張啟龍，劉志亮，齊繼峰，楊德周，鄭冬梅

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071；2.遼寧省海洋環(huán)境預(yù)報(bào)與防災(zāi)減災(zāi)中心，遼寧沈陽(yáng)110001）

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青島冷水團(tuán)的消亡機(jī)理研究

張啟龍1，劉志亮1，齊繼峰1，楊德周1，鄭冬梅2

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266071；2.遼寧省海洋環(huán)境預(yù)報(bào)與防災(zāi)減災(zāi)中心，遼寧沈陽(yáng)110001）

摘要：本文基于多年月平均水溫資料，分析了青島冷水團(tuán)的長(zhǎng)消過(guò)程，并利用氣候態(tài)月平均大氣數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，探討了青島冷水團(tuán)的消亡機(jī)理。結(jié)果表明，青島冷水團(tuán)3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失；南黃海6-7月間偏南風(fēng)的增強(qiáng)和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團(tuán)消亡的動(dòng)力機(jī)制，而海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入則是青島冷水團(tuán)消亡的熱力機(jī)制。

關(guān)鍵詞：南黃海；青島冷水團(tuán)；長(zhǎng)消過(guò)程；消亡機(jī)理

1　引言

青島冷水團(tuán)盤踞于山東半島東南部近海的深底層，是南黃海西部海域中的一個(gè)突出而重要的海洋水文現(xiàn)象［1—2］。它的存在和變動(dòng)不僅使得南黃海西部的環(huán)流結(jié)構(gòu)和水文狀況趨于復(fù)雜，而且還對(duì)山東近海漁場(chǎng)春汛漁期的早晚和魚(yú)群的集散程度產(chǎn)生重要影響［3—6］。因此，青島冷水團(tuán)深受我國(guó)海洋學(xué)界的重視和關(guān)注，并對(duì)其溫鹽特性、形成機(jī)制和變化特征進(jìn)行了較為廣泛而深入的調(diào)查研究，取得了一些有意義的研究成果［3，5，7—11］。已有研究表明，青島冷水團(tuán)具有獨(dú)特的熱鹽結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)消規(guī)律，是一個(gè)獨(dú)立的水團(tuán)，它在3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失［8］；該水團(tuán)來(lái)源于黃海沿岸水（渤南沿岸水），是在山東半島南側(cè)的反氣旋渦和太陽(yáng)輻射加熱共同作用下形成的［7］；青島冷水團(tuán)的強(qiáng)度具有顯著的年際和年代際變化特征，而其年際變化主要是由前冬（2月）山東半島北部沿海地區(qū)的氣溫變化引起的［9］。這些結(jié)果進(jìn)一步加深了對(duì)青島冷水團(tuán)的認(rèn)識(shí)和了解。

但應(yīng)指出的是，以往的研究成果大都是基于單個(gè)航次的調(diào)查資料分析得到的（簡(jiǎn)稱為天氣學(xué)分析，下同），而利用氣候態(tài)月平均資料來(lái)研究水團(tuán)特征和變化機(jī)理的工作卻極少（簡(jiǎn)稱為氣候?qū)W分析，下同）。眾所周知，淺海水團(tuán)的配置和特征在很大程度上取決于氣象等外界因素的變化，一旦這些外界因素出現(xiàn)突變，那么水團(tuán)的配置和特征也將隨之發(fā)生巨大變化。由此可見(jiàn)，天氣學(xué)分析結(jié)果雖有特色，但也有其局限性，因?yàn)檫@些結(jié)果并不能完全反映出水團(tuán)的氣候?qū)W特征。例如，于非等［10］基于美國(guó)海軍的G D E M（Generalized Digital Environ mental M odel）多年月平均水溫資料指出，青島冷水團(tuán)主要存在于3-5月間，5月以后它便逐漸融入黃海冷水團(tuán)當(dāng)中，成為黃海冷水團(tuán)的西側(cè)冷中心［11］，這與Zhang等［8］的天氣學(xué)分析結(jié)果存在著較大差異。另一方面，雖然人們已對(duì)青島冷水團(tuán)的長(zhǎng)消過(guò)程和形成機(jī)制有了比較深入的了解［8］，但對(duì)其消亡機(jī)理卻知之甚少，迄今尚未見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道。為此，本文利用1950-2013年間在南黃海中西部海域獲得的水溫資料、大氣數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)青島冷水團(tuán)的長(zhǎng)消過(guò)程和消亡機(jī)理進(jìn)行研究，以期為南黃海西部海域海洋水產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

