基于WOA13數(shù)據(jù)的東海黑潮主軸溫度鋒特征分析

黨振中，周立佳，劉建斌，董慧超，牛洪暄，劉 昕

（海軍大連艦艇學院，遼寧　大連　116018）

基于WOA13數(shù)據(jù)的東海黑潮主軸溫度鋒特征分析

黨振中，周立佳，劉建斌，董慧超，牛洪暄，劉 昕

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018）

利用WOA13（1955-2012年）月平均數(shù)據(jù)提取東海黑潮主軸溫度鋒信息，并結合海表面溫度、PN斷面溫度結構的季節(jié)變化特征，研究東海黑潮主軸溫度在垂直方向和水平方向的季節(jié)變化，探討黑潮主軸溫度鋒季節(jié)變化特征，為開展黑潮相關研究提供基礎。結果表明WOA13數(shù)據(jù)對東海黑潮主軸溫度鋒信息的提取具有較好的效果；在PN斷面上，冬、春季節(jié)的流核結構最為明顯；在130～170 m深度上，東海黑潮主軸溫度鋒具有明顯的季節(jié)變化特征，并且可以明顯看到黑潮大彎曲的存在；溫度鋒在150 m上下的深度對黑潮路徑的表征較為合理。

東海；黑潮；SST；PN斷面；溫度鋒；WOA13

黑潮起源于菲律賓以東海域，跨過臺灣島以東的宜蘭海脊，攜帶著大量的熱量流入東海，經(jīng)過日本的九州島南部的吐噶喇海峽流出東海，進入日本以南海域，在東海區(qū)域內，黑潮會沿著大陸架外緣朝東北方向流動。國內外學者對東海黑潮進行了大量的研究，指出黑潮流量以及流幅的季節(jié)變化和年際變化，黑潮流量夏季大，秋季小，流幅遵循春、夏寬，秋、冬窄的變化規(guī)律，且黑潮大彎曲存在年際變化［1-6］。隨著計算能力的提升，近年來不斷有學者利用數(shù)值預報模式對東海黑潮進行研究分析，取得了顯著的進展［7-11］。

黑潮溫度鋒位置是黑潮的一個重要特征，對于海霧、海冰、水聲傳播、我國東部的旱澇狀況以及漁業(yè)生產(chǎn)都有密切的關聯(lián)。黑潮溫度鋒季節(jié)性變遷規(guī)律的研究，對于國民經(jīng)濟和軍事等諸多方面都有重要的意義。目前，開始有學者利用黑潮溫度鋒對黑潮等環(huán)流的中尺度特征進行分析。李威等［12-13］采用再分析手段，系統(tǒng)分析了臺灣以東黑潮鋒時空變化規(guī)律及其形成變化規(guī)律，以及海洋渦旋和鋒面波動對臺灣以東黑潮鋒的影響。Christopher等［14］用統(tǒng)計分析的方法對68°W處灣流鋒的溫、鹽相關性、鋒區(qū)成因等進行了總結。王磊等［15］利用衛(wèi)星遙感資料對南海北部溫度鋒的分析。孫曉宇等［16］基于MGIS與MODIS SST數(shù)據(jù)對黑潮溫度鋒特征進行分析。

目前，海洋鋒動力學尚未完全建立，且缺乏黑潮流域長期連續(xù)的斷面觀測，因此對黑潮主軸溫度鋒的相關研究還相對較少。本文主要研究東海黑潮主軸溫度鋒季節(jié)變化特征，并探討溫度鋒對黑潮位置的表征能力，為開展黑潮相關研究提供基礎。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以提供大面同步實時觀測，能提供大范圍、連續(xù)性的海洋要素，但是衛(wèi)星數(shù)據(jù)僅能提供表層或淺層的黑潮特征，而黑潮作為三維水體，僅對表層的研究無法表征黑潮的特征。利用觀測數(shù)據(jù)分析黑潮能夠反映三維信息，但是存在時空上的不連續(xù)。針對衛(wèi)星數(shù)據(jù)及觀測數(shù)據(jù)在溫度鋒研究方面的不足，本文采用WOA13數(shù)據(jù)（詳見1.1）作為黑潮溫度鋒分析的主要數(shù)據(jù)。

