本格拉上升流锋时空变化特征研究

刘建斌，张永刚

本格拉上升流锋时空变化特征研究

刘建斌，张永刚

（海军大连舰艇学院，辽宁大连116018）

本格拉上升流区域作为大西洋东边界上升流区域，对于区域乃至全球气候均有重要影响；同时上升流区域处于非洲南部与拉丁美洲相近，战略地位重要。海洋锋作为海洋中尺度现象对海汽相互作用、生物多样性，水下声传播等均有较大影响。因此，对本格拉上升流锋时空分布、锋强度季节变化具有较高的科研、经济和军事价值。通过WOA13季节平均数据对上升流锋区三维空间分布特点，锋强度分布季节变化等方面进行了分析。分析结果表明：本格拉上升流锋锋轴线随深度增加逐渐偏离海岸，锋轴线位置随季节改变摆动幅度不大；本格拉上升流锋强度分布具有明显的南北差异，呈现南强北弱的特点，且在浅层温度锋强度有较大季节差异，锋强度垂直方向上最大值位于30~90 m水层内。

本格拉上升流锋；锋强度；时空变化；WOA13

本格拉上升流是由于大尺度离岸风作用产生的，是世界大洋重要的东边界上升流区域，形成的本格拉寒流也是著名的大洋东边界流，对全球气候产生重要影响。此外，本格拉上升流加速了深海与浅海热量、物质交换，使得这一海域成为世界上最具生物活力和多样性丰富的地区之一，其渔业资源丰富（Pauly et al，1995）。因此对于这一区域的研究具有较大的学术价值和经济价值。而海洋锋作为大洋中海水剧烈变化的区域，对于区域海水温盐分布、中尺度涡形成有着重要影响 （Xie et al，2002）。除此之外，海洋锋对于水下声音传播影响作用不可忽略，锋区水平方向上的剧烈变化会引起声线的折射 （Geoges et al，1987），菅永军等（2006）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最大能达20dB，这些都对水下及水面舰艇的活动产生影响，而且随着国家利益向南部非洲国家与拉美洲国家延伸，本格拉上升流锋研究的军事价值必将会进一步凸显。

目前对于本格拉上升流锋区的研究主要集中在上升流产生机制、对上升流动力学模型构建以及海汽相互作用等。如Wolfgang（1999），以及João等（2012）对本格拉上升流建立了较完备的数学、物理模型，Tim等（2015）研究了海表面风对上升流的作用。

然而，国内外对于本格拉上升流锋的研究还比较少，有限的研究也仅限于对表层海洋锋的研究，缺乏对海洋锋三维结构变化的描述，如Cayula等（1992）利用边缘检测的方法对卫星图像进行锋面提取，对于上升流的季节变化情况研究也较少。因此，本文利用三维温度、盐度季节平均格点数据，对本格拉上升流温、盐锋分布范围以及强度时空变化特点等进行研究。

1　数据与锋面分析方法

1.1数据介绍

WOA13（World Ocean Atlas 2013）是来自美国国家海洋大气管理局（NOAA）国家海洋数据中心（NODC）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°、0.25°3种，在深度上，利用内插值的方法，从表层到最大深度5500m分为102层（Boyer，2013）。区别于卫星数据只能研究表面海洋锋的缺点。WOA13数据是WOA系列的最新产品，能达0.25°在分析精度上更优。

本文选用1955-2012年季节平均0.25°网格温度（Locarnini et al，2013）、盐度（Zweng et al，2013）数据分析非洲南部西海岸海洋锋。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（张伟等，2014）以及基于小波分析的锋提取方法（薛存金等，2006），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。而 Shenfu等（2006）在研究南极极地锋时采用绝对梯度来确定锋区强度，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。何琰等（2011）也利用类此方法对北欧海面锋轴线进行提取，分析了其位置变化信息并与实测数据得到的结论相一致。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：

由于本格拉上升流锋是大致沿经线方向分布，因此在对其进行锋轴线提取时，首先计算锋区每条纬线（间隔1/4纬度）最大值，然后将锋区纬线最大值依次连线得到锋区锋轴线，也就是说锋轴线的选取是依据其强度而不是空间位置。如果相同纬度下对应多个极大值点，则取最东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，在本格拉上升流区域内两个相邻网格点的实际距离约为14海里，因此选作强度的距离标准。

