朱科瀾,陳希,毛科峰,王彥磊,張芳苒,白志鵬,姚小海
(1.中國人民解放軍61741 部隊,北京 100081;2.國防科技大學 氣象海洋學院,江蘇 南京 211101)
亞北極鋒(The Subarctic Front,下文簡稱SAF)(Sugimoto et al,2014;Kitano,1975;Uda,1963;Roden et al,1988) 是黑潮延伸體北支(KFNB)與親潮(OY)交匯形成的鋒面,是西北太平洋永久存在的熱鹽結構(Yuan et al,1996),主要表現(xiàn)為位于40°N附近的強海表面溫度(SST) 梯度(Sugimoto et al,2014)。Sugimoto 等(2014)發(fā)現(xiàn)SAF 長期存在東、西兩個鋒面,將位于146°F-152°F,162°F-171°F 之間的SAF 分別定義為西-亞北極鋒(Western Subarctic Front,WSAF)和東-亞北極鋒(Fastern Subarctic Front,F(xiàn)SAF)。
SAF 影響著周邊海域乃至西北太平洋水體性質(zhì),其使南向的親潮流在40°N處轉(zhuǎn)向為東向流(Reid,1973),并在鋒區(qū)附近形成了廣泛分布于西北太平洋的北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water, NPIW) (Hasunuma, 1978;Masujima et al,2009)。此外,SAF 強度與位置的季節(jié)變化對該海域的海洋動力環(huán)境和海氣相互作用還有重要影響。Nakamura 等(1997;2003)的研究表明,SAF 區(qū)域的SST 異常變化較大,以10 年周期為主,低頻的SST 變化與SAF 南北移動有關(Nakamura et al,2003;Frankignoul et al,2012);Frankignoul 等(2012)研究發(fā)現(xiàn),SAF 南北移動的周期主要為10 年的時間尺度,并指出這是由于海盆尺度的海面風變化調(diào)整了海洋動力機制所致。
圖1 西北太平洋35 年平均SST 梯度分布
近年來,利用新資料的SAF 氣候特征研究較少,基于此,本文選用1982-2016 年連續(xù)OISST(Optimum Interpolation Sea Surface Temperature,AVHRR-only product) (Reynolds et al,2007) 資料計算西北太平洋SST 梯度分布,分析SAF 氣候特征。結果表明,SAF 位于143°F-172°F,38°N-44°N之間,從157°F 處分為東西兩部分,西部鋒區(qū)明顯強于東部鋒區(qū),且南北跨度更大(圖1)。
對于不同季節(jié),SAF 春夏秋冬四季均存在東、西兩支鋒區(qū)(圖2),且差異較顯著:冬季SAF 強度顯著高于其他季節(jié),緯度跨度最小,分布位置最偏南,經(jīng)度跨度大;夏季SAF 強度在四個季節(jié)中最弱,緯度跨度最大,分布位置最偏北,經(jīng)度跨度較?。淮?、秋兩季SAF 強度相當,低于冬季,顯著高于夏季。
SAF 海區(qū)穩(wěn)定存在著WSAF 和FSAF,WSAF強度顯著高于FSAF,延伸范圍更廣;同時,WSAF 位于黑潮-親潮交匯區(qū)(The Kuroshio-Oy ashio Confluence Region, KOCR) (Mitsudera et al,2004;Sugimoto et al,2014)鄰近海域,該海區(qū)海氣相互作用強,對氣候調(diào)節(jié)意義重大,并且與北太平洋中層水的形成密切相關;此外,WSAF 及鄰近海區(qū)位于日本以東,了解該海區(qū)的水文環(huán)境特征具有重要的戰(zhàn)略意義,因此,研究WSAF 及鄰近海域意義重大。
