（物理海洋学专业论文）渤、黄、东海海表面温度年际变化研究.pdf

摘要 摘要 本文利用美国国家气候数据中心( n c d c ) 提供的n o a a 极轨卫星中的高级甚 高分辨率辐射计( a v h r r ) 反演的海表面温度资料，结合最新的s i m p l eo c e a nd a t a a s s i m il a t i o n ( s o d a ) 2 0 4 海表面风应力场，以2 月份和8 月份作为代表冬、夏 两季的典型月份，采用e o f 方法分析了海表面温度场和风应力场的年际变化信 号，并通过s v d 方法找出了两者之间年际变化信号之间的相互作用关系，得到如 下结果： ( 1 ) 渤、黄、东海海域海表面温度存在明显的年际变化信号，冬季存在5 年的显著变化周期，夏季存在4 年的显著变化周期。冬季s s t 变化趋势在空间上 具有很好的一致性，沿岸水系控制和影响较大的区域s s t 变率最大，而黑潮暖流 水系控制和影响的海域s s t 变率小；夏季s s t 变化趋势整体上仍然趋于一致，变 率最大区域出现在济州岛西侧。e o f 分析结果表明，在年际变化尺度上黑潮对中 国近海s s t 变化的影响并不占据主导地位。 ( 2 ) 渤、黄、东海海域冬季经向风应力存在5 年的典型年际变化周期，夏 季纬向风应力存在4 年的典型年际变化周期。将冬、夏两季研究海区s s t 第一模 态时间系数分别与经向以及纬向风应力第一模态时间系数做相关分析，相关系数 分别为0 3 9 3 和0 3 5 8 ，相关性比较好，可见渤、黄、东海s s t 年际变化受局地 海气相互作用影响比较明显。本文还着重探讨了海表面温度年际变化与风应力场 年际变化之间的相关关系，研究发现冬季当黑潮以东经向风应力场增强时，在渤 海以及黄海大部分海表面温度呈下降趋势；夏季当台湾海峡和西北太平洋纬度向 风应力场增强时，从海州湾至济州岛区域表面温度呈上升趋势。 关键词：渤海；黄海；东海；海表面温度；风应力场；年际变化 a b s t r a c t s t u d yo nt h ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o n so fs s t i nt h eb o h a i ， y e l l o wa n de a s tc h i n as e a s a b s t r a c t b a s e do na v h r rs s td a t ao f f e r e db yn c d ca n dt h el a t e s ts o d a 2 0 4s e a s u r f a c ew i n ds t r e s sf i e l d ，t a k i n gf e b r u a r ya n da u g u s ta st y p i c a lm o n t h so fw i n t e ra n d s u m m e rs e p a r a t e l y ，t h ei n t e r - a n n u a lv a r i a t i o n so fs s ta n dw i n ds t r e s sf i e l d sa r e a n a l y z e db yt h ee o f m e t h o di nt h eb o h a i ，y e l l o wa n de a s tc h i n as e a s m e a n w h i l e ， t h e i rr e l a t i o n s h i p sa r ea l s oe x p l o r e db yu s i n gs d vm e t h o d t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h es s to ft h eb o h a i ，y e l l o wa n de a s tc h i n as e a ss h o w so b v i o u si n t e r - a n n u a l v a r i a t i o ns i g n a l s t h ep e r i o di s5y e a r si nw i n t e ra n d4y e a r si ns u m m e r i nw i n t e r ，t h e s s tv a r i a t i o nt r e n di si d e n t i c a li ns p a c e t h er a t eo ft h es s tv a r i a t i o ni st h el a r g e s ti n t h ea r e a so c c u p i e da n dd o m i n a t e db yt h ea l o n g s h o r ew a t e ra n dm u c hs m a l l e ri nt h e a r e a so c c u p i e da n dd o m i n a t e db yt h ek u r o s h i oa n dt h ew a r mc u r r e n t s i ns u m m e r ，t h