（物理海洋学专业论文）黄海暖流季节和年际变化研究.pdf

摘要 摘要 本文首先利用最新实测的锚系潜标测流和温、盐资料，分析了黄海暖流的 季节变异；然后根据有关断面的历史资料，以暖水舌作为黄海暖流的示性指标， 采用经验正交函数分解和功率谱分析等方法，研究了冬季黄海暖流水和夏季黄 海暖流残留水的年际变化特征；具体结果如下： ( 1 ) 黄海暖流季节变化：秋季黄海南部近底层己出现较为稳定的北向余流，表 明黄海暖流在秋季已经开始出现。黄海水温分布亦显示出暖水舌的雏形，也是 黄海暖流开始出现的佐证；冬季黄海暖流发展成熟，势力达到最强，不仅在近 底层表现为一支稳定的北向流，在表层及次表层北向流亦是主要流态；春季黄 海暖流仍然存在，从温度和盐度分布图上仍能看到高盐暖水舌的存在，但舌轴 已明显东移，且流速也已经变弱，流向由冬季的偏西北向转为北向；夏季锚系 站的余流均呈现东南向，表现为黄海冷水团的环流结构，此时黄海暖流已经消 失。 ( 2 ) 黄海暖流年际变化：黄海暖流的强弱存在4 , - - 一7 a 的年际变化周期，并与冬 季经向风具有较好的响应关系；黄海暖流多年平均的流轴在1 2 3 0 e 左右，其流 轴的摆动存在一个3 - - 6 a 的变化周期，而且其流轴的摆动明显受冬季纬向风的 影响；冬季风强，黄海暖流亦强，且流轴西移。 ( 3 ) 黄海暖流残留水年际变化：夏季黄海暖流虽然已经消失，但黄海暖流残留 水仍然存在于冷水团的核心区内。通过对黄海暖流残留水做e o f 分析，结果表 明：夏季黄海暖流残留水存在一个4 - - 7 a 的年际变化；其核心位置在1 2 3 5 0 e 左右，比冬季黄海暖流流轴明显东偏( 冬季大约在1 2 3 0 e ) 。 关键词：黄海暖流；黄海暖流残留水；季节变化；年际变化 s t u d y o ns e a s o n a la n di n t e r - a n n u a lv a r i a t i o n so ft h ey e l l o w s e aw a r mc u r r e n t a b s t a c t t h es e a s o n a lv a r i a t i o no ft h ey e l l o ws e aw a r mc u r r e n t ( y s w c ) i sa n a l y s e d b a s e do nc u r r e n td a t af r o mt h em o o r e da c o u s t i cd o p p l e rp r o f i l e r s ( a d c p s ) a n d c o n d u c t i v i t y - t e m p e r a t u r e - d e p t hd a t ac o l l e c t e di nt h es o u t h e r ny e l l o ws e ai nf o u r s e a s o n sd u r i n g2 0 0 6 - - 2 0 0 7 ；t h e n ，b a s e do nm u l t i p l e 。y e a rc o n t i n u o u sc o l l e c t e d h y d r o g r a p h i cs u r v e y e dd a t aa n dt a k i n gt h ey e l l o ws e aw a r mw a t e rt o n g u ea sa s i n g l e i n d i c a t i o no ft h ey e l l o ws e aw a r mc u r r e n t ( y s w c ) ，t h e i n t e r - a n n u a l v a r i a t i o no ft h ey s w ca n dy s w cr e m a n e n tw a t e ra r es t u d i e db yu s i n gt h em e t h o d s o fe m p i r i c a lo r t h o g o n a lf u n c t i o n s ( e o f ) a n ds p e c t r a la n a l y s e s t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ： ( 1 ) o nt h es e a s o n a lv a r i a t i o no ft h ey s w c ：i na u t u m n ，ar e l a t i v e l ys t a b l e n o r t h e mc u r r e n t 印p e a r si nt h en e a r - b o t t o ml a y e ri nt h es o u t h e r ny e l l o ws e a w h i c h i m p l i e st h a tt h ey s w cb e g i n st of o r m m e a n w h i l e ，a ne m b r y o n i cf o r mo ft h ew a r m t o n g u eo nt h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ei nt h ey e l l o ws e aa l s os h o w st h e a p p e a r a n c eo ft h ey s w c 。