索馬里東岸溫度鋒季節(jié)分布特征分析

劉鵬，張永剛，曹震卿，巨澤光

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連116018；2.北海艦隊(duì)航空兵航管氣象處，山東青島266000）

索馬里東岸溫度鋒季節(jié)分布特征分析

劉鵬1，張永剛1，曹震卿1，巨澤光2

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連116018；2.北海艦隊(duì)航空兵航管氣象處，山東青島266000）

基于50 a的SODA的溫度數(shù)據(jù)，利用絕對(duì)梯度分析法求出鋒面的概率分布，對(duì)索馬里東岸的溫度鋒面的分布特征進(jìn)行了分析。此外利用WOA13的溫鹽數(shù)據(jù)，對(duì)鋒區(qū)出現(xiàn)概率較大海區(qū)的聲速剖面進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：溫度鋒面在淺水處的概率分布與深水處存在異同，鋒面主要集中分布在6—10月、6°～10°N沿岸附近，通過(guò)研究SODA海流數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鋒面分布概率較大的海域有著明顯的上升流。利用EOF分析，發(fā)現(xiàn)溫度鋒面的年際變化并不強(qiáng)，主要是年內(nèi)的季節(jié)變化較為明顯。聲速剖面在有無(wú)鋒面存在的位置處存在明顯差異，上升流帶來(lái)的底層冷水導(dǎo)致聲速要明顯小于其他區(qū)域，鋒面同一位置處，由于夏季鋒強(qiáng)最大，鋒區(qū)的聲速也明顯小于其他季節(jié)。

SODA；WOA13；溫度鋒；聲速

1 引言

海洋鋒一般是指特性明顯不同的兩種或幾種水體之間的狹窄過(guò)渡帶。狹義而言，有人將其定義為水團(tuán)之間的邊界線。廣義地說(shuō)，可泛指任一種海洋環(huán)境參數(shù)的躍變帶，因而出現(xiàn)了諸如水溫鋒、鹽度鋒、密度鋒、聲速鋒、水色鋒、透明度鋒，以及海水化學(xué)、生物等等要素的海洋鋒的稱(chēng)謂[1]。

索馬里半島位于非洲東北部，其東部沿海地區(qū)存在著隨季節(jié)變化的季風(fēng)及海流，因此該海域的水文環(huán)境異常復(fù)雜。隨著中國(guó)在中東地區(qū)的商業(yè)貿(mào)易以及護(hù)航任務(wù)的日趨頻繁，其戰(zhàn)略位置也愈發(fā)重要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于這片海域的研究大多都集中在對(duì)這一海域的海溫年際變化、流系的三維結(jié)構(gòu)、海流對(duì)季風(fēng)的響應(yīng)等方面，如曹宗元[2]利用SODA數(shù)據(jù)對(duì)索馬里流系的三維結(jié)構(gòu)及其季節(jié)變化和年際變化進(jìn)行了分析，趙芳[3]利用Argo海溫資料和SODA資料對(duì)索馬里東岸的海溫時(shí)空變化進(jìn)行了研究，Sschott[4]對(duì)索馬里上升流與季風(fēng)的相應(yīng)做了研究分析。然而，對(duì)于索馬里東海岸的溫度鋒面研究較少，也很少研究鋒面對(duì)水聲傳播的影響。本文利用SODA數(shù)據(jù)，分析了該海域50 a的溫度鋒面逐月平均分布特征，并利用WOA13數(shù)據(jù)分析了鋒區(qū)聲速剖面的分布。

圖1 索馬里地圖

2 數(shù)據(jù)及方法介紹

2.1 數(shù)據(jù)介紹

本文用來(lái)分析鋒面的數(shù)據(jù)是來(lái)自美國(guó)馬里蘭大學(xué)（http://dsrs.atmos.umd.edu/DATA/）的簡(jiǎn)單海洋同化數(shù)據(jù)（Simple Ocean Data Assimilation，SODA）的月平均數(shù)據(jù)資料。SODA海洋數(shù)據(jù)集包含的變量有溫度、鹽度、海流速度、海表風(fēng)應(yīng)力、海洋上層0～500 m熱含量、海洋上層0～125 m熱含量、海平面高度等。SODA數(shù)據(jù)的時(shí)間分布為1871年1月—2010年12月，水平分辨率為0.5°×0.5°，垂向上覆蓋了水深5.01～5 375 m不等的40層。本文所用的是1960年1月—2009年12月的溫度數(shù)據(jù)，以及2000年1月—2004年12月的海流數(shù)據(jù)。

