2023, Vol. 47
文章信息
- 胡世强, 黎舸, 邓曜成, 刘娟, 苏亮, 于华明. 2023.
- HU Shi-qiang, LI Ge, DENG Yao-cheng, LIU Juan, SU Liang, YU Hua-ming. 2023.
- 黄河口邻近海域海冰变化特征及机制分析
- Analysis of the variations and mechanisms of sea ice change in the sea area near the Yellow River Estuary
- 海洋科学, 47(5): 149-160
- Marine Sciences, 47(5): 149-160.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20221104003
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文章历史
- 收稿日期：2022-11-04
- 修回日期：2022-11-22
2. 国家海洋局北海预报中心, 山东 青岛 266061;
3. 北京应用气象研究所, 北京 100029;
4. 青岛超算与大数据中心, 山东 青岛 266237;
5. 中国海洋大学 三亚海洋研究院, 海南 三亚 572025
2. North China Sea Marine Forecast Center, Qingdao 266061, China;
3. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China;
4. Qingdao Supercomputing and Big Data Center, Qingdao 266237, China;
5. Sanya Oceanographic Institution, Ocean University of China, Sanya 572025, China
黄河口邻近海域位于渤海湾和莱州湾之间, 是我国重要的生态湿地敏感区, 同时是我国重要的滩海油田开发区, 具有重要的生态价值和经济价值。此处每年冬季都会出现不同程度的海冰。如图 1所示, 黄河口邻近海域水深较浅(平均小于15 m), 淡水输入导致海水盐度降低, 更易结冰, 每年冬季黄河口都会不同程度地结冰, 是北半球纬度最低的结冰河口海域(38°N左右)[1]。黄河口邻近海域在常冰年从12月中旬开始结冰, 到次年2月下旬融冰, 总冰期为75 d。海冰对黄河口周边人们的海上生产生活具有较大威胁[2], 掌握黄河口邻近海域海冰的变化规律, 有助于黄河口邻近海域海冰的预报预警, 从而减轻海冰造成的危害, 具有重要的现实意义。
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| 图 1 研究区域示意图 Fig. 1 Map of the study area (红色虚线内为本文研究区域, 三个五角星分别对应三个典型观测站) |
聚焦黄河口邻近海域海冰变化的研究总体较少。Qiu等[3]使用卫星影像对黄河口浑浊水体中的海冰进行反演, 其反演精度超过93%。季顺迎等[4]对黄河口附近的海冰剪切强度进行研究, 结果显示海冰剪切强度随冰温的降低和剪切应力的增大而呈线性增长。张绪良等[5]对2005年冬季莱州湾东部的海冰灾害进行分析, 介绍了灾害情况, 并给出了防御措施, 其研究区域离黄河口较近。上述研究都未对长期的变化趋势及影响因素进行分析。
黄河口邻近海域是渤海的重要部分, 因此渤海海冰的研究对本文具有重要参考价值。前人对渤海海冰的长期变化趋势进行过大量研究, 刘钦政和李剑等[6-7]均指出20世纪30年代至21世纪初期间, 渤海冰情分为重冰情阶段和轻冰情两个阶段, 分别认为分界点为1972年和1980年左右。刘煜等[8]和郑东梅等[9]则对20世纪50年代至21世纪前10年的渤海冰级数据进行了分析, 定量地计算了冰情的变化, 前者指出1980年前后冬季平均气温从–4.2 ℃升到–2.6 ℃, 升高了1.6 ℃, 冰级从2.9级降到2.3级, 下降了0.6级, 后者指出1972年前后冰级从3.1级降到2.4级, 下降了0.7级。显然, 上述研究结果均表明, 近几十年来渤海冰情显著减轻。
