基于WOA13数据的东海黑潮主轴温度锋特征分析

党振中，周立佳，刘建斌，董慧超，牛洪暄，刘 昕

（海军大连舰艇学院，辽宁　大连　116018）

基于WOA13数据的东海黑潮主轴温度锋特征分析

党振中，周立佳，刘建斌，董慧超，牛洪暄，刘 昕

（海军大连舰艇学院，辽宁大连116018）

利用WOA13（1955-2012年）月平均数据提取东海黑潮主轴温度锋信息，并结合海表面温度、PN断面温度结构的季节变化特征，研究东海黑潮主轴温度在垂直方向和水平方向的季节变化，探讨黑潮主轴温度锋季节变化特征，为开展黑潮相关研究提供基础。结果表明WOA13数据对东海黑潮主轴温度锋信息的提取具有较好的效果；在PN断面上，冬、春季节的流核结构最为明显；在130～170 m深度上，东海黑潮主轴温度锋具有明显的季节变化特征，并且可以明显看到黑潮大弯曲的存在；温度锋在150 m上下的深度对黑潮路径的表征较为合理。

东海；黑潮；SST；PN断面；温度锋；WOA13

黑潮起源于菲律宾以东海域，跨过台湾岛以东的宜兰海脊，携带着大量的热量流入东海，经过日本的九州岛南部的吐噶喇海峡流出东海，进入日本以南海域，在东海区域内，黑潮会沿着大陆架外缘朝东北方向流动。国内外学者对东海黑潮进行了大量的研究，指出黑潮流量以及流幅的季节变化和年际变化，黑潮流量夏季大，秋季小，流幅遵循春、夏宽，秋、冬窄的变化规律，且黑潮大弯曲存在年际变化［1-6］。随着计算能力的提升，近年来不断有学者利用数值预报模式对东海黑潮进行研究分析，取得了显著的进展［7-11］。

黑潮温度锋位置是黑潮的一个重要特征，对于海雾、海冰、水声传播、我国东部的旱涝状况以及渔业生产都有密切的关联。黑潮温度锋季节性变迁规律的研究，对于国民经济和军事等诸多方面都有重要的意义。目前，开始有学者利用黑潮温度锋对黑潮等环流的中尺度特征进行分析。李威等［12-13］采用再分析手段，系统分析了台湾以东黑潮锋时空变化规律及其形成变化规律，以及海洋涡旋和锋面波动对台湾以东黑潮锋的影响。Christopher等［14］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。王磊等［15］利用卫星遥感资料对南海北部温度锋的分析。孙晓宇等［16］基于MGIS与MODIS SST数据对黑潮温度锋特征进行分析。

目前，海洋锋动力学尚未完全建立，且缺乏黑潮流域长期连续的断面观测，因此对黑潮主轴温度锋的相关研究还相对较少。本文主要研究东海黑潮主轴温度锋季节变化特征，并探讨温度锋对黑潮位置的表征能力，为开展黑潮相关研究提供基础。利用卫星数据可以提供大面同步实时观测，能提供大范围、连续性的海洋要素，但是卫星数据仅能提供表层或浅层的黑潮特征，而黑潮作为三维水体，仅对表层的研究无法表征黑潮的特征。利用观测数据分析黑潮能够反映三维信息，但是存在时空上的不连续。针对卫星数据及观测数据在温度锋研究方面的不足，本文采用WOA13数据（详见1.1）作为黑潮温度锋分析的主要数据。

1　数据来源与分析方法

1.1数据来源

本文使用的气候态温度数据来自WOA13（World Ocean Atlas 2013）1955-2012年的月平均数据，空间分辨率为0.25°。WOA13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最新数据集产品，包涵全球多种海洋要素数据，分为年平均、季节平均、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°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。

1.2黑潮分析方法

1.2.1PN断面本文中选取的PN断面（图1）东起27°30′N、128°15′E，西至30°30′N、123°15′E，与纬线成37°交角。PN断面横切东海黑潮主干，在对东海黑潮的调查研究中PN断面是观测时间最长、最系统、最著名的一个断面，也是表征东海黑潮强度以及时空变化的重要标志。

图1　PN断面位置

1.2.2海洋锋海洋锋实际上是大洋中不规则的立体水团，水团两侧海洋要素差异明显，且这样的水团其表面形态与两侧要素梯度均随季节发生改变。要清晰描述海洋锋需要同时考虑空间位置、锋强度、时间三种要素。这首先需要对海洋锋进行空间提取得到锋区位置信息。

