化較小,對(duì)均一化的影響也較?。?。

圖2 塘沽站的逐月原始SST距平序列（黑色實(shí)線）及P M ET檢驗(yàn)結(jié)果（紅實(shí)線）Eig .2 M onthly mean SST series of the raw（black line）and the result of P M ET test（red line）at Tanggu Station

表1 塘沽站元數(shù)據(jù)信息記錄的歷次遷址情況Tab .1 The station relocations from the metadata of Tanggu Station

表2 塘沽站元數(shù)據(jù)信息記錄的觀測(cè)系統(tǒng)變更情況Tab .2 The observational system changes from the metadata of Tanggu Station

圖3為小長(zhǎng)山站逐月SST序列的P M E T檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示小長(zhǎng)山站逐月SST序列存在3個(gè)間斷點(diǎn),查找小長(zhǎng)山站元數(shù)據(jù)（元數(shù)據(jù)記錄小長(zhǎng)山站沒(méi)有發(fā)生過(guò)遷址,表3）,發(fā)現(xiàn)這3個(gè)間斷點(diǎn)與元數(shù)據(jù)信息記錄都基本吻合,分別是1965年11月（元數(shù)據(jù)記錄1965年1月發(fā)生測(cè)量?jī)x器變更）,2002年4月（元數(shù)據(jù)記錄2002年1月發(fā)生測(cè)量?jī)x器變更）,2004年7月（元數(shù)據(jù)記錄2004年7月發(fā)生測(cè)量?jī)x器變更）。

表3 小長(zhǎng)山站元數(shù)據(jù)信息記錄的觀測(cè)系統(tǒng)的變更情況Tab .3 The observational system changes from the metadata of Xiaochangshan Station

圖3 小長(zhǎng)山站的逐月原始SST距平序列（黑色實(shí)線）及P M ET檢驗(yàn)結(jié)果（紅實(shí)線）Eig .3 M onthly mean SST series of the raw（black line）and the result of P M ET test（red line）at Xiao Changshan Station

圖4給出了老虎灘站逐月SS T序列的P M E T檢驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示老虎灘站SS T序列存在1個(gè)間斷點(diǎn),查找老虎灘站元數(shù)據(jù)信息（元數(shù)據(jù)記錄老虎灘站也沒(méi)有發(fā)生過(guò)遷址,表4）,發(fā)現(xiàn)2002年7月這個(gè)間斷點(diǎn)與元數(shù)據(jù)信息記錄基本吻合（元數(shù)據(jù)記錄2002年2月發(fā)生測(cè)量?jī)x器的變更）。而2006年2月發(fā)生測(cè)量?jī)x器變更的這一時(shí)間點(diǎn),P M E T檢測(cè)結(jié)果顯示該點(diǎn)為不顯著間斷點(diǎn),即統(tǒng)計(jì)上認(rèn)為這次儀器變更沒(méi)有對(duì)序列的均一性產(chǎn)生影響。事后通過(guò)對(duì)老虎灘站觀測(cè)人員的查詢得知,2006年2月該站進(jìn)行儀器變更時(shí)已經(jīng)對(duì)兩種儀器測(cè)量時(shí)存在的儀器誤差進(jìn)行了人工訂正。因此,可以確定老虎灘站SS T序列僅存在1個(gè)間斷點(diǎn)。

圖4 老虎灘站的逐月原始SST距平序列（黑色實(shí)線）及P M ET檢驗(yàn)結(jié)果（紅實(shí)線）Eig .4 M onthly mean SST series of the raw（black line）and the result of P M ET test（red line）at Laohutan Station

表4 老虎灘站元數(shù)據(jù)信息記錄的觀測(cè)系統(tǒng)變更情況Tab .4 The observational system changes from the metadata of Laohutan Station

利用P M E T統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法對(duì)塘沽、小長(zhǎng)山和老虎灘觀測(cè)站逐月SST序列進(jìn)行了均一性檢驗(yàn),然后查看臺(tái)站歷史元數(shù)據(jù),最后共確定出11個(gè)間斷點(diǎn),在此基礎(chǔ)上利用R HtestV4軟件包所提供的Quantile -M atching（Q M）均值訂正方法對(duì)非均一序列進(jìn)行訂正,訂正結(jié)果在第4節(jié)中進(jìn)行討論。

