基于CTD數據的東海黑潮鋒特征研究

張　磊，康力朝，劉現鵬，李茂林

（1.海軍大連艦艇學院　軍事海洋系，遼寧 大連116018；2.海軍大連艦艇學院 研究生管理大隊，遼寧 大連116018）

基于CTD數據的東海黑潮鋒特征研究

張磊1，康力朝2，劉現鵬2，李茂林1

（1.海軍大連艦艇學院軍事海洋系，遼寧 大連116018；2.海軍大連艦艇學院 研究生管理大隊，遼寧 大連116018）

基于東海PN斷面多年CTD實測資料，主要從PN斷面上的溫鹽結構和聲場結構兩個方面進行研究，統計分析PN斷面上東海黑潮邊界鋒的水文要素特征。文章利用Matlab軟件對資料中所涉及的溫鹽數據繪制等值線圖，描繪出PN斷面上關于測站位置、溫鹽分布特點，利用Mackenzie公式計算聲速分布及其變化，從而構成溫、鹽、聲三種要素的斷面分布圖。此外還進一步分析了PN斷面溫鹽斷面結構，得到黑潮鋒的分布與強度特征。并對黑潮鋒的季節變化規律進行分析，得出夏秋季節黑潮在PN斷面上的海洋鋒強度相對于冬春季節要大、冬季最弱等結論。

CTD；黑潮鋒；PN斷面；特征分析

黑潮從臺灣島以東海區跨過宜蘭海脊流入東海與陸架坡相遇，其主軸右轉后沿陸坡折轉向東北形成穩定的流動，這股流動在九州西南轉向東流，出吐噶喇海峽流入日本以南海域，這一段黑潮稱之為東海黑潮。它是黑潮的重要組成部分，其變化對于臨近海域的海洋環境和我國東部沿海地區的氣候變化都有重要影響。PN斷面是東海黑潮經過的一個主要斷面，日本學者在此斷面上進行了多年的觀測，積累了豐富的實測資料。關于東海PN斷面黑潮鋒的溫鹽要素和聲速分布特征，中外海洋學者已經根據調查資料進行了大量研究［1-9］。然而，之前對于PN斷面和黑潮鋒的研究都是分開的，加之研究海域范圍較大，不能精確分析小范圍黑潮鋒水文要素隨深度、季節和年度的變化。鑒于此，文中利用CTD數據對黑潮鋒的溫鹽特性進行了細致研究。

1　數據來源和研究思路

1.1數據來源

本文主要采用的黑潮鋒溫鹽數據為PN斷面（圖1）上實測的CTD數據，數據時間跨度為1965-2012年。該數據包含各年份春、夏、秋、冬四個季節代表月份的數據，包括溫度、鹽度、水深以及站位信息，可以用于分析PN斷面的溫、鹽、聲場結構及其季節變化。

圖1　PN斷面及測站分布

1.2主要研究思路

文中利用Matlab軟件對資料中所涉及的溫鹽數據繪制等值線圖，描繪出PN斷面上關于測站位置、溫度、鹽度的斷面分布，利用海水聲速Mackenzie（1981）公式計算聲速，并分析其分布特征，采用的聲速計算公式為：

式中：T為海水溫度，℃；S為鹽度；D為深度。

進一步分析黑潮鋒的分布與強度特征，并計算得到黑潮鋒處聲速分布情況。

2　黑潮鋒溫鹽結構分析

2.1溫鹽結構狀態

由于黑潮PN斷面的海洋鋒是常年存在的［5］，任選一個時間的溫鹽斷面進行分析可以初步了解黑潮的溫鹽結構。圖2是利用Matlab繪制的2003年10月的PN斷面溫度剖面圖。由圖可知，PN斷面的溫度分布上層溫度高、下層溫度低，上下層溫差可達22℃。