1　數(shù)據(jù)來源與分析方法

1.1數(shù)據(jù)來源

本文使用的氣候態(tài)溫度數(shù)據(jù)來自WOA13（World Ocean Atlas 2013）1955-2012年的月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率為0.25°。WOA13是來自NOAA的國家海洋數(shù)據(jù)中心海洋氣象實驗室的海洋氣候學最新數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，包涵全球多種海洋要素數(shù)據(jù)，分為年平均、季節(jié)平均、月平均數(shù)據(jù)，是多種數(shù)據(jù)集的整合產(chǎn)品，包含多種實測數(shù)據(jù)，空間分辨率有：5°，1°，0.25°三種，在深度上利用內插值的方法，從表層到最大深度5 500 m分為102層。

1.2黑潮分析方法

1.2.1PN斷面本文中選取的PN斷面（圖1）東起27°30′N、128°15′E，西至30°30′N、123°15′E，與緯線成37°交角。PN斷面橫切東海黑潮主干，在對東海黑潮的調查研究中PN斷面是觀測時間最長、最系統(tǒng)、最著名的一個斷面，也是表征東海黑潮強度以及時空變化的重要標志。

圖1　PN斷面位置

1.2.2海洋鋒海洋鋒實際上是大洋中不規(guī)則的立體水團，水團兩側海洋要素差異明顯，且這樣的水團其表面形態(tài)與兩側要素梯度均隨季節(jié)發(fā)生改變。要清晰描述海洋鋒需要同時考慮空間位置、鋒強度、時間三種要素。這首先需要對海洋鋒進行空間提取得到鋒區(qū)位置信息。

海洋鋒表現(xiàn)在圖像上具有弱邊緣性的特點，以往對于海洋鋒的提取多采取圖像邊緣處理的方法以及基于小波分析的鋒提取方法等，但這些方法不僅計算量大且不能表現(xiàn)鋒區(qū)強度信息，提取的鋒軸線模糊與實際有一定的偏差，對于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并不實用。SHENFU DONG等［17］在研究南極極地鋒時采用絕對梯度來確定鋒區(qū)強度。本文利用絕對梯度的方法對海洋鋒進行提取分析，其中絕對梯度的定義為：

式中：X為分析的海水物理參數(shù)（溫度，鹽度及密度）。在對海洋鋒進行提取時，采用了閾值判別的方法進行海洋鋒的提取。通過提取某一深度上海水物理參數(shù)絕對梯度超過某一閾值的位置，得到了較為清晰的海洋鋒位置，進而確定黑潮的路徑變化。

從屋蓋結構功能出發(fā)，本工程閥廳大跨度屋蓋不僅是空間上的圍閉結構，也是單軌吊車及電氣設備的承載結構，這就要求屋蓋結構必須具備較大的豎向承載力和剛度，網(wǎng)架結構整體性好，內力分布均勻，結構整體剛度較大，而管桁架內力分布較為集中，相同結構高度的情況下剛度比網(wǎng)架要小。

黑潮暖流及其與大陸架冷水相遇形成的海洋溫度鋒是東海最顯著的水文特征，鋒區(qū)的海溫梯度可反映海洋鋒強度，梯度越大，則海洋鋒越強。因此，提取溫度鋒研究東海黑潮主軸溫度季節(jié)變化特征。以作為溫度鋒的判別標準，利用WOA13多年平均的月平均數(shù)據(jù)，對116°E～137°E，17°N～41°N范圍內的研究海域提取溫度鋒信息。

