趙寶宏，劉宇迪，付邦雨

（1.解放軍理工大學(xué)氣象學(xué)院 江蘇南京 211101；2.71320部隊(duì)74分隊(duì) 河南開(kāi)封 475003）

1 引言

海洋鋒定義為某一個(gè)水文變量的梯度達(dá)到極大值的地方，由于水文變量可以是水溫、鹽度、密度等[1]。從水團(tuán)研究的觀點(diǎn)來(lái)看，不同性質(zhì)的水團(tuán)，在水平方向上的邊界稱為海洋鋒。海洋鋒是水平方向毗鄰的不同性質(zhì)水團(tuán)間的邊界，是海洋學(xué)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。有關(guān)研究表明鋒面通常是海洋中的高生產(chǎn)力區(qū)，魚(yú)群通常沿鋒面聚集形成漁場(chǎng)[2-3]。

海洋鋒的定量指標(biāo)在海洋界目前尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)研究區(qū)域和研究目的不同，選取的海洋鋒強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不一。對(duì)于黃東海來(lái)說(shuō)，海洋鋒的研究從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，湯毓詳、郭炳火、Hickox、劉傳玉等許多學(xué)者應(yīng)用不同的資料，揭示了海洋鋒的存在和初步的分布范圍以及變化特征[4-8]。對(duì)南海而言，李立、王東曉等學(xué)者對(duì)海洋鋒的研究也只停留在北部灣以及臺(tái)灣海峽及其以西的海域范圍[9-11]。對(duì)于整個(gè)南海鹽度鋒的年際變化究竟有什么特點(diǎn)和規(guī)律，尚未見(jiàn)到相關(guān)的文章。鹽度鋒具有很強(qiáng)的季節(jié)變化規(guī)律，有一個(gè)問(wèn)題就擺在我們面前：鹽度鋒的年際變化是不是也有規(guī)律，規(guī)律是怎么樣的，有沒(méi)有發(fā)生突變的情況。因此，本文主要研究這些問(wèn)題。

2 資料和方法

所用資料來(lái)源于美國(guó)馬里蘭大學(xué)和美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)共同研制開(kāi)發(fā)的全球簡(jiǎn)單海洋同化分析系統(tǒng)SODA-2.1.6的月平均數(shù)據(jù)資料[12-13]。SODA海洋數(shù)據(jù)集包含的變量有溫度、鹽度、海流速度、海表風(fēng)應(yīng)力、海洋上層0—500 m熱含量、海洋上層0—125 m熱含量、海平面高度等。水平分辨率為0.50°×0.50°，垂直方向上的分辨率為不等間距，海表以下共40層，深度（單位/m）分別為5、15、25、35、46、57、70、82、96、112、129、148、 171、 197、 229、 268、 317、 381、 465、579、 729、 918、 1139、 1378、 1625、 1875、2125、 2375、 2624、 2874、 3124、 3374、 3624、3874、 4124、 4374、 4624、 4874、 5124、 5374。覆蓋時(shí)段為1958年1月—2007年12月，總共50年。

另外，使用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)方法[14-15]對(duì)鹽度鋒強(qiáng)度的距平場(chǎng)進(jìn)行展開(kāi)，可以得到鹽度鋒強(qiáng)度的空間分布和時(shí)間系數(shù)，通過(guò)功率譜和Morlet小波分析其變化趨勢(shì)和周期變化，可以得出鹽度鋒的年際變化特征。同時(shí)，利用Mann-Kendall方法對(duì)某一序列做突變檢測(cè)，可以找出這個(gè)序列發(fā)生突變的情況。

3 鹽度鋒強(qiáng)度的均方差分布

圖1 南海鹽度鋒強(qiáng)度在1、4、7、10月的均方差分布（分別代表冬、春、夏和秋季）

表1 EOF展開(kāi)前6個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)和North檢驗(yàn)

