湾流锋强度空间变化及季节变化特征研究

刘建斌，张永刚，张旭

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018；2.中国人民解放军91550 部队，辽宁 大连 116023）

湾流发源于赤道附近的南北赤道流，北上途径安的列斯群岛、墨西哥湾、佛罗里达海峡流入大西洋（冯士笮 等，1999）。佛罗里达海峡到大西洋45°W 的湾流走向可以分为两部分，一部分（称作南段）从25°-35°N 主要是沿美国东海岸北上，另一部分（称作北段）从35°N，72°W 处向东北方向流动，这两部分湾流在位置、强度变化特征方面也有所不同，整个湾流走势呈现弯刀型。湾流两侧温度、盐度等海洋要素梯度大，因而形成较强的温度锋和盐度锋，统称湾流锋。

目前国内外学者对于湾流流系的动力特征、相关性关系以及湾流锋结构特点等有着充分的调查和研究。如李立等（1988）以潜标阵数据分析了湾流锋面特点及附近涡旋的三维结构。Johns 等（1995）根据实测数据分析了68°W 附近的湾流锋面结构、环流特点。Christopher 等（2009）用统计分析的方法对68°W 处湾流锋的温、盐相关性、锋区成因等进行了总结。Reul 等（2014）利用SMOS 卫星数据资料对湾流锋位置及表面温、盐结构进行了分析。本文主要研究湾流锋的位置季节变化、强度季节变化以及位置、强度、季节的相互关系，除此之外，海洋锋区域声场复杂对于潜艇的活动影响显著，因此本文对锋区声场进行了简单分析。

1 数据与锋面分析方法

1.1 数据介绍

WOA13（World Ocean Atlas 2013） 是来自NOAA 的国家海洋数据中心海洋气象实验室的海洋气候学数据集产品，包涵全球海洋温度、盐度、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐等海洋要素数据，分为年平均、季节平均、和月平均数据，是多种数据集的整合产品，空间分辨率有：5°、1°、0.25°3 种，数据能够提供三维的海洋环境信息；在深度上，利用内插值的方法，从表层到最大深度5 500 m 分为102 层（T.Boyer et al，2013）。本文选用多年（1955-2012）年际、季节平均0.25°网格温度、盐度数据分析美国东海岸附近湾流锋。需要说明的是WOA13 数据虽然是平均格点化插值数据，在表现海洋锋强度上比实际值要低，但是在表现锋区，特别是锋轴线上位置、强度的变化特点上具有比较好的效果。

1.2 锋面确定方法

湾流锋在位置上与纬线方向有一定的夹角，因而选用绝对梯度来表示海洋锋的强度。计算湾流存在大致区域的每一点的绝对梯度值，之后按经线对每条经线上绝对梯度最大值的点的连线定义为湾流的锋轴线，相同经度下如果对应多个极大值点，则取最南端的点作为锋轴线上的点，由此得到了较为清晰的锋线位置。在强度表示方面国内外还没有一个统一的标准，在湾流锋区内两个相邻网格点的距离约为14 海里，因此选作强度的距离标准。其中绝对梯度的定义为：

1.3 声场计算方法

传统射线模型通常受到高频近似的限制，不能有效计算焦散线附近的传播损失。Porter 等（1987）采用高斯近似的方法提出了BELLHOP 声学模型成功解决了焦散线对声场计算的影响。同时BELLHOP模型能够适应于复杂的三维环境下的声场计算，能较便捷且清晰的表达锋区声场特点。根据Hamilton给出的地声学经验参数表设置底质参数，密度为1.421 g/cm3，压缩波声速为1 520 m/s，衰减系数为0.12，声波频率1 kHz，掠射角范围取-30°～30°，掠射角间隔设为0.5°（Hamilton et al，1980）。

2 湾流的位置及强度变化

2.1 湾流锋位置的变化特征

利用锋区绝对梯度最大值连线的方法将不同水深四季锋轴线的位置画出，如图1 所示，为表层温度锋轴线多年季节平均位置。通过对表层至2 500 m水深不同水层（最小间隔5 m，最大间隔50 m）温度锋的位置信息进行比较我们发现，整体来看，温度锋位置季节差异不大，但锋面位置随深度的变化比较明显，锋面强度较大且锋线清晰的锋轴线主要集中在1 000 m 以内；在湾流南段随着深度的增加温度锋距离海岸线的距离逐步增大，主要是受到大陆坡地形因素的影响，水深45 m 后在33°N 锋轴线出现向南的偏折后继续沿岸东北方向；在北段东西方向的锋轴线，在100 m 以深，随着深度的增加锋轴线的位置从42°N 附近逐渐南移到达39°N附近。

