駱敬新 高志剛 劉克修 宋翔洲 武雙全 范振華

（1 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；2 國(guó)家海洋局，北京 100860）

0 引言

海氣界面熱通量是海洋熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和海洋氣候?qū)W的重要研究?jī)?nèi)容，是揭示和解釋海洋和大氣熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過程的重要基礎(chǔ)，可用于海洋環(huán)流、海氣相互作用和氣候理論等研究[1]。

精準(zhǔn)的海氣熱通量資料對(duì)于氣候分析、天氣預(yù)報(bào)模式的發(fā)展非常關(guān)鍵。由于海氣界面通量不是常規(guī)觀測(cè)，海上觀測(cè)又非常困難，這使得熱通量觀測(cè)起步很晚。很長(zhǎng)一段時(shí)間國(guó)內(nèi)外沒有空間分辨率高、時(shí)間序列長(zhǎng)的熱通量資料。獲得海氣熱通量的最基本方法有：塊體動(dòng)力學(xué)方法、廓線法、渦動(dòng)相關(guān)法（渦動(dòng)相關(guān)法、梯度法、整體輸送系數(shù)法）。廓線法、渦動(dòng)相關(guān)法對(duì)觀測(cè)技術(shù)設(shè)備要求高，獲取難度很大，獲得資料的時(shí)間空間分布有限。塊體動(dòng)力學(xué)方法將基本的海洋氣象觀測(cè)要素與湍流熱通量聯(lián)系起來，使得獲取長(zhǎng)序列、高時(shí)空分辨率的熱通量成為可能，因此也得到了許多研究人員關(guān)注和青睞。

COARE（Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment）模式是一種常用的塊體動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算海氣熱通量的模式。2005年楊清華等[2]將COARE 算法作為檢驗(yàn)大氣和海洋耦合預(yù)報(bào)模式所采用的通量計(jì)算方法。Fairall等[3]對(duì)COARE模式中塊體動(dòng)力學(xué)算法進(jìn)行了評(píng)估和改進(jìn)，公布了其最新版本3.0（簡(jiǎn)稱COARE 3.0），使其應(yīng)用范圍從低緯擴(kuò)展至中高緯，風(fēng)速范圍也從12 m/s擴(kuò)至20 m/s，其誤差分別在5%（0～10 m/s）和10%（10～20 m/s）之內(nèi)。Brunke等[4]使用熱帶和中緯（5°S—60°N）海域中進(jìn)行的12個(gè)航次的直接湍流通量觀測(cè)結(jié)果對(duì)國(guó)際上經(jīng)常使用的12個(gè)塊體算法進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果發(fā)現(xiàn)COARE 3.0是最可靠的算法之一。COARE 3.0方法在強(qiáng)風(fēng)情況下計(jì)算海氣熱通量雖然有了進(jìn)一步的改進(jìn)，但是需要相應(yīng)觀測(cè)時(shí)次的波浪特征值和陣風(fēng)值[2,5]，很難有充分滿足條件的資料存在。因?yàn)橘Y料匱乏，這里采用褚健婷等[6]改進(jìn)的COARE 2.5b方法進(jìn)行海洋站感熱通量和潛熱通量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。2006年褚健婷等[6]對(duì)COARE 2.5b進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的方法在弱風(fēng)和中風(fēng)條件下感熱通量的模擬結(jié)果較好，而潛熱通量卻在中風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)條件下的模擬結(jié)果較優(yōu)，在強(qiáng)風(fēng)下，感熱通量誤差較大，可是這部分在研究資料中所占比重較?。ú坏?00組數(shù)據(jù)），所以可靠性不高?？傮w而言，感熱通量的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過2 W/m2，潛熱通量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.372 W/m2，二者基本滿足國(guó)際上平均標(biāo)準(zhǔn)偏差在10 W/m2左右的要求。

