第 43 卷

第3期

2012 年

5 月

海

洋

与

湖

沼

Vol.43, No.3

OCEANOLOGIA ET LIMNOLOGIA SINICA

May, 2012

长江口外海域冬、春季水温变化规律研究*
胡莹英 1

赵

(1. 中国海洋大学物理海洋实验室

青岛

亮1

①

郭新宇 2

皓3

266100; 2. 日本爱媛大学沿岸环境科学研究中心

3. 天津科技大学海洋科学与工程学院

提要

魏

天津

松山

7908577;300457)

收集了 1963—1996 年长江口外海域水温的观测数据, 分析了该海域冬、春季表层、10m 层、

20m 层和 30m 层不同层次水温的季节和年际变化规律, 以及其间水温垂向结构的变化。季节变化上,表层多年平均水温在 8 月最高, 3 月最低, 底层多年平均水温 9 月最高, 3 月最低。年际变化上, 冬季
在 1979 年存在一个由冷到暖的跃迁; 4 月水温的年际变化较冬季复杂, 表层、10m 层、20m 层和 30m
层水温分别在 1979、1973、1973 和 1975 年发生从冷到暖的跃迁。水平分布上, 冬季除东南角小范
围表层水温降低外, 沿岸及北部海区表层水温均升高, 春季北部和南部中间海域水温升高, 升温幅
度由表层至 30m 层逐渐变小。垂向结构上, 冬季表底混合均匀, 表层与 20m 层的年际变化相关系数高达 0.97, 春季表层与 20m 层的水温差存在 10 年左右的变化周期。本文将一些可能影响春季水温年
际变化的因素与海温进行了比较并发现, 在冷期, 春季表层海温与长江口外海域气温相关较暖期好,相关指数为 0.79; 而暖期的春季表层与 20m 层的水温差与净热通量相关系数较高, 为 0.65。
关键词年际变化, 水温, 长江口, 冬、春季

中图分类号

P731.1

自 20 世纪 90 年代中后期以来, 东海北部及黄海

受观测数据限制, 对长江口外海域水温变化的

海区连年发生水母暴发, 并有逐年加重的趋势。水母研究以卫星遥感数据为主, 局限在海表温度的变化,

在能量从初级生产到高营养级传递的过程中主要起对其它层次的研究较少。因此, 本文收集了长江口外负作用, 水母暴发改变生态系统的机构和功能, 破坏

海域多年器测的水温资料, 分析该区域水温的季节

正常食物链结构, 影响生态系统稳定性, 水母数量的变化和冬、春季不同层次水温的年际变化规律, 根据大量增长已经成为一种海洋生态灾害(张芳等, 2009)。

跃迁年份给出不同时期长江口外海域水温的平面分

程家骅等(2005)通过观测发现, 部分大型水母的密集

布及垂直结构的变化, 并简要分析了可能的影响因素。

区主要位于长江冲淡水外侧的东海北部暖水控制海

1

数据和方法

1.1

分布受水温和盐度变化的影响, 随着温度的变化, 水

数据简介
本文综合了两个来源的水温数据进行研究, 资

母的分布范围也相应发生变化。因此, 研究该区域水料一为日本海洋数据中心(Japan Oceanographic Data域, 过度捕捞、富营养化以及气候变暖都可能是水母
数量变化的原因。陈洪举等(2010)研究发现, 水母类

温的时空变化特征, 可以为研究水母大量繁殖提供

Center, JODC)从 1960 年 1 月 1 日—2008 年 4 月 27

物理环境变化的背景认识。

日通过走航观测、浮标观测等方式获得的水温资料;

长江口外海域水文环境复杂多变, 受长江冲淡水、黄海冷水团、台湾暖流和黑潮等的共同影响。

资 料 二 是 国 家 海 洋 局 (State Oceanic Administration,
SOA) 1966—1999 年数个常规断面的水温调查资料。

* 国家重点基础研究发展计划(973)项目, 2011CB403602 号, 2010CB428904 号; 国家自然科学基金重点项目, 40830854 号,
胡莹英, E-mail: hoo.yy205@gmail.com① 通讯作者: 赵亮, E-mail: zhaoliang@ouc.edu.cn

