日本海特征水研究进展

郑沛楠，刘俊，杨玉震，钟科，赵艳玲

（解放军61741部队，北京 100094）

日本海特征水研究进展

郑沛楠，刘俊，杨玉震，钟科，赵艳玲

（解放军61741部队，北京 100094）

由于日本海特殊的地理位置和复杂的径流环境，使得该海域的水团呈现其独有的分布特征。比如在日本海内存在世界边缘海中性质最均一的水体——日本海特征水。本文总结了日本海特征水的研究历史和研究现状，分析了日本海特征水的传播路径及其影响因素；讨论了导致日本海特征水变异的原因以及日本海特征水对全球气候变暖的响应等问题。

日本海；特征水；研究进展

1 引言

日本海（Japan/East Sea）作为东北亚地区最大的边缘海，是西北太平洋上的重要海区。日本海东部边界北起库页岛（也称萨哈林岛）以及日本列岛的北海道、本州和九州；西与西南面邻接朝鲜；北及西北部与欧亚大陆的俄罗斯相连，通过对马海峡和津轻海峡与太平洋相连，通过宗谷海峡和鞑靼海峡与鄂霍次克海相连。由于这些海峡浅于130 m，所以日本海与邻近海域的水交换相当有限。日本海总面积为1.01×106km2，平均深度1648 m。南宽北窄略呈椭圆形。大陆架比较狭窄，海底主要是深水海盆，40°N以北为日本海盆，面积约占日本海的一半，大部分水深3000 m以上，海底比较平坦。40°N以南海底地形比较复杂，有海盆、海岭、海槽等，如东部的大和海盆、西南的对马海盆。日本海的陆架较短，且发育欠佳。沿日本西岸，大陆架延伸到200 m水深；沿朝鲜和俄罗斯东岸，大陆架延伸到140 m水深。这些大陆架都被许多海底峡谷所切割（见图1a）。

除却面积较小，日本海表现出明显的大洋特征：如拥有深度超过3000 m的日本海盆，活跃的生物过程，随季节变化明显的温度盐度，亚极地海洋锋和海洋涡旋，以及丰富的寒、暖流系统和深层对流系统（类似大西洋热盐环流带）等。自黑潮分离的对马暖流经对马海峡进入日本海，约在40°N与沿亚欧大陆东岸南下的黎曼寒流相遇，二者共同转向东运动，形成日本海的亚极地锋（见图1b）。亚极地锋将日本海划分为北部的亚极地区和南部的亚热带区[1～3]。

Kitani[4]指出，对马暖流水对日本海总体积的贡献量为8×104km3，仅占日本海海水总量的5%。这说明剩余的95%位于主温跃层之下，因而深入研究深层水的形成及相关环流过程对理解日本海的热量和物质输运意义重大。由于日本海与周边海洋（太平洋和鄂霍次克海）的连接处的海峡深度均不超过200 m，使得日本海与周边海洋的深层水交换几乎不可能发生，所以可以认为日本海深层水形成于日本海内当地的冬季对流[5]。

有学者将日本海称为“微型大洋”（Miniature Ocean）。因此，对日本海加以充分认识可以加深对世界大洋的了解[6]。本文总结了日本海特征水的研究历史和研究现状，分析了日本海特征水的传播路径及其影响因素；讨论了导致日本海特征水变化的原因及其对全球变化的响应等问题。

图1 日本海地形图（a）和表层环流示意图（b）

2 日本海特征水的定义及研究史

由于日本海与周边海区（太平洋和鄂霍次克海）的连接处的海峡深度均不超过200 m，因而使得日本海与周边海洋的深层水交换几乎不可能发生，所以可以认为日本海深层水源于日本海内部的冬季深层对流。考虑到这一点，Uda[7]将日本海深层水称为日本海特征水（Japan Sea Proper Water），它是世界海洋边缘海中性质最均一的水体。他在研究中发现，日本海主温跃层之下的深层水中存在位势温度低于1°C且含高溶解氧的水团，将其称之为日本海特征水。Moriyasu[8]进一步研究发现，在上层高温、高盐的对马暖流水（海面至水下200m）和深层的日本海特征水之间存在日本海盐度极小值的日本海中层水（Japan Sea Intermediate Water），该层水团的位温在1～5°C之间。Sudo[9]通过分析日本海溶解氧剖面资料，将日本海特征水分为两部分：日本海特征水上层部分（Upper Japan Sea Proper Water）和深层部分（Deeper Water）。