3 .2 沒(méi)有元數(shù)據(jù)（或不詳）支持的觀測(cè)站SST序列的P M T檢驗(yàn)結(jié)果

在環(huán)渤海沿岸的6個(gè)海洋觀測(cè)站中,秦皇島、止錨灣和龍口3個(gè)觀測(cè)站存在沒(méi)有元數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)不詳?shù)那闆r。P M E T方法對(duì)上述3個(gè)站也檢驗(yàn)出突變點(diǎn),但由于沒(méi)有充分元數(shù)據(jù)支持,無(wú)法確定P M E T檢驗(yàn)的間斷點(diǎn)是否是真實(shí)的間斷點(diǎn)。因此需選取一些距離待檢觀測(cè)站較近且相關(guān)系數(shù)最大的氣象站作為參考站建立參考序列,進(jìn)一步采用P M T方法進(jìn)行判斷。這里之所以選擇均一化月均地面氣溫觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析,是因?yàn)槎澈Ｊ且粋€(gè)三面被陸地環(huán)抱的內(nèi)陸海,近海淺水區(qū)SST主要受陸地氣候的影響, SST變化與地面氣溫變化幅度較為接近［27］。同時(shí)在利用P M T方法進(jìn)行檢驗(yàn)的過(guò)程中,對(duì)待檢序列和參考序列都分別進(jìn)行了去除年際變化趨勢(shì),在訂正過(guò)程中主要考慮了SST的變化幅度。

下面以秦皇島海洋觀測(cè)站SST序列檢驗(yàn)和訂正為例進(jìn)行詳細(xì)介紹。首先計(jì)算了秦皇島觀測(cè)站SST序列與鄰近氣象觀測(cè)站地面氣溫序列間的相關(guān)系數(shù),選取距離待檢觀測(cè)站較近、受城市化影響較小且相關(guān)系數(shù)最大的青龍、樂(lè)亭、撫寧和綏中4個(gè)氣象觀測(cè)臺(tái)站作為參考臺(tái)站（圖5）,秦皇島SST年平均序列與上述4個(gè)站的年均地面氣溫序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.807、0.81、0.8和0.82,遠(yuǎn)超過(guò)99 %的置信水平（樣本量為52的99 %置信度水平為0.348）。另外,從時(shí)間演變圖上看,年均SST序列和年均地面氣溫序列有著較為一致的演變特征（圖6）。因此在沿海觀測(cè)站分布稀疏,難以選擇合適的觀測(cè)站作為參考站的情況下,可以用鄰近氣象觀測(cè)站的地面氣溫序列來(lái)制作參考序列。利用上述參考臺(tái)站的均一化地面氣溫序列建立參考序列。結(jié)果顯示在1960年1月至2011 年12月間該站共有2個(gè)間斷點(diǎn),分別發(fā)生在1969年2月和1987年11月（表5）。

圖5 秦皇島、止錨灣和龍口3個(gè)海洋觀測(cè)站（藍(lán)色圓點(diǎn)）及其鄰近氣象觀測(cè)站站點(diǎn)（黑色圓點(diǎn)）分布Eig .5 Distribution of the reference meteorology stations （black dot）of Qin H uangdao,Zhi M aowan and Longkou Coastal observation stations

圖6 訂正前的秦皇島海洋站1960 - 2011年年平均SST序列（黑色實(shí)線）和青龍（綠色實(shí)線）、樂(lè)亭（藍(lán)色實(shí)線）、綏中（棕色實(shí)線）和撫寧（紫色實(shí)線）氣象站1960 - 2011年年平均地面氣溫序列Eig .6 The time series of annual mean SST before adjustment at Qinhuangdao coastal observation station（black solid line）and the time series of annual mean surface air temperature at Qinglong（green solid line）,Leting（blue solid line）, Suizhong（brown solid line）and Euning（purple solid line）meteorological observation stations from 1960 to 2011

同樣采用P M T結(jié)合參考序列的方法對(duì)止錨灣和龍口兩個(gè)海洋觀測(cè)站的逐月SS T序列進(jìn)行檢測(cè)。選取龍口、招遠(yuǎn)和長(zhǎng)島3個(gè)氣象站作為龍口海洋觀測(cè)站的參考臺(tái)站（圖5）。龍口站SS T年平均序列與上述3個(gè)氣象站的年均地面氣溫序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.68、0.761和0.817,均達(dá)到99 %的置信水平。且年均SS T序列和年均地面氣溫序列有著較為一致的演變特征（圖7）。同樣止錨灣海洋觀測(cè)站用到的氣象參考臺(tái)站為撫寧和綏中（圖5）。止錨灣站SS T年平均序列與上述兩個(gè)氣象站的年均地表氣溫序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.75,均達(dá)到99 %的置信水平,也有著較為一致的演變特征（圖8）,檢測(cè)結(jié)果列于表5中。由表5可見(jiàn),龍口和止錨灣海洋觀測(cè)站在過(guò)去52年間均有3個(gè)的間斷點(diǎn),這些點(diǎn)很可能是該站SS T序列中存在的非均一性間斷點(diǎn),需要進(jìn)行均一性訂正。同樣我們采用R Htest V4軟件包提供的Q M均值訂正方法進(jìn)行訂正,訂正結(jié)果在第4節(jié)中集中給出。

