（物理海洋学专业论文）渤海盐度变化特征及其成因分析.pdf

渤海盐度的变化特缸及其成冈分析 渤海盐度的变化特征及其成因分析 摘要 渤海和黄海是我国北方的陆架浅海，有其独特的自然环境和动力学特征。到 目前为止，人们对渤海盐度持续升高的影响因素已做了初步分析，但对渤海盐度 持续升高的过程，特别是对渤海盐度年际尺度变化的成因及与此关联的渤海环流 的变异过程的研究尚未充分展开。而上述问题是研究认识渤海环境变化最基础的 方面。基于上述考虑，本文拟就渤海盐度年际变化成因及相应的环流变化开展研 究。 本文在收集了众多历史观测数据的基础上，分析渤、黄海温度和盐度及相关 气象要素年际变化的特征。研究揭示渤、黄海盐度和温度近年来有明显的升高趋 势。这种趋势不止在渤海和北黄海存在，在东海的p n 断面上也可以发现。同时 发现渤、黄海盐度不仅存在长期升高的特征，并且有明显的年际变化，这种年际 变化在渤海幅度最大。蒸发降水导致的局地净淡水通量的变化与盐度的年际变化 非常一致，蒸发、降水年际变化可能是引起渤海盐度年际变化得主要因素。而在 东海蒸发降水并不存在和渤黄海一致的年际变化，同时由于东海与黑潮水等外海 水的交换较强，局地的蒸发降水对盐度的影响也较小，因此盐度也不存在和渤、 黄海一致的年际变化。 其次，着重分析了与盐度年际变化密切相关的东中国海的降水场。通过e o f 方法分析了东中国海的降水场的雨型分布结构。由于季风经向分量的大小及北推 的范围影响到我国北方降水量的变化，于是通过s v d 和相关分析等方法研究了降 水和全球风场经向分量的相关关系。还用同样的方法分析了降水与全球海表温度 异常之问的关系。上述分析表明我国渤、黄海海区确实存在比较显著的降水年际 变化。 渤海盐度的变化主要取决于淡水通量( 河流径流量、降雨量、蒸发量) 和北 黄海入侵水及渤黄海水交换的变化，基于美国普林斯顿海洋模型( p o m ) 对各个 分量的贡献进行诊断分析。首先，综合考虑各个因素，通过数值模拟成功地再现 了2 0 世纪8 0 年代高盐事件的形成。结果分析显示：在盐度升高，密度增大的情 况下，对渤海夏季环流的流速影响较大，但是对环流结构影响不大；而密度的增 渤海盐度的变化特征技j ；成体 分析 大对冬季环流结构影响不大。其次，进行了三个数值实验：一是只考虑黄河径流 的影响，二是只考虑蒸发降水的影响，三是只考虑渤黄海水交换的影响。结果显 示：对于盐度的年际变化，局地蒸发降水对盐度的年际变化贡献比较大，外海水 交换也有一定的贡献，但是黄河径流量变化对赫度的年际变化没有贡献。 本文工作的创新点在于：通过对资料的全面分析，提出了盐度和温度的长期 升高趋势不止存在于渤海和北黄海范围，也出现在东海的p n 断面上，而盐度的 大幅年际振荡只存在于渤海和黄海范围；成功的再现了渤海2 0 世纪8 0 年代高盐 的形成过程，并初步确定了黄河径流量、局地淡水通量( 蒸发、降水) 和与黄海 水交换三个因素对渤海赫度年际变化的贡献；初步分析了盐度升高对环流结构造 成的影响。 关键词：盐度：年际变化：蒸发；降水：环流结构 渤海盐度的变化特征及】成冈分析 t h ev a ria tio rc h a r a c t e r sa n df o r m a tio nm e c h a nis mo f s a i i n i t y i 1 3t h eb o h a is e a a b s t r a c t 1 1 b o h a is e aa n dt h ey e l l o ws e aa l et h es e m i - e n c l o s e ds h a l l o ws e a s w i t ht h e u n i q u ee n v i r o n m e n t a la n dd y n a m i cc h a r a c t e r s s of a r , t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h e i n c r e a s eo fs a l i n i t yi nt h eb o h a is e ah a sb e e na n a l y z e dp r e l i m i n a r i l y , b u tt h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fv a r i a t i o n , e s p e c i a l l yt h ec a u s eo fi n t e r a n n u a lv a r i a t i o na n d t h er e l a t i v ec h a n g eo fc i r c u l a t i o ni nt h eb o h a is e a , h a v en o tb e e ns t u d i e d a l lt h e s e q u e s t i o n sa r et h em o s tf u n d a m e n t a la s p e c t st os t u d yt h ee n v i