20世紀80年代中期以來東亞大槽和東中國海海溫關系的年代際減弱和成因分析

王國松，侯敏，李琰，牟林，尚建設，宋軍，高佳，李程，李歡

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室，福建 廈門 361005；3.天津市濱海新區氣象局，天津 300457；4.山東省商河縣氣象局，山東 濟南 251600）

20世紀80年代中期以來東亞大槽和東中國海海溫關系的年代際減弱和成因分析

王國松1，2，侯敏3，李琰1，2，牟林1，尚建設4，宋軍1，高佳1，李程1，李歡1

（1.國家海洋信息中心，天津 300171；2.國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室，福建 廈門 361005；3.天津市濱海新區氣象局，天津 300457；4.山東省商河縣氣象局，山東 濟南 251600）

基于HadISST（Hadley Centre Sea-ice and Sea surface Temperature Data Set）的月平均海溫（SST）資料，對1960-2012年中國近海冬季SST的長期變化趨勢進行了詳細分析。結果顯示冬季SST經歷了一個顯著的升溫過程，增幅達0.018℃/年，在80年代末期發生了顯著的氣候增暖過程。對東亞冬季風子系統與冬季東中國海SST關系的年代際變化進行了分析。結果發現在1960-2012年間，東亞冬季風5個關鍵子系統中，東亞大槽與東中國海冬季SST年際變率上關系最為密切。進一步研究發現，自20世紀80年代中期以來，東亞大槽和東中國海冬季SST都發生了明顯的年代際變化，其中東亞大槽為年代際減弱，而東中國海冬季SST發生了年代際增暖。盡管1960-2012年間東亞大槽與東中國海冬季SST有顯著的負相關關系，但這種統計相關在1989-2012年期間顯著減弱。這種相關減弱的原因很可能是由于NPO（North Pacific Oscillation）的年代際變化背景下的東亞大槽的強度減弱有關。

海溫；東亞冬季風；東亞大槽；中國近海；年季變化

從地理位置上看，渤、黃、東海緊密相連，海水交換頻繁，因此東中國海SST長期變化有比較一致的趨勢。研究表明，在過去的幾十年中，渤、黃、東海SST均呈現出相當程度的升高（Jin et al，2011； Liu et al，2013； Bao et al，2014； 王慧等，2012）。造成東中國海SST年際變化的因素有很多，其中包括季風變異、黑潮增強及深層水變化等（Wu et al，2012；馮琳等，2009；Liu，et al，2005；Furey et al，2005；Xie et al，2002；陳錦年等，2013）。此外，非局地因子的影響也起著舉足輕重的作用，如厄爾尼諾和南方濤動（ENSO）、北太平洋濤動（NPO）和季風環流等（吳德星等，2005；Yeh et al，2010；馮琳等，2009）。

年代際變化為年際變化提供重要背景，也可以顯著調整更長時間尺度的變化（王會軍 等，2013）。已有的研究表明，近百年來東中國海或中國近海SST發生了明顯的年代際變化，出現顯著的增暖趨勢（閻俊岳等，1997；張秀芝等，2005）。早期的研究利用1951-1996年的ICOADS海溫數據，指出東亞大陸邊緣海SST在1960年代中期發生了年代際的位相轉換，并指出該轉換與赤道西太平洋有關（Park et al，2000）。最新的研究表明，中國海在1980年代中期后SST發生了顯著的氣候增暖（Bao et al，2014；Liu et al，2013，Jin et al，2011；伍玉梅等，2011；Yeh et al，2010），造成中國海SST年代際變化的影響因子很多，就局地影響因子而言，東亞冬季風在20世紀80年代中期發生了位相轉換，東亞冬季風減弱有利于中國近海特別是東海及附近海域SST的年代際上升（蔡榕碩等，2011）。同時，黑潮的年代際增強也造成了東海及鄰近海域SST的年代際上升（馮琳 等，2009；Tang et al，2011）。另一方面，諸如太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋年代際振蕩（AMO）這些非局地因子的年代際轉變也是造成中國海SST年代際變化的重要原因之一（Zhang et al，2010）。

