【研究意义】渤海和黄海位于我国海岸线北端, 具备独特的自然环境, 是我国开发利用最早的海区之一, 其渔业、港口、石油、旅游等海洋资源极为丰富。优越的自然环境条件, 为沿海地区的经济发展注入了无限生机。海洋环境的变化通过海上运输、海水养殖、海岸工程、海滨旅游等多方面影响社会经济的发展; 并通过对水文、生物、地球化学等多方面的改变, 影响生态环境的可持续性发展, 因此研究渤黄海海洋环境具有十分重要的意义^[1-3]。【前人研究进展】海水温度作为海洋环境变化最基础、最重要的因子之一, 其变化会直接影响海洋动力环境、海洋生态环境, 甚至导致区域气候异常。政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2013年公布的第五次评估报告中指出:“全球尺度上, 海洋表层温度升幅最大。1971—2010年间, 气候系统积累能量的90%以上储存在海洋中, 海洋上层75 m以上深度的海水温度升幅为每10年0.09~0.13℃。”张松等^[4]采用EOF方法分析卫星反演的渤黄东海海表面温度(SST)资料, 发现SST存在冬季5年、夏季4年的显著变化周期, 受局地海气相互作用影响比较明显。胡桂坤等^[5-10]分析了渤黄海历年海温及相关要素不同季节的实测资料发现, 夏季, 渤海温跃层强度变化较小, 基本维持在一个较低水平, 而黄海由于冷水团的存在, 温跃层强度较大。黄海冷水团是位于黄海中部洼地的深层和底部的低温高盐季节性水团, 黄海冷水团于春季形成、发展, 夏季成熟, 秋季衰退, 冬季消失。黄海冷水团在夏季几乎控制着整个黄海辽阔的海域, 对生物群落的分布, 渔业资源的获取有着重要的影响。冬季, 黄海断面表底层温度的年际变化则受到局地气温、西北季风强度、黄海暖流、太平洋年代际震荡(PDO)指数位相和ENSO事件的共同影响^[11-13]。【本研究切入点】然而, 上述研究所使用的数据多基于卫星遥感资料和再分析数据, 这类数据在大陆近海具有较大的不确定性。海洋站资料作为第一手观测资料, 更适于近海的海温分析。此外, 目前鲜有文献揭示气候变化背景下, 渤黄海海温与全球海温变化的关系。【拟解决的关键问题】本研究基于31年(1985—2015年)多个渤黄海海洋站的SST资料, 分析渤黄海海温的年代际特征, 包括时空分布特征, 并分析气候变化背景下渤黄海海温与全球海温的长期变化趋势。

国家海洋局北海分局在渤黄海沿岸建有海洋观测站, 对海洋环境要素进行长期、定点、连续观测。目前北海区共有5个中心站, 分管38个海洋观测站(含共建站), 部分海洋站具有50年以上的连续观测资料。本研究选取站点原则为具有长期观测资料并在地理位置上具有一定的代表性, 故分别选取渤海的葫芦岛站和龙口站, 黄海北部靠近渤海海峡的老虎滩站, 以及黄海中部的小麦岛和千里岩站, 其中千里岩站是海岛站, 其他各站为沿岸站, 具体位置分布见图 1。

图 1 (Fig. 1)

图 1 海洋站名称及地理位置 Fig.1 Names and location of ocean stations

本研究采用的渤黄海观测数据为1985—2015年渤黄海海洋站月平均海表面温度(Sea surface temperature, SST)资料。

全球海表面温度数据为英国气象局Hadley气候变化中心HadISST1再分析资料。该数据的空间分辨率为1°×1°; 时间分辨率为1个月; 选取的时间为1985—2015年, 空间区域为60°N~60°S、0~360°E, 暂不考虑南北极高纬度海冰覆盖区域的冰温变化。

海洋环境数据质量控制是指通过一定方法、模型和参数, 对海洋观、监测数据质量的可靠性与准确性进行判断并标识的过程, 是进行数据质量评估的基础。观测数据质量控制的核心是通过分析数据的特征, 选择适当的质量控制方法, 以提高可疑数据的检出率。