圖7 訂正前的龍口海洋站1960 - 2011年年平均SST序列（黑色實(shí)線）和龍口（棕色實(shí)線）、招遠(yuǎn)（綠色實(shí)線）和長(zhǎng)島（紫色實(shí)線）氣象站1960 - 2011年年平均地面氣溫序列Eig .7 The time series of annual mean SST before adjustment at Longkou coastal observation station（black solid line）and the time series of annual mean surface air temperature at Longkou（brown solid line）,Zhaoyuan（green solid line）and Changdao（purple solid line）meteorological observation stations from 1960 to 2011

圖8 訂正前的止錨灣海洋站1960 - 2011年年平均SST序列（黑色實(shí)線）和撫寧（棕色實(shí)線）、綏中（綠色實(shí)線）氣象站1960 - 2011年年平均地面氣溫序列Eig .8 The time series of annual mean SST before adjustment at Zhimaowan coastal observation station （black solid line）and the time series of annual mean surface air temperature at Euning（brown solid line）and Suizhong（green solid line）meteorological observation stations from 1960 to 2011

表5 利用P M T方法結(jié)合參考序列對(duì)秦皇島、止錨灣和龍口海洋觀測(cè)站檢測(cè)結(jié)果Tab .5 Results of detected change points based on P M T method using a reference series for Qinhuangdao,Zhi Maowan and Longkou stations

4 均一化訂正前后數(shù)據(jù)序列線性傾向估計(jì)分析

本文利用客觀技術(shù)手段和主觀元數(shù)據(jù)判斷結(jié)合的方法,對(duì)1960 - 2011年SST序列進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)。由本文第3節(jié)的分析可知上述6個(gè)海洋觀測(cè)站資料的氣候非均一性間斷點(diǎn)主要發(fā)生在2004年以前（僅老虎灘站在2006年出現(xiàn)了一個(gè)非均一性間斷點(diǎn)）。由圖9給出了塘沽、秦皇島、止錨灣、小長(zhǎng)山、老虎灘和龍口6個(gè)站訂正前后年平均海表溫度序列。由圖9可見(jiàn)訂正后的SST值（紅色實(shí)線）普遍低于訂正前的SST值（黑色虛線）（21世紀(jì)之前）,訂正結(jié)果表明,臺(tái)站遷移和觀測(cè)系統(tǒng)的變更（即從人工觀測(cè)到自動(dòng)化觀測(cè)的變更,包含儀器換型、測(cè)量次數(shù)、計(jì)算方法和測(cè)量深度的變化）對(duì)沿海臺(tái)站海表溫度序列均一性有較大影響,未均一化訂正前臺(tái)站SST值偏高。其中小長(zhǎng)山站在1960 -1970年間訂正前后差異最大。檢查小長(zhǎng)山站的元數(shù)據(jù)可知,該站在1965年進(jìn)行了由人工觀測(cè)到儀器自動(dòng)觀測(cè)的變更。因此相比于其他站而言,1960 - 1970年出現(xiàn)大的訂正前后的差異很可能與該站最早出現(xiàn)觀測(cè)儀器、觀測(cè)次數(shù)和計(jì)算方法的變更有關(guān)。

圖9 環(huán)渤海沿岸塘沽站（a）,秦皇島站（b）,止錨灣站（c）,小長(zhǎng)山站（d）,老虎灘站（e）和龍口站（f）訂正前后的年平均SST序列Eig .9 The time series of annual mean SST at Tanggu（a）,Qinhuangdao（b）,Zhimaowan（c）,Xiaochangshan（d）, Laohutan（e）and Longkou（f）coastal observation stations before（dashed curve）and after（solid curve）adjustment

對(duì)氣候序列均一化訂正的目的是為了將SST序列中人為造成的非均一性剔除,得到均一和可靠的氣候序列。為了進(jìn)行均一化訂正前后數(shù)據(jù)序列趨勢(shì)變化分析,我們利用線性傾向估計(jì)方法給出了訂正前后的各站年平均SST序列的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明,訂正前后這6個(gè)海洋觀測(cè)站的年平均SST趨勢(shì)發(fā)生了改變,訂正后的SST序列的增暖趨勢(shì)顯著高于訂正前的增暖趨勢(shì),訂正后海溫序列其線性傾向估計(jì)的相關(guān)系數(shù)（即趨勢(shì)顯著性）均有較大幅度的提高（表6）。這一特征和前人研究中發(fā)現(xiàn)的均一化處理后地表氣溫序列的上升趨勢(shì)一般會(huì)比原來(lái)加強(qiáng)的結(jié)論一致［9,23,28—29］。就整個(gè)環(huán)渤海沿海6個(gè)海洋觀測(cè)站平均序列來(lái)看,訂正前后環(huán)渤海沿岸海洋觀測(cè)站SST變化速率發(fā)生了較大的變化（圖10）,訂正前環(huán)渤海地區(qū)SST的增溫變化趨勢(shì)為0.15℃/（10 a）,訂正后的SST變化速率增大,為0.25℃/（10 a）,趨勢(shì)顯著性水平由原來(lái)的0.49提高到0.72。