東亞冬季風（EAWM）作為影響中國近海冬季SST最顯著的因子之一，是北半球冬季東亞地區最為顯著的氣候特征。東亞冬季風具有很大的年際和年代際變化（陳海山等，2013；陳文等，2013，Zhu et al，2005；何金海等，2004）。于是，東亞冬季風與中國大陸冬季氣溫和東亞沿海的SST之間的關系發生了顯著的年代際變化（李維京等，2013；Wang et al，2012）。在1956-1980年間，東亞冬季風的年際變率與東亞沿海冬季SST呈顯著的負相關關系，而這種關系在1980年代中期之后已明顯地減弱了（Wang et al，2012）。那么造成這種年代際變化的原因是什么？目前尚未有明確的解釋。東亞冬季風5個系統成員彼此之間相互聯系、相互影響（賀圣平等，2012）。前期研究指出，上述系統相應的強度指數與東亞同期SST的相關顯著區有所不同。那么上述系統成員是否都能對東中國海SST產生顯著影響？東亞冬季風在20世紀80年代發生了一次顯著的年代際變化，其系統成員都呈現明顯的減弱趨勢（梁蘇潔等，2014；黃小梅等，2013；Wang et al，2009）。那么，在東亞冬季風發生年代際突變前后，東亞冬季風系統成員與東中國海SST的相關關系是否會存在不穩定性？如果存在，其物理成因是什么？這是一個亟待解決的科學問題。

因此，本文將在前人研究基礎上，進一步探討東亞冬季風發生年代際突變前后，東亞冬季風系統成員和東中國海SST間的相互關系是否存在著年代際不穩定性？并揭示如何年代際不穩定性存在，其物理成因是什么？

1 資料和方法

本文所用的資料包括：（1）NCEP/NCAR全球再分析大氣月平均資料，空間分辨率2.5°×2.5°（Kalnay et al，1996）；（2）英國Hadley中心提供的月平均海表溫度資料，空間分辨率1°×1°（Rayner，2003）；為了強調年際變率，文中所研究時段為1960-2012年，冬季平均定義為12月、次年1和2月。

2 東中國海海表溫度年代際變化特征

首先分析了冬季中國近海海表溫度SST的變化，通過對原始SST數據經驗正交函數（EOF）分解，得出SST前兩個模態的揭示方差分別為68%和12.8%，占總方差的80.8%。其中第一主模態反應了中國近海整體一致型的SST增暖趨勢（圖1a），這可能與全球氣候變化密切相關。其中東中國海地區增暖幅度最大，相應的時間序列（PC1）有著顯著的年代際變化特征（圖1a），在20世紀80年代中期以前基本為負位相指數，而從20世紀80年代中期以來基本為正位相指數，并呈現出顯著的增暖趨勢，增暖速率為0.181℃/10年。其中第二模態的空間分布呈現南北反向變化特征（圖1b）。相應的時間序列（PC2）有著明顯的年際和年代際變化特征（圖1b）。由于本文主要分析東亞冬季風與東中國海SST關系的年代際轉變，因此將對東亞東中國海冬季SST第一模態的變化規律及與東亞冬季風的關系進行探討，為了便于表述，將東中國海冬季SST第一模態記為SST-PC1，相應的時間序列記為PC1。

圖1 冬季中國近海SST的EOF分解第一主模態（上左圖，方差貢獻67.9%）和第二模態（上右圖，方差貢獻12.8%）的多年平均空間分布（下左圖）和時間序列（下右圖）