i nw i n t e r , t h es t a b l en o r t h w a r dc u r r e n ta p p e a r sn o to n l yi n t h en e a r - b o t t o ml a y e r , b u ta l s oi nt h eu p p e rl a y e r , i m p l y i n gt h ey s w c d e v e l o pq u i t e w e l la n db e c o m e sq u i t es t r o n g i ns p r i n g ，t h ey s w c s t i l le x i s t s ，b u tb e c o m e sm u c h w e a k e r t h ew a r mt o n g u em o v e so b v i o u s l ye a s t w a r d i ns u m m e r , t h ey e l l o ws e a c o l dw a t e rm a s so c c u p i e st h ew h o l ey e l l o ws e aa n dt h ey s w c d i s a p p e a r s ( 2 ) o nt h ei n t e r - a n n u a lv a r i a t i o no ft h ey s w c ：t h e r ea r ee v i d e n tc y c l e so f4 7 ai nt h es t r e n g t ho ft h ey s w c ，w h i c hi sw e l lr e s p o n s e dt ot h e l o n g i t u d i n a l c o m p o n e n to fw i n t e rm o n s o o n ；t h ep a t h w a yo ft h ey s w ch a sac y c l e so f3 6 a w h i c hi so b v i o u s l yi n f l u e n c e db yt h el a t i t u d i n a lc o m p o n e n to fw i n t e rm o n s o o n ； w h e nt h ew i n t e rm o n s o o ns t r e n t h e s ，t h ey s w cs t r e n t h e sa n dp a t h w a ym o v e s w e s t w a r d ( 3 ) o nt h ei n t e r - a n n u a lv a r i a t i o no ft h ey s w cr e m a n e n tw a t e r ：a l t h o u g ht h e y s w ch a sd i s a p p e a r e di ns u m m e r , t h ey s w cr e m a n e n tw a t e ri sl o c a t e di nt h ec o r e 摘要 a r e ao ft h ey e l l o ws e ac o l dw a t e rm a s s b yu s i n gt h em e t h o do fe o f , w ec a nf i n d ： t h e r ea r ee v i d e n tc y c l e so f4 - 7 ai nt h es t r e n g t ho ft h ey s w cr e m a n e n tw a t e r ；t h e c o r ea r e ao ft h ey s w cr e m a n e n tc u r r e n ti sa b o u tl o c a t e di n1 2 3 5 0 ei ns u m m e r , w h i c hm o v e sal i t t l ee a s t w a r d k e yw o r d s ：y e l l o ws e aw a r mc u r r e n t ；y e l l o ws e aw a r mc u r r e n tr e m a n e n tw a t e r ； s e a s o n a lv a r i a t i o n ；i n t e r - a n n u a lv a r i a t i o n 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：影争狄 日期：两年月方日 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：弘劳文 导师签名：遗勿 日期：u 7 年月，矛画 第一章绪论 黄海暖流季节和年际变化研究 第一章绪论 黄海是中国大陆和朝鲜半岛之间的一个半封闭陆架浅海。