李昂，于非，刁新源，司廣成

（1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

北黃海冷水團溫度年際變化研究

李昂1，2，于非1*，刁新源1，司廣成1

（1.中國科學(xué)院海洋研究所，山東青島266071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100039）

本文基于1976—2006年國家標準斷面（大連—成山頭）調(diào)查資料，結(jié)合ECMWF氣溫、風(fēng)速以及輻射等再分析資料，研究了北黃海冷水團的低溫中心以及北部鋒面的年際變化規(guī)律，并對其與氣候年際變化信號的關(guān)系做了相關(guān)性分析以及EOF分析，研究了影響北黃海冷水團的諸多因素。研究結(jié)果表明，北黃海冷水團及其北部鋒面強度存在明顯的年際變化特征，北黃海冷水團中心最低溫度具有升溫趨勢，北部鋒面強度具有減弱趨勢。分析發(fā)現(xiàn)，前冬海溫，當?shù)貧鉁兀?jīng)向風(fēng)場以及輻射通量都對來年北黃海冷水團的強度存在影響，東亞冬季風(fēng)的年際變異是影響北黃海冷水團溫度年際變化的主要機制，El Ni?o、La Ni?a事件成熟期滯后于北黃海冷水團最低溫度的相對低值、高值出現(xiàn)，ENSO通過與東亞冬季風(fēng)的相互作用與北黃海冷水團相聯(lián)系。

北黃海冷水團；年際變化；相關(guān)性分析

李昂，于非，刁新源，等.北黃海冷水團溫度年際變化研究［J］.海洋學(xué)報，2015，37（1）：30—42，doi.10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.004

Yu Ang，Yu Fei，Diao Xinyuan，et al.Interannual variabi l ity of temperature of the northern Yellow Sea Cold Water Mass［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（1）：30—42，doi.10.3969/j.issn.0235-4193.2015.01.004

1　引言

黃海冷水團是我國陸架淺海上的一個突出而重要的海洋現(xiàn)象，也是中國近海淺海水文特征的重要組成部分，一直為國內(nèi)外海洋學(xué)者尤其是中國海洋學(xué)家所關(guān)注。黃海冷水團是位于黃海中部洼地的深層和底部的低溫高鹽季節(jié)性水團。夏季，黃海冷水團幾乎控制著整個黃海遼闊的海域，對生物群落的分布，漁業(yè)資源的獲取有著重要的影響。20世紀50年代末，赫崇本等［1］最先對黃海冷水團的形成機制及其性質(zhì)進行了研究，提出了“黃海冷水團是冬季在黃海本地形成的”的重要觀點。在這之后管秉賢［2］發(fā)現(xiàn)黃海冷水團的溫度與本地氣溫存在較為密切的關(guān)系?？娊?jīng)榜等［3—4］利用理論模式解分析了黃海冷水團的形成機制，得出北黃海冷水團形成是北黃海洼地之上的過冬水，入春后海表升溫熱量向下傳播的結(jié)果。任慧軍和詹杰民［5］利用POM模式分析發(fā)現(xiàn)溫躍層、潮混合、暖流和地形對黃海冷水團的形成起著重要作用。有關(guān)黃海冷水團季節(jié)變化以及季節(jié)內(nèi)變化的研究目前已有很多，邱道立等［6］、任慧軍和詹杰民［5］、于非等［7］、Zhang等［8］利用不同調(diào)查資料或模式結(jié)果，對黃海冷水團的季節(jié)變化及其消長過程進行了分析，基本確定了黃海冷水團春季形成、發(fā)展，夏季成熟，秋季衰退，冬季消失的觀點。Chu等［9］發(fā)現(xiàn)黃海熱結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化受到表面強迫的季節(jié)變化影響。黃海冷水團年際變化研究方面，Hu和Wang［10］利用EOF分析了南黃海冷水團溫度的年際變化特征，發(fā)現(xiàn)溫躍層深度的變化主要受表面加熱的影響而鋒面強度的年際變異將影響垂直環(huán)流。王輝武［11］利用同樣方法發(fā)現(xiàn)黃海暖流的殘留水存在4—7年的年際變化周期。Park等［12］通過EOF分析發(fā)現(xiàn)了南黃海冷水團西側(cè)部分的三次冷事件和兩次暖事件，黃海冷水團的變化受到冬季表面強迫（如西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞急流、PDO、北極濤動等）和夏季表面強迫（如黑潮SST，亞洲大陸SLP，阿留申群島SLP等）的影響。Wei等［13］提出降溫期（9—2月）黃海熱含量主要受表面感熱和潛熱影響，這兩者變化與東亞冬季風(fēng)和北極濤動的變異相聯(lián)系。另外，Park和Oh［14］發(fā)現(xiàn)東亞邊緣海SST與赤道中部太平洋海溫存在年際尺度上的相關(guān)。

黃海冷水團包括北黃海冷水團和南黃海冷水團。與南黃海冷水團相比，北黃海冷水團冷中心最早出現(xiàn)，且位置最穩(wěn)定，中心穩(wěn)定在渤海海峽口東側(cè)38°15′N，122°30′E附近［7］。北黃海冷水團具有低溫高鹽，溫差大、鹽差小，較長時間幾乎恒定不變的性質(zhì)。北黃海冷水團的研究開展比較早，目前已有很多研究成果。鮑獻文等［15］、姚志剛等［16］分析了北黃海冷水團四季的溫鹽特征及北黃海冷水團的消長過程，發(fā)現(xiàn)鹽躍層的生成和消亡均滯后于溫躍層。但目前對于北黃海冷水團年際變化的研究較少，翁學(xué)傳等［17］利用“相似系數(shù)”法，分析出黃海冷水團的分布范圍有明顯年間變化，北黃海冷水團中心位置以及溫鹽性質(zhì)均較穩(wěn)定。張以懇和楊玉玲［18］利用同樣方法，利用冷水團分布范圍、厚度、體積以及低溫中心溫度4個指標，將北黃海冷水團分為了強、弱、平年3種情況。江蓓潔等［19］根據(jù)橫貫北黃海冷水團的斷面觀測資料，分析出北黃海冷水團主要受冬季氣溫的影響，個別年份的溫度異常可能受厄爾尼諾以及黑潮大彎曲的影響。宋新等［20］基于ROMS模式，分析指出夏季黃海冷水團范圍存在5年的周期變化特征，與冬季風(fēng)速存在正相關(guān)，并滯后于ENSO17個月。有關(guān)北黃海冷水團冷暖年推算的研究，張元奎和賀先明［21］建立了利用前冬水氣溫預(yù)報北黃海冷水團強弱的方程，預(yù)報方程F檢驗效果顯著，與實際情況基本相符。孫湘平［22］發(fā)現(xiàn)北黃海冷水團強弱主要取決于冬季氣候的冷暖程度。杜兵等［23］分析了北黃海冷水團的多年變化特征及其與氣溫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)老虎灘以及小長山冬季氣溫與扇貝死亡率存在顯著負相關(guān)。李坤平［24］分析出黑潮大彎曲第二年黃海冷水團為暖年，黃海冷水團冷年會伴隨厄爾尼諾事件出現(xiàn)。

