劉建斌,張永剛

(1. 海軍航空兵 膠州場站， 山東 青島 266300； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧 大連 116018)

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丹麥海峽海洋鋒時(shí)空變化特征研究

劉建斌1,張永剛2

(1. 海軍航空兵 膠州場站， 山東 青島 266300； 2. 海軍大連艦艇學(xué)院， 遼寧 大連 116018)

摘要:丹麥海峽海洋鋒可為局地氣候變化、海峽魚類分布以及海峽中尺度渦等方面研究提供參考，在軍事領(lǐng)域也具有較高應(yīng)用價(jià)值。然而目前國內(nèi)外缺乏對于丹麥海峽鋒的系統(tǒng)研究。本文利用WOA13數(shù)據(jù)，對丹麥海峽鋒位置、強(qiáng)度空間分布以及相應(yīng)的季節(jié)變化進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，鋒軸線位置在34°W以西150 m以淺相對穩(wěn)定，34°W以東鋒軸線隨深度和季節(jié)均有擺動(dòng)。鋒強(qiáng)度在水平和垂直方向分布不均勻，水平方向上鋒軸線最大值與最小值差值一般在3倍以上。垂直方向鹽度鋒主要集中在100 m以淺，且強(qiáng)度隨深度不斷減??；溫度鋒強(qiáng)度最大值在表層以下且在300 m以深隨深度增加鋒強(qiáng)度減小，但有一些區(qū)域如27°W和28°W附近，受到海底地形的影響溫度鋒強(qiáng)度隨著深度的變化有大幅度增加的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:丹麥海峽鋒；鋒軸線；時(shí)空變化特征；WOA13

0引言

丹麥海峽處于格陵蘭島與冰島之間，是大西洋中連接北冰洋的西部通道。低溫、低鹽的東格陵蘭寒流與北大西洋暖流在丹麥海峽相匯形成強(qiáng)度較大的溫、鹽鋒面[1]，稱作丹麥海峽海洋鋒(簡稱丹麥海峽鋒)。由于丹麥海峽鋒是由冷暖水團(tuán)交匯形成，鋒面附近海溫梯度值較大，海表面溫度之間的熱量交換差異會(huì)對附近氣候產(chǎn)生重要影響[2]。丹麥海峽鋒與丹麥海峽魚類分布[3]、丹麥海峽中尺度渦形成[4]等關(guān)系密切。因此，研究丹麥海峽鋒有較高的海洋氣象學(xué)、海洋動(dòng)力學(xué)以及海洋漁業(yè)學(xué)價(jià)值。除此之外，海峽鋒對于水下聲音傳播影響作用不可忽略，如鋒區(qū)水平方向上的劇烈變化會(huì)引起聲線的折射[5]，菅永軍 等[6]利用二維PE模型通過對黑潮鋒區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為有無鋒區(qū)的聲傳播損失差別最大能達(dá)20 dB，這些因素都會(huì)對潛艇及水面艦艇的活動(dòng)產(chǎn)生影響。丹麥海峽靠近北極圈附近，戰(zhàn)略地位重要，因此對其海峽鋒的研究還有很高的軍事價(jià)值。

然而，目前國內(nèi)尚無對于丹麥海峽鋒的相關(guān)研究，國外針對丹麥海峽鋒的系統(tǒng)研究也相對較少。因此，本文利用WOA13數(shù)據(jù)對丹麥海峽溫、鹽鋒鋒面空間位置、強(qiáng)度分布以及相應(yīng)的季節(jié)變化特征進(jìn)行研究。旨在為鋒區(qū)水下聲傳播分析提供參考，為丹麥海峽鋒研究以及丹麥海峽鋒與其它領(lǐng)域之間的交叉研究提供基礎(chǔ)。