综上所述, 虽然前人研究过渤海海冰的多年变化趋势及机制[10-15], 或者研究黄河口海冰的反演、海冰性质等方面, 但都未聚焦黄河口海冰的变化特征和机制进行研究, 河口海域与整个渤海会有一些不同的特征。因此本研究使用近四十年的逐日卫星反演海冰数据集, 结合海洋站的现场观测数据, 首次聚焦黄河口进行了海冰的变化特征及机制研究。
本文内容分为4部分, 第一部分简要介绍了所用的数据和方法, 第二部分使用观测站数据, 分析了短期黄河口结冰过程和寒潮降温过程的关系, 第三部分采用卫星反演数据, 分析了黄河口海冰的长期变化趋势及机制, 最后给出了本文主要结论和展望。
1 数据与方法 1.1 数据简介1) 现场观测数据
本文使用黄河口海域沿岸海洋观测站(如图 1)的观测数据, 包括: 水温、气温等海洋气象数据; 2005年至2020年共16 a的海冰冰级数据。
2) 卫星数据
本文使用的卫星数据包括: 卫星观测的2011和2020年冬季的最大浮冰外缘线; CMEMS(哥白尼海洋环境监测局)根据亮温计算的全球海冰密集度再分析数据(Global Ocean Sea Ice Concentration Time Series REPROCESSED, https://doi.org/10.48670/moi-00136), 包括1979至今的海冰密集度(SIC)数据(指浮冰覆盖面积占浮冰分布海面的比例), 空间分辨率为25 km, 冬季误差小于5%, 使用了其中1979至2020年冬季的数据。
3) 其他辅助分析数据
为了分析黄河口海冰的变化机制, 我们还使用了其他数据包括ERA5(欧洲中期天气预报中心对全球气候的第五代大气再分析数据)提供的距离地表 2 m气温等数据, NCEI(美国国家环境信息中心)提供的全球地表温度异常数据集和各个大尺度指数, 以及NSIDC(美国国家冰雪数据中心)提供的全球海冰指数统计结果(https://masie_web.apps.nsidc.org/pub//DATASETS/NOAA/G02135/)。
1.2 研究方法本文使用相关性分析对海冰的短期和长期变化的具体因素进行分析; 使用局域滑动相关系数(local running correlation coefficient, LRCC)分析和合成滑动相关系数(synthetic running correlation coefficient, SRCC)分析[16-18]对关键因素进行详细分析; 使用小波分析和小波相干[19-20]等方法对海冰多年变化的周期等进行处理。
本研究将SRCC应用在黄河口海冰变化特征分析中, SRCC相比于LRCC能够更好地保留低频信号, 该方法已经应用于北极涛动(AO, Arctic Oscillation)的空间变化及核心区等研究。滑动相关分析是指选择一个较短的时间窗口, 计算该窗口内的相关系数, 再将窗口向前移动, 便获得了随时间变化的相关系数。以往的计算方法如下:
| $ {R_r}\left( i \right){\text{ = }}\frac{{\sum\limits_{k = i - n}^{i + n} {({x_k} - \bar{X}_i)({y_k} - \bar{Y}_i)} }}{{\sqrt {\sum\limits_{k = i - n}^{i + n} {{{({x_k} - \bar{X}_i)}^2}} } \sqrt {\sum\limits_{k = i - n}^{i + n} {{{({y_k} - \bar{Y}_i)}^2}} } }} , $ | (1) |
| $ \bar{X}_i{\text{ = }}\frac{1}{{2n + 1}}\sum\limits_{k = i - n}^{i + n} {{x_k}} , $ | (2) |
| $ \begin{array}{c} \bar{Y}_i{\rm{ = }}\frac{1}{{2n + 1}}\sum\limits_{k = i - n}^{i + n} {{y_k}}, \\ i = 1 + n, \cdots ,N - n. \end{array} $ | (3) |
其中,