2　東海黑潮主軸溫度結構特征分析

2.1海表面溫度的季節(jié)變化特征

圖2　WOA13數(shù)據(jù)的氣候態(tài)海表面溫度

文中以（a）、（b）、（c）、（d）代表的1、4、7、10月份分別表示冬、春、夏、秋季（下同）。圖2為研究海域氣候態(tài)冬、春、夏、秋季海表面溫度空間分布。SST存在明顯的季節(jié)變化，1月份SST自南向北逐漸遞減，自呂宋海峽開始，有一股較強的暖水舌向東北方向擴展；東海外海黑潮主軸的暖水舌沿琉球島鏈由西南向東北延伸；同時，渤、黃、東海受東亞冬季風的影響顯著，冷空氣經(jīng)過海面，使表層海水迅速降溫；在東海東北部有一支暖水舌深入黃海，在黃海西南部海區(qū)有一冷水舌延伸到長江口的外海。4月份的SST較1月份有了明顯的升高，東海外海黑潮主軸上的暖水舌溫度也有明顯升高，其變化趨勢與1月份相差不大，隨著東亞冬季風的減弱，渤海、黃海、東海溫度變化趨于平緩是冬季型溫度分布向夏季型溫度分布的過渡時期。7月份SST達到了一年中的最高值，東海黑潮的趨勢不明顯，與其兩側的水溫沒有明顯的區(qū)別，特別是在臺灣以東的海面，溫度水平差異不明顯；而在日本以南以東的海面暖水舌相對比較明顯。10月份整個區(qū)域的SST已經(jīng)較7月份有明顯的減退，黑潮路徑不明顯。對海表面溫度的分析表明，WOA13數(shù)據(jù)對東海黑潮的路徑和強度季節(jié)變化特征的表征具有較好的效果。

2.2PN斷面溫度結構季節(jié)變化特征

為研究東海黑潮水下的溫鹽結構，本文選取位于黑潮路徑上的PN斷面（位置見圖1）。

圖3利用WOA13逐月月平均資料提取的PN斷面溫度剖面

圖3利用WOA13逐月月平均資料提取的PN斷面溫度剖面。從中可以看出，黑潮主軸上有非常強的暖水，尤其是在1月和4月非常明顯，在兩側的海水有很強的溫度梯度，且4月份其流核結構十分明顯，黑潮主軸的強度較大。7月份，海水表層的溫度都非常高，溫度梯度不是很明顯，10月份，隨著高溫水的南退，黑潮主軸的暖水特征又再次出現(xiàn)。對于PN斷面，深層水的水溫變化不是很大，全年的溫度特征都比較一致。從PN斷面的溫度結構分析中，我們發(fā)現(xiàn)冬、春季節(jié)PN斷面流核結構最為明顯。

2.3溫度鋒時空變化分析

本文利用WOA13逐月月平均資料提取了不同深度的溫度鋒的季節(jié)分布。提取70 m，100 m，130 m，150 m，170 m，200 m等6個深度的溫度鋒。為更好地展示季節(jié)變化特征，在70 m，100 m深度以作為溫度鋒的判別標準。

從圖4中可以看出，在70 m以及更淺的海洋表層，溫度鋒出現(xiàn)在臺灣北部至日本以南海域連線的位置，且溫度鋒范圍較廣。該深度溫度鋒季節(jié)變化特征明顯，東海溫度鋒范圍在春季達到最大，冬季次之，在秋季溫度鋒范圍最小。黑潮溫度鋒范圍的變化反映了東海黑潮主軸海洋鋒強度存在季節(jié)變化并且海洋鋒在春季最強。臺灣以南以東海域是大面積的高溫區(qū)，其溫度梯度較小，未能提取溫度鋒的信息。

圖4　圖中陰影表示70 m深度黑潮溫度鋒

溫度鋒隨著深度增加，移動的方向也與等深線分布有關。圖5中100 m深度的溫度鋒與70 m深度處的特征基本一致，其位置較表層向東南方向偏移，更加接近黑潮主軸的路徑；春夏季溫度鋒鋒區(qū)較秋冬季要寬，符合黑潮流幅春、夏寬，秋、冬窄的變化規(guī)律［5］；但是在100 m深度不能體現(xiàn)連續(xù)的東海黑潮路徑，在低緯度海域受太陽輻射影響強烈，溫度水平梯度變化不大。