收稿日期: 2011-12-31, 收修改稿日期: 2012-02-28

海

656

洋

与

湖

沼

43 卷

所选研究区域为东海北部长江口外海域(图 1),

成的误差; 根据地形数据, 设定深度不超过水深±5m

范围是 29°—32°N, 123°—125.5°E, 图中点和圆圈分别

范围内数据为底层数据。分析季节变化时, 分层次逐表示该区域内 JODC 和 SOA 温度数据点。本文研究

月剔除距平超过标准差 2.5 倍的数据(Minobe et al,

重点是对水母早期补充比较重要的冬季和早春时节2004)后, 求出各个层次逐月的平均温度, 然后计算的温度变化特征。根据表 1 给出的研究区域内所有实

得到该区域气候态的分层温度数据。在分析年际变化

际观测温度数据站位数的时间分布, 选取 1—3 月平均

时, 利用前面得到的各层逐月温度数据, 将 1—3 月

代表冬季, 4 月代表春季。为了研究早春时期长江口外

平均视为冬季, 春季取 4 月数据。温度垂向结构变化

海域的海水温度变化特征, 作者选取数据较为连续主要分析了表层和 20m 层温度差的变化。

的 4 月作为代表月。1997 年以后水温数据很少, 但总

温度跃迁年份的确定采用了基于 t-检验的循序体上来说, 统计结果显示观测站位空间和时间分布算法(Rodionov, 2004; Rodionov et al, 2005), 该算法较均匀, 能用来分析长江口外海域水温的变化特征。

在事先假设跃迁时间尺度的基础上进行验证性统计,对于跃迁开始时间的判别是较为准确的。循序算法主
要由截断长度 L 和 Huber 权重参数 H 以及预先设定
的置信度 p 值确定跃迁年份, 得到的 RSI(regime shiftindex)值是标准化所得矩平的累积和, 可以反映跃迁发生的可靠性。选择的截断长度值 L 需要大于物理过程变化的显著周期, 这样才能将它的年代际变化考虑到研究中。Overland 等(2008)利用该算法, 计算了
PDO 指数、MEI、西太平洋指数和美国西海岸上升流
指数等的转折年, Minobe(1997)用此算法计算了美国
西北部春季气温、东北太平洋春季海表温度等的转折图1

研究区域及水温观测数据点分布年份, 均显示在 1976/1977 年存在一个跃迁年份。本

Fig.1 Study areas, water temperatures and sampling locations
注: 点代表日本海洋数据中心数据, 圆圈代表国家海洋局数据

