楊廷龍,劉 娜,3*,方 越,孔 彬,王穎杰

(1.自然資源部第一海洋研究所 海洋環(huán)境與數(shù)值模擬研究室,山東 青島266061；2.自然資源部 海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室,山東 青島266061；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 區(qū)域海洋動力學與數(shù)值模擬功能實驗室,山東 青島266237；4.中國海洋大學 海洋與大氣學院,山東 青島266100)

海洋鋒是性質不同的兩個水團的分界面,此處的理化性質非常特殊,如溫鹽水平梯度大、海水輻聚、垂直運動強烈、水平流速切變大、常形成急流等[1],可用溫度、鹽度、密度等要素特征量梯度強度來確定。此外,海洋鋒區(qū)對海洋漁業(yè)生產、海洋聲學傳播、海洋環(huán)境保護與海洋傾廢等有著顯著影響[2-4],具有重要的科學研究價值。

海洋鋒一直是國內外學者研究的熱點問題。如:黨振中等[5]用WOA13(1955—2012年)月平均數(shù)據(jù)分析了東海黑潮主軸溫度鋒的季節(jié)變化特征；李威[6]使用溫度斷面觀測數(shù)據(jù)研判了臺灣以東海區(qū)的溫度鋒的存在與分布；張樂英[7]利用再分析資料研究了西北太平洋副熱帶海洋鋒強度和位置變化特征,并討論了海洋鋒形成機制；趙寶宏等[8]利用SODA數(shù)據(jù)研究了南海海洋鋒季節(jié)變化特征；Belkin和Cornillon[9]利用Pathfinder AVHRR 1985—1996年的海溫數(shù)據(jù)研究了太平洋沿岸及其邊緣海的溫度鋒特征；Hickox等[10]利用衛(wèi)星海溫數(shù)據(jù)研究了中國東海海洋鋒的季節(jié)變化特征。

對于日本海的海洋鋒特征,國內學者的現(xiàn)有研究相對薄弱。如方長芳等[11]在研究東北亞海溫鹽度特征時簡略地分析了日本海表面亞極地鋒的季節(jié)變化特征；鄭沛楠等[12]在討論對馬海峽環(huán)流季節(jié)變化時兼顧討論了對馬海峽鹽度鋒的位置及季節(jié)變化特征。國外對日本海溫度鋒的研究相對較多,但主要集中在表面溫度鋒研究方面,如:Isoda等[13]通過用NOAA9紅外圖像分析了溫度鋒的水平結構和季節(jié)變化；Park等[14]使用垂直高分辨率輻射計數(shù)據(jù)研究了表面溫度鋒面的空間分布及季節(jié)性特征。

鑒于采用衛(wèi)星遙感資料研究海洋鋒的局限性和日本海海洋鋒研究的重要意義,本文采用1980—2015年SODA月平均數(shù)據(jù)對日本海溫、鹽鋒鋒面的空間位置、強度分布、出現(xiàn)頻率以及相應的季節(jié)變化特征進行了研究。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文所采用的溫鹽數(shù)據(jù)資料是由美國馬里蘭大學(University of Maryland,UMD)和德州農工大學(Texas A& M University,TAMU)合作開發(fā)的簡單海洋數(shù)據(jù)同化資料SODA-3.3月平均海洋數(shù)據(jù)集。SODA月平均海洋同化數(shù)據(jù)是網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度范圍為0°15′～359°45′E,75°15′S～89°15′N,空間分辨率為30′×30′。該數(shù)據(jù)集包含溫度、鹽度等多種要素。SODA數(shù)據(jù)在垂向上共有50層,能夠藉以實現(xiàn)對海洋鋒的三維結構研究[8]。本文選取的SODA數(shù)據(jù)的時間范圍為1980年1月到2015年12月,空間范圍為125°45′～142°15′E,33°45′～53°15′N,數(shù)據(jù)網(wǎng)格點共1 360個。

1.2 研究方法

海表鋒面容易受到太陽輻射、大氣等天氣尺度過程等因素的干擾,本文主要研究35 m以深的海洋鋒特征。Dong[15]在研究南極鋒時曾采用溫度梯度最大值連線確定溫度鋒的鋒軸線,并取得了很好的效果。同時,適用于斷面觀測數(shù)據(jù)的等值線分析法已被證明不再適用于格點數(shù)據(jù)[16]。因此,本文依據(jù)鋒面處溫度或者鹽度水平梯度最大,利用絕對梯度場來進行鋒面識別及信息提取,從而確定海洋鋒的位置和走向。絕對梯度ΔX的定義為