本研究根据海温数据的特性, 全面考虑温度资料的各种误差, 选用非法码检验、全等性检验、极值检验、一致性检验、海洋环境气候态特性检验、统计特性检验、人机交互图形绘制检验等方法, 建立北海区海温观测数据质量控制的方法体系。对1985—2015年海洋站SST数据进行系统地质量控制, 剔除可疑数据后, 获得较为可靠的海温数据(图表略)。

由于各站建站时间和所处位置不同, 为验证海温观测的全面性和相关性, 分别对各海洋站的海温资料进行时间跨度统计和空间相关性统计。

葫芦岛、老虎滩和小麦岛海洋站海温资料自1985年1月至2015年12月, 其中葫芦岛站在2003年以前由于冬季海水结冰无1—3月数据, 老虎滩站2000—2001年部分月份资料缺失; 龙口、千里岩海洋站海温资料分别自1986年3月和1990年1月起进行观测。

对各站海温求同期相关系数, 从表 1的结果来看, 各站之间海温相关性较好, 均超过99%显著性检验。其中, 小麦岛与老虎滩的海温相关性较高, 主要由于二者所处地理环境比较相似, 均位于黄海沿岸, 周边水域比较开阔; 葫芦岛与千里岩的海温相关性最低, 主要原因是二者分属渤海和黄海, 前者是沿岸站, 后者是海岛站, 海陆环境差别较大。

表 1(Table 1)

表 1 各海洋站海温相关系数表 Table 1 The correlation coefficient between ocean stations 海洋站 Ocean stations 相关系数 Correlation coefficient 葫芦岛 Huludao 龙口 Longkou 老虎滩 Laohutan 小麦岛 Xiaomaidao 千里岩 Qianliyan 葫芦岛 Huludao 1 龙口 Longkou 0.76 1 老虎滩 Laohutan 0.77 0.79 1 小麦岛 Xiaomaidao 0.74 0.82 0.85 1 千里岩 Qianliyan 0.63 0.75 0.72 0.74 1
	表 1 各海洋站海温相关系数表 Table 1 The correlation coefficient between ocean stations

从单站逐月变化来看(图 2), 葫芦岛和龙口海温1月最低, 8月最高, 年较差分别为26.8℃和26.6℃; 老虎滩海温2月最低, 8月最高, 年较差为19.8℃; 小麦岛和千里岩海温2月最低, 8月最高, 年较差分别为20.7℃和21.2℃。

图 2 (Fig. 2)

图 2 海洋站海温逐月变化 Fig.2 Monthly variations of SST in ocean stations

对比各海洋站, 渤海的葫芦岛和龙口站海温均在1月达到全年最低, 而黄海各站均在2月达到全年最低; 渤海各站点的海温年较差最大, 其次是黄海中部, 黄海北部最小; 从升降趋势来看, 渤海各站点海温4—6月升幅最大, 10—12月降幅最大, 而黄海各站升温明显的时段较渤海推迟一个月, 降温明显的时段较渤海延长一个月。上述特征说明渤海作为中国内海, 沿岸海温受陆地影响显著, 变化幅度大, 且对气温响应更快; 而黄海作为太平洋的边缘海, 与外海水体交换通畅, 水温变化幅度相对较小, 且水温变化与渤海相比具有一定的滞后性。

从海温的年际变化来看, 各站均有比较明显的年际变化特征(图 3)。渤海的葫芦岛站由于冬季结冰, 2003年之前无法计算年均值, 2004年以后, 大致呈“V”字型分布, 最高温出现在2007年和2014年, 均为12.4℃, 最低温出现在2010年, 为11.1℃, 平均温度为12.0℃。渤海的龙口站平均海温为13.9℃, 标准差为0.42, 最高温14.6℃(2015年), 最低温13.2℃(1992年)。黄海北部的老虎滩站平均海温为11.7℃, 标准差为0.57, 最高温12.6℃(2007年), 最低温10.4℃(1986年)。黄海中部的小麦岛站平均海温为14.2℃, 标准差为0.55, 最高温15.2℃(2007年), 最低温13.1℃(1986年)。千里岩站平均海温为14.8℃, 标准差为0.49, 最高温为15.7℃(1999年), 最低温为13.5℃(2011年)。