20世紀(jì)90年代后，隨著再分析資料的問世，全球氣候變化研究得到了迅速而廣泛的發(fā)展。目前再分析資料在氣候變化和變率、氣候診斷和分析、海洋氣候數(shù)值模擬等研究中得到了廣泛地應(yīng)用。國(guó)際上常用的海氣熱通量再分析資料主要有NCEP/NCAR、GSSTRF、ERA 40、ERA-Interim（簡(jiǎn)稱ERA-I）、OAFlux、MERRA等幾種。與單站數(shù)據(jù)相比，再分析的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)空間分布均勻，時(shí)間序列長(zhǎng)，可用來研究要素的趨勢(shì)、空間分布特征，但在使用之前必須對(duì)資料的可靠性進(jìn)行全面評(píng)估。高志剛等[7]利用海洋站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)ERA-I的氣溫、氣壓、表層水溫進(jìn)行了評(píng)估，ERA-I氣溫、氣壓和海溫累年月平均變化特征和觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，可以反映氣候態(tài)的季節(jié)變化特征。但對(duì)于局部區(qū)域ERA-I海溫?cái)?shù)據(jù)與臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)存在偏差。趙瑞霞等[8-9]、何浪等[10]將實(shí)測(cè)資料同ERA 40再分析資料作對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)ERA 40再分析資料中的降水與實(shí)測(cè)也存在偏差，只是不像NCEP資料那么顯著。黃艷松等[11]對(duì)NCEP再分析資料和浮標(biāo)觀測(cè)資料計(jì)算的海氣熱通量進(jìn)行了比較，研究表示在統(tǒng)計(jì)意義上NCEP2給出的海表氣象參數(shù)比NCEP1與浮標(biāo)觀測(cè)值更接近，而凈輻射通量則是NCEP1更接近浮標(biāo)觀測(cè)值。徐小慧等[12]利用船測(cè)近海層湍流熱通量資料驗(yàn)證OAFlux數(shù)據(jù)集，結(jié)果表明：OAFlux的潛熱通量普遍高于船測(cè)值，并且風(fēng)速較大時(shí)，兩者差異較大。由此可見再分析資料產(chǎn)品與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果會(huì)存在各種差異，海氣熱通量資料很有可能也存在一些偏差，不準(zhǔn)確的海氣熱通量數(shù)據(jù)對(duì)于海洋氣候預(yù)測(cè)模式結(jié)果將產(chǎn)生較大的影響，造成預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，因此資料使用前進(jìn)行評(píng)估很有必要。

本文利用海洋站實(shí)測(cè)的常規(guī)氣象要素資料，采用COARE 2.5b方法計(jì)算中國(guó)沿岸整體的海氣感熱通量和潛熱通量，對(duì)再分析數(shù)據(jù)MERRA和ERA-Interim的月平均感熱通量和潛熱通量進(jìn)行系統(tǒng)性的檢驗(yàn)和分析評(píng)估，互相驗(yàn)證。文中既包含了表現(xiàn)海氣熱通量氣候特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，也包含了對(duì)兩種再分析數(shù)據(jù)的評(píng)估分析結(jié)果，這些研究結(jié)果為海氣相互作用研究、海洋氣候變化研究、數(shù)值預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)的使用提供借鑒和參考。

1 資料和處理方法

1.1 資料介紹

1.1.1 海洋站觀測(cè)資料

海洋站觀測(cè)資料是國(guó)家海洋局多年來業(yè)務(wù)化觀測(cè)獲取的資料，觀測(cè)位置固定，時(shí)間序列長(zhǎng)，質(zhì)量相對(duì)較好，是開展氣候變化研究、工程設(shè)計(jì)等最可信的數(shù)據(jù)。本文中選取1981—2012年觀測(cè)資料最完整，在中國(guó)沿海位置分布相對(duì)均勻的33個(gè)海洋站，包括渤海5個(gè)站、黃海8個(gè)站、東海10個(gè)站、南海10個(gè)站。用33個(gè)海洋站的平均值代表全中國(guó)沿岸的整體平均值。

1.1.2 再分析資料

ERA-I資料，來源于歐洲中心（ECMWF），是使用ECMWF的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS）模型同化的數(shù)據(jù)產(chǎn)品[7]。時(shí)間范圍為1979年至今，時(shí)間分辨率包括逐時(shí)、日平均和月平均等，空間分辨率最高達(dá)0.125°×0.125°。本文中采用了其中的0.5°×0.5°分辨率的月平均海氣熱通量數(shù)據(jù)。

MERRA（The Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications ）資料，來源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的GESDISC（Goddard Earth Science Data Information and Services Center），MERRA是利用GEOS-5（The Goddard Earth Observing System Model V.5）同化系統(tǒng)生成的再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品。數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍從1979年至今。時(shí)間尺度有逐時(shí)、3 h、6 h、日平均和月平均等；空間分辨率有0.66°（經(jīng)度）×0.5°（緯度）、1.25°（經(jīng)度）×1°（緯度）、1.25°×1.25°等多種網(wǎng)格，本文中選用了其中的0.66°（經(jīng)度）×0.5°（緯度）空間分辨率的海氣熱通量月平均數(shù)據(jù)。