r o n m e n t a lv a r i a t i o ni nt h e b o h a is e a a sm e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h a r a c t e r sa n df o r m a t i o n m e c h a n i s mo f v a r i a t i o no f s a l i n i t ya n dr e l a t e dc i r c u l a t i o n f i r s t , b a s e do nt h eh i s t o r i c a l l yo b s e r v e dd a t a , t h et e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t ya sw e l l a sr e l a t e dc l i m a t o l o g ye l e m e n t so f t h e b o h a is e aa n dt h ey e l l o ws e aa r ea n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yh a v ei n c r e a s e dc o n s i d e r a b l y , a n dt h e p h e n o m e n an o to n l ye x i s ti nt h eb o h a ls e aa n dt h ey e l l o ws e a , b u ta l s oa p p e a ro np n s e c t i o ni nt h ee a s tc h i n as e a i nf a c t , t h es a l i n i t yi nt h eb o h a ia n dy e l l o ws e a sn o t o n l y h a sl o n g - t e r mv a r i a t i o n , b u ta l s oh a sr e m a r k a b l ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o n t h e i n t e r a n n u a lv a r i a t i o no fe v a p o r a t i o na n dp r e c i p i t a t i o ni sc o n s i s t e n tw i t l lt h ev a r i a t i o n o f s a l i n i t y , t h ei n t e r a n n u a lv a r i a t i o no f s a l i n i t yi sp r o b a b l yi n d u c e db ye v a p o r a t i o na n d p r e c i p i t a t i o n b u tt h es a l i n i t y i nt h ee a s tc h i n as e ad o s en o th a v et h es a m e i n t e r a n n u a lv a r i a t i o nb e c a u s et h ew a t e re x c h a n g ew i t ht h ek u r o s h i oi sh u g ea n dt h e v a p o rf l u xh a sl i t t l ei n f l u e n c eo ni t t h ee f f e c to fp r e c i p i t a t i o no ft h eb o h a is e aa n dt h ey e l l o ws e ao nt h es a l i n i t yi s a n a l y z e d w en s et h ew a yo fe o fa n a l y s e st os t u d yt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fi ta n d u s et h ew a yo fs v da n a l y s e st os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a l i n i t ya n d t e m p e r a t u r ei ng l o b a ls e as u r f a c ea n o m a l ya n da sw e l la st h ew i n d c o n s e q u e n t l y , t h e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f i n t e r a n n u a lv a r i a t i o no f s