图 3 (Fig. 3)

图 3 各海洋站海温年际变化 Fig.3 Annual variations of SST in ocean stations

年平均海温从高到低依次为千里岩、小麦岛、龙口、葫芦岛和老虎滩, 海温高低主要与海洋站所处的纬度有关, 最高的千里岩和最低的老虎滩平均温度差为3.1 ℃。

利用小波分析的方法, 研究各站海温变化的主要周期分布特征(老虎滩由于2000—2001年部分数据缺失, 未对其进行小波分析)。

图 4为各站年平均海温的小波分析结果。葫芦岛站在20世纪90年代有明显的3~4年变化周期, 2000年以后, 8年周期比较显著; 龙口站与葫芦岛站类似, 2000年之前4年周期比较明显, 2000年之后8年周期显著; 千里岩站在2000年之后8年周期显著, 同时存在一个3年周期; 小麦岛站在2000年前4~5年周期显著, 之后8年周期显著, 同时在2000—2005年间存在一个2年周期。

图 4 (Fig. 4)

(a)葫芦岛Huludao; (b)龙口Longkou; (c)千里岩Qianliyan; (d)小麦岛Xiaomaidao 图 4 各站年平均海温小波分析功率谱图 Fig.4 The wavelet power spectram of SST in the ocean stations

图 5为1985—2015年渤黄海海温变化趋势, 图 6为同期全球海温变化趋势(暂不考虑南北极结冰海域的冰温变化)。

图 5 (Fig. 5)

图 5 渤黄海海温变化趋势 Fig.5 Tendency of SST variation in the Bohai and Yellow Seas

图 6 (Fig. 6)

图 6 全球海温变化趋势 Fig.6 Tendency of global SST

由图 5可知, 渤黄海海温整体呈上升趋势, 升温速率在0.01℃/yr左右。黄海中南部升温速率较大, 东部靠近朝鲜半岛海温略有下降。

从图 6可以看出, 全球海温升降不一:北大西洋海温上升最为明显, 平均升幅约为0.2℃/10 yr, 南大西洋南部海温有下降趋势; 中高纬度的太平洋基本呈现上升趋势, 尤其是中西部, 上升趋势比较明显, 赤道东太平洋也呈上升趋势, 而太平洋中东部赤道以北和以南的低纬度海域海温呈下降趋势; 印度洋海温呈现上升趋势, 且上升速率比较一致; 50°S以南的南大洋, 海温总体呈下降趋势。

从全球海温变化来看, 北半球中纬度洋面总体升温较快。而同纬度的渤海海温虽与其他海域变化趋势一致, 但受海陆分布水体交换不畅的影响, 海温上升速率较低, 黄海南部开阔水域靠近黑潮区的海温上升则比较明显。

本研究利用渤黄海的海洋站观测资料和全球海温再分析资料, 对渤黄海海温时空分布特征及其与全球海温的变化关系进行分析研究。结果表明:(1)渤海作为中国内海, 沿岸海温受陆地影响显著, 变化幅度大, 且对气温响应更快; 而黄海作为太平洋的边缘海, 与外海水体交换通畅, 水温变化幅度相对较小, 且水温变化与渤海相比具有一定的滞后性。(2)年平均海温高低主要与海洋站所处的纬度有关, 最高的千里岩和最低的老虎滩温差为3.1℃。(3)各站周期特征不尽相同, 但在2000以后各站均有较为明显的8年周期。(4)渤黄海海温与全球大部分海域一样, 近30年呈现上升趋势, 但上升速率与同纬度太平洋和大西洋相比较低。

本研究主要分析了渤黄海海温自身的变化规律及其与全球海温变化的关系, 并未对渤黄海海温的影响因子和机制进行讨论, 我们将对此进行更加深入的研究。