丹麦海峡海洋锋时空变化特征研究

刘建斌,张永刚

(1. 海军航空兵 胶州场站， 山东 青岛 266300； 2. 海军大连舰艇学院， 辽宁 大连 116018)



丹麦海峡海洋锋时空变化特征研究

刘建斌1,张永刚2

(1. 海军航空兵 胶州场站， 山东 青岛 266300； 2. 海军大连舰艇学院， 辽宁 大连 116018)

摘要:丹麦海峡海洋锋可为局地气候变化、海峡鱼类分布以及海峡中尺度涡等方面研究提供参考，在军事领域也具有较高应用价值。然而目前国内外缺乏对于丹麦海峡锋的系统研究。本文利用WOA13数据，对丹麦海峡锋位置、强度空间分布以及相应的季节变化进行了分析。结果显示，锋轴线位置在34°W以西150 m以浅相对稳定，34°W以东锋轴线随深度和季节均有摆动。锋强度在水平和垂直方向分布不均匀，水平方向上锋轴线最大值与最小值差值一般在3倍以上。垂直方向盐度锋主要集中在100 m以浅，且强度随深度不断减小；温度锋强度最大值在表层以下且在300 m以深随深度增加锋强度减小，但有一些区域如27°W和28°W附近，受到海底地形的影响温度锋强度随着深度的变化有大幅度增加的特点。

关键词:丹麦海峡锋；锋轴线；时空变化特征；WOA13

0引言

丹麦海峡处于格陵兰岛与冰岛之间，是大西洋中连接北冰洋的西部通道。低温、低盐的东格陵兰寒流与北大西洋暖流在丹麦海峡相汇形成强度较大的温、盐锋面[1]，称作丹麦海峡海洋锋(简称丹麦海峡锋)。由于丹麦海峡锋是由冷暖水团交汇形成，锋面附近海温梯度值较大，海表面温度之间的热量交换差异会对附近气候产生重要影响[2]。丹麦海峡锋与丹麦海峡鱼类分布[3]、丹麦海峡中尺度涡形成[4]等关系密切。因此，研究丹麦海峡锋有较高的海洋气象学、海洋动力学以及海洋渔业学价值。除此之外，海峡锋对于水下声音传播影响作用不可忽略，如锋区水平方向上的剧烈变化会引起声线的折射[5]，菅永军 等[6]利用二维PE模型通过对黑潮锋区实测数据的分析认为有无锋区的声传播损失差别最大能达20 dB，这些因素都会对潜艇及水面舰艇的活动产生影响。丹麦海峡靠近北极圈附近，战略地位重要，因此对其海峡锋的研究还有很高的军事价值。

然而，目前国内尚无对于丹麦海峡锋的相关研究，国外针对丹麦海峡锋的系统研究也相对较少。因此，本文利用WOA13数据对丹麦海峡温、盐锋锋面空间位置、强度分布以及相应的季节变化特征进行研究。旨在为锋区水下声传播分析提供参考，为丹麦海峡锋研究以及丹麦海峡锋与其它领域之间的交叉研究提供基础。

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，包涵全球多种海洋要素数据，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，包含多种实测数据，空间分辨率有5°、1°和0.25°三种，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[7]。区别于卫星数据只能研究表面海洋锋，以及实测数据不能对海域进行全覆盖的缺点，WOA13数据可以对海洋锋三维结构、锋强度变化特征以及时间变化特征等进行分析。

本文选用1955-2012年季节平均0.25°网格温度、盐度数据分析丹麦海峡锋。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，因此本文出现的强度一般都比实际值小，但是WOA13数据在表现锋区，特别是锋轴线上位置、强度的变化特点上具有较好的效果，可以分析强度随空间的分布特点，随季节的变化规律等。

1.2锋面分析方法

海洋锋表现在图像上具有弱边缘性的特点，以往对于海洋锋的提取多采取图像边缘处理的方法，如基于Candy和数学形态的方法[8]以及基于小波分析的锋提取方法[9]等，但这些方法不仅计算量大且不能表现锋区强度信息，提取的锋轴线模糊，与实际有一定的偏差，对于网格化数据并不实用。DONG et al[10]在研究南极极地锋时采用绝对梯度经线最大值连线的方法确定锋轴线并取得了很好的效果。因此本文参考上述方法对锋面进行提取分析，其中绝对梯度的定义为：

(1)

式中：X为分析的海水物理参数：温度和盐度；x和y分别表示网格数据代表的纬线方向距离和经线方向距离。

海洋锋区水团在广阔海洋中可以看作是一个由经度、纬度和深度决定的三维锋面，而且随着时间变化不断发生形变。直接对锋面进行研究比较困难，也很难清晰描述锋面的空间变化。可利用锋轴线表示锋面与水平面的交线，以此来研究锋面空间变化，并用锋轴线强度作为锋面强度变化的参考。因此，本文对每层水深处锋轴线依次进行提取，从水平方向和垂直方向对锋轴线位置和强度变化特征进行分析。