| $ \bar X{\text{ = }}\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{x_k}} , $ | (4) |
| $ \bar Y{\text{ = }}\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{y_k}} . $ | (5) |
经过对比国家海洋局北海预报中心提供的黄河口邻近海域冰情数据, 2011年冬季冰情(常冰年偏轻)和2020年冬季冰情(常冰年)较为接近, 且在严重冰期内存在较为典型的寒潮降温过程。为分析两年冬季海冰一致的影响因素, 本文使用2011和2020年冬季的海洋气象、海冰现场观测资料与CMEMS海冰密集度数据进行了相关性分析, 应用了LRCC和SRCC, 详细地研究了这两年冬季的结融冰过程及影响因素。
2.1 结融冰控制因素为了解黄河口海冰的冬季结融冰过程对非连续的现场观测浮冰最大外援线数据与同时间段的连续卫星反演海冰密集度计算相关系数, 并一起绘制在图 2中, 2个冬季的平均值为0.78, 说明所用海冰密集度数据较为准确。使用海冰密集度数据与现场观测的气温、水温、盐度、风速等要素进行相关性分析, 还进行了超前滞后相关分析, 结果如表 1所示。
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| 图 2 短期结融冰过程中观测数据与卫星数据对比 Fig. 2 Comparison between the observed and satellite data during short-term icing and melting |
| 气温 | 水温 | 盐度 | 风速 | |||||||||
| 正常顺序 | 滞后1 d | 负积温6 d | 正常顺序 | 滞后1 d | 正常顺序 | 滞后1 d | 滞后1 d | 滞后1 d | ||||
| 2011年 | –0.36 | –0.49 | –0.66 | –0.52 | –0.51 | — | — | 0.10 | 0.27 | |||
| 2020年 | –0.54 | –0.61 | –0.88 | –0.47 | –0.46 | 0.25 | 0.21 | 0.23 | 0.29 | |||
| 平均 | –0.45 | –0.55 | –0.77 | –0.50 | –0.49 | 0.25 | 0.21 | 0.17 | 0.28 | |||
另外, 对不同天数的负积温和海冰密集度进行相关性分析, 负积温是此前某段时间内小于0℃的日平均气温累加值。两年的结果均显示负积温6 d左右相关系数的绝对值为最大值, 这体现了海冰的生消是一个积累过程, 一次强降温过程的影响时间能达到6 d左右, 两年平均相关系数达到–0.77。
因此从表 1可知, 短期海冰变化的主要影响因素为气温, 呈明显负相关, 气温超前1 d时相关系数最大, 之所以与风速呈正相关, 跟降温一般伴随着大风过程有关, 与其他要素的相关性不大。
同时, 将两年冬季观测浮冰最大外援线、卫星海冰密集度与青东人工岛、孤东大堤、黄河海港共3个海洋观测台站去除缺测值的合成观测气温、观测水温数据的变化绘图对比, 如图 2所示。结果显示, 2011年12月14日、2012年1月21日、2月1日和2月7日出现的4次寒潮过程对该年海冰发展造成了明显影响。12月14日第一次较强寒潮, 导致该海域该年冬季首次出现海冰, 对应了12月15日的初冰日, 其后3次寒潮强度大且间隔时间短, 造成冰情迅速发展, 在2月8日前后海冰密集度达到最大值, 值得注意的是, 严重冰日(又称盛冰日)为1月22日, 从定义可知[21], 其为初冰日之后第一次连续重冰情的日子, 往往出现在第一次强寒潮过程后, 并不一定是整个冬季冰情最严重的一天。
因此从图 2的分析可知, 每年冬季寒潮首次出现的时间、连续出现的间隔、单次寒潮的强度是影响结冰过程发展的关键因素, 气温的整体上升则造成融冰, 冰期结束。
表中每个要素的前两列分别为正常顺序以及该要素滞后1 d时与海冰密集度的相关系数, 气温的第三列为6 d负积温与海冰密集度的相关系数。
