南海海洋溫度鋒面時空特征遙感分析

李延志，孫偉富

（1.自然資源部第一海洋研究所 海洋物理與遙感研究室，山東 青島 266061；2.中國石油大學（華東） 海洋與空間信息學院，山東 青島 266580）

0 引言

海洋鋒面是海域不同水團交匯頻繁形成了空間尺度不一的，具有明顯不同性質的絲狀或帶狀狹窄過渡帶，海洋鋒形成的原因一般與平流、季風和地形等因素有關[1-3]。鋒面是重要的中尺度海洋環境特征之一，鋒區內往往具有很高的水文要素（如溫度、鹽度、營養物質等）水平變化梯度，海水的物理、生物、化學等要素變化十分強烈[4]。根據不同的水文要素變化梯度，主要分為溫度鋒、鹽度鋒、水色鋒、營養物質鋒等[5]。其中海表溫度鋒（SSTF）作為海洋鋒的重要表現形式之一，是海洋中水溫變化劇烈的2 個不同水團的交界線，是各種海洋物質運動和能量交換的重要地帶，并且對海氣之間的相互作用會產生重要的影響[6]。南海位于我國大陸南部，是一個半封閉性的太平洋邊緣海，通過臺灣海峽、呂宋海峽、巴拉巴克海峽等與鄰近海域溝通[7]。南海位于太平洋、東亞大陸和印度洋交匯處，這里有世界海洋中溫度最高、面積最大的熱帶西太平洋暖池，是全球熱帶對流最強，海氣相互作用極為強烈的區域[8-9]。

南海海底地形復雜，主要以大陸架、大陸坡和中央海盆3 個部分呈現環狀分布[10]。中央海盆位于南海中部偏東海域，地勢東北高、西南低。大陸架沿大陸邊緣和島弧分別以不同坡度傾向海盆，北部和南部的海盆面積最廣。陡峭的大陸坡位于中央海盆和大陸架之間，分為東、西、南、北4 個陸坡區。特殊的地理位置及環境要素，使得南海海洋中尺度過程尤為顯著[11]。南海海洋溫度鋒是影響南海陸架水體交換的重要物理因素[12]，開展南海海洋鋒面時空分布特征分析，可為南海海洋預報、氣象預測、海洋環境分析提供支撐與服務，對認識南海、開發南海、保護南海具有實際意義[13-16]。

本研究基于 2010-2020 遙感系統（Remote Sensing System，RSS）提供的微波和紅外融合SST資料提取南海海洋溫度鋒面的空間分布情況、中心線長度與鋒面發生頻次信息，并開展時間序列鋒面特征變化分析。

1 數據與方法

1.1 融合SST 資料

本文使用2010-2020 遙感系統（Remote Sensing System，RSS）提供的微波和紅外融合的SST 資料。該資料結合了微波觀測不受云層限制和紅外觀測分辨率高的優點，融合了TMI、AMSR-E、AMSR2、WindSat、MODIS 等紅外和微波輻射計數據，空間和時間分辨率分別為9 km 和1 d。首先將遙感系統提供的 L4 級 SST 產品原始數據按照比例因子0.000 83 縮放，然后加上其偏移量295.65，得到SST的開爾文溫度，再將得到的開爾文溫度轉化成攝氏度。其次，提取緯度在北緯0°～23°、東經103°～121°之間的SST 數據，并將SST 數據在有效范圍外的區域設置為Nan 值，控制數據質量。

1.2 海面風場資料

本文選用的風場數據為多平臺交叉校正風場資料（Cross-Calibrated Multi-Platform，CCMP）。CCMP 結合校準的微波風場資料，利用變分分析法融合得到高分辨率分析產品，具有較強的實用型，且時間序列較長。RSS 根據多種主動或被動星載微波設備反演得到CCMP 風場數據，該數據融合了多個微波輻射計數據和微波散射計數據，且所有風場觀測數據和模型分析范圍均以海面10 m 處數據為參考。RSS 提供了1987年至今的日均和月均CCMP 數據，具有U、V（經向、緯向）風速分量和平均風速信息，可基本覆蓋全球海域。

本文使用2010-2020年L3 級月平均數據，空間分辨率25 km，數據格式為netCDF。提取經緯度范圍在北緯0°～23°、東經 103°～121°之間的風場數據，其中數據的正負代表風速的方向。