黄海南北长约 8 7 0 公里，东西宽约5 5 6 公里，面积约3 8 万平方公里，平均水深为4 4 米。黄 海地势由北和东西两侧向中央和东南向倾斜，其中央偏东有狭长深槽，称为“黄 海海槽”。槽的西侧宽缓平坦，东侧比较陡窄。黄海作为我国近海的一个重要 海区，为我国经济发展、社会进步以及人们生活水平的提高做出了巨大贡献。 但近几十年来，由于我国经济的快速发展，生活污水、工业废水和养殖污水向 海洋的过度排放以及沿海渔业捕捞活动的无节制开展，黄海近岸海域生态环境 遭到严重破坏，生态系统结构持续失衡，生物资源逐渐减少，有害赤潮频繁发 生，这些都是我国继续推动经济和社会可持续发展而亟需解决的重要课题。海 洋环流是海洋环境重要的动力因子，不但是海洋科学最基础性的课题，并且也 是海洋中各种过程发生的背景和载体，始终是物理海洋学研究的核心。海洋中 物质的质量、动量、和能量的分布，归根到底皆取决于海洋环流长期持续的输 运过程。黄海暖流一直被认为是黄海环流的重要组成部分，因为它是黄海惟一 的一支输运外海高盐水的海流，对黄海的水交换以及整个海洋环境起着至关重 要的作用。所以，这支暖流长期以来一直受到人们的关注和认识，也是黄海海 洋调查研究的核心问题。所以，对黄海暖流年际变化进行特征分析以及机制探 讨，将有利于解决和预防近海海洋出现的各种环境问题，对整个海洋生态系统 也将起到基础而又关键的作用。 1 1 国内外研究现状 1 9 3 4 年，宇田道隆基于水文观测和漂流瓶运移轨迹资料，首次编绘了渤、 黄、东海、日本海及黑潮流域的海流分布与环流模式( 图1 1 ) 。该图标出了 黑潮、对马暖流、黄海暖流及沿岸流的路径、方向和流速大小，同时还指出海 区的环流与涡旋。其中黄海暖流是宇田道隆首次提出和命名的。其观点是：对 马暖流是由黑潮分离出来的，它在向东北流入日本海的过程中，约在济州岛东 南分出- 4 , 支进入黄海，这就是黄海暖流。黄海暖流沿黄海东侧北上，在北上 过程中又分出若干分支或涡旋。当黄海暖流到达北黄海后，路径转向西而进入 渤海。然后与沿岸流相接。从图1 1 标注的流速大小可以看到，黄海暖流的流 速为5 1 5 c m s 。该图在上世纪7 0 年代前，曾被广泛地引用，在海洋界影响较 大。1 9 7 7 年，我国海洋科学家管秉贤等编绘、出版了每月一幅的“勃、黄、东 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 海表层海流图”，这是我国首次编绘的完整的海流图，在当时发挥了积极的作 用。随后，在基于多年的调查研究成果和总结前人调查研究的基础上，他又提 出了渤、黄、东海环流基本模式图，图1 2 是他1 9 9 4 年和2 0 0 2 年两图的综合。 他把渤海、黄海、东海的环流概括为两大流系：其一为源自北太平洋的高温、 高盐的黑潮及其分支和延伸部分；其二是具有低盐特征的沿岸流系。从总体来 说，前者向北流，后者向南流动。把渤海、黄海、东海作为一个半封闭型的整 体来看，其环流主要由一个气旋式所组成，即：东侧为黑潮、对马暖流、黄海 暖流及其延伸部分；西侧为渤海沿岸流、黄海西岸沿岸流、东海沿岸流。在朝 鲜半岛西岸，也有一支向南流动的沿岸流，这里暂称黄海东岸沿岸流。黄海暖 流及其延伸部分和黄海沿岸流构成黄海环流。后来，又有学者根据近期的观测 和研究，给出了渤、黄、东海环流流系图( 见图1 3 ) 。总体看，渤、黄、东 海的环流基本模式大致与图l 的态势相似，但是亦出现了一些新的信息，如绕 济州岛的济州暖流；而台湾暖流存在两个相对较强的流速带：其一是约在 2 8 0 n - - - 2 9 0 n 鱼山列岛附近转向东，也称“台湾暖流外侧( 南) 分支”；其二是 在舟山群岛以东、长江口以南转向东，叫“台湾暖流内侧( 北) 分支”。 1 1 9 1 2 0 1 2 2 1 2 4 1 2 6 1 2 8 。1 3 矿1 3 2 e 图1 1 渤海、黄海、东海的海流与环流示意图( 宇田道隆) 2 耵n谢孵”科”搿剐|训剥 第一章绪论 图1 2 中国近海冬季( a ) 、夏季( b ) 海流流系分布模式( 管秉贤) a ：黑潮；b ：对马暖流；c ：黄海暖流；d ：渤海环流；e ：台湾暖流 f ：中国沿岸流；g 南海暖流；h ；朝鲜半岛西岸沿岸流 露 筹 硒式 n o | ? 、 薯 l 一 黎 ，学 蒜 鳆 辨r 篓) s - 2 , 蝌f i 图1 3 渤海、黄海、东海的环流模式( 郭炳火 a ：冬季；b ：夏季 3 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 至今，人们对黄海环流已做了较多的调查研究，绘制了不少中国近海海洋 环流图，国内外关于黄海暖流的研究也取得了相当多的成果，但因积累的资料 不够充分，特别是缺乏长时间连续的海流观测数据，使之对黄海暖流的一些重 要问题的认识仍存在较多争议。 