用來(lái)分析聲速斷面的是來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心海洋氣象實(shí)驗(yàn)室的海洋氣候態(tài)數(shù)據(jù)集產(chǎn)品WOA13（World Ocean Atlas13）數(shù)據(jù)（http://www.nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html）。該數(shù)據(jù)包括了全球從1955—2012年的溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等海洋要素?cái)?shù)據(jù)，時(shí)間上分為年平均、季節(jié)平均、月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率有5°、1°、1/4°等3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分為了102層，其中0～100 m每5 m一層，100～500 m每25 m一層，500～2 000 m每50 m一層，2 000～5 500 m每100 m一層。本文選用的是1955—2012年、空間分辨率1/4°的季節(jié)平均的溫度和鹽度數(shù)據(jù)。

2.2 方法介紹

鋒面的提取，國(guó)內(nèi)外有許多人做過(guò)研究，主要是溫度梯度法，如劉建斌等[5-6]曾用絕對(duì)梯度分析法提取了印尼西岸的穩(wěn)鹽鋒面和阿爾沃蘭海鋒面，國(guó)外的Moore等[7]、Park等[8]、Wang等[9]利用溫度梯度法分析了不同海區(qū)的海洋鋒面并獲得較好的效果，本文同樣采取該方法提取了溫度鋒面，其中絕對(duì)梯度的定義為：

式中：T為所要算的要素，本文為海水溫度。

趙寶宏等[10]和朱鳳芹等[11]利用鋒面有效概率分布來(lái)分析鋒面，都能夠較好地判斷出鋒面隨時(shí)間的分布規(guī)律和主要分布區(qū)域。根據(jù)索馬里東海岸溫度梯度的平均分布，并考慮資料的差異性，本文選取0.015℃/km作為溫度鋒面的判斷標(biāo)準(zhǔn)。即某點(diǎn)的梯度大于判斷標(biāo)準(zhǔn)，則把該點(diǎn)看做出現(xiàn)點(diǎn)。按照式（2）計(jì)算各點(diǎn)在50 a中的各月出現(xiàn)鋒的概率P，并選取概率大于0.5的區(qū)域作為鋒出現(xiàn)的區(qū)域。

式中：N表示50 a中該點(diǎn)有效觀測(cè)數(shù)據(jù)次數(shù)，n表示50 a中該點(diǎn)出現(xiàn)鋒的次數(shù)。

2.3 聲速計(jì)算

關(guān)于聲速計(jì)算公式目前已經(jīng)建立了幾十種，這些公式大多包含從幾項(xiàng)到幾十項(xiàng)不等的參數(shù)，各公式對(duì)于海水溫度、鹽度和壓力的適用范圍也有所不同。本文基于WOA13溫鹽數(shù)據(jù)，使用Mackenzie聲速經(jīng)驗(yàn)公式[12]計(jì)算了該海域的聲速剖面。

3 分析與討論

3.1 鋒面分布特征分析

根據(jù)前文所介紹方法，作出在水深500 m以淺的逐月溫度梯度分布圖，圖2分別為1960年1—12月在水深96.92 m、171.4 m的溫度梯度分布圖。由圖可知：溫度鋒面在水深96.92 m處主要存在于6—10月，11月之后鋒面逐漸減弱，到次年1月鋒面消失，6月開(kāi)始鋒面又開(kāi)始逐漸增強(qiáng)。溫度鋒面存在的主要位置在索馬里沿岸地區(qū)6°～10°N、50°～53°E之間。其中6、7、8月鋒面分布范圍較廣，但是鋒面強(qiáng)度較??；9、10月鋒面集中在8°～10°N、51°～52°E沿岸海域，但是鋒面強(qiáng)度較大。在水深171.4 m處，溫度鋒面主要存在于7—12月，且出現(xiàn)一個(gè)環(huán)狀的鋒面，這與該區(qū)域存在的一個(gè)反氣旋型渦旋有關(guān)[2]。另外觀察其他更深水深層的溫度梯度可以發(fā)現(xiàn)從水深268.46 m開(kāi)始，溫度鋒面消失（圖略）。

圖2 1960年1—12月不同水深溫度梯度分布

分別作出水深15.07、57.98、96.92 m處的鋒面概率分布特征圖（見(jiàn)圖3—5）。圖中只給出了鋒面在50 a中出現(xiàn)概率大于50%，即50 a中能出現(xiàn)25次以上的區(qū)域，這些區(qū)域能夠很好地代表溫度鋒面存在的主要區(qū)域。

