第二岛链以东附近海域冬季水文要素特征分析

张胜军，高　飞

(1．东海舰队 海洋水文气象中心，浙江 宁波 315122；2．海军海洋测绘研究所，天津 300061)



第二岛链以东附近海域冬季水文要素特征分析

张胜军1，高飞2

(1．东海舰队 海洋水文气象中心，浙江 宁波 315122；2．海军海洋测绘研究所，天津 300061)

摘要:利用西太平洋冬季海洋综合调查获取的数据资料，分析了第二岛链以东附近海域冬季温度、盐度、声速和密度的分布特征和变化规律。使用Ocean Data View海洋数据软件对资料进行网格化处理，同时采用Wilson方法和垂直梯度法计算声速和声速梯度。分析数据结果表明：第二岛链以东附近海域冬季温度随深度增加而减小，且750 m以浅变化幅度较大；而盐度和声速的垂直结构特征均表现为从表层向下先减小后增大，但各自存在不同的临界深度。海区存在温度和声速双跃层结构，上跃层强度大，厚度小；下跃层强度较小，厚度较大。

关键词:第二岛链；冬季；水文要素；分布特征

0引言

第二岛链北起日本列岛，向南经小笠原群岛，硫磺列岛、马里亚纳群岛、雅浦群岛、帛琉群岛，延至哈马黑拉马等群岛，地理位置特殊，军事战略意义极为重要，构成美国对亚太国家的第二道封锁线和支援第一岛链的后续基地。

近年来，美国和日本等国家的军事部门利用高科技手段，调查收集了我国近海和西北太平洋海域大量的海洋环境资料，并已实现直接服务于这一海区军事活动的海洋环境预报。尽管早在1958年我国已开始组织各方面力量进行了全国性大规模的海洋普查，此后的几十年间在我国海域又陆续进行了大量规模不等、内容更加广泛的海洋调查和测量，获得了一些调查资料，但我们拥有的海洋环境资料还比较零星，成规模、有连续性、高精度的海洋环境资料还十分欠缺，尤其是对第二岛链附近海区水文特征结构研究非常少，相关资料极其匮乏。因此，积极探索第二岛链附近海域的水文要素分布状况和规律特征，尽快建立该区域的海洋环境数据库，提高服务于国民经济和国防建设需要的海洋环境综合保障能力，是当务之急。

本文利用西太平洋冬季海洋综合调查所获取的CTD(Conductivity Temperature and Depth System)与XCTD(Expendable Conductivity Temperature and Depth System)数据资料制作第二岛链以东附近海域水文要素图，分别得到了温度、盐度、声速及密度各个特征参量的变化规律与分布特征，为海洋调查设备进行海洋探测和水下航行器的隐蔽航行提供一定的参考依据。

1研究区域概况

本文研究区域的空间范围为：15°N～35°N、140°E～160°E。该区域的西北角为日本本州岛，正南方是驻扎有数个美军基地的关岛，西侧为小笠原诸岛和硫磺岛，东部即为广阔的西北太平洋。该区域海底地形复杂，有较多的海沟盆地，其中包括世界最深的马里亚纳海沟，深度多在1 000 m以上，最深处接近7 000 m。

2研究区域海洋动力环境和水团特征

第二岛链以东附近海域位于北太平洋西部，介于北赤道流与北太平洋流之间，其南面为自东向西横越大洋的北赤道流，西边是第一岛链附近沿台湾东岸、琉球群岛及日本本州岛南岸向东北流去的黑潮，而北部则为自西向东流动的北太平洋海流。总体来看，该海域全年海流通常较弱，在夏季流向多不规则，而冬季则以小笠原诸岛为中心，表层海水大致呈现为一个顺时针右旋环流，流速缓慢，一般小于0.5节[1]。