e ss tv a r i a t i o ni ss t i l li d e n t i c a li ns p a c e t h eh i g h l yv a r i a t i o nr a t ea p p e a r si nt h e n o r t h w e s to fj i z h o ui s l a n d t h ce o fr e s u l t ss h o wt h a tk u r o s h i oi sn o tad o m i n a n t f a c t o ri nt h es s ti n t e r a n n u a lv a r i a t i o ni nt h ee a s tc h i n as e a 2 t h em e r i d i o n a lw i n ds t r e s so ft h eb o h a i ，y e l l o wa n de a s tc h i n as e a sh a sa i n t e r a n n u a lv a r i a t i o np e r i o do f5y e a r si nw i n t e ra n dt h ez o n a lw i n ds t r e s sh a so n eo f 4y e a r si ns u m m e r t h ef i r s tp c so fw i n t e ra n ds u m m e rss th a v ep r e t t yg o o d c o r r e l a t i o nw i t ht h em e r i d i o n a la n dz o n a lw i n ds t r e s sw i t ht h ec o e 伍c i e n t so f0 3 9 3 a n do 3 5 8r e p r e s e n t a t i v e l y ，w h i c hs h o w st h ei n t e r - a n n u a lv a r i a t i o no fs s ti sg r e a t l y i n f l u e n c e db yt h el o c a la i r - s e ai n t e r a c t i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ei n t e r - a n n u a l v a r i a t i o n so fss ta n dw i n ds t r e s sa r es t u d i e dp a r t i c u l a r l y t h es t u d i e dr e s u l t ss h o w s t h a tt h es s tt r e n d st od e c r e a s ei nt h eb o h a is e aa n dt h em o s tp a r to ft h ey e l l o ws e a w h e nt h em e r i d i o n a lw i n ds t r e n g t h e n si nt h ea r e ae a s to ft h ek u r o s h i oi nw i n t e ra n d a b s t r a c t t h ess tf r o mt h eh a i z h o ub a yt oj i z h o ui s l a n dt r e n d st oi n c r e a s ew h e nt h ez o n a l w i n ds t r e n g t h e n sn e a rt h et a i w a ns t r a i ta n dt h en o r t hp a c i f i ci ns u m m e r ， k e yw o r d s ：b o h a is e a ；y e l l o ws e a ；e a s tc h i n as e a ；s s t ；w i n ds t r e s s ；i n t e r a n n u a l v a r i a t i o n 原创性声明、学位论文使用授权声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声 明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：础 e tl l ：冲 莎月矽日 学位论文使用授权说明 本人完全了解国家海洋局第一海洋研究所关于收集、保存、使用 学位论文的规定，即： 按照本所要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 研究所有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务； 研究所可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 研究所同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名：多商陵铷躲寸啐 日期：川年月艿日1 1 第一章绪论 渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 第一章绪论 渤海、黄海、东海三海相连，自北向南呈一弧状分布，是太平洋西部的边缘 海，环绕在中国大陆之东，统称为中国近海。 