文在对温度和时间序列的应用中, 经验性地将 L 值取
为 15 年, H 值取 2。

数据处理
数据分析前, 先进行质量控制, 剔除了数据中超2

结果

出 正 常 温 度 范 围 的 数 据 , 温 度 范 围 设 定 为 −3.0 —2.1

35.0℃。将质量控制后的数据按照海洋调查标准层次季节变化
由图 2 可以看出, 水温存在明显的季节变化, 夏

分层, 其中, 距离标准层±2m 水深范围内的数据都视

季温度最高, 冬季最低, 冬、夏最大温差出现在表层,

为该层数据; 考虑到海水上混合层深度, 将 0—5m 的约为 16℃。不同层次的水温的季节变化规律与幅度

数据皆视为表层数据, 以减小短时天气现象影响造

各不相同的。表层温度的季节变化大于底层温度。表

1.2

表1
Tab.1

水温观测数据站位数

The number of observe stations for monitoring water temperature
月份

年份

合计

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1960—1969

22

106

61

70

99

77

137

210

37

89

71

6

985

1970—1979

140

92

37

87

40

64

164

122

45

130

38

38

997

1980—1989

111

83

18

139

106

119

121

63

55

193

110

58

1176

1990—1996

101

89

2

98

226

65

98

63

31

82

96

39

990

1997—

0

0

0

0

1

4

0

3

5

1

1

0

15

合计

374

370

118

394

472

329

520

461

173

495

316

141

4163

3期

胡莹英等: 长江口外海域冬、春季水温变化规律研究层温度在 3—8 月呈上升趋势, 在 8 月达到最大值, 为

657热通量增加、风混合减弱以及海洋中跃层逐渐形成,

27.7℃, 在 9—2 月呈下降趋势, 3 月达到最小值, 为

表底温差逐渐增大, 4—10 月, 表层温度高于底层。由12.1℃。底层温度升温晚且幅度小, 在 3—9 月缓慢上于直接受大气加热和冷却影响, 表层的升温与降温

升, 在 9 月达到最大值 22.1℃, 11—3 月迅速下降, 在速度均快于底层。

3 月达到最低值为 11.8℃。20m 温度在 3 月至 9 月上2.2升, 在 9 月达到最大值为 25.8℃, 之后开始降温, 到 3
月温度达到最低, 为 12.2℃, 季节变化规律和底层相似, 但夏季增温幅度大于底层。

年际变化
考虑到数据的连续性, 选择 1963—1996 年水温数据分析冬、夏季长江口外海域表层、10m 层、20m
层和 30m 层水温的年际变化规律。
由图 3 可以看出, 温度存在显著的年际变化信号
和冷暖交替, 应用循序算法诊断, 得到表层、10m 层
和 30m 层水温都在 1979 年存在从冷相位到暖相位的跃迁。冬季长江口区域表层水温时间序列在 1963—
1978 年处于冷相位,

1979—1995 年为暖相位, 均值

分别为 12.32℃和 13.45℃, 温度增加了 1.13℃; 10m
层与 30m 层的水温变化趋势和跃迁年份与表层相同,暖位相相比冷位相温度分别增加了 1.10℃和 1.39℃。
30m 层水温的冷相位年间均值较表层和 10m 层低
0.28℃, 而暖相位年间的均值较表层和 10m 层高 0.08℃
图2

水温的季节变化

和 0.11℃, 转折指数(RSI 值)较大, 增温幅度更大一些,Seasonal variations of water temperatures

说明转折更明显。20m 层虽没有通过循序算法检验,由于不同的物理过程影响, 表底的温差也存在

但整体变化趋势与其它层次相似, 由于暖期个别年

明显季节性差异。在风和潮汐的作用下, 2—3 月垂向

份 20m 层水温较低, 因此循序算法并未诊断出跃迁

混合均匀, 表底温度基本一致。随着气温升高、大气

年份, 如果也以 1979 年为界, 20m 层水温均值分别为

Fig.2

图3
Fig.3

冬季水温的年际变化Inter-annual variations of water temperatures in wintera. 表层, b. 10m, c. 20m, d. 30m