本文主要研究北黃海冷水團溫度及其相關(guān)變量的年際變化特征，基于31年（1976—2006年）的標準斷面的調(diào)查資料、ECMWF再分析資料，分析北黃海冷水團中心最低溫度、北部鋒面的年際變化并利用相關(guān)性分析研究北黃海冷水團年際變化的影響因素。文章使用的斷面調(diào)查資料與前人的研究中使用的資料相比，在時間序列的長度以及連續(xù)性方面有一定提高，對北黃海冷水團中心最低溫度的研究考慮了低溫中心在各站之間的擺動，還研究了北黃海冷水團鋒面強度的年際變化，較之前的年際變化研究考慮了如冬季海溫、冬季氣溫、冬季風(fēng)、冬季凈輻射通量、黃海暖流以及ENSO等因素在內(nèi)的多種可能對北黃海冷水團產(chǎn)生影響的因素。

2　數(shù)據(jù)資料與方法介紹

本文所使用的數(shù)據(jù)包括：

（1）1976-2006年國家標準斷面調(diào)查資料（大連—成山頭斷面），站位如圖1所示，個別年份站位由于走航原因站位位置會有細微的差別，但不影響斷面資料質(zhì)量。溫度觀測統(tǒng)一使用顛倒溫度計進行測量，測量精度達0.01℃。資料連續(xù)性較好，夏季（8月）資料僅有1993年缺測，冬季（2月）資料1976、1984、1996年缺測，冬夏均未出現(xiàn)連續(xù)兩年缺測的情況，空間分辨率方面，斷面緯度跨度約1.3°，經(jīng)度跨度約1°，各站水平距離平均相隔約22～25 k m，垂直方向分辨率為5 m，具體層次為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、底層（個別站位有50 m層）；

（2）1976—2006年ECMWF再分析資料，包括10 m高度經(jīng)向風(fēng)場、2 m高度溫度場、表面凈太陽（短波）輻射、表面凈熱（長波）輻射、表面感熱通量、表面潛熱通量，資料空間分辨率為0.75°×0.75°，其中溫度場選取37.5°～42.5°N，120°～125°E代表北黃海區(qū)域，資料來源：http：//apps.ecm wf.int/datasets/；

（3）由NOAA氣候預(yù)報中心發(fā)布的1950—2012年Ni?o3.4指數(shù)資料，時間分辨率為1個月，資料來源：http：//w w w.cpc.ncep.noaa.gov/data/indices/。

本文所用到的資料分析方法：（1）線性插值法：由于各站均為標準層數(shù)據(jù)分辨率不高，對各個站的資料進行了垂向的插值處理；（2）相關(guān)性分析：相關(guān)系數(shù)

式中，cov（x，y）為兩時間序列的協(xié)方差，Sx，Sy為數(shù)據(jù)標準差，文中相關(guān)系數(shù)都通過了檢驗95%的信度檢驗，檢驗公式：

圖1　大連—成山頭斷面調(diào)查站位Fig.1 Survey stations of Dal ian-Chengshantou section

式中，n-2為數(shù)據(jù)的自由度［25］；（3）小波分析：選取Morlet母小波函數(shù)，對時間序列進行小波變換，將時間序列信號在時域和頻域上進行展開，本文使用了Torrence和Compo［26］提供的小波分析matlab工具包；（4）擬合分析：利用線性擬合分析時間序列的年際變化趨勢；（5）EOF分析：將原始資料的矩陣X進行標準化處理，計算其協(xié)方差陣S=XX′，（3），求出S陣的值∧和特征向量V，其中V，再利用T=V′X，（4），求時間系數(shù)矩陣T，最后計算各個向量的方差貢獻［25］，特征值通過了95%的顯著性檢驗。

3　冷水團相關(guān)要素的年際變化特征

由圖1中站位位置以及圖2北黃海冷水團底層的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，大連—成山頭斷面橫跨北黃海冷水團的中心，可較好的代表北黃海冷水團的狀態(tài)。由于黃海冷水團夏季處于強盛期，8月份的調(diào)查資料能夠體現(xiàn)當年夏季北黃海冷水團的特征。

3.1北黃海冷水團中心的年際變化

北黃海冷水團的最低溫度和熱含量是代表北黃海冷水團強度以及熱狀況特征的重要物理量。對北黃海冷水團的最低溫度和熱含量的研究可以有效的分析出北黃海冷水團強度的年際變化特征。因而下文將主要通過這兩者對北黃海冷水團進行分析。

3.1.1北黃海冷水團中心位置年際變化

圖2　北黃海冷水團底層溫度分布［15］Fig.2 Bottom temperature distribution of the northern Yellow Sea Cold Water Mass［15］

表1中顯示北黃海冷水團中心位置主要在4～ 6號站之間變動，擺動空間范圍大約45.6 k m，且大多數(shù)時間，尤其是20世紀80年代初到90年代初這段時間，冷中心位置位于5號站，即38.22°N，122.12°E附近，為了更好的研究北黃海冷水團中心強度的年際變化，本文選取斷面最低溫度作為北黃海冷水團中心溫度，與江蓓潔等［19］利用斷面中部站的底層最低溫度來對北黃海冷水團的年際變化進行研究有所不同。