式中:X為分析的海水物理參數(shù)溫度或者鹽度,x和y分別表示緯線方向距離和經(jīng)線方向距離。在對鋒軸線進行提取時,先計算鋒區(qū)每條經(jīng)線(間隔1/2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。

同時,本文參照Wang等[17]在研究中國南海海洋鋒時采用的方法,用鋒面的出現(xiàn)頻率圖來刻畫鋒面的大體分布位置、變化特征和穩(wěn)定度。鋒點的出現(xiàn)頻率是某個網(wǎng)格點在1980—2015年共36 a內作為有效次數(shù)點的次數(shù)除以其作為鋒點的次數(shù)。本文統(tǒng)計了網(wǎng)格點上鋒面的出現(xiàn)頻率,只給出頻率大于40%的區(qū)域。

考慮到數(shù)據(jù)資料的差異性,根據(jù)前人研究的經(jīng)驗[18-19],在本文中將0.015℃/km作為判定溫度鋒的閾值,將0.002 km-1作為判定鹽度鋒的閾值。

2 日本海溫度鋒、鹽度鋒特征分析

2.1 溫度鋒

2.1.1 溫度鋒月變化

通過計算表層5 m至深層5 395 m處各層的溫度梯度,可知日本海海域溫度鋒主要存在于150 m以淺(圖1)。這和與黑潮分離的對馬暖流占據(jù)著日本海南部上層的150 m有關[12]。

圖1 日本海溫度鋒區(qū)逐月次表層(35 m)溫度梯度Fig.1 Monthly subsurface(35 m)temperature gradient in the Sea of Japan

圖1 是日本海35 m深度逐月溫度梯度分布圖。由圖1可見,溫度鋒呈SW—NE方向分布,從對馬海峽一直延伸到津輕海峽,并且具有連貫性。同時,鋒面分布于日本海流系流經(jīng)的區(qū)域或者邊緣,體現(xiàn)了日本海流系的結構特征[22]。按照鋒面位置和強度,溫度鋒可分為6段。第一段位于對馬海峽及其附近；這是攜帶高溫高鹽水的對馬暖流從對馬海峽進入日本海,并與當?shù)氐睦渌畧F相互作用,形成較大的溫度梯度,從而形成的海洋鋒；該鋒位于對馬島與濟州島之間,全年均存在,由于此鋒位于對馬海峽,本文稱之為對馬海峽鋒。第二段位于朝鮮半島東部海域,貼近半島東岸,6月增強,且一直持續(xù)到10月,11月開始減弱消失,由于此鋒位于東韓暖流處,本文稱之為東韓暖流鋒。第三段是研究海域最為明顯的海洋鋒,位于日本海中部38°～40°N,全年均存在；這是來自北部鄂霍次克海的黎曼寒流沿著俄羅斯沿岸南下,進而演化為朝鮮半島沿岸的北朝鮮寒流,與從對馬海峽進入日本海的東韓暖流相遇,共同向東運動,形成的日本海亞極地鋒[20](Subpolar Front,簡稱SPF)；該鋒與大和山脊北部邊緣走向一致,受地形影響極大[21]。第四段位于日本西海岸；這是對馬暖流的另外一條分支沿著日本近岸一直向北延伸[22],與當?shù)氐睦渌畧F相互作用進而形成的溫度鋒；該鋒在6月初見雛形,在7月加強且一直延續(xù)到9月,從10月開始消失減弱。第五段分布在津輕海峽及其附近,在各月均存在,且強度最大；其形成可能與流進日本海的對馬暖流大部分從津輕海峽流出進入太平洋有關；第六段位于北海道西側海域,由未從津輕海峽流出的對馬暖流分支繼續(xù)北上,與當?shù)剌^冷的水團相互作用形成；該鋒體現(xiàn)出明顯的月變化特征,在6月成型,7月加強,10月達到最強,11月開始逐漸消失減弱,翌年3月完全消失。

逐月溫度鋒強度的統(tǒng)計結果如圖2所示?？梢姕囟蠕h強度在9月最大,鋒區(qū)平均強度為0.040 8℃/km,鋒區(qū)內溫度梯度大于0.015 0℃/km的溫度數(shù)據(jù)點數(shù)最多,達到379個,說明9月鋒區(qū)分布最廣。溫度鋒強度在3月份最小,鋒區(qū)平均強度為0.023 9℃/km,鋒區(qū)內溫度梯度大于0.015 0℃/km的溫度數(shù)據(jù)點數(shù)只有279個,說明3月鋒區(qū)最窄。

