南海温跃层深度计算方法的比较

姜　波，吴新荣，丁　杰，张　榕

（1.国家海洋技术中心，天津　300112；2.国家海洋信息中心，天津　300171；3.国家海洋局海洋环境信息保障技术重点实验室，天津300171）



南海温跃层深度计算方法的比较

姜波1，吴新荣2，3，丁杰1，张榕1

（
1.国家海洋技术中心，天津300112；2.国家海洋信息中心，天津300171；3.国家海洋局海洋环境信息保障技术重点实验室，天津300171）

摘要：基于1986-2008年的中国近海及邻近海域再分析产品（CORA）气候平均海温资料，分别运用S-T法、垂向梯度法和最大曲率点3种温跃层定义计算了南海温跃层上界深度，揭示了南海温跃层季节变化特征。对3种不同定义确定的温跃层上界深度进行比较发现：采用不同定义计算南海温跃层上界深度存在差异，S-T法确定的温跃层上界深度最浅，垂向梯度法其次，最大曲率点法最深；在深水区（水深>200 m）运用S-T法计算的温跃层上界深度与垂向梯度法的结果比较一致，都与实际温跃层深度符合较好；在浅水区（水深<200 m），垂向梯度法和最大曲率点法可以准确判定无跃区，但对于温跃层深度计算，3种定义误差均较大。

关键词：温跃层；S-T法；垂向梯度法；最大曲率点法

温跃层是海洋中的一种重要物理现象，研究和掌握温跃层的基本特征，无论对于海洋中的物质扩散、湍流热扩散和内潮理论研究，还是海上渔业生产、潜艇活动、水声探测和水下通讯等都有重要意义。而由于南海地理位置的重要性，研究和掌握该海区的跃层特征就具有更重要的意义。

对于南海温跃层的特征，许多学者从不同方面进行过大量研究。徐锡祯等（1993）利用1907-1990年南海大面调查资料，分析了南海温跃层特征，并将温跃层分为辐射型和不同水体叠置型两种类型；陈希等（2001）利用21层海温再分析资料，分析了我国南海北部海区温跃层的强度、深度及厚度的季节变化特征，结果表明在南海陆架浅水区存在着随季节变化明显的辐射型温跃层；贾旭晶等（2001）利用1998年5-6月定点观测资料用垂向梯度法和S-T法2种定义计算了混合层和温跃层，并对结果进行了对比分析；杜岩（2004）用Levitus气候平均的温盐资料，分析了南海混合层和温跃层的季节变化特征，研究表明控制南海混合层和温跃层季节动力演变最重要因素是风；周燕遐等（2004）分别利用南海海域BT资料和南森站资料比较了温跃层三项示性特征，结果表明，两种类型的调查资料在计算浅温度跃层强度和上界深度上有较明显区别，但规律不明显，对深温度跃层特征值的计算结果差异不明显；兰健等（2006）基于MOODS数据，利用GDEM模式分析了南海温跃层深度的空间分布特征和季节变化规律，结果表明南海环流和多涡结构对南海温跃层具有显著影响；蒋国荣等（2011）利用Levitus逐月再分析海温资料，通过对南海北部沿几个主要经向和纬向剖面的温跃层特征逐月变化进行分析，研究了南海北部海域温跃层的逐月变化特征；方雪娇等（2013）利用SODA数据分析了南海温跃层深度的季节变化特征，剖析了厄尔尼诺事件中引起南海温跃层深度异常的主要原因。

常用的温跃层计算方法有：（1）S-T法（Sprintalletal，1992；王东晓等，2001；贾旭晶等，2001；吴日升等，2002；杜岩，2004；张媛等，2006）；（2）等温线深度代替温跃层深度（Rebertj etal，1985；Robertetal，1991；Pascale etal，1992；Nancy etal，1996；Antsetal，1997；Bin et al，1999；Harrison et al，2001；Liu et al，2001；HEIN etal，2004）；（3）垂向梯度法（徐锡祯等，1993；陈希等，2001；贾旭晶等，2001；周燕遐等，2004；兰健等，2006；张义钧等，2007；殷建平等，2008；张旭等，2008；蒋国荣等，2011；方雪娇等，2013）；（4）最大曲率点法（Lietal，1983；姜波，2006）。上述研究除少数学者（吴巍等，2001；贾旭晶等，2001；张媛等，2006）对不同定义判定的温跃层进行比较外，大部分研究者采用单一定义来研究温跃层特性。本文基于中国近海及邻近海域再分析产品（CORA）的23 a气候平均海温资料（韩桂军等，2009），分别利用S-T法、垂向梯度法和最大曲率点法3种不同定义计算了南海温跃层，比较了不同定义确定温跃层的共同点与差异。