圖3 1—12月水深15.07 m處出現(xiàn)概率大于50%的溫度鋒

水深15.07 m處的溫度鋒50 a的概率分布如圖3所示，由圖可知：1—3月幾乎沒(méi)有鋒面存在，4月份開(kāi)始，從索馬里東北角12°～6°N的沿岸海域，逐漸出現(xiàn)穩(wěn)定的溫度鋒面，7月份鋒面范圍達(dá)到最大，且概率分布值大多達(dá)到90%以上，7月以后，鋒面逐漸減弱，到11月鋒面分布范圍逐漸趨近于0。總體來(lái)說(shuō)，鋒面出現(xiàn)概率較大的區(qū)域在6—9月，8°～11°N沿岸海域。

水深57.98 m處的溫度鋒50 a的概率分布如圖4所示，由圖可知：對(duì)比水深15.07 m處的鋒面概率分布圖，可以發(fā)現(xiàn)水深57.98 m處溫度鋒面的分布范圍明顯要更大，可見(jiàn)冷暖水團(tuán)在此處比淺層混合更劇烈。1—2月溫度鋒基本不存在，3月開(kāi)始，在10°N沿岸出現(xiàn)小范圍的鋒面，且概率分布值只在50%左右，4月以后鋒面分布逐漸向南部擴(kuò)散，6月份的時(shí)候在2°N沿岸附近也開(kāi)始出現(xiàn)了少量溫度鋒面，7月鋒面分布范圍達(dá)到最廣且在8°N沿岸附近概率分布值接近于100%，8月以后鋒面分布逐漸減小且在11°N、55°E出現(xiàn)一個(gè)概率較小的鋒面，9月2°N處鋒面消失，但10°N以北鋒面向東部延伸到55°E，10月索馬里東岸的鋒面主要集中在8°～12°N沿岸，11—12月鋒面逐漸減弱直至消失?？傮w來(lái)說(shuō)，鋒面出現(xiàn)概率較大的區(qū)域在6—9月，6°～10°N沿岸海域。

圖4 1—12月水深57.98 m處出現(xiàn)概率大于50%的溫度鋒

水深96.92 m處的溫度鋒50 a的概率分布如圖5所示，由圖可知：與淺水處不一樣的是，水深96.92 m處在1—3月也存在溫度鋒面，1月鋒面主要包括9°～12°N和3°～5°N兩處，2月鋒面范圍比1月小，只在10°～12°N和4°N附近存在兩個(gè)范圍很小的鋒面，3月南部的鋒面消失，只在8°～11°N處存在鋒面，4月鋒面范圍逐漸開(kāi)始擴(kuò)散，且分布概率值也開(kāi)始增大，4、5月鋒面主要存在于7°～12°N，6月鋒面向南移動(dòng)1°W緯度的距離，7月鋒面向東南擴(kuò)散且范圍增大，存在2°～10°N和2°N沿岸兩處鋒面，8月鋒面向東北擴(kuò)散，存在6°～12°N和2°N沿岸兩處鋒面，北部的鋒面向東擴(kuò)散到56°E附近，9月鋒面開(kāi)始收縮，集中在6°～12°N這一海域，10—12月鋒面分布逐漸減弱，集中在8°～12°N沿岸海域?？傮w來(lái)說(shuō)，鋒面出現(xiàn)概率較大的區(qū)域在6—10月，6°～10°N沿岸海域。