日本、韩国和俄罗斯的联合调查CREAMS（东亚陆架海合作研究）[10]详细调查并总结了日本海特征水的基本特征：位温：0°C<θ<1°C，盐度：34.04

3 日本海特征水源头及成因

由于日本海各海峡通道较浅，因此日本海深层水的形成在很大程度上依赖于大气强迫，而不是外洋输入。Nitani[11]首先指出特征水源于俄罗斯的普里莫尔斯基（Primorye）近岸，为后来的研究指明方向。他指出，日本海特征水与海参崴处的海面气温相关，冬季恶劣天气将海表冷却水通过对流和混合作用输送到日本海深层。Senjyu和Sudo[12～13]认为特征水在40º～43ºN、136ºE以西海域有一个单独的源；Yoshikawa等[5]认为特征水源于41º～43ºN、135ºE以西地区；Kawamura和Wu[14]则认为日本海特征水形成于41°N以北、132°～134°E之间的区域。具体地理位置参见图1a。

关于日本海特征水的形成原因及其影响因素，前人研究显示[5,11～13]：冬季季风爆发期间，欧亚大陆吹来干而冷的气团受山体阻挡的影响，自海参崴周围的峡谷地带吹入日本海；经过海气相互作用，使得海参崴附近海域形成极冷海表低温度、高密度海水水团；在对流和混合作用下，海表冷水团向下潜沉，进入日本海深层水，最终形成日本海特征水。

研究结果表明[11～14]：极冷冬季的对流深度深于温和冬季对流深度；寒冷程度（气温和海表面温度）、风场、云量、湿度、海洋中层化与结冰状况、普里莫尔斯基近岸冲淡水对特征水的形成均会产生影响。

Seung和Kim[15]使用一个理想地形的预报模式合理再现了日本海上层和深层环流，但是他们的模式结果与观测相比，东韩暖流偏强，深层水的温度比实际偏高。Holloway等[16]通过数值试验发现，在真实地形情况下改变东韩暖流的流量，通过涡旋和地形的相互作用，将会在模式中引入“地形压”，进而会对深层环流的模拟产生重要影响。Yoshikawa等[5]综合前人对日本海环流模拟的经验，在应用大量日本海实测数据的基础上合理模拟了日本海的三维热、动力学场。研究结果显示，日本海内局地最大潜沉率主要位于以下三个地区：135°E以西的 41°～43°N之间，136°E以东的 40°～43°N 之间和 45°N以北地区（见图2）。普里莫尔斯基沿岸大陆架是潜沉率极值分布集中的地区（见图2中区域A）；而潜沉率大值区是深层水形成的重要源地。

图2 日本海潜沉率分布图

4 日本海特征水的传播

基于冬季位涡和溶解氧的气候态分布图，Senjyu和Sudo[12～13]指出了下列的特征水的传播过程：新形成的特征水在地球自转的影响下，沿着大陆近岸向西南运动，到达大和隆起的西部；其后，一大部分向东运动，经由大和隆起的北部或南部最终到达大和海盆，这一过程约需12～15个月。通过计算通风水体的体积，粗略估计特征水的形成率为1.5×104km3/a(=0.48 Sv)。这些结果对日本海特征水给出了一个基本的描述。

图3 本海北部深层对流南向潜沉至日本海中层水和上层特征水

从图3上看，日本海北部的冷水在向南运动的过程中，穿越混合层底部运动，发生潜沉，与当地深层对流相互配合，最终进入日本海特征水区；剩余水体继续南下，与当地浅层对流相互配合，最终进入日本海中层水区。

Postlethwaite等[17]通过观测追踪氧同位素和稀有气体的移动传播路径来研究日本海水团的通风过程。研究结果显示，深层对流对日本海特征水的形成和传播起到重要作用；由于融冰过程，盐度向深层的传播受到抑制（brine rejection），但是这一过程无法解释在日本海特征水中观测到的极高氩元素含量的问题。如图4所示为日本海入流输运路径示意图。从图中可见，来自日本海北部的冰雪融水通过鞑靼海峡流入日本海，其中较轻的水体从日本海上层沿俄罗斯大陆架向南输送；较重的水体从日本海深层向南运动，并伴有盐度的抑制作用。自对马海峡入流的高温高盐的对马暖流沿日本海上层向北运动，约在40°N附近与南向冷水相遇，寒暖流相互作用形成亚极地锋。在这一过程中伴随着暖水区温跃层的通风和冷水区的潜沉过程；同时该海域的深层对流作用强烈。