圖2 逐月溫度鋒強度統(tǒng)計結果Fig.2 Monthly statistical results of temperature front intensity

2.1.2 溫度鋒季節(jié)特征

對月溫度梯度進行季節(jié)平均可以得到逐季的溫度鋒分布情況,如圖3所示。從圖中可以看出,位于38°～40°N之間的SPF一年四季均存在,且夏、秋季較強,冬、春季較弱；其中夏季鋒分布區(qū)域最廣。在40°N以南海域,溫度鋒分布面積在春、冬季也明顯少于另外兩季。津輕海峽西側的溫度鋒和北海道西邊海域的溫度鋒的季節(jié)特征與SPF一致,夏、秋季明顯強于冬、春季。位于132°E以西的東韓暖流鋒位置的季節(jié)變化最為顯著:在冬季貼近半島東岸,夏季則離岸向外海擴張,鋒區(qū)變大,這是由于東韓暖流的主軸在冬季則出現(xiàn)在近岸處,在夏季位于離岸一側[23]。對馬海峽溫度鋒在夏季較強且分布最廣,在冬季分布范圍較小,這可能與對馬海峽的流量有關,對馬暖流的流量在夏季較大、在冬季較小[12]。

圖3 日本海溫度鋒區(qū)逐季次表層(35 m)溫度梯度Fig.3 Seasonal subsurface(35 m)temperature gradient in the Sea of Japan

根據(jù)對4個季節(jié)鋒強度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,鋒強度存在顯著的季節(jié)差異。溫度鋒在秋季最強,鋒強度平均值達到0.041 0℃/km；在春季最弱,鋒強度平均值為0.026 4℃/km；夏、冬季鋒平均強度介于春、秋季之間,分別為0.034 0℃/km、0.027 0℃/km。鋒區(qū)內溫度梯度大于0.015 0℃/km數(shù)據(jù)點數(shù)在夏季最多,為305個；在春季最少,只有227個；秋、冬季鋒區(qū)內溫度梯度大于0.015 0℃/km數(shù)據(jù)點數(shù)介于春、夏季之間,分別為261、245個。這表明溫度鋒區(qū)在夏季分布最廣,在春季范圍最小。其中,夏季鋒對應著實際的海域面積約為93.94×104km2,占整個日本海面積的比例為22.42%；春季鋒對應著實際的海域面積約為69.92×104km2,占整個日本海面積的比例為16.69%。

通過提取鋒區(qū)鋒軸線信息,并從水平和垂直兩個方向對逐季溫度鋒軸線分布情況進行討論。圖4為日本海35 m水深處四季鋒軸線分布圖,鋒軸線的位置大致在鋒區(qū)邊緣呈蛇形分布,總體上為SW—NE走向。鋒軸線隨季節(jié)變化基本沒有發(fā)生明顯擺動。四季的鋒軸線均跨越了133°E經(jīng)線,從日本海近岸跨越到日本海中部,隨后一直延伸到津輕海峽。對比4個季節(jié)不同水深的鋒軸線(圖5)?？梢钥闯龃杭句h軸在76 m以淺,夏季鋒軸在35 m,秋、冬季鋒軸在98 m以淺,均在133°E經(jīng)線附近波動最大,說明在鋒區(qū)極值分布較為分散,溫度鋒強度南北差異較大。鋒軸線的位置整體上隨著深度的增加向日本沿岸移動。

圖4 35 m水深處溫度鋒軸線位置分布Fig.4 Temperature front axis at 35 m in each season

圖5 各季節(jié)溫度鋒軸線垂向變化Fig.5 Temperature front axis at different depths in each season

海洋鋒的出現(xiàn)頻率表現(xiàn)了鋒面的分布位置和穩(wěn)定性。如圖6所示,日本海一年四季都存在著豐富且穩(wěn)定的溫度鋒。鋒面總是固定地出現(xiàn)在對馬海峽、朝鮮半島沿岸、日本海中部、津輕海峽及其附近,而且這些海域鋒出現(xiàn)頻率最大,超過85%?？傮w來看,夏季溫度鋒出現(xiàn)區(qū)域最大,說明夏季鋒面的移動范圍大,位置變動最明顯；秋季溫度鋒出現(xiàn)頻率數(shù)值最大,高達86%,表明秋季溫度鋒最為穩(wěn)定；春季溫度鋒出現(xiàn)區(qū)域和出現(xiàn)頻率數(shù)值最小,鋒出現(xiàn)頻率為72%,說明春季鋒面移動范圍小,位置變動不明顯且鋒面相對不穩(wěn)定。

