李琰,牟林,王國松,范文靜,劉克修,李歡,張增健

（1 .國家海洋信息中心,天津300171；2 .國家海洋局海洋—大氣化學(xué)與全球變化重點實驗室,福建廈門361005）

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環(huán)渤海沿岸海表溫度資料的均一性檢驗與訂正

李琰1,2,牟林1 *,王國松1,范文靜1,劉克修1,李歡1,張增健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(xué)與全球變化重點實驗室,福建廈門361005）

摘要:本文對環(huán)渤海沿岸具有代表性且資料完整的6個海洋觀測站的月均海表溫度（SST）序列作均一性檢驗和訂正。我國海洋觀測站密集度低,難以選擇參考序列,本文首先采用不依賴參考序列的懲罰最大E檢驗（P M E T）方法對SST序列檢驗,利用詳盡的元數(shù)據(jù)對檢驗結(jié)果進行確認,再對不連續(xù)點訂正,該方法適用于元數(shù)據(jù)詳盡的海洋觀測站。對于元數(shù)據(jù)不詳盡的觀測站,使用懲罰最大T檢驗（P M T）方法,選取與海洋臺站距離近且相關(guān)顯著的氣象觀測站的均一化地面氣溫序列來制作參考序列,對SST序列進行檢驗和訂正。結(jié)果表明,環(huán)渤海地區(qū)SST序列都存在一定非均一性,觀測站較大距離遷移和觀測系統(tǒng)變更（從人工觀測到自動化觀測）是造成非均一性的重要原因。訂正后的環(huán)渤海地區(qū)年平均SST增溫趨勢更加明顯。本文使用不同方法來檢驗SST序列的均一性,該思路對沿海其他海區(qū)觀測站SST均一性檢驗和訂正有一定參考價值和應(yīng)用前景,可為沿海氣候變化研究提供科學(xué)準(zhǔn)確的第一手資料。

關(guān)鍵詞:懲罰最大E檢驗；P M E T；懲罰最大T檢驗；P M T；環(huán)渤海沿岸；海表溫度；SST；均一性檢驗

1 引言

長時間序列的氣候資料是氣候變化研究及氣候預(yù)測的基礎(chǔ),這部分資料主要是由觀測資料構(gòu)成的。然而觀測站的長序列氣候數(shù)據(jù)記錄不可避免地受到臺站遷址、儀器變更、觀測時次及計算方法變化等的影響,造成觀測數(shù)據(jù)記錄的非均一性［1—3］,直接影響氣候變化分析結(jié)論的準(zhǔn)確性,因此均一化的氣候資料是氣候變化研究的必要前提。目前,我國在氣溫、降水和氣壓等要素的均一性檢驗和訂正已經(jīng)取得了突破性進展,建立了均一化的中國歷史氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)集［4—9］。目前我國沿?？捎玫暮Ｑ笥^測站點有100余個,而擁有50年以上長期歷史觀測的海洋臺站僅30個左右,這些長時間序列的觀測資料對于研究中國海岸帶氣候變化、近海海洋環(huán)境變化等都是十分珍貴的。但是中國沿海海洋觀測臺站海表溫度（SST）序列的均一性檢驗和訂正尚是空白。至今,我國還沒有建立科學(xué)合理的沿海SST數(shù)據(jù)序列。如何建立具有均一性、準(zhǔn)確性和適用性的SST觀測數(shù)據(jù)序列,是目前區(qū)域海洋氣候變化研究中亟待解決的一個重要問題。而解決這一問題的難度主要在于沿海海洋觀測臺站空間分布稀疏,SST觀測時間短,資料缺失,元數(shù)據(jù)記錄不詳?shù)取?/p>

渤海是中國最大的內(nèi)海,由于其半封閉的內(nèi)陸淺海特征,環(huán)渤海沿岸地區(qū)氣候變化特征與我國其他沿海地區(qū)有較大差異。全球氣候變化背景下,環(huán)渤海地區(qū)出現(xiàn)了氣溫升高、降水減少的氣候暖干化趨勢［10—12］。海水溫度是渤海海岸帶及海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)重要因子,一直受到海洋和大氣科學(xué)家的普遍關(guān)注。但是在以往多數(shù)研究中都是直接使用了海洋觀測臺站的SST序列,盡管這些SST資料都進行了高水平的質(zhì)量控制,但資料的非均一性問題沒有充分考慮和妥善處理［13—15］,這就使得環(huán)渤海SST氣候變化的結(jié)論仍然存在著相當(dāng)不確定性。因此,本文采用國家海洋信息中心提供的經(jīng)過質(zhì)量控制的沿海海洋觀測臺站SST序列,從中選取了在環(huán)渤海地區(qū)具有代表性,數(shù)據(jù)序列長且較為完整的6個海洋觀測站的SST資料,進行均一性檢驗和訂正試驗。采用一些較為成熟且廣泛認可的技術(shù)方法,結(jié)合我國沿海海洋觀測站實際和當(dāng)前數(shù)據(jù)均一性研究的一些新成果,來探討適應(yīng)于中國沿海SST序列均一性檢驗和訂正的方法和思路,提高新數(shù)據(jù)序列的可靠性,為研究該地區(qū)氣候及氣候變化提供科學(xué)準(zhǔn)確的第一手資料；并利用所建立的均一化氣候資料對該地區(qū)的氣候變化規(guī)律進行研究。