渤海是一个深入中国大陆的浅海，属于我国的内海。渤海形似一个葫芦状， 南北长约4 8 0 k m ，东西最宽约3 0 0 k m ，面积7 7 万k m 2 。渤海由渤海湾、莱洲湾、辽 东湾、中央海盆地和渤海海峡5 部分组成。渤海水浅，平均水深仅有1 8 m ，封闭性 较强，其北、西、南三面被辽宁、河北、天津、山东省、市包围，仅东面有渤海 海峡与黄海沟通相连。因此，渤海的水文特征受大陆气候影响显著。 黄海全部为大陆架所占的浅海。因古黄河曾自江苏北部沿岸汇入黄海，海水 含沙量高，水色呈黄褐色，因而得名。它位于中国大陆与朝鲜半岛之间，西面和 北面与中国大陆相接，西北面经渤海海峡与渤海相通，东临朝鲜半岛，南以长江 口北岸的南江嘴与济州岛西南角连线同东海分开，山东半岛深入黄海之中，其顶 端成山角与朝鲜半岛长山串之间的连线，将黄海分为南、北两部分。黄海面积约 3 8 万k m 2 ，平均深度4 4 m ，最大深度位于济州岛北侧，为1 4 0 m 。黄海地处东亚季 风区，受季风影响，黄海冬季寒冷而干燥，夏季温暖潮湿。具有典型的季节变化 特征。 东海，也称东中国海。西部为宽广陆架、东有深海槽，兼有深浅海特征，海 底地形十分复杂。东海位于中国近海的中部，西接中国大陆，北以长江口北岸的 启东嘴与济州岛西南角连线和黄海相连。东北部以济州岛一五岛列岛一长崎半岛 南端连线为界，并经对马海峡及朝鲜海峡与日本海相通。东以九州岛、琉球群岛 和台湾诸岛连线与太平洋相隔。南以福建、广东省交界线经东山岛南端至台湾南 端猫鼻头连线与南海为界。面积约7 7 万k m 2 ，平均深度约为3 7 0 m ，最大水深2 7 1 9 m ， 硕士学位论文渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 位于台湾东北方的冲绳海槽中。流入东海的河流中以长江的径流量最大，为东海 沿岸低盐水的主要来源。东海海区纵跨副热带和温带。冬季主要受亚洲大陆高压 的控制，夏季主要受中国东南部低压和太平洋西北部高压的影响。冬、夏季节还 经常分别受寒潮和台风的影响。 渤、黄、东海作为我国近海的重要海区，为我国经济发展、社会进步以及人 民生活水平的提高做出了巨大贡献。但近几十年来，由于全球经济的快速发展， 人类活动对自然环境的影响加剧，温室气体的过量排放，导致全球气温呈上升趋 势，全球气候系统平衡出现危机；生活污水、工业废水和养殖污染水向海洋的过 度排放以及沿海渔业捕捞活动的无节制展开，导致海洋生态环境遭到严重破坏， 严重影响了我国经济和社会的可持续发展，是亟需解决的重要课题。海表温度 ( s s t ) 场，是海洋环境的重要因子，是上层海洋热力状态的重要标志，是海一 气耦合系统中的重要因子，也是气候变化的敏感指示器，它表征了海洋热力、动 力过程以及海气相互作用的综合结果。对于渤、黄、东海海域水文特征的研究历 年来都是海洋学家关心的重点，其海洋状况直接影响着我国海洋生态环境的变 化。因此，对海表面温度场年际变化进行特征分析及机制探讨，将有利于解决和 预防近海海洋出现的各种环境问题，对我国海洋资源的开发利用也将起到基础而 又关键的作用。 1 1 国内外研究现状 海表温度( s s t ) 场作为海表热特征之一，是太阳辐射、海气相互作用过程和 海洋内部动力、热力过程共同作用的结果。它不仅是研究海面水气和热量交换的 一个重要物理参数，也为海洋环流、水团、海洋锋、上升流和海水混合等海洋学 课题的研究提供一种直观的指示量。所以一直受到海洋和大气科学家的普遍关 注。早在2 0 世纪6 0 年代初，我国海洋学者就已对渤海、黄海、东海近海( 1 2 4 。e 以西) 海温空间分布和变化进行了较为详细的分析研究( 毛汉礼1 9 6 4 ，任允武等 1 9 6 4 ) 。汤明义等( 1 9 5 9 ) 利用1 9 5 5 1 9 5 6 年的站点观测资料，分析讨论了渤、黄、 东海北部水温季节分布和变化特征。不过当时的资料无论是从空间还是时间都无 法满足深入细致研究海温变化的要求，随着海洋卫星遥感技术的发展，覆盖面广、 第一章绪论 长时间、连续的海洋观测成为现实，为海洋科学研究提供了大量、同步、高分辨 率的海表面温度资料，使人们有条件更为系统、深入细致地研究海表面温度的分 布、变化以及与之相关的物理海洋现象，如t s e n g 等( 2 0 0 0 ) 利用1 9 9 4 年1 0 月一1 9 9 6 年9 月两年的a v h r rm c s s t 资料揭示了东海北部海表面温度场的时间、空间变化特 征；鲍献文等( 2 0 0 2 ) 利用1 9 9 0 1 9 9 9 年n o a a 系列卫星的a v h r rp a t h f i n d e rs s t 资 料分析了渤海、黄海、东海海表面温度场的季节变化，指出s s t 分布以冬、夏季 月变化小，而春、秋季月变化大为特征。冬季，s s t 明显受海域( 水平) 流系结构的 影响，表现出多( 暖、冷) 水舌结构。