圖6 各季節(jié)溫度鋒出現(xiàn)頻率Fig.6 Occurrence frequency of temperature front in each season

2.2 鹽度鋒

2.2.1 鹽度鋒月變化

同溫度鋒一樣,通過計算表層5 m至深層5 395 m處各層的鹽度梯度,可以得到日本海鹽度鋒主要存在于水深55 m以淺(圖7)。相對于日本海溫度鋒來說,鹽度鋒不夠顯著。本文選取35 m處水深的鹽度梯度圖進行分析。由圖7可以看出,日本海1—12月均存在明顯的鹽度鋒。鹽度鋒主要包含兩部分:一部分位于對馬海峽,主要分布于對馬海峽中線附近,該鋒在8—11月較為明顯,基本上占據(jù)對馬海峽,在12月開始減弱消失；另一部分位于日本海最北部且沿著俄羅斯沿岸分布,該鋒在9月開始成形,在1月鋒區(qū)范圍達到最大,5月時鋒區(qū)開始明顯減少,在8月大部分鋒區(qū)已經(jīng)完全消失。

圖7 日本海鹽度鋒區(qū)逐月次表層(35 m)鹽度梯度Fig.7 Monthly subsurface(35 m)salinity gradient in the Sea of Japan

將各月的鋒強度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計,如圖8所示:日本海鹽度鋒強度在12月最大,鋒區(qū)鋒強度平均值為0.010 1 km-1。鹽度鋒強度在9月最小,鋒區(qū)平均強度為0.006 8 km-1。鋒區(qū)內鹽度梯度大于0.002 0 km-1的溫度數(shù)據(jù)點數(shù)在12月最少,只有191個,在8月最大,可達到238個,說明鋒區(qū)在12月范圍最小,8月最大。

圖8 逐月鹽度鋒強度統(tǒng)計結果Fig.8 Monthly statistical results of salinity front intensity

2.2.2 鹽度鋒季節(jié)變化

對月鹽度梯度進行季節(jié)平均可以得到逐季的鋒面分布情況。如圖9所示,對馬暖流攜帶的高溫高鹽水從對馬海峽進入日本海,與當?shù)氐柠}度相對較低的水團相互作用,從而形成了鹽度鋒。該鹽度鋒位于對馬海峽的中線位置,一年四季均存在,且具有明顯的季節(jié)變化特征,夏季鋒明顯強于冬季鋒,且與當?shù)氐臏囟蠕h表現(xiàn)出相同的特征,這主要是受當?shù)丶撅L和對馬暖流的入侵隨季節(jié)強弱的變化綜合影響[12]的結果。黎曼寒流攜帶大量低鹽度海水,從北部進入日本海,并沿著俄羅斯沿岸南下[24],與當?shù)氐暮Ｋ嗷プ饔?產生較大的鹽度梯度,從而形成了鹽度鋒。該鹽度鋒位于北海道西北部且沿著俄羅斯沿岸分布,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征:秋、冬季鋒明顯強于春、夏季,其中冬季鋒分布區(qū)域最廣且強度最大。隨著黎曼寒流向南流動,其流量減弱,低鹽度的特性也隨之減弱,故而在44°～47°N海域鹽度鋒分布較為稀疏。

圖9 日本海鹽度鋒區(qū)逐季次表層(35 m)鹽度梯度Fig.9 Subsurface(35 m)salinity gradient of the salinity front in the Sea of the Japan in each season

將各季節(jié)鹽度鋒強度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。鹽度鋒在冬季最強,鋒區(qū)平均強度為0.010 3 km-1；在夏季最弱,鋒區(qū)平均強度為0.008 0 km-1；春、秋季鋒平均強度介于冬、夏季之間,分別0.008 4 km-1、0.008 7 km-1。鋒區(qū)內鹽度梯度大于0.002 0 km-1的鹽度數(shù)據(jù)點數(shù)在春季最大,達到184個；秋季最少,為154個；夏、冬季鋒區(qū)內鹽度梯度大于0.002 0 km-1數(shù)據(jù)點數(shù)介于春、夏季之間,分別為176、175個。這說明鹽度鋒在春季分布范圍最廣,秋季分布最小。