研究海域水团主要由北亚热带中部表层水、北亚热带次表层水、北太平洋中层水、北太平洋深层水和北太平洋底层水组成[2]。由于研究区内存在伊豆海沟以及著名的马里亚纳海沟，因此，该区域水团性质部分有海沟水成分。从地理位置可以看出，研究海域处于广袤的太平洋之中，周边除了零星几个小岛屿之外，不存在大板块陆地。因此，表层水不受大陆径流及冰川融水等因素影响，而海区降水则成为该区域主要的外在影响因素。北亚热带中部表层水一般深度可达100～150 m，由于直接与大气相互作用，故水文要素随季节性变化比较明显，温度介于18～27 ℃之间，盐度大于35，属北太平洋最大盐度水团之一。随着深度的增加，该区域各水层的温度逐渐降低，但盐度变化不大。由于海水动力和热力效应的影响，水层之间往往伴随着一定厚度的混合层，其水团的性质随之发生变化。值得一提的是，海沟水是一种独立的水型，它的特征取决于在深处发展的过程，这些过程首先是产生垂直环流的温度绝热变化，这种温度变化使海沟的下层水温增高、密度减小，因而形成上升水流；新的密度较大的海水进入海沟代替了这些上升的海水。因此，海沟水的温度有时要比近底层水的温度高，而盐度一般比较一致[2]。不同水团的性质特征如表1所示。

表1　研究海域各水团分布特征值

3研究区水文要素垂直结构特征

3.1资料来源与计算方法

2013年12月，国家海洋技术中心等单位组织开展了一次西太平洋冬季海洋综合调查。本文选取其获得的12月份第二岛链以东附近海域XCTD和CTD数据资料，该数据主要由南北方向3个断面共57个调查站点组成(如图1所示)。调查过程中利用表层海水自动传感器修正了CTD在海表数据波动较大的不足。经过后期对各个站位每个记录表格和每组数据进行检查复核，对原始数据进行格式转换，综合考虑CTD在下放和上升过程中的数据质量，从优选取，删除了上升阶段的异常数据，再进行数据平滑和传感器滞后订正，资料总体完整可靠。

图1　第二岛链以东附近调查站位分布Fig. 1　Distribution of the oceanographic survey stationsin the easterly ocean nearby the second island chain

温度、盐度和密度每变化1个单位对应的声速变化量分别约为5、1.14和0.017 5 m/s。综合温度和盐度的变化量可知浅海声速大小变化主要受温度影响；深海表层和次表层声速主要受温度影响，中下层水温变化较小，声速主要受深度影响。

常见的利用CTD数据中的温、盐、深数据计算声速的方法有Chen-Millero、Delgrosso和Wilson[3]。目前采用比较普遍的声速方程式是Wilson方程式：

C=1 449.30+ΔCt+ΔCs+ΔCp+ΔCtsp

(1)

其中:

ΔCt=4.587t-5.356×10-2t2-2.604×10-4t3

(2)

ΔCs=1.19(s-35)+9.6×10-2(s-35)2

(3)

ΔCp=1.584 8+10-1p+1.572×10-5p2-3.46×10-12p4

(4)

ΔCtsp=1.35×10-5t2p-7.19×10-7tp2-1.2×10-2(s-35)t

(5)

式中：C为海水中的声速，t为海水温度，s为海水盐度，p为海水压力。

汤明义[4]指出，Wilson声速计算公式使用平均校正方法，侧重校正声速梯度的偏离，更加适用于高精度

声速和声速梯度，利用Akima插值将数据处理到垂直间隔1 m层次。利用垂直梯度法计算声速梯度，基本原理如下：

(6)

式中：Gi为声速梯度；i为序列号；Si为第i层声速，Zi为第i层深度。

3.2水文要素的垂直分布及剖面结构特征

分析图2可知，各断面站点温度从海表向下逐渐减小，断面1从表层最高的26.7 ℃下降到2 000 m水深附近的1.88 ℃;断面2与断面3表层海水最高温度达27.2 ℃，2 000 m水深处与断面1温度相近。各断面表层海水则遵循严格的地理特征分布，最高温度随着纬度的降低而逐渐增大(图3a)。从图2中可以看出，整个调查海区在750 m以浅温度随深度的变化下降较快，从表层的27 ℃左右大幅降低至5 ℃附近，表明该海区中层以上水团温度特性变化明显，而750 m至2 000 m之间，温度随海水深度的增大变化缓慢，仅仅下降了3 ℃。