1.2 資料處理方法

1.2.1 海洋站觀測(cè)資料處理

海洋站觀測(cè)資料依據(jù)《海濱觀測(cè)規(guī)范》（GB/T14914—2006）進(jìn)行了質(zhì)量控制處理。本文中選取33個(gè)海洋站1981—2012年每日4個(gè)時(shí)次（00、06、12和18時(shí)世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)）實(shí)測(cè)氣溫、水溫、風(fēng)、氣壓、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，然后利用改進(jìn)后的COARE 2.5b方法[6]進(jìn)行4個(gè)時(shí)次的感熱通量和潛熱通量的計(jì)算。計(jì)算前氣溫、氣壓、風(fēng)都進(jìn)行了高度訂正。在4個(gè)時(shí)次熱通量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行逐年月平均統(tǒng)計(jì)，對(duì)于缺測(cè)值采用鄰近站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插補(bǔ)，形成完整、均一的海洋站感熱通量和潛熱通量歷年逐月均值時(shí)間序列。

感熱通量計(jì)算方法如下[6]：

潛熱通量計(jì)算方法如下[6]：

ρa(bǔ)用以下公式計(jì)算：

L用以下公式計(jì)算：

式中，Qh為感熱通量（W/m2）；Cp為定壓比熱（J·kg－1·K－1），取值1004.67；ρa(bǔ)為濕空氣密度（kg/m3）；Cs為感熱交換系數(shù)；W為10 m高風(fēng)速（m/s）；Ts為表層海水溫度（K）；Ta為空氣溫度（K）；Qe為潛熱通量（W/m2）；L為蒸發(fā)潛熱系數(shù)（J/kg）；Ce為潛熱交換系數(shù)；qs為海水飽和比濕（g/kg）；qa為空氣比濕（g/kg）；Zr為氣溫觀測(cè)高度（m）；ts為表層海水溫度（℃）。

1.2.2 再分析資料處理

本文中使用的再分析資料為1981年1月—2012年12月逐月平均值資料。為便于同我國(guó)沿岸海洋站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，采用雙三次插值法得到再分析資料海洋站位置處的感熱通量和潛熱通量月平均數(shù)據(jù)。

1.2.3 資料檢驗(yàn)分析內(nèi)容及方法

1.2.3 .1檢驗(yàn)分析內(nèi)容

檢驗(yàn)分析的內(nèi)容包括海洋站與ERA-I資料、海洋站與MERRA資料的歷年逐月感熱通量、潛熱通量均值序列、季節(jié)變化特征、年際變化趨勢(shì)特征，檢驗(yàn)指標(biāo)包括均值偏差、方差、相關(guān)性、趨勢(shì)一致性等。

1.2.3 .2檢驗(yàn)分析方法

1）均值偏差檢驗(yàn)[13]。為比較再分析數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差，需進(jìn)行數(shù)據(jù)的偏差檢驗(yàn)，計(jì)算各自的算術(shù)平均值，進(jìn)行t值檢驗(yàn)。

2）方差檢驗(yàn)[13]。計(jì)算各時(shí)間序列的方差，進(jìn)行f值檢驗(yàn)。

3）相關(guān)性檢驗(yàn)[13]。開展實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)。

4）年際變化趨勢(shì)一致性檢驗(yàn)。對(duì)逐年的年均值序列采用線性擬合方法計(jì)算線性擬合的斜率，對(duì)比分析各種類型數(shù)據(jù)的趨勢(shì)變化特征。

2 資料檢驗(yàn)分析

2.1 歷年逐月均值檢驗(yàn)