夏季，s s t 贝u 显著地受地形、海角及海水混合 引起的低冷海水上升，表现出多冷中心( 或冷水带) 结构；于非等( 2 0 0 3 ) 利用 1 9 9 1 - 2 0 0 1 年的a v h r r 世界大洋环流实验( w o c e ) s s t 资料分析了东海海表面温度 的长期变化趋势，曾广恩等( 2 0 0 6 ) 利用1 9 9 8 - 2 0 0 4 年的t r 删t m i 卫星遥感海面 温度数据，分析了东、黄海s s t 的季节分布特征，初步探讨了s s t 季节变化的可能 机制，指出东亚季风的季节内振荡与s s t 季节内变化有密切关系。 海表温度( s s t ) 的变化主要受到动力作用和热力作用的共同影响，所谓的热 力作用就是指到达海表的净热通量，而动力作用是指由于海洋动力作用对于s s t 的冷却或者加热作用。在中国近海，热力作用对s s t 变化的影响主要体现在太阳 每年一次直射北回归线，使得s s t 变化存在年循环特征；对于渤、黄、东海海域 而言，黑潮和东亚季风是影响s s t 变化的两个主要动力因子，黑潮是太平洋一支 强大的西边界暖流，与墨西哥湾流齐名为世界瞩目的两支强边界流，具有流速 强、流量大、高温高盐等特点。黑潮海区作为太平洋海一气相互作用的活跃区，将 大量的热量从低纬区源源不断的输入到我国近海输送。冯琳等( 2 0 0 9 ) 通过对 h a d l s s t i 资料1 9 4 5 , - - , 2 0 0 6 年海表温度( s s t ) 的分析，指出黑潮水入侵对热量平流 输运的增加有利于东中国海s s t 长期升高，同样起到促进作用的还有海面风场所 控制的垂向卷夹过程。汤明义等( 1 9 9 4 ) 利用1 9 5 1 - 1 9 8 8 年期间站点观测的海温资 料探讨了东海黑潮区域表面海温年变化及其年际变化特征，其研究结果表明东海 黑潮沿途海温年变化趋势十分相似，其数值特征较相邻海域变化缓慢，年周期分 量占绝对优势，年际变化具有显著的3 年和6 7 年准周期变化，并指出这些准周期 与某些大尺度海一气现象密切相关。阎俊岳等( 1 9 9 7 ) 利用1 9 0 0 - 1 9 8 7 年( c o a d s ) s s t 3 硕士学位论文渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 资料，并结合观测资料，分析了东海海表面温度的近百年来的变化及其变化周期， 发现东海海温存在准2 a 、5 - 7 a 周期的振动，另外具有2 个月和4 个月的短周期。王 卫强等( 2 0 0 0 ) 通过对c o a d s 海洋气象资料的分析，得出南海表层水温年际变化的 若干大尺度特征，其研究结果表明：南海s s t 年际具有一定的准周期性，其显著 周期为2 4 - 3 0 个月；南海s s t 年际变化与年循环之间有着一种锁相关系，在年际时 间尺度上，南海s s t 和南方涛动指数有反相关系，与经向风海面热收支之间有同 位相关系。韩国学者p a r k 等( 2 0 0 0 ) 使用c o a d s1 9 5 1 1 9 9 6 年期间的资料探讨了 东亚边缘海表面温度( 臣o s s t a ) 的年际变化及其与e n s o 的关系，发现s s t a 在准6 年震荡上其变化落后于n i f i 0 3 4s s t a1 8 - 2 2 个月。于非等( 2 0 0 3 ) 利用1 9 9 1 - 2 0 0 1 年的a v h r r 世界大洋环流实验( w o c e ) s s t 资料分析了东海海表面温度的长期变化 趋势，其e o f 分析结果显示，东海海表面温度长期变化过程中，变异最大的区域在 东海北部，从长江口延伸至济州岛南部，并且指出黑潮水向陆架的入侵主要体现 在第二模态，东海海表温度存在4 1 个月的变化周期，并与e n s o 有一定的关系。吴 德星等基于1 9 9 0 - 1 9 9 9 年1 0 年的渤海s s t 资料，对比历史资料发现渤海1 9 9 0 - 1 9 9 9 年平均s s t 较1 9 5 9 - 1 9 8 2 年2 3 年平均s s t 有一定的升高，但空间结构没有根本性变 化，通过e o f 分析方法指出渤海s s t 第一模态的变化表现出整个海区s s t a 同步升温 ( 降温) 的特征，认为其与渤海气温异常变化相互依存，第二模态在空间上整个 海区s s t a 呈现出东西反相变化的特征，可能是e n s o 现象影响在渤海海温变化中的 直接表现。以上研究表面中国近海s s t 存在典型的年际变化信号，且与大尺度的 海气相互作用存在某种联系，且有研究发现与e n s o 现象存在着响应关系。 海洋占地球表面的三分之二，蕴含了巨大的热量，对于大气系统来说，海洋 是相当重要的热源和水汽源，它通过感热核潜热的输送对大气中各种尺度的环流 产生着强烈的影响，而海表面温度场作为海洋热力状态的重要标志，其变化尤其 是年际尺度的变化在气候变化中起着举足轻重的作用。