在对丹麦海峡锋进行锋轴线提取时，首先计算锋区每条经线(间隔1/4经度)最大值，然后将锋区经线最大值依次连线得到锋区锋轴线，也即锋轴线的选取是依据其强度而不是空间位置。由于丹麦海峡锋可看作是北部冷水团向南侵入的过渡区域，为了使锋轴线能表现冷水团向南作用的范围，若在相同经度下对应多个极大值点，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，在丹麦海峡内两个相邻网格点的实际距离约为13 n mile，因此选作强度的距离标准。

2结果和讨论

丹麦海峡处于东格陵兰岛海流与大西洋暖流交汇处，低温低盐水团与高温高盐水团的交汇使丹麦海峡附近温度、盐度梯度增大，形成明显的海洋锋现象，这一区域等温线和等盐度线密集。依次作出从表层至水深700 m(100 m内间隔5 m，100 m以深间隔25 m)每层等温线和等盐度线分布图，图1和图2为15 m水深各季节的等温线和等盐线。

从图中可以看出丹麦海峡锋在34°W以东，锋轴线大致与纬线平行；34°W以西，其锋区大致沿东格陵兰岛海岸分布；且在63°N以南，锋区只于4—12月存在。本文主要针对63°N以北丹麦海峡锋进行研究。

2.1丹麦海峡温度锋

利用绝对梯度表示锋区强度，依次将经线绝对梯度最大值进行连线，代表锋区温、盐锋轴线。本文依次提取表层至700 m水深内各层锋区温度锋轴线，图3为以15 m水深为例的四季锋轴线分布图。由图可知，整体上锋轴线摆动并不强烈，有些区域季节之间差别不大，如37°W～34°W附近锋轴线； 34°W以东锋轴线大致在66°N附近摆动。

图1　15 m水深处等温线分布Fig.1　The distribution of isotherm at the depth of 15 m

图2　15 m水深等盐度线Fig.2　The distribution of isohaline at the depth of 15 m

图3　15 m水深处温度锋轴线位置分布Fig.3　The distribution of temperature front axis at the depth of 15 m

为了探究水平温度锋轴线随深度的变化特点，依次作出15、50、100、150以及250 m水深四季锋轴线，如图4所示。对比各个季节锋轴线垂向变化特点，可以看出在水深150 m以浅，34°W以西锋轴线大致沿海岸方向分布，且变化不大；34°W以东锋轴线随着深度增加逐渐向北偏移。在150 m以深锋轴线整体呈现向南移动的趋势，如图4中250 m温度锋轴线分布。

由于每条经线上对应一处温度锋轴线，因此锋轴线的空间信息可以用经度与深度来表示，由此得到不同水深、不同季节锋轴线上锋强度信息。图5～图7所示分别为15、30以及150 m处锋轴线强度分布图，图中横坐标表示锋轴线对应的经度，纵坐标分别表示不同季节锋轴线强度。从图中可以看出，锋轴线强度在水平方向上分布很不均匀；各条曲线走势相差较大也说明，不同季节水平方向分布特征也各不相同。整体看锋强度较大的锋区主要集中在28°W～34°W和39°W～40°W 2个区域，季节之间强度存在较大差别。水平方向上温度锋强度差异值较大，如15 m水深4—6月锋轴线强度最大值为0.87 ℃/13 n mile，其最小值为0.218 ℃/13 n mile,相差近4倍。

图4　不同季节温度锋轴线垂向变化Fig.4　The temperature front axis distribution varies with depths in different seasons

图5　15 m水深处四季温度锋强度的纬度分布Fig.5　The latitudinal distribution of temperature front strength in four seasons at the depth of 15 m

图6　30 m水深处四季温度锋强度的纬度分布Fig.6　The latitudinal distribution of temperature front strength in four seasons at the depth of 30 m

图7　150 m水深处四季温度锋强度的纬度分布Fig.7　The latitudinal distribution of temperature front strength in four seasons at the depth of 150 m

为了研究温度锋强度在垂直方向上的变化特点，以25°W、27°W、28°W、31°W以及39°W处温度锋轴线强度为例，对其700 m内变化特点进行分析，如图8所示。从图中可以看出在水深300 m以浅各区域锋轴线强度变化趋势大致相同，整体呈现先增加后减小的特点，增加的幅度较小，但最大强度对应的深度值一般在表层以下。300 m以深一些区域已经是海底，但在27°W及28°W附近随着深度增加强度增加且变化速率较快，如27°W附近在4—6月从水深400 m至550 m，锋强度从0.5 ℃/13 n mile增加至2.7 ℃/13 n mile。

图8　温度锋强度随深度的变化Fig.8　The temperature front strength varies with depths

27°W经线温度断面如图9所示，南北冷暖水团在66°N附近交汇，受到地形因素的影响在400 m以深锋区被限制在一段狭窄区域，温度梯度增加，锋强度增大，因此出现如图8所示的强度迅速增加现象。

