2007年春季南黃海中層冷水特征及成因

刁新源, 王建豐, 魏傳杰, 4, 司廣成, 于 非

2007年春季南黃海中層冷水特征及成因

刁新源1, 2, 3, 4, 王建豐1, 3, 魏傳杰1, 3, 4, 司廣成1, 3, 于 非1, 2, 3, 4

(1. 中國科學院海洋研究所 環流與波動重點實驗室, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 中國科學院海洋大科學研究中心，山東 青島 266071; 4. 中國科學院海洋研究所 工程技術部, 山東 青島 266071)

本文根據2007年南黃海的CTD調查資料, 分析了南黃海中層冷水的10個示性特征及其分布特征, 指出2007年春季中層冷水主要出現于35°N以北的海域, 核心區主要位于50 m等深線附近, 中心深度位于25～40 m, 寬度約為100 km, 厚度為10～25 m, 躍變強度為0.04～0.14 ℃/m。對比分析冬季與夏季溫度、鹽度及實測海流資料, 南黃海春季出現的中層冷水主要是黃海暖流、沿岸冷水以及春季表層升溫等過程的綜合作用結果。

南黃海; 中層冷水; 示性特征; 成因

毛漢禮等[1]根據普查資料在《全國海洋普查報告》提出了東海逆溫層現象。翁學傳[2]、藍淑芳[3]分別利用1958—1965、1975—1980及1959—1981年的東海水溫資料, 對中層冷水特征進行了描述, 其中翁學傳還對中層冷水形成的原因進行了探討。丁宗信等[4-5]利用1983年獲取的高分辨率水文調查資料深入分析了黃、東海春、秋季出現的逆溫現象, 明確指出黃海暖流和臺灣暖流所帶來的高溫水在底層向北向岸伸展和切入是造成溫度逆轉的主要原因。基于1959—1996年3—6月份的水溫資料, 徐伯昌等[6]定義了中層冷水的8個示性特征值, 并指出東海西北部中層冷水于3月份出現, 4月形成, 5月強盛, 6月消亡。這是國內科學家首次闡明中層冷水的時空分布特征及其產生和消亡的機制。

對于黃海的中層冷水現象, 張啟龍等[7-8]利用1992年的溫、鹽資料進行黃海的水團分析最早提出了黃海逆溫層的存在, 并初步認為其成因是黃海暖流的入侵。同一時期, 利用中韓“黃海水循環動力學及物質輸運”合作研究項目第一航次獲得的CTD (電導率、溫度、深度, conductivity temperature depth)資料, 湯毓祥等[9]和鄒娥梅等[10]確認了黃海中層冷水現象的存在, 其研究指出, 初春黃海暖流減弱過程首先發生在上層, 底層的變化緩慢, 伴隨著黃海暖流水北上勢力的減弱, 上層陸架峰東移, 亦即黃海西部混合水向東、向南擴展。初春黃海西部混合水位于水深約30 m的淺水區, 上層增溫明顯, 溫躍層已形成, 下層(約15 m以下水層)仍保持冬季的低溫狀態, 但其密度比黃海暖流小。當這一水體向東、向南擴展至黃海暖流水上方時, 黃海西部的下層水便成為中層水, 且其位于密度躍層之內, 是風混合和潮混合作用最小的水層, 因此中層冷水得以維持。綜合這些調查資料, 鄒娥梅等[11]繪制了黃海中層冷水的8個示性特征值, 結果表明南黃海的中層冷水具有明顯的季節性, 同時也指出黃海暖流是其形成的主要原因之一。在這些工作基礎上, 徐伯昌等[12]通過中層冷水的自模函數模擬驗證了含有中層冷水的垂直熱結構同樣存在自模性。

南黃海中層冷水現象的一個重要組成部分就是青島外海的冷水團。1983年, 鄭東等[13]初步分析了煙臺、威海及石島近海春季出現的冷水團的溫、鹽特性。隨后, 張啟龍等[7-8, 14]利用1980年獲得的溫、鹽資料分析指出青島冷水團3月份出現, 4月份形成, 5月份達到最強, 6月份減弱, 7月份消失, 其來源是低溫、低鹽的魯北沿岸水, 形成過程既有動力因素(逆時針環流)也有熱力因素(春季增溫)。后來張啟龍等[13]又利用1959—1999年獲取的溫、鹽資料對青島冷水團的長期變化趨勢進行了分析, 指出其年際變化與ENSO循環有較好的相關特性。于非等[15-16]利用美國海軍高時空分辨率的通用數字環境模型(Generalized Digital Environmental Model, GDEM)三維水溫資料分析指出, 春季在南黃海西側會出現青島冷水團, 且在冷水團的臨近海域中還存在著中層冷水, 在春末夏初, 隨著黃海冷水團的發展, 青島外海冷水團所處海域事實上已經是黃海冷水團鋒區所在, 從冷中心所處位置及溫、鹽性質看, 南黃海西側冷水中心不應認為是局地型的冷水團所在, 應是黃海冷水團的組成部分。