1數(shù)據(jù)與鋒面分析方法

1.1數(shù)據(jù)介紹

WOA13(World Ocean AtlaS 2013)是來自NOAA的國家海洋數(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)平均和月平均數(shù)據(jù)，是多種數(shù)據(jù)集的整合產(chǎn)品，包含多種實(shí)測數(shù)據(jù)，空間分辨率有5°、1°和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[7]。區(qū)別于衛(wèi)星數(shù)據(jù)只能研究表面海洋鋒，以及實(shí)測數(shù)據(jù)不能對海域進(jìn)行全覆蓋的缺點(diǎn)，WOA13數(shù)據(jù)可以對海洋鋒三維結(jié)構(gòu)、鋒強(qiáng)度變化特征以及時(shí)間變化特征等進(jìn)行分析。

本文選用1955-2012年季節(jié)平均0.25°網(wǎng)格溫度、鹽度數(shù)據(jù)分析丹麥海峽鋒。需要說明的是WOA13數(shù)據(jù)雖然是平均格點(diǎn)化插值數(shù)據(jù)，在表現(xiàn)海洋鋒強(qiáng)度上比實(shí)際值要低，因此本文出現(xiàn)的強(qiáng)度一般都比實(shí)際值小，但是WOA13數(shù)據(jù)在表現(xiàn)鋒區(qū)，特別是鋒軸線上位置、強(qiáng)度的變化特點(diǎn)上具有較好的效果，可以分析強(qiáng)度隨空間的分布特點(diǎn)，隨季節(jié)的變化規(guī)律等。

1.2鋒面分析方法

海洋鋒表現(xiàn)在圖像上具有弱邊緣性的特點(diǎn)，以往對于海洋鋒的提取多采取圖像邊緣處理的方法，如基于Candy和數(shù)學(xué)形態(tài)的方法[8]以及基于小波分析的鋒提取方法[9]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，對于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并不實(shí)用。DONG et al[10]在研究南極極地鋒時(shí)采用絕對梯度經(jīng)線最大值連線的方法確定鋒軸線并取得了很好的效果。因此本文參考上述方法對鋒面進(jìn)行提取分析，其中絕對梯度的定義為：

(1)

式中：X為分析的海水物理參數(shù)：溫度和鹽度；x和y分別表示網(wǎng)格數(shù)據(jù)代表的緯線方向距離和經(jīng)線方向距離。

海洋鋒區(qū)水團(tuán)在廣闊海洋中可以看作是一個(gè)由經(jīng)度、緯度和深度決定的三維鋒面，而且隨著時(shí)間變化不斷發(fā)生形變。直接對鋒面進(jìn)行研究比較困難，也很難清晰描述鋒面的空間變化?？衫娩h軸線表示鋒面與水平面的交線，以此來研究鋒面空間變化，并用鋒軸線強(qiáng)度作為鋒面強(qiáng)度變化的參考。因此，本文對每層水深處鋒軸線依次進(jìn)行提取，從水平方向和垂直方向?qū)︿h軸線位置和強(qiáng)度變化特征進(jìn)行分析。

在對丹麥海峽鋒進(jìn)行鋒軸線提取時(shí)，首先計(jì)算鋒區(qū)每條經(jīng)線(間隔1/4經(jīng)度)最大值，然后將鋒區(qū)經(jīng)線最大值依次連線得到鋒區(qū)鋒軸線，也即鋒軸線的選取是依據(jù)其強(qiáng)度而不是空間位置。由于丹麥海峽鋒可看作是北部冷水團(tuán)向南侵入的過渡區(qū)域，為了使鋒軸線能表現(xiàn)冷水團(tuán)向南作用的范圍，若在相同經(jīng)度下對應(yīng)多個(gè)極大值點(diǎn)，則取最南端的點(diǎn)作為鋒軸線上的點(diǎn)，由此得到了較為清晰的鋒線位置。在強(qiáng)度表示方面國內(nèi)外還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在丹麥海峽內(nèi)兩個(gè)相鄰網(wǎng)格點(diǎn)的實(shí)際距離約為13 n mile，因此選作強(qiáng)度的距離標(biāo)準(zhǔn)。