1 关于黄海暖流的存在及其维持机制 对于这一问题，中、韩两国学者的观点存在差异，黄海暖流作为朝鲜半岛 西侧外海的一支主要流系，长期以来受到韩国学者的关注和重视。韩国水产研 究部门在3 3 0 n 一- - 3 7 0 n 和1 2 4 0 e 以东的广大黄海东部海域开展了定期水文断面监 测，并对黄海暖流开展了研究。早在上世纪八十年代中期，有的学者就指出： 即使冬季，在朝鲜西雨海域东西向强海洋锋的阻挡下，黄海暖流似乎仅限制在 济州岛西部海域，而不能穿透该锋带进入黄海( l i e ，1 9 8 5 ) 。而夏季，亦无证 据表明具有高盐特征的黄海暖流沿朝鲜西岸进入黄海( l i e ，1 9 8 6 ) 。近期，韩 国学者通过分析j 7 9 9 6 1 9 9 8 年不同季节覆盖整个南黄海的c t d 资料，以及1 9 9 6 和1 9 9 7 年投放的卫星跟踪测流浮标，则进一步指出：黄海暖流不是一支持久性 的平均流。冬季，具有高温高盐的济州暖流水通过在黄海槽西侧间隙性地产生 的北向流可能输入南黄海，而且此种北向流须强于在此海域流向东南的潮汐余 流( l i e 每ia 1 ，2 0 0 1 ) 。而汤毓祥等( 2 0 0 1 ) 认为黄海暖流至少在冬半年是 稳定存在的，并指出风的存在会改变其运行路径以及引起其强度变化；马健等 ( 2 0 0 6 ) 认为暖水舌的形成是黄海暖流存在的重要佐证，黄海暖流是影响暖水 舌位置、形状以及维持暖水舌存在的关键因素，并指出黄海暖流至少在月平均 意义上是一支稳定存在的流。 2 关于黄海暖流的起源 关于黄海暖流的起源，在较长时间内，人们对这一问题的认识基本上与传 统观点相似，皆认为黄海暖流是对马暖流从济州岛东南向西北派生出的一个分 支( u d a ，1 9 3 4 ；n i i n o ，1 9 6 1 ；n i t a n i ，1 9 7 2 ；管秉贤等，1 9 6 4 ) ；进入2 0 世 纪8 0 年代后，尤其是9 0 年代以来，随着调查手段的不断改进和调查资料的不 断积累，尤其是直接测流结果的明显增加，以及数值模拟方法的广泛应用，使 之人们对黄海暖流的一些传统认识开始发生变化。k o n d o ( 1 9 8 5 ) 首先指出，冬 季黄海暖流的主流部分沿黄海槽西侧向北流入黄海，且有少部分海水从黄海暖 流中分离出来，顺时针绕济州岛运动；而有的学者则认为，黄海暖流是台湾暖 流在济州岛西南向西北方向的分支 b e a r d s l e ye t a l ，1 9 8 5 ：方越等( 1 9 9 7 ) 的数值试验进一步支持了这一观点。上世纪八十年代后，我国学者利用1 9 8 6 年 4 第一章绪论 1 月中美南黄海联合调查所获温、盐资料，探讨了冬季黄海暖流水的起源，并 指出：冬季黄海暖流水主要是由对马暖流水和东海混合水通过侧向混合而形成 的，但黄海混合水和朝鲜西岸沿岸水也不同程度地参与了混合( 乐肯堂，1 9 9 2 ) 。 尔后，我国学者又根据中韩黄海水循环动力学合作调查所获温、盐资料和卫星 跟踪测流试验结果，进一步探讨了冬至初春黄海暖流的起源，明确指出：伸入 黄海的高盐暖水是从对马暖流水和东海陆架水在济州岛南侧交汇所形成的锋区 中衍生出来的。因此，黄海暖流水实际上是一种混合水( 汤毓祥等，1 9 9 9 ，2 0 0 0 a ， 2 0 0 0 b ) 。 3 关于黄海暖流的路径 传统观点认为：黄海暖流带有射形流的性质，其流动方向是沿着高温、高 盐水舌的轴线方向，而不是沿着舌形的边缘流动( 管秉贤，陈则实，1 9 6 4 ) 。据 此观点和温、的舌形分布，黄海暖流的路径应该是这样：在济州岛东南( 约3 2 0 n ， 1 2 7 0 e - - 一1 2 8 0 e 附近) 沿西北方向进入南黄海，尔后逐渐转向北流动。 蟪 、 l n 3 5 。 图1 4 冬、夏南黄海与东海的流系分布( 近藤正人，1 9 8 5 ) 图1 4 是近藤正人( 1 9 8 5 ) 以5 0 m 层为例的南黄海及东海流系分布( 冬、 夏两季) 。该图清楚表明，冬季黄海暖流沿黄海槽北上，并在济州岛以西有一个 小分支分出而进入济州海峡；而夏季似乎没有黄海暖流出现。依据冬季黄海暖 流沿槽北上的传统认识，1 9 8 6 年1 - - - 4 月，美、韩合作在黄海槽和韩国近岸区 布设了6 套测流和水温锚系并包含底层压力的测量。观测结果表明：黄海槽中 的北向流似乎应归功于冬季强北风和脉冲而且出现是短暂的。因此，h s u e h 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 ( 1 9 8 8 ) 认为“把冬季出现在黄海槽的北向流称为黄海暖流是不适宜的”。依 据同样的认识，美国海军研究实验室在执行“黄海和东海调查”项目中，于1 9 9 5 年7 月1 9 9 6 年1 月在黄海槽中布设了三个a d c p 锚系测流站。所得结果与前 者类似，即秋、冬季在黄海内部的北向流是对北风所建立起来的压强梯度的响 应。因此认为“或许最好把黄海内部的黄海暖流称为黄海风海流”( t e a g u ew ，s a n dg a j a c o n ，2 0 0 0 ) ，海槽内的北向流仅是对强北风爆发过程的一种短暂的 响应。