2.2 结融冰过程与气温变化相关分析为分析气温相关性随时间的变化, 对两年冬季的海冰密集度与气温均计算了LRCC和SRCC, 滑动窗口为11 d, 得到以下结果。
从图 3(a)和图 3(c)可见, 气温的相关性并不稳定, 规律不明显, 而从图 3(b)和图 3(d)可见, 在严重冰期内出现连贯的显著负相关, 并向过去延伸了一段时间, 对应着冰情发展期, 而严重冰期结束之后, SRCC随之出现正相关。因此, SRCC在短期海冰的结融冰过程中既能够得到相对稳定且包含低频变化的结果, 指示严重冰期, 还能体现海冰开始陡增和海冰趋于消失两个阶段的异常信号, 在物理上很好地展现了不同尺度物理过程的相互影响。
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| 图 3 两年冬季短期海冰密集度与气温得到的LRCC和SRCC对比 Fig. 3 Comparison of LRCC and SRCC obtained from short-term sea ice concentration and temperature in winter of two years |
综上所述, 从海冰显著增加开始, 直到严重冰期结束, 气温都与之呈显著负相关, 在其余时间存在某些正相关, 海冰的生成虽然与高频降温事件有密切关系, 但海冰的维持和发展受气温的低频变化所支配。
3 长期变化趋势前文细致分析了冬季短期的海冰变化趋势及其影响因素, 结果显示寒潮的发生时间、间隔、强度等是影响海冰变化最为关键的因素, 高频的极端降温事件控制海冰的生成, 但海冰的维持和发展受气温的低频变化所支配。
下文将主要分析1979—2021年共42 a的海冰变化趋势, 并且探究其长期变化机制。
3.1 总体时空分布特征对该海域海冰进行多年的时间平均和空间平均, 得到其时空分布特征如图 4。从图 4中的时间分布图(左图)可看出, 海冰密集度在冬季呈现先增加后降低的趋势, 在1月26日达到最大值, 若以此为分界点, 可得到结冰时间57 d, 融冰时间33 d, 结冰期长于融冰期, 前人研究指出整个渤海多年平均变化呈现单峰型, 且海冰面积和冰厚峰值均出现在1月25日左右[11], 由此可见黄河口海域海冰与渤海海冰在时间分布上是类似的。从图 4中的空间分布图(图 4(b))可看出, 海冰主要分布在莱州湾南部和渤海湾南部, 即黄河三角洲的两侧, 其中间外海会有海冰出现, 但远小于两侧, 黄河入海口位于莱州湾北端, 该海域属于冰情相对较轻的区域, 但其在岸边附近冻结生成, 随潮汐向岸堆积, 最大时可以在高潮线附近堆成数米高的高大冰脊, 阻断陆地和海洋的通道。
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| 图 4 海冰密集度42 a时空平均分布 Fig. 4 42-year spatiotemporal average distribution of sea ice concentration |
将卫星海冰密集度数据以及ERA5的再分析气象数据, 分别在每个年份进行研究区域内的空间平均, 同时在冬季(12、1、2月)进行时间平均, 得到42 a研究区域内冬季平均海冰密集度和冬季平均气温的时间序列, 结合北极涛动指数(AOI)以及2005年以来的冰级数据, 绘图对比如图 5。
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| 图 5 海冰密集度与局地气温、AOI长期变化趋势 Fig. 5 Long term variation trend in sea ice concentration, local temperature and AOI |
从图 5中可以看出, 2005年至2020年共16 a冬季卫星海冰密集度与台站冰级观测数据基本一致, 计算其相关系数为0.82, 二者的正相关十分显著, 证明本文所使用的卫星数据较为准确。
整体而言, 黄河口邻近海域平均海冰密集度在42 a间大约降低了10.5%, 平均每年减少0.25%, 在1985年之前处于高值区, 在1985至1990年期间发生了一次由高向低的跃变, 此后基本稳定在低值区, 只在2010前后出现过高值。Jiang等[22]对1951年至2000年黄河的冰期进行研究, 结果显示黄河的冻结时间从56 d缩短到44 d, 减少了12 d, 从侧面印证了黄河口海冰整体下降的趋势。