表1　北黃海冷水團中心各年位置Tab.1 Northern Yellow Sea Cold Water Mass center position in each of the years

3.1.2北黃海冷水團中心最低溫度年際變化

圖3是北黃海冷水團的中心最低溫度的時間序列，最高值出現(xiàn)在1990年，達7.18℃，最低溫出現(xiàn)在1984年，僅為4.44℃。北黃海冷水團中心最低溫度存在明顯的波動上升趨勢，利用線性趨勢分析發(fā)現(xiàn)，北黃海冷水團存在約0.026℃/a的升溫趨勢，升溫幅度大于江蓓潔［19］的研究結(jié)果（0.005℃/a），對時間序列進行小波分析（見圖4）發(fā)現(xiàn)，北黃海冷水團最低溫度時間序列的小波功率譜4年左右的周期信號最強，分析結(jié)果通過了95%的置信度檢驗。這一周期與東亞冬季風(fēng)3～5年的年際變化周期也

圖3　北黃海冷水團中心最低溫度變化（實心圓實線）及其線性變化趨勢（實線）Fig.3 Variation of lowest center temperature of northern Yellow Sea Cold Water Mass（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（sol id l ine）

3.1.3北黃海冷水團25 m以下區(qū)域平均熱含量

圖4　北黃海冷水團中心最低溫度小波功率譜Fig.4 Wavelet power spectrum of lowest center temperature of Northern Yellow Sea Cold Water Mass

圖5　大連—成山頭斷面的平均溫度Fig.5 The mean temperature of Dal ian-Chengshantou section

觀察北黃海冷水團的平均熱含量發(fā)現(xiàn)，最高值出現(xiàn)在1982年，達9.74℃，最低溫出現(xiàn)在1996年，僅為5.43℃。由圖6觀察發(fā)現(xiàn)北黃海冷水團平均熱含量存在明顯的波動上升趨勢，利用線性趨勢分析發(fā)現(xiàn)，北黃海冷水團熱含量存在約0.049℃/a的升溫趨勢。

圖6　北黃海冷水團25 m以下區(qū)域平均熱含量變化（實心圓實線）及其線性變化趨勢（實線）Fig.6 Variation of below 25 m area mean heat content of northern Yellow Sea Cold Water Mass（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（sol id l ine）

3.1.4海區(qū)平均熱含量

計算夏季整個斷面平均熱含量，以代表整個北黃海海區(qū)的熱狀況（圖7），斷面平均熱含量的計算方法與3.1.3中北黃海冷水團25 m以下區(qū)域平均熱含量的計算方法公式（5）相同。觀察發(fā)現(xiàn)，斷面熱含量最大值出現(xiàn)在1983年，最小值出現(xiàn)在1996年，與北黃海冷水團25 m以下區(qū)域平均熱含量最小值出現(xiàn)年份一致，2001年后波動振幅減小，發(fā)現(xiàn)整個斷面亦存在輕微上升的趨勢，升溫幅度約為0.007℃/a，升溫幅度小于北黃海冷水團的升溫幅度，說明北黃海冷水團升溫幅度較高，相對于整個北黃海海區(qū)是升溫的。

3.1.5小于8℃的數(shù)據(jù)點的個數(shù)

管秉賢［2］在研究中提出，采用8℃等溫線作為黃海冷水團范圍年際變化的指標較10℃為宜。因而選取小于8℃的數(shù)據(jù)點的個數(shù)來描述北黃海冷水團所占據(jù)的空間（圖8），發(fā)現(xiàn)小于8℃的數(shù)據(jù)點呈波動減少的趨勢，同時整個斷面的測點基本穩(wěn)定在65～70之間，總測點沒有減少的趨勢，因而說明小于8℃的數(shù)據(jù)點的減少是由于北黃海冷水團的范圍在變小造成的，進而反映出北黃海冷水團有升溫的趨勢。同時還可以發(fā)現(xiàn)時間序列在1997年后振幅明顯減小。小波分析功率譜在5年左右周期上達到峰值（圖略）。

3.1.6斷面溫度的線性變化趨勢以及EOF分析

圖7　大連—成山頭斷面平均熱含量（實心圓實線）及其線性變化趨勢（實線）Fig.7 Mean heat content of Dal ian-Chengshantou section（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（sol id l ine）

圖8　小于8℃測點個數(shù)變化（實心圓實線）及其線性變化趨勢（實線）Fig.8 Variation of the number of measuring point less than 8℃（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（sol id l ine）

對斷面各層各點溫度時間序列進行線性趨勢的分析（見圖9），北黃海冷水團中心區(qū)域各點都表現(xiàn)出升溫趨勢，而溫躍層附近溫度則反映出降溫的趨勢，這可能與溫躍層的年際振蕩有關(guān)。北黃海冷水團與周圍水體表現(xiàn)出了相反的溫度變化趨勢，這可能導(dǎo)致冷水團水體與周圍水體的溫度差異變小，使得北黃海冷水團的鋒面減弱。利用EOF分析同樣發(fā)現(xiàn)，在第一模態(tài)（見圖10a）主要顯示的是溫度躍層區(qū)域的強變化，方差貢獻率達38%，時間序列的小波功率譜發(fā)現(xiàn)5年周期信號較強（圖略）；第二模態(tài)（見圖10c）呈現(xiàn)偶極子的狀態(tài)，顯示躍層區(qū)溫度與斷面中北部冷水團區(qū)域溫度存在反位相的變化，第二模態(tài)的時間序列顯示二者的變化趨勢不明顯，方差貢獻率為13%；第三模態(tài)（圖10e）變率大值區(qū)出現(xiàn)在冷水團中心區(qū)，主要反映出北黃海冷水團與溫躍層相反的變化，與時間序列（圖10f）相結(jié)合分析主要表現(xiàn)了北黃海冷水團中心的升溫，與斷面溫度線性趨勢分析的結(jié)果相一致，方差貢獻率10%，第三模態(tài)的結(jié)果也進一步驗證了上文分析出的溫度上升趨勢。