3 東中國海海表溫度與東亞冬季風關系的年代際變化

東亞冬季風（EAWM）是一個十分復雜的系統，主要由5個系統成員組成，包括西伯利亞高壓、阿留申低壓、東亞大槽、對流層低層偏北風及高層東亞急流。近年來，學者們從不同的季風系統角度定義了東亞冬季風指數，如海-陸氣壓差：標準化的東西向（110°E與160°E）海平面氣壓差描述東亞冬季風強度（施能，1996，記為ISN）；西伯利亞高壓：將西伯利亞高壓指數用來描述東亞冬季風的強弱（Gong et al，2001，記為IGWZ）；區域平均經向風：（20°N-60°N，120°E-140°E）和（10 °N-25°N，110°E-130°E）范圍內地面經向風平均值（陳雋等，1999，ICS）；緯向風：（27.5°N-37.5 °N，110°E-170°E）與（50°N-60°N，80°E-140° E）兩區域內300 hPa標準化的緯向風之差（Jhun et al，2004，記為IJL）；東亞大槽：25°N-45°N，110°E-145°E范圍內位勢高度的區域加權平均值標準化后（孫柏民等，1997）。阿留申低壓：陳文等，2006，記為ICw）。

本文計算了上述指數與東中國海PC1的1960-2012年期間的相關關系。結果發現，在這些冬季風指數中，表征東亞大槽強度的冬季風指數與PC1的相關關系最好，相關系數為-0.71，遠超過99%置信度檢驗。其次為表征低層經向風的冬季風指數，相關系數為-0.48，超過99%置信度檢驗。而且另外表征西伯利亞高壓和阿留申低壓的3個冬季風指數相關系數卻沒有超過95%置信度檢驗，可認為相關不顯著。因此，本文將重點分析相關最顯著的東亞大槽與PC1相關關系的年代際變化。

圖2給出了冬季東亞大槽指數和PC1的時間演變曲線，可以清晰地看到東亞大槽在20世紀80年代中后期開始顯著變弱了。而PC1指數也表現出明顯的年代際變化，即20世紀80年代中期之后開始顯著增強了。之后計算了1960-2012年期間兩者的滑動相關系數（圖3），結果表明：兩者在20世紀80年代中期之前有顯著（統計上超過95%的置信度）的反相關關系，而在那以后這種顯著反相關關系不復存在。

表1 東亞季風指數與SST-PC1的相關系數

圖2 冬季東亞大槽指數（黃色柱）和PC1（藍色柱）的時間序列（1960-2012），黑實線和紅實線分別為兩指數的10年滑動平均

圖3 冬季東亞大槽指數與PC1在1960-2012年間的23年滑動相關系數，橫虛線表示達到95%信度的水平（t檢驗）

圖4 1960-1983年（a）冷時段和1989-2012年（b）暖時段東亞大槽指數和東中國海冬季SST第一模態空間分布SST-PC1的年際變化相關系數空間分布（陰影：超過95%信度檢驗）

于是將1960-2012年期間（全時段）按照溫度變化分成了兩段，冷時段（1960-1983）和暖時段（1989-2012）。分別計算了兩時段內東亞大槽和東中國海冬季SST第一模態空間分布的相關系數，結果表明在冷時段兩者的相關系數為-0.72遠超過95%置信度水平。在暖時段兩者的相關系數為-0.14遠低于95%，沒有顯著相關關系。從兩時段的東亞大槽指數和東中國海冬季SST第一模態空間分布之間的相關系數的空間分布特征（圖4）來看，確實在冷時段東亞大槽的正位相對應著東中國海SST的負異常，反之亦然。而在暖時段，在東中國海的負相關區基本消失，沒有顯著相關區，負相關范圍則縮小到僅僅（140°E-150°E，20°N-25°N）的一個小范圍區域。而暖時段在日本海以東（160°E-180°E，40°N-55°N）出現了顯著的正相關區，而這冷時段這個顯著正相關區并不存在。綜上，自20世紀80年代中期開始，東亞大槽與東中國海SST年際變率間的聯系明顯減弱。