a l i n i t yi se x p l a i n e df u r t h e r a sw ea l lk n o w , t h el o n g t e r mv a r i a t i o no f s a l i n i t yi nt h eb o h a is e a i si n f l u e n c e d b yy e l l o wr i v e rf l u x e v a p o r a t i o n , p r e c i p i t a t i o na n dw a t e re x c h a n g e 、析t ht h en o r t h 渤海馥度的蹙化特征及j e 成州分析 y e l l o ws e a s ow eu s et h ep r i n c e t o no c e a nm o d e lt od i a g n o s ea n da n a l y z e d c o n t r i b u t i o no fe a c hf a c t o rt ot h ev a r i a t i o no fs a l i n i t y f i r s t ，w h e na l lt h ef a c t o r sa l e c o n s i d e r e d ，t h ef o r m a t i o no fs a l i n i t yi r a1 9 8 0 s i ss i m u l a t e ds u c c e s s f u l l y t h er e s u l t s h o w s ：w h e nt h es a l i n i t yi n c r e a s e s ，t h ed e n s i t yo fs e aw a t e rw i l li n c r e a s ea c c o r d i n g l y , a n dt h ec i r c u l a t i o nv e l o c i t yi ns u m m e r t i m ew i l li n c r e a s ew h i l et h es t r u c t u r ed o s cn o t c h a n g b u tt h ei n c r e a s i n go fs a l i n i t yd o e sn o t i n f l u e n c em u c ho nc i r c u l a t i o ni n w i n t e r t i m e t h e n ，t h r e en u m e r i c a le x p e r i m e n t sa r cd e s i g n e d ，i nt h ef i r s to n eo n l yt h e y e l l o wr i v e rf l u xi sc o n s i d e r e d ，i nt h es e c o n do n eo n l yt h ev a p o rf l u xi sc o n s i d e r e d ， a n di nt h el a s to n eo n l yt h ew a t e re x c h a n g ew i t l lt h ey e l l o ws e ai sc o n s i d e r e d t h e r e s u l t ss h o w ：t h ev a p o rf l u xc o n t r i b u t e sm o s tt oi n t e r a n n u a lv a r i a t i o no fs a l i n i t y , a n d t h ew a t e re x c h a n g ew i t ht h ey e l l o ws e ah a ss o m ei n f l u e n c eo ni tt o o ，b u tt h ey e l l o w r i v e rd o e sl i t t l et oi t t os u mu pt h ea b o v ew o r k s ，t h e r ea r es o m ei n n o v a t i v ep o i n t si nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd a t a , p r o p o s et h a tt h el o n g - t e r mi n c r e a s eo fs a l i n i t ya n d t e m p e r a t u r en o to n l ye x i s ti nt h ec o a s t a ls e ab u ta l s oo nt h ep ns e c t i o nf o rt h ef i r s t t i m e s e c o n d l y , s u c c e s s f u l l ys i m u l a t et h ef o r m a t i o no f t h es a l i n i t yo f t h eb o h a is e a i n 1 9 8 0 s 。