1资料与处理方法

1.1研究区域和资料介绍

南海位于亚洲东南部，是一个半封闭的深水海盆，形状似一个东北—西南走向的菱形，也是我国最大、最深的边缘海（图1）。南海平均水深约为1 200 m，最深处5 377 m，位于马尼拉海沟南端（谢以萱，1981）。

图1　南海海域等深线分布图（单位：m）

本文研究的区域为南海海区，具体范围：3°N-24°N，104°E-122°E。文中使用的数据为2009年版CORA再分析产品的多年气候平均逐月温度资料，该资料时段是从1986年1月-2008年12月，共23 a的月平均资料，海区范围为10°S-52°N，99°E-150°E。该资料在垂直方向上共有25层，分层如下：2.5，10，30，50，100，150，200，250，300，400，500，600，700，800，900，1000，1 100，1 200，1 300，1 400，1 500，2 000，3 000，4 000，5 000 m；水平分辨率为0.5°×0.5°。CORA再分析产品使用普林斯顿广义坐标系统海洋模式POMgcs，同化的观测资料包括南森采水器、CTD、各种BT和Argo浮标的温盐廓线观测数据，以及多源卫星观测海面高度异常（SSHa）和卫星遥感海面温度（SST）等资料（韩桂军等，2009）。韩桂军等（2009）对该海洋再分析产品进行了初步检验，包括再分析要素大面分布趋势、要素断面分布对比、与验潮站水位观测资料的比较、与海流观测资料的比较、温盐分布的误差统计和比较、海洋涡旋和温度锋再现效果分析。检验结果表明，本再分析产品基本能够再现中国近海及邻近海区的有关海洋过程和海洋现象（韩桂军等，2009）。

1.2温跃层深度的判断方法

对CORA再分析资料我们重新进行了质量控制，去掉了层次较少（少于3层）的数据，然后用三次样条方法（徐锡祯等，1993；王东晓等，2001；杜岩，2004）将各标准层温度数据在垂直方向插值成1m间隔的数据。因为本文关注温跃层，上层海洋垂直方向只取到500m，文中采用下列3种常用的温跃层定义来计算南海温跃层上界深度。

定义1：S-T法

用海表温度（SST）减去0.5℃确定温跃层上界深度（Sprintalletal，1992）。

定义2：垂向梯度法

根据《海洋调查规范》（张义钧等，2007）规定的温跃层判定方法：自海表面向下，温度梯度> 0.05℃/m（水深>200m，下文记为深水）或0.2℃/m（水深<200m，下文记为浅水）所在深度为温跃层上界深度。

定义3：最大曲率点法

根据温度剖面曲线的曲率变化，查找曲线曲率的极值点（极值点应大于温跃层临界值——深水0.05℃/m，浅水0.2℃/m），确定温跃层上下界（Li etal，1983）。

2南海温跃层深度的水平分布及其季节变化特征

图2-图4分布给出了4个季节典型月份（1月、4月、7月和10月）3种不同定义（S-T法、垂向梯度法和最大曲率点法）下南海温跃层深度的水平分布。

（1）冬季

冬季（1月份），南海温跃层深度的分布有4个主要特征：①温跃层深度全年最深；②温跃层深度南浅北深，但北部湾和广东、广西近海为无跃层；③在南海西北陆架海域形成高值区，高值区边界处的温跃层梯度较大；④3种不同温跃层定义下在南海东部（吕宋岛西北部）、东南部（巴拉望岛周围海域）和南部（加里曼丹岛西北）分别存在1～3个低值区。冬季南海温跃层深度全年最深是由于南海海面盛行东北季风，风速较大，风应力搅拌作用加强是影响南海温跃层深度的主导因素，同时，冬季海洋表层温度低也有利于海水的混合。温跃层深度的高值区和低值区的形成可以用Ekman漂流理论来解释（兰健等，2006；方雪娇等，2013），在Ekman输运作用影响下，冬季东北季风引起海水向西北方向进行质量输运，由于大陆架的阻挡，海水在西北部堆积，从而使混合层变厚，温跃层深度增加；同样由于Ekman水平输运效应，东北季风引起海水向西北方向的质量输运，使南海东部、东南部和南部海域上层海水流失，由于岛屿的存在，得不到水平方向海水的补充，致使混合层变薄，出现温跃层低值区。