图2　各调查断面温度垂直分布Fig. 2　Temperature profiles of each sectiona：断面1(23.0°N～32.0°N，146.0°E)；b：断面2(22.5°N～31.5°N，150.0°E)；c：断面3(20.5°N～29.5°N，158.0°E)a：section 1(23.0°N～32.0°N，146.0°E)；b：section 2(22.5°N～31.5°N，150.0°E)；c：section 3(20.5°N～29.5°N，158.0°E)

图3　各调查断面表层温度(a)和盐度(b)分布特征Fig. 3　Distribution characteristics of temperature(a) and salinity(b) in the surface layer of the surveying sections

由图4可见，调查海区3条断面盐度的垂直分布均在650 m水深附近处有1个明显的分界点，该处海水盐度最低，最低值为33.8，其分布规律与北太平洋中层水团(表1)的低盐特征相吻合。盐度从表层到650 m水深附近大体呈现随着深度增加而减小的规律，而650 m以下变化趋势则相反，盐度随深度增加而增大，变化范围总体介于33.8～35.3之间。断面1和断面2部分站点表层海水的盐度略有波动，盐度垂直分布曲线呈Z字形，这是因为这些站点50 m以浅盐度随深度变化有少许增加，但幅度不大，均在0.3以内。海区表层海水盐度在南北方向上变化不均，规律性不强，而在东西方向上，大致随经度的增加而增大，即断面3表层盐度最高，断面2次之，断面1最低(图3b)，主要原因在于越往东越接近于北亚热带中部表层水，它的主要特性是高盐(表1)。

图4　各调查断面盐度垂直分布Fig. 4　Salinity profiles of each sectiona：断面1(23.0°N～32.0°N，146.0°E)；b：断面2(22.5°N～31.5°N，150.0°E)；c：断面3(20.5°N～29.5°N，158.0°E)a：section 1(23.0°N～32.0°N，146.0°E)；b：section 2(22.5°N～31.5°N，150.0°E)；c：section 3(20.5°N～29.5°N，158.0°E)

由声速剖面图分析可知，断面1(图5)大约以30°N为分界线，以南海区表层海水声速值明显高于30°N以北海区，高声速值区域主要集中在表层50 m以浅，断面上最高声速出现在23.0°N，146.0°E站点的20 m水深处，最高值达1 538 m/s。断面2和断面3表层也有着类似断面1的声速分布特征(图6和图7)，不同之处在于临界点逐渐向南偏移，断面2的临界点在26.0°N，150.0°E附近，而断面3的临界点则在25.5°N，158.0°E附近。调查断面的声速剖面总体分布(0～2 000 m)呈3段式结构，即声速先从表层向下随深度增加而减小；到一定深度之后维持在较低声速值达几百甚至上千米的厚度，该调查海域最低声速一般出现在1 000 m附近；再随着深度的增加，声速值又缓慢抬升。断面1水深750~1 300 m的范围内为低声速区，声速值基本保持在1 483 m/s上下浮动；断面2与断面3的低声速区在600 m至1 700 m之间，且声速值要比断面1更低，它们的低声速区水层厚度达1 100多米，最低声速值为1 479 m/s，相比最大声速值，相差了近59 m/s。各断面表层声速的分布遵循明显的规律，即随着纬度的降低声速不断增大(图8a)。

图5　断面1的声速剖面Fig. 5　Sound velocity profile of the section 1注：X轴上的标记为调查站点的位置，下图同Note: the points on X-axis mean survey stations，it is same in the following figures

图6　断面2的声速剖面Fig. 6　Sound velocity profile of the section 2

图7　断面3的声速剖面Fig. 7　Sound velocity profile of the section 3

图8　各调查断面表层声速(a)和密度(b)分布Fig. 8　Distribution characteristics of sound velocity (a) and density(b) in the surface layer of the surveying sections