圖9　大連—成山頭斷面夏季平均溫度和各點線性變化趨勢（等值線）Fig.9 The mean temperature of Dal ian-Chengshantou section and l inear trend of every points of Dal ian-Chengshantou section（contour l ine）in sum mer

圖10　夏季大連—成山頭斷面溫度EOF分析第一、第二和第三模態(tài)（a、c、e）空間分布以及（b、d、f）時間序列（實心圓實線）及其線性變化趨勢（虛線）Fig.10 Spatial distribution（a、c、e）and time series（a、c、e）of sum mer temperature first EOFmode of Dal ian-Chengshantou section（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（dash l ine）

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，利用對北黃海冷水團中心最低溫度、熱含量、小于8℃測點個數(shù)3者時間序列、斷面各點溫度線性傾向以及斷面溫度的EOF分析，確定了北黃海冷水團的升溫趨勢，同時也發(fā)現(xiàn)了北黃海冷水團中心最低溫度和熱含量存在明顯的年際變化特征。

3.2北黃海冷水團北部鋒面的年際變化

鋒面強度是北黃海冷水團的主要示性特征，鋒面的年際變化能很好的體現(xiàn)出北黃海冷水團中心與沿岸水的差異。鋒面的年際變化也可以反映北黃海冷水團強度的年際變化特征。本文選取斷面各層中水平溫度梯度最大值以及底層溫度梯度的最大值來研究北黃海冷水團鋒面的年際變化。

圖11　北黃海冷水團北部鋒面水平溫度梯度變化（實心圓實線）及其線性變化趨勢（實線）Fig.11 Horizontal temperature gradient variation of north front of northern Yellow Sea Cold Water Mass（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（sol id l ine）

比較斷面每年各站底層溫度，并計算其溫度梯度，計算方法與水平溫度梯度的計算方法類似，溫差為斷面相鄰兩站的底層溫度之差，距離仍取兩側(cè)站距離。結(jié)果（圖12）發(fā)現(xiàn)1982—1995年期間底層溫度梯度的變化幅度明顯比其他年份大，1987和1988年分別出現(xiàn)了溫度梯度的最小值（0.058 0℃/k m）和最大值（0.388 9℃/k m），此外與溫度水平梯度相似的是，1995年以后的底層溫度梯度也均在低值震蕩。小波功率譜（圖13）發(fā)現(xiàn)底層溫度梯度3年左右的年際變化周期的信號較強，強周期信號主要集中在1982—1997年之間。

圖12　北黃海冷水團底層溫度梯度變化Fig.12 Gradient variation of bottom temperature of northern Yellow Sea Cold Water Mass

圖13　北黃海冷水團底層溫度梯度小波功率譜Fig.13 Wavelet power spectrum of bottom temperature gradient of Northern Yellow Sea Cold Water Mass實線：95%置信度檢驗曲線，虛線：未受小波變換邊界效應(yīng)影響的邊界Sol id l ine is the curve of 95%confidence level test，dash l ine is boundary of the area which was not affected by edge effects

底層溫度梯度與最大水平溫度梯度的研究結(jié)果表明1995年以后北黃海冷水團北部鋒面存在一定的減弱趨勢，鋒面強度存在明顯的年際變化。北黃海冷水團鋒面減弱趨勢與之前對斷面各點溫度的線性變化趨勢（見圖9）相對應(yīng)，驗證了之前的推測，北黃海冷水團鋒面的減弱反映出北黃海冷水團與周圍水團的溫度差異變小了。

4　影響北黃海冷水團的因素及相關(guān)性分析

北黃海冷水團強弱受到多種因素的綜合作用。基于“黃海冷水團水是在冬季黃海本地形成的觀點”［1］，因而前冬的海溫、氣溫的高低，冬季風(fēng)強弱，海區(qū)的輻射通量以及黃海暖流等諸多要素都會影響北黃海冷水團。另外，由于上文分析出北黃海冷水團溫度存在年際變化特征，而ENSO是全球氣候變化中最強的年際變化信號，因而文章也分析了北黃海冷水團與ENSO變異的關(guān)系。

4.1前冬海溫

由于北黃海冷水團水為前冬殘留水的說法被普遍接受，掌握前冬本地海溫的情況對研究北黃海冷水團的年際變化十分重要。對1977—2006年2月的大連—成山頭斷面的溫度調(diào)查資料進行EOF分析（圖14）。發(fā)現(xiàn)冬季斷面溫度的EOF第一模態(tài)方差貢獻率達到90%，空間模態(tài)的分布差別不大，而時間序列存在明顯的增長趨勢，顯示了斷面冬季海溫明顯的升溫趨勢，時間序列的小波功率譜在3年周期存在較強信號。冬季北黃海海溫的升溫也對應(yīng)了夏季北黃海冷水團的升溫。由于強冬季風(fēng)的作用以及冷卻作用使得整個北黃海海區(qū)海水上下混合均勻，對冬季北黃海冷水團中心區(qū)站位熱含量、整個斷面的平均熱含量進行計算并統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，兩者的年際變化規(guī)律基本是一致的（見圖15），從側(cè)面表現(xiàn)了海區(qū)冬季的海溫特征，趨勢分析發(fā)現(xiàn)冬季海溫也存在升溫的趨勢。對斷面各點溫度的線性變趨勢分析（見圖16）同樣證明冬季北黃海海區(qū)海水整體升溫，斷面升溫在量級上與北黃海冷水團中心一致。

由于冬季北黃海冷水團中心區(qū)站位熱含量與斷面的平均熱含量的年際變化規(guī)律基本一致，而冬季北黃海冷水團中心區(qū)站位基本位于斷面中部一定程度上代表了冬季到達北黃海的黃海暖流的溫度特征，取冬季北黃海冷水團中心區(qū)站位的熱含量代表冬季海溫，利用相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)前冬海溫與北黃海冷水團中心最低溫度存在正相關(guān)（見圖17a），相關(guān)系數(shù)為0.36。說明冬季海溫越低，北黃海冷水團溫度也越低。此相關(guān)性也側(cè)面證明了冬季的存留水是夏季北黃海冷水團的重要來源。