對鹽度鋒的鋒軸線都進行提取,如圖10所示。鋒軸線的位置大致在鋒區(qū)邊緣分布,總體上呈SW—NE走向,且鋒軸線的位置隨季節(jié)沒有發(fā)生明顯擺動。在對馬海峽處,鋒軸線主要位于對馬海峽中軸線附近。在日本海北部,鋒軸線沿著俄羅斯海岸分布。在日本海內部,鋒軸線發(fā)生了較大的波折,從對馬海峽一直跨越到俄羅斯沿岸。由于日本海鹽度鋒在水深55 m以淺較為明顯,55 m以深鹽度鋒信息不顯著,因而在本文中未討論鹽度鋒各季節(jié)垂直方向鋒軸線的擺動情況。

圖10 35 m水深處鹽度鋒軸線位置分布Fig.10 Salinity front axis at 35 m in each season

同樣,對于鹽度鋒也只給出了鋒出現(xiàn)頻率大于40%的海域。如圖11所示,日本海鹽度鋒各個季節(jié)總是比較穩(wěn)定地出現(xiàn)在俄羅斯海岸和對馬海峽,這些海域的鹽度鋒出現(xiàn)頻率最大,基本在80%以上,也就是說,這些海域在36 a里至少出現(xiàn)27次鹽度鋒現(xiàn)象,且鹽度鋒在這些海域常常年存在,穩(wěn)定性強。總體來看,秋季鹽度鋒出現(xiàn)區(qū)域最大,說明秋季鋒面的移動范圍大,位置變動最明顯；冬季鹽度鋒出現(xiàn)頻率數(shù)值最大,高達77%,表明冬季鹽度鋒最為穩(wěn)定；夏季鹽度鋒出現(xiàn)區(qū)域和出現(xiàn)頻率數(shù)值最小,鋒出現(xiàn)頻率為72%,說明夏季鋒面移動范圍小,位置變動不明顯且鋒面相對不穩(wěn)定。

3 結 論

本文利用36 a(1980—2015年)SODA月平均數(shù)據(jù),采用絕對梯度的方法,研究日本海溫度鋒和鹽度鋒在月和季節(jié)時間尺度上的分布特征,得到以下結論:

①日本海溫度鋒整體上呈SW—NE走向,即從對馬海峽一直延伸到津輕海峽。溫度鋒主要分為6部分,分別位于對馬海峽及其附近、朝鮮東部海域、日本海中部、日本西海岸、津輕海峽及其附近以及北海道西側海域。溫度鋒具有明顯的月變化特征:9月分布最廣且最強,鋒區(qū)平均強度達到0.040 8℃/km；3月分布范圍最小且最弱,鋒區(qū)平均強度僅為0.023 9℃/km。鹽度鋒主要包含兩部分,分別位于對馬海峽和俄羅斯沿岸。鹽度鋒也具有明顯的月變化特征:鹽度鋒強度在12月份最大,鋒強度平均值可達到0.010 1 km-1,但鋒區(qū)范圍最??；鹽度鋒強度在9月最弱,平均強度僅為0.006 8 km-1；8月分布最廣。

②日本海的溫度鋒和鹽度鋒均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征。溫度鋒一年四季均存在,在夏季分布最廣,秋季鋒最強且最為穩(wěn)定,鋒平均強度達到0.041 0℃/km,春季最弱且相對不穩(wěn)定,鋒平均強度僅為0.026 4℃/km。鹽度鋒在冬季最強,鋒強度平均值達到0.010 3 km-1,春季時分布最廣,夏季鋒最弱,鋒區(qū)平均強度僅為0.008 km-1,在秋季分布最窄。

③鋒軸線不受當?shù)仫L場的影響。溫度鋒軸線隨季節(jié)基本上不發(fā)生擺動,總體上呈SW—NE走向。四季溫度鋒軸線隨著水深增加向日本海沿岸移動。鹽度鋒軸線分為兩部分,分別位于對馬海峽和日本海北部。四季鹽度鋒軸線在位置相對穩(wěn)定,基本上不發(fā)生擺動。

鋒區(qū)的位置很好地體現(xiàn)了日本海流系的結構特征。黑潮的分支對馬暖流流經(jīng)對馬海峽進入日本海,共分為3支:一支沿著日本主島西海岸向東北方向流動,另外一支則靠近日本島沿岸流動,還有一支沿著韓國東海岸向西北方向流動,在到達40°N時,轉向西運動,與其余兩支暖流匯合,共同向東運動。同時,在俄羅斯海岸存在一支自北向南流動的黎曼寒流。日本海溫度鋒和鹽度鋒幾乎全部位于這些流系流經(jīng)的區(qū)域或者邊緣。另外,對馬海峽流量也影響著日本海鋒面的形成與分布。目前,對于鋒面形成的物理機制不是十分清楚,需要今后進行深入研究。