2結(jié)果和討論

丹麥海峽處于東格陵蘭島海流與大西洋暖流交匯處，低溫低鹽水團(tuán)與高溫高鹽水團(tuán)的交匯使丹麥海峽附近溫度、鹽度梯度增大，形成明顯的海洋鋒現(xiàn)象，這一區(qū)域等溫線和等鹽度線密集。依次作出從表層至水深700 m(100 m內(nèi)間隔5 m，100 m以深間隔25 m)每層等溫線和等鹽度線分布圖，圖1和圖2為15 m水深各季節(jié)的等溫線和等鹽線。

從圖中可以看出丹麥海峽鋒在34°W以東，鋒軸線大致與緯線平行；34°W以西，其鋒區(qū)大致沿東格陵蘭島海岸分布；且在63°N以南，鋒區(qū)只于4—12月存在。本文主要針對63°N以北丹麥海峽鋒進(jìn)行研究。

2.1丹麥海峽溫度鋒

利用絕對梯度表示鋒區(qū)強(qiáng)度，依次將經(jīng)線絕對梯度最大值進(jìn)行連線，代表鋒區(qū)溫、鹽鋒軸線。本文依次提取表層至700 m水深內(nèi)各層鋒區(qū)溫度鋒軸線，圖3為以15 m水深為例的四季鋒軸線分布圖。由圖可知，整體上鋒軸線擺動(dòng)并不強(qiáng)烈，有些區(qū)域季節(jié)之間差別不大，如37°W～34°W附近鋒軸線； 34°W以東鋒軸線大致在66°N附近擺動(dòng)。

圖1　15 m水深處等溫線分布Fig.1　The distribution of isotherm at the depth of 15 m

圖2　15 m水深等鹽度線Fig.2　The distribution of isohaline at the depth of 15 m

圖3　15 m水深處溫度鋒軸線位置分布Fig.3　The distribution of temperature front axis at the depth of 15 m

為了探究水平溫度鋒軸線隨深度的變化特點(diǎn)，依次作出15、50、100、150以及250 m水深四季鋒軸線，如圖4所示。對比各個(gè)季節(jié)鋒軸線垂向變化特點(diǎn)，可以看出在水深150 m以淺，34°W以西鋒軸線大致沿海岸方向分布，且變化不大；34°W以東鋒軸線隨著深度增加逐漸向北偏移。在150 m以深鋒軸線整體呈現(xiàn)向南移動(dòng)的趨勢，如圖4中250 m溫度鋒軸線分布。

由于每條經(jīng)線上對應(yīng)一處溫度鋒軸線，因此鋒軸線的空間信息可以用經(jīng)度與深度來表示，由此得到不同水深、不同季節(jié)鋒軸線上鋒強(qiáng)度信息。圖5～圖7所示分別為15、30以及150 m處鋒軸線強(qiáng)度分布圖，圖中橫坐標(biāo)表示鋒軸線對應(yīng)的經(jīng)度，縱坐標(biāo)分別表示不同季節(jié)鋒軸線強(qiáng)度。從圖中可以看出，鋒軸線強(qiáng)度在水平方向上分布很不均勻；各條曲線走勢相差較大也說明，不同季節(jié)水平方向分布特征也各不相同。整體看鋒強(qiáng)度較大的鋒區(qū)主要集中在28°W～34°W和39°W～40°W 2個(gè)區(qū)域，季節(jié)之間強(qiáng)度存在較大差別。水平方向上溫度鋒強(qiáng)度差異值較大，如15 m水深4—6月鋒軸線強(qiáng)度最大值為0.87 ℃/13 n mile，其最小值為0.218 ℃/13 n mile,相差近4倍。

圖4　不同季節(jié)溫度鋒軸線垂向變化Fig.4　The temperature front axis distribution varies with depths in different seasons

圖5　15 m水深處四季溫度鋒強(qiáng)度的緯度分布Fig.5　The latitudinal distribution of temperature front strength in four seasons at the depth of 15 m