图1 表层锋轴线位置

在盐度锋变化方面，盐度锋的位置及走势大致与温度锋相当，且季节变化差异不大，锋轴线强度较大的区域主要集中在800 m 以内，位置随深度的变化情况与温度锋很相近。不管温度锋轴线还是盐度锋轴线，在轴线上会有一些比较“尖锐”的凸起，这是由于和定义的海洋锋轴线有关，这些凸起点是锋轴线上与其它点强度差异较大的点。

2.2 强度的变化特征

分别将不同水深不同季节海洋锋轴线上的温度强度与盐度强度的值求出，如图2 所示为170 m 水深盐度锋轴线及锋轴线上的强度变化图。从这些变化图中发现，强度随空间位置的变化（水平方向和垂直方向）较强度随季节的变化明显。

图2 170 m 水深盐度锋轴线及强度变化图

2.2.1 强度随空间位置的变化

对比1000 m 水深以内的锋轴线强度变化图可以发现，每一层水深总会出现几个极大值的区域，如图2 中的75°W 附近80°W 附近，而其它位置上的点强度相近，且强度极大值的点的变化情况可以较好的代表周围水域强度变化特点，因此选取几个出现频率较高的极值点以及变化特点显著的点进行研究。如图3 所示为温度锋轴线上，1-3月份50°W、68°W、75°W 及78°W 4 个点强度随水深的变化图。

结合各月份四点的深度强度变化图，可以得到每点的变化温度（表1）、盐度特点（表2）如下：

需要说明的是，所取点的经度不变，其纬度是随着水深而改变的，但始终处在锋轴线上，因而这些点的强度变化可以较好的表现锋区内强度的变化特点。从表一和表二中可以看出在75°W 处的湾流锋，不论是温度还是盐度强度都在在0～50 m 内变化剧烈，这是因为此处靠近大陆坡，受地形因素影响显著；同样在点68°W 附近温度盐度强度都在50～70 m 左右地势凸起的区域有强度有突然增大的变化。此外，在78°W 附近可以看出随着水深、季节的变化强度差异不大。整体来看这些点的盐度与温度的强度季节与水深变化相似。

图3 1-3月份温度锋上四个研究点强度变化情况

表1 温度锋线上4 点强度随深度季节的变化特点

2.2.2 强度的季节差异

海洋锋具有三维结构，直接研究结构变化比较困难，因此将海洋锋按深度进行划分，每层深度都有对应的锋轴线。相对来说，同一深度锋轴线强度值季节差别较大的点是夏季与冬季（7-9月份与1-3月份）、春季与秋季（4-6月份与10-12月份），为了研究这些季节强度差异随水深的变化情况，每层水深相同经线位置的（纬线位置可能不同）不同季节的海洋锋轴线上的点强度求差，得到季节强度的差异值。如图4 所示，25 m 水深不同经线上锋轴线上季节的强弱情况，在锋轴线上有些位置的点，季节差异值很大如75°W、70°W 附近。

图4 25 m 水深处温度锋轴线强度季节差异图

为了研究锋轴线上季节差异值大的区域，我们统计0～1 000 m 各层季节之差的最大值所在的点，夏、冬两季差异值最大的区域主要在：67°W-70°W（冬季大于夏季），72°W-75°W、55°W-58°W、50°W 附近（夏季大于冬季）；春秋两季则集中在78°W、66°W（春季强于秋季） 以及50°W 附近（秋季强于春季）。

表2 盐度锋线上4 点强度随深度季节的变化特点

将水深从0～500 m 每隔5 m 分别求比率得到了温度、盐度季节之差比率随深度的变化图，如图5所示为温度锋随深度的季节差异曲线。

图5 温度锋比率变化图

从图5 可以看出温度锋冬季总体强于夏季（比率小于0.4）主要集中在0～25 m；200～450 m 内，夏季总体强于冬季（比率大于0.6）主要在30～125 m内；春季强于秋季主要在0～50 m 内，秋季强于春季则集中在80～250 m、300～350 m。整体看冬季强度大于夏季的点多。

而盐度锋整体来看季节差异较温度的变化并不明显，差异比率基本在0.4～0.6 之间。

2.3 盐度强度与温度强度的相关性分析

首先研究相同季节相同经线锋轴位置上对应的盐度强度与温度强度的相似性关系，按经线分别取温度锋与盐度锋轴线上的点，深度范围为0～2 300 m，求出相关系数。如图6 所示，为1-12月份各季节锋轴线上点的盐度与温度强度相关性分布图。