1.3 鋒面信息探測方法

鋒面調查常用探測方法主要有：溫度梯度法[17]、直方圖分析法[18]、Canny 邊緣檢測算法[19]和熵檢測等方法[20]。溫度梯度法是目前鋒面檢測方法中較為成熟的方法，主要是通過計算像元梯度值并以某一閾值選擇梯度較高的像元來提取鋒面。該方法操作性強，并且能夠適用于大、中尺度的鋒面檢測。

溫度梯度法的基本步驟為梯度計算、閾值選取及圖像二值化，在計算梯度時常采用前差差分法。如圖1所示，T(i,j)代表整個溫度數據中第i行，第j列的SST 值，T(i,j)為待計算梯度的點，T(i,j+1)、T(i+1,j)分別其相鄰的點，根據公式（1）和公式（2）分別計算沿經向、緯向的溫度梯度分量Tx和Ty，公式（3）計算該點總梯度值TG。

圖1 基于SST 數據的鋒面探測方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of frontal detection method based on SST data

不同季節和海域，不同強度溫度鋒的鋒面梯度有所差異，很難有統一的閾值標準，專家們根據經驗選取的溫度鋒閾值范圍為0.01～0.06 ℃/km[21-26]。許素芹等[22]將0.028 ℃/km 定義為南海北部溫度鋒閾值；LIU 等[25]選擇0.03 ℃/km 作為南海海域水平溫度梯度的判斷標準，得到的海面鋒區方向和范圍與已有研究較為相似。

本研究綜合考慮閾值選取準則，選取0.03 ℃/km作為南海溫度鋒面的判斷標準，將出現概率大于30%的區域作為各月鋒面出現的位置。例如，某觀測點在4月份全部為有效觀測數據，即有效數據30 d，其中有15 d SST 梯度大于0.03 ℃/km，則此月份該點鋒面出現的概率即為0.5，則此觀測點則被看作鋒面出現的位置點。圖2 展示了利用溫度梯度法得到的溫度梯度信息。

圖2 溫度梯度法檢測結果Fig.2 Temperature gradient method results

1.4 鋒面中心線和長度提取方法

與梯度法一樣，Canny 算法是基于鋒面處水文要素呈現高水平梯度的原理來實現鋒面提取的，不同的是Canny 算法通過非極大值抑制和雙閾值檢測提高了鋒面的定位精度和連續性，此外通過高斯濾波，一定程度上去除了噪聲的影響。Canny 算法的基本步驟包括：對圖像進行高斯濾波；梯度計算；非極大值抑制和雙閾值檢測。Canny 算法中，通過高斯濾波去除噪聲；通過非極大值抑制去除偽邊緣；通過高、低閾值實現鋒面的檢測和連接，并進一步去除偽邊緣，在有效抑制噪聲的同時保證了鋒面的連續性。此外，用Canny 算法提取海洋鋒面可獲得海洋鋒面的中心線，進而可獲取海洋鋒面的位置信息。其方法為，通過獲取SST 梯度的方向及大于鋒面閾值的格點數據，再經由Canny 算子找出這些格點數據中鄰近區域里具有相同梯度方向的最大梯度值所在位置，通過依次相連這些最大梯度值所在的格點，得到溫度鋒的中心線[19]。通過以上方法可得到研究海域溫度鋒面范圍以及鋒面中心線位置等主要鋒面參數。再通過累加鋒面中心線通過的格網數目，計算鋒面中心線的長度。

2 結果分析

2.1 南海鋒面調查結果

利用RSS 提供的融合SST 資料，基于海面溫度的水平變化梯度，根據鋒面判斷標準，提取鋒面中心線位置和長度信息，得到了月、季度、半年和年的鋒面分布結果。基于2010-2020年間的鋒面信息結果，南海區域共探測到8 個溫度鋒面，分別是位于臺灣西南部、廣東沿岸的臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒（TSGFF）、位于珠江口河口區的珠江口鋒（PREF）、位于海南島東北部及湛江東部沿岸的海南島東北鋒（NHIF）、位于北部灣北部（越南北部）的北部灣鋒（GIF）、位于越南東部沿岸的越南沿岸鋒（VCF）、位于呂宋海峽西南部的呂宋西南鋒（WLF）、位于巴拉望島和文萊西岸的馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒（SSF）和位于泰國灣東部的泰國灣鋒（GTF）。該調查區域探測到8 個鋒面多為河口鋒和陸架鋒。各鋒面名稱和中心線位置分別如表1 和圖3所示。