2　資料和處理方法

本文運(yùn)用1950-2013年間W O D13（W orld O-cean Database 2013）和中國(guó)科學(xué)院海洋研究所的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（OSD-IO C AS）中的水溫資料，分析青島冷水團(tuán)的氣候態(tài)季節(jié)變化特征。其中，W O D13是由美國(guó)國(guó)家海洋資料中心（N O D C）研發(fā)的2013版的世界海洋數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)中的水溫資料主要包括C T D、海洋站（OSD）、漂流浮標(biāo)（D RB，PFL）和錨定浮標(biāo)（M RB）等觀測(cè)數(shù)據(jù)，而OSD-IO C AS則主要為南森站和C T D觀測(cè)資料。與W O D13不同的是，OSD-IOC AS擁有更多的中國(guó)近海觀測(cè)資料。

為了探討青島冷水團(tuán)的消亡機(jī)理，本文還利用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（N O A A）研發(fā)的國(guó)際綜合海洋-大氣資料集（IC O A DS）中的月平均風(fēng)場(chǎng)和海面凈熱通量數(shù)據(jù)，其分辨率皆為1°×1°。此外，由于缺乏大范圍的同步海流觀測(cè)資料，因此本文使用了由美國(guó)羅格斯大學(xué)和加州大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的R O M S（Regional Ocean M odeling System）模式模擬的氣候態(tài)海洋上層（0～25 m）海流數(shù)據(jù)（由楊德周博士提供）。該模式能夠很好地模擬東中國(guó)海的環(huán)流結(jié)構(gòu)和變化特征［12—13］。

本文的研究區(qū)域?yàn)槟宵S海中西部海域（34°～37°N，120°～125°E），圖1為南黃海地形圖。眾所周知，在海洋實(shí)測(cè)資料中往往存在著噪聲、誤差以及站點(diǎn)分布不均勻等問(wèn)題。因此，為了得到一份高質(zhì)量的網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)集，本文采用Levitus客觀分析方法對(duì)W O D13和OSD-IO C AS資料進(jìn)行了客觀分析處理1）Levitus S，Boyer T.W orld Ocean Atlas 1994 C D-R O M Data Set Docu mentation［C］.National Oceanographic Data Center，Informal Report，1994：13.。首先剔除了資料中的奇異值和重復(fù)的站點(diǎn)，然后再對(duì)資料進(jìn)行內(nèi)插：在垂直方向上，將所有的資料都插值到8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層（0、5、10、15、20、25、30和50 m）上；在水平方向上，每層的數(shù)據(jù)皆通過(guò)客觀分析方法插值到0.25°×0.25°格點(diǎn)上，同時(shí)利用加權(quán)平均方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了平滑，從而得到了高分辨率的網(wǎng)格化水溫?cái)?shù)據(jù)集。

圖1　南黃海地形圖（圖中實(shí)線為等深線，單位：m）Fig.1 Bathymetric map of the South Yellow Sea （The solid line is bathymetric contour，unit：m）

3　青島冷水團(tuán)的長(zhǎng)消過(guò)程

青島冷水團(tuán)具有低溫特征，其內(nèi)部的溫度大致呈中央低、邊緣高的分布特征，與周圍的水體形成較強(qiáng)的溫度梯度［7—8］。另外還應(yīng)指出的是，南黃海溫躍層的上界一般在5～10 m之間，而躍層厚度約為10 m［10］。也就是說(shuō)，青島冷水團(tuán)盤踞于20 m以深水層。因此，本文利用3-7月間的25 m層水溫資料來(lái)研究青島冷水團(tuán)的長(zhǎng)消過(guò)程是完全可行的。值得一提的是，為了能夠給出水團(tuán)的全貌，本文將水深小于25 m的淺水區(qū)用底層資料補(bǔ)齊。

3月，在青島外海及其以北海域存在著一低溫區(qū)（T≤4.5℃）（圖略），而在4月該低溫區(qū)的水溫有所升高，而且6.4℃等溫線已呈封閉狀分布（圖2a），這標(biāo)志著青島冷水團(tuán)已經(jīng)成型（在水團(tuán)內(nèi)部的25 m層，最低溫度為5.36℃）。到了5月，冷水團(tuán)的分布范圍（T ≤9℃）迅速增大，而其內(nèi)部的水溫也在上升，其最低溫度較4月份上升了1.22℃（圖2b）。6月，冷水團(tuán)的范圍（T≤10℃）明顯減小，但其內(nèi)部的溫度仍在繼續(xù)升高，其最低溫度為8.42℃（圖2c）。7月，雖然該水團(tuán)的范圍（T≤11℃）大致與6月相近，但它已融入到黃海冷水團(tuán)（T≤12℃）中（圖2d），并成為該水團(tuán)的西側(cè)冷中心。因此可以認(rèn)為，7月青島冷水團(tuán)已消失。由以上分析可知，青島冷水團(tuán)3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失，這與Zhang等［8］的天氣學(xué)分析結(jié)果相近，但與于非等［10—11］的氣候?qū)W分析結(jié)果卻有所不同（他們認(rèn)為，青島冷水團(tuán)4月最盛，5月減弱），這可能與所用的資料不同有關(guān)。