除却对流强度影响特征水形成之外，大气条件如蒸发降水和太阳辐射等、海洋条件如海水结冰融冰（见图4）、对马暖流和黎曼寒流的分布（见图1b）和沿岸淡水输入等也会对特征水产生影响。研究显示，日本海特征水存在明显的年际变化信号。另外，由于日本海内流场从表层到底层的季节变化相当显著，因此季节变化信号对日本海特征水传播过程的影响还需要进一步研究[12,13,17]。

5 日本海特征水的变异

Kim 等[18]，Kwon[19]和 Minami等[20]研 究 均 显示，自1969年以来日本海温度呈上升趋势，日本海内的盐度和溶解氧也发生了重大变化。长期的升温导致了温跃层深度的变化，从而进一步影响到日本海中层水和特征水的性质变化。随着全球气候变暖，在过去50年间，日本海北部的平均气温上升了1.5～3℃，这使得北部冷水的冷却效益减弱。日本海表层海水在冬季的下沉深度则由原来的3000 m左右变成目前的400～600 m。冬季，来自俄罗斯东北部的寒潮大风，长时间的对日本海上层输入正的风应力旋度，导致日本海水面形成一股稳定的气旋式下潜寒流。表层的氧气通过这一潜沉过程传输到特征水所在的深度，深层海水中的微生物靠这些氧气把从表层沉落下来的有机物分解成氮和磷等无机物。这些无机物再随深层海水上升到海表层，成为藻类的营养来源（Yoshikawa et al.,1999）。然而随着日本海上下层水体间物质和通量交换的减弱，Kim等[21]和Kang等[22]通过实测数据和数值模拟研究发现，自1930～2000年间，日本海深层水的溶解氧含量明显呈下降趋势，下降约35µmol/l。按此趋势发展，将导致日本海内水体的“缺氧化”，若干年后日本海将成为无生物资源的“死海”。海洋是地球上二氧化碳最大的汇，Takematsu[23]研究指出，日本海的诸多变化是由于深层水的通风系统的调整产生的。前人研究还进一步指出，浮游生物的减少意味着空气中将有更多的二氧化碳气体，这又反过来进一步加剧全球变暖的速度。

图4 日本海入流输运路径示意图

随着温室效应和全球气候变暖，冬季来自亚欧大陆的寒潮大风过程减弱，导致日本海垂直混合作用日益减弱，这一过程伴随着日本海海表面温度降低幅度的减少。这进一步导致日本海表层冷水团降温增密效应减弱，表层海水潜沉的深度降低；日本海北部混合层冷水向南潜沉的深度和范围明显减弱。这一连环效应最终导致日本海的深海洋流变得越来越弱，海洋表层与深层的物质循环和能量循环越来越难以得到保证。研究日本海特征水的变异情况，可对全球大洋变化研究提供有益的参考。

6 小结

本文简要回顾了日本海特征水的研究历史，总结了日本海特征水的源头、成因以及传播路径等的研究现状，探讨了日本海特征水的变异及其对全球变暖的响应等问题。

日本海是一个典型的海域，气候变化能够直接清晰地影响深层水的形成。可以说日本海是气候变化的一面镜子，通过研究日本海特征水，可以为气候变化提供例证。因此需要加大对日本海特征水的调查和研究力度。本文的描述对了解和研究日本海水团、日本海海气相互作用和日本海寒暖流系统和潜沉过程等也有帮助。

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P731

A

1003-0239（2011）02-0063-05

2010-07-19

国家基础研究规划项目(2005CB422303；2007CB411804)，教育部新世纪优秀人才计划(NECT-07-0781)和高等学校引智计划(B07036)

郑沛楠（1981-），男，工程师，主要从事海洋环境方面的研究。E-mail：zhengpeiman@ouc.edu.cn。