盧曉亭，濮興嘯，李玉陽(yáng)

(1.總參氣象水文局，北京100091；2.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137000；3.海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266000)

圖1 研究區(qū)域及其海底地形Fig.1 Location and seafloor topography in the study area

海洋鋒是特征明顯不同的兩種或幾種水體之間狹窄的過(guò)渡帶[1]。在海洋鋒區(qū)，海水的溫度、鹽度在水平方向存在強(qiáng)烈的變化，海洋鋒在垂直方向上存在明顯的空間結(jié)構(gòu)特征變化，導(dǎo)致鋒區(qū)聲速具有明顯的水平梯度變化，這種典型的溫、鹽、聲速結(jié)構(gòu)變化，對(duì)水下聲傳播具有顯著影響。因此，研究海洋鋒具有重要意義。本文主要研究目的是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，提取海洋鋒空間位置、水平分布結(jié)構(gòu)和垂直擴(kuò)展特征等時(shí)空特征參數(shù),為后續(xù)海洋鋒特征模型研究來(lái)快速重構(gòu)海洋鋒區(qū)溫度場(chǎng)提供特征參數(shù)輸入。在國(guó)內(nèi)，張瑞安等[2]利用1960-1981年春季水文觀測(cè)資料,初步地分析了黃海西部春季海洋鋒的分布和特征。在應(yīng)用統(tǒng)計(jì)特征構(gòu)建海洋鋒特征模型方面，菅永軍等[3]以Gangopadhyay海洋鋒特征模型為基礎(chǔ)，建立了海洋鋒區(qū)聲速計(jì)算的理論模式。在國(guó)外，依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的海洋鋒特征參數(shù)構(gòu)建海洋鋒特征模型已得到廣泛研究，Bennett和Carnes等[4-5]對(duì)灣流鋒和冰島-法羅鋒特征模型做了相關(guān)研究，Gangopadhyay和Robinson等[6-8]對(duì)特定區(qū)域海洋鋒特征模型做了研究。

1 資料與方法

采用多年實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法統(tǒng)計(jì)分析黃海西部沿岸鋒(研究鋒段位于成山頭外海)多年平均特征，圖1所示為研究區(qū)域及其海底地形示意圖。該鋒位置通常位于123°30′E以西海域[2]。溫度資料來(lái)源于：

1)1939-1999年間中國(guó)近海海洋實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集，其數(shù)據(jù)主要包括船測(cè)CTD資料、南森站數(shù)據(jù)和ARGO數(shù)據(jù)等。

2)2010-08黃海成山頭外海海洋鋒海試CTD資料，該資料經(jīng)過(guò)資料檢驗(yàn)、時(shí)間校正、質(zhì)量控制等處理后得到了原始分辨率的數(shù)據(jù)，其垂向測(cè)量間隔為0.2 m。

將研究海區(qū)(35°30′～38°30′N(xiāo),122°00′～123°30′E)劃分為800個(gè)小方區(qū)，方區(qū)空間分辨率為4.5′×4.5′，將位于每一方區(qū)的實(shí)測(cè)資料按月分層進(jìn)行平均，平均值作為該方區(qū)的月平均溫度數(shù)據(jù)，并依據(jù)月平均溫度計(jì)算水平方向的月平均溫度梯度。本文以溫度梯度的大小判別海洋鋒的強(qiáng)弱，參考目前較為普遍使用的海洋鋒判別標(biāo)準(zhǔn)[3]確定海洋鋒的存在和分布位置，并計(jì)算海洋寬度、強(qiáng)度等特征。判別標(biāo)準(zhǔn)公式為

≥0.1 ℃/n mile

(1)

式中，Δt為溫度變化量;Δx為水平距離。

2 黃海西部沿岸鋒區(qū)的溫度結(jié)構(gòu)

2.1 月平均溫度剖面結(jié)構(gòu)