分析其原因, 从整体趋势上看, 气温上升导致了海冰的减小, 海冰密集度与局地气温呈现显著的负相关, 相关系数达到–0.72, 1985至1990年的跃变可能是AOI的跃变所致, 2010年的严重冰情也恰好对应着AOI的极小值, 但是1997年前后和2016年前后可以看到海冰密集度和AOI出现了短期的正相关。
3.3 机制分析 3.3.1 相关性分析为探究除了气温之外的要素, 将海冰密集度与全球气温、北半球冬季海冰、北极涛动指数(AOI)、尼诺3.4指数(NINO3.4)等大尺度指数计算相关系数, 并将最关键的局地气温和上述指数计算相关系数, 得到表 2。
| 海冰密集度 | 局地气温 | |
| 局地气温 | –0.72 | — |
| 全球气温 | –0.41 | 0.42 |
| 北半球冬季海冰 | 0.32 | –0.26 |
| AOI | –0.44 | 0.26 |
| NINO3.4 | –0.08 | 0.19 |
结果显示, 黄河口海冰密集度与局地气温呈显著负相关, 相关系数达到–0.72, 与短期变化中的关键因素相一致。由于黄河口海冰还与AOI之间存在较明显的负相关, 对海冰和局地气温以及AOI进行滑动相关系数的计算, 滑动窗口为11 a, 结果如图 6。
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| 图 6 海冰密集度与局地气温、AOI计算得到的LRCC和SRCC对比 Fig. 6 Comparison of sea ice concentration with LRCC and SRCC calculated by local air temperature and AOI |
从图 6(a)和图 6(b)看到海冰密集度与局地气温的相关性并无太大变化, 从图 6(c)和图 6(d)看出, 在大部分时间, 海冰密集度和AOI呈现负相关, 但是在2000年前后出现了异常正相关, LRCC的稳定性稍差一些, 由于滑动相关分析在两端无法得到结果, 上节提到的2016年左右的正异常在滑动相关中无法得到体现。
结合表 2以及图 6的分析可以得出结论, 黄河口海冰的趋势性下降信号是全球气温与局地气温的整体性上升所导致, 而AO与黄河口邻近海域海冰高度相关, 从表 2中看到黄河口海冰与AOI的相关性仅次于与局地气温的相关性, 二者呈现显著的负相关。AO实际上体现了大气环流的强弱, AOI为正值时表明大气西风增强, 不利于西伯利亚冷空气南下, 整体上不利于海冰增长; 而AOI为负值表明大气西风减弱, 但有利于冷空气增强和海冰增加。
从这两个因素出发探究黄河口海冰在1985年之后的这次跃变, 考虑可能对应着气温以及AOI的跃变, 前人一般认为整个渤海海冰在1972年前后出现了一次从重冰情向轻冰情的跃变[6], 故本次跃变是发生在1972年之后的轻冰情阶段之内的, 这表示黄河口海域的海冰冰情仍在进一步减轻。从图 5中可以看到, 1985年之后局地气温开始剧增, 并且之后保持在较高水平, 这是这次跃变的直接因素, 但是全球气温持续升高, 难以解释只在这一时间段发生了跃变。近两年AOI的研究显示[23], 近几十年冬半年AOI的突变发生在1986年前后, 由低指数突变为高指数, 而AOI与中国东部的极端降温事件发生频次存在显著的负相关关系, AOI的增大能很好地解释极端降温事件的减少。前文指出, 黄河口海域海冰的暴发最主要的原因就是短期内极端降温, 因此, AOI在1986年前后的突变导致局地气温剧增, 并且之后极端降温事件减少, 能够解释这次海冰的跃变。
3.3.2 小波分析与小波相干结合上文的结果, 重点分析AOI的变化, 使用小波分析和小波相干对黄河口海冰密集度和AOI进行分析, 小波相干谱可用来度量时频空间中两个时间序列局部相关的密切程度, 结果如图 7。
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| 图 7 小波分析和小波相干结果 Fig. 7 Wavelet analysis and wavelet coherence results 注: 图b, c, d中位相关系由箭头指示, 向左表示负相关, 向右表示正相关, 向上表示前者领先后者。粗黑线代表通过了0.05的显著性检验，细黑线代表影响锥曲线 |