表6 環(huán)渤海6個(gè)海洋觀測(cè)站年平均SST序列訂正前后的氣候變化趨勢(shì)特征Tab .6 The characters of warming trend of the annual mean SST series before and after adjustment for the six observation stations over coastal zone of circum Bohai Sea

圖10 環(huán)渤海沿岸地區(qū)6個(gè)海洋觀測(cè)臺(tái)站訂正前后的年平均海表溫度序列Eig .10 Raw（dashed line）and adjusted（solid line）annual mean SST curves for the average of the 6 SST coastal observation stations series over coastal zone of circum Bohai Sea

值得提出的是,本文均一化訂正后的環(huán)渤海沿岸年SST變化趨勢(shì)或速率比過(guò)去分析結(jié)果要大。如根據(jù)方國(guó)洪等［14］的估計(jì),1965 - 1997年期間環(huán)渤海沿岸7個(gè)海洋站SST年變化速率為0.15℃/（10 a）；Lin等［13］估計(jì),1960 - 1997年期間環(huán)渤海沿岸6個(gè)海洋站SST年變化速率為0.11℃/（10 a）；而本文獲得的1960 - 2011年環(huán)渤海沿岸6個(gè)海洋站SST年變化速率達(dá)到0.25℃/（10 a）。除時(shí)間段選取不同外,造成這種差別的主要原因就是前期工作沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)非均一性問(wèn)題。另外,訂正前秦皇島海洋站年均SST序列的增溫變化趨勢(shì)為0.17℃/（10 a）,而青龍、樂(lè)亭、撫寧和綏中4個(gè)參考?xì)庀笈_(tái)站的年均氣溫序列的增溫變化趨勢(shì)分別為0.26℃/（10 a）,0.4℃/（10 a）, 0.37℃/（10 a）,0.28℃/（10 a）。訂正前龍口海洋站年均SST序列的增溫變化趨勢(shì)為0.146℃/（10 a）,而龍口、招遠(yuǎn)和長(zhǎng)島3個(gè)參考?xì)庀笈_(tái)站的年均氣溫序列的增溫變化趨勢(shì)分別為0.46℃/（10 a）,0.3℃/（10 a）,0.28℃/（10 a）。訂正前止錨灣海洋站年均SST序列的增溫變化趨勢(shì)為0.157℃/（10 a）,而撫寧和綏中兩個(gè)參考?xì)庀笈_(tái)站的年均氣溫序列的增溫變化趨勢(shì)分別為0.37℃/（10 a）和0.28℃/（10 a）。渤海是一個(gè)三面被陸地環(huán)抱的內(nèi)陸海,在近海淺水區(qū)的SST主要受陸地氣候的影響,SST變化與地面氣溫變化幅度是較為接近的［26］。那么訂正前海洋觀測(cè)站年均SST序列的增溫速率遠(yuǎn)低于氣象觀測(cè)臺(tái)站地表氣溫的增溫速率,這也反映出訂正前的SST序列的增溫速率很可能遠(yuǎn)低于真實(shí)的海岸帶SST增溫速率,因此需要對(duì)原SST序列進(jìn)行均一化檢驗(yàn)和訂正。

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展的地面氣溫均一性訂正結(jié)果也表明經(jīng)過(guò)非均一性訂正的資料所獲得的年變化趨勢(shì)一般比原始資料更為明顯,其主要原因是地面氣溫均一化訂正過(guò)程中很大程度地恢復(fù)了單站城鎮(zhèn)化影響造成的地面氣溫上升趨勢(shì)［30］。而沿海臺(tái)站的均一化訂正則可在很大程度上避免了因海溫測(cè)量系統(tǒng)變更和圍填海造成的站址遷移所引起的非均一性。其中觀測(cè)系統(tǒng)的變更是導(dǎo)致非均一性的主要因素。那么造成海溫訂正后其增溫速率明顯升高的原因可能是SST均一化訂正過(guò)程中很大程度地糾正了由于人工觀測(cè)造成的SST偏高。也就是說(shuō)海洋臺(tái)站在自動(dòng)化觀測(cè)前,采用水桶取樣進(jìn)行人工觀測(cè),由于人為因素的影響,取水深度在0.5 m左右,一般要較自動(dòng)觀測(cè)的海水深度更接近表層。同時(shí)人工觀測(cè)次數(shù)為1天3 次,日平均SST計(jì)算方法為3次加權(quán)平均。20世紀(jì)采用的這種觀測(cè)方法得到的SST值較自動(dòng)化觀測(cè)（1天觀測(cè)記錄24次,日平均SST計(jì)算方法為24次加權(quán)平均）得到的SST值偏高,在也就使得臺(tái)站SST增溫速率偏低。而訂正后的SST序列修正了早期人工觀測(cè)造成的SST偏高,也就使得臺(tái)站SST增溫速率升高。