圖14　冬季大連—成山頭斷面溫度EOF分析第一模態(tài)（a）空間分布以及（b）時間序列（實心圓實線）及其線性變化趨勢（虛線）Fig.14 Spatial distribution（a）and time series（b）of winter temperature first EOFmode of Dal ian-Chengshantou section（sol id l ine with sol id dots）and its l inear trend（dash l ine）

圖15　冬季北黃海冷水團中心區(qū)站位熱含量（實心圓實線）以及斷面熱含量（實心三角形實線）Fig.15 Winter heat content of the station in center area of northern Yellow Sea Cold Water Mass（sol id l ine with sol id dots）and winter heat content of whole section（sol id l ine with sol id triangle marks）

圖16　大連—成山頭斷面冬季平均溫度和各點線性變化趨勢（等值線）Fig.16 The mean temperature of Dal ian-Chengshantou section and l inear trend of every points of Dal ian-Chengshantou section（contour l ine）in winter

圖17　北黃海冷水團中心最低溫度（實線）與大連—成山頭斷面冬季海溫（a）、冬季本地氣溫（b）、冬季凈輻射（c）和東亞冬季風(fēng)指數(shù)（d）（虛線）Fig.17 Lowest center temperature of Northern Yel low Sea Cold Water Mass（sol id l ine）and winter sea temperature of Dal ian-Chengshantou section（a），winter local air temperature（b），winter net heat flux（c）andEast Asain winter monsoon index（dash l ine）（d）

4.2前冬氣溫

利用ECMFW再分析資料2 m高度處氣溫，對北黃海區(qū)域的氣溫場進行平均，用12、1、2月的平均值以代表海區(qū)的冬季氣溫（圖17b）。將北黃海冷水團中心最低溫度與冬季本地氣溫做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)相關(guān)性為正，相關(guān)系數(shù)為0.40。冬季氣溫的高低也將影響北黃海冷水團強度。較低的溫度會導(dǎo)致冬季海區(qū)進一步失去熱量因而導(dǎo)致北黃海冷水團溫度偏低。

4.3輻射通量

輻射通量反映了海區(qū)整體的得失熱狀況。利用ECMWF再分析資料中的表面凈熱（長波）輻射、表面凈太陽（短波）輻射、表面感熱以及表面潛熱四個輻射通量資料。其中負值為海區(qū)失去熱量，正值為獲得熱量，海區(qū)凈輻射通量=凈太陽（短波）輻射通量+凈熱（長波）輻射通量+感熱通量+潛熱通量，（7）。將整個海區(qū)的標準化平均冬季凈輻射通量與北黃海冷水團最低溫度（見圖17c）做相關(guān)性分析得到相關(guān)系數(shù)為0.43，即冬季北黃海失熱越多，下一年的北黃海冷水團將越強。凈輻射通量與北黃海冷水團的關(guān)系進一步印證了前冬海區(qū)的得失熱狀況對北黃海冷水團的影響。

4.4冬季風(fēng)

冬季風(fēng)的強弱也是反映冬季天氣狀況的重要指標。本文選用了Wen等［28］定義的東亞冬季風(fēng)指數(shù)：即利用25°～40°N，120°～140°N與10°～25°N，110°～130°N兩區(qū)域10 m經(jīng)向風(fēng)場的平均值代表東亞冬季風(fēng)的強度（見圖17），與北黃海冷水團中心最低溫度為正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.38。北黃海冷水團溫度與季風(fēng)指數(shù)的相關(guān)性分析說明冬季北風(fēng)越強，北黃海冷水團溫度較低。較強的北風(fēng)加劇了海區(qū)的熱量交換也帶來了北方的更強冷空氣進一步加劇了海水冬季的失熱情況。王輝武等［29］發(fā)現(xiàn)黃海暖流與經(jīng)向風(fēng)存在相關(guān)，冬季風(fēng)增強會導(dǎo)致黃海暖流增強。增強的黃海暖流使得到達北黃海的暖水增多，一定程度使北黃海海區(qū)增溫。

總結(jié)以上研究發(fā)現(xiàn)，夏季北黃海冷水團溫度與冬季海溫、冬季海區(qū)平均氣溫、冬季海區(qū)凈輻射以及冬季風(fēng)在年際變化時間尺度上均存在一定相關(guān)，充分說明前冬北黃海區(qū)域的海氣相互作用對來年的北黃海冷水團的強度存在著重要的影響，海區(qū)的氣溫、輻射通量、北風(fēng)風(fēng)速均從一定程度上反映了東亞冬季風(fēng)的強度，或者說均受到東亞冬季風(fēng)的控制，因而可以說東亞冬季風(fēng)的年際變異是來年夏季北黃海冷水團年際變異的主要影響機制，東亞冬季風(fēng)通過改變冬季的氣溫，輻射通量以及北風(fēng)強度改變了海區(qū)的海溫，最終改變了第二年夏季北黃海冷水團的強弱。東亞冬季風(fēng)的減弱趨勢被眾多學(xué)者所證實［30—32］，減弱的東亞冬季風(fēng)使得北黃海冬季海溫升高，致使北黃海冷水團出現(xiàn)了升溫的趨勢。

4.5北黃海冷水團與ENSO的關(guān)系

比較NINO3.4指數(shù)與夏季北黃海冷水團溫度的時間序列（圖18）發(fā)現(xiàn)，厄爾尼諾年（1982—1983、1986—1987、1991—1992、1997—1998、2002年）之前，北黃海冷水團會有相對的溫度低值出現(xiàn)（1981、1986、1991、1996、2001年）；同樣，在拉尼娜年（1984—1985、1988、1995—1996、1999—2000年）之前，北黃海冷水團會有相對的高值（1983、1987、1995、1999年）出現(xiàn)，北黃海冷水團的相對低值、高值一般提前厄爾尼諾、拉尼娜現(xiàn)象的成熟期幾個月到一年的時間不等。

圖18　Ni?o3.4指數(shù)（實線）與北黃海冷水團中心最低溫度（虛線）的時間序列Fig.18 Time series of lowest center temperature of northern Yellow Sea Cold WaterMass（dash l ine）and time series of Ni?o3.4 index（sol id l ine）

