第23卷第5期 2008年10月 成都信息工程学院学报 Vo1.23 No.5 Dct.2008 JOURNAL OF CHENGDU UNIVERS1TY OF lNF0RMATION TECHN0L()GY 文章编号:1671—1742(201)8)05.0522—06 2O世纪80年代初以来北太平洋海温变化特征 吕晓娜, 方之芳 (成都信息工程学院,四川成都610225) 摘要:应用1979.1—2006.12北太平洋海表温度(SST)资料,采用一元线性回归、功率谱等统汁方法对该区 SST的变化特征进行分析,结果表明:(1)北太平洋SST年际变化较为显著,尤其在靠近亚洲一带洋面、北太平 洋中部中纬度海域及赤道中、东太平洋;(2)北太平洋西部和中部SSTI一12月均呈上升趋势,靠近亚洲的日本 海一带和我国以东洋面升温最快。除我国以东洋面升温中心在冬季外,其余海域升温均在夏秋季更迅速,20 世纪90年代初以来尤为明显;北美海岸山脉以西及赤道中、东太平洋SST则呈弱的下降趋势;(3)赤道中、东太平 洋春夏季存在显著5a和3.5a左右的年际变化;北太平洋中部3O。N一带冬春季存在5—6a左右的年际变化和约 14a的年代际变化;(4)除北太平洋中部(西风漂流区)外,各个海域大部分月份SST高值年和低值年分别与厄尔尼 诺年和拉尼娜年对应,西风漂流区SST高值年均出现在2O世纪末2l世纪初,低值年与厄尔尼诺年对应。 关键词:北太平洋;海表温度;趋势;周期 文献标识码:A 中图分类号:P732 1 前言 北太平洋海域是反映全球大气和海洋变化的敏感区域,该区海温是影响全球气候的一个重要因素,特别是对 周围陆地的气候,如中国的温度、降水等要素,都有重大的影响。因此,研究该区海温的变化对我国天气、气 候的预报、预测都有重要意义。 诸多研究l1.2j已表明,北太平洋海表温度(sea surface temperature,以下简称SsT)在20世纪70年代末发生 突变。不仅如此,冬季大气环流及风应力等多种要素均发生显著变化,El Nino事件也发生变化,即70年代末以 来赤道中、东太平洋增暖,而西北太平洋变冷【3 ;高庆九等_4 J对20世纪70年代前后北太平洋海温场气候特征进 行比较,指出20世纪70年代中后期以来,赤道中、东太平洋由冷转暖,中高纬西风漂流区由暖转冷,且西风漂流 区更为显著;1976年之前,拉尼娜事件持续时间长,强度大,而1976年后,厄尔尼诺事件持续时间加长,强度增 大。黄海仁等_5j亦提出,1970年以后北太平洋各尺度上冷暖事件的强度明显增大。 北太平洋SST的周期分析中,高庆九等【 ]运用小波分析方法研究表明,其SST变化存在2—6a的ENSO循 环周期,迭加在8—9a的年际振荡和22a左右的年代际尺度上。黄海仁等[5、余贞寿等[5]6]均对赤道中、东太平洋 SST周期进行分析,前者提出Nino区的SST存在2—7a、8—20a和30a以上时间尺度的变化,其中,2—7a的周期 变化更为显著,lOa以上和1a以下的周期信号较弱;后者研究表明,该区存在0.9—1.2a的年变化、2—8a的年际 变化、10—15a的年代际变化,中心尺度分别为1a、5a、12a;二者大体一致。张秀芝[ ]等对我国近海长达近一百年 的海温资料分析表明,除东海外,我国各海区年、季均有2—4a年的显著变化周期和准7年的变化周期。 以上叙述表明,北太平洋海温整体与其中某一部分海域的变化情况并不一致,而大多工作只是分析了其中一 块海域。因此在前人工作的基础上,选取海温突变之后的1979—2006年,通过对该时段北太平洋SST的方差和 趋势分析,找出年际变化显著的几个关键区,对1—12月每个关键区SST的变化进行较详细的统计分析。 2资料和方法 采用英国Hadley气候研究中心提供的全球逐月海表温度资料。年代为1979年1月至2006年12月,共336 个月。网格距为1o×1。。文中所取的北太平洋范围为10。S一60。N,120。E一80。w。采用方差、一元线性回归、回 收稿日期:2007—11.19;修订日期:2007。12.14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40675036,40675037) 第5期 吕晓娜等:20世纪80年代初以来北太平洋海温变化特征 523 归系数信度检验、趋势方差贡献及功率谱周期分析等统计方法。 