2014年Bao和Ren［31］利用Hadley中心1°×1° SST資料給出了黃渤海（35°～41°N,117°～127°E）SST年變化速率為0.18℃/（10 a）（1962 - 2011年）。同時(shí)我們計(jì)算了環(huán)渤海地區(qū)年平均地面氣溫序列的增溫速率為0.346℃/（10 a）（1960 - 2011年）。本文給出的環(huán)渤海沿海SST序列0.25℃/（10 a）（1960 -2011年）的年變率處于上述兩個(gè)增溫變率的中間,即海岸帶SST的增溫速率高于海洋的SST的增溫速率但又低于近岸地表氣溫的增溫速率,這與中高緯度陸地增溫速率高于海洋增溫速率的結(jié)論基本相吻合［32］。表明本文給出的訂正后環(huán)渤海沿海SST序列0.25℃/（10 a）的增溫速率要較均一化訂正前0.15℃/（10 a）的增溫速率更合理和接近事實(shí)。

5 結(jié)論與討論

本研究對(duì)環(huán)渤海沿岸具代表性、資料序列長(zhǎng)且較為完整的6個(gè)海洋觀測(cè)站的逐月SST序列進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)和訂正。應(yīng)用P M E T檢驗(yàn)方法結(jié)合元數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)渤海沿岸3個(gè)元數(shù)據(jù)記錄詳盡的海洋觀測(cè)站月均海表溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了均一性檢驗(yàn)。該方法為一種不依賴于參考序列的檢驗(yàn)方法,需要充分的元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)支持。而對(duì)于沒(méi)有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)不詳?shù)牧硗?個(gè)觀測(cè)站的SST序列,本文選取待檢海洋觀測(cè)站臨近的氣象觀測(cè)站均一化地面氣溫序列制作待檢序列的參考序列,采用P M T方法作進(jìn)一步判斷,最終確定間斷點(diǎn)。這是首次對(duì)沒(méi)有元數(shù)據(jù)支持的沿海海洋觀測(cè)站進(jìn)行均一化檢驗(yàn)和訂正,該方法對(duì)于環(huán)渤海SST序列尤其是缺乏元數(shù)據(jù)文件的SST序列均一化具有很好的應(yīng)用前景。檢驗(yàn)顯示,6個(gè)海洋觀測(cè)站的SST序列均存在不同程度的非均一性現(xiàn)象。有元數(shù)據(jù)支持的臺(tái)站中,發(fā)現(xiàn)造成月平均資料非均一性的主要原因是觀測(cè)系統(tǒng)變更和臺(tái)站遷移的影響。其中,觀測(cè)系統(tǒng)變更的現(xiàn)象較為普遍,在3個(gè)非均一的臺(tái)站資料中均有體現(xiàn)。這里觀測(cè)儀器的變更主要表現(xiàn)為人工觀測(cè)到自動(dòng)化觀測(cè)的變更,這不僅包括了觀測(cè)儀器的變更,還包含觀測(cè)次數(shù)、計(jì)算方法和測(cè)量深度的變化。而臺(tái)站遷移現(xiàn)象僅在塘沽站有所體現(xiàn),這可能與天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)和圍填海工程有關(guān)。訂正前后這6個(gè)站的年均SST趨勢(shì)發(fā)生了明顯改變,表現(xiàn)出海溫上升趨勢(shì)較訂正前加強(qiáng)的特征。故在使用環(huán)渤海海洋觀測(cè)臺(tái)站SST數(shù)據(jù)作氣候變化分析與評(píng)估時(shí),必須充分考慮SST的非均一性問(wèn)題。

目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和專家針對(duì)氣溫、降水和氣壓序列的非均一性已做了大量研究。而對(duì)于海洋要素如SST序列的非均一性研究卻很少,且大多數(shù)的研究都停留在嘗試的水平,方法相對(duì)也比較單一。本文使用R Htest V4軟件包所包含的兩種方法對(duì)環(huán)渤海地區(qū)SST資料做了均一性檢驗(yàn),雖然取得了較為滿意的結(jié)果,但仍存在一些不足。首先,若使得檢驗(yàn)結(jié)果更加合理和科學(xué),最好發(fā)展一套基于多模式檢驗(yàn)的均一性研究和訂正方法。另一方面,在依賴參考序列訂正的方法中,由于環(huán)渤海地區(qū)SST資料缺測(cè)較多,站點(diǎn)空間分布稀疏,難以選取合適的海洋觀測(cè)臺(tái)站作為參考臺(tái)站。那么本研究就采用了一種折中的辦法,即在鄰近的地表氣象觀測(cè)臺(tái)站資料中選取與海洋臺(tái)站SST序列相關(guān)顯著的地面氣溫序列制作參考序列。這是在SST均一化訂正方法中的一種新的嘗試,其訂正結(jié)果或多或少會(huì)有些偏差,但就現(xiàn)實(shí)而言,可能是最為合理的一種方法了。