显然，上述两次长时间的测流结果都表明冬季黄海槽并不存在明显的“黄 海暖流 。可见实测流的结果并不能支持冬季黄海暖流沿黄海槽北上的观点。 鲍献文等( 2 0 0 4 ) 利用p o m 模式，分析了黄海暖流的路径走向，指出其路径大 致由济州岛西南沿黄海槽向西北流入黄海中部，在3 4 0 n - 、- 3 5 0 n 暖流转向北，并 沿5 0 m 等深线继续北上。 实际上，以往在缺乏有效的测流资料的情况下，一些研究常把伸入南黄海 的高温高盐水舌之走向作为黄海暖流运行方向的一个示性指标( 如陈则实等， 1 9 7 9 ：乐肯堂等，1 9 9 0 ) 。事实上，在中韩黄海合作调查期间，曾在黄海中部 高盐暖舌区( 1 2 3 0 3 0 7 e 、3 4 0 n ) 实施了海流的定点连续观测。结果显示，在舌 状区确存在一种与暖舌指向相似的偏北向流( 汤毓祥等，2 0 0 1 ) 。近几年来， 大量的卫星红外遥感影像及根据c t d 观测资料绘制的温度分布图均显示出：冬 季和初春时期，高温高盐水舌从济州岛的西南向西北伸展，后转向北，指向山 东半岛东端。据此，一些学者指出，黄海暖流路径并非沿黄海槽北上，而是明 显偏西到沿5 0 - 、, 6 0 m 等深线附近地形较陡的海域北上( 汤毓祥等，2 0 0 0 ；郭炳 火等，2 0 0 0 ；臧家业等，2 0 0 1 ) 。许一等( 2 0 0 5 ) 根据e c o m s e d 模式的诊断计 算结果，亦认为冬季黄海暖流的主流路径位于暖水舌左侧，且大致在6 0 一- , 7 0 m 等深线附近。 大多数调查结果显示：冬、春季节南黄海存在单一的高盐暖舌，可是1 9 8 6 年中美韩联合调查都出现了两个舌峰( 乐肯堂等，1 9 9 0 ) ：东侧舌峰的轴线大致 与1 2 5 经线一致；而西侧舌峰的轴线先呈现东南一西北走向，至3 5 0 n 以北转 为北一南走向，且大致与1 2 3 0 e 经线一致。但温、盐的垂向分布表明：高盐暖 水的这两个扩展方向并不是均衡的。外海水的主体是沿黄海槽北上的。最近， 马建等人( 2 0 0 6 ) 采用一种三维浪一潮一流耦合诊断模式研究了冬季暖舌结构 的变化及其与黄海暖流变化的关系。研究结果表明：1 月在南黄海亦存在双舌， 其中一个位于黄海槽右侧，另一个大致沿6 0 m 等深线。至2 月，双分支流互相 联系，并通过黄海槽西侧进入黄海。该研究还表明：黄海暖流对维持暖舌结构 和决定暖舌位置的形状起着极重要的作用。汤毓祥等( 2 0 0 0 ) 在分析近几年多 6 第一章绪论 次大型调查资料后认为：暖舌位置不仅存在季节摆动，而且还存在年际变化。 4 黄海暖流的季节以及年际变化 关于黄海暖流的季节变化，由于可利用资料的不连续性以及时间跨度太短， 以往研究较少，学者们只做了一些非常简单的描述，且大多仅涉及其季节变化。 早期的研究仅指出黄海暖流存在冬强夏弱的特征( p a r k ，1 9 8 6 ) ；最近几年， 很多学者对黄海暖流的生成、发展、消亡周期有了新的认识。郭炳火等通过分 析1 9 9 6 1 9 9 9 年期间的c t d 资料，指出黄海暖流在冬季生成，春季减弱，仲春 消失。汤毓祥等则明确指出，黄海暖流仅存在于冷半年( 1 2 月至次年4 月) 。 汤毓祥等( 2 0 0 1 ) 根据1 9 9 6 一- - 1 9 9 9 年期间的“中韩黄海水循环动力学合作 研究 取得的调查数据，探讨了冬至初春黄海暖流存在的季节和年际变化：从 季节上看，初春暖流的路径比冬季明显东移；从年际变化看，大多数年份暖流 路径偏于黄海槽的西侧( 如1 9 9 7 和1 9 9 9 年) ，但也有个别年份暖流路径沿槽北 上( 如1 9 8 6 年) 。同时，初步分析指出，暖流路径的变化与北向风的强弱有密切 关系。 许一利用e c o m s e d 模式，探讨了黄海暖流的形成和季节演变过程：1 0 月， 黄海冷水团依然存在，但此时的流场已不是夏季环绕黄海海盆的逆时针方向环 流。其中在北黄海已经出现微弱的顺时针方向的环流，只有在南黄海边缘有与 夏季一样的沿锋面向东流动。1 1 月，南黄海边缘沿锋面的东向流基本消失，在 近底层隐约出现了西北方向的流动。也就是说秋季( 1 0 1 1 月) ，黄海环流处 于从夏季型向冬季型的转换过程，i 1 月在近底层已可见到黄海暖流的迹象。1 2 月，在济州岛西侧出现指向西北的暖水舌，水舌外缘形成了很强的锋面。该处 的流大部分沿锋面绕过济州岛进入济州海峡，l i e 等( 1 9 9 8 ) 定义此为济州暖 流。同时还可以看到，在济州岛西南侧海区小部分水体穿越等温线，沿着暖水 舌伸展的方向入侵黄海，但流路比较发散流向不太稳定，可以认为黄海暖流初 步形成。1 月，济卅f 岛西侧的温度锋减弱，高盐暖舌明显向西北发展。与此同 时，济州暖流减弱，而西北流向的黄海暖流明显加强，大部分水体在西北走向 的暖舌右侧穿越等温线北上，已变得明显。2 月，高温高盐水舌进一步发展， 已伸入黄海中部。这时，黄海暖流的主流轴路径位于暖水舌左侧大致在6 0 7 0 m 等深线附近，黄海暖流发展成熟。3 月，暖水舌在黄海南部断裂，对马暖流分 支水大部分流入济州海峡，黄海暖流开始消退。