2.1.1 感熱通量

研究首先對(duì)中國(guó)沿岸整體的歷年逐月平均感熱通量時(shí)間序列進(jìn)行均值檢驗(yàn)分析，結(jié)果顯示（表1），海洋站與ERA-I、海洋站與MERRA的歷年逐月平均感熱通量時(shí)間序列檢驗(yàn)t值分別為2.538和1.750，均小于a=0.01的t值2.576，通過了均值偏差檢驗(yàn)，均值差異不顯著，其中，兩種再分析數(shù)據(jù)時(shí)間序列均值略高于海洋站，且MERRA數(shù)據(jù)均值與海洋站更接近。分析再分析數(shù)據(jù)均值偏大的原因可能是秋、冬季海洋站的平均水溫整體低于再分析數(shù)據(jù)的平均水溫[7]，風(fēng)速高于再分析數(shù)據(jù)，感熱通量差異不大；春、夏季水溫、氣溫差異不大[7]，但海洋站的風(fēng)速整體低于再分析數(shù)據(jù)的風(fēng)速，造成海洋站感熱通量均值偏低。各海區(qū)沿岸再分析資料感熱通量均大于海洋站計(jì)算值。渤海和南海沿岸感熱通量未通過均值偏差檢驗(yàn)，差異顯著，再分析資料在該區(qū)域的感熱通量明顯高于海洋站計(jì)算值；黃海、東海沿岸感熱通量通過了均值檢驗(yàn)，差異不顯著。渤海和南海沿岸的海洋站氣溫比再分析資料整體偏低，表層水溫比再分析資料偏高[7]是該區(qū)域感熱通量偏差較大的主要因素。ERA-I與海洋站歷年逐月感熱通量時(shí)間序列的方差檢驗(yàn)f值為1.711，MERRA與海洋站歷年逐月感熱通量時(shí)間序列的方差檢驗(yàn)f值為2.680，差異均顯著，與MERRA數(shù)據(jù)相比ERA-I感熱通量方差與海洋站更接近。分析原因可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)同化模式建立時(shí)會(huì)考慮將運(yùn)行結(jié)果的方差控制在一定范圍內(nèi)，因此模式中有專門的數(shù)據(jù)過濾和控制方差的處理。

表1 1981—2012年歷年逐月感熱通量和潛熱通量時(shí)間序列檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 The check of sensible heat flux and latent heat flux monthly mean series during 1981-2012

ERA-I、MERRA與海洋站歷年逐月平均感熱通量時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.931和0.862，均有著明顯的相關(guān)性。各海區(qū)均明顯相關(guān)，渤海沿岸和南海沿岸感熱通量相關(guān)系數(shù)略小于其他海區(qū)。

2.1.2 潛熱通量

研究對(duì)于中國(guó)沿岸整體的歷年逐月平均潛熱通量時(shí)間序列進(jìn)行了均值檢驗(yàn)（表1），ERA-I、MERRA與海洋站歷年逐月潛熱通量時(shí)間序列均值偏差檢驗(yàn)t值分別為1.448和0.350，均值差異均不顯著，但ERA-I的潛熱通量均值最高，其次是海洋站，MERRA潛熱通量均值最低，MERRA潛熱通量均值與海洋站更接近。分析其原因，ERA-I的表層水溫?cái)?shù)據(jù)整體上（尤其是冬、春季）比海洋站觀測(cè)的數(shù)據(jù)偏高[7]，海氣間比濕差偏大，造成ERA-I的潛熱通量均值略偏大。渤海沿岸潛熱通量MERRA數(shù)據(jù)與海洋站計(jì)算的結(jié)果均值差異顯著，海洋站計(jì)算結(jié)果明顯高于MERRA數(shù)據(jù)；南海沿岸潛熱通量ERA-I數(shù)據(jù)與海洋站計(jì)算結(jié)果均值差異顯著，海洋站計(jì)算結(jié)果明顯低于ERA-I數(shù)據(jù)；其他海區(qū)數(shù)據(jù)差異不明顯。渤海沿岸2002年以前海洋站計(jì)算的海氣比濕差大于MERRA，且風(fēng)速偏大；南海沿岸海洋站計(jì)算的海氣比濕差明顯小于ERA-I，是兩個(gè)海區(qū)潛熱通量差異的主要因素。ERA-I、MERRA與海洋站歷年逐月潛熱通量時(shí)間序列的方差檢驗(yàn)f值分別為1.655和2.554，均超過a=0.01的fa值1.53，與感熱通量相似，方差差異顯著，與MERRA數(shù)據(jù)相比ERA-I潛熱通量方差與海洋站更接近。原因與感熱通量相同。

中國(guó)沿岸的ERA-I、MERRA與海洋站歷年逐月平均潛熱通量時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.950和0.941，均明顯相關(guān)，各海區(qū)均明顯相關(guān)。

2.2 季節(jié)變化特征檢驗(yàn)