李崇銀［33］曾提出持續(xù)強的東亞冬季風(fēng)對激發(fā)El Ni?o起著重要作用。李躍清和童文林［34］同樣發(fā)現(xiàn)了ENSO與東亞冬季風(fēng)的非同步性，El Ni?o（La Ni?a）事件前期對應(yīng)強（弱）東亞冬季風(fēng)。強（弱）的東亞冬季風(fēng)會在赤道太平洋海區(qū)激發(fā)出西（東）風(fēng)異常以及強（弱）對流活動，前者激發(fā)出暖（冷）的kelvin波東傳影響赤道東太平洋海溫，后者產(chǎn)生了強（弱）的季節(jié)內(nèi)振蕩，兩者都會導(dǎo)致El Ni?o（La Ni?a）事件的爆發(fā)，El Ni?o（La Ni?a）事件會加強（減弱）中緯度西風(fēng)帶以及費雷爾環(huán)流并且在東亞以及西北太平洋激發(fā)反氣旋（氣旋）式環(huán)流，不利于（有利于）東亞地區(qū)冷空氣的爆發(fā)，進而減弱（加強）東亞冬季季風(fēng)，形成大氣遙響應(yīng)的負反饋機制［27，35］。近期研究發(fā)現(xiàn)ENSO與東亞冬季風(fēng)在年代際尺度上也存在相關(guān)關(guān)系［36］，在PDO低位相期間，ENSO對東亞冬季風(fēng)的作用更明顯［37］。東亞冬季風(fēng)的信號在傳到赤道太平洋地區(qū)前首先影響并作用于北黃海地區(qū)，北黃海海區(qū)水團先于赤道太平洋受到東亞冬季風(fēng)的影響且海溫異常在赤道東太平洋海區(qū)的積累及發(fā)展同樣需要時間，這會導(dǎo)致El Ni?o、La Ni?a事件強盛期滯后北黃海冷水團溫度信號。ENSO通過與東亞冬季風(fēng)的相互作用與北黃海冷水團建立起了聯(lián)系。

5　總結(jié)與討論

（1）北黃海冷水團溫度存在較明顯的年際變化特征。其中北黃海冷水團中心最低溫度、北黃海冷水團區(qū)域熱含量以及小于8℃測點的個數(shù)均存在明顯的年際變化特征，波動周期約為3～5年。北黃海冷水團北部鋒面也存在年際變化的特征，周期約為3年左右。

（2）北黃海冷水團存在升溫趨勢，冷水團北部鋒面存在減弱趨勢。1976—2006年，北黃海冷水團溫度整體呈上升趨勢，其中冷中心最低溫度升溫幅度約為0.026℃/a，此外北黃海冷水團區(qū)域熱含量以及小于8℃測點的個數(shù)也反映出了海區(qū)的升溫趨勢。北黃海冷水團北部鋒面，水平溫度梯度存在減弱趨勢趨勢，1982—1995年期間北黃海冷水團的底部溫度梯度存在較大波動，1995年以后底層溫度梯度也明顯減弱。線性趨勢分析同樣顯示北黃海冷水團中心水體與沿岸水團的差異在變小。

（3）北黃海冷水團年際變化特征和長期變化趨勢受到多種因素的綜合作用。相關(guān)性分析說明，前冬的水溫越低，氣溫越低，海區(qū)失熱越多，經(jīng)向風(fēng)場北風(fēng)越強，都可能導(dǎo)致來年的北黃海冷水團的低溫。反之，則北黃海冷水團強度變?nèi)?。前冬的海氣相互作用是北黃海冷水團強弱的重要影響因素，東亞冬季風(fēng)的年際變異是來年夏季北黃海冷水團年際變異的主要影響機制，通過氣溫、輻射、北風(fēng)強度影響冬季海溫，進而改變第二年北黃海冷水團溫度，這與王輝武，Wei等研究結(jié)論也是一致的。研究發(fā)現(xiàn)El Ni?o及La Ni?a事件的強盛期分別滯后于北黃海冷水團的低值和高值，ENSO通過與東亞冬季風(fēng)的相互作用，與北黃海冷水團年際變化建立聯(lián)系，時間的滯后與ENSO以及北黃海冷水團對東亞冬季風(fēng)的響應(yīng)時間的差異有關(guān)。

［1］赫崇本，汪圓祥，雷宗友，等.黃海冷水團的形成及其性質(zhì)的初步探討［J］.海洋與湖沼，1959，2（1）：11-15.

He Congben，Wang Yuanxiang，Lei ZY，et al.Aprel iminary study oftheformation of Yel low Sea cold mass and its properties［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1959，2（1）：11-15.

［2］管秉賢.黃海冷水團的水溫變化以及環(huán)流特征的初步分析［J］.海洋與湖沼，1963，5（4）：255-284.

Guan Bingxian.Aprel iminary study ofthe temperature variations and the characteristics ofthe circulation ofthe cold water mass ofthe Yellow Sea［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1963，5（4）：255-284.

［3］繆經(jīng)榜，劉興泉，薛亞.北黃海冷水團形成機制的初步探討——Ⅰ.模式解［J］.中國科學(xué)（B輯），1990，12：1311-1321.

Miu Jingbang，Liu Xingquan，Xue Ya.Prel iminary discussion oftheformation mechanism ofthe Northern Yel low Sea Water Mass——I.modelsolution［J］.Science China（Series B），1990，12：1311-1321.

［4］繆經(jīng)榜，劉興泉，薛亞.北黃海冷水團形成機制的初步探討——Ⅱ.模式解的討論［J］.中國科學(xué)（B輯），1991，01：74-81.

Miu Jingbang，Liu Xingquan，Xue Ya.Prel iminary discussion oftheformation mechanism ofthe Northern Yel low Sea Water Mass——I.discussion of model solution［J］.Science China（Series B），1991，01：74-81.

［5］任慧軍，詹杰民.黃海冷水團的季節(jié)變化特征及其形成機制研究［J］.水動力學(xué)研究與進展（A輯），2005，20：887-896.