2　本格拉上升流温度锋

如图1所示为30m水深处非洲南端西岸等温线分布图，从图1中可以看出西岸附近等温线比较密集，是上升流作用显著的区域，上升流区域冷水与大西洋暖水存在较大的温度梯度具有海洋锋现象，称作本格拉上升流锋。本格拉上升流锋作用范围大，其南北跨越近20个纬度（15°S-35°S）且四季存在。

图1　30 m水深处等温线分布

整体来看，在南半球大西洋1-3月份上层海水温度较高，因而与上升流之间的温度差较大，等温线密集，锋区范围和强度较大。反之在7-9月份上层海水温度较低，形成的上升流锋区和强度相应减弱，呈一定的季节变化特点。而在100 m以深，这种季节变化差异不大，主要是由于较深层海水四季温差不大。这点可以从等温线的时空分布图中可以看出，如图2、3所示分别为32°S处30 m和100 m沿纬线方向各月份的等温线分布图。

图 2　32°S纬线断面30 m水深处等温线时空分布

从图2中可以看出在7-10月份，锋区以西区域温度比其他月份低，因而在上升流区域形成的等温线较稀疏，说明锋强度变弱；在100 m水深处，锋区以西区域海水温度随季节变化不大因而锋强度相对稳定。从图2-3中可以看出，大西洋暖水团对锋强度的影响较大。

锋轴线是锋区内极值的连线，因而能反映锋区极值分布情况，同时又能表现锋区的位置信息。本文利用绝对梯度纬线最大法提取本格拉上升流温度锋的锋轴线，依次对不同水深锋轴线进行提取，以30 m处为例如图4所示为四季锋轴线分布图。整体看锋轴线分布季节差异不大，但是对比不同水深锋轴线位置，发现随着深度的增加锋轴线向离岸方向移动，如图5为200 m时的锋轴线分布，较30 m处锋轴线向西移动了近1个经度的距离。从图5中还能看出，其锋轴线季节摆动较大，说明随着深度增加锋区极值分布差异开始增大。

导致锋轴线出现随深度偏离海岸的原因主要是由于地形因素影响，从图6中28°S纬线断面中可以看出，上升流沿着陆架上升，携带的底层冷水团在陆架边缘与暖水团相汇，后上升到大陆坡与暖水团相汇因而浅层陆坡处要比深层陆架处离海岸线更近，锋面大致与陆坡平行。

从图1、2、3及图6中可以看出，锋区等温线在水平方向上和垂直方向上分布均不均匀，为了研究强度的空间变化，本文从水平和垂直两个方向对强度变化情况进行讨论。

将表层至水深400 m处各层四季锋轴线强度分别画出，以35 m水深处为例，如图7所示，横坐标表示锋轴线对应的纬度位置，纵坐标分别表示不同季节锋轴线的强度。从图7中可以看出锋轴线强度较大的区域在30-33°S内，其中1-3月份锋轴线强度较大，7-9月份锋强度最小，1-3月份最大值1.577℃/14 n mile是7-9月份最大值0.4145℃/1 4 n mile的3.8倍，这与图2中所表现的等温线稀疏情况是一致的。此外，4条强度走势线大致相同说明各季节锋轴线上强度的水平分布变化特征相似。

图 3　32°S纬线断面100 m水深处等温线时空分布

图4　15 m水深处锋轴线位置分布

图5　200 m水深处锋轴线位置分布

为探究锋轴线上强度随深度变化情况以17°S、25°S、30°S以及32°S为例，如图8所示为锋轴线上强度随深度的变化图。从图中可以看出锋轴线强度随深度呈现先增高后减小的特点。1-3月份最大强度对应的深度在35 m左右，35 m以深强度开始逐渐降低；其它月份最大强度对应的深度多在40~ 90 m附近。此外，32°S处200~300 m水深处存在一个增加的趋势，主要是受地形因素影响，这一水深处在大陆坡边缘，等温线线发生较大弯曲，因而锋强度增大。

图 6　28°S温度断面

图 7　四季锋强度纬度分布

图 8　锋强度随深度的变化

3　盐度度锋

上升流携带的底层低温低盐海水，不仅能够产生温度锋，其盐度锋现象也较为明显，如图9所示为表层盐度线分布，从图9中可以看出盐度锋区位置、走势大致与温度锋相同，分布范围四季差异并不明显。此外，24°S附近上升流作用显著，使其盐度锋区较大。

垂直方向上，盐度锋轴线随深度增加同样具有远离海岸的特征，且随着深度的增加盐度锋区逐渐减小，主要集中在28°S以南区域且离岸较远，至15°E附近，如图10为375 m时的等盐度分布图。此时锋区范围及强度较浅层海水均有减弱。