2.2.1 感熱通量

研究對(duì)1981—2012年海洋站與再分析數(shù)據(jù)累年逐月平均感熱通量時(shí)間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和變化特征檢驗(yàn)（圖1），結(jié)果顯示，中國(guó)沿岸整體的感熱通量再分析資料與海洋站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果均呈現(xiàn)秋、冬季高，春、夏季低的季節(jié)變化分布形式。海洋站感熱通量4月最低，月平均感熱通量約為－0.9 W/m2；4—7月感熱通量均較低，月平均感熱通量在0 W/m2左右，12月最高，月平均感熱通量約為45.2 W/m2；ERA-I感熱通量7月最低，月平均感熱通量約為11.1 W/m2，12月最高，月平均感熱通量約為48.3 W/m2；MERRA感熱通量8月最低，月平均值約為8.9 W/m2，12月最高，月平均感熱通量約為39.5 W/m2，再分析資料與海洋站資料最高值出現(xiàn)月份一致，最低值出現(xiàn)月份略有差異。ERA-I各月平均感熱通量均高于海洋站；MERRA月平均感熱通量 2—7月高于海洋站，1月、10—12月低于海洋站，9月兩種數(shù)據(jù)基本持平（圖2、圖3）。感熱通量在2—7月再分析數(shù)據(jù)明顯高于海洋站數(shù)據(jù)的原因，可能主要是由于在2—3月海洋站表層水溫整體低于再分析數(shù)據(jù)，4—7月海洋站風(fēng)速整體低于再分析數(shù)據(jù)所致。

圖1 1981—2012年中國(guó)沿岸海洋站、ERA-I和MERRA的累年逐月平均感熱通量Fig. 1 The normal monthly mean sensible heat flux from the coastal station, ERA-I and MERRA during 1981-2012

圖2 1981—2012年中國(guó)沿岸MERRA數(shù)據(jù)、ERA-I數(shù)據(jù)與海洋站累年逐月平均感熱通量的差Fig. 2 The normal monthly mean sensible heat flux difference between the coastal station, ERA-I and MERRA during 1981-2012

圖3 1981—2012年累年逐月感熱通量的線性擬合分析比較（a）中國(guó)沿岸，（b）渤海沿岸，（c）黃海沿岸，（d）東海沿岸，（e）南海沿岸Fig. 3 The normal monthly mean sensible heat flux linear fitting for the(a) coast of the China Sea, (b) coast of the Bohai Sea, (c) coast of the Yellow Sea, (d) coast of the China East Sea, and(e) coast of China South Sea during 1981-2012

研究對(duì)中國(guó)沿岸整體的ERA-I、MERRA感熱通量累年逐月平均值時(shí)間序列和海洋站結(jié)果做相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)分別為0.959和0.899，呈現(xiàn)明顯的相關(guān)（圖3）。各海區(qū)沿岸的ERA-I、MERRA感熱通量累年逐月平均值時(shí)間序列和海洋站結(jié)果相關(guān)性各不相同，其中東海沿岸的相關(guān)性最好，其次是黃海沿岸，再次是南海沿岸，渤海沿岸的相關(guān)性最弱，ERA-I資料與海洋站計(jì)算結(jié)果的相關(guān)性比MERRA資料好。

2.2.2 潛熱通量

研究對(duì)于中國(guó)沿岸整體，分別進(jìn)行海洋站、ERA-I數(shù)據(jù)和MERRA數(shù)據(jù)1981—2012年的累年逐月平均潛熱通量時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)和變化特征檢驗(yàn)，結(jié)果顯示（圖4），中國(guó)沿岸整體3種數(shù)據(jù)潛熱通量均呈現(xiàn)春夏季低，秋冬季高的季節(jié)變化形式，平均值最低月份均為4月，最高月份均為10月，海洋站潛熱通量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果季節(jié)變化振幅最大，MERRA數(shù)據(jù)季節(jié)變化振幅最小。ERA-I潛熱通量1、8及12月平均值高于海洋站，11月平均值低于海洋站，9和11月兩種數(shù)據(jù)基本持平；MERRA數(shù)據(jù) 2—8月平均潛熱通量高于海洋站，9—12月低于海洋站，1月兩種數(shù)據(jù)基本持平；潛熱通量低的月份，ERA-I數(shù)據(jù)和MERRA數(shù)據(jù)偏高，潛熱通量高的月份，ERA-I數(shù)據(jù)和海洋站數(shù)據(jù)接近，MERRA數(shù)據(jù)比海洋站數(shù)據(jù)偏低（圖5、圖6）。分析產(chǎn)生差異的原因主要是因?yàn)镋RA-I數(shù)據(jù)海氣比濕差偏大，海洋站風(fēng)數(shù)據(jù)秋季高于再分析資料，春、夏季低于再分析資料所致。

圖4 1981—2012年中國(guó)沿岸海洋站、ERA-I、MERRA累年逐月平均潛熱通量變化圖（1981—2012年）Fig. 4 The normal monthly mean latent heat flux of the coastal station, ERA-I and MERRA from 1981 to 2012