依據(jù)以往研究成果，假定分別以30 m,50 m等深線作為鋒的西、東邊界，鋒區(qū)寬度為30 n mile，在此基礎(chǔ)上計(jì)算得到黃海西部沿岸鋒西、東側(cè)邊界處平均溫度剖面分別如圖2和3所示，黃海西部沿岸海洋鋒在各個(gè)深度的水平溫度梯度如圖4所示。

圖2 沿岸鋒西側(cè)月平均溫度剖面Fig.2 Monthly averaged temperature section in the western side of the coastal front

圖3 沿岸鋒東側(cè)月平均溫度剖面Fig.3 Monthly averaged temperature section in the eastern side of the coastal front

圖4 沿岸鋒月平均溫度梯度剖面Fig.4 Monthly averaged temperature gradient profile of the coastal front

分析表明：在鋒區(qū)西側(cè)海域，1，2，3，4，9，10，11，12月表層溫度和底層溫度基本一致，海表和底層溫度差在1 ℃以?xún)?nèi)，溫度剖面大體呈垂直狀態(tài)。5，6，7，8月海表和底層溫度差有明顯差異，8月份溫差最大可達(dá)8 ℃。在鋒區(qū)東側(cè)海域，1，2，3，4月溫度剖面基本呈垂直狀態(tài)，海表和底層溫度變化不大，溫差在2 ℃以?xún)?nèi),其它月份海表和底層溫度有明顯的差異，尤其是6，7，8，9，10月在10～25 m層存在明顯的溫躍層現(xiàn)象。鋒區(qū)所在海域11，12，1，2，3，4月海表與深水處溫度差在3 ℃以?xún)?nèi)，其它月份隨深度增加溫度變化顯著，在10～25 m層存在明顯的溫躍層現(xiàn)象。從圖4可以看出,>10 m水層各個(gè)月份溫度梯度較小，1，2，3，7月溫度梯度≥0.1 ℃/n mile,存在海洋鋒；<10 m水層9，8，7，6和10月份溫度梯度明顯增加，海洋鋒強(qiáng)盛，這表明該鋒在夏季和初秋季節(jié)明顯。

2.2 月平均溫度平面分布

黃海西部沿岸鋒附近海域各層溫度平面分布體現(xiàn)明顯的季節(jié)變化特征，如圖5所示。1月，低溫沿岸水與水溫相對(duì)較高的黃?；旌纤粎R的地方形成海洋鋒，鋒路徑大致與等深線相一致，呈現(xiàn)“〕”型走向，與張瑞安等[2]“鋒的走向南北向，南端呈舌狀伸向東南”研究結(jié)果相一致。2月，各層沿岸水在冬季偏北風(fēng)的影響下，垂直方向混合強(qiáng)烈，致使海表與底層海水溫度趨于一致。3月，沿岸水和混合水溫度降低至全年最低值，沿近岸至離岸的水平方向水溫變化不大，海洋鋒強(qiáng)度較弱。4月，沿岸水溫度開(kāi)始升高，沿岸水和混合水溫差在3 ℃以?xún)?nèi)，該月海洋鋒消亡。5月，沿岸水和混合水溫度進(jìn)一步升高，在各個(gè)深度層，沿岸水和混合水溫度基本一致，不存在海洋鋒。6月，沿岸水和混合水溫度進(jìn)一步升高，>10 m水層沿岸水和混合水溫度基本一致，與張瑞安等[2]“黃海冷水鋒一般不出露海面而潛伏在10 m以下水層”研究結(jié)果相一致。<10 m水層沿岸水溫度高于混合水，兩者混合的區(qū)域溫度水平變化劇烈形成海洋鋒，且強(qiáng)度較大，張瑞安等[2]研究也表明6月份溫度鋒明顯。7月，海表沿岸水溫度低于混合水溫度3 ℃以?xún)?nèi)，在部分海域海表溫差達(dá)到4 ℃，這可能是因?yàn)樵跍囟认鄬?duì)較低的沿岸水海域海水形成“涌升”現(xiàn)象，即黃海局部上升流，上升流強(qiáng)烈時(shí)可能將底層仍保持冬季特性的冷水抬升至海表，形成黃海海表特有的“冷水斑”現(xiàn)象，在上升流區(qū)會(huì)形成海洋鋒，其一般位于30 m以上水層，且鋒寬度較小。8月，強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射使得沿岸水和混合水海表溫度趨于一致，>10 m水層海水基本保持高溫特性。<10 m水層海洋鋒強(qiáng)盛，鋒到達(dá)的深度可至45 m左右，其強(qiáng)度達(dá)到全年最大值。9月，海表溫度相比8月份開(kāi)始降低，由于太陽(yáng)輻射的作用，上均勻?qū)由疃瓤蛇_(dá)20 m，因此，>20 m水層溫度基本保持一致，溫躍層位于20～25 m層，底層沿岸暖水度略高于混合水，海洋鋒強(qiáng)度較弱。12月，沿岸水和混合水溫度進(jìn)一步降低，其在各層溫度基本一致，無(wú)海洋鋒現(xiàn)象。因此，黃海西部沿岸鋒在春季開(kāi)始形成并逐步加強(qiáng)，夏季處于強(qiáng)盛期，秋季海洋鋒逐漸減弱，冬季稍有增強(qiáng)的趨勢(shì)，初春季節(jié)海洋鋒消亡。