4　青島冷水團(tuán)的消亡機(jī)制

由前面的分析可知，青島冷水團(tuán)6月減弱，7月消失。而以往的研究也表明，青島冷水團(tuán)是在山東半島南側(cè)的反氣旋渦和太陽(yáng)輻射加熱共同作用下形成的［8］。那么，青島冷水團(tuán)的消亡過(guò)程究竟是由哪些因素導(dǎo)致的？為此，本節(jié)將專門探討這一問(wèn)題，從而闡明青島冷水團(tuán)的消亡機(jī)制。

圖2　4-7月間的南黃海中西部25 m層水溫（℃）分布Fig.2 H orizontal temperature（℃）distribution at 25 m depth in the central and western South Yellow Sea during April to July

4.1動(dòng)力機(jī)制

已有研究表明，風(fēng)應(yīng)力是上層海洋運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)因素，也是淺海水團(tuán)演變的主要?jiǎng)恿C(jī)制［14］。因此，本節(jié)將重點(diǎn)討論風(fēng)應(yīng)力和海洋環(huán)流對(duì)青島冷水團(tuán)消亡過(guò)程的影響。

由圖3可見(jiàn)，南黃海的風(fēng)應(yīng)力存在著顯著的季節(jié)變化。其中，冬季盛行偏北風(fēng)（圖略），而夏季則盛行偏南風(fēng)（圖中僅給出7月的風(fēng)場(chǎng)）；春季（4-6月）是冬季風(fēng)向夏季風(fēng)過(guò)渡的季節(jié)，其間南黃海的風(fēng)應(yīng)力以反氣旋為主，而且反氣旋中心位置存在著很大的時(shí)空變化。4月，反氣旋中心位于南黃海西部（35.5°N，123.0°E）（圖3a），因此使得該海域的表層出現(xiàn)了一反氣旋渦（圖4a1），特別在25 m層，反氣旋渦的分布范圍較表層有所增大，且略呈東北-西南向分布（圖4a2），這對(duì)青島冷水團(tuán)的維持和發(fā)展是極為有利的。5月，由于風(fēng)應(yīng)力反氣旋中心已東移至南黃海東部（25°N，125°E），因而南黃海西部基本被較強(qiáng)的東南風(fēng)所控制（圖3b），與之相伴的是，在南黃海西部的表層出現(xiàn)了較強(qiáng)的偏北向流，反氣旋渦位置隨之東移（圖4b1），但在溫躍層的屏障作用下，25 m層的反氣旋渦仍較強(qiáng)（圖4b2），于是青島冷水團(tuán)達(dá)至其盛期（圖2b）。到了6月，風(fēng)應(yīng)力反氣旋中心已移至海域的東北角（37°N，125.5°E），因而整個(gè)研究海域基本被較強(qiáng)的偏南風(fēng)所控制（圖3c），這使得南黃海偏北向的表層流繼續(xù)增強(qiáng)，而反氣旋渦則隨之消失（圖4c1），但在溫躍層的阻擋下，南黃海西部25 m層的北向流較弱，而海域中部的南向流則仍較強(qiáng)，即反氣旋渦已明顯減弱（圖4c2）。這樣的環(huán)流結(jié)構(gòu)對(duì)黃海冷水團(tuán)的發(fā)展極為有利，但對(duì)青島冷水團(tuán)卻有阻礙作用，因而它開(kāi)始減弱（圖2c）。進(jìn)入夏季（7月），強(qiáng)勁的偏南風(fēng)（圖3d）導(dǎo)致了南黃海出現(xiàn)很強(qiáng)的北向表層流（圖4d1），但春季出現(xiàn)在25 m層的反氣旋渦已不復(fù)存在，而被較強(qiáng)的西南向流所取代（圖4d2），這加速了黃海冷水團(tuán)的南擴(kuò)和西伸，因而使得青島冷水團(tuán)被融入到該水團(tuán)中而消失（圖2d）。由此可見(jiàn)，6-7月間南黃海偏南風(fēng)的增強(qiáng)和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團(tuán)消亡的主要?jiǎng)恿C(jī)制。

圖3　4-7月間的南黃海海面風(fēng)場(chǎng)Fig.3 Sea surface wind fields in the South Yellow Sea during April to July