那么是什么原因導致了東亞冬季風的關鍵子系統——東亞大槽與冬季東中國海SST的年際關系在1960-1983年期間如此顯著，而到了1989-2012年期間卻迅速減弱了呢？為回答這個問題，給出了冷期和暖期的500 hPa距平高度場和1 000 hPa距平風場分布（圖5）。首先，從冷期和暖期的500hPa距平高度場上看，冷期，烏拉爾山為正距平，在東亞及其沿海地區上空呈顯著的負高度距平，這種距平分布意味著烏拉爾山高壓脊強且東亞大槽較深，東亞高緯度地區偏北氣流較強，冷空氣活動較強，東亞冬季風偏強，使得我國東部沿海冬季容易發生持續偏冷的情況。而在1989-2012年暖期的500 hPa高度距平場與冷期的環流型相反，烏拉爾山為負距平區且東亞大槽較淺，東亞冬季風偏弱，不利于冷空氣南下影響我國，使得我國東部沿海地區溫度偏暖。可見，1980年代前后冬季冷期和暖期，歐亞地區大氣環流型基本呈相反的分布特征，東亞大槽呈明顯的減弱形勢。

圖5 500 hPa位勢高度場距平分布圖（填色，單位：dagpm）和1 000 hPa的距平風場結構（單位：m/s）

圖6 冬季東亞大槽指數與1 000百帕風場相關系數的矢量合成（陰影：徑向風場相關系數超過95%信度檢驗）

圖7 NPO指數（黑色柱）的時間序列（1960-2012），紅實線為10年滑動平均

圖5中顯示，在冷期的1 000 hPa風場中，東中國海海區上空表現為顯著的北風和西北風異常，顯示出東亞冬季風的偏強。而當暖期時，東中國海海區上空表現為顯著的南風異常，顯示出東亞冬季風的偏弱。使得暖期的風場結果更有利于海水的增溫。

圖8 NPO指數與1 000百帕風場相關系數的矢量合成

圖9 NPO指數和西北太平洋SST的年際變化相關系數的空間分布

合成分析結果表明1980年代前后東亞大槽強度發生了顯著的由強到弱的轉變特征。那么在這種改變情形下，東亞大槽與影響冬季東中國海SST的關鍵因子的關系發生了什么樣的變化？為回答這個問題，圖6給出了冬季東亞大槽指數與1 000 hPa風場相關系數的矢量合成。在冷期，顯著的北風信號出現在東中國海海域上面。表明當東亞大槽強時，在東中國海海域上面會出現顯著的北風距平。而在暖期時，在東中國海海區上空顯著的北風信號北撤到日本海附近，在東中國海的大部分地區都沒有顯著相關。

造成這種現象的原因是什么呢？為回答這個問題，在圖5中發現風場在北太平洋上也發生了顯著的變化。其環流場由冷期的反氣旋環流變成氣旋式環流，北太平洋風場的變化很可能與北太平洋濤動（NPO）的年代際變化相關。NPO是指北太平洋阿留申群島附近和夏威夷群島附近南北氣壓差反相變化的大氣遙相關模態。北太平洋濤動指數定義為北太平洋區域海平面氣壓場經驗正交函數分解的第二模態的時間系數（Yeh et al，2010）。圖7給出了冬季NPO指數的時間演變曲線，可以清晰地看到NPO在20世紀80年代中期存在顯著的年代際變化，表現為從負位相到正位相的轉變。因此NPO很可能作為一個背景狀態對東亞大槽起影響，從圖5也可看出NPO年代際變化前后500 hPa位勢高度場的分布幾乎相反，NPO處于正位相時東亞地區500 hPa位勢高度場距平變化，說明與負位相NPO相比，NPO正位相背景下的東亞大槽變弱，東亞冬季風也變弱，進而影響東中國海海表溫度。