b j e r k n e s s ( 1 9 6 9 ) 最早 将海洋和大气联系起来，指出e 1n i n o 与南方涛动( s o u t h e r no s c i l l a t i o n ) 是 相互联系的两种现象，首次提出了e n s o 的物理概念，并指出e n s o 是赤道太平洋大 尺度海气相互作用的结果，其理论指出如果在赤道东太平洋出现正( 负) s s t 异 常，意味着赤道s s t 东西方向梯度减小( 增加) ，因此导致赤道太平洋东西向大 4 第一章绪论 气压力梯度减弱( 增强) ，结果会使赤道上信风减弱( 增强) ，赤道东太平洋冷 水上翻也随之减弱( 增强) ，最终将加大赤道东太平洋原有的正( 负) s s t 异常。 这个假设无论对于海洋科学或是对于大气科学的发展都起到很重要的作用。2 0 世纪8 0 年代国际上实施了热带海洋与全球大气研究计划( t o g a ) ，获得了大量的 热带太平洋海温和海流观测资料，并发现许多新的事实，特别是发现了在热带太 平洋的增温始于西太平洋，而后向中、东太平洋传播。t o g a 试验计划的研究成果 表明：西太平洋暖池( w a r mp 0 0 1 ) 处于暖的状态是e n s o 事件发生的必不可少的 条件，只有西太平洋暖池热容量处于异常大的状态，随后才有可能发生e n s o 事件。 e n s o 作为中短期气候变化的最强信号，气候学家和海洋学家进行了长期深入的研 究，研究表明e n s o 对区域气候甚至全球气候异常有明显的影响。最近几年，我国 大气和海洋学者系统地研究了e n s o 循环及其对中国近海和大陆气候变化的影响， 主要是e n s o 循环与亚洲季风相互作用这一个气候系统的关键科学问题，并取得许 多具有创新的重要研究成果。关于e n s o 循环对东亚季风影响的研究方面，陈文和 g r a f ( 1 9 9 8 ) 以及陈文( 2 0 0 0 ) 等的研究表明了在e n s o 事件的成熟期我国东部沿海 冬季风偏弱，经常发生暖冬现象。倪允琪等( 1 9 9 5 ) 利用1 5 年( 1 9 8 0 1 9 9 4 ) 全球风 场月平均资料，对e ln i f i o 年和l an i f i a 年亚洲冬季风和夏季风环流进行了合成分 析，表明亚洲冬夏季风对e n s o 的冷暖相位存在不同的响应。陶诗言等( 1 9 9 8 ) 根据 n c e p n c a r1 9 8 0 - - 1 9 9 5 年的再分析资料，分析了1 9 8 0 年以来5 个e ln i f i o 年和l a n i f i a 年冬、春和夏季2 0 0 、5 0 0 和8 5 0h p a 合成高度场、风场、流函数场及温度 场。发现在冬季e ln i f i o ( l an i f i a ) 年亚洲上空的环流型不利( 有利) 于寒潮向南 爆发，导致亚洲冬季风和大洋洲夏季风弱( 强) 。关于亚洲季风在e n s o 循环中的作 用研究方面，李崇银( 1 9 9 8 ) 、李崇银和李桂龙( 1 9 9 8 ) 、李崇银和廖清海( 1 9 9 8 ) 系统地研究了东亚冬季风在e 1n i n o 事件发生过程的动力作用，指出寒潮能引起 赤道信风的减弱和赤道西风的加强，从而对e ln i n o 事件起到激发作用，并提出 e n s o 循环与东亚冬季风相互作用的过程。此外，不少研究发现黑潮的变化也与 e n s o 有关，李坤平等( 1 9 9 2 ) 对1 9 8 1 - 1 9 8 3 年黑潮弯曲和e n s o 事件进行分析后认为 热带风场的变化与黑潮弯曲有关；潘华盛( 1 9 9 7 ) 发现在e n s o 持续时期，黑潮海 5 硕士学位论文渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 区s s t 对应为冷水；刘永刚等( 1 9 9 8 ) 、y u a n 等( 1 9 9 9 ) 发现，1 9 9 7 年强e 1n i n o 事件 期间，台湾以东黑潮的强度与流量都明显减少且路径与往常不同。 1 2 研究目的及意义 e n s o 作为全球最强的年际变化信号，其发生发展对中国近海海洋环境的年 际变化势必产生影响，最近十几年随着研究的不断深入，表明中国近海海表面温 度变化同e n s o 循环之间有着千丝万缕的联系，研究中国近海海表面温度年际变 化对e n s o 事件的响应过程对于了解中国近海海洋环境的变化规律是非常有必要 的。 中国近海处于东亚季风区，作为海洋的主要驱动力之一的季风，它的变化对 渤、黄、东海海洋环境产生重要影响。关于东亚季风年际变化的研究已有很多， 但其年际变化特征与海表面温度场年际变化特征的关系方面的研究很少。渤、黄、 东海s s t 的年际变化是否通过局地风场与e n s o 事件产生响应等问题需要进行深 入的研究。因此，研究海表面温度变化与东亚季风变异信号的关系，对进一步揭 示渤、黄、东海海域环境变化机制以及海洋对大气的响应过程有着重要的作用。 黑潮作为驱动东中国海环流的主要动力，对渤、黄、东海海表面温度的年际变化 亦有重要影响。已有一些关于黑潮的年际变化方面的研究，但将其与中国近海海 洋年际变化特征相联系的研究工作也未多见。本文拟将渤、黄、东海海表面温度 作为一个整体场，通过中国近海长时间序列海表面温度和风场的分析，揭示其年 际变化特征，并进一步探讨其与东亚季风场和黑潮年际变化特征的关系。 