3北太平洋海温方差分析 方差是描述样本资料与平均值差异的平均状况的统计量,是衡量资料围绕平均值的平均变化幅度_8j。因 此,通过分析北太平洋SST的方差,即可找出其年际变化相对较大的区域。 图l为北太平洋1979—2006年的年平均SST方差。由图可见,该区年平均YxST存在显著年际变化的区域 为赤道中、东太平洋,中纬度一带包括西风漂流区、靠近亚洲洋面和北美西部部分海域;其中赤道中、东 太平洋年际变化最大,尤其在靠近南美一带,方差中心值达1.2以上,其次为靠近亚洲的日本海和我国 东部沿海一带,中心值在0.8以上;在墨西哥西部小块洋面SST亦出现方差大值区。中纬度西风漂流区一带方 差亦较大,但值比以上几个区域均小。 图1北太平洋海表温度1979—2006年方差图 4北太平洋海表温度趋势分析 根据方差分析,取年际变化较大区域所在的纬度,即0.5。S,30.5。N,44.5。N,分别计算各纬度带l一12月海 温的变率(图2),以此来反映整个北太平洋海温的趋势变化。 由图2可见,总体而言,北太平洋西部和中部SST的趋势变化较明显,且各月均呈升高趋势,尤以中纬靠近 亚洲一带SST升高最快;东部,夏秋季靠近北美部分海域和全年赤道中、东太平洋SST呈下降趋势。西 部和东部变率中心位置随月份变化不大,中纬中部海域中心随时间向东移动。 44.5。N纬带(图2a),1—12月日本海及以东洋面和夏秋季中部海域SST升高明显,通过0.01显著性水平检 验,其中,日本海一带(140。E左右)尤为迅速,10月138.5。E处变率最大,达0.113℃・a_。,28年来上升约3.2℃; 中部海域中心位于8月178.5。W,值为0.06CC・8_。,28年来SST上升约1.8℃,仅为日本海中心变率的一半。 夏秋季北美海岸山脉以西洋面SST有所下降,9月124.5。W处变率最小,为一0.093℃・a一,28年来降低约 2.612,通过0.0l显著性水平检验。 30.5。N纬带(图2b),全年北太平洋西部和中部及夏秋季墨西哥以西洋面SST呈显著上升趋势,中心值出现 时间有所不同。西部靠近亚洲一带洋面中心变率出现在冬季,尤以1月126.5。E处最大,达0.113℃・a~, 和日本海一带中心值相同,28年来亦上升约3.2℃;中部海域中心在4月172.5。w,值为0.05712・a_。,仅为前者 的一半。墨西哥以西洋面海温和44.5。N北美西部一带趋势相反,呈显著上升趋势,仍以夏秋季较明显,8月最 快,为0.112℃・a_。,28年来此处升温约3.1℃,以上区域升温均通过0.01显著性检验。 0.5 ̄S纬带(图2c),即赤道地区,西太平洋暖池区SST呈上升趋势,140。E左右海域各月变化均显著,4月 524 成都信 6- 工程学 院 学报 第23卷 l39.5。E处升温最快,为0.035℃・a一,中心值为3个纬度带正变率中心值中最小;而赤道中、东太平洋区域海温 有所下降,但变率较小,未通过信度检验。 眦 眦州 黼 啪洲 儿 哪洲 呲 唧洲 由以上变率分析可得,北太平洋西部和中部SST1一I2月均呈升高趋势,尤以l0月日本海和1月我国 以东洋面上升最快,变率为北太平洋中部海域的2倍;东部,墨西哥以西洋面夏秋季,SST亦呈显著升高,尤其8 月。北美海岸山脉以西,及赤道中、东太平洋SST则呈弱的下降趋势。西部和东部变率中心位置随时间变化不 大,中纬中部海域中心随时问向东移动。 北太平洋中部,不同纬带SST升温情况亦有所不同,30。N附近l—l2月升温均显著,纬度较高的45。N附近 相应经度范围内则仅夏秋两季升温较明显。北美海岸山脉以西海域SST降低,墨西哥以西升高,二者均在夏秋 季变化更为迅速。 (b) (c) 图2北太平洋3个纬度带SST1一l2月的变率图 (a:44.5 N,b:30.5 oN.c:0.5*S。单位:12・a 灰色:通过0.0l显著性检验;黑色:通过0.05显著性检验,空白处表示陆地) 5北太平洋海温年际变化特征分析 由以上方差和变率分析可见,北太平洋SST年际及趋势变化主要发生在7个海域,分别为:日本海一带(35. 5。N一50.5。N,120.5 0E一140.50E),我国以东洋面(20.50N一35.5。N,120.5。E一140.50E),北太平洋中部 30。N附近(25.5。N一35.5。N,165.50E一150.50w),北太平洋中部45。N附近(30.5。N一50.50N,165.50E一164. 