Ren Hui jun，Zhan Jiemin.Anu merical study on the seasonal variabi l ity ofthe Yel low Sea cold water mass and the related dynamics［J］.Journal of Hydrodynamics（Series A），2005，20：887-896.

［6］邱道立，周詩賚，李昌明.應(yīng)用聚類分析法劃分黃海水團的初步研究［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1989（03）：281-292.

Qiu Daol i，Zhou Shi lai，Li Changming.Appl ication of cluster analysis method in determining water mass ofthe Huanghai Sea［J］.Periodical of O-cean University of China，1989（03）：281-292.

［7］于非，張志欣，刁新源，等.黃海冷水團演變過程及其與鄰近水團關(guān)系的分析［J］.海洋學(xué)報，2006，28（5）：26-34.

Yu Fei，Zhang Zhixin，Diao Xinyuan，et al.Analysis of evolution of the Huanghai Sea Cold Water Mass and its relationship with adjacent water masses［J］.Haiyang Xuebao，2006，28（5）：26-34.

［8］Zhang SW，Wang Q，Lv Y，et al.Observation of the seasonal evolution of the Yellow Sea Cold Water Mass in 1996-1998［J］.Continental Shelf Research，2008，28（3）：442-457.

［9］Chu PC，Wel ls SK，Haeger SD，et al.Temporal and spatial scales ofthe Yel low Sea thermal variabi l ity［J］.Journal of Geophysical Research：O-ceans（1978-2012），1997，102（C3）：5655-5667.

［10］Hu Dunxin，Wang Qingye.Interannual variabi l ity ofthe southern Yel low Sea Cold Water Mass［J］.Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2004，22（3）：231-236.

［11］王輝武.黃海暖流季節(jié)和年際變化研究［D］.青島：國家海洋局第一海洋研究所，2008.

Wang Huiwu.Study on seasonal and inter-annual variations of the Yel low Sea Warm Current［D］.Qingdao：Firstinstitute of oceanography，State Oceanic Adiministration，2008.

［12］Park S，Chu PC，Lee JH.Interannual-to-interdecadal variabi l ity ofthe Yel low Sea Cold Water Massin 1967-2008：characteristics and seasonal forcings［J］.Journal of Marine Systems，2011，87（3）：177-193.

［13］Wei H，Yuan C，Lu Y，et al.Forcing mechanisms of heat content variations in the Yellow Sea［J］.Journal of Geophysical Research：Oceans，2013，118（9）：4504-4513.

［14］Park WD，Oh IS.Interannual and interdecadal variations of sea surface temperaturein the East Asian Marginal Seas［J］.Progressin Oceanography，2000，47（2）：191-204.

［15］鮑獻文，李娜，姚志剛，等.北黃海溫鹽分布季節(jié)變化特征分析［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，39（4）：553-562.

Bao Xianwen，Li Na，Yao Zhigang，et al.Seasonal variation characteristics of temperature and sal inity ofthe North Yel low Sea［J］.Periodical of Ocean University of China，2009，39（4）：553-562.

［16］姚志剛，鮑獻文，李娜，等.北黃海冷水團季節(jié)變化特征分析［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，42（6）：9-15.

Yao Zhigang，Bao Xianwen，Li Na，et al.Seasonal Evolution of the Northern Yel low Sea Cold Water Mass［J］.Journal of Ocean University of China，2012.42（6）：9-15.

［17］翁學(xué)傳，張以懇，王從敏，等.黃海冷水團的變化特征［J］.海洋與湖沼，1988（04）：368-379.

Weng Xuechuan，Zhang Yiken，Wang Congmin，et al.The variational characteristics of the Huanghai Sea（Yel low Sea）Cold Water Mass［J］. Oceanologia et Limnologia Sinica，1988，19（01）：368-379.

［18］張以懇，楊玉玲.夏季北黃海冷水團多年變化特性分析［J］.海洋預(yù)報，1996，13（4）：15-21.

Zhang Yiken，Yang Yi l ing.Analyses of the variational characteristics of the North Huanghai Sea Cold Water Mass［J］.Marine Forecasts，1996，13（4）：15-21.

［19］江蓓潔，鮑獻文，吳德星，等.北黃海冷水團溫、鹽多年變化特征及影響因素［J］.海洋學(xué)報，2007，29（4）：1-10.

Jiang Bei j ie，Bao Xianwen，Wu Dexing，et al.Interannual variation oftemperature and sal inity of northern Huanghai Sea Cold Water Mass and its probable cause［J］.Haiyang Xuebao，2007，29（04）：1-10.

［20］宋新，林霄沛，王悅.夏季黃海冷水團的多年際變化及原因淺析［J］.廣東海洋大學(xué)學(xué)報，2009，（03）：59-63.

Song Xin，Lin Xiaopei，Wang Yue.The prel iminary study oflong-term variabi l ity ofthe Yel low Sea cold waterin su m mer and its possible reasons［J］.Journal of Guangdong Ocean University，2009，29（3）：59-63

［21］張元奎，賀先明.春季北黃海西部冷水團強度的年際差異及其預(yù)報［J］.海洋湖沼通報，1981，2（1）：19-25.

Zhang Yuankui，He Xian ming.The Annual variation and its forecasting ofthe Intensity of Cold Water Mass ofthe Western-North Yellow Seain Spring［J］.Transactions of Oceanology and Limnology，1981，2（1）：19-25.

［22］孫湘平.氣候異常引起的黃海冷水團及渤海冰情變異的若干例證［J］.海洋湖沼通報，1980，1：1-8.

Sun Xiangping.Some examples in variabi l ity ofthe cold water mass ofthe Yel low Sea and seaice ofthe Bohai Sea caused by the cl imaticalanomaly［J］.Transactions of Oceanology and Limnology，1980，1：1-8.

［23］杜兵，張義鈞單毅春，等.北黃海底層冷水團的變化特征及其對外長山島海區(qū)養(yǎng)殖扇貝死亡的影響［J］.海洋通報，1996，15（4）：17-28.

Du Bing，Zhang Yi jun，Shan Yichun，etal.The characteristics of cold water mass variation atthe bottom ofthe north Yel low Sea andits hydrological effects on the mortal ity of shellfish cultured in the waters of outer chang-shan islands［J］.Marine Science Bul leten，1996，15（4）：17-28.