圖2　2003年10月PN斷面溫度剖面

圖3　2003年10月PN斷面鹽度剖面

溫度梯度在次表層最大，表層和底層溫度梯度相對較小，總體呈現由次表層到表層、由次表層到底層溫度梯度逐漸減小的特征。由此表明，該處秋季的溫躍層在次表層生成，且由圖2溫度剖面形態可知，溫躍層強度呈現自陸架坡折區至近岸和外海逐漸減弱的形態。在沖繩海槽底層，等溫線則與海底形成較大的交角，使沖繩海槽底層出現水平方向分布不均勻的低溫區。

等鹽線的分布特征（圖3）與等溫線大致相似，從表層至次表層100 m以內的區域內，靠近大陸一側的近岸或陸坡處微微上凸、靠近外海一側則明顯上凸、中間微微下凹。秋冬季節，近岸至陸架坡折區表層鹽度相對低，次表層鹽度最高，底層鹽度最低。

總而言之，從溫鹽特性來看鋒的垂向分布隨深度變化并不是單調分布的，而是先隨著深度的增加而增加，其后隨著深度的增加而減小。在近表層，由溫鹽分布構成的海洋鋒幾乎垂直于海面，隨深度增加緩緩向流干右后方傾斜。

2.2溫鹽結構的季節變化

溫鹽結構隨季節的變化如圖4所示，圖4（a）～（d）分別表示2008年1月、4月、7月和9月PN斷面上的溫度剖面圖。由圖可知，表層水的溫度隨季節變化比較明顯，而次表層及以下水層水體的溫度變化不大。在夏、秋季，溫度躍層強度較大，冬春季節躍層強度相對較弱。在夏季，太陽輻射較強，表層水溫分布較為均勻，近表層沒有海洋鋒出現，海洋鋒出現在50 m以下的水層，冬季海洋鋒強度較弱，在夏秋季節強度相對較強。冬季，由于氣溫的影響，上混合層厚度較大，鋒線位置下移，在春季和夏季，混合層都不明顯，鋒線幾乎從水面一直延伸到一個很深的水體，整個斷面呈現近乎均勻的溫度分布。

圖4　PN斷面溫度剖面圖

圖5　PN斷面鹽度剖面圖

圖5（a）～（d）分別表示2008年1月、4月、7月和9月PN斷面上的鹽度剖面圖，等鹽度線在冬季次表層較密集，高鹽中心被黑潮主軸穿過。表層鹽度存在明顯的季節變化：在冬季，海洋表層的鹽度變化較弱，且梯度不明顯（圖5（a）），而夏季的表層鹽度變化劇烈，鹽度躍層出現的位置比較接近表層（圖5（c））。如果鹽度剖面圖判斷黑潮鋒強度，可知其強度冬季明顯小于夏季。而在秋季，既存在明顯的鹽度躍層也存在明顯的混合層和鋒線（圖5（d））。與此同時，春季的鹽度鋒線也發生了向右的偏移（圖5（b）），在黑潮邊緣尤其是下邊緣，鹽度變化不再明顯，甚至幾乎不再變化。

綜上所述，PN斷面東海黑潮鋒終年存在，鋒的位置和強度隨季節變化明顯。水平鹽度梯度相對于溫度梯度而言較小，所以黑潮鋒的分布特征更多取決于溫度因子。

3　黑潮鋒處聲場結構分析

3.1聲場結構

圖6是2003年1月、4月、6月、10月東海PN斷面聲速分布圖，由圖可知，各季節的聲速分布都有隨深度的增加逐漸減小的特點，根據聲線折射原理，表層聲源發出的聲波會向海底彎曲。而在近表層，200 m以內的范圍，聲速隨深度的分布為正梯度，聲線向上彎曲碰到海面后反射，傳播一定距離后又彎向海面。這樣就在近表層形成了弱的表面聲道，有利于聲音的傳播。