本文展示了對黃海中層冷水的分布范圍、示性特征及成因的分析結果。該分析是在以上研究的基礎上, 利用2007年4月份高空間分辨率的大面調查資料, 結合潛標海流等觀測結果開展的。

1 資料

本文采用2007年4月份南黃海調查資料, 調查區域自30°～37°N, 124°E以西海域。此次調查共設計調查站位256個CTD測站, 站間距為15′, 斷面間隔20′, 垂向分辨率為1 m, 這也是國內首次在該海域進行如此高空間分辨率的大面調查。調查使用美國Seabird公司的SBE911型CTD進行溫度、鹽度數據的采集, 溫度精度為±0.001 ℃, 電導率精度為±0.000 3 S/m。

與此次調查同步布放了5套潛標系統(M1、M2、M3、M4、M5), 位置見圖1, 具體信息見表1。主要搭載了美國RDI公司的Workhorse型300 kHz ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)和日本Alec公司的TD(Temperature Depth)分別進行流速剖面、底層溫度和深度觀測。ADCP采樣的空間分辨率為2 m, 時間間隔為10 min, Alec TD采樣的時間間隔為10 min。此外, 中國科學院海洋研究所近海觀測網絡系統于山東頭外海布放綜合觀測浮標一套(圖1中的M6), 本文采用2012年2月—2012年5月的資料進行分析。海流資料使用RDI 300 kHz ADCP向下觀測, 垂向分辨率為2 m, 采樣時間間隔為0.5 h。

圖1 CTD、潛標站位

表1 潛標站位

2 中層冷水的時空分布特征

根據2007年4月份獲取的現場CTD數據, 獲取南黃海的溫度、鹽度的空間分布和斷面分布, 如圖2、圖3所示。

進入春季, 隨著太陽輻射增強, 水溫升高。由于淺水區增溫比深水區快, 從表層溫度分布上可以看到, 在蘇北近海海域溫度等值線近似平行于海岸線。同時可以看到一支非常明顯的冷水南下深入南黃海西部, 其核心區域主要沿50 m等深線分布。從不同深度的溫度分布上可以看到, 這支冷水在表層和中層其前鋒大致可以達到34°30′N, 而在底層則沒有超過35°N。在北部其寬度與經度的比值約為1, 向南逐漸降低至0.5, 且這種特征在中層最為明顯, 呈現為一個獨立的低溫水塊(圖2c), 但在表層和底層則不是十分明顯, 說明這支冷水主要位于水體的中層。在南下的過程中, 這支冷水的溫度從山東頭海域的7 ℃慢慢被周圍水體加熱至10 ℃左右, 同樣在中層其低溫保持能力強于表層和底層。從鹽度上看在表層和中層存在向南的低鹽舌, 只是在底層已經沒有明顯的低鹽舌。低鹽舌的分布范圍與冷水分布大致相當, 鹽度自最北端的小于32逐步增高至33。

圖2 2007年4月溫度(℃)、鹽度平面分布圖

圖3 2007年4月溫度(℃)、鹽度斷面圖

為了更清楚地描述這支中層冷水的特征, 我們選擇了比較有代表性的37°N, 36°N, 35°N和34°N斷面進行分析。首先, 從37°N斷面(圖3a、圖3b)可以發現, 這支冷水位于中底層, 其核心溫度小于6.2 ℃, 鹽度小于31.8, 厚度約為10 m, 低鹽中心與低溫中心重合。到了36°N斷面(圖3c、圖3d), 流幅寬度達到0.75個經度, 冷水核心深度位于25 m, 溫度仍然保持6 ℃左右, 鹽度基本保持不變, 但是鹽度并沒有像溫度一樣出現低值中心, 而是在冷水核周圍形成強的鋒面區域, 表明此處流速較大, 冷水比較集中。到達35°N斷面(圖3e、圖3f), 流幅寬度增大至1.5個經度, 且出現兩個冷水核心, 分別位于20 m和30 m, 溫度升高至9 ℃, 鹽度升高至32.5, 其周圍鋒面已經沒有36°N那么強盛, 可以看出冷水達到這個位置由于流速減緩幅度擴大, 已經遠不如36°N集中。而達到34°N斷面(圖3g、圖3h), 由于黃海暖流已經無法影響此處, 溫度、鹽度與周圍水體非常接近, 獨特的中層冷水現象消失。鹽度斷面分布最主要的特征是, 在中底層冷水比較集中的區域, 底層鹽度一般高于上層, 顯示出底層明顯受到具有較高鹽度的黃海暖流的影響。