圖5 黃海西部海域不同月份標(biāo)準(zhǔn)層平均溫度平面分布示例Fig.5 Horizontal distributions of averaged temperature of standard layers in the western Yellow Sea in different months

3 黃海西部沿岸鋒特征

3.1 沿岸鋒月平均強(qiáng)度

根據(jù)黃海西部沿岸鋒溫度梯度的變化分別計(jì)算沿岸鋒各月、標(biāo)準(zhǔn)層深度的溫度鋒強(qiáng)度多年平均值見(jiàn)表1。由表1可以看出，黃海西部沿岸鋒6-8月平均強(qiáng)度最大，是海洋鋒的強(qiáng)盛時(shí)期，并且海底層平均強(qiáng)度大于海表層；而4,12月平均強(qiáng)度最小，是海洋鋒的消亡時(shí)期，同時(shí)也是海洋鋒重新生成的轉(zhuǎn)折期。

表1 黃海西部沿岸鋒鋒強(qiáng)度特征統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of the intensity features of coastal front in the western Yellow Sea

3.2 沿岸鋒月平均寬度和邊界

由于黃海西部沿岸鋒鋒路徑大致沿等深線發(fā)展，因此，依據(jù)在某一深度層分析點(diǎn)到某一等深線距離變化和相應(yīng)的溫度變化情況，作為表征該層鋒存在與否及估算平均寬度、強(qiáng)度、邊界特征的一種方法。以8月份為例分析，利用2010-08實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于最小二乘原理，在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層深度采用多項(xiàng)式擬合方法，以離不同等深線的距離為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)擬合曲線繪制，如圖6所示，圖中橫坐標(biāo)負(fù)值指該分析位置位于等深線近岸一側(cè)，反之，位于等深線離岸一側(cè)。

圖6 8月鋒區(qū)溫度與等深線的距離關(guān)系擬合曲線Fig. 6 The fitted curves of the relationship between the temperature in the front area and the distance away from the isobath in August

圖6a表明鋒區(qū)位于20 m等深線以西5 n mile至以東30 n mile之間的海域。0,5和50 m層水溫從近岸側(cè)至離岸側(cè)變化平緩，溫度梯度小，基本不存在鋒區(qū)。10～35 m層溫度變化劇烈，存在顯著海洋鋒。10～15 m層鋒區(qū)寬度10 n mile左右。15～30 m寬度30 n mile左右。30～35 m寬度20 n mile左右。10 m水層強(qiáng)度0.25 ℃/n mile,15 m水層強(qiáng)度0.3 ℃/n mile，20 m水層強(qiáng)度0.11 ℃/n mile，25 m水層強(qiáng)度0.13 ℃/n mile，30 m水層強(qiáng)度0.1 ℃/n mile，35 m水層強(qiáng)度0.16 ℃/n mile。