目前,國內(nèi)外關于WSAF 強度與位置的季節(jié)變化的研究還相對較少,海洋遙感資料數(shù)量的增加和分辨率的提高,為開展這方面的研究提供了條件。為此,本文開展了不同季節(jié)的WSAF 強度與位置的變化特征分析,初步探討不同季節(jié)WSAF強度與KOCR 水體性質(zhì)的關系以及不同季節(jié)WSAF強度年際變化與KOCR 內(nèi)海溫的關系。
本文選用連續(xù)35 年(1982-2016 年) OISST 日平均資料,時間分辨率為1 天,水平空間分辨率為0.25°),采用梯度法(Yuan et al,1996;Moore et al,1997;劉傳玉等,2009)獲取鋒面的位置與強度,溫度梯度計算公式如下:
式中,GMT為溫度梯度,T 為海水溫度。采用梯度法直接計算的梯度值易受數(shù)據(jù)精度和誤差的影響,為突出大尺度SAF 變化特征,這里分別對緯向和經(jīng)向的溫度數(shù)據(jù)采用50 km、100 km 尺度的平滑以去除中小尺度過程的影響。
圖2 西北太平洋季節(jié)平均SST 梯度分布
為了表征WSAF 強度與位置的變化特征,WSAF特征強度采用Sugimoto 等(2014) 提出的方法,將37°N-45°N,146°F-152°F 之間的最大水平溫度梯度作為WSAF 強度值。對于WSAF 平均位置的確定,Sugimoto 等人將最大水平溫度梯度所在的緯度作為WSAF 的平均位置。但考慮到WSAF 自西向東鋒面逐漸北移,直接選取最大水平溫度梯度作為WSAF 的平均位置并不能較好地描述WSAF 的實際分布,我們在平均位置選取方法上進行了改進:先獲取37°N-45°N,146°F-152°F 范圍內(nèi)每個經(jīng)度對應的最大水平溫度梯度值的緯度,然后將得到的緯度值平均后作為WSAF 的平均位置,這樣選取的WSAF 平均位置更能凸顯不同季節(jié)WSAF的分布特征。
基于35 年不同季節(jié)WSAF 強度數(shù)據(jù),分析各季節(jié)WSAF 強度年變化特征,結果表明,WSAF 冬季強度最大、春秋次之,夏季最小,春夏秋冬平均強度分別為0.042、0.029、0.041、0.047 ℃/km(圖3a);同時,WSAF 各季節(jié)35 年最大強度與最小強度之差依次為0.031、0.02、0.027、0.036 ℃/km,也表現(xiàn)出冬季最大,春秋次之,夏季最小的特征。
從時間上看,1982—2016 年,WSAF 強度逐漸升高(圖3a、3c),其在2005—2007 年增幅最大,約0.015°C/km,使2007 年后的鋒強度顯著高于之前的年份(圖3a、3c)。不同季節(jié)WSAF 強度分別在2016(春)、2015(夏)、2016(秋)、2015(冬) 年達到了最大值,分別為0.065、0.043、0.058、0.069°C/km;春夏秋冬WSAF 強度分別在2003、1993、1993、1991 年最小,分別為0.034、0.023、0.031、0.033°C/km,詳細可見表1。
從空間上看,146°F-152°F,各季節(jié)WSAF 強度先增加后減小,最大鋒面強度出現(xiàn)在149°F 附近(圖3b、3d)。不同季節(jié)WSAF 強度經(jīng)向分布表明(圖3b),各季節(jié)最大強度值分別位于149.2°F、149.3°F、149.2°F 和148.7°F 處。
為深入分析35 年不同季節(jié)WSAF 強度變化規(guī)律,通過最大熵譜法分析了各季節(jié)35 年WSAF 強度變化周期,各季節(jié)強度變化周期表明(圖4a),春季W(wǎng)SAF 強度變化以12 年周期為主,夏季以3、7 年周期為主,秋季以準9 年周期為主,冬季以8年周期為主(表1)。