2 資料、元數(shù)據(jù)及方法

2 .1 資料

本文研究對象為環(huán)渤海沿海地區(qū)的具有代表性且資料序列較為完整的6個海洋臺站（圖1）的SST資料,這些海洋觀測臺站資料的時間范圍除老虎灘站（1963年1月至2011年12月）外,其他都是從1960 年1月至2011年12月。數(shù)據(jù)資料來自國家海洋信息中心,經(jīng)過了嚴格質(zhì)量控制,包括范圍檢驗、過失誤、查檢驗、統(tǒng)計特性檢驗等,從而剔除了超過氣候界限值的數(shù)據(jù)和人為造成的異常數(shù)據(jù),對不符合內(nèi)部一致性的數(shù)據(jù)進行了更正。同時對存在的少數(shù)缺測數(shù)據(jù)利用多元線性回歸方法進行了插補。本文所用的元數(shù)據(jù)信息來源于國家海洋信息中心制作的中國沿海海洋臺站數(shù)據(jù)庫歷史沿革信息文件,其中包括臺站儀器變更信息、臺站遷移信息、觀測方法和計算方法信息等,這些信息將作為檢驗數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果的合理性判別和序列訂正的參考依據(jù)。另外本文還使用了國家氣象信息中心氣象資料室制作的環(huán)渤海地區(qū)1960 - 2011年逐月地面氣溫資料［8］,該資料序列通過了質(zhì)量控制和均一化訂正。由于環(huán)渤海地區(qū)地面氣溫和海表溫度相關(guān)密切,因此均一化的地面氣溫資料在本文中將嘗試作為待檢海洋臺站的參考序列。

圖1 環(huán)渤海沿岸海洋觀測臺站站位圖Eig .1 Locations of six stations for SST observation over coastal zone of circum Bohai Sea

2 .2 非均一性檢驗與訂正方法

用于氣候資料非均一性檢驗的方法很多,主要有Craddock檢驗、滑動t檢驗、Potter方法和標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗（SN H T）等方法［3］。國內(nèi)常用的是SN H T方法、回歸法和雙質(zhì)量分析法等,這些方法都必須選取鄰近臺站資料作為參考序列［16—18］。我國沿海海洋臺站分布不均勻且稀疏,難以選擇合適參考臺站建立參考序列。此外,如果選取的參考序列本身就存在非均一性問題,會大大影響均一性檢驗的效果。W ang研發(fā)的懲罰最大E檢驗（P M E T）方法［19］是不使用參考序列直接進行單站檢查的絕對方法,該方法對于中國沿海海洋臺站樣本量少、分布稀疏、難以選擇合適參考臺站的現(xiàn)狀較為適用。該方法是由W ang于2008年在對二相回歸統(tǒng)計檢驗方法進行了系列改進后提出的。P M E T方法基于懲罰最大E檢驗,并將之嵌入回歸算法來檢驗并訂正存在于一個可能具有一階自回歸誤差的數(shù)據(jù)序列中的單個或多個突變點或不均一點。通過應(yīng)用經(jīng)驗的懲罰函數(shù),使得誤報警率和檢驗?zāi)芰Φ姆蔷鶆蚍植紗栴}大大減少。利用該方法進行間斷點檢驗,可以不使用參考序列。需要說明的是由于該方法沒有使用參考序列,因此必須有完整且詳盡的元數(shù)據(jù)支持才能正確地辨識氣候序列中的突變和非均一性,也就是說該方法對元數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高。目前該方法已應(yīng)用到氣象資料研究中并取得了相應(yīng)的成果［7,20—21］。因此,本文將首先利用P M E T的數(shù)理統(tǒng)計方法對環(huán)渤海地區(qū)海洋臺站逐月SST序列進行均一性檢驗,以找到可疑的間斷點（或不連續(xù)點）,然后查看歷史沿革元數(shù)據(jù)信息,如果元數(shù)據(jù)反映出在那些可疑點時段發(fā)生了臺站遷移和儀器換型等影響均一性的變化,則認為這個可疑點是真正的非均一點,需要進行訂正和調(diào)整。

事實上中國沿海海洋觀測臺站中還存在沒有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)記錄不詳?shù)囊恍┖Ｑ笥^測臺站,對于此類海洋觀測臺站的待檢SST序列,本文將采用由W ang等于2007年給出的懲罰最大T檢驗（P M T）方法進行檢驗［22］。該方法必須選擇一個盡可能均一的序列作為待檢序列的參考序列,由于同一地區(qū)地面氣溫和海表溫度二者本身的物理特點密切相關(guān),因此本文嘗試選擇3～5個參考氣象臺站的均一化地面氣溫資料合成一個序列作為沒有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)記錄不詳待檢海洋臺站的參考序列。參考臺站的選擇標(biāo)準(zhǔn)要求距離較近且該站氣溫年均序列和待檢臺站的SST年均序列的相關(guān)系數(shù)接近或超過0.7［23］。計算選定臺站地面氣溫序列的算術(shù)平均值來構(gòu)造參考序列,即待檢海洋臺站的參考序列表達式為:

式中,k為選取的參考臺站個數(shù),x為參考臺站的地面氣溫月平均序列。該方法構(gòu)造出的參考序列回避了個別臺站的影響,其均一性更好。利用P M T方法對該臺站資料序列進行判斷,以保證在沒有充分元數(shù)據(jù)支持情況下均一性檢驗的科學(xué)性和正確性。P M E T 和P M T方法對氣候序列均一性檢驗和訂正的可行性和合理性已得到了廣泛的驗證。Stephenson等在對加勒比海氣溫訂正時也用到了類似方法［24］。本文采用的是W ang和Eeng［25］最新發(fā)布的R Htest V4軟件包對環(huán)渤海海洋臺站SST序列的均一性檢驗和訂正進行研究。該軟件包是建立在一個非常強大且可以自由獲取的、在windows下和U nix/Linux系統(tǒng)下都能運行的統(tǒng)計包“R”的基礎(chǔ)上,包含P M T和P M E T兩種方法,并能充分考慮自相關(guān)、誤報警率和檢測能力。

3 環(huán)渤海地區(qū)SST序列的不連續(xù)點檢驗

本文采用1.2節(jié)中介紹的R Htest V4包含的P M E T和P M T兩種方法,選取0.95的置信度對環(huán)渤海海洋觀測站的SST序列進行均一性檢驗。分析發(fā)現(xiàn)環(huán)渤海地區(qū)的6個長期歷史SST序列中均存在一定的非均一性。在有充分元數(shù)據(jù)記錄的3個觀測站中存在11個間斷點,其中有5個斷點是由于觀測位置變動引起的,占45 % ,其余6個斷點是由于儀器變更引起的,占54 %。對于沒有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)記錄不詳?shù)牧硗?個海洋觀測站,通過P M T方法最后確認出8個間斷點。下面我們對檢驗結(jié)果中出現(xiàn)的兩種情況分別進行分析。

3 .1 有充分元數(shù)據(jù)信息支持的海洋臺站SST序列的P M FT檢驗結(jié)果

通過P M E T檢驗發(fā)現(xiàn)環(huán)渤海地區(qū)的6個長期歷史SST觀測站中,塘沽、小長山和老虎灘3個海洋站的SST序列存在顯著間斷點,同時這3個站都有充分且詳盡的元數(shù)據(jù)信息支持。

圖2給出了天津塘沽海洋站逐月SST序列的P M E T檢驗結(jié)果。結(jié)果顯示塘沽站SST序列存在14個間斷點,查找塘沽站元數(shù)據(jù)信息表（表1,表2）,發(fā)現(xiàn)有7個間斷點與元數(shù)據(jù)信息記錄基本吻合,分別是1969年2月（元數(shù)據(jù)記錄1969年2月發(fā)生站址遷移）,1969年12月（元數(shù)據(jù)記錄1970年3月發(fā)生站址遷移）,1972年2月（元數(shù)據(jù)記錄1972年1月發(fā)生站址遷移）,1977年3月（元數(shù)據(jù)記錄1977年6月發(fā)生站址遷移）,1986年9月（元數(shù)據(jù)記錄1986年6月發(fā)生站址遷移）,1994年7月（元數(shù)據(jù)記錄1994年7月發(fā)生站址遷移）和2002年5月（元數(shù)據(jù)記錄2002年1月發(fā)生測量儀器的變更）。

這里需要說明的是環(huán)渤海沿海海洋觀測臺站對SS T的觀測在21世紀(jì)初經(jīng)歷一次從人工觀測到自動化觀測的變更,本文將這種變更簡稱為觀測系統(tǒng)變更。21世紀(jì)初（一般在2002年以前）環(huán)渤海沿海海洋臺站一般為人工觀測,觀測點選在與外海暢通處,水桶打水取樣,取水深度在0.5 m左右,用水銀溫度表測量,每天觀測和記錄3個時次（北京時08:00,14:00,20:00）的SS T值。計算日平均SS T值時將08時的SS T算作兩次,即Tdaily=（2T8+ T14+ T20）/4。2002年后沿海海洋臺站一般為儀器自動觀測,儀器安裝在溫鹽井內(nèi),并始終保持在海面至水下0.5 m的高度,隨海面升降。儀器每個整點記錄一次,一天記錄24次,日平均值為24次觀測的SS T算術(shù)平均得到。月均值為當(dāng)月各日平均SS T的平均值［26］。因此,本文是對0.5 m以上SS T （bulk SS T）數(shù)據(jù)進行均一化的。且21世紀(jì)初的觀測系統(tǒng)變更中包含了儀器換型、觀測次數(shù)、計算方法和測量深度的變化（其中由于測量深度變化較小,對均一化的影響也較?。?。