3.2聲場季節特征

夏季的聲速梯度明顯大于冬季的聲速梯度，但不論夏季冬季，聲速的水平差別都很大。總的變化趨勢是，由深水區域到淺水區，同一深度的聲速變小，聲速呈負梯度分布，而500～900 m水深處，夏季和冬季的聲速分布特征則恰好相反。

圖6　PN斷面聲速剖面圖

聲線在海洋鋒附近的這種傳播特性會使在陸架一側發射的聲線迅速向下彎曲，聲能損失較大。

4　結論

在黑潮的邊界位置次表層至約400 m深度上終年存在較強的海洋鋒。在海洋鋒的兩側，同一深度的各種海洋環境要素特征值差異較大，鉛直方向上存在著強度較大的躍層，而隨著深度的逐漸變深，東海PN斷面海洋鋒的大致位置有逐漸向東移的趨勢。

從季節變化來看，夏秋季節黑潮在PN斷面上的海洋鋒強度相對于冬春季節要大，冬季最弱。聲線傳播經過海洋鋒時會發生彎折，聲線由深水區傳遞到淺水區時，聲速普遍變小，呈現負梯度分布。但夏冬季節在某特定水深處則呈現相反的變化趨勢。

［1］張媛，吳德星，林霄沛.東海PN斷面水團分布的季節變化［J］.中國海洋大學學報，2009，39（3）:369-374.

［2］劉興泉.東海PN斷面夏季溫鹽及化學要素的分布特征［J］.海洋與湖沼，2001，32（2）:204-212.

［3］張媛，吳德星，林霄沛.東海PN斷面障礙層和水團的季節變化特征及其可能聯系［J］.南京大學學報：自然科學版，2009，45（6）: 734-745.

［4］齊繼峰，等.東海黑潮流量的年際和年代際變化［J］.海洋與湖沼，2014，45（6）:1141-1147.

［5］林傳蘭.厄爾尼諾、南方濤動現象和東海黑潮鋒的變異［D］.杭州：國家海洋局第二海洋研究所，1985.

［6］呂連港，袁業立.東海PN斷面黑潮區域聲傳播數值模擬［J］.海洋科學，2003，27（3）：73-76.

［7］呂連港，喬方利，等.東海PN斷面黑潮區域海底起伏對聲傳播的影響［J］.海洋科學進展，2003，21（4）:432-436.

［8］魏艷州，黃大吉，等.1987—2010年PN、TK斷面黑潮流場的時空變化［J］.海洋與湖沼，2013，44（1）:30-37.

［9］白志鵬，高松，王海棠.HYCOM模式對東海黑潮的氣候態模擬［J］.海洋通報，2010，29（2）:121-129.

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

ZHANG Lei1，KANG Li-zhao2，LIU Xian-peng2，LI Mao-lin1
1.Department of Military Oceanogaphy，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China；
2.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China

Based on the CTD data collected on the PN section located in the East China Sea，this paper mainly focuses on the temperature，salinity and sound propagation simulation of the PN section.It also conducts statistical analysis on the hydrological characteristic elements in the Kuroshio boundary layer front on the PN section in the East China Sea.The contour map derived from temperature and salinity data with Matlab is used to describe the position of observing stations and the distribution features of temperature and salinity on the PN section.The Mackenzie formula is used to calculate sound distribution and changes，thus obtaining temperature，salinity and sound cross-section diagram.This paper further analyzes the temperature and salinity cross-section structure on the PN section to obtain the distribution and intensity characteristics of the Kuroshio zone front.In addition，the seasonal variability of the Kuroshio zone front is studied，reaching a conclusion that the Kuroshio front is more powerful during summer and autumn than that during winter and spring，and the front intensity is weakest during winter months.

CTD；Kuroshio front；PN section；characteristic analysis

P731.2

A

1003-2029（2016）03-0058-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.011

2016-01-20

2015海軍大連艦艇學院科研發展基金資助項目（DJYKYKT2015-23）

張磊（1972-），碩士，副研究員，主要研究方向為物理海洋學和海洋調查。E-mail：stone333@tom.com