50W),北美海岸山脉以西(30.5。N一50.5。N,130.50W一120.50W),墨西哥以西(15.5。N一30.5。N,120.50W一 100.50W),赤道中、东太平洋(5.5。S一5.5。N,169.5。W一80.5。w)7个海域。分别计算1979—2006年1一l2月所 选范围SST的区域平均,分别得到其各月份的年际变化曲线。以下分区域进行讨论。 日本海一带和我国以东洋面,1—12月SsT均呈显著升高,通过0.0l显著性水平检验,其中10—12月 升高尤为迅速,趋势方差均占总方差的4O%以上;日本海一带10月升高最快,变率达0.06℃・a_。,趋势方差占总 方差的52.1%,我国以东洋面l2月升高最快,变率达0.05℃・a~,趋势方差占总方差的52.3%,二者均占总方差 第5期 一吕晓娜等:20世纪80年代初以来北太平洋海温变化特征 525 半以上,与纬带变率分析结果相似;l一3月,我国以东洋面变率大于日本海一带,而4一l0月后者明显大于前 者,升温更为迅速。用功率谱方法对其周期进行分析,表明二者各月SST均以1波为主,在年际时间尺度,28年 间没有显著的周期存在。可见该海域SST以趋势变化为主。4一l2月,1998年和1981年几乎均为SST的最大 值和最小值年。 北太平洋中部海域,30。N附近sST各月均升高明显,变率均通过0.05以上显著性水平检验,夏秋季(7—10 月)上升尤为显著;特别是9月,变率达0.03℃・a~,趋势方差占总方差的43.2%,l979—1984年6年&ST平均 温度为25.6℃,2001—2006年6年,其平均值为26.3℃,相对升高0.7"C。各月份均在20世纪90年代初以来, 升温更加迅速,以9月为例,1979—1993年,变率为0.025℃・a_。,1993—2006年时段一,变率达0.046℃・a_。。周 期分析可见,2月最为显著,存在约14a和5—6a的周期,二者方差和占总方差的21%以上,另外,1—6月存在约 14a周期,1、2、11和l2月存在5—6a的周期;夏秋两季周期不很明显。综上可见,该海域 r在冬春季以周期变 化为主,夏秋季则升高趋势更为明显。SST高值年分别为2000年(1—3月、5月)、1999年(4、6、12月)、2'001年 (7、9月)和2005年(8、10月),均出现在20世纪末21世纪初;低值年为1997年(1月)、1983年(3、4月)、1992年 (5—7月)、1982年(9月)、1993年(10月),均与厄尔尼诺年对应【 ’l【)l。 (b) 1980 198.5 1990 1995 2000 2005 1980 198.5 ’g90 1gg,5 2000 2005 (c) (d) (e) (f) 图3 6海域变率较大月份1979—2006年SST年际变化图(单位:℃) (a:10月日本海一带.b:12月我国以东洋面;c:9月北太平洋中部3O。N附近;d:9月北太平洋中部45。N附近;e:8月墨西哥以西洋面;h5月 赤道中、东太平洋) 45。N附近SST仅在夏秋两季(5—11月)升温迅速,变率通过0.05以上显著性水平检验,9月上升最快,变率 为0.0412・a_。,趋势方差占总方差的32.1%,1979—1984年6年&ST平均温度为16.512,2001—2006年6年, 其平均值为17.2℃,相对升高0.7℃。各月份亦均在20世纪90年代初期以来,升温更加迅速,以9月为例,1979 —1993年,变率为一0.O2412・a_。,SST呈弱的降低,1993—2006年,变率达0.O8412・a~,迅速升温。周期分析 O 5 93缒2526 成都信 息 工程学 院学报 第23卷 表明,7—9月SST变化l波较显著,其它月份无明显周期存在。该海域SxST夏秋季以趋势变化为主,其它月份 趋势与周期均不明显。SST高值年分别为2006年(8、9月)、1990年(10、l1月)和1991年(1—4月、6月);小值 年为1987年(1—4月、8—9月)、1983年(6—7月),与厄尔尼诺年对应。可见,中纬度北太平洋中部,即西风漂流 区一带SST变化与其它区域有所不同,高温年与低温年与其他海域不同。 北美海岸山脉以西洋面,各月SST趋势变化不明显,春、秋、冬季有弱的下降趋势,仅l0月通过0.05显著性 水平,其趋势方差占总方差的l9%。周期分析可见,1—3月该区SST存在14a左右周期,8月存在7a左右周期, 5—6月存在4a左右周期,以上周期方差约占总方差10%。