圖3 WSAF 強度季節(jié)變化(a)與不同季節(jié)WSAF 強度空間分布(緯向) (b)WSAF 強度月變化(c)與不同月WSAF 強度空間分布(緯向) (d)
表1 1982-2016 年不同季節(jié)WSAF 強度與變化周期
基于35 年不同季節(jié)WSAF 平均緯度數(shù)據(jù),分析各季節(jié)WSAF 平均位置年變化特征,結果表明,WSAF 夏季在四季中分布最偏北,春、秋季次之,冬季最偏南,WSAF 四季35 年平均分布緯度分別為40.7°N、41.5°N、40.6°N、40.3°N(圖5a);同時,WSAF 各季節(jié)35 年最高緯度與最低緯度之差依次為2.2、3.2、1.8、0.6°,也表現(xiàn)出夏季最大,春秋次之,冬季最小的特征。
從時間上看,1982—2016 年,WSAF 位置緩慢南移(圖5a、5c),年平均緯度由40.3°N降至40°N,其在1992—1995 年的減幅最大,約0.5°N(圖5a、5c)。春夏秋冬WSAF 分別在2000、1992、1989、1997 年分布最偏北,各季節(jié)對應的最高緯度分別為41.9°N、43.3°N、41.6°N、41.2°N;春夏秋冬WSAF 分別在2011、1995、2003、1997 分布最偏南,各季節(jié)對應的最低緯度分別為39.7°N、40.1°N、39.8°N、39.6°N,詳細可見表2。
從空間上來看,146°-152°F,各季節(jié)WSAF分布緯度逐漸北移(圖5b、5d)。不同季節(jié)WSAF平均緯度的經(jīng)向分布表明(圖5b),春夏秋冬WSAF 在146°F 處平均緯度依次位于40.1°N、41.4°N、40.7°N 和39.8°N,隨著經(jīng)度值增加,到152°F 處,春夏秋冬WSAF 平均緯度依次位于41.6°N、42.3°N、41.5°N 和41.3°N 處。
圖4 WSAF 強度(a)與平均位置(b)季節(jié)變化的最大熵譜分析
表2 1982—2016 年不同季節(jié)WSAF 位置分布與變化周期
圖5 WSAF 平均位置(a)季節(jié)變化與不同季節(jié)WSAF 平均位置(b)空間分布(緯向)WSAF 平均位置(c)月變化與不同月WSAF 平均位置(d)空間分布(緯向)
為深入分析35 年不同季節(jié)WSAF 位置變化規(guī)律,通過最大熵譜法分析了各季節(jié)35 年WSAF 平均位置變化周期,各季節(jié)平均位置變化周期表明(圖4b),春季W(wǎng)SAF 平均位置變化以4、8 年周期為主,夏季以4、6、8 年周期為主,秋季以2、5、15 年周期為主,冬季以13、21 年周期為主(表2)。
黑潮延伸體、親潮兩支水團差異明顯,受季節(jié)影響大,WSAF 在強度上有冬強夏弱,分布位置上有冬南夏北的特征,這種變化是由于KOCR 內(nèi)不同季節(jié)水體溫度差異所造成的。對于KOCR 海區(qū)水體性質(zhì)對WSAF 的影響,Sugimoto 等(2014)計算了KOCR(這里特指KOCR 中37°N-40°N,146°F-152°F 的區(qū)域) (Mitsudera et al,2004;Sugimoto et al,2014)內(nèi),WSAF 年平均下強鋒年與弱鋒年的混合率,發(fā)現(xiàn)在強鋒年交匯區(qū)內(nèi)水體性質(zhì)更接近于黑潮延伸體,弱鋒年交匯區(qū)內(nèi)黑潮延伸體特性不顯著。
不同季節(jié)WSAF 強度與KOCR 水體性質(zhì)的關系目前還沒有研究成果,為分析這種關系,本文通過計算不同季節(jié)的黑潮-親潮混合率(下文簡稱混合率) (Kono,1998;Shimizu et al,2001),并以70%混合率等值線為例(Sugimoto et al,2014)進行研究,混合率計算公式為:
圖6 WSAF 周邊海域年平均海面黑潮混合率(顏色圖)分布
式中,rθ為溫度混合率,rθ數(shù)值越高,表明KOCR內(nèi)水體性質(zhì)越接近黑潮延伸體特性,反之,水體性質(zhì)越接近親潮;θ 為研究海區(qū)的海表面溫度,θk為海面黑潮水溫度,通過對141°F-141.5°F,34.5°N-35°N海區(qū)溫度平均得到,海面親潮水溫度θo通過對147.5°F-148°F,43°N-43.5°N 海區(qū)溫度平均得到(Sugimoto et al,2014)。
不同季節(jié)混合率計算結果表明,春夏秋冬KOCR 內(nèi)平均混合率分別為63%、71%、65%和55%;70%混合率等值線分別位于37.5°N、38.5°N、37.6°N 和37°N 附近(圖6)。在WSAF 強度弱,平均位置偏北的夏季,KOCR 內(nèi)平均混合率高,交匯區(qū)內(nèi)水體性質(zhì)接近于黑潮延伸體;而在WSAF 強度高,平均位置偏南的冬季,交匯區(qū)內(nèi)平均混合率偏低,親潮水在KOCR 內(nèi)所占比例顯著提高。
混合率變化直觀反映了KOCR 水體性質(zhì)變化。在冬季,KOCR 鄰近海溫較低,溫度均一的親潮冷水舌向南入侵十分明顯,而黑潮延伸體主軸(15°C等溫線) (Kawai,1972) 南移至37°N 附近(圖2a),冷暖水強烈對峙使38°N-43°N之間的梯度異常大,在親潮冷水舌的外沿形成了較強的WSAF。夏季,海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑的變化使42°N以南水體基本都高于15°C,體現(xiàn)出強烈的黑潮延伸體性質(zhì);親潮冷水舌受太陽輻射以及黑潮延伸體影響,增溫顯著(圖2),溫度梯度減小,并被向西壓縮至日本沿岸一側(cè),導致了夏季W(wǎng)SAF強度弱,分布較偏北偏西的特征。
此外,黑潮延伸體脫落的渦旋或許也是改變KOCR 及鄰近海域水體性質(zhì)的重要因素。多個研究表明,渦旋攜帶黑潮水進入KOCR (Itoh et al,2010),從而影響KOCR 的水體性質(zhì),這些渦旋主要由黑潮延伸體路徑不穩(wěn)定性(Sugimoto et al,2011;Qiu et al,2010;Xu et al,2011) 所產(chǎn)生。夏季是黑潮延伸體海區(qū)渦旋活動最強的季節(jié)(胡冬臣等,2018),反氣旋渦源源不斷地將暖水攜帶至北側(cè)(張笑等,2013)的KOCR 中,致使該海區(qū)迅速增溫并進一步侵蝕親潮水團,稀釋冷水,減弱了WSAF 強度。
因此,海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑變化以及黑潮延伸體渦旋等的作用改變了KOCR 海區(qū)水體性質(zhì),使海溫分布發(fā)生較大改變,最終導致了不同季節(jié)WSAF 強度、位置的變化,直觀表現(xiàn)為:KOCR 內(nèi)水體性質(zhì)接近黑潮延伸體時,WSAF 強度小,鋒面分布偏北;KOCR 內(nèi)親潮水所占比例增加,交匯區(qū)內(nèi)黑潮延伸體特性不顯著時,WSAF 強度大,鋒面分布位置偏南。
WSAF 強度季節(jié)變化與KOCR 內(nèi)海溫密不可分,但不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強度年際變化與KOCR內(nèi)海溫關系尚不明確。