圖2 塘沽站的逐月原始SST距平序列（黑色實線）及P M ET檢驗結(jié)果（紅實線）Eig .2 M onthly mean SST series of the raw（black line）and the result of P M ET test（red line）at Tanggu Station

表1 塘沽站元數(shù)據(jù)信息記錄的歷次遷址情況Tab .1 The station relocations from the metadata of Tanggu Station

表2 塘沽站元數(shù)據(jù)信息記錄的觀測系統(tǒng)變更情況Tab .2 The observational system changes from the metadata of Tanggu Station

圖3為小長山站逐月SST序列的P M E T檢驗結(jié)果。結(jié)果顯示小長山站逐月SST序列存在3個間斷點,查找小長山站元數(shù)據(jù)（元數(shù)據(jù)記錄小長山站沒有發(fā)生過遷址,表3）,發(fā)現(xiàn)這3個間斷點與元數(shù)據(jù)信息記錄都基本吻合,分別是1965年11月（元數(shù)據(jù)記錄1965年1月發(fā)生測量儀器變更）,2002年4月（元數(shù)據(jù)記錄2002年1月發(fā)生測量儀器變更）,2004年7月（元數(shù)據(jù)記錄2004年7月發(fā)生測量儀器變更）。

表3 小長山站元數(shù)據(jù)信息記錄的觀測系統(tǒng)的變更情況Tab .3 The observational system changes from the metadata of Xiaochangshan Station

圖3 小長山站的逐月原始SST距平序列（黑色實線）及P M ET檢驗結(jié)果（紅實線）Eig .3 M onthly mean SST series of the raw（black line）and the result of P M ET test（red line）at Xiao Changshan Station

圖4給出了老虎灘站逐月SS T序列的P M E T檢驗結(jié)果。結(jié)果顯示老虎灘站SS T序列存在1個間斷點,查找老虎灘站元數(shù)據(jù)信息（元數(shù)據(jù)記錄老虎灘站也沒有發(fā)生過遷址,表4）,發(fā)現(xiàn)2002年7月這個間斷點與元數(shù)據(jù)信息記錄基本吻合（元數(shù)據(jù)記錄2002年2月發(fā)生測量儀器的變更）。而2006年2月發(fā)生測量儀器變更的這一時間點,P M E T檢測結(jié)果顯示該點為不顯著間斷點,即統(tǒng)計上認為這次儀器變更沒有對序列的均一性產(chǎn)生影響。事后通過對老虎灘站觀測人員的查詢得知,2006年2月該站進行儀器變更時已經(jīng)對兩種儀器測量時存在的儀器誤差進行了人工訂正。因此,可以確定老虎灘站SS T序列僅存在1個間斷點。

圖4 老虎灘站的逐月原始SST距平序列（黑色實線）及P M ET檢驗結(jié)果（紅實線）Eig .4 M onthly mean SST series of the raw（black line）and the result of P M ET test（red line）at Laohutan Station

表4 老虎灘站元數(shù)據(jù)信息記錄的觀測系統(tǒng)變更情況Tab .4 The observational system changes from the metadata of Laohutan Station

利用P M E T統(tǒng)計檢驗方法對塘沽、小長山和老虎灘觀測站逐月SST序列進行了均一性檢驗,然后查看臺站歷史元數(shù)據(jù),最后共確定出11個間斷點,在此基礎(chǔ)上利用R HtestV4軟件包所提供的Quantile -M atching（Q M）均值訂正方法對非均一序列進行訂正,訂正結(jié)果在第4節(jié)中進行討論。

3 .2 沒有元數(shù)據(jù)（或不詳）支持的觀測站SST序列的P M T檢驗結(jié)果

在環(huán)渤海沿岸的6個海洋觀測站中,秦皇島、止錨灣和龍口3個觀測站存在沒有元數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)不詳?shù)那闆r。P M E T方法對上述3個站也檢驗出突變點,但由于沒有充分元數(shù)據(jù)支持,無法確定P M E T檢驗的間斷點是否是真實的間斷點。因此需選取一些距離待檢觀測站較近且相關(guān)系數(shù)最大的氣象站作為參考站建立參考序列,進一步采用P M T方法進行判斷。這里之所以選擇均一化月均地面氣溫觀測資料進行對比分析,是因為而渤海是一個三面被陸地環(huán)抱的內(nèi)陸海,近海淺水區(qū)SST主要受陸地氣候的影響, SST變化與地面氣溫變化幅度較為接近［27］。同時在利用P M T方法進行檢驗的過程中,對待檢序列和參考序列都分別進行了去除年際變化趨勢,在訂正過程中主要考慮了SST的變化幅度。