该海域以周期变化为主。最大值年为1997年(5一l2 月),最小值年为1999年(4—7月、9—10月),而1997和1999分别为厄尔尼诺和拉尼娜年,二者对应。 墨西哥以西洋面,全年SST均呈上升趋势,速度较慢,仅夏季6—8月变率通过0.05显著性检验;8月变率 最大,为0.031℃・a~,1979—1984年6年SST平均温度为26.2℃,2001—2006年6年,其平均值为26.7℃,相 对升高0.5℃。7—8月,该区平均SST在20世纪90年代初以来升温较快,以8月为例,1979—1991年变率仅为 0.001℃・a_。,1991—2006年为0.024℃・a_。,后者升温更迅速。周期分析表明,1、2、3月分别存在约4a、9a和 14a周期。可见,该海域SST仅夏季趋势变化明显,而其它月份趋势与周期均弱。SST最大值年为1992年(4—6 月)、1993年(2—3月)、1997年(7一l2月)和1998年(1月),最小值年为1988年(9—12月)、1989年(1—3月、7 月)和1999年(4—5月),亦与厄尔尼诺和拉尼娜年对应。 赤道中、东太平洋海域,SST大部分月份呈弱的降低,均未通过信度检验。周期分析可见,其在3—5月和7、 8月存在显著5a左右周期,尤其在5月,其周期方差占总方差的26.4%;此外,8月存在3.5a左右周期,与余贞寿 等【Il J的结果一致。SST最大值年为1983年(1—6月,1998年次之)、1997年(7—12月),最小值年为1999年(1 月)、1985年(2—5月)、1988年(6—12月)。亦与黄海仁等【5 J的结果一致。 通过分别计算北太平洋各个海域SST的区域平均,更能客观分析其年际变化。北太平洋大部分海域SST有 所上升,其中靠近亚洲的日本海一带夏秋季和我国以东洋面冬季升高最为显著,其最大趋势方差占总方差的 一半以上;其次为中纬度中部洋面,S 升高亦明显,特别在20世纪90年代初以来上升更为迅速;北太平洋东部 海域及赤道中、东太平洋一带趋势变化不明显,仅在墨西哥以西洋面夏季有较快的升温,亦20世纪90年代初以 来更为迅速。 周期而言,赤道中、东太平洋春夏季最为显著,其方差贡献最大在25%以上,存在5a和3.5a左右的年际变 化,与黄海任 J、余贞寿 6等得出的结果一致;其次,北太平洋中部30。N一带冬春季存在5—6a左右的年际变化 及约14a的年代际变化;其它部分海域仅某月存在明显周期或无显著周期存在。 除北太平洋中部(西风漂流区)外,各个海域大部分月份SST高值年和低值年分别与厄尔尼诺年和拉尼娜年 对应;西风漂流区高值年均出现在20世纪末2l世纪初,低值年与厄尔尼诺年对应。 6结果与讨论 分析1 979—2006年北太平洋海表温度的趋势、周期及高、低值年的变化,具体结论如下: (1)北太平洋海表温度年际变化在7个区域较为显著,分别为:Et本海一带,我国以东洋面,北太平洋中 部30。N附近,北太平洋中部45。N附近,北美海岸山脉以西,墨西哥以西,赤道中、东太平洋。 (2):tl5太平洋西部和中部SsT1—12月均呈上升趋势,靠近亚洲的日本海一带和我国以东洋面升温最 快。除我国以东洋面升温中心在冬季外,其余升温海域均在夏秋季更为迅速,墨西哥以西夏秋季升高亦较迅速, 尤其在20世纪90年代初以来;北美海岸山脉以西,及赤道中、东太平洋SST则呈弱的下降趋势。西部和东部变 率中心位置随时间变化不大,中纬中部海域中心随时间向东移动。 (3)赤道中、东太平洋春夏季存在显著5a和3.5a左右的年际变化;北太平洋中部30。N一带冬春季存在5— 6a左右的年际变化及约14a的年代际变化。 (4)除北太平洋中部(西风漂流区)外,各个海域大部分月份SST高值年为1997年、1998年,低值年为1988 年、1999年,分别与厄尔尼诺年和拉尼娜年对应;西风漂流区SST高值年均出现在20世纪末2l世纪初,低值年 则与厄尔尼诺年对应。 以上分析中,我国以东洋面在冬季升温最快,与其他升温海域不同。可能与东亚冬季风的影响有关,梁巧倩 副 m n 第5期 吕晓娜等:20世纪80年代初以来北太平洋海温变化特征 527 等研究[12]表明,东亚临海是海一气热通量异常的显著区。东亚冬季风弱时在东亚临海为偏南风距平,抑制相应海 域海一气界面上海表向大气释放的热通量,从而使得海表温度出现正距平,强冬季风反之。 