海

658

洋

12.24℃和 13.29℃, 温度增加了 1.05℃。因此可以认

与

湖

沼

2.3

水平分布变化43 卷

为, 1963—1995 年间, 长江口外海域冬季水温在不同

以水温跃迁年为界, 分别将冷期和暖期中海域

层次上都存在明显的增暖趋势, 且底层增温最显著。

内所有 温度 在空间 上按 照 0.5°×0.5°区域进 行平 均,

以 4 月作为春季的代表月分析 1963—1996 年春

得到冷期和暖期长江口外海域水平的平均水温分布,

季长江口外海域表层、10m 层、20m 层和 30m 层水

图 5 和图 6 分别给出了冬季和春季冷暖期温度的差异

温的年际变化(图 4)。图 4 可看出, 春季水温也存在的分布。

显著的年际变化信号, 但温度的振荡幅度相比冬季

由图 3 可知, 冬季各个层次温度变化规律一致,要小。应用循序算法诊断出表层、10m 层、20m 层和

表底温度差异较小, 因此只给出了冬季表层冷暖期

30m 层水温分别在 1979、1973、1973 和 1975 年存在从

温度差异的分布(图 5)。以 1979 年为界, 1979—1996

冷相位到暖相位的跃迁。表层水温时间序列在 1963—

年为暖期, 1963—1978 年为冷期。通过冷暖期表层水

1978 年处于冷相位, 1979—1996 年为暖相位, 均值分

温平面分布的变化, 可知该区域暖期较冷期南部水别为 12.75℃和 13.62℃, 温度增加 0.87℃; 10m 层和

温降低, 但沿岸及北部靠近长江口区域水温上升, 且

20m 层水温时间序列在 1963—1972 年位于冷相位,

河口外区域温度增加幅度最大。

1973—1996 年为暖相位, 10m 层均值分别为 11.96℃

为了便于比较, 春季各层水温变化的冷暖期统

和 13.27℃, 温度增加 1.31℃, 20m 层温度低于 10m 层,

一以 1979 年为界, 1979—1996 年定义为暖期, 1963—均值分别为 11.33℃和 12.84℃, 增加 1.51℃; 30m 层

1978 年定义为冷期, 同样将冷暖期水温按照 0.5°×

水温时间序列 1963—1974 年处于冷相位, 1975—

0.5°平均, 图 6 分别给出了和表层、10m 层、20m 层

1996 年处于暖相位, 均值分别为 11.59℃和 12.84℃,

和 30m 层的水温差异的平面分布的变化。和冬季不温度增加 1.25℃。与冬季一样, 1963—1995 年间, 长

同, 近岸海域的水温暖期相比冷期低。表层主要升温

江口外海域春季水温也存在明显的增暖趋势。总体看,区域有南北两个, 一是 31°N 以南 123.5°—124.5°E 范

冬季和春季平均增温强度相当, 但是冬季水温振荡围内, 二是 31.5°—32.5°N 范围内。南部升温区域在中的幅度大, 下层海洋增温比上层海洋大。

间, 两侧近岸和外陆架温度都降低, 且近岸降低幅度

图4
Fig.4

春季水温的年际变化Inter-annual variations of water temperatures in springa. 表层, b. 10m, c. 20m, d. 30m

3期

胡莹英等: 长江口外海域冬、春季水温变化规律研究659

呈现出差异性, 因此这部分仅分析春季水温的垂向结构变化。
作者将该区域四月表层、10m 层、20m 层和 30m
层的水温随时间变化图放在一起, 观察四月水温垂向结构随时间的变化。图 7a 可看出表层和其它层次
温度存在明显差异, 表层温度最高, 20m 和 30m 最低,
两者变化基本一致, 10m 介于两者之间。因此, 作者
利用表层和 20m 温度差的变化来刻画水温垂向结构
图51979—1996 年与 1963—1978 年冬季平均水温差值的的变化。由图 7b 不难看出, 表层与 20m 的温差存在

分布

约 10 年左右的变化周期。1965—1969 年、1975—1980

Fig.5 Horizontal distribution of the difference of the average
winter water temperatures of 1963—1978 and 1979—1996

年和 1985—1990 年温差小于 1℃。在 20m 层水温跃
迁年(1973 年)的前一年, 温差达到最大值 2.31℃。在最大。北部海域升温温差呈由西向东升高的趋势, 南

表层跃迁年 1979 年, 温差最小, 约为－0.97℃(由于部升温区域由上向下逐渐减小,20m 层升温区域较

缺少 1978 年 4 月该区域水温数据, 无法判断 1978 年

0m 层减小约一倍。过去近 40 年来, 长江口外海域水的情况)。接着作者将 1978 年水温插值后, 利用循序

温整体呈上升趋势, 但是水温的变化存在较大的空

算法, 取 P=0.1, 截断长度 L=5, H=2, 得到 1965—

间差异性, 除了东海外陆架暖期温度比冷期降低, 冬

1996 年表层与 20m 水温差值发生转折的年份分别为

季水温整体呈增加趋势, 春季则是近岸和外陆架暖

1970、1975、1981、1986 和 1991 年。

期温度比冷期降低, 存在南北两个升温区域。
2.4

垂向结构的变化
在风搅拌的作用下, 冬季该海域垂向混合充分,

3讨论
影响海水温度变化的因素复杂多变, 主要包括

表底温度差异很小, 表层与 20m 层的年际变化相关海气热输送、侧向热输送和被加热水体本身热容量系数高达 0.97(置信度大于 99%)。春季跃层逐渐形成,等。海气热输送受包括风和气温等大气强迫影响, 侧