t a k et h ey e l l o wr i v e rf l u x ，v a p o rf l u x ，a n dw a t e re x c h a n g ew i t ht h ey e l l o w s e at o g e t h e ri n t oc o n s i d e r a t i o n , t oa n a l y z ec o n t r i b u t i o no fe a c hf a c t o rt ot h e i n t e r a n n u a lv a r i a t i o no fs a l i n i t y l a s t l y , p r e l i m i n a r i l yd i s c u s st h ec h a n g eo fc i r c u l a t i o n i nt h eb o h a is e aw h e nt h es a l i n i t yi n c r e a s s e k e y w o r d ：s a ii n i t y ：i n t o r a n n u a iv a r i a t i o n ：e v a p o r a t i o r ；p r e c i p i t a t i o n ： c ir c u i a t i o n 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含未获得注! 翅退直甚丝盖墨挂剔直明 鲍! 奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徐i 占 签字日期沙。 年月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徐) 1 ， 签字日期：矽7 年易月f 伯 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 铆签字夕、忙耳 签字日期：孔珂滓易月j 咱 电话： 邮编 渤海盐度的变化特征及j 成冈分析 0 引言 0 1 渤、黄海背景知识及研究渤、黄海盐度变化的意义 0 1 1 渤、黄海地域及地形特点 渤海位于北纬3 7 0 0 7 4 1 0 n ，东经1 1 7 0 3 5 1 2 1 0 1 0 e 之间，是一个深入 中国大陆近封闭型的浅海，其南、北、西三面环陆，东面以渤海海峡与黄海相通， 其问以北起辽东半岛南端的老铁山角、南至山东半岛北端的蓬莱角一线与黄海相 隔。渤海东北一西南向纵长约5 5 5 k m ，东西向宽约3 4 6 k m ，面积为7 7 1 0 4 k m 2 ， 平均深度为1 8 m ，最深处约8 0 m ( 位于老铁山水道西侧) 。深度小于3 0 m 的海域占 总面积的9 3 。在临近中国大陆的诸海中，它的面积最小、深度最浅。主要岛屿 有庙岛群岛、长兴岛、风鸣岛和菊花岛等。注入渤海的河流主要有黄河、海河、 滦河和辽河等，年径流总量达8 8 8 1 0 8 m 3 ，其中黄河的年径流量几乎占到了二分 之一。但近年来，黄河的年径流量一直呈显著下降趋势，例如，从二十世纪5 0 一6 0 年代的5 0 0 x1 0 8 m 3 a 降至了1 9 9 8 年的1 8 x1 0 8 m 3 a ，这会对渤海的盐度场乃至环 流场产生一定的影响。渤海海底地势平坦，地形类型较单一，全海域海底地形可 分为辽东湾、渤海湾、莱州湾、渤海海峡和中央盆地( 冯士笮，1 9 9 9 ) 。 黄海是全部位于大陆架上的一个半封闭的浅海。黄海北界辽宁，西傍山东、 江苏，东邻朝鲜，西北边经渤海海峡与渤海沟通，南面以长江口北岸的启东嘴至 济州岛西南角的连线与东海相接，东南面至济卅i 海峡。黄海习惯上分为南、北两 部分，其自j 以山东半岛的成山角至朝鲜半岛的长山( 串) 一线为界。北黄海面积为 7 1 3 1 0 4 k m 2 ，南黄海面积为3 0 9 1 0 4 k m 2 。北黄海平均水深3 8 m ，南黄海平均水 深4 6 m ，整个黄海平均水深4 4 m 。最深处1 5 0 m 位于济州岛北侧。北黄海东北部有 西朝鲜湾，南黄海西侧有胶州湾和海州湾，东岸较重要的海湾有江华湾等。注入 黄海的河流，东岸主要有鸭绿江、大同江和汉江，西岸主要有沂河、灌河及苏北 灌溉总渠等。黄海地貌形态比渤海复杂，最突出的特征有黄海槽、潮流脊和水下 阶地( 冯士笮，1 9 9 9 ) 。 0 1 2 渤、黄海气候特征 渤海枯度的变化特征及其成斟分析 渤海海区受季风影响，冬季空气干寒而夏季湿暖。冬季，主要受亚洲大陆高 压和阿留申低压活动的影响，渤海区多偏北大风，平均风速6 7 m s 。南黄海海 面宽阔，平均肛l 速增至8 9 m s 。强偏北大风常伴随寒潮发生，风力可达1 0 级 ( 2 4 5 2 8 4 m s ) ，在渤海及北黄海沿岸，气温可剧降1 0 1 5 0 c ，间或降大雪， 是冬季主要灾害性天气。