4.2熱力機(jī)制

南黃海屬于陸架淺海，其暖半年的上層熱狀況受太陽(yáng)輻射的影響極大。由圖5可見(jiàn)，春季該海域獲得的熱量由4月的100～120 W/m2猛增到6月的160 W/m2（圖5a-c），而在夏季（7月），南黃海的凈熱通量大都在160～170 W/m2之間（圖5d）。如此多的凈熱通量使得南黃海表層的海水迅速增暖，這可從水團(tuán)內(nèi)部表層水溫的變化特征得到佐證。在4-7月間，青島冷水團(tuán)中心處的表層水溫分別為7.50℃、12.88℃、18.76℃和23.38℃。在垂向混合的作用下，表層的熱量不斷地向下輸送，因而使得深層的水溫逐漸升高，特別在近岸海域尤其如此。在水團(tuán)西側(cè)的近岸海域（35.5°N，121.0°E），25 m層的水溫由4月的6.36℃猛增到7月的11.35℃。另一方面，由于黃海冷水團(tuán)區(qū)的水溫高于青島冷水團(tuán)（圖2），而且6-7月間在25 m層一直盛行西南向流（圖4b3、b4），這既有利于黃海冷水團(tuán)的南擴(kuò)和西伸，同時(shí)又能將部分熱量平流到青島冷水團(tuán)附近，因而使得該水團(tuán)變暖、減弱，最終融入到黃海冷水團(tuán)中而消亡。由此可以認(rèn)為，局地海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入是青島冷水團(tuán)消亡的熱力機(jī)制。

綜上所述可知，6-7月間南黃海偏南風(fēng)的增強(qiáng)和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團(tuán)消亡的動(dòng)力機(jī)制，而海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入則是青島冷水團(tuán)消亡的熱力機(jī)制。

5　結(jié)論

本文基于多年月平均水溫資料，分析了青島冷水團(tuán)的長(zhǎng)消過(guò)程，并利用氣候態(tài)月平均大氣數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，探討了青島冷水團(tuán)的消亡機(jī)理，得到的結(jié)論主要如下。

圖4　4-7月間表層和25 m層的模擬流場(chǎng)Fig.4 The simulated flow fields at sea surface and 25 m depth during April to July

（1）青島冷水團(tuán)3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失，這與Zhang等［8］的天氣學(xué)分析結(jié)果相近，但與于非等［10—11］的氣候?qū)W分析結(jié)果卻有所不同，這可能與所用的資料不同有關(guān)。

圖5　4-7月間的南黃海海面凈熱通量分布Fig.5 Sea surface heat flux fields in the South Yellow Sea during April to July

（2）南黃海6-7月間偏南風(fēng)的增強(qiáng)和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團(tuán)消亡的動(dòng)力機(jī)制，而海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入則是青島冷水團(tuán)消亡的熱力機(jī)制。

致謝：本文使用了由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和美國(guó)國(guó)家海洋資料中心提供的海溫資料及美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（N O A A）研發(fā)的月平均風(fēng)場(chǎng)和海面凈熱通量數(shù)據(jù)，在此謹(jǐn)致謝忱！

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Zhang Qilong，Liu Zhiliang，Qi Jifeng，et al.Study on the extinction mechanism for Qingdao cold water mass［J］.Haiyang Xuebao，2016，38（5）：27-33，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.003

Study on the extinction mechanism for Qingdao cold water mass

Zhang Qilong1，Liu Zhiliang1，Qi Jifeng1，Yang Dezhou1，Zheng Dongmei2
（1.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；2.Marine Environmental Forecasting and Disaster Preventing and Reeducating Center of Liaoning Province，Shenyang 110001，China）

Abstract：In this work，the growing and vanishing processes ofthe Qingdao Cold W ater M ass（Q C W M）were studied based on monthly mean climatological sea temperature data in the South Yellow Sea.And then，the extinction mechanism for Q C W M was also examined using the meteorological data and the nu mericalsimulation resultsin this study area.The results showed thatthe Q C W M appearsin M arch，has stable pattern in April，is biggestin its area in M ay，becomes smallin its areain June and vanishesin July.During June to July，the strengthening of southerly winds and weakening of the anticyclonic eddy below the thermocline are the dynamic mechanism for the Q CW M extinction，while the downward transfer of sea surface solar radiation and horizontal heat input are the thermodynamic mechanism of the Q C W M extinction.

Key words：South Yellow Sea；Qingdao Cold W ater M ass；growing and vanishing processes；extinction mechanism

作者簡(jiǎn)介：張啟龍（1954—），男，山東省昌邑市人，研究員，從事海洋環(huán)流和海氣相互作用研究。E-mail：qlzhang＠qdio.ac.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41276026）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)（X D A11020301）。

收稿日期：2015-09-17；

修訂日期：2015-12-20。

中圖分類號(hào)：P731.16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193（2016）05-0027-07