基于海溫遙相關(guān)的渤黃海冬季氣溫與海冰預(yù)測(cè)方法

焦艷，曹叢華，黎舸，袁本坤，姜雯斐，于清溪

（1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266061；3.國(guó)家海洋局北海信息中心，山東青島266061）

基于海溫遙相關(guān)的渤黃海冬季氣溫與海冰預(yù)測(cè)方法

焦艷1,2，曹叢華1,2，黎舸1,2，袁本坤1,2，姜雯斐3，于清溪3

（1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266061；3.國(guó)家海洋局北海信息中心，山東青島266061）

選取渤黃海歷史冰情和氣溫資料、全球海溫資料，分析了1971—2015年渤黃海冬季氣溫和冰情的變化特征。基于遙相關(guān)分析法，選取影響渤黃海冬季氣溫的前期海溫關(guān)鍵區(qū)，建立了渤黃海冬季氣溫和冰級(jí)的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果表明：渤黃海氣溫和冰情具有明顯的年際和年代際變化，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；根據(jù)全球海溫遙相關(guān)型，冰季前期的夏季海溫對(duì)渤黃海冬季氣溫影響明顯，海溫關(guān)鍵區(qū)為赤道以北低緯度中東太平洋海域、北太平洋白令海西南海域、西南印度洋和澳大利亞東南沿岸海域。由此建立的預(yù)測(cè)模型與實(shí)際觀測(cè)值具有較好的一致性。

渤黃海；海冰；冬季氣溫；海溫；遙相關(guān)；多元回歸

1 引言

每年冬季，我國(guó)的渤海和黃海北部都會(huì)有不同程度的海水結(jié)冰現(xiàn)象[1]。作為全球緯度最低的結(jié)冰海區(qū)之一，渤海和黃海北部受大氣和海洋環(huán)境的影響，冰情具有明顯的年際變化。海冰常常給近岸的水產(chǎn)養(yǎng)殖、交通運(yùn)輸和海洋生態(tài)環(huán)境等造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，冰情嚴(yán)重時(shí)，甚至危及沿岸人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，在每年冬季海冰生成之前，對(duì)渤、黃海海域冰情進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于海洋防災(zāi)減災(zāi)具有十分重要的意義。

我國(guó)對(duì)渤、黃海海冰的中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)已有近40 a歷史，隨著對(duì)全球大氣和海洋及其相互作用認(rèn)識(shí)的不斷深入，海冰的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)技術(shù)取得了一定的進(jìn)展。北大西洋濤動(dòng)、西伯利亞高壓、副熱帶高壓和北極海冰密集度等因子被認(rèn)為是影響渤、黃海海冰冰情的關(guān)鍵要素，常用于渤、黃海冰情的年度趨勢(shì)預(yù)測(cè)[2-3]。同時(shí)，海冰的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法也在不斷豐富，分形分析[4]、逐步回歸[5]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[6]等方法越來越多地應(yīng)用于渤、黃海海冰的冰情預(yù)測(cè)中。

然而，目前的預(yù)測(cè)多集中于大氣環(huán)流因子對(duì)渤、黃海冰情的影響。根據(jù)第二類氣候可預(yù)報(bào)性原理，海洋是氣候系統(tǒng)的重要外強(qiáng)迫。由于海洋的密度遠(yuǎn)超過大氣，狀態(tài)的變化比大氣慢，預(yù)報(bào)時(shí)間尺度也比大氣長(zhǎng)。因此，利用海洋要素預(yù)測(cè)渤、黃海冬季的大氣狀況，進(jìn)而對(duì)冬季冰情進(jìn)行預(yù)測(cè)，是一種可行性強(qiáng)且具有一定物理意義的方法。

本文第二部分介紹了研究應(yīng)用的資料與方法；第三部分分析了1971—2015年冬季渤、黃海氣溫和冰情的變化特征及相關(guān)關(guān)系；第四部分基于遙相關(guān)分析法，建立渤、黃海冬季氣溫與前期海溫遙相關(guān)型；第五部分建立渤、黃海冬季氣溫和冰級(jí)的預(yù)測(cè)模型，并進(jìn)行檢驗(yàn)；第六部分是總結(jié)與討論。