下面以秦皇島海洋觀測站SST序列檢驗和訂正為例進行詳細介紹。首先計算了秦皇島觀測站SST序列與鄰近氣象觀測站地面氣溫序列間的相關(guān)系數(shù),選取距離待檢觀測站較近、受城市化影響較小且相關(guān)系數(shù)最大的青龍、樂亭、撫寧和綏中4個氣象觀測臺站作為參考臺站（圖5）,秦皇島SST年平均序列與上述4個站的年均地面氣溫序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.807、0.81、0.8和0.82,遠超過99 %的置信水平（樣本量為52的99 %置信度水平為0.348）。另外,從時間演變圖上看,年均SST序列和年均地面氣溫序列有著較為一致的演變特征（圖6）。因此在沿海觀測站分布稀疏,難以選擇合適的觀測站作為參考站的情況下,可以用鄰近氣象觀測站的地面氣溫序列來制作參考序列。利用上述參考臺站的均一化地面氣溫序列建立參考序列。結(jié)果顯示在1960年1月至2011 年12月間該站共有2個間斷點,分別發(fā)生在1969年2月和1987年11月（表5）。

圖5 秦皇島、止錨灣和龍口3個海洋觀測站（藍色圓點）及其鄰近氣象觀測站站點（黑色圓點）分布Eig .5 Distribution of the reference meteorology stations （black dot）of Qin H uangdao,Zhi M aowan and Longkou Coastal observation stations

圖6 訂正前的秦皇島海洋站1960 - 2011年年平均SST序列（黑色實線）和青龍（綠色實線）、樂亭（藍色實線）、綏中（棕色實線）和撫寧（紫色實線）氣象站1960 - 2011年年平均地面氣溫序列Eig .6 The time series of annual mean SST before adjustment at Qinhuangdao coastal observation station（black solid line）and the time series of annual mean surface air temperature at Qinglong（green solid line）,Leting（blue solid line）, Suizhong（brown solid line）and Euning（purple solid line）meteorological observation stations from 1960 to 2011

同樣采用P M T結(jié)合參考序列的方法對止錨灣和龍口兩個海洋觀測站的逐月SS T序列進行檢測。選取龍口、招遠和長島3個氣象站作為龍口海洋觀測站的參考臺站（圖5）。龍口站SS T年平均序列與上述3個氣象站的年均地面氣溫序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.68、0.761和0.817,均達到99 %的置信水平。且年均SS T序列和年均地面氣溫序列有著較為一致的演變特征（圖7）。同樣止錨灣海洋觀測站用到的氣象參考臺站為撫寧和綏中（圖5）。止錨灣站SS T年平均序列與上述兩個氣象站的年均地表氣溫序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.69和0.75,均達到99 %的置信水平,也有著較為一致的演變特征（圖8）,檢測結(jié)果列于表5中。由表5可見,龍口和止錨灣海洋觀測站在過去52年間均有3個的間斷點,這些點很可能是該站SS T序列中存在的非均一性間斷點,需要進行均一性訂正。同樣我們采用R Htest V4軟件包提供的Q M均值訂正方法進行訂正,訂正結(jié)果在第4節(jié)中集中給出。

圖7 訂正前的龍口海洋站1960 - 2011年年平均SST序列（黑色實線）和龍口（棕色實線）、招遠（綠色實線）和長島（紫色實線）氣象站1960 - 2011年年平均地面氣溫序列Eig .7 The time series of annual mean SST before adjustment at Longkou coastal observation station（black solid line）and the time series of annual mean surface air temperature at Longkou（brown solid line）,Zhaoyuan（green solid line）and Changdao（purple solid line）meteorological observation stations from 1960 to 2011

圖8 訂正前的止錨灣海洋站1960 - 2011年年平均SST序列（黑色實線）和撫寧（棕色實線）、綏中（綠色實線）氣象站1960 - 2011年年平均地面氣溫序列Eig .8 The time series of annual mean SST before adjustment at Zhimaowan coastal observation station （black solid line）and the time series of annual mean surface air temperature at Euning（brown solid line）and Suizhong（green solid line）meteorological observation stations from 1960 to 2011

表5 利用P M T方法結(jié)合參考序列對秦皇島、止錨灣和龍口海洋觀測站檢測結(jié)果Tab .5 Results of detected change points based on P M T method using a reference series for Qinhuangdao,Zhi Maowan and Longkou stations

4 均一化訂正前后數(shù)據(jù)序列線性傾向估計分析

本文利用客觀技術(shù)手段和主觀元數(shù)據(jù)判斷結(jié)合的方法,對1960 - 2011年SST序列進行了均一性檢驗。由本文第3節(jié)的分析可知上述6個海洋觀測站資料的氣候非均一性間斷點主要發(fā)生在2004年以前（僅老虎灘站在2006年出現(xiàn)了一個非均一性間斷點）。由圖9給出了塘沽、秦皇島、止錨灣、小長山、老虎灘和龍口6個站訂正前后年平均海表溫度序列。由圖9可見訂正后的SST值（紅色實線）普遍低于訂正前的SST值（黑色虛線）（21世紀(jì)之前）,訂正結(jié)果表明,臺站遷移和觀測系統(tǒng)的變更（即從人工觀測到自動化觀測的變更,包含儀器換型、測量次數(shù)、計算方法和測量深度的變化）對沿海臺站海表溫度序列均一性有較大影響,未均一化訂正前臺站SST值偏高。其中小長山站在1960 -1970年間訂正前后差異最大。檢查小長山站的元數(shù)據(jù)可知,該站在1965年進行了由人工觀測到儀器自動觀測的變更。因此相比于其他站而言,1960 - 1970年出現(xiàn)大的訂正前后的差異很可能與該站最早出現(xiàn)觀測儀器、觀測次數(shù)和計算方法的變更有關(guān)。