从密度剖面图分析，断面1(图9)的密度特征与该断面声速分布情况相反，在30°N以南50 m以浅的表层区，存在1个比较明显的低密度区域，密度偏差值保持在23 kg/m3上下。在30°N以北和25°N以南的两端区域，海水密度随着深度增加显著增大，1 000 m左右到达最大值，再往下密度逐渐变小，断面2(图10)与断面3(图11)的变化规律与此相似。而在25.0°N～29.5°N之间，密度虽然呈现自上而下增大趋势，但变化非常缓慢，中间与两端的密度偏差值相差近6 kg/m3。断面2表层同样存在1个低密度区域，位于22.8°N～26.0°N之间，厚度有所增加，密度偏差低于断面1，最低值为22.5 kg/m3，该区域次表层水以下海水密度与两侧明显有较大差异。断面3的表层低密度区域不太明显，但在27.0°N～28.0°N之间250 m以下也存在1个与两侧密度值有较大变化的区域。调查海区表层海水密度的变化趋势与声速变化相反，即随着纬度的升高而变大，呈现南低北高的态势(图8b)。

图9　断面1的密度剖面Fig. 9　Density profile of the section 1

图10　断面2的密度剖面Fig. 10　Density profile of the section 2

图11　断面3的密度剖面Fig. 11　Density profile of the section 3

3.3水文要素的跃层分布特征

温跃层可分为两类：一类是主温跃层，也称永久温跃层，该温跃层常年位于较深的大洋中,且随季节变化较小；另一类是季节性温跃层，该温跃层一般位于临近大陆的边缘海，从春季产生并加强，到夏季达到最强, 秋季又开始减弱，冬季消失[5]。高飞 等[6]在研究台湾以东海域时对热带、副热带和温带采用的跃层判定标准分别为0.05、0.03和0.02 ℃·m-1，本文研究区对应于副热带和温带地区，为突出跃层性质，采用0.02 ℃·m-1为温跃层判断标准。上文提到，深海上层声速大小变化主要受温度变化影响，盐度和密度每变化1个单位对应的声速变化量分别只有1.14 m/s 和0. 017 5 m/s，对声速影响有限，故本文将重点研究调查海域的温度和声速跃层分布情况，其余2个要素不作讨论。对应于声跃层的研究，采用0.1 s-1为判定标准。图12~图14中将温度和声速梯度低于判定标准的数据进行剔除，可更直观地体现出调查海域的跃层性质。

图12　断面1温度(a)和声速(b)梯度剖面Fig. 12　Temperature gradient profile (a) and sound velocity gradient profile (b) in the section 1

图13　断面2温度(a)和声速(b)梯度剖面Fig.13　Temperature gradient profile (a) and sound velocity gradient profile (b) in the section 2

图14　断面3温度(a)和声速(b)梯度剖面Fig．14　Temperature gradient profile (a) and sound velocity gradient profile (b) in the section 3

总体而言，研究海域3个调查断面的冬季跃层(温跃层和声跃层)空间分布特征相当，南北变化较小。温跃层和声跃层最大强度分别约为0.6 ℃/m和3 s-1，均出现在35~65 m深度处。温跃层出现深度层次为30~600 m，其中150~300 m为非温跃层水层，这种分布从各断面的温度垂直分布图中(图2)也可以分析得出。该水层将温跃层分割为上下两个部分，上层温跃层强度大，厚度小；下层温跃层强度较小，厚度较大，且常年稳定(图12a，图13a和图14a)。由于深海浅层水声速主要受到温度变化的影响，故声跃层空间分布与变化特征与温跃层差别不大，图12~图14中声跃层与温跃层的分布差异主要是由于两者选定的评判标准不一致所致，同时声速还受到盐度和深度的影响。声跃层的最大强度约为3 s-1，所在水层与温跃层一致。