圖6　30 m水深處四季溫度鋒強(qiáng)度的緯度分布Fig.6　The latitudinal distribution of temperature front strength in four seasons at the depth of 30 m

圖7　150 m水深處四季溫度鋒強(qiáng)度的緯度分布Fig.7　The latitudinal distribution of temperature front strength in four seasons at the depth of 150 m

為了研究溫度鋒強(qiáng)度在垂直方向上的變化特點(diǎn)，以25°W、27°W、28°W、31°W以及39°W處溫度鋒軸線強(qiáng)度為例，對其700 m內(nèi)變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖8所示。從圖中可以看出在水深300 m以淺各區(qū)域鋒軸線強(qiáng)度變化趨勢大致相同，整體呈現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)，增加的幅度較小，但最大強(qiáng)度對應(yīng)的深度值一般在表層以下。300 m以深一些區(qū)域已經(jīng)是海底，但在27°W及28°W附近隨著深度增加強(qiáng)度增加且變化速率較快，如27°W附近在4—6月從水深400 m至550 m，鋒強(qiáng)度從0.5 ℃/13 n mile增加至2.7 ℃/13 n mile。

圖8　溫度鋒強(qiáng)度隨深度的變化Fig.8　The temperature front strength varies with depths

27°W經(jīng)線溫度斷面如圖9所示，南北冷暖水團(tuán)在66°N附近交匯，受到地形因素的影響在400 m以深鋒區(qū)被限制在一段狹窄區(qū)域，溫度梯度增加，鋒強(qiáng)度增大，因此出現(xiàn)如圖8所示的強(qiáng)度迅速增加現(xiàn)象。

圖9　27°W溫度斷面Fig.9　The temperature section at 27°W

2.2丹麥海峽鹽度鋒

與溫度鋒類似，提取出鋒區(qū)鹽度鋒軸線，分析其位置和強(qiáng)度的空間分布以及季節(jié)差異。圖10為以15 m水深為例的鹽度鋒軸線分布。由圖可知，在34°W以西鹽度鋒軸線季節(jié)擺動(dòng)并不強(qiáng)烈，這點(diǎn)與溫度鋒類似；不同的是在34°W以東鋒軸線季節(jié)擺動(dòng)比較強(qiáng)烈，擺動(dòng)幅度在1～2個(gè)緯度左右。如圖11所示，鹽度鋒軸線位置隨深度變化南北擺動(dòng)，150 m以淺隨著深度增加鹽度鋒軸線位置大致呈逐漸北移的過程。

圖10　15 m水深處鹽度鋒軸線位置分布Fig.10　The distribution of salinity front axis at the depth of 15 m

整體來看，鹽度鋒軸線上強(qiáng)度水平分布同樣有東西分布不均勻的特點(diǎn)，而且季節(jié)分布特征1—3月與10—12月相似，4—6月與7—9月相似。其中在1—3月與10—12月期間，鹽度鋒強(qiáng)度較大的區(qū)域在31°W附近；在4—6月與7—9月鹽度鋒軸線強(qiáng)度較大區(qū)域在38°W附近(圖12)。

圖11　不同季節(jié)鋒軸線的垂向變化Fig.11　The salinity front axis distribution varies with depths in different seasons

圖12　15 m水深處四季鹽度鋒強(qiáng)度的緯度分布Fig.12　The latitudinal distribution of salinity front strength in four seasons at the depth of 15 m

鹽度鋒強(qiáng)度隨深度不斷減小，且鹽度鋒強(qiáng)度較大的水深主要集中在100 m以淺，表層鋒軸線強(qiáng)度最大；100 m以深，在一些區(qū)域如27°W鹽度鋒值隨深度增大雖然略有提升但幅度不大(圖13)。