圖5 1—12月水深96.92 m處出現(xiàn)概率大于50%的溫度鋒

圖6 51.2°E、9.2°N處2000—2004年垂向流隨時(shí)間的變化（流向向上為正值，向下為負(fù)值）

圖7 水深96.92 m處夏季（7—10月）溫度梯度的EOF

圖8 四季聲速剖面圖（藍(lán)、紅、綠線分別代表（9°N、52°E）、（9°N、53°E）、（9°N、54°E）3處的聲速剖面）

圖9 9°N、52°E四季聲速剖面圖

總的說(shuō)來(lái)，鋒面的概率分布圖與溫度梯度圖是比較吻合的，這也說(shuō)明了利用鋒面概率分布可以有效的預(yù)測(cè)出鋒面可能出現(xiàn)的位置和時(shí)間。此外根據(jù)各水深層溫度鋒面的分布特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)鋒面主要集中分布在6—9月、7°～9°N沿岸海域，根據(jù)以往的資料顯示，該海域存在較強(qiáng)的上升流，如圖6所示為51.2°E、9.2°N處2000—2004年垂向流隨時(shí)間的變化，由圖可見(jiàn)：上升流主要存在于6—9月、水深700 m以淺。在夏季的時(shí)候，上升流帶來(lái)的底層冷水與海表的高溫海水的混合，從而造成了兩個(gè)不同水團(tuán)的過(guò)渡帶，即形成了溫度鋒面。由溫度梯度圖可知鋒面主要存在區(qū)域在水深300 m以淺，可見(jiàn)并不是上升流所存在區(qū)域全都存在鋒面，而是上升流所帶來(lái)的冷水與表層暖水的過(guò)渡區(qū)域存在鋒面。

3.2 EOF分析結(jié)果

對(duì)鋒面較明顯的96.92 m水深夏季（7—9月）的50 a（1960—2009年）溫度梯度距平場(chǎng)做EOF分解（見(jiàn)圖7）。由圖可見(jiàn)：前3個(gè)模態(tài)貢獻(xiàn)率之和有60.4%，第一模態(tài)在9°～10°N的沿岸海區(qū)的很小的一個(gè)區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)正位相中心，時(shí)間序列的分布變化較為劇烈，其中時(shí)間系數(shù)為正值時(shí)，代表正位相中心所在區(qū)域溫度梯度增大，時(shí)間系數(shù)為負(fù)值時(shí)，正位相中心所在區(qū)域溫度梯度減小，總體上看第一模態(tài)的周期性并不是很明顯，但是可以看出在1976—1986年和1994—2005年這兩個(gè)時(shí)間段，溫度梯度總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。第二模態(tài)在8°～9°N的沿岸海區(qū)存在一個(gè)正位相中心，時(shí)間序列的變化大致為一年正一年負(fù)的循環(huán)變化，變化幅度不是很大。第三模態(tài)在4°～8°N沿岸海區(qū)存在一個(gè)正位相中心，時(shí)間序列在1991—2009年呈上升趨勢(shì)，可見(jiàn)該海區(qū)的溫度梯度在有逐漸增大的趨勢(shì)?？傮w分析這3個(gè)模態(tài)，可以知道各個(gè)模態(tài)分別對(duì)應(yīng)不同海區(qū)的溫度鋒面的時(shí)空變化特征，且總的來(lái)看索馬里東岸海區(qū)的溫度梯度變化的年際變化并不是很明顯。

3.3 聲速剖面分析

基于WOA13的溫鹽數(shù)據(jù)，選擇鋒面上強(qiáng)度較大的點(diǎn)9°N、51°E，分析其所在位置聲速剖面，并與東部另外兩個(gè)鋒強(qiáng)較弱和無(wú)鋒面的兩個(gè)位置對(duì)比，由圖8可知：在鋒強(qiáng)較小的冬春秋季，這3處位置聲速剖面分布差別不大，主要差異在于表層聲速的差異，近岸處由于水溫較低，聲速較小。在夏季，上升流導(dǎo)致的溫度鋒面處聲速明顯異于無(wú)鋒面處，其聲速在鋒面所在水深0～200 m處要低于其他兩處，且一直延伸到水深1000 m處，聲速仍然最小。為了更好對(duì)比該點(diǎn)聲速剖面隨時(shí)間變化的差異，做出如圖9所示的9°N、52°E四季的聲速剖面，可以發(fā)現(xiàn)夏季的聲速在水深0～200 m處是明顯低于其他季節(jié)的，秋冬兩季表層聲速差異較小，夏季表層聲速與春季表層聲速相差了8 m/s，水深250 m附近四季聲速大小達(dá)到相同值，水深250 m以深，聲速差異較小。

4 結(jié)論

通過(guò)利用50 a的SODA溫度數(shù)據(jù)和WOA13溫鹽數(shù)據(jù)，對(duì)索馬里東岸水深5～100 m處的溫度鋒的分布特征與鋒區(qū)聲速剖面進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

（1）溫度鋒面所在的區(qū)域，水深淺處的概率分布與較深處存在異同，且鋒面主要集中分布在6—10月，其他月份的鋒面的分布范圍及概率分布均較??；

（2）鋒面主要集中分布在6°～10°N沿岸附近，且在6—10月鋒面分布概率較大的海域，其上升流也較為強(qiáng)烈，上升流帶來(lái)的底層冷水團(tuán)與海表的高溫水團(tuán)的混合，形成了溫度鋒面，可見(jiàn)上升流對(duì)該海域溫度鋒面有著極其重要的影響；