本文章节安排如下：第一章为绪论，主要概述国内外关于海表面温度研究所 取得的一些重要进展，并对本文所使用的方法做简单的介绍：第二章主要以冬、 夏两季为代表分析了渤、黄、东海海表面温度分布特征，同时采用e o f 方法重 点分析了渤、黄、东海海表面温度年际变化特征；第三章从渤、黄、东海海表面 风应力场的年际变化信号入手，通过分析冬季经向风应力场和夏季纬向风应力场 的变化特征，找出其与海表面温度场年际变化的关系；第四章是对全文的总结。 对本文存在的问题和不足以及对下一步的工作展望做简要叙述。 6 第一章绪论 1 3 研究方法简介 本文采用的方法包括：经验正交函数分析( e o f ) ，奇异值分解( s v d ) ，功 率谱分析以及相关分析等。 ( 1 ) 经验正交函数分析方法 海洋水文气象要素是时间、空间变化极为显著的变量。对这些要素的分析和 预报，长期来都要把要素场当作单站要素值的集合，根据单站变化规律进行外推 预报，或采取单站多因子相关统计预报。但这些方法都以单站为基础，从主观经 验或人为模式出发，所得结果往往不够客观和定量。经验正交函数分析方法 ( e m p i r i c a l o r t h o g o n a lf u n c t i o n ，缩写为e o f ) ，又称自然正交函数分解或 者特征向量分析，是针对上述问题发展起来的一种分析矩阵数据中的结构特征， 提取主要数据特征量的一种方法( h b j o r n s s o na n ds a v e g e g a s ，1 9 9 7 ；魏风 英，1 9 9 9 ) 。它是根据大量实测数据在分析众多测站要素场的基础上，把要素场 分解为只依赖时间的函数和只依赖空间的函数的乘积之和，能较客观定量地反映 要素场的变化及各要素之间的统计协调关系。它的优点在于：1 ) 典型场由海洋 要素场序列本身的特征来确定，不需要事先人为地规定任何函数形式，因而能客 观地反映要素场的主要特征，物理意义较清楚。2 ) 不受空间站点、地理位置、 区域范围的限制，可直接由原观测点的要素值进行场分解，能较好地反映出场结 构的基本特征，适用于中、大尺度，尤其全球海洋和气象各要素的时间序列分析， 研究海气相互作用的基底函数。3 ) 收敛速度快，能浓缩资料的信息量，简化数 据处理过程，可作为资料同化、统计分析和预报的有效数学工具。因此，经验( 自 然) 正交函数分析在海洋水文气象学中的应用也日益广泛。如于非等利用 w o c e 2 0 版资料集提供的a v h r r 反演的1 9 9 1 年2 0 0 1 年海表面温度，采用e o f 方 法分析了东海表层海温的年际变化特征；曾广恩等( 2 0 0 6 ) 利用1 9 9 8 “2 0 0 4 年的 t r 心t m i 卫星遥感海面温度数据，采用e o f 方法分析了东、黄海海面温度的季 节内变化；吴德星等基于1 9 9 0 1 9 9 9 年逐周的( 1 8 1 8 ) k m 分辨率的海表面温 度资料，用e o f 分析法对渤海s s t 异常( s s t a ) 进行分析；王辉武( 2 0 0 8 ) 根据 7 硕士学位论文渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 3 4 。n 、3 6 。n 标准断面2 月份温、盐调查数据，利用e o f 分析法分析了黄海暖 流年际变化特征。 e o f 分解的基本原理和分解过程可以用下面的公式表述：设某一海洋要素场， 有n 个测点，进行了m 次观测，为了消除季节变化的影响，首先需要把原要素场 变换成距平场进行分析。将n 个测点m 次距平观测值排列成矩阵x x = x 1 2 x l l x 2 2x 2 j 黾2 x l n 2 x m l 艾1 n x 2 n x i n x 撇 所谓经验正交函数展开，就是把海洋要素场序列分解成正交的时间函数和正 交的空间函数乘积之和，写成 i = 1 ，2 ，m j _ 1 ，2 ，n 式中l h j 表示序号为h 的典型场在第j 个点的值，它只依赖于空间点的变化，不随 时间变化，称为空间函数；表示序号为h 的典型场在第i 个时刻的权重系数， 它只随时间而变化，称为时间函数( 或时间权重系数) 。因此上式表示不同时刻 观测到的海洋要素场，各由一系列典型场按不同的权重线性叠加而成，各个场之 间的差别在于各典型场系数的不同 ( 2 ) 奇异值分解( s v d ) 方法 奇异值分解( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，简写为s v d ) 方法是对气候要素 耦合场统计分析方法之一，主要是用来分解耦合场的时空场，从而提取他们时间 和空间的有用相关信息。p r o h a s k a ( 1 9 7 6 ) 最先将s v d 用于诊断美国月平均地面 气温与北太平洋海平面气压之间的关系，尽管在论文中并未引进奇异值分解一 词，但原理及计算方法是与s v d 相同的。1 9 8 2 年徐瑞珍、张先恭参考p r o h a s k a 的 8 k缸 t n吼 = 毪 第一章绪论 做法分析了5 0 0 h p a6 - 8 月平均高度与同期中国东部地区地面温度场的关系。但直 到近几年s v d 才受到足够的重视，被广泛应用到气候诊断研究和海洋科学研究中， 如( 江志红等，1 9 9 5 ；魏风英等，1 9 9 7 ；k e n n e t hs c a s e y ，2 0 0 2 ；刘琳，2 0 0 6 ； 曾广恩，2 0 0 6 ) ，并利用它得到了一些有价值的结果。