表层与 20m 层水温的年际变化相关系数较冬季变小,向热输送收海流、径流等因素影响, 而水体热容量受

图6
Fig.6

1979—1996 年与 1963—1978 年春季平均水温差值的分布

Horizontal distributions of the differences of the average spring water temperatures of 1963—1978 and 1979—1996

海

660

洋

与

湖

沼

43 卷

从冷期转折到暖期后, 1979—1994 年表层与 20m 层温
差与净热通量的相关系数为 0.65(置信度大于 99%)。
说明在 1979—1994 年间的 4 月, 长江口海域的净热
通量对海表水温变化有显著贡献。
上述比较说明, 春季水温在冷暖转折前后, 受控
机制不同, 冷期受气温变化影响比较大, 到了暖期后
则和气温没有直接联系, 此时受海气净热通量影响
更大。
关于海温年际、年代际变化转折年份的研究,
Minobe(1997)对北太平洋气候振荡的研究表明, 北太平洋东部春季海表温度、北太平洋中部冬、春季的海
表气压、日本 Enoshima 附近春夏季的海表温度和印
度洋年均海表温度异常均在 1976/1977 年存在气候转折。Graham(1994)对观测资料进行分析并进行模式模拟, 指出 1976/1977 冬季起, 赤道中东太平洋地区大面积增暖, 北太平洋中部显著变冷。相比于北太平洋,
长江口海域水温在冬季发生的转折年份晚两年, 而图7

春季各层次水温的年际变化以及表层与 20m 温差的

四月水温除表层外其它层次变化的月前年份均早于

年际变化

北太平洋数年。冯琳等(2009)的研究认为, 东中国海

Fig.7 Inter-annual variations of water temperatures in different
layers and the temperature differences between surface layer and
20m layer in spring
注: a 为春季各层次水温的年际变化; b 为春季表层与 20m 层温

SST 的变化相对于太平洋具有一定的滞后性, 但气候差的年际变化还会受到太平洋传递进来的信号的影响, 此外, 长江

水深、跃层等因素影响。
采用赵汉光等(1996)文中的方法, 利用大气压数据计算了 1963—1996 年间东亚冬季风指数。结果显
示东亚季风指数在 1980 年前后存在一个转折, 指数
在 1980 年后较 1980 年前上升了 0.13, 转折后季风变强。季风指数和水温都在 1980 年前后同样存在一个转折, 但是两者之间没有明显的关系。

跃迁信号极有可能是从太平洋传进东中国海的。可以推测, 长江口外海域水温除了受到大气强迫的影响,
径流量的变化导致的长江口外海域温、盐、密度结构的变化都会影响这个海域温度的分布和变化, 其变
化机制需要进一步深入讨论。