為了解鹽度鋒強(qiáng)度在南海哪些區(qū)域變化比較突出，以便找出重點(diǎn)要作季節(jié)變化分析的區(qū)域。圖1是1958—2007年50年鹽度鋒強(qiáng)度4個(gè)季節(jié)代表月份的均方差圖（其余月份的均方差圖略）。從圖上可以分析出：鹽度鋒強(qiáng)度在以下6個(gè)地方異常增大，分別是在北部灣、海南島以東及其南海北部、呂宋海峽、東馬來(lái)西亞西北和越南最南端。具體來(lái)看，北部灣的鹽度鋒強(qiáng)度均方差只在秋冬兩季節(jié)變化顯著，可以達(dá)到0.002。南海北部均方差顯著變化出現(xiàn)在夏秋兩季，海南島以東、呂宋海峽和東馬來(lái)西亞西北部一年四季均方差都是大值分布區(qū)。這些規(guī)律說(shuō)明，整個(gè)南海鹽度鋒強(qiáng)度具有很強(qiáng)的季節(jié)變化特點(diǎn)。同時(shí)，也說(shuō)明鹽度鋒的季節(jié)變化也只是在某些區(qū)域變化比較顯著，研究的重點(diǎn)可以落到這些相關(guān)海域。因此，揭示這種季節(jié)變化的規(guī)律和特點(diǎn)，對(duì)我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)南海的環(huán)流和水團(tuán)混合，具有重要的意義和科學(xué)價(jià)值。

4 EOF第一模態(tài)的時(shí)空演變特征分析

鹽度鋒強(qiáng)度距平場(chǎng)EOF分解得到的前6個(gè)模態(tài)的North顯著性檢驗(yàn)見(jiàn)表一。前6個(gè)主要模態(tài)的方差貢獻(xiàn)分別是4.55%，4.15%，3.15%，2.77%，2.55%，2.20%，第一、二模態(tài)的異常位相中心基本覆蓋了均方差的異常區(qū)域。因此，前兩個(gè)模態(tài)基本代表了南海鹽度鋒強(qiáng)度的基本特征，本文主要分析鹽度鋒強(qiáng)度第一模態(tài)和第二模態(tài)的情況。

南海鹽度鋒強(qiáng)度距平場(chǎng)EOF分解得到的第一模態(tài)特征向量（解釋總方差的4.55%）的空間分布型（見(jiàn)圖2a）。從圖上可以看出，該模態(tài)是南海鹽度鋒強(qiáng)度變率的主要形式：整個(gè)南海海域呈單極子變化特征。海南島以東、呂宋海峽、越南最南端和東馬來(lái)西亞西北部海域同位相變化，存在明顯的負(fù)位相中心，其余海域包括整個(gè)南海海盆基本都呈現(xiàn)負(fù)位相。負(fù)位相中心與圖1中均方差所呈現(xiàn)的極大值中心一致。

圖3a為鹽度鋒強(qiáng)度距平場(chǎng)EOF分解的第一模態(tài)特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列圖。時(shí)間序列代表了鹽度鋒強(qiáng)度空間分布的時(shí)間變化特征。從圖上可以看出，鹽度鋒強(qiáng)度變化總趨勢(shì)是減小的。鹽度鋒強(qiáng)度呈現(xiàn)周期性減小和周期性增大的規(guī)律。

圖2 鹽度鋒強(qiáng)度50年距平場(chǎng)空間分布

圖3 鹽度鋒強(qiáng)度第一模態(tài)時(shí)間序列(a)、時(shí)間系數(shù)功率譜(b)和時(shí)間序列小波分析(c)

為了分析鹽度鋒強(qiáng)度的周期性變化規(guī)律，對(duì)第一模態(tài)時(shí)間序列做功率譜分析。從圖3b功率譜結(jié)果來(lái)看，該模態(tài)分別主要存在200、85.7、66.7和42.9個(gè)月的年際變化周期。為了進(jìn)一步的分析發(fā)生周期的時(shí)間段，對(duì)時(shí)間序列做Morlet小波分析，見(jiàn)圖3c。從結(jié)果來(lái)看，1965—2000年主要存在4、9和12年左右的周期。

圖2a確定的第一模態(tài)3個(gè)負(fù)位相中心（110.75°E，20.25°N）、（121.25°E，19.75°N）和（103.75°E，7.75°N），分別在海南島以東（109.75°—111.75°E，19.25°—21.75°N）、呂宋海峽（118.25°—121.75°E，18.75°—20.75°N）和越南最南端（102.25°—104.25°E，7.75°—9.75°N）。然后對(duì)上述負(fù)位相中心所在區(qū)域的鹽度鋒強(qiáng)度分別進(jìn)行突變檢測(cè)。

圖4a是鹽度鋒強(qiáng)度在海南島以東選取的負(fù)位相中心區(qū)域的50年平均值變化圖。從圖中看出1958—1981年之間，海南島以東的鹽度鋒強(qiáng)度基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值0.005 psu上下，之后強(qiáng)度開(kāi)始急劇增大，1981年之后鹽度鋒強(qiáng)度基本維持在0.007 psu左右。

