宫古海峡典型断面水文特征分析

王耀环，汪嘉宁，李家星，魏 皓

(1.天津科技大学海洋科学与工程学院，天津 300457；2.中国科学院海洋研究所，青岛 266071)

宫古海峡位于琉球群岛中南部，冲绳岛和宫古岛之间，呈东北—西南走向，南北间距长约145 海里，水深最深处为庆良间水道，深度约为1,800,m.宫古海峡是连接东海和西北太平洋的主要通道，也是唯一深水通道，对于两边水体交换起着重要作用[1-2].了解其周围海域的水文环境特征，对航运和渔业生产也具有重要影响[3].

近年来，一些学者利用不同年份的资料研究宫古海峡海域水文环境的垂直结构，通过不同断面的研究发现，该海域温盐分布均呈4 层结构：表层高温低盐，次表层高温高盐水位于100～250,m，中层低温低盐水位于500～700,m，深层则为低温次高盐水[4-6].而浦泳修等[7]利用1986 年5—6 月“实践”号航次数据，讨论了宫古岛以北陆架外海域的水文状况的大面分布：发现水温和盐度的分布皆以200,m 层为界，200,m 以浅，温度和盐度的变化梯度相对较大.

现有研究表明，宫古海峡邻近海域水文环境特征已取得一定认识，但由于现有资料较少，时间序列较短，无法了解水文环境要素随时间变化的全貌，故本文将基于最新的再分析模拟数据 JCOPE2(Japan Coastal Ocean Predictability Experiments 2)1993 年1月1 日至2012 年12 月31 日间月平均温度和盐度数据，选取位于宫古岛与冲绳岛之间的KR 断面分析其水文要素季节变化和年际变化特征.

1 研究海域及数据与跃层的确定

研究海域地形图见图1.JCOPE2 模式(Japan Coastal Ocean Predictability Experiments 2)基于POM(Princeton Ocean Model)[8].它从全球模型提取边界条件，包含大小区两个嵌套模式：大区模式覆盖整个太平洋海域(30°S～62°N，100°E～90°W)，水平分辨率 1/4°，垂向 21 层；小区模式覆盖西北太平洋(10.5°N～62°N，108°E～180°E)，水平分辨率1/12°，垂向46 层.地形使用1/12°分辨率的地球高度数据(GETECH DTM5).

JCOPE2 模式使用NCEP/NCAR 再分析数据中的风应力、热通量和淡水通量作为强迫场.运用多种实测数据进行同化[9]，其中有TOPEX/Poseidon、ERS-1、Jason-1 和GFO(Geosat Follow-On)等沿轨道卫星高度计数据、AVHRR/MCSST 数据、GTSPP 的Argo浮标和船舶观测资料温盐数据.本研究下载了模式输出的水位、水平流速、温度和盐度等数据，时间范围为1993.1.1—2013.7.31.

图1 宫古海峡邻近海域地形图(黑线为宫古海峡研究断面KR)Fig.1 Map of the Miyako Strait with isobaths contoured in meters(The KR section is denoted by a solid line)

此外，根据我国《海洋调查规范》以及我国《专属经济区和大陆架勘测技术规程》，定义跃层标准如下：水深小于200,m 时，温跃层强度的最低标准为Δt/ΔZ＝0.2,℃/m，盐跃层的最低标准为 ΔS/ΔZ＝0.1,m-1，水深大于200,m 时，则分别为0.05,℃/m、0.01,m-1.

2,KR断面温度、盐度、密度的季节变化特征

2.1 温度

KR 断面为从西到东穿过宫古海峡最深处连接东海和太平洋的断面.图2 显示了KR 断面1—12 月气候态(1993—2012 年每月平均)温度(t)分布的时间变化.综观整个断面，表层温度春季为25.3,℃，夏季为28.8,℃，秋季为25.6,℃，冬季为22.5,℃，温度随着深度增加而降低，到 1,000,m 左右温度已经降低到4,℃.断面温度以200,m 水深为分界线：200,m 以浅温度季节变化较为明显，200,m 以深温度季节上几乎无变化.断面西侧表层至800,m 左右，等温线自西向东向下倾斜至126.4°E 附近.

温度分布的季节变化主要表现在200,m 以浅：1—3 月，上100,m 温度分布几近均匀且为全年最低值(t＜24,℃)，其中2—3 月127°E 周围等温线上凸；4～6 月，温度逐月升高，在庆良间水道(126.75°E 附近)以西等温线表现为凹形分布，而东侧等温线平行于海平面分布；7—9 月，近表层海水温度高于28,℃，达到全年最高.10—12 月，为秋季降温期，近表层温度开始降低，最低小于24,℃，上均匀层厚度增大.