奇异值方法用于分析两个 海洋和气象要素场序列之间的相关关系，能给出两个要素场中若干对时间上同步 的空间型之间相互配对的典型的空间分布和每个典型分布的权重系数序列。所谓 相互配对的典型空间分布是指每一对典型空间分布之间有尽可能大的协方差。由 于奇异值分解是以两个场之间的最大协方差为基础的展开，它在研究两个要素场 序列之间的关系时是一个有力的工具。s v d 分解的步骤如下： 设有两个变量场，这里不妨称一个场为左场，由p 个空间点构成，样本量为 n ，记为矩阵x 。另一个场称为右场，由q 个空间点构成，样本量为n ，记为y 。 x ，y 中的元素均已做过标准化处理。 ( a ) 对于左场x 和右场y ，它们的交叉协方差阵是c ”。利用s v d 方法得出下式 c 匆= u z v ，其中，u 和v 是相互正交的。u 和v 的列分别就是左右特征向 量，即u = ( u t ，u z ，u w ) 和v = ( v - ，v 2 ，”，v - ) 中，u i 和、r i 分别称为左特征向量 ( 左奇异向量) 和右特征向量( 右奇异向量) 。是非奇异值组成的对角阵： = d i a g ( 0i ，02 ，0k ) ， 这里，o 。0 ：0 。 1 0 ，0 。就是奇异值。每个奇异值和一对左 右特征向量相对应。 ( b ) 对时间方面的分析，可以通过计算原要素场x ，y 各自在左右特征向量上投 影，分别得到左场的展开系数( 时间系数) a 。( t ) 和右场的展开系数( 时 间系数) b 。( t ) ，即： ( 1 2 )y 木 9 ， ”v = 、l j ， t ，l k u ， v 木 ， u = 、1 ， t ，r a 硕士学位论文渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 ( c ) 空间方面分析，可以从三个方面分析。一是直接从左右特征向量的空间分 布来描述两个场随时间系数的分布：二是以异性相关图来描述两个场中那 些相关性强的空间特征；三是以同性相关图来描述两个场的耦合相关特 征。关于异性相关系数的算法有： r x , b k c o 2 嚣 r y , a k c o 2 畿， 关于同性相关系数的算法有： r i x , a k ( t ) = 豢 r 【y ，b ( 沪篇 c y z ( t ) 暑c y o ( t 3 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( d ) 为了衡量各模态对原要素场x ，y 的交叉协方差c 。，的贡献，定义第k 对奇异 向量方差贡献为： s k = 杂 前k 对奇异向量累积方差贡献为： p k = 氍 一一v m ( 1 7 ) ( 1 8 ) 方差贡献的意义在于，它反映前k 个模态对总体方差的解释率。如果前几个模态 方差贡献大，那么，只要根据前几个模态，就能够提取有用的信息，进行分析和 研究。 ( e ) 另外，利用每个模态的时间系数，还能求出两个场的总体相关系数。由总 体相关系数，可以知道每个模态中两个场之间的整体相关情况。 1 0 第一章绪论 ( 3 ) 普通相关系数 普通相关系数是为了度量两个变量之间的线性关联程度，常用的指标是普通 相关系数，即p e a r s o n 相关系数。任意两个变量x 和y ，样本( 时间长度) 为n ， 其标准差分别为o 。和o ，则它们之间的p e a r s o n 相关系数的计算公式是： 2 圭跺i ) 睁 另外一种计算公式是： r ：至是：逸二墅! 羔l 二1 2 蛔厍忑而丽 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) r 可以客观的度量两个因子之间的关联程度。iri 1 ，正相关表示两者之间 变化性质相同，负相关表示两个变量之间的变化性质相反。 ( 4 ) 相关系数的检验 相关系数是衡量两个变量之间关系密切程度的量。这个量的大小是否显著也 需要作统计检验。对于总体不相关( 即总体相关系数p - - 0 ) 的两个随机变量，由 于抽取的缘故，其样本相关系数r 不一定等于0 ，可能出现其他的数值，因而样 本相关系数也是一个随机变量。 为了检验相关系数有别于o 的置信度，可以用t 统计检验。即在原假设h 。： p - - 0 的条件下统计量 。r 用 t = 了萍 遵从自由度为n - 2 的t 分布。 硕士学位论文渤、黄、东海海表面温度年际变化研究 在气象统计预报中，选择因子往往要计算很多相关系数，逐个加上法计算很 麻烦。实际上，在样本容量固定的情况下，可以事先计算统一的判别标准相关系 数r 。，若计算的相关系数r r 。，则通过显著性的t 检验。 ( 5 ) 功率谱分析方法 功率谱分析是以傅里叶变化为基础的频域分析方法，其意义为将时间序列的 总能量分解到不同频率上，得到不同频率上的分量，根据不同频率的波的方差贡 献诊断出序列的主要周期，从而确定出周期的主要频率，即隐含的显著周期。 客观定量地检测时间序列中的显著周期，最常用的方法是功率谱。功率谱计 算常用的算法有两种。一是直接计算法；二是落后自相关计算法。 直接计算方法，就是利用谐波计算方法，计算不同阶数的谐波振幅，即c 主， 振幅大表示能量强，因此也称作功率谱。 