為了描述中層冷水的分布特征, 沿用了徐伯昌等[6]對中層冷水所作的定義, 計算了南黃海中層8個冷水示性特征(圖4): 冷中心深度(2)和溫度(2); 上邊界深度(1)和溫度(1); 下邊界深度(3)和溫度(3); 冷水厚度(T)和躍變強度()。除此之外, 為了更好地刻畫中層冷水的屬性, 對比中層冷水躍變強度與上下層的差別, 還定義了上層躍變強度(U)和下層躍變強度(D)。上層躍變強度是指自上界深度至中心深度之間的中層冷水躍變強度, 同樣下層躍變強度即指中心深度至下界深度之間的中層冷水躍變強度。

2007年春季中層冷水上界深度大致位于15～30 m, 且隨著水深加大其上界深度也在加大; 上界溫度為7～13 ℃, 存在明顯的由北向南逐步遞增的趨勢, 且有顯著的低溫舌自山東頭海域向南延伸; 中心深度位于25～40 m, 溫度分布趨勢與上界溫度分布趨勢甚為一致, 但是比上界溫度大約低1 ℃左右; 下界深度位于30～55 m, 溫度分布趨勢與上界及中心溫度分布趨勢一致, 與中心溫度差異不明顯。從厚度和躍變強度分布圖上可以看出(圖4g、圖4h)中層冷水的厚度10～25 m, 躍變強度為0.04～0.14 ℃/m, 中層冷水比較發達的區域位于50 m等深線以深的區域。在上、下層躍變強度分布圖(圖4i、圖4j)中可以看到, 中心位置上下躍變強度差異較大, 上層躍變強度范圍為0.04～0.24 ℃/m, 而下層躍變強度范圍為0.04～ 0.1 ℃/m, 下層躍變強度明顯弱于上層。其原因是春季表層增溫迅速, 躍層發育比較強盛, 因此造成上層溫度梯度較大。

3 成因分析

通過比較春季與冬季的鹽度和溫度分布, 可以初步確定中層冷水的來源。圖5和圖6分別給出了相同站位春季溫度和鹽度與冬季溫度和鹽度之間的差值(Δ, Δ)的平面和斷面分布。在春季, 不論是陸地還是海洋均處于增溫過程, 陸地增溫比海洋快, 因此越是靠近岸邊的區域海洋增溫幅度越大, 但是在中層冷水經過的區域, 其增溫幅度明顯小于蘇北近岸區域(圖5a、圖5c、圖5e), 而同時鹽度也比冬季有所降低(圖5b、圖5d、圖5f)。這種趨勢不論是在表層、中層還是底層均比較一致。

圖5 春季與冬季溫度鹽度差值平面圖(a. 表層溫度差值; b. 表層鹽度差值; c. 20 m層溫度差值; d. 20 m層鹽度差值; e. 底層溫度差值; f. 底層鹽度差值)

這種特征在差值的斷面分布中更為清楚(圖6)。36°N斷面上, 對應于春季中層冷水的核心位置, 溫度差異負值也出現在這個區域, 其分布態勢與中層冷水分布態勢完全一致, 而其他區域除了斷面東端的仁川外海冷水團[14]區域外均出現了春季增溫現象, 鹽度差值分布也出現了同樣的特點, 與溫度降低同步, 鹽度有所下降。而在35°N斷面, 由于中層冷水的減弱, 這種分布趨勢則不像36°N斷面那樣明顯, 中層冷水區域沒有出現降溫的現象, 但是其增溫幅度明顯小于近岸區域。

圖6 36°N、35°N春季與冬季溫度、鹽度差值斷面圖

結合溫度與鹽度差值的平面和斷面分布, 可以較為明顯的看出在春季中層冷水存在的區域溫度、鹽度確實存在與春季增溫過程相反的趨勢。這種趨勢可以從潛標數據的分析結果中得到解釋。

根據上面的分析, M1、M2站處于中層冷水影響的邊緣, 而M3、M4、M5站則處于黃海暖流的影響區域。從各站余流分布圖(圖7)中可以看到, 對應于與中層冷水存在的區域和深度, M2站的余流在離海面20 m處向東南的流速最大, 表明此處是來自其西北水域的中層冷水。而M3、M4、M5站的余流由表至底全部指向北方, 這是因為雖然春季黃海暖流已經減弱[17], 但仍然存在。從這5站的余流分布中可以明顯看出, 中層冷水主要沿50 m等深線附近從山東頭附近海域南下, 底層溫度的變化也印證了這一過程。