中國(guó)沿岸ERA-I、MERRA與海洋站累年逐月潛熱通量時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)分別為0.984和0.982，相關(guān)性均顯著（圖6）。各海區(qū)沿岸的ERA-I、MERRA潛熱通量累年逐月平均值時(shí)間序列和海洋站計(jì)算結(jié)果相關(guān)性均顯著，季節(jié)變化一致性較好，其中，東海沿岸的相關(guān)性最好。

圖5 1981—2012年中國(guó)沿岸ERA-I數(shù)據(jù)、MERRA數(shù)據(jù)與海洋站累年逐月平均潛熱通量之差Fig. 5 The normal monthly mean latent heat flux difference between the coastal station, ERA-I and MERRA from 1981 to 2012

圖6 1981—2012年累年逐月潛熱通量的線性擬合分析比較（a）中國(guó)沿岸，（b）渤海沿岸，（c）黃海沿岸，（d）東海沿岸，（e）南海沿岸Fig. 6 The normal monthly mean latent heat flux linear fitting from 1981 to 2012 for the (a) coast of the China Sea, (b) coast of the Bohai Sea, (c) coast of the Yellow Sea, (d) coast of the East China Sea, and (e) coast of the South China Sea

2.3 年際變化特征檢驗(yàn)

2.3.1 感熱通量

研究首先對(duì)1981—2012年中國(guó)沿岸的感熱通量逐年平均值序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和變化特征檢驗(yàn)（圖7），結(jié)果顯示，海洋站感熱通量有明顯的下降趨勢(shì)，下降率為0.257 W/(m2/a)，尤其是在2002—2007年感熱通量下降明顯，在2006—2009年為感熱通量最低的4年；ERA-I數(shù)據(jù)的下降率為0.082 W/(m2/a)，MERRA數(shù)據(jù)的下降率為0.010 W/(m2/a)，兩種分析資料的下降趨勢(shì)均不顯著。1981—2012年ERA-I與海洋站年平均感熱通量序列的相關(guān)系數(shù)為0.541，相關(guān)性顯著；MERRA與海洋站年平均感熱通量序列相關(guān)系數(shù)為0.270，相關(guān)性不顯著（表2）。各海區(qū)沿岸感熱通量海洋站計(jì)算結(jié)果與再分析資料年際變化的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，黃海、東海、南海沿岸海洋站計(jì)算結(jié)果與ERA-I資料相關(guān)性顯著，而渤海沿岸的相關(guān)性不顯著；南海沿岸海洋站計(jì)算結(jié)果與MERRA資料的相關(guān)性顯著，其他海區(qū)相關(guān)性不顯著（表2）。

表2 1981—2012年感熱通量和潛熱通量年際變化分析Table 2 The analysis of sensible heat flux and latent heat flux interannual variability from 1981 to 2012

由圖7a看出中國(guó)沿岸1981—2000年3種數(shù)據(jù)的年際變化趨勢(shì)較一致，繼續(xù)對(duì)1981—2000年3種資料的年際變化趨勢(shì)特征進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，1981—2000年海洋站、ERA-I、MERRA感熱通量年際變化率分別為－0.126 W/(m2/a)、－0.176 W/(m2/a)、－0.078 W/(m2/a)，其中海洋站和ERA-I感熱通量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)顯著，MERRA感熱通量的變化趨勢(shì)不顯著。1981—2000年ERA-I數(shù)據(jù)、MERRA數(shù)據(jù)與海洋站年平均感熱通量序列相關(guān)系數(shù)分別為0.721和0.448，均通過了a=0.05的相關(guān)系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)性較好。

圖7 1981—2012年海洋站、ERA-I和MERRA歷年平均感熱通量年際變化（a）中國(guó)沿岸，（b）渤海沿岸，（c）黃海沿岸，（d）東海沿岸，（e）南海沿岸Fig. 7 The annual sensible heat flux of the coastal station, ERA-I and MERRA from 1981 to 2012 for the(a) coast of the China Sea, (b) coast of the Bohai Sea,(c) coast of the Yellow Sea, (d) coast of the East China Sea, and (e) coast of the South China Sea