落后自相关方法，就是对一个时间序列先求其不同落后时间不长的自相关或 者自协方差，然后对自相关或者自协方差函数进行谐波分析，以此来检验周期。 1 2 第二章渤、黄、东海海表面温度年际变化特征 第二章渤、黄、东海海表面温度年际变化特征 渤、黄、东海毗邻我国大陆，其水文状况的变化将直接影响到我国内陆气 候的变化，同时也会影响到海洋内环境因子的变化，导致海洋生态环境和海洋资 源产生变动，进而对作为我国经济支柱之一的海洋经济产生重要影响。海表面温 度作为海洋热力过程、动力过程以及海气相互作用的直观指示量，历来受到海洋 气象学家的重视，因此研究海表面温度的年际变化规律，找出其年际变化机制， 将为海洋环境保护、经济开发和持续发展提供重要的科学依据。早在2 0 世纪6 0 年代初至今，我国海洋学家对中国近海海表面温度变化做了大量的研究，取得了 一定的成果。进入2 0 世纪8 0 年代以来，随着科技进步，海洋卫星遥感技术日 益发达，提供了大量覆盖面广、长时间、连续的海洋观测，为海洋科学研究提供 了大量同步、高分辨率的s s t 资料，使人们有条件更为系统、深入细致地研究 s s t 的分布、变化以及与之相关的物理海洋现象。在s s t 变化方面亦取得了进一 步的成果。但是前人的研究主要集中在对s s t 季节变化的研究方面，在年际变化 方面研究较少，本文基于高分辨率的卫星海表面温度资料，在之前的研究基础上， 将2 月、8 月作为典型的代表月份，分别从冬夏两季对渤、黄、东海海表面温度 的年际变化做进一步研究。 2 1 资料介绍 海表面温度资料，主要利用美国国家气候数据中心( n c d c ) 提供的n o a a 极 轨卫星中的高级甚高分辨率辐射计( a v h r r ) 反演的海表面温度资料。时间从1 9 8 5 年1 月2 0 0 7 年1 2 月共计2 3 年，时间间隔1 d ，空间分辨率o 2 5 。x0 2 5 。 资料统计为月平均资料，空间范围为全球。按照需要，选取渤、黄、东海区域经 向范围为i 1 9 7 5 。e 一1 3 0 2 5 。e ，纬向范围为2 2 7 5 。n - 4 2 2 5 。n ，共4 0 5 6 个格 点的资料。 1 3 硕士学位论文漪、黄、东海海表面温度年际变化研究 22 渤、黄、东海海表面温度多年平均分布特征 本文对渤、黄、东海海表面温度数据做每个月的多年月平均，选取2 月份、8 月份分别代表渤、黄、东海冬季、夏季的海表面温度，然后作海表面温度的空间 分布图。 1 1 扩1 2 伊 1 2 2 1 2 4 。 1 2 6 1 2 酽1 3 旷e 田2i2 月份韵、黄、幕海海域多年平均海表面温度的空间分布 图z 1 为2 月份渤、黄、东海海域多年平均海表面温度空间分布图。总体上看， 海域从北至南，温度依次由低至高，其值最低为o ，最高为2 4 c 。由于太阳总辐 射量纬向变化在冬季最大，冬季海域南北温差在一年中最大，可达2 4 。冬季渤 海表层温度变化不大，介于0 4 之间，等温线呈舌状分布，一条高温水舌由 北黄海向西经渤海海峡深入渤海，水舌前锋达渤海中部，传统上认为，该舌轴就 是通常所谓的黄海暖流余脉所在的位置。整个渤海最低温度出现在辽东湾项，为 第二章渤、黄、东海海表面温度年际变化特征 o c 左右；最高温度出现在渤海海峡东侧的老铁山水道，为4 。c 左右。在渤海，由 于水浅热容量低，表层海水受冷空气的影响而迅速冷却，对流混合使整个海区上 下水层温度呈均一状态，表、底层水温分布基本一致。黄海冬季表层温度介于o 1 2 c 之间，南北海域差异较大，最低温度出现在辽南近岸海域，约为1 ；最高 水温为1 2 c ，出现在黄、东海交汇点，东岸水温高于同纬度西岸的水温。黄海温 度分布最大特点是其等温线在海域中部明显出现向北弯曲，一支高温水舌自济州 岛以西，沿黄海中央由南向北伸展至渤海海峡附近。暖水舌中央水温明显高于两 侧，温度由南向北逐步递减。这一暖水舌在黄海南部的锐度最大，并在3 4 。 - - 3 5 。n 出现一个指向西北的分支。显然，黄海水温的这一分布特点是受黄海暖流影 响所导致的，换言之，2 月份黄海暖流对黄海，甚至渤海域海表温度的分布影响 十分明显。此外，从图2 1 还可看到冬季，黄海东、西近岸区域等温线均呈现向 南弯曲的趋势，其原因一方面来自大陆的影响，更重要的是冬季黄海东、西两沿 岸均存在南向的沿岸流。在黄海西侧成山头外海，有一低温水舌，冬季沿山东半岛 南下；同时在黄海西南部，即苏北外海也有一低温水舌，直指向长江口外海，表 明黄海西侧沿岸水向东海扩展的趋势。冬季东海s s t 的等温线分布密集，在东海 北部冷、暖水舌清晰，地区差异悬殊。整个东海等温线明显呈东北一西南走向， 这一现象表明东海冬季海表温度主要受黑潮和台湾暖流的影响。黑潮及暖流流经 海域，其水温明显高于临近海域。在东海东侧的东海黑潮区，水温高达2 1 - 2 4 ，为东海水温最高海域。在东海北部九州以西海域，表层温度的等值线向北弯 曲，形成北向的暖水舌。在3 2 。n ，1 2 8 。e 附近海域，水舌分成两支，一支伸向对 马海峡，另一支则在济州岛西北伸入南黄海。东海西部的浙江、福建沿岸，水温 1 1 1 4 为东海水温最低的低温带，这是由于东海沿岸流贴岸南流的缘故。其外 侧，台湾暖流北上，水温增至1 5 - 一2 0 c