从图 7(a)中可以看出, 黄河口海冰存在10~15 a的主要周期和3、7 a左右的次要周期, 李剑等[7]认为海冰变化存在2~4 a、6~8 a以及15 a左右的周期, 与本文研究基本一致。图 7(b)为海冰密集度和局地气温的小波相干图, 其中箭头基本都向左, 在数值上绝大部分区域都大于0.8, 印证海冰和局地气温整体呈高度负相关。图 7(d)为海冰密集度和AOI的小波相干图, 可以看到, 相比于局地气温, 高值区的面积稍有减小, 但二者的分布较为类似, 这说明AOI的确在时频空间中与海冰的变化密切相关, 尤其是在7 a和12 a的周期变化中。
虽然从图 7(b)中明显看到1997年左右体现了2~4 a周期, 在图 7(c)中这一时期却没有体现, 由于1997年发生了较强的厄尔尼诺事件, 考虑厄尔尼诺现象导致了该区域的异常, 从图 7(d)中海冰与尼诺指数的小波相干图中可以看到, 1997年前后该区域存在明显的高值区, 正好对应了图 7(b)中无法被AO解释的部分。这一异常也同样被合成滑动相关系数捕捉到, 图 6(b)中可以看到, 1997年前后出现了明显的异常信号, 表明该时期有比AO更强烈的过程影响了黄河口海冰, 结合小波相干的结果我们考虑该异常为1997—1998年的强厄尔尼诺过程, 将在下文对ENSO进行详细分析。合成滑动相关系数和小波相干分析在海冰多年变化的分析中都能够起到获取异常信号的作用, 并且可以相互印证。
3.3.3 大气影响分析为探究AO和ENSO对黄河口海域海冰的影响, 绘制42 a的冬季平均2 m高度温度及500 hPa高度, 如图 8(a)所示。再从前文的AOI曲线中取1989、1990、1992、1993、2008、2015、2020共7年为显著AO正异常年; 取1980、1985、1987、1996、2001、2005、2010共7年为显著AO负异常年, 对于ENSO, 则取上文讨论的1997年为正异常年, 紧随其后的1999年作为负异常年, 上述年份均代指该年冬季的数据。绘制AO正负异常年和ENSO正负异常年的2 m温度及500 hPa高度的距平, 如图 8(b-e)所示。
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| 图 8 2 m温度及500 hPa高度平均和距平分布图 Fig. 8 Average and anomaly distribution of 2 m temperature and 500 hPa height 注: 图a中等值线为平均500 hPa高度, 图b、c、d、e中等值线为500 hPa高度距平值, 单位均为m |
从图 8(a)中可以看出, 渤海冬季平均离地2 m高度气温为0 ℃左右。而500 hPa高度平均分布显示, 其东北部存在一个显著的低压槽, 即东亚大槽, 上方存在一个明显的低压中心。显然, 东亚大槽的强度将影响整个渤海海域的冬季风以及气温, 从而间接影响海冰。
当冬季AO位相为正时, 图 8(b)显示500 hPa高度在西北和东北太平洋存在两个显著正异常中心, 对应着2 m高度温度的正异常中心, 其中西北的正异常中心处于东亚大槽的位置。结合图 8(a)可以看到, 若该区域正异常, 且其北部存在一个负异常, 这将导致原本向南凸出的等值线向北调整, 低压槽结构被削弱。这表示AO正异常年东亚大槽偏弱, 不利于北极冷空气南下, 东亚大陆的东岸主要受暖中心影响温度偏高, 导致该区域的海冰减少。反之, 当冬季AO位相为负时, 图 8(c)显示同样的区域正好存在两个相反的显著负异常中心, 而其北部也存在相反的正异常, 同理, 这将加强东亚大槽, 有利于冷空气南下, 从图中阴影代表的温度距平能看到, 渤海整个海域都处于温度负异常, 导致该区域的海冰增加。