2 資料與方法

2.1 資料介紹

全球海溫資料選取英國(guó)氣象局Hadley氣候變化中心HadISST1月平均資料，分辨率1°×1°。時(shí)間范圍為1970—2015年，區(qū)域范圍為60°N—60°S、0°—360°E，不考慮南北極高緯度海冰覆蓋區(qū)域的溫度變化。

渤、黃海海域氣溫資料選用NECP/NCAR的全球再分析資料，時(shí)間范圍為1970—2015年，所選空間范圍為37.5°—42.5°N、117.5°—125°E。

渤、黃海海冰歷史觀測(cè)資料來自國(guó)家海洋局北海分局。北海分局自1965年起開展渤海和黃海北部的海冰觀測(cè)。根據(jù)國(guó)家海洋局1973年制定的《中國(guó)海冰冰情預(yù)報(bào)等級(jí)》，以海冰外緣線和冰厚作為標(biāo)準(zhǔn)，將渤海和黃海北部的冰情劃分為5個(gè)等級(jí)，1.0-5.0級(jí)分別對(duì)應(yīng)“輕冰年”、“偏輕冰年”、“常冰年”、“偏重冰年”和“重冰年”。為更好地描述冰情，常精確至0.5級(jí)。

2.2 研究方法

遙相關(guān)是指相距一定時(shí)間或間隔一定空間的兩個(gè)要素之間的顯著關(guān)系。早在20世紀(jì)20—30年代，Walker等[7]就研究了海平面氣壓場(chǎng)與天氣的遙相關(guān)關(guān)系，開創(chuàng)性地提出了北半球冬季海平面氣壓場(chǎng)上經(jīng)典的3種遙相關(guān)型：北太平洋濤動(dòng)（North Pacific Oscillation，NPO）、北大西洋濤動(dòng)（North Atlantic Oscillation，NAO）和南方濤動(dòng)（Southern Oscillation，SO）。本文利用遙相關(guān)法，對(duì)渤、黃海冬季氣溫和全球海溫進(jìn)行計(jì)算分析，建立渤、黃海冬季氣溫與全球海溫的遙相關(guān)型。

回歸分析是用來研究變量與變量之間關(guān)系的方法，用于分析某個(gè)變量（預(yù)報(bào)量）與一個(gè)或者多個(gè)變量（預(yù)報(bào)因子）之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，建立預(yù)報(bào)量和預(yù)報(bào)因子之間的回歸方程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)報(bào)量的定量化預(yù)測(cè)[8]。本文基于多元線性回歸和一元線性回歸的方法，分別建立渤、黃海冬季氣溫和冰情的回歸方程，并進(jìn)行定量化預(yù)測(cè)。

3 渤、黃海冬季氣溫和冰情變化特征

3.1 渤、黃海冬季氣溫變化特征

渤、黃海地區(qū)的冬季氣溫是影響冰情的直接因子，海冰的生成和增長(zhǎng)常伴隨著強(qiáng)冷空氣帶來的劇烈降溫和持續(xù)低溫。選取前一年12月—當(dāng)年2月的平均氣溫作為冬季氣溫，如1970年12月—1971年2月平均氣溫記作1971年冬季氣溫。