同時，在這種情況下還分析了冷暖期NPO指數與1 000 hPa風場相關系數的矢量合成結果（圖8）。在冷期，顯著的北風信號出現在東中國海海域上面。表明當NPO年代際變化前，即NPO為負位相時，東亞沿岸有較顯著的北風，異常偏北氣流會帶來干冷的空氣，使得東亞大槽加深，從而導致東中國海顯著降溫（圖9）。而當NPO處于正位相時，東中國海上空表現為南風和西風異常，且NPO指數與東中國海上空的風場沒有明顯的相關關系。在這種情形下，東中國海將會升溫。

4 結論

本文對東亞冬季風子系統與冬季東中國海SST關系的年代際變化進行了分析。結果發現在東亞冬季風5個關鍵子系統中，與東中國海冬季SST年際變率上關系最為密切的是東亞大槽，而與西伯利亞高壓、阿留申低壓等沒有顯著的相關關系。在年代際變化中，自20世紀80年代中期以來，東亞大槽和東中國海冬季SST都發生了明顯的年代際變化，其中東亞大槽為年代際減弱，而東中國海冬季SST發生了年代際增暖。盡管1960-2012年間東亞大槽與東中國海冬季SST有顯著的負相關關系，但這種統計相關在1989-2012年期間顯著減弱。這種相關減弱的原因很可能是由于NPO的年代際變化背景下東亞大槽的強度減弱有關。

Bao B,Ren G Y,2014.Climatological characteristics and long-term change of SST over the marginal seas of China.Continental Shelf Research,(77)：96-106.

Clara Deser,Michael A A,Shang-Ping X,et al,2010.Sea surface temperature variability：patterns and mechanisms.Annu.Rev.Marine. Sci,(2)：115-143.

Gong D Y,Wang S W,Zhu J H,2001.East Hsian winter monsoon and Arctic oscillation.Geophysical Research Letters,28(10):2073-2076.

He S P,2013.Reduction of the East Asian monsoon interannual variability after the mid-1980s and possible cause.Chin Sci Bull(58), doi：10.1007/s11433-01205468-5.

Jhun J G,Lee E J,2004.A new East Asian Winter monsoon index and associated charact eristics of the winter monsoon.Journal of Climate, 17(4):711-726.

Jin Q H,Wang H,2011.Multitime scale variations of sea surface temperature in the China seas based on the HadISST dataset.Acta O-ceanologica Sinica,30(4)：14-23.

Liu Q Y,Zhang Q,2013.Analysis on long-term change of sea surface temperature in the China Seas.J.Ocean Univ.China,12(2)：295-300.

Park W S,Oh I S,2000.Interannual and interdecadal variations of sea surface temperature in the East Asian Marginal Seas.Progress in O-ceanography,47(2-4)：191-204.

Wang H J,He S P,2012.Weakening relationship between East Asian Winter Monsoon and ENSO after mid-1970s.Chin Sci Bull,(57), doi：10.1007/s11434-012-5285-x.

Xie S P,Deser C,Vecchi G A,et al,2010.Global warming pattern formation： sea surface temperature and rainfall.Journal of Climate, (23)：966-986.

Yeh S W,Kim C H,2010.Recent warming in the Yellow/East China Sea during winter and the associated atmospheric circulation.Continental Shelf Research,1428-1434.

蔡榕碩，陳際龍，譚紅建，2011.全球變暖背景下中國近海表層海溫變異及其與東亞季風的關系.氣候與環境研究，16（1）：94-105.

陳文，康麗華，2006.北極濤動與東亞冬季氣候在年際尺度上的聯系：準定常行星波的作用.大氣科學，30（5）：863-870.

陳雋，孫淑清，1999.東亞冬季風異常與全球大氣環流變化：I強弱冬季風影響的對比研究.大氣科學，23（1）：101-111.

陳海山，張葉，2013.大規模城市化影響東亞冬季風的敏感性試驗.科學通報，58（13）：1 221-1 227.

陳錦年，左濤，汪洋，等，2013.年南海夏季風爆發時間的確定.海洋通報，32（5）：514-520.

馮琳，林霄沛，2009.1945-2006年東中國海海表溫度的長期變化趨勢.中國海洋大學學報，39（1）：13-18.