分析1981—2012年再分析資料與海洋站感熱通量年際變化趨勢(shì)不一致，海洋站感熱通量下降趨勢(shì)明顯大于再分析數(shù)據(jù)的原因主要是因?yàn)?000—2007年與2000年前比，海洋站數(shù)據(jù)氣溫升高的趨勢(shì)仍比較明顯，2007年達(dá)到最高值，而再分析數(shù)據(jù)氣溫在2000—2007年氣溫上升基本是停滯，甚至略有下降趨勢(shì)，海洋站的海氣溫差下降率大于兩種再分析資料，期間海洋站的風(fēng)速下降率也較大，因此海洋站感熱通量整體的下降率大于再分析數(shù)據(jù)，渤海區(qū)域這種特征最為明顯。

2.3.2 潛熱通量

研究對(duì)1981—2012年中國(guó)沿岸整體潛熱通量逐年平均值序列進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和變化趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示（表2），海洋站潛熱通量年際變化有明顯的下降趨勢(shì)，下降率為0.751 W/(m2/a)，尤其是在2002—2008年潛熱通量下降明顯；ERA-I數(shù)據(jù)在1981—2012年下降趨勢(shì)較明顯，下降率為0.103 W/(m2/a)，MERRA數(shù)據(jù)在1981—2012年略有上升的趨勢(shì)，上升率為0.027 W/(m2/a)，趨勢(shì)不明顯。ERA-I與海洋站年平均潛熱通量時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為0.581，相關(guān)性顯著；MERRA與海洋站年平均潛熱通量時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為0.231，相關(guān)性不顯著（圖8）。各海區(qū)沿岸海洋站計(jì)算結(jié)果與再分析資料潛熱通量年際變化的相關(guān)性分析結(jié)果顯示：黃海和東海沿岸，海洋站計(jì)算結(jié)果與ERA-I資料相關(guān)性顯著，而渤海和南海沿岸的相關(guān)性不顯著；東海沿岸海洋站計(jì)算結(jié)果與MERRA資料的相關(guān)性顯著，其他海區(qū)相關(guān)性不顯著（表2）。

圖8 1981—2012年海洋站、ERA-I、MERRA歷年平均潛熱通量年際變化（a）中國(guó)沿岸，（b）渤海沿岸，（c）黃海沿岸，（d）東海沿岸，（e）南海沿岸Fig. 8 The annual latent heat flux of the coastal station, ERA-I and MERRA from 1981 to 2012 for the(a) coast of the China Sea, (b) coast of the Bohai Sea, (c) coast of the Yellow Sea, (d) coast of the East China Sea,(e) coast of the South China Sea

圖8 a顯示中國(guó)沿岸2000年前后，ERA-I和MERRA潛熱通量年平均值序列的變化趨勢(shì)明顯不同，研究進(jìn)一步分段分析了2000年前、后變化趨勢(shì)一致性和相關(guān)性。1981—2000年，海洋站潛熱通量年際變化呈下降趨勢(shì)，下降率為0.352 W/(m2/a)，下降趨勢(shì)明顯；ERA-I潛熱通量年際變化呈略上升的趨勢(shì)，上升率為0.124 W/(m2/a)；MERRA潛熱通量年際變化上升趨勢(shì)明顯，上升率為0.290 W/(m2/a)；海洋站與兩種再分析數(shù)據(jù)的年際變化趨勢(shì)均不一致，相關(guān)性也不顯著。2001—2012年，三種數(shù)據(jù)的潛熱通量年際變化均呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，其中，海洋站數(shù)據(jù)的下降率最大，約為0.906 W/(m2/a)；其次是ERA-I數(shù)據(jù)，下降率為0.620 W/(m2/a)；MERRA數(shù)據(jù)的下降率為0.576 W/(m2/a)；ERA-I、MERRA與海洋站潛熱通量年際變化序列的相關(guān)性均顯著。