春季，受中国东南低压和西北太平洋高压活动的控制， 多偏南风，平均风速4 6 m s 。夏季，大风多随台风和大陆出海气旋而产生，风 力可达1 0 级( 2 4 5 2 8 4 m s ) 以上，且常有暴雨和风暴潮伴生，是夏季的主要灾 害性天气。渤海的大风带，位于渤海中、西部，其大风年平均8 0 天左右，渤海 海峡达1 1 0 天。 渤海气温变化具有明显的“大陆性”，渤海平均气温为一4 0 0 c ，1 月份气 温达最低，最高气温出现在7 月，平均为2 5 0 c 。平均年降水量，渤海为5 0 0 r m a 左右，其中一半集中于6 8 月。4 7 月多雾，尤以7 月最多。渤海平均每年有 2 0 2 4 个雾日( 中国大百科全书，1 9 8 7 ) 。 0 1 3 渤、黄海的盐度分布基本特征 渤海和黄海的盐度分布有较强的季节变化特征。早期研究表明，渤海盐度 很低，年平均值仅3 0 。0 ，渤海海峡受外海水影响，盐度较高，而莱州湾受黄河等 径流影响，盐度较低。一般而言，盐度冬季高、夏季低：由西向东，水越深，盐 度越接近余弦变化，与温度的负相关性越高。东部略高，平均约3 1 0 ，近岸区只 有2 6 。o 左右。盐度的分句变化主要决定于渤海沿岸水系的消长。冬季，沿岸水系 衰退，等盐线大致与海岸平行。同时，由于黄海暖流余脉的高盐水舌向西延伸范 围扩大，本区盐度分布为东高西低。盐度的垂直分布像水温分布一样，呈均匀状 态。夏季表层盐度随入海河川径流量的增加雨降低。8 月海区中部盐度尚不到 3 0 0 ，河口区常低于2 4 0 。洪期，黄河中淡水舌可及渤海中部，盐度仅2 2 o 左右， 透明度不足2 m ，但在此低盐水舌之下仍为高盐水所占据。 黄海表层盐度的分句，与沿岸水系的盛衰有关，也与黄海暖流及其余脉的 强弱进退有关。冬季，随着黄海暖流的增强，高盐水舌可一直伸入黄海北部，盐 度可达3 2 0 。夏季，黄海表层赫度普遍降低，中部大部分海域降至3 1 o 以下。长 江冲淡水不仅影响黄海西南部，低虢水舌甚至可影响到济州岛附近。 2 渤海枯度的变化特征及其成斟分析 0 2 渤海盐度的研究现状及存在问题 前人对渤、黄海盐度分布及其变化作了大量的研究，王宗山等( 1 9 9 6 ) 根据 黄渤海区1 9 5 9 - 1 9 8 2 年问水温和盐度垂向剖面历史资料，建立了在给定水深下底 层温、盐与其对应的垂向平均值间的线性关系，进而对所获得的系数建立其与水 深和时间间的非线性关系，为建立避开来自海面的热量、质量和动量在垂向上分 配的复杂过程的简易底层温、盐度二维数值预报模式奠定基础。孙卫阳等( 1 9 9 3 ) 根据黄、渤海实测资料拟合了盐度垂直剖面的自模函数，并结合描述表、底层盐 度及上均匀层厚度这三个特征量水平分布的方程，形成给出盐度三维结构的准三 维模式，较客观的反映了盐度的三维分布及其变化的物理过程。胡振红等( 2 0 0 1 ) 考虑了浮力对紊动的影响，建立了温度和盐度分层流的k e 模型，对同时存在温 度和盐度梯度的一类密度分层流进行了数值模拟计算，给出了速度、温度和盐度 的分布。刘哲等( 2 0 0 3 ) 分析渤海多年月平均温盐场的季节变化特征指出渤海温 盐对气候因子、径流量变化等因素响应很快，大约滞后一个月左右，具有明显的 季节变化特征。外强迫和地形、岸形共同诱导的海水流动一平均环流，则是温盐 分布的决定因素之一。 然而近年来，随着对渤海迸一步的调查研究，发现渤海的温度和盐度都有升 高的趋势，特别是盐度升高的非常明显。l i n 等( 2 0 0 1 ) 分析了渤海1 9 6 0 1 9 9 7 年 间的调查资料得出，对于渤海年平均的海表盐度和海表温度的升高速度分别为 0 0 7 4 y 和0 0 1 l 。c y ，1 9 6 0 1 9 9 7 年期间渤海平均海表盐度增加2 8 2 ，大气温度 增加o 9 2 0 c ，海表温度增加0 4 1 0 c 。方国洪等( 2 0 0 2 ) 利用线性回归方法对渤海 和北黄海西部沿岸7 个海洋站1 9 6 5 1 9 9 7 年海洋表层水温和盐度及地面气温和 降水等4 个水文气象要素的长期变化趋势作了分析，推算出3 2 年中渤海海表温度 升高0 4 8 0 c ，海表盐度升高1 3 4 ，气温升高1 0 9 。c ，降水减少8 7 r a m 基于相关分析， 认为盐度变化平均落后降水约半年。 吴德星等( 2 0 0 4 ) 基于北隍城、葫芦岛、秦皇岛和塘沽等环渤海4 个海洋观测 站3 5 年( 1 9 6 1 1 9 9 6 ) 和渤海常规断面2 1 年( 1 9 7 8 1 9 9 9 ) 的盐度观测资料，结合 1 9 5 8 年8 月、1 9 9 8 年9 月、2 0 0 0 年8 月和2 0 0 1 年1 月渤海调查资料分析了渤海盐度的 年际和长期变化特征。结果显示：4 个海洋观测站年平均海表盐度的年变化率分别 为0 0 1 2 6 y ，0 0 3 1 1 y ，0 0 4 5 8 9 1 y 和0 0 5 4 6 0 4 y 。在过去的3 5 年中，北隍城、 3 渤海盐度的变化特征及j 成w 分析 葫芦岛、秦阜岛和塘沽4 个海洋观测站年平均鼎度分别上升了0 4 ，1 1 ，1 6 和 1 9 。