总之，黄海暖流在1 2 月初步形 成，2 月份最强，春季迅速减弱，表明它是一支季节性流。1 2 月至2 月，其主 流轴逐渐西移，最后稳定于6 0 7 0 m 等深线附近。同时又指出，整个冬季黄海 7 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 暖流在底层是一支持续稳定的海流，而在表层和次表层仅在暖流发展比较成熟 的1 2 月才显示出它是一支强而稳定的流。 关于黄海年际变化特征的研究目前比较少，韩国学者p a r k 等( 2 0 0 0 ) 使用 c o a d s l 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( 即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 有2 0 、3 o 、和7 8 年周期的变化，并且 其变化落后于n i n 0 3 4 s s t a5 6 个月。但是，p a r k 等人的研究使用的是2 0 2 0 月平均s s t ，这种粗网格资料不能对黄海一些海洋过程的变化做精细描述。 于非等( 2 0 0 3 ) 利用海表面温度资料分析了黄、东海的年际变化特征，认为黄 东海海表面温度存在4 1 个月的长期变化趋势，年际变异最大的区域在黄东海交 界区域，从长江口延伸至济州岛南部部，与长江冲淡水、台湾暖流和黄海入侵 水是相联系的。b a ih o n g 等( 2 0 0 6 ) 分析了夏季黄海冷水团的年际变化特征， 认为黄海冷水团温跃层顶的年际变化特征与厄尔尼诺事件有比较密切的关系， 而冷水团核心区域的水温年际变化特征与厄尔尼诺事件不相关。而关于黄海暖 流年际变化的研究工作目前更是少有涉及。显然，与黄海暖流的季节变化的研 究相比，有关黄海暖流的年际变化更是少有人涉及。 1 2 研究的目的和意义 以往对黄海暖流的调查研究较为集中在其起源、性质和路径等问题上，而 至于黄海暖流的三维结构却较少涉及。其中一个比较主要的原因在于，难以对 黄海暖流实施直接的、较长期间的监测。在近期的几次大型调查中，虽做过直 接测流的尝试，但因黄海渔业捕捞十分频繁，又是海上交通要道，所以难以获 取较为有效的观测结果。最近，许一采用e c o m s e d 三维水动力模式，诊断计算 了冬季黄海的环流状况，并重点分析了黄海暖流的演变过程和重要结构。结果 表明：黄海暖流在表层和次表层( o 3 0 m ) 并不是一支持续稳定的流，其持续 稳定性仅在近底层得到很好地体现。同时还发现黄海暖流的流速存在上弱下强 的特征，如在3 5 0 n 断面，暖流最大流速出现在5 0 m 层附近，可达7 c m s ( 许一、 于非等，2 0 0 5 ) 。此外值得注意的是，该研究还显示：在黄海暖流最强的2 月， 从整体看黄海暖流穿越了温度舌，但其主流轴并不完全沿温度舌方向，而是略 微偏西。虽然这只是一次诊断计算结果，但它清晰地提示我们：黄海暖流的垂 直结构是较复杂的。所以进一步弄清黄海暖流的三维结构，不仅可以使我们更 好地了解黄海暖流的真实面貌，而且对于进一步探讨一些当前仍处于争论的焦 点问题，如黄海暖流路径、生消变化以及黄海暖流是否是一支持久的平均流等 亦是十分重要的。 8 第一章绪论 本文将依据“中国近海海洋环境综合调查与评价”( 9 0 8 专项) 所获得的4 个季节的锚系测流及c t d 资料，分析黄海暖流的存在以及季节变异。同时利用 1 9 7 7 2 0 0 6 年连续的标准断面温、盐资料，以暖水舌作为黄海暖流的示性指标， 重点分析冬季黄海暖流的年际变异：并讨论了冬季季风对黄海暖流的影响。黄 海冷水团是冬季在黄海本地形成的，黄海暖流水作为夏季黄海冷水团的水源之 一，其两者必然有密切关系。本文还探讨了黄海暖流与黄海冷水团的关系。 本文章节安排如下：第一章为绪论，主要概述国内外关于黄海暖流研究所 取得的一些重要进展，并对本文所使用的方法做了简单的介绍；第二章主要讨 论了黄海暖流的季节变化，通过分析四个季节的余流分布及温、盐结构特征， 以求对黄海暖流的生消周期有了进一步的认识；第三章利用多年连续的温、盐 资料，以暖水舌作为黄海暖流的示性指标，讨论了黄海暖流的年际变化特征； 第四章主要探讨了黄海暖流残留水的位置和年际变化；第五章是对全文的总结 以及本文存在的问题和不足，对下一步的工作展望也做了简要叙述。 1 3 方法简介 本文采用的方法包括：经验正交函数分解( e o f ) ，功率谱分析，l a n c z o s 余弦滤波以及相关分析等。 ( 1 ) 经验正交函数分析方法 经验正交函数分析方法( 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 ，缩写为e o f ) ， 又称自然正交函数分解或特征向量分析，是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 ：魏凤英， 1 9 9 9 ) 。e o f 分析方法可以揭示变量场的时空变化特征，它还具有稳定性好、 计算收敛快的优点，同时这种方法用于分析离散的资料时效果较好。