（2）春季

春季（4月份），是由冬季风转向夏季风的过渡季节，此时，南、北气流处于交换阶段，风向显得凌乱、多变和不稳定，春季是南海风速最小的季节（孙湘平，2008）。由于风速小，风应力引起的混合层也浅，温跃层平均深度全年最浅。温跃层深度分布比较均匀，在南北方向和东西方向均没有明显差异。

（3）夏季

夏季（7月），南海盛行西南季风，太阳辐射最强，上层海水温度升高，不利于垂向混合的发展，因此温跃层深度依然较浅。夏季南海温跃层深度水平分布有一显著特点：自中南半岛到台湾岛南部存在一条SW-NE走向的分界线，其西北部温跃层深度平均值明显小于东南部。其原因同样可以由Ekman漂流解释（兰健等，2006；方雪娇等，2013），因为西南季风引起海水向东南方向的质量输运，分界线西北部由于亚洲大陆的阻挡，海水只能从垂直方向补充，使温跃层深度变浅，而分界线东南部由于海岛的阻挡，使得温跃层变深。

（4）秋季

秋季（10月份），是夏季向冬季的过渡季节，夏季温跃层由东南到西北逐渐加深的分布规律开始消失，其空间分布已初步显示出冬季特性。与春季相比，风速较大，由于风力的搅拌作用，使秋季温跃层在整体上比春季深。在中南半岛中部至海南岛南部海域出现温跃层深度低值区。

以上南海深水区温跃层（S-T法和垂向梯度法）的季节变化特征与前人（兰健等，2006；方雪娇等，2013）的研究结果基本相符，从侧面验证了本文中使用的CORA再分析资料和计算方法（S-T法和垂向梯度法）的可信度。对于南海浅水区，温跃层季节特征和部分前人（兰健等，2006）的研究成果有所不同，除了采用的数据不同外，其根本原因是本文严格按照《海洋调查规范》（张义钧等，2007）规定的温跃层判据（浅水区温跃层临界值0.2℃/m），而不是浅水区、深水区取统一的临界值（0.05℃/m）。

图2　基于S-T法的南海温跃层深度水平分布（单位：m）

3南海温跃层上界不同定义的讨论

3.1南海温跃层平均深度和温跃层存在比例

表1是南海温跃层上界平均深度。表中分别给出了利用S-T法、垂向梯度法和最大曲率点法3种不同定义下确定的各季南海温跃层上界平均深度。由表1可知：不同定义确定的温跃层上界平均深度，均为冬季最深，春季最浅，与徐锡祯等（1993）、蓝健等（2006）、方雪娇等（2013）研究结果吻合。除冬季浅水区外，其它季节各区都是S-T法确定的温跃层上界最浅，垂向梯度法其次，最大曲率点法最深。

图3　基于垂向梯度法的南海温跃层深度水平分布（单位：m）

表1　南海温跃层上界平均深度（单位：m）

表2为南海存在温跃层的海区占总海区的百分比。由表2可知：①对于浅水区，冬季温跃层面积最小，特别是运用垂向梯度法和最大曲率点法计算的温跃层面积仅占浅水区总面积的7.3％，原因是冬季南海海面盛行东北季风，较大的风力搅拌作用在浅水区可以直至海底，温跃层消失；夏季垂向梯度法和最大曲率点法确定的温跃层面积最大，占总面积的39.0％，和冬季相比增幅达4倍多；S-T法计算的温跃层则是秋季面积最大（67.5％），夏季稍小（67.2％）；②对于深水区，不同定义得出的温跃层均超过深水区总面积的98.8％，表明南海水深区温跃层常年存在，具有永久性跃层的特征。

由表1和表2可以得出以下4点结论：①通常S-T法确定的温跃层深度最浅，垂向梯度法其次，最大曲率点法最深；②用垂向梯度法和最大曲率点法定义温跃层，其温跃层存在的海域一致，但温跃层上界深度不同；③浅水区，垂向梯度法和最大曲率点法2种定义下温跃层发展可以分为4个阶段，分别为无跃期（冬季）、成长期（春季）、强盛期（夏季）和消退区（秋季）；④3种温跃层定义计算结果均表明南海深水区温跃层为常年存在的永久性跃层。