在2000年以前兩種再分析資料的潛熱通量為上升趨勢(shì)，海洋站的潛熱通量為下降趨勢(shì)，2000年以后三種資料的潛熱通量均為下降趨勢(shì)。分析其原因，首先1981—2012年3種資料風(fēng)速均為減小的趨勢(shì)，與文獻(xiàn)[14]中的結(jié)論一致，對(duì)于潛熱通量下降產(chǎn)生貢獻(xiàn)；而2000年以前再分析數(shù)據(jù)水溫升高趨勢(shì)略大于海洋站數(shù)據(jù)，空氣比濕的上升率小于海洋站數(shù)據(jù)，則再分析數(shù)據(jù)海氣比濕差為增大的趨勢(shì)，MERRA數(shù)據(jù)尤為明顯，對(duì)潛熱通量的上升趨勢(shì)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，綜合海氣比濕差和風(fēng)速的變化，2000年前再分析數(shù)據(jù)潛熱通量整體上為略有上升的趨勢(shì)，與海洋站實(shí)測(cè)結(jié)果不同；2000年以后，3種資料的風(fēng)速及海氣比濕差均為下降趨勢(shì)，且海洋站風(fēng)速和比濕差的下降趨勢(shì)均強(qiáng)于兩種再分析資料，因此3種資料潛熱通量均為下降，但是海洋站潛熱通量下降趨勢(shì)最大，渤海、黃海沿岸的這種特征最明顯，造成海洋站計(jì)算的潛熱通量和再分析數(shù)據(jù)的潛熱通量年際變化特征差異較大，相關(guān)性差。2008年海洋站表現(xiàn)的中國(guó)沿岸整體潛熱通量最低，再分析數(shù)據(jù)沒有反映出此特征，原因可能是海洋站水溫比再分析資料低[7]、空氣比濕與再分析資料較一致但均較高，海氣比濕差比再分析資料明顯偏小，且海洋站風(fēng)速也偏低所致。該年份的再分析資料使用時(shí)應(yīng)注意其存在的偏差。

3 結(jié)論

1）歷年逐月平均值檢驗(yàn)顯示：對(duì)于中國(guó)沿岸整體的歷年逐月平均感熱通量和潛熱通量，兩種再分析數(shù)據(jù)與海洋站的均值沒有明顯偏差，相關(guān)性均較好。ERA-I數(shù)據(jù)平均值略偏大，MERRA數(shù)據(jù)與海洋站的平均狀態(tài)更接近。方差差異均明顯，海洋站的方差最大，MERRA的方差最小，ERA-I與海洋站更接近。

2）季節(jié)變化特征檢驗(yàn)顯示：中國(guó)沿岸整體的感熱通量季節(jié)變化呈春夏季低，秋冬季高的分布形式，兩種再分析與資料海洋站均顯著相關(guān)，最高月份均為12月；最低月份略有不同，海洋站最低月份為4月，ERA-I數(shù)據(jù)最低月份在7月，MERRA數(shù)據(jù)的最低月份在8月，在2—7月海洋站月平均感熱通量明顯低于ERA-I和MERRA的月平均值。中國(guó)沿岸整體的潛熱通量季節(jié)變化呈春夏季低，秋冬季高的分布形式，再分析資料與海洋站的時(shí)間序列均顯著相關(guān)，最低、最高月份相同，4月最低，10月最高，再分析資料能夠很好地體現(xiàn)中國(guó)沿岸整體的潛熱通量季節(jié)性變化特征，其中也存在略微的差異，如：海洋站季節(jié)變化振幅最大，其次是ERA-I數(shù)據(jù)，MERRA數(shù)據(jù)的季節(jié)變化振幅最小。

3）年際變化特征檢驗(yàn)結(jié)果顯示：1981—2012年，對(duì)于中國(guó)沿岸整體，ERA-I數(shù)據(jù)感熱通量和潛熱通量年際變化和海洋站相關(guān)性顯著，MERRA數(shù)據(jù)感熱通量和潛熱通量年際變化和海洋站相關(guān)性不顯著；ERA-I和海洋站感熱通量和潛熱通量數(shù)據(jù)均下降趨勢(shì)明顯，與海洋站趨勢(shì)較一致；MERRA數(shù)據(jù)感熱通量年際變化呈略下降的趨勢(shì)，趨勢(shì)不明顯；MERRA數(shù)據(jù)潛熱通量的年際變化呈略上升的趨勢(shì)，與海洋站計(jì)算的潛熱通量趨勢(shì)明顯不一致，MERRA數(shù)據(jù)不能代表期間的中國(guó)沿岸感熱和潛熱通量的年際變化特征。不論是感熱通量還是潛熱通量，與MERRA數(shù)據(jù)相比，ERA-I數(shù)據(jù)與海洋站數(shù)據(jù)的年際變化特征更為接近。

4）綜合分析再分析數(shù)據(jù)與海洋站觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的海氣熱通量月均值、季節(jié)變化和年際變化特征差異產(chǎn)生的原因，主要是由于數(shù)據(jù)同化模式中所用的中國(guó)沿岸海溫資料、空氣濕度資料量有限，并且位于海陸相互作用的邊界，使模式運(yùn)行結(jié)果存在誤差。另外模式運(yùn)行時(shí)可能對(duì)異常值的過度處理，使數(shù)據(jù)（特別是風(fēng)）方差變小，也會(huì)對(duì)通量的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。