4结论
在季节变化上, 长江口外海域表层水温在 8 月最高,

3 月最低, 底层水温 9 月最高, 3 月最低, 表层温度变将 NCEP 月均气温数据进行处理, 得到 1963—

化幅度和速度均大于底层; 年际变化上, 冬季和春季

1996 年 31.4281°N, 123.75°E 这一格点上冬季和 4 月

都存在明显的增暖趋势。冬季除 20m 层水温外, 均在气温数据。冬季气温与海表温度的相关系数达到 0.53,

1979 年存在一个由冷到暖的跃迁, 且深层增温较表

置信度大于 99%。同样置信度的前提下, 1963—1976

层显著, 4 月水温的年际变化较冬季复杂, 表层、10m

年间 4 月气温与海表温度相关系数高达 0.79, 而 1976

层、20m 层和 30m 层水温分别在 1979、1973、1973

年之后两者又找不到明显的相关关系。利用的循序算

和 1975 年发生从冷到暖的跃迁, 冬季和春季平均增法发现, 4 月气温的转折年为 1984 年, 且 1984—1996

温强度相当, 但是冬季水温振荡的幅度大; 冷暖年温年较 1963—1983 年平均气温下降 0.64℃, 而 4 月海

度变化的水平分布上, 冬季除东南角小范围表层水

表温度在转折年后上升, 说明两者的转折机制不同。

温降低外, 沿岸及北部海区表层水温均升高, 春季北另外, 将四月表层与 20m 层温差的年际变化与该区部和南部中间海域暖期水温比冷期升高, 但是在近域风速、气温和净热通量进行了比较, 发现其与风速

岸和外陆架降低; 垂向结构上, 冬季表底混合均匀,和气温无明显关系。1963—1996 年 4 月表层与 20m

表层与 20m 层的年际变化相关系数高达 0.97, 4 月表层温差与净热通量的相关系数仅为 0.32, 但是在水温层与 20m 层水温差存在 10 年左右的变化周期。

3期

胡莹英等: 长江口外海域冬、春季水温变化规律研究检验了大气强迫量和水温变化之间的关系, 发661

特征及其与温盐度的关系. 生态学报, 25(3): 440—446

现: 在冷期, 4 月表层水温与长江口外海域气温的相

Graham N E, 1994. Decadal-scale climate variability in the tropical关系数为 0.79, 而在暖期, 4 月表层与 20m 层水温差and North Pacific during the 1970s and 1980s: observations

与长江口外海域的净热通量相关系数为 0.65, 冷暖期,

and model results. Climate Dynamics, 10(3): 135—162

水温变化的影响因素不同, 但具体作用机制尚不清晰。今后工作中, 将从径流量、海表和侧向热输送及
大洋信号影响等各方面讨论温度变化的控制机制。
参
冯

考

文

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VARIATIONS OF THE WATER TEMPERATURE OFFSHORE THE CHANGJIANG
RIVER ESTUARY IN WINTERS AND SPRINGSHU Ying-Ying1,

ZHAO Liang1,

GUO Xin-Yu2,

WEI Hao3(1. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao, 266100; 2. Center for Marine Environmental Studies,
Ehime University, Matsuyama, Japan, 7908577; 3. College of Marine Science and Engineering,
Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, 300457)

Abstract
Using historical water temperature data offshore the Changjiang River estuary from 1963 to 1996, we analyzed seasonal and inter-annual temperature variations at sea surface, 10m, 20m and 30m depths and the variations of vertical structure. Seasonally, we found that the surface water temperature was the highest in August and the lowest in March;
the bottom water temperature was the highest in September and the lowest in March. For inter-annual variations, the winterwater temperatures shifted from cold phase to warm phase in 1979. Although the spring (defined as April here) water temperatures at all depths also shifted from cold phase to warm phase. The shifts occurred in different years. Horizontally, thewinter surface water temperature had an increasing trend along coast and northern part of study area but a decreasing trend
on southeastern part; spring water temperature had an increasing trend, whose magnitude decreased from sea surface to
30m depth, in northern and middle-southern areas. Vertically, winter water temperatures were homogenous and the correlation coefficient for inter-annual variations between sea surface and 20m depth was 0.97; water temperature difference ofsea surface and 20m depth in spring presented an approximately 10 years periodic variation. We examined some possible
factors affecting inter-annual variations in water temperature in spring and found significant correlation between sea surface water temperature and air temperature during cold period and the correlation coefficient was 0.79, which was greaterthan that during warm period. We also found significant correlation between net heat flux and water temperature differenceof sea surface and 20m depth during warm period, with a correlation coefficient of 0.65.
Key words
Inter-annual variations, Water temperature, Changjiang River estuary, Winter and Spring