何金海，宇婧婧，沈新勇，等，2004.有關東亞季風的形成及其變率的研究.熱帶氣象學報，20（5）：449-459.

黃小梅，管兆勇，戴竹君，等，2013.冬季東亞大槽強度年際變化及其與中國氣候聯系的再分析.氣象學報，71（3）：33-43.

李維京，李怡，陳麗娟，等，2013.我國冬季氣溫與影響因子關系的年代際變化.應用氣象學報，24（4）：385-395.

孫柏民，李崇銀，1997.冬季東亞大槽的擾動與熱帶對流活動的關系.科學通報，42（5）：500-504.

施能，朱乾根，1996.近40年東亞夏季風及我國夏季大尺度天氣氣候異常.大氣科學，20（5）：575-583.

王會軍，范可，2013.東亞季風近幾十年來的主要變化特征.大氣科學，37（2）：313-318.

王慧，范文靜，李琰，等，2012.渤黃海沿海2月份海平面異常偏高成因分析.海洋通報，31（3）：255-261.

王寧，2007.東亞冬季風指數研究進展.地理科學，（27）：103-110.

伍玉梅，徐兆禮，樊偉，等，2011.1985-2005年東海海表溫度時空變化特征分析.海洋學報，（33）：9-18.

徐海明，王琳瑋，何金海，2008.衛星資料揭示的春季黑潮海區海洋對大氣的影響及其機制研究.科學通報，53（4）：463-470.

張秀芝，裘越芳，2005.近百年中國近海海溫變化.氣候與環境研究，10（4）：799-807.

（本文編輯:袁澤軼）

Weakening relationship between the East Asian Trough and Sea Surface Temperature over East China Sea after mid-1980s and possible cause

WANG Guo-song1,2,HOU Min3,LI Yan1,2,MU Lin1,SHANG Jian-she4, SONG Jun1,GAO Jia1,LI Cheng1,LI Huan1

（1.National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China;2.Key Laboratory of Global Change and Marine-Atmospheric Chemistry,Xiamen 361005,China;3.Tianjin Binhai New Area Meteorology Administration,Tianjin300457,China; 4.Shandong ProvinceShanghe Meteorology Administration,Jinan 251600,China）

Based on monthly mean HadISST data,long-term changes of sea surface temperature(SST)in winter over the East China Sea （ECS） have been analyzed for the time period 1960-2012.The results show that SST in winter experiences a significant increase by the value of 0.018°C/year.An abrupt warming of SST occurred in late 1980s.The East Asian winter monsoon（EAWM）consists of subsystems such as the Siberian high,Aleutian low,East Asian Trough(EAT),low-level northerly wind and high-level East Asian jet stream.It is revealed that the correlation between these subsystems and SST over East China Sea was calculated.The most significant relationship occurs between the EAT and SST over the ECS during 1960-2012.Further study shows that there is also significant inter-annual relationship between EAT and SST over the ECS in winter during 1960-1983.However,the significant inter-annual relations in the previous period are found to have beendisrupted during 1989～2012.Further analysis reveals that after late 1980s,the intensity of EAT tends to decrease.These changes may have caused the weakening relationships between the EAWM and SST over the ECS during 1987-2012.

sea surface temperature;East Asian winter monsoon;East Asian Trough;China seas;inter-annual variability

P732.5

A

1001-6932（2016）06-0649-08

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.06.007

2015-06-30；

2015-11-02

國家自然科學基金面上項目（41376014）；國家科技支撐計劃課題 （2014BAB12B02）；天津市科技支撐計劃項目（14ZCZDSF00012），國家海洋局海洋-大氣化學與全球變化重點實驗室開放基金（GCMAC1402）。

王國松 (1987-)，男，碩士，研究實習員，主要從事海洋氣候變化、數值模擬研究。電子郵箱：wgs_wrf@163.com。

李琰，博士，副研究員。電子郵箱：ok8200@sina.com。