从图6 中可以看出温度强度与盐度强度绝大部分湾流锋轴线上的点呈现正相关性，其中73°W-78°W 附近与53°W-68°W 范围内1-3月份与4-6月份温、盐的正相关性较好，相关系数在0.6 以上；在68°W-73°W、45°W-48°W 区域内，10-12月份负相关性较强，相关系数小于-0.6。

此外50°W、68°W、75°W、78°W 附近的点的温度、盐度强度相关性关系两两分析，发现这些点之间存在较好的负相关性关系，如在7-9月份，68°W 与78°W 温度强度呈现负相关性，盐度强度也呈现负相关性，相关系数均在-0.6 以下；同样在10-12月份50°W 与78°W 温度强度、盐度强度的相关性系数分别为-0.527 7 与-0.678 1。

图6 温度强度与盐度强度相关性分布图

3 声场分析

分别选取了南北段湾流锋强度较强的点，进行声速剖面分析，对比不同月份声速剖面发现，在1-3月份混合层作用明显。如图7 所示，为1-3月份声速剖面图，从图中可以看出此时混合层厚度在50～100 m 左右，混合层底声速出现较大值，后逐渐减小，至声速最小值处为深海声道轴的深度，同时也是温跃层底的位置，图中所示声道轴深度在500～1 000 m 不等。

图7 声速剖面

以68.5°W，39.5°N 处的环境场为例，采用BELLHOP 中的距离无关模式，对其声场进行分析。背景资料选用1-3月份多年季节平均数据，此时混合层厚度在100 m，温跃层及声道轴位置在600 m附近。声源深度分别为60 m、200 m 以及600 m，如图8～10 所示。

图8 声源深度60 m

图9 声源深度200 m

图10 声源深度600 m

当声源深度位于混合层内时，如图8 声源深度为60 m 时，对于声源掠射角较小的射线，被陷获在混合层内，形成表面声道；而对于掠射角较大的声线则可以穿过混合层经海底反射后形成汇聚区声道。

当声源深度位于混合层以下是，如图9 所示声源深度200 m 时，此时主要以汇聚区声道为主，但汇聚区的位置受到混合层的影响一般在混合层以下。当声源深度位于声道轴附近时，由于声线向声速小的方向折射的规律，声线主要集中在深海声道轴附近，形成深海声道。

4 结论

本文利用WOA13 数据多年季节平均数据，采用锋区内经线方向绝对梯度最大值点连线确定锋轴线的方法对湾流锋的空间变化，温度、盐度强度变化进行了分析，得到了如下结论：

（1）锋轴线的位置变化主要体现在随深度的变化上，在100 m 以深北段湾流锋轴线逐渐向南移动至39°N 附近，锋区锋轴线清晰且强度较大的区域主要集中在1 000 m 内；

（2）强度随深度的变化比较明显，选取并研究了具有代表性的几处强度随深度变化，不同区域强度随水深变化的特征有较大差异，且随深度变化的季节特征明显（表1，表2）；

（3）强度的季节差异主要体现在温度锋的强度季节变化上，在表层到水深25 m 以及200～450 m内，冬季锋强度整体要强于夏季，而在30～125 m内夏季则整体强于冬季，春季强于秋季主要在0～50 m 内，秋季强于春季则集中在80～250 m、300～350 m；

（4）分析了相同经线上温度锋轴线上点与盐度锋轴线上点强度的相关性关系发现，绝大部分区域温、盐是呈现正相关且相关性较好，特别是1-6月份位于50°W-68°W 区域的锋轴线上的点相关系数均在0.8 以上，一些区域和月份呈现较好的负相关性如10-12月份位于70°W-73°W 内锋轴线上的点，相关系数在-0.8 至～0.6 之间；此外，还分析了几个特殊点之间的相关性关系，在7-9月份，68°W 与78°W 温度强度呈现负相关性，盐度强度也呈现负相关性，相关系数均在-0.6 以下；在10-12月份50°W 与78°W 温度强度、盐度强度的相关性系数分别为-0.527 7 与-0.678 1；

（5）分析了锋区不同位置锋轴线上强度较大点的声场特点，发现在1-3月份声场环境相对复杂，水下声道的形成与混合层、温跃层的厚度以及声源的位置有关，并给出了不同位置点的混合层底位置、深海声道轴位置。

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