圖4b是鹽度鋒強(qiáng)度在海南島以東選取的負(fù)位相中心區(qū)域的50年均值變化M-K檢驗(yàn)。從UF正序列曲線來(lái)看，1981年前后UF和UB曲線相交且位于臨界線內(nèi)，因此，1981年前后可以認(rèn)為是發(fā)生了一次突變，強(qiáng)度急劇增大；并且1981年以后UF曲線一直大于零，表明鹽度鋒強(qiáng)度一直在增大。這與圖4a分析結(jié)果一致。

圖4 鹽度鋒強(qiáng)度在海南島以東選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(cè)(b)

圖5 鹽度鋒強(qiáng)度在呂宋海峽選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(cè)(b)

圖6 鹽度鋒強(qiáng)度在越南最南端選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(cè)(b)

圖7 鹽度鋒強(qiáng)度第二模態(tài)時(shí)間序列(a)、時(shí)間系數(shù)功率譜(b)和時(shí)間序列小波分析(c)

圖8 鹽度鋒強(qiáng)度在東馬來(lái)西亞西北部選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(cè)(b)

圖9 鹽度鋒強(qiáng)度在南海北部選取區(qū)域的50年平均值變化(a)及其M-K突變檢測(cè)(b)

下面我們來(lái)分析呂宋海峽的負(fù)位相中心50年的面積均值變化（見(jiàn)圖5a）。從線性傾向看，呂宋海峽的鹽度鋒強(qiáng)度變化總趨勢(shì)也是逐漸增大的，強(qiáng)度呈現(xiàn)周期性增大和減小的螺旋式上升，增大的幅度很小，不超過(guò)0.001 psu/50 a。結(jié)合呂宋海峽面積均值的M-K突變檢測(cè)的圖5b可以看出，UF和UB曲線在1969年相交，說(shuō)明1969年發(fā)生了一次突變，之后強(qiáng)度顯著增大。

下面接著分析處在越南最南端的負(fù)位相中心所在區(qū)域的鹽度鋒強(qiáng)度50年面積均值變化情況（見(jiàn)圖6a）。可以看出，鹽度鋒強(qiáng)度50年的變化總趨勢(shì)是強(qiáng)度緩慢增大的。具體來(lái)說(shuō)，1965—1980年，強(qiáng)度在減小，1980—1996年左右強(qiáng)度基本保持不變，之后強(qiáng)度急劇增強(qiáng)。為了反映這種突變發(fā)生的情況，圖6(b)是對(duì)越南最南端負(fù)位相中心所做的面積均值的M-K突變檢測(cè)?？梢钥吹?，UF和UB曲線相交點(diǎn)處在1997年且位于臨界線之內(nèi)。因此，1997年既是一個(gè)突變點(diǎn)，UF曲線在2000年之后一直大于零，所以越南最南端鹽度鋒強(qiáng)度增大顯著。

5 EOF第二模態(tài)的時(shí)空演變特征分析

南海鹽度鋒強(qiáng)度距平場(chǎng)EOF分解得到的第二模態(tài)向量的空間分布型（見(jiàn)圖2b），向量的解釋總方差為4.15%?？臻g分布呈現(xiàn)偶極子型，基本沿著南海東北-西南方向把正負(fù)位相分開(kāi)，左上部分為負(fù)位相，右下部為正位相分布，整個(gè)南海的強(qiáng)度變率存在一正一負(fù)相反的中心，兩個(gè)中心的位置分別在東馬來(lái)西亞西北部和南海北部。這兩個(gè)海域的鹽度鋒強(qiáng)度在均方差圖上很顯著。說(shuō)明南海除了這兩個(gè)正負(fù)中心所在海域有變化外，南海其余地方的鹽度鋒強(qiáng)度發(fā)生變化不大。

圖7a為鹽度鋒強(qiáng)度第二特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列的50年變化趨勢(shì)。從圖上可以看出，線性傾向估計(jì)線表明鹽度鋒強(qiáng)度是逐漸減小的，Cubic擬合曲線說(shuō)明鹽度鋒強(qiáng)度有周期性變化特征。因此，我們后面主要分別來(lái)研究正負(fù)中心的年際變化情況。