（3）根據(jù)溫度梯度的EOF分析，空間場(chǎng)的前3個(gè)模態(tài)分別對(duì)應(yīng)溫度鋒面從北到南的3個(gè)不同海區(qū)，時(shí)間場(chǎng)上，年際變化不是很明顯，第二模態(tài)的時(shí)間序列周期性較強(qiáng)，呈現(xiàn)一年正一年負(fù)的循環(huán)。這也說(shuō)明此片海區(qū)的溫度鋒面的年際變化并不強(qiáng)，主要的變化為年內(nèi)的季節(jié)變化；

（4）聲速剖面在有無(wú)鋒面位置處存在明顯差異，上升流帶來(lái)的底層冷水導(dǎo)致聲速要明顯小于其他區(qū)域。鋒面同一位置處，在鋒強(qiáng)最大的夏季，鋒區(qū)的聲速也明顯小于其他季節(jié)。

[1]馮士筰,李鳳歧,李少菁.海洋科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:高等教育出版社,1999:470-479.

[2]曹宗元.索馬里流系的三維結(jié)構(gòu)及其季節(jié)與年際變化[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2013.

[3]趙芳.索馬里流系區(qū)域海溫時(shí)空變化研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2013.

[4]Schott F.Monsoon Response of the Somali Current and Associated Upwelling[J].Progress in Oceanography,1983,12(3):357-381.

[5]劉建斌,張永剛.印度尼西亞西岸溫鹽鋒時(shí)空變化特征[J].海洋預(yù)報(bào),2015,32(5):14-23.

[6]劉建斌,張永剛.阿爾沃蘭海海洋鋒時(shí)空氣候變化特征[J].海洋預(yù)報(bào),2016,33(1):37-44.

[7]Moore J K,Abbott M R,Richman J G.Variability in the Location of the Antarctic Polar Front(90°～20°W)from Satellite Sea Surface Temperature Data[J].Journal of Geophysics Research,1997,102(C13):27825-27833.

[8]Park K A,Chung J Y,Kim K.Sea Surface Temperature Fronts in the East(Japan)Sea and Temporal Variations[J].Geophysical Research Letters,2004,31(7):L07304.

[9]Wang D X,Liu Y,Qi Y Q,et al.Seasonal Variability of Thermal Fronts in the northern South China Sea from Satellite Data[J].Geophysical Research Letters,2001,28(20):3963-3966.

[10]趙寶宏,劉宇迪,趙加華,等.南海海洋鋒季節(jié)分布特征初探[C]//2011年第二十八屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)論文集.廈門(mén):中國(guó)氣象學(xué)會(huì),2011.

[11]朱鳳芹,謝玲玲,成印河.南海溫度鋒的分布特征及季節(jié)變化[J].海洋與湖沼,2014,45(4):695-702.

[12]Mackenzie K V.Nine-Term Equation for Sound Speed in the Oceans[J].The Journal of the Acoustical Society of America,1981,70(3):807-812.

Analysis on seasonal distribution of temperature front in Somalia East Coast

LIU Peng1，ZHANG Yong-gang1，CAO Zhen-qing1，JU Ze-guang2
（1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018 China;2.North ocean fleet air traffic control meteorological office,Qingdao 266000 China）

Based on the 50 years temperature data from SODA,the probability distribution of the temperature fronts was obtained by the absolute gradient analysis method.The characteristics of the temperature fronts at the east coast of Somalia were analyzed.Based on the temperature and salinity data of WOA13,sound velocity profiles were analyzed.The results showed that the probability distribution of the temperature fronts in the shallow water was a little different from that in the deep water,and the fronts were mainly distributed in the vicinity of 6—10 months and 6°～10°N.There was a significant increase in the area with large probability of frontal distribution flow.The sound velocity profile in the front area was obviously different from that of other areas.The cold water from the bottom of the upwelling current caused the sound velocity to be significantly smaller than the other areas.At the same position,the sound velocity of the front area is obviously smaller than that of other seasons.

SODA；WOA13；Temperature fronts；Sound velocity

P731.11

A

1003-0239（2017）06-0048-09

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.06.006

2017-06-21；

2017-07-17。

劉鵬（1993-），男，碩士在讀，主要從事世界大洋海洋鋒面研究。E-mail:515540650@qq.com