综合分析渤海多年断面调查资料和1 9 5 8 年、1 9 9 8 年、2 0 0 0 年及2 0 0 1 年渤海 盐度大面观测资料认为：全渤海盐度存在明显升高，现今全渤海平均盐度较1 9 5 8 年平均盐度升高了2 0 。由于对渤、黄海水交换难以给出精确的估计，不计渤、黄 海水交换对渤海盐度升降的作用，吴德星等( 2 0 0 4 ) 以2 0 世纪6 0 年代淡水通量为参 照，从淡水收支的观点，以降水量，蒸发量和黄河入海流量2 0 世纪7 0 年代n 9 0 年代 平均值和6 0 年代平均值的差值的比例来分析各项对渤海盐度升高的贡献率。结果 认为，降雨量对渤海盐度升高的贡献为1 4 ，蒸发的贡献率为“，黄河流量的锐 减的贡献率为7 5 ，其他河口入海流量变化对渤海盐度变化的作用在可以忽略的 范围。采用同样的数据，基于2 0 世纪8 0 9 0 年代平均值和6 0 7 0 年代平均值的淡 水收支对各要素进行重新估算，得到的降雨量对渤海盐度升高的贡献率为1 2 ， 蒸发的贡献率为3 5 4 ，黄河流量的锐减的贡献率为5 7 4 ，其他河口入海流量变 化对渤海豁度变化的贡献率为6 。指出黄河径流量的减少是造成渤海盐度升高的 主导性因素。 渤海豁度除持续升高外，还存在年际尺度上的大幅度变化。吴德星等( 2 0 0 4 ) 对葫芦岛、秦皂岛和北隍城站的观测资料进行谱分析，发现3 个站均存在1 2 年$ d 2 4 年频段的显著谱峰( 过9 5 置信度) 。另外葫芦岛在2 5 年和4 年频段、秦皂岛在3 年频段、北隍城在7 年频段存在显著谱峰。渤海中部连续2 1 年断面调查资料显示 盐度变化同样存在着对应的年际振荡信号，显示渤海盐度的大幅度年际振荡是整 个渤海普遍存在的现象。特别应指出的是，1 9 6 1 1 9 9 6 年问渤海至少发生过5 次较 大盐度变化的过程，盐度年际变化的幅度可以达至e | 2 p s u 。 渤海盐度的变化主要取决于淡水通量( 河流径流量、降雨量、蒸发量) 和北 黄海入侵水及渤黄海水交换的变化。对渤海河流径流量的初步分析( 马超等， 2 0 0 6 ) 显示径流量并没有对应的年际变化信号，特别是上世纪8 0 年代以后入海径 流的急剧减少，使得径流量变化对渤海黼度年际变化的影响大大降低，因而河流 径流量在渤海盐度年际变化中的作用可以忽略。渤海的年际降水异常变化大约为 年平均降水量的3 0 ，根据渤海水体总体积，降水异常导致的淡水总量变化大约 为渤海水体总体积的1 ，由此引起的赫度变化约为0 3 ，因此降水对渤海盐度的 年际变化有贡献，但是蒸发对于渤海盐度年际变化的贡献尚不清楚。因而在渤海 4 渤海盐度的变化特征及j e 成闪分析 盐度的年际变化中，研究蒸发、降水的变化将是搞清渤海盐度年际变化成因的关 键。由于渤海的蒸发、降水资料比较匮乏，急需通过历史观测资料和卫星遥感资 料复合分析，研发符合实际的渤海蒸发和降水数据产品，研究蒸发和降水量变化 引发盐度增加的过程，为进行渤海盐度长期变化和年际变化的研究提供基础。 0 3 论文研究的主要内容 渤、黄海盐度的研究工作目前已经取得很多成果，但是也存在一些问题：首 先，已有的研究工作揭示了渤海和黄海的许多盐度变化特征，但基本都是针对单 一海域的研究，没有将渤、黄海作为一个系统来分析比较，对盐度的模拟也只是 局限于某些特定的条件下。其次，只是初步估算了黄河流量对渤海盐度升高的作 用，并没有给出定量分析，并且渤海盐度不仅有长期增高的趋势，还有明显的年 际变化，对于这种年际变化并没有做出深入分析。再者，对黄河和局地蒸发降水 量对渤海盐度的影响的估算也只是在假定与黄海水交换不作考虑的前提下进行 的。同时由于蒸发降水资料的缺乏，确定盐度和蒸发降水的关系只是在单站的基 础上进行的。最后，盐度近年来持续升高的现象及年际尺度上的变化是否只存在 于渤海也没有给出定论，并且盐度升高对环流影响的研究也尚未开展。而上述问 题是研究认识渤海环境变化的最基础的方面。渤海半封闭和冬季完全混合均匀的 地理及动力学特征，使得渤海更具有复杂性，科学上更具有特殊性。 基于上述考虑，本文拟就渤、黄海盐度变化成因及相应的环流变化丌展研究， 重点关注盐度的年际变化。渤海盐度年际变化除受风场、淡水通量和黄海水入侵 年际变化的影响外，在其变化的过程中不断地与环流相互调整。事实上，探讨渤 海盐度年际变化过程离不开研究随之而产生的环流调整和盐度对环流调整的适 应过程。本文充分利用了现有数据库的资料，重点收集了风场、降水和与计算蒸 发量有关的沿岸观测数据，以及黄、渤海断面调查资料，构造了渤黄海区的相关 气象要素时空变化场并分析其年际变化特征。首先，细致分析渤黄海已有的观测 数据，并通过数据质量校正，研究风场、气温场、蒸发场和降水分布的年际变化 特征及其与渤海盐度年际变化的关系，首次揭示渤海和北黄海盐度存在一致的年 际变化，并分析了成因。其次，结合波浪的混合作用，对渤海的季节变化进行了 模拟，成功实现了渤海温、盐、流的季节变化模拟。最后，在成功实现渤海季节 渤海盐度的变化特征及其成冈分析 变化模拟的基础上，结合卫星观测海面温度( s s t ) 、淡水通量及外海强迫，初步 实现了年际变化的模拟并诊断了局地淡水通量、黄河径流以及外海水交换对渤海 盐度二十世纪八十年代高盐事件的形成过程和贡献。 