［24］李坤平.黃海冷水團對海洋變動的響應(yīng)［J］.海洋學(xué)報，1991，13（6）：779-785.

Li Kunping.The response of Yel low Sea Cold Water Mass to changesin ocean［J］.Haiyang Xuebao，1991，13（6）：779-785.

［25］魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)［M］.北京：氣象出版社，2007.

Wei Fengying.Modern cl imatic statistical diagnosis and prediction technology［M］.Bei j ing：Meteorological Press，2007.

［26］Torrence C，Compo GP.Apractical guide to wavelet analysis［J］.Bul letin of the American Meteorological society，1998，79（1）：61-78.

［27］穆明權(quán).東亞冬季風(fēng)異常與ENSO循環(huán)關(guān)系的進一步研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2001，6（3）：273-285.

Mu Mingquan.Afurther research on the cycl ic relationship between anomalous East Asian Winter Monsoon and ENSO［J］.Cl imatic and Environmental Research，2001，6（3）：273-285.

［28］Wen C，Graf HF，Ronghui H.Theinterannual variabi l ity of East Asian winter monsoon and its relation to the sum mer monsoon［J］.Advancesin Atmospheric Sciences，2000，17（1）：48-60.

［29］王輝武，于非，呂連港，等.冬季黃海暖流區(qū)的空間變化和年際變化特征［J］.海洋科學(xué)進展，2009，27（2）：140-148.

Wang Huiwu，Yu Fei，Lv Liangang，et al.Characteristics of spatialand interannual variation in the Yel low Sea Warm Current areain winter［J］. Advancesin Marine Science，2009，27（2）：140-148.

［30］施曉暉，徐祥德，謝立安.近40年來東亞冬季風(fēng)的年代際時空變化趨勢［J］.大氣科學(xué)，2007，31（4）：747-756.

Shi Xiaohui，Xu Xiangde，Xie Li’an.Interdecadal spatial-temporal change trend of East Asian Winter Monsoon in the last 40 years［J］.Chinese Journal of Atomospheric Science，2007，31（4）：747-756.

［31］Wang L，Chen W.How well do existing indices measure the strength ofthe East Asian winter monsoon？［J］.Advancesin Atmospheric Sciences，2010，27（4）：855-870.

［32］徐建軍，朱乾根，周鐵漢.近百年東亞冬季風(fēng)的突變性和周期性［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報，1999，10（1）：1-8.

Xu Jianjun，Zhu Qiangen，Zhou Tiehan.Sudden and periodic changes of East Asian Winter Monsoon in the past century［J］.Quarterly Journal of Appl ied Meteorology，1999，10（1）：1-8.

［33］李崇銀.頻繁的強東亞大槽活動與El Nino的發(fā)生［J］.中國科學(xué)（B輯），1988，18（6）：667-674.

Li Congyin.Frequently strong East Asian Trough activities and occurrence of El Nino［J］.Science China（Series B），1988，18（6）：667-674.

［34］李躍清，童文林.東亞冬季風(fēng)異常與ENSO事件及其預(yù)測意義［J］.成都氣象學(xué)院學(xué)報，1999，14（1）：14-19.

Li Yueqing，Tong Wenl in.Anomal ies of East Asian Winter Monsoon and ENSOand its prediction value［J］.Journal of Chengdu Institute of Meteorology，1999，14（1）：14-19.

［35］Li Chongyin，Sun Shuqing，Mu Mingquan.Origin ofthe TBO-interaction between anomalous East-Asian winter monsoon and ENSOcycle［J］.Advancesin Atmospheric Sciences，2001，18（4）：554-566.

［36］Zhou W，Wang X，Zhou T，et al.Interdecadal variabi l ity of the relationship between the East Asian winter monsoon and ENSO［J］.Meteorology and Atmospheric Physics，2007，98（3/4）：283-293.

［37］Wang L，Chen W，Huang R.Interdecadal modulation of PDOon theimpact of ENSOon the East Asian winter monsoon［J］.Geophysical Research Letters，2008，35：L20702.

Interannual variability of temperature of the northern Yellow Sea Cold Water Mass

Li Ang1，2，Yu Fei1，Diao Xinyuan1，Si Guangcheng1

（1.Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao266071，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100039，China）

Based on national standard section（Dal ian-Chengshatou）survey data from 1976 to 2006 and combined with the ECMWFreanalysis data such as temperature，wind speed and radiation，this paper studied interannual variation of thelow temperature center and the northern front of Northern Yellow Sea Cold Water Mass，did some correlation analysis aboutthe relationship between Northern Yellow Sea Cold Water Mass and interannualcl imate signals，and studied the factors affecting the temperature of Northern Yellow Sea Cold Water Mass.The results show that the lowest center temperature and the northern front of Northern Yellow Sea Cold Water Mass both have obvious interannual variation characteristics.The lowest center temperature Northern Yellow Sea Cold Water Mass has a warming trend，and the northern front existsinterannual variabi l ity of weakening trend.The winter sea temperature，winter air temperature，meridional wind field and radiation flux has certain influence on the strength ofthe cold water mass ofthe next year.Influence ofinterannual variation of East Asian winter monsoon is a main mechanism ofinterannual variabil ity of northern Yellow Sea Cold Water Mass temperature.Mature periods of El Ni?o and La Ni?a events occur behind events of the relative low and high center temperature of northern Yellow Sea Cold Water Mass.By interaction with East Asian winter monsoon，ENSOassociated with northern Yellow Sea Cold Water Mass.

northern Yellow Sea；Cold Water Mass；interannual variabi l ity；correlation analysis

P731.16

A

0253-4193（2015）01-0030-13

2013-08-19；

2014-07-04。

黃海冷水團的形成機制與演變過程研究（41176018）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA11020301）；國家自然科學(xué)基金委員會——山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目（U1406401）。

李昂（1988—），男，山東省濟南市人，主要從事近海環(huán)流研究。E-mai l：1988l iang@gmai l.com

于非，研究員，博士，主要從事近海環(huán)流研究和大洋環(huán)流研究。E-mai l：yuf@qdio.ac.cn