圖5　圖中陰影表示100 m深度黑潮溫度鋒

圖6～圖8表明，在130～170 m的深度，溫度鋒可以較好地表征東海黑潮主軸路徑的季節(jié)變化特征，可以明顯看到黑潮大彎曲的存在；在150 m的深度溫度鋒對黑潮路徑的表征最為合理。臺灣存在較強的上升流，且臺灣以東沿岸水深變化劇烈，上升的冷水在較短的經(jīng)距內與高溫的黑潮水相匯，形成較強的水平溫度梯度，由此在臺灣以東近岸產(chǎn)生黑潮溫度鋒，且在150 m深度黑潮溫度鋒最為明顯；同時在冬季，由于上升流和黑潮流量較弱，導致二者的混合作用較弱，從而導致冬季溫度鋒相對其他季節(jié)較弱。

圖6　圖中陰影表示130 m深度黑潮溫度鋒

圖7　圖中陰影表示150 m深度黑潮溫度鋒

圖8　圖中陰影表示170 m深度黑潮溫度鋒

圖9　圖中陰影表示200 m深度黑潮溫度鋒

圖9給出了200 m深的溫度鋒，可以看出其季節(jié)變化特征不明顯，且隨深度的增加溫度鋒逐漸減弱至完全消失。在圖3中PN斷面溫度剖面上，也可以看出深層海水的水平變化趨于平緩，對應圖中黑潮溫度鋒減弱并最終消失。

3　結論與討論

本文利用氣候態(tài)WOA13多年平均月平均數(shù)據(jù)提取東海黑潮主軸溫度鋒，并結合PN斷面溫度剖面以及海表面溫度特征，研究東海黑潮主軸溫度在垂直方向和水平方向的季節(jié)變化，探討黑潮主軸溫度鋒季節(jié)變化特征，并探討溫度鋒對東海黑潮主軸路徑的表征能力。主要結論及討論概括如下：

（1）通過對海表面溫度的分析，表明WOA13數(shù)據(jù)對東海黑潮的路徑和強度季節(jié)變化特征的表征具有較好的效果。

（2）冬、春季節(jié)PN斷面黑潮流核結構最為明顯。

（3）在130~170 m深度上，溫度鋒可以較好地表征東海黑潮主軸路徑的季節(jié)變化特征，可以明顯看到黑潮大彎曲的存在；溫度鋒在150 m上下的深度對黑潮路徑的表征較為合理。

（4）文中主要對PN斷面以及海洋鋒進行溫度場結構分析，未從鹽度場以及流場等方面對結論進行驗證，是未來需要進一步完善的部分。

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Analysis on the Characteristics of the Kuroshio Temperature Front in the East China Sea Based on WOA13 Data

DANG Zhen-zhong，ZHOU Li-jia，LIU Jian-bin，DONG Hui-Chao，NIU Hong-xuan，LIU Xin
Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China

As an important part of the north Pacific subtropical circulation，Kuroshio is a high-temperature，highsalinity west boundary warm current.This paper extracts the characteristics of the PN section temperature structure of Kuroshio front using WOA13 data，so as to study the seasonal variations of Kuroshio temperature front respectively in the vertical direction and horizontal direction，and discuss the characteristics of changing Kuroshio front in the East China sea，providing the basis for related research on the Kuroshio.Results show that the WOA13 data have a good effect in extracting the variation characteristics of the temperature front of Kuroshio.On the PN section，the nuclear structure of the flow is most obvious in winter and spring.In the depth of 130 to 170 m，the temperature front has a marked feature of seasonal variation，and the Kuroshio big bend clearly exists.The depth around 150 m is most suitable for characterizing the path of Kuroshio.

East china sea；Kuroshio；SST；PN section；ocean front；WOA13

P731

A

1003-2029（2016）04-0026-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.005

2016-01-19

黨振中（1992-），男，碩士，研究方向為軍事海洋環(huán)境保障及作戰(zhàn)應用。E-mail：dangazhong@163.com