進(jìn)一步分析第二模態(tài)時(shí)間序列的功率譜，結(jié)果見(jiàn)圖7b?？梢钥闯?，該模態(tài)主要存在150、100、60和35.3個(gè)月的年際變化周期。對(duì)該模態(tài)的時(shí)間序列進(jìn)行Morlet小波分析，結(jié)果見(jiàn)圖7c?？梢缘贸觯?962—2001年期間存在3年左右的周期，1973—1999年存在5年左右的周期，1977—1988年存在9—12年的周期。

由以上討論可以發(fā)現(xiàn)，鹽度鋒強(qiáng)度第二模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列所反映的強(qiáng)度在整個(gè)南海來(lái)說(shuō)，整體上強(qiáng)度也是逐漸減小的。但從第三節(jié)均方差圖上可以知道，整個(gè)南海的鹽度鋒強(qiáng)度的差異性是很明顯的。且從圖2(右)的第二模態(tài)空間分布型上可以看到，南海存在年際變化尺度顯著的正負(fù)位相中心，東馬來(lái)西亞西北部（110.25°—115.75°E，2.25°—6.25°N）和南海北部（109.25°—114.25°E，19.25°—21.75°N）。

首先，我們先分析正位相中心在東馬來(lái)西亞西北部海域的鹽度鋒強(qiáng)度變化。圖8a給出了這個(gè)區(qū)域的鹽度鋒強(qiáng)度50年面積均值的變化情況?？梢钥闯?，Cubic擬合曲線和線性傾向曲線基本重合，強(qiáng)度變化的總趨勢(shì)是逐漸減小的。結(jié)合圖8b鹽度鋒強(qiáng)度在這個(gè)區(qū)域的50年均值M-K突變檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，UF和UB曲線在1983年相交，說(shuō)明突變?cè)?981年發(fā)生，并且UF曲線一直小于零，說(shuō)明鹽度鋒強(qiáng)度是顯著減小的。

下面接著分析第二模態(tài)負(fù)位相中心在南海北部的鹽度鋒強(qiáng)度變化情況。圖9a給出了其50年面積均值的變化。從線性傾向看，強(qiáng)度的變化總趨勢(shì)逐漸增大的。1958—1980年，強(qiáng)度基本維持在0.005 psu的數(shù)值上。結(jié)合圖9b面積均值的M-K突變檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，1977年正序列UF和逆序列UB曲線相交，說(shuō)明一次突變開(kāi)始，1980年后UF曲線一直大于零，說(shuō)明突變發(fā)生后，強(qiáng)度是逐漸增大的，甚至1984年UF曲線超過(guò)了臨界線，說(shuō)明強(qiáng)度顯著增大。

6 結(jié)論

結(jié)合對(duì)鹽度鋒強(qiáng)度距平場(chǎng)所作EOF展開(kāi)的空間分布圖，通過(guò)對(duì)其第一模態(tài)和第二模態(tài)時(shí)間序列的分析，加上時(shí)間序列的功率譜和Morlet小波分析，可以確定整個(gè)南海鹽度鋒強(qiáng)度的年際變化特征和周期規(guī)律。然后結(jié)合鹽度鋒強(qiáng)度均方差的分布特征，對(duì)確定的正負(fù)位相中心作面積均值變化分析和M-K突變檢測(cè)，來(lái)探討南海鹽度鋒關(guān)鍵區(qū)的年際變化趨勢(shì)。為以后的理論分析和資料驗(yàn)證提供一個(gè)參考依據(jù)。得到以下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)鹽度鋒強(qiáng)度的均方差分析，發(fā)現(xiàn)了6個(gè)強(qiáng)度顯著變化的海域，分別是北部灣、海南島以東及其南海北部、呂宋海峽、東馬來(lái)西亞西北和越南最南端。與第一模態(tài)和第二模態(tài)的位相中心位置基本一致。

（2）鹽度鋒強(qiáng)度EOF展開(kāi)第一模態(tài)：第一模態(tài)的空間分布主要呈現(xiàn)單極子型分布，存在的三個(gè)負(fù)位相中心分別在海南島以東、呂宋海峽和越南最南端，其余海域呈負(fù)位相變化。作為主模態(tài)，反映了鹽度鋒強(qiáng)度主要的變率信息。從時(shí)間序列看，鹽度鋒強(qiáng)度變化總趨勢(shì)在逐漸減小，周期分析顯示出該模態(tài)存在200、85.7、66.7和42.9個(gè)月的周期，Morlet小波分析表明1965—2000年期間主要存在4年、9年和12年左右的周期；

