黨振中，周立佳，劉建斌，董慧超，牛洪暄，劉 昕

（海軍大連艦艇學(xué)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(xué)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(jié)合海表面溫度、PN斷面溫度結(jié)構(gòu)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(kāi)展黑潮相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。結(jié)果表明WOA13數(shù)據(jù)對(duì)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(jié)構(gòu)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(duì)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(guò)臺(tái)灣島以東的宜蘭海脊，攜帶著大量的熱量流入東海，經(jīng)過(guò)日本的九州島南部的吐噶喇海峽流出東海，進(jìn)入日本以南海域，在東海區(qū)域內(nèi)，黑潮會(huì)沿著大陸架外緣朝東北方向流動(dòng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)東海黑潮進(jìn)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(jì)算能力的提升，近年來(lái)不斷有學(xué)者利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)東海黑潮進(jìn)行研究分析，取得了顯著的進(jìn)展［7-11］。

黑潮溫度鋒位置是黑潮的一個(gè)重要特征，對(duì)于海霧、海冰、水聲傳播、我國(guó)東部的旱澇狀況以及漁業(yè)生產(chǎn)都有密切的關(guān)聯(lián)。黑潮溫度鋒季節(jié)性變遷規(guī)律的研究，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事等諸多方面都有重要的意義。目前，開(kāi)始有學(xué)者利用黑潮溫度鋒對(duì)黑潮等環(huán)流的中尺度特征進(jìn)行分析。李威等［12-13］采用再分析手段，系統(tǒng)分析了臺(tái)灣以東黑潮鋒時(shí)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(dòng)對(duì)臺(tái)灣以東黑潮鋒的影響。Christopher等［14］用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)68°W處灣流鋒的溫、鹽相關(guān)性、鋒區(qū)成因等進(jìn)行了總結(jié)。王磊等［15］利用衛(wèi)星遙感資料對(duì)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(duì)黑潮溫度鋒特征進(jìn)行分析。

目前，海洋鋒動(dòng)力學(xué)尚未完全建立，且缺乏黑潮流域長(zhǎng)期連續(xù)的斷面觀測(cè)，因此對(duì)黑潮主軸溫度鋒的相關(guān)研究還相對(duì)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(duì)黑潮位置的表征能力，為開(kāi)展黑潮相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以提供大面同步實(shí)時(shí)觀測(cè)，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(duì)表層的研究無(wú)法表征黑潮的特征。利用觀測(cè)數(shù)據(jù)分析黑潮能夠反映三維信息，但是存在時(shí)空上的不連續(xù)。針對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)及觀測(cè)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(jiàn)1.1）作為黑潮溫度鋒分析的主要數(shù)據(jù)。

1　數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本文使用的氣候態(tài)溫度數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)自NOAA的國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心海洋氣象實(shí)驗(yàn)室的海洋氣候?qū)W最新數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，包涵全球多種海洋要素?cái)?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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，空間分辨率有：5°，1°，0.25°三種，在深度上利用內(nèi)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(xiāo)、128°15′E，西至30°30′N(xiāo)、123°15′E，與緯線成37°交角。PN斷面橫切東海黑潮主干，在對(duì)東海黑潮的調(diào)查研究中PN斷面是觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)、最系統(tǒng)、最著名的一個(gè)斷面，也是表征東海黑潮強(qiáng)度以及時(shí)空變化的重要標(biāo)志。