另外未來(lái)對(duì)沿海其他臺(tái)站資料訂正時(shí),如南海沿岸海洋觀測(cè)站,其SST變化除受大陸氣候系統(tǒng)的影響外還受熱帶海洋環(huán)流系統(tǒng)的影響,因而其海溫變化的影響因子較南海沿岸地面氣溫變化的影響因子復(fù)雜,能否利用均一化地面氣溫序列作為參考序列進(jìn)行P M T方法檢驗(yàn)還需要進(jìn)行多個(gè)試驗(yàn)的測(cè)試和改進(jìn)。同時(shí)高質(zhì)量的元數(shù)據(jù)對(duì)于檢驗(yàn)效果的分析是非常必要的,搜集更加詳盡的元數(shù)據(jù)信息,開(kāi)展多種均一性檢驗(yàn)和訂正方法聯(lián)合使用研究,仍是沿海SST數(shù)據(jù)均一性研究中十分重要的任務(wù)。

致謝:在論文寫(xiě)作過(guò)程中國(guó)家氣象信息中心李慶祥研究員給予了啟發(fā)性建議和技術(shù)指導(dǎo)；國(guó)家氣象中心周慶亮高級(jí)工程師給予了資料上的幫助；審稿專家對(duì)本文初稿提出了建設(shè)性的意見(jiàn)。謹(jǐn)致謝忱！

參考文獻(xiàn):

［1］ Peterson T C,Easterling D R,Karl T R,et al. H omogeneity adjustments ofin situ atmospheric climate data:A review［J］.International Journal of Climatology,1998,18（13）:1493 - 1517 .

［2］ Vincent L A,Zhang X,Bonsal B R,et al. H omogenization of daily temperatures over Canada［J］.Journal of Climate,2002,15（11）:1322 - 1334 .

［3］ 李慶祥.氣候資料均一性研究導(dǎo)論［M］.北京:氣象出版社,2011:47 - 57 . Li Qingxiang .Introduction to the Study on the H omogeneity of Climate Data［M］. Beijing:China M eteorological Press,2011:47 - 57 .

［4］ Li Q X,Liu X N,Zhang H Z,et al. Detecting and adjusting on temporalinhomogeneity in Chinese mean surface air temperature dataset［J］. Advance in Atmospheric Sciences,2004,21（2）:260 - 268 .

［5］ 李慶祥,李偉.近半個(gè)世紀(jì)中國(guó)區(qū)域歷史氣溫網(wǎng)格數(shù)據(jù)集的建立［J］.氣象學(xué)報(bào),2007,65（2）:293 - 300 . Li Qingxiang,Li W ei. Construction of the gridded historic temperature dataset over China during the recent half century［J］. Acta M eteorologica Sinia,2007,65（2）:293 - 300 .

［6］ Li Q X,Peng J D,Shen Y . Development of China homogenized monthly precipitation dataset during 1900 - 2009［J］.Journal of Geographic Science, 2012,22（4）:579 - 593 .

［7］ Cao L J,Zhao P,Yan Z W ,et al.Instru mental temperature series in eastern and central China back to the nineteenth century［J］.Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2013,118（15）:8197 - 8207 .

［8］ Xu W H,Li Q X,W ang X L,et al. H omogenization of Chinese daily surface air temperature and analysis oftrendsin the extreme temperatureindices［J］.Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2013,118（17）:9708 - 9720 .

［9］ Zhang L,Ren G Y,Ren Y Y,et al.Effect of data homogenization on estimate oftemperature trend:a case of H uairou station in Beijing M unicipality ［J］. Theoretical and Applied Climatology,2014,115（34）:365 - 373 .

［10］ 郭軍,任國(guó)玉,任雨.近100年天津平均氣溫與極端氣溫變化［J］.高原氣象,2011,30（5）:1399 - 1405 . Guo Jun,Ren Guoyu,Ren Yu . Changes of mean and extreme temperatures in Tianjin in recent 100 years［J］. Plateau M eteorology,2011,30（5）: 1399 - 1405 .

［11］ 黃琰,封國(guó)林,董文杰.近50年中國(guó)氣溫、降水極值分區(qū)的時(shí)空變化特征［J］.氣象學(xué)報(bào),2011,69（1）:125 - 136 . H uang Yan,Eeng Guolin,Dong W enjie . Temporal changes in the patterns of extreme air temperature and precipitation in the various regions of China in recent 50 years［J］. Acta M eteorologica Sinica,2011,69（1）:125 - 136 .