6 渤海盐度的变化特征及其成困分析 1论文所用的数据资料及处理方法 1 1 沿岸海洋测站资料 论文使用的是环渤海沿岸主要海洋观测站的温度、盐度及蒸发、降水的逐 日观测资料，其中葫芦岛、老虎滩、鲅鱼圈、秦皇岛、塘沽、龙口、烟台7 个海 洋观测站是收集的重点，资料长度为3 5 年( 1 9 6 1 1 9 9 6 ) ，还包括沿岸气象站3 2 年( 1 9 7 0 - 2 0 0 1 ) 的降水和蒸发观测资料，资料的具体信息如表卜2 所示。观测 站的位置如图1 - 1 所示，其中三角符号代表海洋观测站，十字符号代表沿岸气象 站。这些站都有系统连续的多要素海洋水文气象观测资料，这罩选择与生态环境 关系密切的降水、舱度和蒸发三个要素进行分析。特别要提到的是，烟台站自 1 9 8 1 年起从烟台( 3 7 。3 2 n ，1 2 1 。2 4 7 e ) 迁至芝罘岛( 3 7 。3 6 n ，1 2 6 。 2 6 e ) ，气象观测场高度原先是4 6 7 m ，1 9 8 1 年以后是7 4 7 m ，但由于烟台港没 有入海河流，在海水侧向混合作用下，不同地点的表层盐度可能变化不大，并且 降水不受观测点高度影响，仍将它们作为同一观测点的测量结果看待。首先对这 些要素的资料进行预处理，将其制作成月平均资料，对个别的缺测记录采用线性 插值补充上。然后用线性回归的方法求其各自的年变率。其次在分析这三个要素 的年际变化时，为消除季节变化信号的影响，对资料进行了2 年以下低通滤波。 再者为了对比赫度和降水、蒸发、净淡水通量之间的相互关系，所有资料都进行 了标准化处理，并对要素的变化周期采用了小波谱分析。最后利用7 个海洋站加 上环绕渤海的3 9 个气象站的降水和蒸发资料，对整个渤海的降水和蒸发进行估 计和分析，探讨降水和蒸发在渤海盐度年际变化中的贡献。 表1 1 环渤海海洋观测站资料的具体信息 站名站号站位降水的年度盐度的年度 蒸发的年度 范用范同范围 葫芦岛 1 0 0 l4 0 。4 3 n1 9 6 5 0 1 一1 9 6 5 0 l 1 9 5 7 0 5 1 2 1 。0 l e1 9 9 5 0 61 9 9 5 0 61 9 7 2 1 2 老虎滩 1 0 0 53 8 。5 2 n1 9 6 5 0 l 1 9 5 5 0 l 1 9 7 0 0 l 1 2 1 。4 1 e1 9 9 5 0 61 9 9 5 0 62 0 0 1 1 2 鲅鱼网1 0 0 64 0 。1 8 n1 9 6 5 o l 一1 9 5 5 0 l 一一 无 1 2 2 。0 5 e 1 9 9 3 0 9 1 9 9 3 0 9 秦皇岛 1 0 0 83 9 。5 5 n 1 9 6 5 0 1 一 1 9 5 5 0 l 1 9 7 0 0 l 7 渤海盐度的变化特征及其成粥分折 1 1 9 。3 7 e 1 9 9 5 0 61 9 9 5 0 62 0 0 1 1 2 塘沽1 0 0 93 8 。5 6 n1 9 7 0 0 5 1 9 7 0 0 5 一 1 9 7 0 1 一一 1 1 7 。5 5 e1 9 9 5 0 61 9 9 5 0 62 0 0 1 1 2 龙口1 0 1 03 7 。4 1 n 1 9 6 5 0 2 一 i9 6 5 0 2 1 9 7 0 1 1 2 0 。1 3 e1 9 8 5 1 21 9 8 5 1 22 0 0 1 1 2 烟台1 0 1 13 7 。3 2 n1 9 6 6 0 1 一 1 9 6 6 0 l 一 1 9 6 6 0 1 1 2 i 。2 4 e1 9 9 5 0 61 9 9 5 0 61 9 7 8 1 2 1 2 断面调查资料 断面资料取自1 9 7 6 2 0 0 3 年3 6 。n 、大连一成山头断面，1 9 7 8 1 9 9 9 年渤海中 部断面，1 9 7 2 2 0 0 0 年p n 断面的标准层次c t d 调查资料，断面位置如图卜2 所 示。观测要素包括温度、盐度和主要营养盐。大连一成山头断面总共有7 个观测 点，由于该断面跟模式所取的开边界距离很近，所以用该断面的资料插值到开边 界作为开边界的温盐驱动。首先对各断面的资料按照季节分类整理，然后对其进 行垂向插值、求年平均等处理，得到各个断面温度、盐度垂直结构。 1 3 大面观测资料 收集了渤海1 9 5 8 年8 月，2 0 0 0 年8 月和2 0 0 1 年1 月三次大面调查的( 大 面站的位置如图1 - 3 所示) 实测资料。对这些数据进行插值等处理，得到渤海温 盐的空间分布情况束对比和诊断分析渤海温盐场的变化特点。 1 4 淡水通量、风场和s s t 资料 淡水通量是指黄河入海通量、蒸发量、降水量之和。黄河流量的资料是根据 黄河利律站1 9 5 1 2 0 0 0 年观测的月平均入海径流量获得的，黄河口的地理位置 是：3 8 0 n ，1 1 9 0 e 。蒸发降水的资料除了沿岸气象站和海洋站观测数据外，还有 c m a p 、g p c p 的降水资料和w h o i 的蒸发资料，时间是从1 9 7 9 年至2 0 0 2 年，分辨 率为l 。