圖1　PN斷面位置

1.2.2海洋鋒海洋鋒實(shí)際上是大洋中不規(guī)則的立體水團(tuán)，水團(tuán)兩側(cè)海洋要素差異明顯，且這樣的水團(tuán)其表面形態(tài)與兩側(cè)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(shí)考慮空間位置、鋒強(qiáng)度、時(shí)間三種要素。這首先需要對(duì)海洋鋒進(jìn)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(diǎn)，以往對(duì)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(jì)算量大且不能表現(xiàn)鋒區(qū)強(qiáng)度信息，提取的鋒軸線模糊與實(shí)際有一定的偏差，對(duì)于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并不實(shí)用。SHENFU DONG等［17］在研究南極極地鋒時(shí)采用絕對(duì)梯度來(lái)確定鋒區(qū)強(qiáng)度。本文利用絕對(duì)梯度的方法對(duì)海洋鋒進(jìn)行提取分析，其中絕對(duì)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(duì)海洋鋒進(jìn)行提取時(shí)，采用了閾值判別的方法進(jìn)行海洋鋒的提取。通過(guò)提取某一深度上海水物理參數(shù)絕對(duì)梯度超過(guò)某一閾值的位置，得到了較為清晰的海洋鋒位置，進(jìn)而確定黑潮的路徑變化。

從屋蓋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，也是單軌吊車(chē)及電氣設(shè)備的承載結(jié)構(gòu)，這就要求屋蓋結(jié)構(gòu)必須具備較大的豎向承載力和剛度，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體性好，內(nèi)力分布均勻，結(jié)構(gòu)整體剛度較大，而管桁架內(nèi)力分布較為集中，相同結(jié)構(gòu)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(qiáng)度，梯度越大，則海洋鋒越強(qiáng)。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(biāo)準(zhǔn)，利用WOA13多年平均的月平均數(shù)據(jù)，對(duì)116°E～137°E，17°N～41°N范圍內(nèi)的研究海域提取溫度鋒信息。

2　東海黑潮主軸溫度結(jié)構(gòu)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(kāi)始，有一股較強(qiáng)的暖水舌向東北方向擴(kuò)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(shí)，渤、黃、東海受東亞冬季風(fēng)的影響顯著，冷空氣經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(shì)與1月份相差不大，隨著東亞冬季風(fēng)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(guò)渡時(shí)期。7月份SST達(dá)到了一年中的最高值，東海黑潮的趨勢(shì)不明顯，與其兩側(cè)的水溫沒(méi)有明顯的區(qū)別，特別是在臺(tái)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(duì)比較明顯。10月份整個(gè)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(duì)海表面溫度的分析表明，WOA13數(shù)據(jù)對(duì)東海黑潮的路徑和強(qiáng)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(jié)構(gòu)季節(jié)變化特征

為研究東海黑潮水下的溫鹽結(jié)構(gòu)，本文選取位于黑潮路徑上的PN斷面（位置見(jiàn)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(qiáng)的暖水，尤其是在1月和4月非常明顯，在兩側(cè)的海水有很強(qiáng)的溫度梯度，且4月份其流核結(jié)構(gòu)十分明顯，黑潮主軸的強(qiáng)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(duì)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(jié)構(gòu)分析中，我們發(fā)現(xiàn)冬、春季節(jié)PN斷面流核結(jié)構(gòu)最為明顯。

2.3溫度鋒時(shí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)。

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(tái)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(dá)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(qiáng)度存在季節(jié)變化并且海洋鋒在春季最強(qiáng)。臺(tái)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(dòng)的方向也與等深線分布有關(guān)。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(yáng)輻射影響強(qiáng)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(duì)黑潮路徑的表征最為合理。臺(tái)灣存在較強(qiáng)的上升流，且臺(tái)灣以東沿岸水深變化劇烈，上升的冷水在較短的經(jīng)距內(nèi)與高溫的黑潮水相匯，形成較強(qiáng)的水平溫度梯度，由此在臺(tái)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(shí)在冬季，由于上升流和黑潮流量較弱，導(dǎo)致二者的混合作用較弱，從而導(dǎo)致冬季溫度鋒相對(duì)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(duì)應(yīng)圖中黑潮溫度鋒減弱并最終消失。

3　結(jié)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(jié)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(duì)東海黑潮主軸路徑的表征能力。主要結(jié)論及討論概括如下：

（1）通過(guò)對(duì)海表面溫度的分析，表明WOA13數(shù)據(jù)對(duì)東海黑潮的路徑和強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(duì)黑潮路徑的表征較為合理。

（4）文中主要對(duì)PN斷面以及海洋鋒進(jìn)行溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析，未從鹽度場(chǎng)以及流場(chǎng)等方面對(duì)結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，是未來(lái)需要進(jìn)一步完善的部分。

［1］Ichikawa，Beardsley.Temporal and Spatial Variability ofVolume Transport ofthe Kuroshio in the East China Sea［J］.Deep-Sea Res.，1993，40：583-605.