除中纬太平洋外,其它海域,尤其在北太平洋东部,SST的高值和低值年均与厄尔尼诺和拉尼娜对应,对东亚 等区域的气候预测具有指示作用。 参考文献: [1]Quinn,W.H.,and V.T.Nea1.Long—term variations in the Southern Oscillation,El Ni no and Chilean sub— tropical rainfall[J].Fisheries Service,Fishery Bulletin,1984,81(2):363—374. 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Variation of sea surface temperature in North Pacific Ocean since early 1 980s LV Xiao-na, FANG Zhi—fang (Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China) Abstract:Based on the sea surface temperature(SsT)in the North Pacific Ocean from 1979.1 to 2006.12 a detailed analysis is made by means of the statistic methods such as unitary linearity regression method and power spectrum. The results show that 1)There are seven regions over that SST changes remarkably:near J apanese sea,east of the Chinese mainland,the middle of Pacific Ocean near 30oN,the middle of Pacific Ocean near 45oN,west of Coast Range in North America,west of Mexico and the Middle and East Equatorial Pacific.2)SST over the west and mid— die of Pacific Ocean is incraesing,most quickly over Japanese sea and east of the Chinese mainland.Except for the center of SST the increase in winter iS over east of the Chinese mainland;the others are all in summer and autumn, especially since the early 1990s.The SST over west of Coast Range and the Middle and East Equatorial Pacific de— crease,but more slowly.3)The Middle and East Equatorial Pacific possesses the variation peridos of 5a and 3.5a while there iS about 5—6a and 14a periodicity over the middle of Pacific Ocean near 30oN.4)Years of both maxi— mum and minimum SST are consistent with that of El Nino and La Nino in most regions except the mid—latitude Pa— cific where the maximum appears in the 1ate 1990s and early 2000s and minimum appears in years of El Nino. Key words:North Pacific Ocean;sea surface temperature;tendency;oscillation cycle