图2 KR断面1—12月气候态温度分布Fig.2 Climate state temperature distribution from January to December along the KR section

本文分析的断面在126°E 以东外海区温度跃层分布存在季节变化：1—4 月无跃层存在，5—6 月跃层开始从10,m 处成长，厚度以及强度不断增加，至7—9 月跃层最强，下界深度最深超过100,m；10 月起进入消衰期，跃层上界深度逐渐加深，厚度逐月变薄，到12 月，跃层几乎完全消失.

2.2 盐度

KR 断面盐度(S)的分布(图3)显示，各月盐度的垂向结构分布一致.表层为低盐水，随着深度增至100～200,m，出现高于34.85 的次表层高盐水，且断面东侧势力较大；200,m 以深，盐度又随深度逐渐减小，至500～800,m 断面东侧出现小于34.30 的中层低盐水，自东向西呈舌状分布，中层低盐水以下，盐度又随深度逐渐增加.同时，在次表层高盐水和中层低盐水之间的西侧等盐线由西向东向下倾斜至126.4°E 附近，这与等温线的倾斜相同.

盐度季节变化较为显著区域也位于200,m 以浅，深层水几乎无变化.1—2 月，表层盐度全年最高，除近陆架处，盐度值均高于34.7 且分布较为均匀；3—6月，近表层盐度逐月降低，垂向变化梯度增大.在次表层，大于34.85 的高盐水上界深度不断下降，面积逐渐减小，至6 月降为最小值；7—9 月，近表层盐度为全年最低，几乎都在34.5 以下，此时西侧的低盐水系向东扩展增大；10—12 月，近表层等盐线变得稀疏，盐度升高且逐渐分布均匀，次表层高盐水不再舌状分布，而是形成了封闭的高盐水中心.

该断面盐跃层只存在于 7—9 月，且范围在125.67°,E～126°,E.7—8 月相对较强，主要出现在15～35,m，9 月后跃层上界深度变深且范围减小.

2.3 密度

KR 断面的密度(ρ)与温度具有类似的分布趋势及等值线走向(图4).表层密度春季为22.9,kg/m3，夏季为 21.6,kg/m3，秋季为 22.8,kg/m3，冬季为23.9,kg/m3，密度从表至底随深度变深而不断增加，1,000,m 以深密度高于27.2,kg/m3.600,m 以浅断面西侧等密线向东倾斜至126.4°E 附近，与等温线、等盐线的倾斜类似.等密度线的倾斜对应着这一区域黑潮向东北的流动.

密度随季节变化也主要体现在200,m 以浅水层：1—3 月，近表层温度全年最低，盐度最高，故此时密度为全年最大，且分布均匀；4—6 月，近表层密度逐渐降低，等密线由疏变密，126.5°E 以西近表层密度呈凹形分布；7—9 月，近表层密度最小，垂向梯度变化较大；10—12 月，200,m 以浅降温增盐导致密度增加，等密线逐渐稀疏.

图3 KR断面1—12月气候态盐度分布Fig.3 Climate state salinity distribution from January to December along the KR section

图4 KR断面1—12月气候态密度分布Fig.4 Climate state density distribution from January to December along the KR section

3 密度跃层的变化特征

3.1 季节分布

海水密度跃层强度可以由浮力频率来进行定量，浮力频率平方(N2)的表达式

式中：z 为向上增加的垂向坐标，g 是重力加速度，ρs为海水密度.根据我国《海洋调查规范》以及我国《专属经济区和大陆架勘测技术规程》，定义200,m以深密度跃层标准为0.015,kg/m4.将g＝9.8,m/s2，ρs＝1,025,kg/m3，dρs/dz＝-0.015,kg/m4代入公式(1)中，取对数后得到log10,N,2＝-3.8,s-2作为判断海洋密度跃层的指标，N,2大于或等于该指标的区域深度定义为密度跃层[10].

KR 断面1—12 月log10,N,2分布(图5)显示密度跃层主要分布在200,m 以浅；西侧跃层厚度以及强度要大于东侧；跃层强度、深度以及厚度季节变化显著.全年各月来看：1—3 月跃层最弱且只在断面西侧存在，上界深度位于50,m 以下；4 月开始，跃层开始成长，强度、厚度及范围等方面不断增大，其上界深度也相应变浅；直到7—9 月，跃层达到强盛期，其强度和厚度都为全年最大，厚度在80～160,m 范围内，上界深度亦最浅，小于25,m；10—12 月，上均匀层厚度增大，跃层下沉，厚度也逐月变薄.