表1 南海鋒面名稱表Table 1 Name of fronts in the South China Sea

表2 各月份可探測的鋒面統計Table 2 Statistics on detectable fronts by month

圖3 南海鋒面中心線位置圖Fig.3 Centerline of South China Sea fronts

2.2 南海鋒面氣候態分布特征

基于2010-2020年的鋒面調查結果，我們對1-12月鋒面5年的結果進行了疊加，來觀察鋒面的氣候態分布特征，結果如圖4所示。可探測鋒面數量的大體走勢表現為：1-2月檢測到的鋒面數量最多，8 個鋒面均被檢測到；3-4月有較小幅度地減少，主要體現在馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒和泰國灣鋒的消失；5-9月呈持續減少的趨勢，其中9月達到最少值，僅檢測到臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒和越南沿岸鋒；10-12月有所回升，10月檢測到臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒、珠江口鋒、北部灣鋒；11月檢測到除越南沿岸鋒、馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒和泰國灣鋒外的所有鋒面；12月僅馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒未被檢測到。臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒存在時間最長，幾乎全年存在；除了9月，其它月份均被檢測到；馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒（SSF）和泰國灣鋒（GIF）存在時間最短，分別在1月、2月、4月和1-3月、12月被檢測到。

圖4 南海鋒面1-12月份10年疊加分布圖Fig.4 Overlay distribution of fronts in the South China Sea from January to December in 10 years

通過上面分析可以看出，南海鋒面空間分布特征存在明顯的季節變化。冬季是鋒面發生最多的季節，可以探測到全部8 個鋒面。春季鋒面分布較為廣泛，北部廣東沿岸存在時間長；夏季鋒面檢測數量逐漸減少；秋季鋒面發生的次數較少，且主要發生在秋季末。

2.3 南海溫度鋒長度及頻次特征分析

根據南海鋒面信息結果，繪制了2010-2020年南海鋒面長度統計和鋒面發生頻次柱狀圖。

由圖5（a）可以看出，夏季發生的鋒面長度普遍大于冬季鋒面長度，上半年的鋒面長度大于下半年鋒面長度。臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒，海南島東北鋒和越南沿岸鋒鋒面長度較長，發生位置主要靠近南海海域的西部和北部，且季節內鋒面位置較為穩定。根據圖5（b）所示，冬季鋒面發生的頻次最高，變化區間為[15，24]；秋季鋒面發生的頻次最低，變化區間在[3，9]。其中臺灣海峽及廣東福建沿岸頻率出現頻率最高。

圖5 2010-2020年鋒面各季節長度和頻次統計圖Fig.5 Length and frequency statistics of fronts by season during 2010-2020

由圖6（a）發現，臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒總長度最長，每年的鋒面長度在1 225～4 795 km之間變化，大部分時間長度約3 000 km。珠江口鋒在調查期間內均存在，鋒面長度在2016年達到最長2 249 km，2019年長度最短在385 km。海南島東北鋒年際變化較小，鋒面長度相對穩定，長度在1 015～2 324 km 之間。北部灣鋒（越南北部）在近5年鋒面長度有所增加，達到2 000 km 左右；越南沿岸鋒與北部灣鋒相反，近5年鋒面長度逐漸減小，2020年達到最小值681 km。呂宋西南鋒每年長度相差最小，平均在1 400 km 左右。馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒，鋒面長度在88～728 km 之間，整體長度最短。泰國灣鋒面僅在2010年和2016年未被檢測到，長度相對較短，在51～907 km 之間。根據圖6（b）所示，前5年鋒面發生頻次波動較大變化區間為[24，55]，最近5年鋒面發生頻次較為穩定，變化區間為[28，52]。

2.4 鋒面平均強度與海面風場的關系

2.4.1 風速與鋒面平均強度的變化

南海季風影響南海海表溫度，進而影響南海溫度鋒。本研究統計了各鋒區每個月經向風速（U）、緯向風速（V）和平均風速（W），并計算鋒面的平均強度，得到如圖7所示的結果。圖中左側縱坐標為鋒面平均強度值，右側為風速值。研究區內不同鋒區的平均風速和風向均具有明顯的季節變化，北緯18°以北的鋒區U、V方向風速在冬季均為負值，盛行的是東風和北風，先增大（負值方向）后減小并趨近于0，夏季緯向風速為正，盛行南風；北緯18°以南的鋒區U、V方向風速在冬季均為負值，盛行東風和北風，夏季U、V方向風速與冬季相反均為正值，盛行西風和南風，屬于典型的季風海域。這說明鋒面平均強度與不同方向風速的強弱存在一定的相關關系。