圖1為1971—2015年冬季渤、黃海冬季氣溫的時(shí)間序列，可以看出氣溫具有明顯的年代際和年際變化。從20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初，渤、黃海冬季氣溫呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)（+0.75℃/10a）；21世紀(jì)初至今，渤黃海冬季氣溫振幅增大，并未出現(xiàn)上升的趨勢(shì)，反而呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)（-0.21℃/10a）。這與近年來全球范圍內(nèi)觀測(cè)到“變暖停滯”的氣候背景是一致的[9]。梁蘇潔等[10]對(duì)中國(guó)大陸1960—2013年冬季氣溫的年代際變化特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，中國(guó)冬季氣溫在整體變暖的趨勢(shì)上疊加有年代際波動(dòng)，可劃分為冷期、暖期和停滯期3個(gè)時(shí)期。韓雪等[11]研究表明，我國(guó)冬季氣溫自21世紀(jì)80年代中期升高趨勢(shì)明顯，曾連續(xù)出現(xiàn)13個(gè)暖冬，2004年出現(xiàn)偏冷特征，2009年起冷冬持續(xù)出現(xiàn)。上述關(guān)于冬季氣溫趨勢(shì)變化的研究結(jié)果與本文基本一致。

1971—2015年間，渤、黃海冬季氣溫最低值為-6.3℃，出現(xiàn)在1984年冬季；氣溫最高值達(dá)到0.0℃，出現(xiàn)在2002年冬季。

圖1 1971—2015年渤、黃海冬季氣溫時(shí)間序列

圖2 1971—2015年渤、黃海冬季冰級(jí)時(shí)間序列

3.2 渤、黃海冬季冰情變化特征

圖2為1971—2015年冬季渤、黃海冬季冰級(jí)的時(shí)間序列?？梢钥闯?，冰級(jí)也具有比較明顯的年代際和年際變化趨勢(shì)。1971—2002年，冰級(jí)呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)（-0.14/10a）；2002—2015年冰級(jí)振幅較大，總體呈微弱的上升趨勢(shì)（+0.03/10a）。

1971—2015年間，冰情最嚴(yán)重的年份為1977年（4.5級(jí)），其次是2001和2010年（4.0級(jí)）；冰情最輕的是1973、1995、2002和2015年（1.0級(jí)）。

3.3 渤、黃海冬季氣溫與冰情的相關(guān)分析

根據(jù)3.1和3.2節(jié)的分析，渤、黃海冬季氣溫和冰級(jí)具有反向變化趨勢(shì)。白珊等[12]分析了渤海、北黃海冰情與局地氣溫的關(guān)系，得出冰面積與氣溫負(fù)相關(guān)，并在1—2月最顯著。李寧等[13]、劉煜等[14]研究也表明，渤、黃海冰情與局地氣候變化趨勢(shì)具有很好的相關(guān)關(guān)系。

對(duì)1971—2015年渤、黃海冬季氣溫和冰級(jí)的時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.78，通過99%信度檢驗(yàn)，負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著。由此建立渤、黃海冬季氣溫和冰級(jí)的回歸方程：

式中：B代表冬季渤、黃海的冰級(jí)；T代表當(dāng)年冬季渤、黃海的氣溫。

4 渤、黃海冬季氣溫與全球海溫的遙相關(guān)型

為研究前期全球海溫對(duì)渤、黃海冬季氣溫的影響，對(duì)渤、黃海冬季氣溫與前一年各季節(jié)全球海溫進(jìn)行遙相關(guān)分析。在相關(guān)分析之前，首先對(duì)氣溫和海溫進(jìn)行了去長(zhǎng)期趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)化處理。得到的相關(guān)系數(shù)場(chǎng)如圖3所示。從影響范圍和影響強(qiáng)度方面來看，前一年夏季（6—8月）海溫對(duì)渤、黃海冬季氣溫的影響最為明顯。下面主要分析夏季海溫遙相關(guān)型，并由此建立預(yù)測(cè)模型。

圖3c可以看出，夏季影響我國(guó)渤、黃海冬季氣溫的關(guān)鍵海域（通過95%顯著性檢驗(yàn)，｜r｜＞0.29）主要分布在：赤道以北低緯度中東太平洋海域（180°—120°W，5°—30°N）、北太平洋白令海西南海域（160°E—160°W，45°—60°N）和西南印度洋海域（50°—65°E，15°—40°S）。上述3個(gè)關(guān)鍵海區(qū)前一年夏季氣溫與渤黃海冬季氣溫分別呈明顯的正相關(guān)、正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，澳大利亞東南沿岸、西北太平洋中國(guó)及菲律賓沿岸、弗羅里達(dá)半島西部和美國(guó)東部沿岸、巴西東南沿岸也有部分海域的相關(guān)系數(shù)通過顯著性檢驗(yàn)。