圖9 環(huán)渤海沿岸塘沽站（a）,秦皇島站（b）,止錨灣站（c）,小長山站（d）,老虎灘站（e）和龍口站（f）訂正前后的年平均SST序列Eig .9 The time series of annual mean SST at Tanggu（a）,Qinhuangdao（b）,Zhimaowan（c）,Xiaochangshan（d）, Laohutan（e）and Longkou（f）coastal observation stations before（dashed curve）and after（solid curve）adjustment

對氣候序列均一化訂正的目的是為了將SST序列中人為造成的非均一性剔除,得到均一和可靠的氣候序列。為了進行均一化訂正前后數(shù)據(jù)序列趨勢變化分析,我們利用線性傾向估計方法給出了訂正前后的各站年平均SST序列的變化趨勢。結(jié)果表明,訂正前后這6個海洋觀測站的年平均SST趨勢發(fā)生了改變,訂正后的SST序列的增暖趨勢顯著高于訂正前的增暖趨勢,訂正后海溫序列其線性傾向估計的相關(guān)系數(shù)（即趨勢顯著性）均有較大幅度的提高（表6）。這一特征和前人研究中發(fā)現(xiàn)的均一化處理后地表氣溫序列的上升趨勢一般會比原來加強的結(jié)論一致［9,23,28—29］。就整個環(huán)渤海沿海6個海洋觀測站平均序列來看,訂正前后環(huán)渤海沿岸海洋觀測站SST變化速率發(fā)生了較大的變化（圖10）,訂正前環(huán)渤海地區(qū)SST的增溫變化趨勢為0.15℃/（10 a）,訂正后的SST變化速率增大,為0.25℃/（10 a）,趨勢顯著性水平由原來的0.49提高到0.72。

表6 環(huán)渤海6個海洋觀測站年平均SST序列訂正前后的氣候變化趨勢特征Tab .6 The characters of warming trend of the annual mean SST series before and after adjustment for the six observation stations over coastal zone of circum Bohai Sea

圖10 環(huán)渤海沿岸地區(qū)6個海洋觀測臺站訂正前后的年平均海表溫度序列Eig .10 Raw（dashed line）and adjusted（solid line）annual mean SST curves for the average of the 6 SST coastal observation stations series over coastal zone of circum Bohai Sea

值得提出的是,本文均一化訂正后的環(huán)渤海沿岸年SST變化趨勢或速率比過去分析結(jié)果要大。如根據(jù)方國洪等［14］的估計,1965 - 1997年期間環(huán)渤海沿岸7個海洋站SST年變化速率為0.15℃/（10 a）；Lin等［13］估計,1960 - 1997年期間環(huán)渤海沿岸6個海洋站SST年變化速率為0.11℃/（10 a）；而本文獲得的1960 - 2011年環(huán)渤海沿岸6個海洋站SST年變化速率達到0.25℃/（10 a）。除時間段選取不同外,造成這種差別的主要原因就是前期工作沒有考慮數(shù)據(jù)非均一性問題。另外,訂正前秦皇島海洋站年均SST序列的增溫變化趨勢為0.17℃/（10 a）,而青龍、樂亭、撫寧和綏中4個參考氣象臺站的年均氣溫序列的增溫變化趨勢分別為0.26℃/（10 a）,0.4℃/（10 a）, 0.37℃/（10 a）,0.28℃/（10 a）。訂正前龍口海洋站年均SST序列的增溫變化趨勢為0.146℃/（10 a）,而龍口、招遠和長島3個參考氣象臺站的年均氣溫序列的增溫變化趨勢分別為0.46℃/（10 a）,0.3℃/（10 a）,0.28℃/（10 a）。訂正前止錨灣海洋站年均SST序列的增溫變化趨勢為0.157℃/（10 a）,而撫寧和綏中兩個參考氣象臺站的年均氣溫序列的增溫變化趨勢分別為0.37℃/（10 a）和0.28℃/（10 a）。渤海是一個三面被陸地環(huán)抱的內(nèi)陸海,在近海淺水區(qū)的SST主要受陸地氣候的影響,SST變化與地面氣溫變化幅度是較為接近的［26］。那么訂正前海洋觀測站年均SST序列的增溫速率遠低于氣象觀測臺站地表氣溫的增溫速率,這也反映出訂正前的SST序列的增溫速率很可能遠低于真實的海岸帶SST增溫速率,因此需要對原SST序列進行均一化檢驗和訂正。

