黄海冷水团空间范围年际变化及其对气候变化的响应研究

During summer, the Yellow Sea Cold Water Mass (YSCWM) is one of the most important components of the dynamic system in the Yellow Sea (YS). Due to the low temperature, the YSCWM provides an over-summering refuge for the zooplankton. As the horizontal and vertical boundaries, the locations of tidal front and thermocline control the spatial extent of the YSCWM. Long-term observations revealed that the magnitudes of inter-annual variations of the YSCWM were significant. The maximum volume is more than 2 times of minimum one. Investigating and predicting the inter-annual variation of the spatial extent of the YSCWM, provide useful information on setting up the boundaries of mariculture area reasonably in the coastal region, which is useful to avoiding the loss of cultivated shellfish and ensuring the sustainable development of marine economy. The water temperature field in February serves as the initial condition during the formation of the YSCWM. The winter temperature is primarily influenced by the strength of East Asian Winter Monsoon (EAWM) in the coastal region while the contribution of lateral heat transport is also important in the Yellow Sea Warm Current (YSWC) region. To understand the response of the extent of the YSCWM to the EAWM and the YSWC, forcing mechanisms of the magnitude, distribution and horizontal gradients of winter temperature on YSCWM extent will be investigated. During heat season, the contributions of atmospheric forcing and oceanic conditions (hydrographic or hydrodynamic) are quantified and evaluated using sensitivity tests. Aimed to forecast the inter-annual variations of spatial extent of the YSCWM, the dynamical-statistical relations using the large-scale climate variability will be established.

季节性生消的黄海冷水团是夏季黄海动力系统的重要成员之一，其低温环境为浮游动物提供了重要的度夏场所。作为冷水团的边界，潮汐锋面和跃层的位置控制了冷水团的空间范围。长期观测表明冷水团范围年际变化的幅度较大，最大体积可达最小体积的2倍以上。探讨及预报冷水团范围的年际变化，有助于合理规划近岸养殖区的范围，避免养殖贝类等的减产，是保障海洋经济可持续发展的基础。在黄海，东亚冬季风和黄海暖流共同影响的冬末水温场是冷水团形成的初始条件。本研究将通过考察冬末水温的量值、分布和水平梯度等对冷水团体积和边界位置年际变化的影响，探讨冷水团范围对前一冬季海区气候与环流的响应。在加热季节，使用数值模拟方法结合敏感性实验，定量地区分和评估大气强迫和海洋内部条件在黄海冷水团年际变化中的相对贡献。在认识动力学机制的基础上，为预报黄海冷水团范围的年际变化，拟建立基于大尺度气候变率的“动力-统计”关系。

黄海冷水团属于典型的季节性生消的陆架海底层冷水，具有低温和垂向层结稳定的特征。冷水团既是黄海浮游动物冷水种的度夏场所，也是我国当前开展冷水鱼类养殖的重要海域。研究黄海冷水团空间范围的变化规律与机制，有助于丰富黄海夏季动力系统响应气候变化的科学认识，有利于保护黄海现有的生物资源以及合理规划养殖网箱的布放区域。本项目基于1993-2018年间的高分辨数值模拟结果，研究了黄海冷水团空间范围的时空变化规律；结合再分析数据等，定量地分析了冬季初始水温场、增温季节的风场和海-气热通量等因素对冷水团演变和空间范围的影响。在冷水团的季节内演变中，通过分析水温和涩度（Potential spicity）的逐月变化特征，明确了前一冬季近岸浅水区（<50 m）冷水较为强盛的年份，增温季节冷水将在海槽两侧的边坡上逐渐向水体的中下层运移；在温跃层以下，与海槽内部的黄海暖流残留水共同影响冷水团的强度与水平范围。在年际的时间尺度上，南黄海冷水团西南侧锋面的位置变化最为显著；因此，采用经验正交函数分解（EOF）方法得到能够反映该处冷水团边界年际变率的时间系数，并将其作为黄海冷水团体积和水平范围的示性指标。研究表明，前一冬季30 m以浅的水温状况，作为重要的初始条件，显著地调控了增温季节内层化结构的建立过程；逐年冬季（2月）浅水区水温与冷水团西南边界的位置指数之间呈显著的相关关系（R = 0.68，置信水平95%）。机制研究表明，黄海冬季的近岸区水温主要受控于东亚冬季风的强度，显著地响应大尺度的北极涛动（AO）系统。进一步的分析，显示当AO位于正位相时，黄海冷水团西南锋面的位置偏东偏北，冷水团体积和水平范围偏小；AO与冷水团西南边界的位置指数呈现中等的相关关系（R = 0.47），可作为该年夏季冷水团空间范围的预报因子。