5 基于關(guān)鍵區(qū)海溫的渤、黃海冬季氣溫和冰情預(yù)測(cè)模型

采用多元回歸分析的方法，建立渤、黃海冬季氣溫與赤道以北低緯度中東太平洋、北太平洋白令海西南海域和西南印度洋3個(gè)關(guān)鍵海區(qū)前一年夏季海溫的預(yù)測(cè)方程，計(jì)算得到氣溫的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.48，通過95%顯著性檢驗(yàn)。

圖3 渤、黃海冬季氣溫與前期海溫相關(guān)系數(shù)場(chǎng)及夏季海溫關(guān)鍵區(qū)

圖4 氣溫預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值對(duì)比圖（氣溫均為標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)）

分析澳大利亞東南沿岸、西北太平洋中國(guó)及菲律賓沿岸、弗羅里達(dá)半島西部和美國(guó)東部沿岸、巴西東南沿岸等部分海域海溫的影響，在上述3個(gè)關(guān)鍵海區(qū)的基礎(chǔ)上，分別加入上述海域海溫作為回歸因子，得出澳大利亞東南沿岸海溫對(duì)渤黃海冬季氣溫影響明顯，增加該因子后建立氣溫預(yù)測(cè)方程，計(jì)算得到氣溫預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)顯著提高至0.62（見圖4）。

由此，建立渤、黃海冬季氣溫預(yù)測(cè)模型：

式中：X1，X2，X3，X4分別為赤道以北低緯度中東太平洋、北太平洋白令海西南海域、西南印度洋和澳大利亞東南沿岸海域前一年夏季的標(biāo)準(zhǔn)化海溫值；T′為渤、黃海冬季標(biāo)準(zhǔn)化氣溫值。

在氣溫預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，將T′轉(zhuǎn)換為渤、黃海冬季實(shí)際氣溫值T，帶入式（1）就可以得到渤、黃海冬季冰級(jí)的預(yù)測(cè)值。

6 總結(jié)與討論

本文首先分析了渤、黃海冬季氣溫和冰情變化特征。1971—2002年，渤、黃海冬季氣溫升高，冰級(jí)降低；2003—2015年，渤、黃海冬季氣溫略有降低，冰級(jí)略有升高，但變化趨勢(shì)不明顯。進(jìn)一步分析了渤、黃海冬季氣溫和冰級(jí)的相關(guān)性，二者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.78。為建立渤、黃海冬季氣溫和冰級(jí)的預(yù)測(cè)模型，采用全球海溫遙相關(guān)法，發(fā)現(xiàn)前一年夏季海溫對(duì)渤、黃海冬季氣溫影響最為明顯。選取影響渤、黃海冬季氣溫的關(guān)鍵區(qū)，利用多元回歸方法建立預(yù)測(cè)模型，計(jì)算得到渤、黃海冬季氣溫預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值的相關(guān)性顯著，達(dá)到0.62?；谠撃Ｐ?，利用氣溫與冰級(jí)的關(guān)系，可以得到渤、黃海冬季冰情的預(yù)測(cè)值。