工o 。风场资料是n c e p t 数据( 1 9 4 8 - 2 0 0 2 ) ，分辨率为1 8 8 。x 1 8 8 。海表温度( s s t ) 是m e to f f i c eh a d l e yc e n t r e 全球1 。1 。的海冰和海 表温度( h a d i s s t l ) 月平均资料。首先，对黄河流量和沿岸站的蒸发、降水资料 作预处理，比如低通滤波及小波分析等，然后做这三个量与沿岸站盐度的相关分 析。最后，将蒸发、降水的资料同沿岸站的以及用沿岸站插值得到的渤海内部的 8 渤海盐度的变化特征及其成闪分析 蒸发降水资料作比较，如图卜4 所示，实线代表g p c p 资料的降水，虚线代表沿 岸站降水资料进行c r e s s m a n 插值得的渤海内降水，发现二者吻合得很好。对降 水资料采用6 8 月的总和作为夏季降水。研究中采用的方法主要有经验正交函数 ( e m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n ，e o f ) 分解、相关分析和奇异值分解 ( s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n ，s v d ) 方法。e o f 分析又称为主分量分析或 主成分分析，它是用来将大量初始信息资料( 矩阵) 加以压缩，并从中求得能量 最大部分的方法、捕获初始方差的正交线性组合，即出现频率最高的时空变化型 或主导的时空变化型的一种分析方法( 黄嘉佑，2 0 0 4 年) 。s v d 方法用于分析两 个气象要素场序列之间的相关关系，即它可最大限度地从两个要素场分离出多个 相互独立的耦合模念，从而揭示出两个要素场所存在的时域相关性的空间联系， 这种耦合的空间分布型能最大限度地揭示两场的交叉协方差。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时空关 系时是一个有力的工具。目前，该方法已被广泛应用于两个要素场的气候诊断分 析中。本文就是用该方法来分析我国东中国海的降水量变化情况与全球海表夏季 温度异常值及风场的相关关系。 上述资料的收集和整理，为我们下一步的分析和数值模拟工作打下了良好的 基础。 9 渤海盐发的变化特征及其成因分析 1 5 本章附图 4 2 4 0 t 3 8 一一r _ 3 6 _ 3 4 l 嗡，。嘤 3 2 h 、。 3 0 一 2 8 2 6 - 、 1 1 81 2 01 2 21 2 4 图1 1 环渤海海洋和气象观测站的位置 1 侣1 2 01 2 21 2 41 2 61 2 81 3 01 3 2 图卜2 渤海中部断面( + ) 、大连一成山头断面( o ) 、3 6 度断面( ) 、p n 断面( 口) 分布 图 1 0 渤海盐度的变化特征及其成困分析 图卜3 渤海大面调奇站的位置 f 酝再亘五三亘函蜊e 2 c 型! t ；一 一一：i 圈卜4 沿岸站插值得到的降水( 虚线) 与g p c p 降水( 实线) 的比较图 渤海盐度的变化特征及其城雕分析 2 盐度的时空变化特征及其成因的初步分析 我们利用收集到的资料，对渤、黄海盐度进行了较为精细、全面的分析。 2 1 渤、黄海盐度的空间分布特征分析 由渤、黄、东海多年资料绘制而成的月平均图，可以看出渤、黄、东海水文 气象条件的气候态情况。图2 - 1 至图2 - 4 是渤黄东海盐度各个季度表层和底层的 分布图，从图中可以看出春、秋、冬季盐度分布相差不大，而夏季长江冲淡水明 显增多，所以长江口附近的盐度明显偏低。总体上看盐度由浅海到深海逐渐增高。 同时我们发现每个季度罩表层和底层盐度的分布基本一致，说明盐度的混合比较 充分，底层盐度略高于表层盐度。图2 5 至图2 - 8 是渤黄东海温度各个季度表层 和底层的分句图，从图中可以看出春、秋、冬季温度分布基本一致，这点跟盐度 很相似，都是从北到南逐渐增高，同一纬度从西往东逐渐增高。夏季渤海湾内温 度比较高，渤海海峡处温度相对较低。表层和底层温度分布较为相似，但底层温 度要略微低。 2 2 渤、北黄海盐度的时间变化特征分析 我们用环渤海沿岸的鲅鱼圈、葫芦岛、秦争岛、塘沽、龙口、烟台、老虎滩 七个海洋观测站的盐度作为渤海的代表，图2 - 9 是这七个站盐度随时间的变化， 图中倾斜的直线表征线性回归确定的趋势变化。由于盐度都有明显的季节变化， 夏季盐度较低，冬季哉度较高，本图是对盐度进行了两年以下的低通滤波去除了 季节变化后得到的。从图中可看出，7 个站的盐度呈现明显的上升趋势，在 1 9 6 5 1 9 9 5 的3 0 年中，其升高幅度分别是1 0 2 ，0 5 4 ，1 2 3 ，2 6 4 ，0 0 6 ，0 1 2 和0 0 6 ，年变率分别为0 0 3 4a 1 ，0 0 1 8a ，0 0 4 1a ，0 0 8 8a 一，0 0 0 3a - 1 ， o 0 0 4a 。和0 0 0 2a - 。迸而可以得到渤海的平均箍度升高了约1 2 ，年变率为0 0 4 a 。大部分站的盐度在1 9 6 9 ，1 9 7 3 ，1