為了解是否與WSAF 強度季節(jié)變化有類似特征,將KOCR 內(nèi)春、夏、秋、冬季SST 進行FOF 分解,選取最能反映各季節(jié)海溫變化的第一模態(tài)時間系數(shù)(圖7,均通過North顯著性檢驗) (North et al,1982),并以之計算與各季節(jié)WSAF 強度的相關系數(shù)(表3),結果表明,各季節(jié)內(nèi)WSAF 年際變化與KOCR 內(nèi)海溫相關性并不顯著,除冬季外,其他三個季節(jié)都呈負相關關系,直接表現(xiàn)為:春、夏、秋三個季節(jié),隨著KOCR 內(nèi)海溫升高,WSAF 強度減弱,而冬季W(wǎng)SAF 強度隨之升高而增強。該結果反映出不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強度年際變化與WSAF 強度季節(jié)變化特征差異顯著。
此外,各季節(jié)方差貢獻率同第一模態(tài)時間系數(shù)與WSAF 強度的相關系數(shù)以及變化周期還存在某種關聯(lián),根據(jù)表3,方差貢獻率最高的夏季,海溫變化與WSAF 強度呈相對顯著的負相關性;對于其他季節(jié),隨著方差貢獻率的降低,海溫變化與WSAF 強度的負相關性減弱,方差貢獻率最低的冬季,相關性變?yōu)?8%;關于海溫變化周期,僅冬季與WSAF 強度周期較一致。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與各季節(jié)第一模態(tài)方差貢獻率有關,方差貢獻率越大,越能反映海溫的真實變化,且引起變化的因素越單一,反之,引起海溫變化的因素越復雜。更深層次的原因可作為以后研究的重點方向。
表3 1982-2016 年不同季節(jié)KOCR 內(nèi)SST EOF 分析第一模態(tài)時間系數(shù)部分信息
總之,各季節(jié)內(nèi)WSAF 年際變化與KOCR 內(nèi)海溫相關性不顯著,不同季節(jié)特征區(qū)別明顯,不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強度年際變化與WSAF 強度季節(jié)變化特征差異顯著。
圖7 KOCR 內(nèi)SST EOF 分析第一模態(tài)時間系數(shù)
本文基于OISST 資料,采用梯度法分析了WSAF 強度與位置的季節(jié)及年際變化特征,計算了黑潮-親潮混合率,探討了WSAF 強度變化與KOCR 內(nèi)水體性質(zhì)的關系,并利用FOF 分析探尋了WSAF 強度年際變化與KOCR 內(nèi)海溫的關系,得到以下結論:
(1) WSAF 位于146°F-152°F,37°N-45°N,冬季W(wǎng)SAF 強度、強度變化最大,平均位置最靠南、位置變化最??;夏季W(wǎng)SAF 強度、強度變化最小,平均位置最靠北、位置變化最大;在時間上,1982-2016 年,WSAF 強度逐漸增強,WSAF平均分布位置逐漸緩慢南移;在空間上,各季節(jié)WSAF 強度最大值位于149°F 附近,WSAF 平均位置自西向東不斷北移。
(2)根據(jù)混合率的計算結果,KOCR 內(nèi)水體性質(zhì)接質(zhì)接近黑潮延伸體時,WSAF 強度小,鋒面分布偏北;KOCR 內(nèi)親潮水所占比例增加,交匯區(qū)內(nèi)黑潮延伸體特性不顯著時,WSAF 強度大,鋒面分布位置偏南;不同季節(jié)水體性質(zhì)改變的主要原因是海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑變化以及黑潮延伸體渦旋等的作用。不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強度年際變化與WSAF 強度季節(jié)變化特征差異顯著,各季節(jié)內(nèi)WSAF 年際變化與KOCR 內(nèi)海溫相關性不顯著,春、夏、秋季,隨著KOCR 內(nèi)海溫升高,WSAF 強度減弱,而冬季W(wǎng)SAF 強度隨KOCR 內(nèi)海溫升高而增強。