l o r e n z 在 二十世纪五十年代首次将其引入气象和气候研究，现在海洋科学研究中得到了 广泛的应用。经验正交函数分析与回归分析、差别分析不同，它是一种分析方 法而不是一种预报方法。它能够把随时间变化的气象( 海洋) 要素场分解为空 间函数部分和时间函数( 主分量) 部分。空间函数部分概括场的地域分布特点， 这部分是不随时间变化的；而时间函数部分则由空间点( 变量) 的线性组合所 构成，称为主分量，这些主分量的头几个占原空间点( 变量) 的总方差的很大 部分。研究主分量随时间变化的规律就可以替代对场的随时间的研究。如f a n g a n dh s i e h 等( 1 9 9 3 ) 利用e o f 方法分析海洋上升流和冷涡；c h i s w e l l ( 1 9 9 4 ) 和y ua n de m e r ye t a l ( 1 9 9 6 ) 利用该方法来分析南海海面温度的季节和年际 9 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 变化；张启龙等根据1 9 5 0 - 1 9 9 8 年间月平均s s t 资料，用经验正交函数( e o f ) 分析法，对西太平洋厦池海域s s t 场的时空特征进行了分析：吕连港根据1 9 7 8 - 2 0 0 0 年温度和盐度资料分析了p n 断面声速的空间和时间变化特征。 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：设有一气象( 海 洋) 要素场，其中包括m 个空间点有n 次观测。将这一气象( 海洋) 变量场以 矩阵表示，即 x = x l lx 1 2 x l h x 2 1x 2 2x 2 n x m ix m 2x m n x = l y 其中表示任意变量i 在任意时刻j 的观测值，将上述矩阵石分解成正交 的空间函数矩阵三和时间函数矩阵】，两部分： 并且满足正交性：三；。= 昌：二二 三的每一列表是一个空间典型场，只与空间有关。j ，的每一列表示相应的 时间系数，只与时间有关。根据主成份的性质，主成分示按照方差贡献的大小 来排列的，而是是相互独立的，因此前几个模态表征了该物理量场的主要变化 信息和空间特征。 ( 2 ) 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 门，其标准差分别为吒和仃y 则它们之间的p e a r s o n 相关系数的计算公式是： 2 去喜c 等，c 等， 另外一种计算公式是： l o 第一章绪论 2 ( 薯一；) ( 儿- y ) t = l ，可以客观的度量两个因子之间的关联程度。h l ，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变化性质相反。 ( 3 ) 功率谱分析方法 功率谱分析是以傅立叶变换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；二是落后自相关计算方法。 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q ， 振幅大表示能量强，因此也称功率谱。 落后自相关方法。对一个时间序列先求其不同落后时间步长的自相关或者 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。 ( 4 ) 插值方法 在我国标准断面调查中，由于种种原因，温度和盐度的实测水层往往不是 预定的标准层。要获得标准层上的温度盐度值，需用实测值进行内插处理。此 外，由于当我们进行时间序列观测时，测得的资料中可能存在含有过失误差的 异常值，当把它舍弃之后，也需要用相邻的正确数据插补上一个正常的值。由 此可见插值问题是海洋资料处理中一个基本问题。 在海洋资料处理中，应根据海洋要素变化的实际情况，选择切实可行的插 值方案，必要时，可将它们有机地结合起来。插值效果较好的标准主要包括两 个内容：一是要求插值的逼近精度高；二是插值得到的曲线的保凸性好，即像 有经验的海洋科学家用手工画图得到的插值曲线那样光顺、自然、合理。但从 数学上讲，这两者往往是相互矛盾的。常用的插值方法如线性插值方法、抛物 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 线插值方法都是以拉格朗同插值多项式为基础的，没有考虑要素在插值基点处 的变化趋势，即要素的导数对插值效果的影响，因而所得插值曲线是分段光滑 的。三次样条函数插值法具有最小模、最佳逼近和收敛的数学特性和优点，但 其缺陷是在强跃层处会出现凸起现象。考虑到冬季黄海只有黄海暖流影响区域 可能在底层会出现逆温现象外，绝大部分区域温度还是垂直混合均匀的，因此 本文认为对温度和盐度数据采用三次样条插值是合理可行的。 样条这个词本来是指在飞机或轮船的制造过程中，为了描绘其光滑的外形 曲线所使用的一种工具。1 9 4 6 年i j s c h o e n b e r g 根据样条这一放样工具表现 出来的数学特性，构造了样条函数这一概念。