［12］ 段麗瑤,丁一匯,任雨.1921 - 2010年天津氣溫和降水量序列的多尺度分析［J］.氣候與環(huán)境研究,2014,19（4）:515 - 522 . Duan Liyao,Ding Yihui,Ren Yu . M ultiscale examination on the temperature and precipitation series in Tianjin during 1921 - 2010［J］. Climatic and Environ mental Research,2014,19（4）:515 - 522 .

［13］ Lin C L,Su J L,Xu B R,et al.Long-term variations oftemperature and salinity ofthe Bohaisea and influence on its ecosystem［J］.Progressin O-ceanography,2001,49（1）:7 - 19 .

［14］ 方國(guó)洪,王凱,郭豐義,等.近30年渤海水文和氣象狀況的長(zhǎng)期變化及其相互關(guān)系［J］.海洋與湖沼,2002,33（5）:515 - 525 . Eang Guohong,W ang Kai,Guo Eengyi,et al. Long-term changes and interrelations of annual variations of the hydrographical and meteorological parameters of the Bohai Sea during recent 30 years［J］. Oceanological et Limnologia Sinica,2002,33（5）:515 - 525 .

［15］ 吳德星,李強(qiáng),林霄沛.1990 - 1999渤海SSTa年際變化的特征［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2005,35（2）:173 - 176 . W u Dexing,Li Qiang,Lin Xiaopei. The characteristics of the Bohai Sea SST anomaly interannual variability during 1990 - 1999［J］. Periodical of Ocean U niversity of China,2005,35（2）:173 - 176 .

［16］ Alexandersson H . A homogeneity test applied to precipitation data［J］.International Journal of Climatology,1986,6（6）:661 - 675 .

［17］ Solow A R . A testing for climatic change:an application of the two phase regression model［J］.Journal of Applied M eteorology,1987,26（10）: 1401 - 1405 .

［18］ Vincent L . A techniquefortheidentification ofinhomogeneitiesin Canadiante temperature series［J］.Journal oflimatolology,1998,11（5）:1094 -1104 .

［19］ W ang X L . Penalized maximal E-test for detecting undocu mented mean-shifts without trend-change［J］.Journal of Atmospheric Oceanic Techology,2008,25（3）:368 - 384 .

［20］ 曾紅玲,張強(qiáng),祝昌漢,等.三峽庫(kù)區(qū)氣壓資料的不均一性檢驗(yàn)及訂正［J］.氣象,2010,36（10）:57 - 61 .Zeng H ongling,Zhang Qiang,Zhu Changhan,et al. Detecting and adjusting on temporalinhomogeneities of air pressure datasets in Three Gorges Areas［J］. M eteorological M onthly,2010,36（10）:57 - 61 .

［21］ 張高杰,何金海,周自江,等. R Htest方法對(duì)我國(guó)降水資料的均一性檢驗(yàn)試驗(yàn)［J］.氣象科技,2012,40（6）:914 - 921 . Zhang Gaojie,He Jinhai,Zhou Zijiang,et al.H omogeneity study of precipitation data over China using R Htest method［J］. M eteorological Science and Technology,2012,40（6）:914 - 921 .

［22］ W ang X L,W en Q H,W u Y .Penalized maximalttestfor detecting undocu mented mean changein climate data series［J］.Journal of Apple M eteorological Climatology,2007,46（6）:916 - 931 .

［23］ 任國(guó)玉,張愛(ài)英,初子瑩,等.我國(guó)地面氣溫參考站點(diǎn)遴選的依據(jù)、原則和方法［J］.氣象科技,2010,38（1）:78 - 85 . Ren Guoyu,Zhang Aiying,Chu Ziying,et al.Principles and proceduresfor selecting reference surface airtemperature stationsin China［J］. M eteorological Science and Technology,2010,38（1）:78 - 85 .

［24］ Stephenson T S,Goodess C M ,Haylock M R,et al. Detecting inhomogeneities in Caribbean and adjacent Caribbean temperature data using sea -surface temperatures［J］.Journal of Geophysical Research,2008,113（D2116）:1 - 17 .

［25］ W ang X L,Eeng Y . R HtestV4 User M annual［O L］.http://cccma .seos .uvic .ca/E T CC D MI/R Htest/R HtestsV3

［26］ 國(guó)家海洋局. G B/T14914 - 2006海濱觀測(cè)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006:60 - 61 . State Oceanic Administration of China . G B/T14914 - 2006 The specification for offshore observations［S］. Beijing:China Standards Press,2006: 60 - 61 .