根據(jù)全球海溫遙相關(guān)分析，影響渤、黃海冬季氣溫的前一年夏季海溫關(guān)鍵區(qū)有：赤道以北低緯度中東太平洋海域、北太平洋白令海西南海域、西南印度洋和澳大利亞東南沿岸海域。下面從物理機(jī)制方面進(jìn)行初步分析：（1）赤道以北低緯度中東太平洋海域與Ni?o區(qū)相近，目前有大量研究表明，ENSO通過海-氣相互作用，影響東亞冬季風(fēng)，進(jìn)而對(duì)我國(guó)冬季氣候產(chǎn)生影響[15-16]；（2）北太平洋白令海是來自太平洋的溫暖海水進(jìn)入北冰洋的必經(jīng)之地。夏季該海域水溫偏高，表明進(jìn)入北冰洋的海水偏暖，加速了北極偏太平洋一側(cè)海冰的融化。黃菲等[17]研究表明，前夏和前秋東西伯利亞海-波弗特海海冰異常融化，對(duì)應(yīng)冬季海平面西伯利亞高壓和阿留申低壓北移，對(duì)流層中層?xùn)|亞大槽西移，高層西風(fēng)急流西移北移，導(dǎo)致影響東亞的冷空氣路徑偏北，冷空氣對(duì)60°N冬季氣溫影響最為明顯，而對(duì)40°N附近的渤黃海海域影響不大；（3）西南印度洋海溫負(fù)異常與印度洋偶極子（IOD）[18]負(fù)位相有關(guān)。王騰飛[19]研究了氣候變暖前后關(guān)鍵區(qū)海溫對(duì)我國(guó)冬季氣溫的影響，結(jié)果表明，氣候變暖后，西印度洋和東太平洋關(guān)鍵區(qū)海溫與影響我國(guó)的環(huán)流系統(tǒng)密切相關(guān)：夏季西印度洋海溫偏低，引起冬季西伯利亞高壓偏弱、東亞冬季風(fēng)偏弱；夏秋季東太平洋海溫偏高，引起副高偏西偏強(qiáng)、印緬槽偏弱。二者共同作用導(dǎo)致冬季我國(guó)大部分地區(qū)氣溫偏高；（4）澳大利亞東南海域夏季海溫異常的影響機(jī)制尚不清楚，可能是通過越赤道氣流對(duì)渤、黃海冬季氣溫產(chǎn)生影響，該問題有待于進(jìn)一步研究。

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Prediction method of air temperature and sea ice in winter in the Bohai Sea and the Yellow Sea based on teleconnection

JIAO Yan1,2,CAO Cong-hua1,2，LI Ge1,2,YUAN Ben-kun1,2,JIANG Wen-fei3,YU Qing-xi3
（1.North China Sea Marine Forecast Center of State Oceanic Administration,Qingdao 266061 China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation,Qingdao 266061 China;3.North China Sea Data&Information Service of State Oceanic Administration,Qingdao 266061 China）

The historical data of air temperature(AT)from NCEP/NCAR and sea ice grades(SI)from SOA was used to analyze the variation characteristics of AT and SI in winter during 1971—2015 in the Bohai Sea and the Yellow Sea.The prediction model of AT and SI was set up based on the method of teleconnection by selecting SST key areas which have obviously influence on the temperature in winter in the Bohai Sea and the Yellow Sea. Results showed that,both AT and SI had interannual and interdecadal variations,and they had significant negative correlations with each other.According to the teleconnection,SST anomalies in the Middle East Pacific Ocean,the southwest of the Bering Sea,the southwest of Indian Ocean and the coastal area of southeast Australia were strong precursor signals of AT in winter in the Bohai Sea and the Yellow Sea.The analyses also showed that there was a good corresponding relationship betweenAT from predicted model and the observation.

the Bohai Sea and the Yellow Sea;sea ice;air temperature in winter;sea surface temperature; teleconnection;multiple regression

P731.15

A

1003-0239（2017）01-0019-06

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.01.003

2016-03-29；

2016-06-06。

山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（201504，201505）；國(guó)家海洋局北海分局海洋科技項(xiàng)目（2015B08）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋環(huán)境安全保障”重點(diǎn)專項(xiàng)（2016YFC1402000）。

焦艷（1987-），女，助理工程師，博士在讀，主要從事海洋氣候預(yù)測(cè)、海冰預(yù)警報(bào)技術(shù)研究等工作。E-mail：jiaoyan@bhfj.gov.cn

曹叢華（1960-），女，工程技術(shù)帶頭人，本科，主要從事海洋環(huán)境預(yù)報(bào)及海洋環(huán)境數(shù)值模擬。E-mail:caoconghua@bhfj.gov.cn