目前國內(nèi)開展的地面氣溫均一性訂正結(jié)果也表明經(jīng)過非均一性訂正的資料所獲得的年變化趨勢一般比原始資料更為明顯,其主要原因是地面氣溫均一化訂正過程中很大程度地恢復(fù)了單站城鎮(zhèn)化影響造成的地面氣溫上升趨勢［30］。而沿海臺站的均一化訂正則可在很大程度上避免了因海溫測量系統(tǒng)變更和圍填海造成的站址遷移所引起的非均一性。其中觀測系統(tǒng)的變更是導(dǎo)致非均一性的主要因素。那么造成海溫訂正后其增溫速率明顯升高的原因可能是SST均一化訂正過程中很大程度地糾正了由于人工觀測造成的SST偏高。也就是說海洋臺站在自動化觀測前,采用水桶取樣進行人工觀測,由于人為因素的影響,取水深度在0.5 m左右,一般要較自動觀測的海水深度更接近表層。同時人工觀測次數(shù)為1天3 次,日平均SST計算方法為3次加權(quán)平均。20世紀(jì)采用的這種觀測方法得到的SST值較自動化觀測（1天觀測記錄24次,日平均SST計算方法為24次加權(quán)平均）得到的SST值偏高,在也就使得臺站SST增溫速率偏低。而訂正后的SST序列修正了早期人工觀測造成的SST偏高,也就使得臺站SST增溫速率升高。

2014年Bao和Ren［31］利用Hadley中心1°×1° SST資料給出了黃渤海（35°～41°N,117°～127°E）SST年變化速率為0.18℃/（10 a）（1962 - 2011年）。同時我們計算了環(huán)渤海地區(qū)年平均地面氣溫序列的增溫速率為0.346℃/（10 a）（1960 - 2011年）。本文給出的環(huán)渤海沿海SST序列0.25℃/（10 a）（1960 -2011年）的年變率處于上述兩個增溫變率的中間,即海岸帶SST的增溫速率高于海洋的SST的增溫速率但又低于近岸地表氣溫的增溫速率,這與中高緯度陸地增溫速率高于海洋增溫速率的結(jié)論基本相吻合［32］。表明本文給出的訂正后環(huán)渤海沿海SST序列0.25℃/（10 a）的增溫速率要較均一化訂正前0.15℃/（10 a）的增溫速率更合理和接近事實。

5 結(jié)論與討論

本研究對環(huán)渤海沿岸具代表性、資料序列長且較為完整的6個海洋觀測站的逐月SST序列進行了均一性檢驗和訂正。應(yīng)用P M E T檢驗方法結(jié)合元數(shù)據(jù)對環(huán)渤海沿岸3個元數(shù)據(jù)記錄詳盡的海洋觀測站月均海表溫度數(shù)據(jù)進行了均一性檢驗。該方法為一種不依賴于參考序列的檢驗方法,需要充分的元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)支持。而對于沒有元數(shù)據(jù)或元數(shù)據(jù)不詳?shù)牧硗?個觀測站的SST序列,本文選取待檢海洋觀測站臨近的氣象觀測站均一化地面氣溫序列制作待檢序列的參考序列,采用P M T方法作進一步判斷,最終確定間斷點。這是首次對沒有元數(shù)據(jù)支持的沿海海洋觀測站進行均一化檢驗和訂正,該方法對于環(huán)渤海SST序列尤其是缺乏元數(shù)據(jù)文件的SST序列均一化具有很好的應(yīng)用前景。檢驗顯示,6個海洋觀測站的SST序列均存在不同程度的非均一性現(xiàn)象。有元數(shù)據(jù)支持的臺站中,發(fā)現(xiàn)造成月平均資料非均一性的主要原因是觀測系統(tǒng)變更和臺站遷移的影響。其中,觀測系統(tǒng)變更的現(xiàn)象較為普遍,在3個非均一的臺站資料中均有體現(xiàn)。這里觀測儀器的變更主要表現(xiàn)為人工觀測到自動化觀測的變更,這不僅包括了觀測儀器的變更,還包含觀測次數(shù)、計算方法和測量深度的變化。而臺站遷移現(xiàn)象僅在塘沽站有所體現(xiàn),這可能與天津濱海新區(qū)建設(shè)和圍填海工程有關(guān)。訂正前后這6個站的年均SST趨勢發(fā)生了明顯改變,表現(xiàn)出海溫上升趨勢較訂正前加強的特征。故在使用環(huán)渤海海洋觀測臺站SST數(shù)據(jù)作氣候變化分析與評估時,必須充分考慮SST的非均一性問題。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者和專家針對氣溫、降水和氣壓序列的非均一性已做了大量研究。而對于海洋要素如SST序列的非均一性研究卻很少,且大多數(shù)的研究都停留在嘗試的水平,方法相對也比較單一。本文使用R Htest V4軟件包所包含的兩種方法對環(huán)渤海地區(qū)SST資料做了均一性檢驗,雖然取得了較為滿意的結(jié)果,但仍存在一些不足。首先,若使得檢驗結(jié)果更加合理和科學(xué),最好發(fā)展一套基于多模式檢驗的均一性研究和訂正方法。另一方面,在依賴參考序列訂正的方法中,由于環(huán)渤海地區(qū)SST資料缺測較多,站點空間分布稀疏,難以選取合適的海洋觀測臺站作為參考臺站。那么本研究就采用了一種折中的辦法,即在鄰近的地表氣象觀測臺站資料中選取與海洋臺站SST序列相關(guān)顯著的地面氣溫序列制作參考序列。這是在SST均一化訂正方法中的一種新的嘗試,其訂正結(jié)果或多或少會有些偏差,但就現(xiàn)實而言,可能是最為合理的一種方法了。