对锋区锋轴线进行提取并获取锋轴线上强度分布特点，以125 m水深处锋强度分布为例，如图11所示。

从图11中可以看出，盐度锋在125 m水深处同样存在南北分布不均匀的特点，而强度的季节差异不明显，各季节最大之间的差值不大。对比温度锋轴线分布图（图7）发现在锋区强度较大的区域（33°S-28°S）锋强度分布曲线摆动较为剧烈，经线方向上存在多个极值。这主要是由于沿岸地形复杂，不同纬度的上升流会因为地形因素会在不同水深出现垂向锋强度最大值，从而导致在水平方向上呈现极值多而分散的特点。

选取图8中锋区锋轴线上的点，画出其强度随深度的变化图，如图12所示。

在1-3月份与4-6月份锋强度整体看是呈现随深度逐渐减小的特点，也有一些区域如32°S处，锋强度在250左右有小幅度增加其后逐渐降低；在7-9月份与10-12月份强度随深度呈现先增加后减小的特点，7-9月份强度最大值对应的深度在60-75 m左右。从图12中同样可以看出锋强度的南北差异，在17°S、25°S处锋主要集中在200 m以浅且强度比30°S与32°S处要低。

图9　表层等盐度线

4　结论

本格拉上升流锋主要是上升流作用携带的深层低温、低盐海水与浅层海水混合产生的。采用绝对梯度表示锋强度，用极值法提取锋轴线，能很好表现锋轴线的时空分布特点。锋强度方面，虽然WOA13季节平均数据计算出的锋强度值要小于真实锋强度值，但是由此得到的锋强度时空变化特征，强弱分布规律等信息仍是可靠的。本文主要有以下结论：

图10　375 m水深处等盐度线

（1）本格拉上升流锋主要沿经向分布，锋区作用范围在上升流区域，南至34°S，北至14°S附近，经线方向最远可达10°E附近；受到地形因素作用，温、盐锋随着深度增加分布位置呈现远离海岸的趋势，且锋轴线分布季节差异开始增大。温度锋随深度增加呈现先增加后减小的特点，锋强度较大的深度在35~90 m内；盐度锋1-6月份表层锋强度最大，之后随着深度增加逐渐减小，7-12月份最大锋强度位于60~75 m之间。

图11　四季锋强度纬度分布

图12　锋强度随深度的变化

（2）水平方向上，锋轴线强度南北分布不均匀，锋强度较大的区域主要集中在30-33°S附近，温、盐锋轴线摆动较剧烈说明锋区极值分布分散，主要因为不同纬度的上升流会因为地形因素会在不同水深出现锋强度最大值。

（3）温、盐锋强度水平分布及垂直分布各季走势大致相同，说明其强度空间具有一定的稳定性。锋强度季节差别主要体现在温度锋强度大小上，在浅层（100 m以浅）受海水温度的影响，温度锋在1-3月份（南半球夏季）锋强度值最大，在7-9月份（南半球冬季）锋强度值最小，两者之间最大值差别在3.8倍左右；而在深层温度锋季节差异不明显。

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（本文编辑：袁泽轶）

Study on temporal and spatial variation characteristics of Benguela upwelling front

LIU Jian-bin，ZHANG Yong-gang
（Dalian Naval Academy Liaoning，Da lian，116018，China）

Benguela upwelling region is the Atlantic eastern boundary upwelling region，which has an important impact on the regional and global climate；at the same time，this region in the South Africa has an important strategic position，similar to Latin America.Ocean fronts have great impact on the air and sea interaction，biological diversity and underwater acoustic communication.Therefore，the temporal and spatial distribution of the front position and the front intensity of seasonal variation have the high value in the scientific，economic and military fields.This paper used the WOA13 season database to analyze the characteristics of frontal zone spatial distribution and front intensity distribution etc.The position of the front moves away from the land as the depth increases，and has little change in different seasons.The front strength distribution of Benguela upwelling has obvious regional difference in the distribution which is higher in the south area and lower in the north，and there is a large number of seasonal differences in the intensity of the thermal fronts at the shallow layer，and the maximal value in the vertical is at 30-90 m depths.

Benguela upwelling front；front intensity；temporal and spatial variation；WOA13

刘建斌（1991-），男，硕士研究生，从事世界大洋中尺度海洋锋研究，电子邮箱：ljbliujianbin@126.com。

P76

A

1001-6932（2016）03-0340-11

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.013

2015-04-20；

2015-06-29