图5 KR断面1—12月log10N,2 分布Fig.5 log10N,2 distribution from January to December along the KR section

3.2 温度、盐度对密度跃层分布的相对贡献

密度跃层受到温度梯度和盐度梯度的共同影响.本文根据涩度方程来量化温度、盐度变化对密度跃层的相对贡献.涩度方程

式中：α 为热膨胀系数，β 为盐收缩系数，α 和β 根据温度、盐度和压力值进行计算[11]，其特征值(平均值±标准方差)分别为(1.77×10-4±5.82×10-5,)℃-1和7.55×10-4±5.61×10-5.当dv/dz＞0 时，密度跃层主要受温度影响；反之，则主要受控于盐度.由KR 断面涩度分布(图6)可知，该断面垂向密度的变化主要受温度影响，只有在126°E 附近水域受盐度影响.此区域密度跃层变化主要受温度影响的认识与前人的研究结果是一致的[12].通过温度随季节的变化也能合理解释密度跃层的分布：4—6 月为增温期，密度垂直梯度增大，跃层逐渐加强；7—9 月，跃层受温度影响最为显著，强太阳辐射使表层增温快，而深层增温则相对变慢，由于平均风速小，对流、涡动混合弱，密度在垂直方向出现强层化现象，因而使跃层达到全年最强.10—11 月为降温期，表层受温度影响相对较小，密度垂直梯度减弱，上均匀层厚度增大.12 月至翌年3 月，温度全年最低，100,m 以浅密度跃层受温度影响相对减弱，受盐度影响范围相对增大.

3.3 密度跃层的季节与年际变化率相对大小

变化率可以描述物理量在一定时间尺度的变化幅度大小，本文使用方差来表征变化率.密度跃层总时间变化率包括年际变化率和季节变化率，总时间变化率为20 年共240 个月log10,N,2序列的方差，年际变化率为20 年共240 个月log10,N,2月异常(每月值减去20 年该月的平均值)序列的方差，季节变化率为总时间变化率减去年际变化率[13].由图7 可知：KR断面20 年共240 个月平均密度跃层分布在126.25°E以西，厚度大约为100,m.密度跃层的总时间变化率在100,m 以浅值较大，最大值为0.14，在100,m 以深值较小，最小值接近于0，说明上层海洋的密度跃层总时间变化明显大于中深层，而且100,m 以浅的总时间变化率在黑潮流核处明显小于其两侧.季节变化率的分布和总时间变化率的分布基本一致，而年际变化率的分布和前两者相差较大，最大值位于陆架坡折处，水深在50,m 左右.为进一步量化不同深度上密度跃层年际变化和季节变化的相对大小，对两者所占总时间变化率的比例进行计算，结果(图8)显示200,m 以浅季节变化率占优，相对比例达到80%,以上，200,m 以深年际变化率相对占优，相对比例达到50%,以上.这说明不同深度的水体密度跃层主要时间变化机制存在差异，200,m 以浅季节变化显著，200,m以深年际变化显著.

图6 KR断面1—12月涩度变化Fig.6 Changes in the astringent degree from January to December along the KR section

图7 log10N,2 的平均态、总时间变化率、年际变化率和季节变化率的分布Fig.7 Distribution of average state，total time change rate，interannual change rate and seasonal change rate of log10N,2

图8 log10N,2 的季节变化率占总时间变化率的比例和年际变化率占总时间变化率的比例Fig.8 Interannual change rate and seasonal change rate to total variability of log10N,2

4 结论

(1) 宫古海峡典型断面(KR 断面)表层温度春季为25.3,℃，夏季为28.8,℃，秋季为25.6,℃，冬季为22.5,℃；当深度增加至1,000,m 左右，温度降低到4,℃.盐度在次表层(100～200,m)达到最大(＞34.85)，中层(500～800,m)最小(＜34.3)，且两高、低盐水均表现为东侧势力大于西侧.表层密度春季为22.9,kg/m3，夏季为21.6,kg/m3，秋季为22.8,kg/m3，冬季为23.9,kg/m3；当深度增加至1,000,m，密度高于27.2,kg/m3.等密线与等温线分布基本一致，两者在黑潮核心区向下倾斜.

(2) KR 断面温跃层在126°E 以东跃层存在季节变化，经过了无跃期、成长期、强盛期，最后到消衰期.5 月跃层开始形成，7—9 月达到最强，随后进入消衰期至12 月几乎完全消失.盐跃层则只存在于7—9 月陆坡处，且厚度较薄(20,m 左右).密度跃层主要分布在200,m 以浅，跃层的强度、深度以及厚度存在显著的季节变化，且西侧跃层厚度及强度要大于东侧.密度跃层分布与温跃层类似，126°E 以东经过无跃期(1—4 月)和成长期(5—6 月)，7—9 月达到强盛期，强盛期跃层的强度和厚度都达到最大，且上界深度最浅(＜25,m)，进入10 月后跃层又到消衰期.

(3) 密度跃层的分布主要受控于温度，只有在126°E 左右近表层海域受盐度影响.密度跃层的总时间变化率包括季节变化率和年际变化率两部分.100,m 以浅的海洋密度跃层时间变化明显大于中深层，而且黑潮流核处时间变化明显小于其两侧.水体不同深度的密度跃层主要时间变化机制存在差异，200,m 以浅季节变化显著，200,m 以深年际变化显著.

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