圖6b表明鋒區(qū)位于40 m等深線以西20 n mile至以東20 n mile之間的海域。0,5,10,35和50 m層溫度從近岸一側(cè)到離岸一側(cè)變化平緩，溫度梯度小，基本不存在鋒區(qū)。15～35 m層溫度變化劇烈，存在明顯的鋒區(qū)。15～30 m鋒區(qū)寬度大致30 n mile。35 m鋒區(qū)寬度20n mile。15 m層強(qiáng)度0.15 ℃/n mile,20 m層強(qiáng)度0.25 ℃/n mile,25 m層強(qiáng)度0.25 ℃/n mile,30 m層強(qiáng)度0.19 ℃/n mile，35 m層強(qiáng)度0.1 ℃/n mile。

4 結(jié) 語(yǔ)

黃海西部沿岸鋒具有明顯的季節(jié)變化特征：春季開(kāi)始形成并逐步加強(qiáng)，夏季處于強(qiáng)盛期，秋季海洋鋒逐漸減弱，冬季稍有增強(qiáng)的趨勢(shì)，初春季節(jié)海洋鋒消亡。該鋒6-8月平均強(qiáng)度最大，并且海底層平均強(qiáng)度大于海表層，而4,12月平均強(qiáng)度最小。2010-08實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明該鋒位于20 m等深線以西5 n mile至以東30 n mile之間的海域，且位于40 m等深線以西20 n mile至以東20 n mile之間的海域。黃?！袄渌畧F(tuán)”對(duì)黃海沿岸鋒和潮汐鋒都有明顯影響，且黃海海區(qū)水系復(fù)雜，因此，黃海鋒面結(jié)構(gòu)的研究仍是一個(gè)長(zhǎng)期的問(wèn)題，需要在廣泛獲取實(shí)測(cè)資料和高分辨率數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，做進(jìn)一步研究分析。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] LI F Q, SU Y S. Ocean water mass analysis[M].Qingdao:Qingdao Ocean University Press,2000.李風(fēng)岐,蘇育嵩.海洋水團(tuán)分析[M].青島：青島海洋大學(xué)出版社, 2000.

[2] ZHANG R A, ZHENG D. The spring huanghai sea oceanic fronts and their relations to fisheries[J]. Journal of Ocean University of Qingdao,1989,(S1):199-203.張瑞安,鄭東.黃海西部春季海洋鋒及其與漁業(yè)的關(guān)系[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào),1989,19(1): 199-203.

[3] JIAN Y J, ZHANG J, JIA Y J. A sound speed computation model in oceanic front area and its application in studying the effect on sound propagation[J]. Advances in Marine Science, 2006, 24(2): 166-171. 菅永軍，張杰，賈永君.海洋鋒區(qū)的一種聲速計(jì)算模式及其在聲傳播影響研究中的應(yīng)用[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展，2006，24(2): 166-171.

[4] BENNETT T J, CARNES M R. Feature modeling: the incorporation of a front and eddy map into optimal interpolation-based thermal analyses [R]. Mississippi USA: Naval Research Laboratory Stennis Space Center,1988.

[5] BENNETT T J, BOYD L, KNAUER G, et al. A feature model of the iceland-faeroe front[J].Mar. Tech. Soc.,1992,26(2): 44-52.

[6] CALADO L, GANGOPADHYAY A, ROBINSON A R, et al.Feature-oriented regional modeling and simulation(FROMS)for the western south atlantic:southeastern brazil region [J]. Ocean Modeling,2008,25:48-64.

[7] GANGOPADHYAY A, ROBINSON A R. Feature-oriented regional modeling and simulations in the gulf of maine and georges bank[J].Continental Shelf Research, 2003, 23(3): 317-353.

[8] GANGOPADHYAY A, ROBINSON A R.Feature oriented regional modeling of oceanic fronts[J]．Dynamics of Atmospheres and Oceans, 2002, 36(1-3): 201-232.