分析其物理机制不难发现，研究海域冬季表层水受到表层风浪搅拌的影响，30 m以上水层混合均匀，无跃层形成。上文中提到北亚热带中部表层水和北亚热带次表层水分别分布于150 m以上和300~400 m，这2个水团过渡水层与本文分析的非跃层水层对应较好。事实上，高飞 等[6]在台湾以东海域海温场和温跃层分析中发现在日本以南海域，存在暖水团，其主要受到黑潮涡旋因子和海底地形的共同作用所致，本文研究的区域离黑潮主流较近，且靠近日本以南海域，故同样可解释在该区域150~300 m存在的非跃层现象。

4结论

(1)第二岛链以东附近海域冬季温度随着深度的增加而减小，在750 m以浅温度随深度的变化下降较快，且降幅较大；750 m以深温度随海水深度的增大变化缓慢，且变化的幅度非常小。表层海水温度遵循严格的地理特征分布，随着纬度的降低而逐渐增大。

(2)盐度的垂直分布表现为在650 m水深附近处有1个明显的分界点，该处海水盐度最低，最低值为33.8，从表层到650 m水深附近盐度大体呈现随着深度增加而减小的规律，而650 m以深变化趋势则相反，随深度增加而增大。海区表层海水盐度在南北方向上变化不均，规律性不强，而在东西方向上，总体随着经度的增加而增大。

(3)声速剖面分布从表层向下随深度增加而减小，在1 000 m附近深度达到最小值，并且形成一条厚度达几百甚至上千米的低声速带；之后再随着深度的增加，声速值又缓慢抬升。

(4)密度分布特征显示研究海区表层存在一定范围的比较明显的低密度区，随着纬度的升高而变大，呈现南低北高的态势。垂直分布上同样存在一定范围的低密度带，且与两侧密度差异较大，其余密度分布随着深度增加显著增大，1 000 m左右到达最大值，再往下密度逐渐变小。

(5)研究海域冬季存在温度和声速跃层，空间分布特征类似，南北变化不大。跃层主要分布在30~150 m与300~600 m两个水层之中，上跃层强度大，厚度小；下跃层强度较小，厚度较大。温跃层和声跃层最大强度分别约为0.6 ℃/m和3 s-1，均出现在35~65 m深度处。

需要指出的是：受资料的限制，本文难以全面考虑第二岛链以东附近更广大海域温度、盐度、声速和密度的分布特性及随季节变化的规律，这有待日后更多的调查数据支持研究。

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Analysis on the characteristics of hydrological elements in the

easterly ocean nearby the second island chain in winter

ZHANG Sheng-jun1，GAO Fei2

(1.HydrologicalandMeteorologicalCenterofEastSeaFleet,Ningbo315122,China；2.Naval

InstituteofHydrographicSurveyingandCharting,Tianjin300061,China)

Abstract:Based on the conductivity-temperature-depth (CTD) data from the compositive survey in the westen Pacific, the distribution characteristics and change regularity of the temperature, salinity, speed of sound and density in the easterly ocean nearby the second island chain in winter have been analysed. Data were processed with average gridding methods by using a software named Ocean Data View (ODV), and the speed of sound and sound velocity gradient were obtained with the speed calculation method of Wilson and vertical gradient methods. Comprehensive analytic results indicate: the temperature are decrease as the depth increase, and the rate of change is obvious above 750 meters; however, the characteristics of vertical structure of salinity and speed of sound values are decrease first, and then increase downward from surface layer, which have different critical depth. There are two thermoclines in the sea area, the upper one is stronger and thinner than the under one.

Key words:the second island chain；winter；hydrological elements；distribution characteristics

通讯作者：*郑玉龙(1963-)，男，研究员，主要从事海洋沉积方面的研究。E-mail: siosoa@mail.hz.zj.cn

作者简介:舒雨婷(1989-)，女，浙江宁波市人，主要从事海洋沉积方面的研究。E-mail: yutingshu1989@126.com

基金项目:国家自然科学基金项目资助(41176045，41106045)；全球变化与海气相互作用专项项目资助(GASI-04-01-02)

收稿日期:2015-04-21修回日期:2015-06-28

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2015.04.006

中图分类号:P731.1

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2015)04-0053-08