圖13　鹽度鋒強(qiáng)度隨深度的變化Fig.13　The salinity front strength varies with depths

3結(jié)論

本文利用WOA13季節(jié)平均數(shù)據(jù),采用絕對梯度表現(xiàn)鋒強(qiáng)度，利用經(jīng)線最大值連線表示鋒軸線，對鋒區(qū)鋒軸線位置及強(qiáng)度分布特征進(jìn)行了描述，并分析了其相應(yīng)的季節(jié)變化，主要有如下結(jié)論：

(1)34°W以西溫、鹽鋒軸線與東格陵蘭島海岸線平行且季節(jié)之間的擺動(dòng)不明顯；150 m以淺位置相對固定，150 m以深此區(qū)域鋒軸線明顯南移。34°W以東不同季節(jié)溫度鋒軸線大致在66°N附近擺動(dòng)，鹽度鋒軸線季節(jié)之間差異較大；150 m以淺此區(qū)域鋒軸線隨著深度增加鋒軸線逐漸向北移動(dòng)，150 m以深開始逐漸南移。

(2)鋒軸線上鋒強(qiáng)度在水平方向分布不均勻，鋒軸線上最大值與最小值之間差異較大，一般在3～5倍左右。溫度鋒的分布特征各個(gè)季節(jié)間差異較大(鋒強(qiáng)度分布曲線相關(guān)性較低)；鹽度鋒的分布特征1—3月與10—12月相似，4—6月與7—9月相似。

(3)溫度鋒鋒強(qiáng)度在垂直方向變化受到地形因素影響明顯，從表層到300 m左右鋒強(qiáng)度隨水深有先增加后減小的過程，使得鋒強(qiáng)度最大值在表層以下；300 m以深大部分區(qū)域鋒強(qiáng)度逐漸減小，但也有一些區(qū)域由于受到海底地形的影響出現(xiàn)大幅度增加，如27°W和28°W附近。鹽度鋒隨深度增大不斷減小，且鋒強(qiáng)度較大的鋒軸線主要集中在100 m以淺；100 m以深27°W附近也有小幅度增加。

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收稿日期:2015-06-09修回日期:2015-11-24

作者簡介:劉建斌(1991-)，男，山東濰坊市人，主要從事世界大洋中尺度海洋鋒研究。E-mail：ljbliujianbin@126.com

中圖分類號:P731

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-909X(2016)02-0001-10

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.001

Study on the temporal and spatial variational characteristics of Denmark Strait Ocean Front

LIU Jian-bin1, ZHANG Yong-gang2

(1.MeteorologicalObservatoryoftheJiaozhouStation,NavalAirForce,Qingdao266300,China;2.DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

Abstract:Denmark Strait Ocean Front(DSOF) has higher value in oceanographic research, such as provides a reference to the research on local climate change, fish distribution and the mesoscale eddy around the Denmark Strait. In addition, the research of the DSOF also has a higher application value in the military field. However, there has been lack of systematic research domestically and internationally for the DSOF. In this study, using WOA13 data, the location, spatial intensity distribution and the corresponding seasonal variations of the DOSF were analyzed. The results indicate that: the front axis at the west of 34°W is relatively stable above 150 m, whereas it varies with depths as well as seasons at the east of 34°W. The front intensity distribution is not uniform vertically and horizontally, and in general, the difference between maximum and minimum values are as higher as 3 times in the horizontal direction. The vertical salinity front mainly concentrates above 100 meters, and its intensity is decreasing with depth. The maximum value of temperature front intensity locates below the surface, and when the water depth is below 300 meters, it gradually decreases with the increase of water depth, but in some areas, such as at 27°W and 28°W, the front intensity increases quickly because of the affection of the bottom topography.

Key words:Denmark Strait Ocean Front; front axis; temporal and spatial variation;WOA13 database

劉建斌,張永剛.丹麥海峽海洋鋒時(shí)空變化特征研究[J].海洋學(xué)研究,2016,34(2):1-10,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.001.

LIU Jian-bin, ZHANG Yong-gang. Study on the temporal and spatial variational characteristics of Denmark Strait Ocean Front[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(2):1-10, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.001.