另外未來對沿海其他臺站資料訂正時,如南海沿岸海洋觀測站,其SST變化除受大陸氣候系統(tǒng)的影響外還受熱帶海洋環(huán)流系統(tǒng)的影響,因而其海溫變化的影響因子較南海沿岸地面氣溫變化的影響因子復(fù)雜,能否利用均一化地面氣溫序列作為參考序列進行P M T方法檢驗還需要進行多個試驗的測試和改進。同時高質(zhì)量的元數(shù)據(jù)對于檢驗效果的分析是非常必要的,搜集更加詳盡的元數(shù)據(jù)信息,開展多種均一性檢驗和訂正方法聯(lián)合使用研究,仍是沿海SST數(shù)據(jù)均一性研究中十分重要的任務(wù)。

致謝:在論文寫作過程中國家氣象信息中心李慶祥研究員給予了啟發(fā)性建議和技術(shù)指導(dǎo)；國家氣象中心周慶亮高級工程師給予了資料上的幫助；審稿專家對本文初稿提出了建設(shè)性的意見。謹致謝忱！

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中圖分類號:P731.11

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:0253-4193（2016）03-0027-13

收稿日期:2015-03-16；

修訂日期:2015-07-21。

基金項目:國家自然科學(xué)基金項目（41106004,41376014）；國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點實驗室開放基金（G C M A C1402）；國家科技支撐計劃項目（2014B A B12B00）；天津市科技計劃項目（14ZCZDSE00012）；國家海洋局公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201005019）。

作者簡介:李琰（1982—）,女,安徽省碭山縣人,副研究員,主要從事氣候變化研究。E-mail:ly_n mdis @ 163 .com

*通信作者:牟林（1977—）,男,山東省青島市人,研究員,主要從事海洋氣候變化研究。E-mail:moulin1977 @ hotmail.com

李琰,牟林,王國松,等.環(huán)渤海沿岸海表溫度資料的均一性檢驗與訂正［J］.海洋學(xué)報,2016,38（3）:27 - 39,doi:10.3969/j.issn . 0253-4193.2016.03.003

Li Yan,M u Lin,W ang Guosong,et al. The detecting and adjusting ofthe sea surface temperature data homogeneity over coastalzone of circum Bohai Sea［J］. Haiyang Xuebao,2016,38（3）:27 - 39,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.003

The detecting and adjusting of the sea surface temperature data homogeneity over coastal zone of circum Bohai Sea

Li Yan1,2,M u Lin1,W ang Guosong1,Ean W enjing1,Liu Kexiu1,Li H uan1,Zhang Zengjian1
（1 . National Marine Data and Information Service,Tianjin 300171,China；2 . Key Lab of Global Change and Marine - Atmospheric Chemistry,State Oceanic Administration,Xiamen 361005,China）

Abstract:M onthly Sea Surface Temperature（SST）data of 6 coastal observation stations over coastal zone of circu m Bohai Sea are chosen in the experimental homogeneity study . The work is expected to find a method to homogenize the monthly historical SST data in China . The coastal observation stations have the low density and itis hard to find homogeneous series for use as reference series .In light ofthe situation,two road maps are adopted to test the homogeneity of the SST series . Eirstly,the penalized maximu m E Test（P M E T）method which does not rely on reference series was chosen to detect change points . The resulting change points are then synthesized and verified by available metadata . Then,quantile-matching algorith m was used to adjust the SST series to diminish discontinuities . This method was suitable to the coastal observation stations with detailed metadata . H owever,for the coastal observation stations without enough metadata,penalized maximu m T test（P M T）which relies on reference series was used . Here,we use air surface temperature data series from nearly meteorological stations that arehighly positively correlated with the base series to construct reference series . Testing results show that someinhomogeneities existin the whole SST seriesin the region . Observational system changeis found to be the main cause for discontinuities,followed by station relocation .Itisfound thatthe annual mean SST trend has changed obviously and homogeneity isimproved well after adjustment. Results show that the warming rate of SST series after adjustment is larger than that before adjustment.In our study,a combination ofthe two different methodsis proved to be necessary and possible,and it shows reasonability and application valuesin the homogeneity study of SST data in China . The results could provide a more reliable data set of homogenized in a longer period for the climate studies over offshore areas of China .

Key words:P M E T；penalized maximal E test；P M E T；penalized maximal E test；coastal zone of Circu m Bohai Sea；sea surface temperature；homogeneity tests