由圖7（a）可以看出，臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒存在時間長，幾乎全年存在，極大值多出現在冬季風盛行的時期，平均強度基本在 0.04～0.06 ℃/km 之間，具有很強的周期性。經向風速多在-6.7～1 m/s 之間變化，緯向風速多在-7.8～3.2 m/s之間變化，總風速的變化區間為1～12 m/s。冬季風風速更大，鋒面平均強度的變化與經緯向風速的變化趨勢基本一致，隨著風速的增加，鋒面的平均強度也會有一定程度的增加。

珠江口鋒的平均強度和風速變化趨勢如圖7（b）所示，沒有明顯的變化規律，該鋒全年平均強度基本在0.04～0.06 ℃/km 之間變化，冬季平均強度相對較高，基本大于0.045 ℃/km。該鋒區經向風速的變化區間為-6.7～2.1 m/s，緯向風速為-8.9～4.3 m/s，總風速在1～10.9 m/s 之間變化。夏季緯向風速更大，盛行南風，冬季經向風速和緯向風速相差不大，均小于0，盛行東風和北風。

圖7（c）顯示了海南島東北鋒的平均強度和風速的變化趨勢，該鋒區存在時間較長，鋒面強度最大值多發生在冬季風盛行時期，該鋒全年平均強度在0.04～0.06 ℃/km 之間，夏季緯向風速更大，均為正值，盛行西風和南風，冬季經緯向風速相差不大，均小于0，盛行東風和北風，該鋒區平均風速的季節性變化明顯，均在1～8.7 m/s 之間變化。

根據圖7（d）可以看出北部灣鋒（越南北部）沒有明顯的季節性，該鋒區多發生于冬季風盛行時期，相較于以上分析的鋒面，該鋒面的強度有明顯的減小趨勢，平均強度的變化區間為 0.04～0.06 ℃/km，緯向風速的變化區間為-4.5～3.2 m/s，經向風速多在-3.4～1 m/s 之間變化，總風速的變化區間為1～6.5 m/s。

如圖7（e），越南沿岸鋒的平均風速多處于2.1～6.5 m/s 之間，經向風速和緯向風速相差不大，經向風速的變化范圍為-4.5～4.3 m/s，緯向風速的變化范圍為-5.6～3.2 m/s，該處鋒面多發生于1-8月和11-12月，鋒面平均強度多在0.04～0.06 ℃/km之間。

呂宋西南鋒多發生于冬季風盛行時期，由圖7（f）可知，此時多盛行東風和北風，鋒面平均強度多在0.05 ℃/km 以下，變化幅度不大。冬季風速大于夏季，經向風速和緯向風速在不同季節方向相反，緯向風速相對來說較大，在-7.8～5.4 m/s 之間變化，緯向風速多處于-6.7～4.3 m/s 變化，總風速為1～8.7 m/s。

圖7（g）展示了菲律賓西側沿岸鋒的風速和鋒面平均強度的變化趨勢，鋒面平均強度基本在0.04～0.05 ℃/km 之間變化，經向風速變化范圍多在-2.3～2.1 m/s 之間，緯向風速的變化區間為-3.4～2.1 m/s，總風速為1～4.3 m/s。總體來看，鋒面多發生于冬季風盛行時期，此時經向風速和緯向風速均為負值，盛行東風和北風。

由圖7（h）可以看出泰國灣鋒的風速和鋒面平均強度的變化趨勢，該鋒面存在時間較短，多存在于冬季，鋒面平均強度基本在0.05 ℃/km 以下，經向風速和緯向風速的相差較大，經向風速的變化范圍為-4.5～4.3 m/s，緯向風速的變化范圍為-3.4～3.2 m/s，總風速多在1～5.4 m/s 之間變化。