黄河口海冰与ENSO的相关性, 相较AO而言更小, 主要分析其不同相位时的区别。对比图 8(d)和图 8(e)可见, ENSO处于正位相和负位相时, 2 m高度温度及500 hPa高度在赤道东太平洋分别存在相对高值和低值, 而在北太平洋500 hPa高度则呈现了不同的分布, 正位相时, 正异常与负异常表现为东-西分布, 且负异常强度更大, 负位相时, 二者表现为接近南-北分布, 且二者强度相当, 2 m高度温度距平的分布与之类似。因此, ENSO对黄河口邻近海域的海冰可能是正位相时渤海海域主要受赤道西太平洋上空的暖中心控制, 有利于海冰增加, 负相位时该暖中心东移, 不利于海冰生成, 从前文分析可知二者并不存在明显的线性关系。
并且从图 5可以看出, 原本1997年至1998年AOI减小, 有利于海冰增加, 但是海冰却减少, 经过上述分析可知强厄尔尼诺事件的发生导致冬季偏暖, 不利于海冰的生成, 这与图 7(d)中海冰密集度与尼诺指数呈负相关的结论一致, 并且在图 5中2016年左右海冰密集度与AOI的异常正相关同样在此得到了解释。另外, 有研究表明强厄尔尼诺会削弱东亚冬季风的活动[24], 导致气温升高。
3.3.4 黄河径流分析黄河口邻近海域相比其他海域, 最大的特点是受到黄河径流的影响。对比1979年至2020年黄河利津站的径流量数据和卫星海冰密集度数据, 如图 9所示。
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| 图 9 黄河利津站径流量与卫星海冰密集度的年际变化对比 Fig. 9 Comparison of annual changes in satellite sea ice concentration and runoff at the Lijin Station on the Yellow River |
从图 9可以看到, 二者的整体变化趋势较为相似, 且均在1985年左右发生了一次由高到低的跃变。计算二者相关系数为0.46, 呈明显正相关。黄河径流量增大代表入海淡水量增大, 导致黄河口邻近海域盐度减小, 从而促使海冰增加。
前文计算得到卫星海冰密集度与AOI的相关系数为–0.44, 从相关性的角度来说, 黄河径流导致海水盐度变化, 正向影响黄河口邻近海域的海冰变化, AO的影响则是反向的, 可能是改变局地气温所致, 并且二者得到的相关系数绝对值相近, 这表明在该海域, 影响海冰的最主要因素为气温, 其次为黄河径流、AO, 且二者影响相当。
4 结论与展望本文针对黄河口海冰的变化特征和机制, 使用2年现场观测数据和42年卫星数据以及ERA5等再分析数据, 采用相关性分析、小波分析和小波相干、大气过程分析等方法进行研究, 本文的结论如下:
(1) 在短期变化中, 黄河口邻近海域海冰密集度主要与气、水温呈显著负相关, 尤其是6天负积温, 说明海冰的生成主要受到前6天温度的累积影响; 寒潮的发生时间、强度及间隔主要控制了海冰的生成, 但海冰的维持和发展受气温的低频变化所支配。
(2) 在长期变化中, 黄河口邻近海域海冰密集度42年来平均每年冬季减小0.25%, 主要原因为气候变化导致的局地气温上升; 海冰密集度还与AOI呈负相关, 因为AOI通过大气过程影响局地气温, 与黄河径流量呈正相关, 因为黄河径流改变海水盐度; 在1985年左右的跃变可能是AOI的跃变和径流的跃变共同作用所致; 在2000年和2016年左右海冰与AOI的异常正相关正好对应了强厄尔尼诺的出现; 小波分析的结果表明海冰密集度存在10~14 a的主要周期和3、7 a的次要周期。
(3) 总体而言, 不论是长期变化还是短期变化, 黄河口海域海冰变化都与气温变化密切相关, 关键问题是引起气温变化的因素并不相同。研究表明, 由于发生海冰的冬季以冷空气过程主导, 黄河口海冰的变化与北极涛动高度负相关, 体现了北半球冷空气过程对冰情的影响。但是, 北极的冷空气受到ENSO过程的制约, 当厄尔尼诺发生时, 会大幅削弱冷空气的影响, 在1997/98和2016/17两次强厄尔尼诺过程中, 都体现了AO和ENSO此消彼长的影响。
本文详细分析了黄河口邻近海域海冰的变化特征和机制, 但由于卫星数据的分辨率和现场观测数据的限制, 仍然没有针对黄河口内的区域进行精细研究, 因此在本文的基础上, 进一步将黄河口研究[25]与海冰研究[26-29]结合起来, 能够拓展对黄河口的认识。
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