图4　基于最大曲率点法的南海温跃层深度水平分布（单位：m）

2

表2　南海存在温跃层的海区占总海区比例（单位：％）

3.2 115°E断面温跃层计算

为了更清晰了解南海温跃层的季节特征，选取115°E断面的垂直温度剖面（王东晓等，2001），该断面包括深水区和浅水区，图5是南海115°E断面温度垂直剖面图，图中标明了4个季节典型月份该断面3种不同定义确定的温跃层上界深度。

冬季（图5a），温跃层上界平均深度全年最深，径向结构是自南向北逐渐加深。3种定义确定的温跃层上界深度在南部（6°～7.5°）差别不大，偏差在3～9m之间；S-T法和垂向梯度法确定的温跃层上界深度在中部（8°～17°）较接近，相差在0～6m范围内，但是与最大曲率点法计算的上界深度相差较大，平均超过35m；3种定义计算结果在北部（17.5°～21°）差别明显，S-T法确定的温跃层上界平均深度是50m，而垂向梯度法和最大曲率点法确定的温跃层上界平均深度分别为83 m和122 m；浅水区（21.5°～22°），使用垂向梯度法和最大曲率点法确定温跃层，该区为无跃层区，而利用S-T法确定温跃层则有50％的海域存在温跃层。

春季（图5b），温跃层上界平均深度全年最浅，南北之间较为均匀。用S-T法计算所得断面各位置温跃层上界深度变化不大，在7～24 m之间；垂向梯度法确定的温跃层上界深度除11°～13°之间有明显增加外，其它位置也变化不大，集中在6～26m范围内；最大曲率点法在中部（8.5°～17°）与其余2种定义确定的温跃层上界深度差异显著，平均深度相差超过55m；浅水区（21.5°～22°），使用垂向梯度法和最大曲率点法确定温跃层，结果与冬季一致，为无跃层区，而利用S-T法确定温跃层则存在温跃层。总体而言，S-T法和垂向梯度法确定的温跃层上界深度符合较好，平均相差仅有1m。

（图待续）

夏季（图5c），温跃层上界平均深度较春季有所增加。S-T法和垂向梯度法确定的温跃层上界深度仍具有良好的符合性，平均相差仅有3m；在中部（7°～17°）最大曲率点法与其它2种定义计算温跃层上界深度差异较春季虽有所降低，但仍超过35m；3种定义下，浅水区（21.5°～22°）均存在温跃层。

秋季（图5d），除中部（8°～11°）外，用S-T法和垂向梯度法计算的温跃层上界深度差别不大，平均相差不足3m；除南部（6°～6.5°）外，最大曲率点法与其它2种定义计算的温跃层上界深度有较大差异，分别相差45 m和53 m；北部浅水区（21.5°～22°），3种定义确定的温跃层，与春季具有相同的规律。

图5　南海东经115°断面温度垂直剖面图（实线—S-T法确定的温跃层上界；虚线—垂向梯度法确定的温跃层上界；点划线—最大曲率点法确定的温跃层上界）

3.3几个特殊格点温跃层分析

为了比较不同位置使用3种不同定义计算温跃层深度的优劣，在115°E断面上选取冬季（19.5°N，115°E）、春季（20.5°N，115°E）、夏季（20.5°N，115°E）和秋季（8.5°N，115°E）4个格点来研究温跃层上界深度，图6为上述4个格点的温度-深度垂向分布图。

图6a为1月份（19.5°N，115°E）温度-深度垂向分布图，该点水深1 300m，属深水区。图中实线为S-T法确定的温跃层上界深度线（57m），虚线为垂向梯度法确定的温跃层上界深度线（95m），点划线为最大曲率点法确定的温跃层上界深度线（129m）。从图中温度随深度的变化趋势来看，其温跃层上界深度十分明显，S-T法确定的温跃层上界深度较其它2种定义显然更为合理，特别是129m处的水温值要比表层水温低3.96℃，将2.5～129m看作一近似温度均匀层（混合层）明显不合适。

图6b为4月份（20.5°N，115°E）温度-深度垂向分布图，该点水深100 m，属浅水区。从温度-深度垂向分布图可以看出，2.5～6m和48～94m存在着2个混合层。该格点温度垂向梯度最大值位于水深23m处，仅有0.16℃/m，低于浅水区最低指标0.2℃/m，因此用垂向梯度法和最大曲率点法来确定温跃层，属于无跃层区，而用S-T法确定的温跃层上界深度为13m，较6m存在较大差异。