3個(gè)負(fù)位相中心區(qū)域的均值變化趨勢(shì)一致，強(qiáng)度都在逐漸增大。強(qiáng)度都發(fā)生急劇增大的突變點(diǎn)，但發(fā)生時(shí)間不同。總的來(lái)看，整個(gè)南海鹽度鋒強(qiáng)度在減小，而只有小范圍區(qū)域的強(qiáng)度在增大。至于如何解釋這一現(xiàn)象有待于進(jìn)一步研究；

（3）鹽度鋒強(qiáng)度EOF展開(kāi)第二模態(tài)：第二模態(tài)的空間分布呈現(xiàn)偶極子型，基本沿著南海東北-西南方向把正負(fù)位相分開(kāi)，左上部分為負(fù)位相，右下部為正位相分布。正負(fù)位相中心分別位于東馬來(lái)西亞西北部和南海北部。鹽度鋒強(qiáng)度在該模態(tài)下總趨勢(shì)也是逐漸減小的，但減小幅度不大。從功率譜分析表明該模態(tài)存在150、100、60和35.3個(gè)月的周期。Morlet小波分析表明1962—2001年期間存在3年左右的周期，1973—1999年存在5年左右的周期，1977—1988年存在9—12年的周期。

東馬來(lái)西亞西北部正位相中心突變的時(shí)間是1983年，南海北部負(fù)位相中心的突變時(shí)間是1977年。前者突變發(fā)生后，強(qiáng)度卻在減小，而后者卻顯著增大。結(jié)果表明，兩個(gè)正負(fù)位相中心的鹽度鋒強(qiáng)度的年際變化呈現(xiàn)反位相變化特征。

[1]Gunnar I.Roden.Thermohaline Structure,Fronts,and Sea-Air Energy Exchange of the Trade Wind Region East of Hawaii[J].Journal of Physical Oceanography,1974,(4):168-182

[2]張瑞安,鄭東.黃海西部春季海洋鋒及其與漁業(yè)的關(guān)系[J].海洋科學(xué),1984(1):5-8

[3]林傳蘭.東海黑潮鋒的海洋學(xué)特征及其與漁場(chǎng)的關(guān)系[J].東海海洋,1986,4(2):8-16

[4]湯毓詳,鄭義芳.關(guān)于黃、東海海洋鋒的研究[J].海洋通報(bào),1990,9(5):89-96.

[5]湯毓詳.東海海洋鋒分類的初步探討[J].黃渤海海洋,1995,13(2):16-22.

[6]郭炳火,萬(wàn)邦君,湯毓詳.東海海洋鋒的波動(dòng)及演變特征[J].黃渤海海洋,1995,13(2):1-10.

[7]Ryan Hickox,Igor Belkin,Peter Cornillon,et al,Climatology and Seasonal Variability of Ocean Fronts in the East China,Yellow and Bohai Seas From Satellite SST DATA[J].Geophysical Research Letters,2000,27(18):2945-2948.

[8]劉傳玉,王凡.黃海暖流源區(qū)海表面溫度鋒的結(jié)構(gòu)及季節(jié)內(nèi)演變[J].海洋科學(xué),2009,33(7):87-93.

[9]羅琳,王東曉,劉赟等.北部灣溫度鋒的季節(jié)與年際變化[J].熱帶海洋學(xué)報(bào),2003,22(4):60-67.

[10]李立,郭小鋼,吳日升.臺(tái)灣海峽南部的海洋鋒[J].臺(tái)灣海峽,2000,19(2):147-156.

[11]Dongxiao Wang,Yun Liu,Yiquan Qi,et al.Seasonal variability of Thermal Fronts in the Northern South China Sea from Satellite Data[J], Geophysical Research Letters,2001,28(20):3963-3966.

[12]Carton,James A.,Benjamin S.Giese.A Reanalysis of Ocean Climate Using Simple Ocean Data Assimilation(SODA)[J].Monthly Weather Review,2008,136,2999-3017.

[13]李瑩,朱云.國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)地球科學(xué)部南京信息工程大學(xué)大氣資料服務(wù)中心資料通訊:SODA月平均海洋數(shù)據(jù)集簡(jiǎn)介[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2006,(6):864-865.

[14]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京:氣象出版社,1999.

[15]North G.R,Bell T,Cahalan R,et al.Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal function[J].Monthly Weather Review,1982,110:699-706.