图9　27°W温度断面Fig.9　The temperature section at 27°W

2.2丹麦海峡盐度锋

与温度锋类似，提取出锋区盐度锋轴线，分析其位置和强度的空间分布以及季节差异。图10为以15 m水深为例的盐度锋轴线分布。由图可知，在34°W以西盐度锋轴线季节摆动并不强烈，这点与温度锋类似；不同的是在34°W以东锋轴线季节摆动比较强烈，摆动幅度在1～2个纬度左右。如图11所示，盐度锋轴线位置随深度变化南北摆动，150 m以浅随着深度增加盐度锋轴线位置大致呈逐渐北移的过程。

图10　15 m水深处盐度锋轴线位置分布Fig.10　The distribution of salinity front axis at the depth of 15 m

整体来看，盐度锋轴线上强度水平分布同样有东西分布不均匀的特点，而且季节分布特征1—3月与10—12月相似，4—6月与7—9月相似。其中在1—3月与10—12月期间，盐度锋强度较大的区域在31°W附近；在4—6月与7—9月盐度锋轴线强度较大区域在38°W附近(图12)。

图11　不同季节锋轴线的垂向变化Fig.11　The salinity front axis distribution varies with depths in different seasons

图12　15 m水深处四季盐度锋强度的纬度分布Fig.12　The latitudinal distribution of salinity front strength in four seasons at the depth of 15 m

盐度锋强度随深度不断减小，且盐度锋强度较大的水深主要集中在100 m以浅，表层锋轴线强度最大；100 m以深，在一些区域如27°W盐度锋值随深度增大虽然略有提升但幅度不大(图13)。

图13　盐度锋强度随深度的变化Fig.13　The salinity front strength varies with depths

3结论

本文利用WOA13季节平均数据,采用绝对梯度表现锋强度，利用经线最大值连线表示锋轴线，对锋区锋轴线位置及强度分布特征进行了描述，并分析了其相应的季节变化，主要有如下结论：

(1)34°W以西温、盐锋轴线与东格陵兰岛海岸线平行且季节之间的摆动不明显；150 m以浅位置相对固定，150 m以深此区域锋轴线明显南移。34°W以东不同季节温度锋轴线大致在66°N附近摆动，盐度锋轴线季节之间差异较大；150 m以浅此区域锋轴线随着深度增加锋轴线逐渐向北移动，150 m以深开始逐渐南移。

(2)锋轴线上锋强度在水平方向分布不均匀，锋轴线上最大值与最小值之间差异较大，一般在3～5倍左右。温度锋的分布特征各个季节间差异较大(锋强度分布曲线相关性较低)；盐度锋的分布特征1—3月与10—12月相似，4—6月与7—9月相似。

(3)温度锋锋强度在垂直方向变化受到地形因素影响明显，从表层到300 m左右锋强度随水深有先增加后减小的过程，使得锋强度最大值在表层以下；300 m以深大部分区域锋强度逐渐减小，但也有一些区域由于受到海底地形的影响出现大幅度增加，如27°W和28°W附近。盐度锋随深度增大不断减小，且锋强度较大的锋轴线主要集中在100 m以浅；100 m以深27°W附近也有小幅度增加。

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收稿日期:2015-06-09修回日期:2015-11-24

作者简介:刘建斌(1991-)，男，山东潍坊市人，主要从事世界大洋中尺度海洋锋研究。E-mail：ljbliujianbin@126.com

中图分类号:P731

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2016)02-0001-10

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.001

Study on the temporal and spatial variational characteristics of Denmark Strait Ocean Front

LIU Jian-bin1, ZHANG Yong-gang2

(1.MeteorologicalObservatoryoftheJiaozhouStation,NavalAirForce,Qingdao266300,China;2.DalianNavalAcademy,Dalian116018,China)

Abstract:Denmark Strait Ocean Front(DSOF) has higher value in oceanographic research, such as provides a reference to the research on local climate change, fish distribution and the mesoscale eddy around the Denmark Strait. In addition, the research of the DSOF also has a higher application value in the military field. However, there has been lack of systematic research domestically and internationally for the DSOF. In this study, using WOA13 data, the location, spatial intensity distribution and the corresponding seasonal variations of the DOSF were analyzed. The results indicate that: the front axis at the west of 34°W is relatively stable above 150 m, whereas it varies with depths as well as seasons at the east of 34°W. The front intensity distribution is not uniform vertically and horizontally, and in general, the difference between maximum and minimum values are as higher as 3 times in the horizontal direction. The vertical salinity front mainly concentrates above 100 meters, and its intensity is decreasing with depth. The maximum value of temperature front intensity locates below the surface, and when the water depth is below 300 meters, it gradually decreases with the increase of water depth, but in some areas, such as at 27°W and 28°W, the front intensity increases quickly because of the affection of the bottom topography.

Key words:Denmark Strait Ocean Front; front axis; temporal and spatial variation;WOA13 database

刘建斌,张永刚.丹麦海峡海洋锋时空变化特征研究[J].海洋学研究,2016,34(2):1-10,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.001.

LIU Jian-bin, ZHANG Yong-gang. Study on the temporal and spatial variational characteristics of Denmark Strait Ocean Front[J].Journal of Marine Sciences,2016,34(2):1-10, doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.001.