［2］袁耀初，劉勇剛，蘇紀(jì)蘭，等.1997年夏季臺(tái)灣島以東及東海黑潮［C］//中國(guó)海洋文集（12），海洋出版社，2000：1-10.

［3］Kawabe M.Variations ofCurrent Path，Velocity，and Volumn Transport ofthe Kuroshioin Relation with the Large Meander［J］.Journal ofPhysical Oceanography，1995，25：3103-3117.

［4］Bo Qiu.The Kuroshio Extension System：Its Large-Scale Variability and Role in the Mid-latitude Ocean-Atmosphere Interaction［J］.Journal ofOceanography，2002，58：57-75.

［5］賈英來(lái)，劉秦玉，劉偉，等.臺(tái)灣以東黑潮流量的年際變化特征［J］.海洋與湖沼，2004，35（6）：507-512.

［6］孫湘平.東海黑潮表層流路（途徑）的初步分析［C］//黑潮調(diào)查研究論文集.北京：海洋出版社，1987：1-14.

［7］張?zhí)N斐，張占海，吳輝碇，等.黑潮環(huán)流的數(shù)值模擬［J］.海洋學(xué)報(bào)（中文版），2003，03：120-128.

［8］白志鵬，高松，王海棠.HYCOM模式對(duì)東海黑潮的氣候態(tài)模擬［J］.海洋通報(bào)，2010，02：121-129.

［9］齊繼峰.東海水團(tuán)特征及黑潮與東海陸架水交換研究［D］.青島：中國(guó)科學(xué)院研究生院（海洋研究所），2014.

［10］樊孝鵬，黃大吉，章本照.東海黑潮的氣候態(tài)數(shù)值模擬［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2006，05：916-920.

［11］Jae-Hun Park，David Farmer.Effects of Kuroshio Intrusions on Nonlinear Internal Waves in the South China Sea During Winter［J］.Journal ofGeophysical Research，2013，118：7081-7094.

［12］李威，王琦，馬繼瑞，等.臺(tái)灣以東黑潮鋒時(shí)空分布及形成機(jī)制研究［J］.海洋通報(bào)，2011，04：401-408.

［13］李威，王琦，馬繼瑞，等.臺(tái)灣以東黑潮鋒的中尺度過(guò)程研究［J］.海洋通報(bào)，2011，05：518-528.

［14］Christopher S Meinen，Douglas S.Luther，MollyO.Baringer，Structure，Transport and Potential Vorticity ofthe GulfStream Atirculation Near 68W［J］.Deep-Sea Research，2009，56（I）：41-60.

［15］王磊，王麗婭，魏皓.利用衛(wèi)星遙感資料對(duì)南海北部陸架海洋鋒表層溫度鋒的分析 ［J］.中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（3）：351-357.

［16］孫曉宇，蘇奮振，呂婷婷，等.基于MGIS與MODIS SST數(shù)據(jù)的黑潮海表溫度鋒特征分析 ［J］.地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，05：5566-5571.

［17］Shenfu Dong，Janet Sprintall，Sarah T Gille.Location of the Antarctic Polar Front from AMSR～E Satellite Sea Surface［J］.Journal of Physical Oceanography，2006，36（9）：2075-2089.

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?yàn)檐娛潞Ｑ蟓h(huán)境保障及作戰(zhàn)應(yīng)用。E-mail：dangazhong@163.com