自6 0 年代开始，样条函数颇为数 学界所重视，很快形成了现在数值分析中一个十分重要的分支，并在数值积分、 数值微分以及数值插值中有着广泛的应用。若用它作插值函数，可以得到由一 段三次多项式并接而成的插值曲线。在拼接处，不仅函数本身是连续的，而且 其一阶和二阶导数也是连续的，因而整个插值曲线光滑自然。下面介绍三次样 条插值函数： 三次样条插值多项式的表达式：设 a ，b 是被插值函数f ( x ) 中x 的变化区 间，在 a ，b 区间上，有+ 1 个基点上的观测值( x 0y 。) ，( x 。，y ，) ，( x n , y 。) ， 其中 a = x o x 1 x 2 吒一l ，则通过显著性的f 检验。 ( 6 ) l a n c z o s 余弦滤波器 芬 = ， 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 为了得到余流，需将原始的锚系潜标数据进行滤波处理，以便去掉潮周期 信号。本文使用的滤波器是l a n c z o s 余弦滤波器，该滤波器的优点是对于周期 大于2 天的低频振动只有微小的减弱。在给出l a n c z o s 余弦滤波器的表示形式 之前，先介绍两种与此有关的滤波器：一是余弦滤波器，时间权函数的形式为 形=抖c o s c 科h 聊 0 ，其它 其谱函数的表达式为 耿胁鼍笋木丽1 二是l a n c z o s 滤波器，其时间全函数为 相应的谱函数可写成： 其中日。( ) 为矩形窗的频谱： 日：( 厂) 如下所示： n i m 日。( 厂) = h 。( 以) 木h ：( 无) 叫) = 半 蹦胁l 击 1 4 竺m 苦“它竺m 其 k 血 q rj、，【 = l 第一章绪论 l a n c z o s 滤波器实际上是由以上两种滤波器组成的，它的时间权函数可写成 式中a 归一化系数， ( 1 + c o ss i n 业业，刀：o ，1 ，5 9 1 2 1 2 其它 以使得吃= 1 。 土加仉 rl 硕士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 第二章黄海暖流的观测及季节变化特征 早在3 0 年代初，日本学者基于水文观测和漂流瓶运移轨迹，首次给出了整 个黄海的环流模式图( u d a ，1 9 3 6 ) 。并指出，黄海暖流是在济州岛西南海域从对 马暖流分离出来的一支流动，且沿黄海槽北上。而其两侧是两支向南运移的沿 岸流。数十年来，尽管对该海域进行了大量的调查，并采用不同的方法对该海 域的环流进行了分析研究，但黄海环流的这一基本模式基本未有重大变化( 陈 则实等，1 9 7 9 ；l i ee ta l ，1 9 8 5 ) 。 黄海暖流水是渤、黄、东海唯一的外海水源，具有高温、高盐和低溶解氧 含量特征，其消长变化对渤、黄、东海的海洋环流，包括水团、流系和涡旋等 的分布及其变异具有重要影响。但由于黄海暖流余流太弱，易受大气和其他海 洋因子干扰，以往的周日测流站获得的余流十分不稳定，难以揭示黄海基本环 流状况；而锚系测流浮标是最可靠、最真实的测流手段，但因拖网渔船的严重 破坏以及恶劣海洋现象的影响，导致数据资料在时间上的缺失乃至整个锚系潜 标的丢失。这更显出长时间测流资料的宝贵性。因此，过去对黄海暖流的基本 认识，大多是根据温度和盐度观测资料间接推断出来的。正是由于上述原因， 在过去的许多研究中，或多或少造成了对海洋现象认识的局限性。2 0 0 6 - 2 0 0 7 年开展的“中国近海海洋环境综合调查与评价 ( 9 0 8 专项) ，使用现代观测 手段，获取了南黄海全域、四个季节的水文调查资料，尤其是得到了宝贵的直 接测流结果。本章主要是基于这些观测资料，在对黄海暖流研究的基础上，对 黄海暖流的性质、季节变化以及夏季是否存在黄海暖流等问题做进一步的认识 和了解。 2 1 资料介绍 表2 1 四个季节锚系潜标的投放和同收时间表 不同季节锚系潜标的投放时间、回收时间、持续观测时间如表2 1 所示。 1 6 第二章黄海暖流的观测及季节变化特征 每个季节皆投放5 套浮标，基于以往对黄海环流场的认识以及投放浮标的经验， 我们采用了平行排列、集中投放的方法。 图2 1 展示了不同季节锚系潜标的具体位置。从西向东的排列顺序为：m l ， m 2 ，m 3 ，m 4 ，m 5 站。其中春、夏季和秋、冬季浮标位置分别相似。由于各种原 因的影响，投放出去的浮标未能全部回收，本文仅选择资料比较完整的浮标资 料进行分析。 潜标的原始测流数据是1 0 分钟间隔，首先对其作7 点平滑，然后对得到结 果做l a n c z o s 余弦低通滤波，得到余流。本文将通过分析四个季节的余流结果 和温、盐分布结构，探讨黄海暖流的季节变化，以便对其生效周期有一个更加 清楚的了解和认识。 图2 1 四个季节锚系潜标的投放时间 a 春季；b 夏季；c 秋季：d 冬季 1 7 碗士学位论文黄海暖流季节和年际变化研究 22 黄海暖流的季节变化 2 21 生成期 表22 潜标锚系系统投放作业情况( 秋季) 投放时回收时持续时间 站名站位水深( m ) 间问 m 53 4 0 3 98 7 n 1 2 3 。0 01 0 e7 4 m 43 4 0 3 99 9 n ，1 2 2 0 4 49 9 e