［27］ 孫湘平.中國(guó)近海區(qū)域海洋［M］.北京:海洋出版社,2006:201 - 228 . Sun Xiangping . China Offshore Area［M］. Beijing:China Ocean Press,2006:201 - 228 .

［28］ Yan Z W ,Xia J J,Qian C,et al.Changesin seasonalcycle and extremesin China during the Period 1960 - 2008［J］. Advancesin Atmospheric Sciences,2011,28（2）:269 - 283 .

［29］ 張媛,任國(guó)玉.無(wú)參考序列條件下地面氣溫觀測(cè)資料城市化偏差訂正方法:以北京站為例［J］.地球物理學(xué)報(bào),2014,57（7）:2197 - 2207 . Zhang Yuan,Ren Guoyu . Correcting urban bias for surface air temperature series of Beijing Station over time period 1915 - 2012［J］. Chinese Journal of Geophysics,2014,57（7）:2197 - 2207 .

［30］ 任國(guó)玉,徐銘志,初子瑩,等.近54年中國(guó)地面氣溫變化［J］.氣候與環(huán)境研究,2005,10（4）:717 - 727 . Ren Guoyu,Xu Mingzhi,Chu Ziying,et al. Changes of surface air temperature in China during 1951 - 2004［J］. Climatic and Environ mental Research,2005,10（4）:717 - 727 .

［31］ Bao B,Ren G Y . Climatological characteristics and long-term change of SST over the marginal seas of China［J］. Continental Shelf Research,2014 （77）:96 - 106 .

［32］ IPCC . Climate Change 2013:the Physical Science Basis［M］. Cambridge:Cambridge U niversity Press,2013:650 - 682 .

中圖分類號(hào):P731.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0253-4193（2016）03-0027-13

收稿日期:2015-03-16；

修訂日期:2015-07-21。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41106004,41376014）；國(guó)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(kāi)放基金（G C M A C1402）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014B A B12B00）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（14ZCZDSE00012）；國(guó)家海洋局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201005019）。

作者簡(jiǎn)介:李琰（1982—）,女,安徽省碭山縣人,副研究員,主要從事氣候變化研究。E-mail:ly_n mdis @ 163 .com

*通信作者:牟林（1977—）,男,山東省青島市人,研究員,主要從事海洋氣候變化研究。E-mail:moulin1977 @ hotmail.com

李琰,牟林,王國(guó)松,等.環(huán)渤海沿岸海表溫度資料的均一性檢驗(yàn)與訂正［J］.海洋學(xué)報(bào),2016,38（3）:27 - 39,doi:10.3969/j.issn . 0253-4193.2016.03.003

Li Yan,M u Lin,W ang Guosong,et al. The detecting and adjusting ofthe sea surface temperature data homogeneity over coastalzone of circum Bohai Sea［J］. Haiyang Xuebao,2016,38（3）:27 - 39,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.003

The detecting and adjusting of the sea surface temperature data homogeneity over coastal zone of circum Bohai Sea

Li Yan1,2,M u Lin1,W ang Guosong1,Ean W enjing1,Liu Kexiu1,Li H uan1,Zhang Zengjian1
（1 . National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China；2 . Key Lab of Global Change and Marine - Atmospheric Chemistry,State Oceanic Administration,Xiamen 361005,China）

Abstract:M onthly Sea Surface Temperature（SST）data of 6 coastal observation stations over coastal zone of circu m Bohai Sea are chosen in the experimental homogeneity study . The work is expected to find a method to homogenize the monthly historical SST data in China . The coastal observation stations have the low density and itis hard to find homogeneous series for use as reference series .In light ofthe situation,two road maps are adopted to test the homogeneity of the SST series . Eirstly,the penalized maximu m E Test（P M E T）method which does not rely on reference series was chosen to detect change points . The resulting change points are then synthesized and verified by available metadata . Then,quantile-matching algorith m was used to adjust the SST series to diminish discontinuities . This method was suitable to the coastal observation stations with detailed metadata . H owever,for the coastal observation stations without enough metadata,penalized maximu m T test（P M T）which relies on reference series was used . Here,we use air surface temperature data series from nearly meteorological stations that arehighly positively correlated with the base series to construct reference series . Testing results show that someinhomogeneities existin the whole SST seriesin the region . Observational system changeis found to be the main cause for discontinuities,followed by station relocation .Itisfound thatthe annual mean SST trend has changed obviously and homogeneity isimproved well after adjustment. Results show that the warming rate of SST series after adjustment is larger than that before adjustment.In our study,a combination ofthe two different methodsis proved to be necessary and possible,and it shows reasonability and application valuesin the homogeneity study of SST data in China . The results could provide a more reliable data set of homogenized in a longer period for the climate studies over offshore areas of China .

Key words:P M E T；penalized maximal E test；P M E T；penalized maximal E test；coastal zone of Circu m Bohai Sea；sea surface temperature；homogeneity tests