2.4.2 風速與鋒面平均強度的相關性分析

由于鋒面在某些月份不存在或未被檢測到，本研究分別計算全年、夏季風盛行時期、冬季風盛行時期各鋒區的平均強度與該區域經向風速（U）、緯向風速（V）和平均風速（W）的相關系數，風速的正負代表風向，取風速絕對值計算兩者相關系數，結果如表3所示。

臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒全年平均強度與風速的相關程度較高，與緯向風速的相關系數為-0.52，與經向風速相關系數為-0.48；夏季平均強度與經、緯向風速的相關系數均大于冬季，冬季強度與緯向風速和經向風速的相關系數分別為-0.31、-0.37；珠江口鋒的平均強度與風速多呈負相關關系，冬季的平均強度與風速的相關程度較高；與經、緯向風速的相關系數在冬季分別為-0.47、-0.53，夏季為0.12、0.01，全年為-0.37、-0.48。海南島鋒區的平均強度與經、緯向風速的相關系數在全年分別為-0.39、-0.40，在夏季分別為0.13、0.11，在冬季為-0.15、-0.21，相比較夏季來說，冬季平均強度與風速的相關程度高；北部灣鋒的平均強度與風速多呈負相關關系，且與緯向風速的相關性較高，夏季和冬季與緯向風速的相關性系數分別為-0.57、-0.27，與經向風速的相關性系數分別為-0.18、-0.11；越南沿岸鋒的平均強度與緯向風速的相關程度更高，且冬季與經向風速和緯向風速的相關系數均大于夏季，分別為0.10 、-0.34。呂宋西南鋒在夏季不存在，且與經緯風速均呈負相關；菲律賓西側沿岸鋒和泰國灣鋒也在夏季消失，冬季的平均強度與經向風速的相關系數分別為-0.49、0.25、0.18，與緯向風速的相關系數分別為-0.50、0.21、-0.33，全年的平均強度與經向風速和緯向風速的相關系數分別為-0.39、-0.47。

3 結束語

本研究基于2010-2020年微波和紅外融合SST數據檢測了南海海域溫度鋒，并統計研究區內各鋒面發生的位置、鋒面中心線長度及平均強度，分析了鋒面氣候態分布特征；基于逐年鋒面檢測結果，討論了研究區內典型溫度鋒的年際變化情況，分析了鋒面與海面風場的相關性，主要結果如下：

1）南海區共檢測到8 個鋒面，其中1-2月檢測到的鋒面數量最多，8 個鋒面均可檢測到；3-4月可檢測鋒面逐漸減少，主要體現在馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒和泰國灣鋒的消失；5-9月持續減少，其中9月達到最小值，僅檢測到臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒和越南沿岸鋒；10-12月開始有所回升，10月檢測到臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒、珠江口鋒、北部灣鋒；11月檢測到除越南沿岸鋒、馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒和泰國灣鋒外的所有鋒面；12月只有馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒未被檢測到。

2）根據南海鋒面信息結果，對2010-2020年南海鋒面長度和鋒面發生頻次進行分析。結果表明：對于不同季節，夏季發生的鋒面長度普遍大于冬季鋒面長度，上半年的鋒面長度大于下半年鋒面長度，但冬季鋒面發生的頻次最高，變化區間為[15，24]，秋季鋒面發生的頻次最低，變化區間在[3，9]。對于鋒面長度與頻次年分布特征發現，臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒總長度最長，在1 225～4 795 km 之間變化，大部分時間長度約3 000 km；馬來西亞-菲律賓西側沿岸鋒整體長度最短，鋒面長度在88～728 km 之間，其他鋒面長度相對穩定，平均在500～2 000 km 范圍內。前5年鋒面發生頻次波動較大變化區間為[24，55]，最近5年鋒面發生頻次較為穩定，變化區間為[28，52]；

3）南海海洋鋒面強度極大值多出現在冬季風盛行的時期，平均強度基本在0.04～0.06 ℃/km 之間，冬季的平均鋒面強度與風速的相關程度較高，具有很強的周期性。臺灣海峽及廣東福建沿岸鋒平均梯度全年與風速的相關程度都比較高；珠江口鋒和北部灣鋒的平均梯度與風速多呈負相關關系；海南島鋒區相比較夏季來說，冬季平均梯度與風速的相關程度高；越南沿岸鋒的平均梯度與緯向風速的相關程度更高；呂宋西南鋒、菲律賓西側沿岸鋒在夏季消失，在冬季的相關性高于全年。