從圖8中可以看到M1、M2兩站的底層溫度雖然存在天氣尺度的變化, 但均反映春季的增溫過程, 且因為中層冷水的發生深度主要位于中上層, 底層并沒有降溫的反應。M1站的底層溫度由10 ℃左右上升至12 ℃左右, 而M2站則是由9.8 ℃上升至11.2 ℃, 可見M2站的溫度增幅(1.4 ℃)遠小于M1站的(2 ℃)。這恰恰是因為中層冷水主軸存在的區域位于50 m等深線附近, M2站比M1站更靠近中層冷水的核心區域, 因此其增溫趨勢低于M1站。而M3、M4、M5站的溫度分布趨勢與M1、M2存在明顯的不同, 其增溫趨勢遠遠低于前兩站, 這主要是因為此三站主要處于黃海暖流的控制區域, 因此其溫度并沒有像前兩站出現較大幅度的上升。

圖7 潛標站位余流

圖8 潛標站底層溫度

為了驗證該部分冷水是否來自于山東頭附近海域, 課題組又取得了山東頭海域長期海流觀測數據來進行研究。該數據來自一套于2010年才開始布放的浮標系統, 無法與2007年資料形成對比, 但其余流的分布態勢也可以部分解釋中層冷水的成因。

圖9中可以看出自表層至中層自始至終存在一支穩定的南向海流, 大小為10 cm/s, 底層流速減小至5～6 cm/s, 且某些時刻出現較弱的北向流。

圖9 2012年2—5月山東頭海域余流

4 結論

本文通過分析南黃海中層冷水的10個示性特征及其分布特征, 對比冬季與夏季溫度、鹽度及實測海流資料, 主要得到如下結論:

1) 2007年中層冷水主要存在于35°N以北的海域, 核心區主要位于50 m等深線附近, 中心深度位于25～40 m, 寬度約為100 km, 躍變強度約為0.04～ 0.14 ℃/m, 厚度在10～25 m之間, 中層冷水的低溫保持能力大于表層和底層, 而底層鹽度一般高于上層, 顯示出底層明顯受到具有較高鹽度黃海暖流的影響。

2) 春季中層冷水的形成主要受黃海暖流、沿岸冷水以及春季升溫過程的影響。首先是南下的山東頭外海水帶來低溫、低鹽的海水, 這支海流在南下過程中與局地增溫的表層海水和底層黃海暖流水相遇, 因為密度的原因插入兩層海水之間, 形成了低溫、低鹽的中層冷水。

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Characteristics and formation of the middle-layer cold water of the South Yellow Sea in the spring of 2007

DIAO Xin-yuan1, 2, 3, 4, WANG Jian-feng1, 3, WEI Chuan-jie1, 3, 4, SI Guang-cheng1, 3, YU Fei1, 2, 3, 4

(1. Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 4. Department of Engineering and Tech-no-logy, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

Based on the conductivity temperature depth (CTD) observations in 2007, 10 characteristics of the middle-layer cold water (MLCW) and their spatial patterns were determined. In the spring of 2007, the MLCW was observed to the north of 35°N. The core of the MLCW was near the 50 m isobath, and the center was located at a depth of 25–40 m with a thickness of approximately 10–25 m and a vertical gradient of 0.04–0.14 ℃/m. The comparison between temperature and salinity distributions from spring to winter and analysis of current observations showed that the MLCW was formed because of the combined effects of the Yellow Sea Warm Current, coastal cold water, and surface warming in the spring.

the South Yellow Sea; middle-layer cold water; indicator index; cause of formation

May 21, 2020

P72

A

1000-3096(2022)04-0001-12

10.11759/hykx20200521002

2020-05-21;

2020-07-24

國家自然科學基金項目(41176018, 41206014); 中國科學院戰略性先導科技專項項目(A類)(XDA11020301)

[National Natural Science Foundation of China, Nos. 41176018, 41206014; The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA11020301]

刁新源(1979—), 男, 山東青島人, 博士生, 主要從事區域海洋學研究, 電話: 0532-82896905, E-mail: diaoxinyuan@qdio.ac.cn; 于非(1969—),通信作者, 男, 山東青島人, 研究員, 電話: 0532-82898187, E-mail: yuf@qdio.ac.cn

(本文編輯: 叢培秀)