图6c为7月份（20.5°N，115°E）温度-深度垂向分布图，该点与图6b位置一样。从温度-深度垂向分布图可以看出，上混合层在2.5～7m范围内，而用S-T法、垂向梯度法和最大曲率点法确定的温跃层上界深度分别为13m、21m和26m，水深21m和26m比表层水温分别低0.92℃/m和3.07℃/m，因此3种方法均存在较大误差。

图6d为10月份（8.5°N，115°E）温度-深度垂向分布图，该点水深1500m，属深水区。用ST法、垂向梯度法和最大曲率点法确定的温跃层上界深度分别为20m、46m和84m。从图中温度随深度的变化趋势来看，相对于S-T法和最大曲率点法，运用垂向梯度法确定的温跃层上界深度更为合理，而84m处的水温值要比表层水温低5.67℃，将2.5～84m作为混合层显然不合适。

3.4讨论

通过对南海115°E断面多年月平均CORA资料的综合分析，可以看出：在水深大于200m的深水区，采用S-T法和垂向梯度法计算所得温跃层上界深度整体差别不大，沿断面总体变化趋势基本一致，个别位置（如图6a、图6d）要确定相对合理的结果，应根据研究的目的具体问题具体分析；在水深小于200m的浅水区，垂向梯度法和最大曲率点法对于无跃层区的判定较为准确，但对于温跃层上界深度的计算，3种定义均不理想，原因是CORA再分析资料分层较厚，在浅水区其垂向分辨率无法满足温跃层判定需求。

图6　温度-深度垂直分布图（实线—S-T法确定的温跃层上界；虚线—垂向梯度法确定的温跃层上界；点划线—最大曲率点法确定的温跃层上界）

4结论

综上所述，可以得出以下结论：

（1）南海温跃层上界深度有明显的季节变化：冬季南浅北深，温跃层上界全年最深；春季最浅，南北深度几乎一致；夏季以中南半岛到台湾岛南部为界，北浅南深；秋季是夏季向冬季的过渡季节，其温跃层上界空间分布已初步显示出冬季特性。

（2）在南海的深水区，温跃层上界深度的确定采用S-T法和垂向梯度法是合适的。

（3）在南海浅水区，垂向梯度法和最大曲率点法对于无跃层区的确定是合理的，但对于温跃层上界深度的计算3种定义所得结果均不理想。

然而，在利用CORA资料来确定南海深水区的温跃层上界深度时，S-T法和垂向梯度法有时也会产生差异，如图6（a）、图6（d）所示。此时就需要根据温度-深度垂直分布图结合研究的目的来认真考虑，以确定相对合理的结果。

致谢：徐辉奋、武贺等也为文章提供了帮助，国家海洋信息中心提供CORA产品（http：//www.cora.net.cn），在此一并致谢。

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（本文编辑：岳心阳）

Com parison on them ethodsof determ ining the depthsof therm ocline in the South China Sea

JIANG Bo1,W U Xin-rong2,3,DING Jie1,ZHANG Rong1
（1.NationalOcean Technology Center,Tianjin 300112,China;2.NationalMarineDataand Information Service,Tianjin 300171,China; 3.Key LaboratoryofMarine Environment Information Technology,StateOceanic Administration,Tianjin 300171,China）

Abstract：Based on the sea temperature of China Ocean Reanalysis (CORA) from 1986 to 2008,the depths of the upper limitof thermocline in the South China Sea are calculated by using threemethods,and the seasonal variation characteristics of the thermocline are studied.Threemethods for determining the depths of thermocline are compared in detail.The results show that the depthswhich are obtained by using differentmethodsare different;the depth determined by the S-T method is the shallowest;the depth from the verticalgradsmethod is shallower;and that from high gradientmethod is the deepest.The depth calculated by the S-T method is almostequal to that calculated by the vertical gradsmethod in the deep water area (thewater depth>200m) and the resultsare quite satisfactory under various seasons.The S-T method and the high gradient method can accurately determine no thermocline area in the shallow water area (the water depth<200 m),but for the thermocline depth calculation,alldefinition errorsof threemethodsarebig.

Keywords：thermocline;S-Tmethod;verticalgradsmethod;high gradientmethod

作者简介：姜波（1978-），男，硕士，助理研究员，主要从事海洋能研究。电子邮箱：qdjiangbo@163.com。

基金项目：国家海洋局海洋环境信息保障技术重点实验室开放课题（2014-2015）。

收稿日期：2014-12-25；

修订日期：2015-04-08

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.01.009

中图分类号：P731.24

文献标识码：A

文章编号：1001-6932（2016）01-0064-10