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以及基于小波分析的锋提取方法等，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。SHENFU DONG等［17］在研究南极极地锋时采用绝对梯度来确定锋区强度。本文利用绝对梯度的方法对海洋锋进行提取分析，其中绝对梯度的定义为：

式中：X为分析的海水物理参数（温度，盐度及密度）。在对海洋锋进行提取时，采用了阈值判别的方法进行海洋锋的提取。通过提取某一深度上海水物理参数绝对梯度超过某一阈值的位置，得到了较为清晰的海洋锋位置，进而确定黑潮的路径变化。

从屋盖结构功能出发，本工程阀厅大跨度屋盖不仅是空间上的围闭结构，也是单轨吊车及电气设备的承载结构，这就要求屋盖结构必须具备较大的竖向承载力和刚度，网架结构整体性好，内力分布均匀，结构整体刚度较大，而管桁架内力分布较为集中，相同结构高度的情况下刚度比网架要小。

黑潮暖流及其与大陆架冷水相遇形成的海洋温度锋是东海最显著的水文特征，锋区的海温梯度可反映海洋锋强度，梯度越大，则海洋锋越强。因此，提取温度锋研究东海黑潮主轴温度季节变化特征。以作为温度锋的判别标准，利用WOA13多年平均的月平均数据，对116°E～137°E，17°N～41°N范围内的研究海域提取温度锋信息。

2　东海黑潮主轴温度结构特征分析

2.1海表面温度的季节变化特征

图2　WOA13数据的气候态海表面温度

文中以（a）、（b）、（c）、（d）代表的1、4、7、10月份分别表示冬、春、夏、秋季（下同）。图2为研究海域气候态冬、春、夏、秋季海表面温度空间分布。SST存在明显的季节变化，1月份SST自南向北逐渐递减，自吕宋海峡开始，有一股较强的暖水舌向东北方向扩展；东海外海黑潮主轴的暖水舌沿琉球岛链由西南向东北延伸；同时，渤、黄、东海受东亚冬季风的影响显著，冷空气经过海面，使表层海水迅速降温；在东海东北部有一支暖水舌深入黄海，在黄海西南部海区有一冷水舌延伸到长江口的外海。4月份的SST较1月份有了明显的升高，东海外海黑潮主轴上的暖水舌温度也有明显升高，其变化趋势与1月份相差不大，随着东亚冬季风的减弱，渤海、黄海、东海温度变化趋于平缓是冬季型温度分布向夏季型温度分布的过渡时期。7月份SST达到了一年中的最高值，东海黑潮的趋势不明显，与其两侧的水温没有明显的区别，特别是在台湾以东的海面，温度水平差异不明显；而在日本以南以东的海面暖水舌相对比较明显。10月份整个区域的SST已经较7月份有明显的减退，黑潮路径不明显。对海表面温度的分析表明，WOA13数据对东海黑潮的路径和强度季节变化特征的表征具有较好的效果。

2.2PN断面温度结构季节变化特征

为研究东海黑潮水下的温盐结构，本文选取位于黑潮路径上的PN断面（位置见图1）。

图3利用WOA13逐月月平均资料提取的PN断面温度剖面

图3利用WOA13逐月月平均资料提取的PN断面温度剖面。从中可以看出，黑潮主轴上有非常强的暖水，尤其是在1月和4月非常明显，在两侧的海水有很强的温度梯度，且4月份其流核结构十分明显，黑潮主轴的强度较大。7月份，海水表层的温度都非常高，温度梯度不是很明显，10月份，随着高温水的南退，黑潮主轴的暖水特征又再次出现。对于PN断面，深层水的水温变化不是很大，全年的温度特征都比较一致。从PN断面的温度结构分析中，我们发现冬、春季节PN断面流核结构最为明显。

2.3温度锋时空变化分析

本文利用WOA13逐月月平均资料提取了不同深度的温度锋的季节分布。提取70 m，100 m，130 m，150 m，170 m，200 m等6个深度的温度锋。为更好地展示季节变化特征，在70 m，100 m深度以作为温度锋的判别标准。

从图4中可以看出，在70 m以及更浅的海洋表层，温度锋出现在台湾北部至日本以南海域连线的位置，且温度锋范围较广。该深度温度锋季节变化特征明显，东海温度锋范围在春季达到最大，冬季次之，在秋季温度锋范围最小。黑潮温度锋范围的变化反映了东海黑潮主轴海洋锋强度存在季节变化并且海洋锋在春季最强。台湾以南以东海域是大面积的高温区，其温度梯度较小，未能提取温度锋的信息。

图4　图中阴影表示70 m深度黑潮温度锋

温度锋随着深度增加，移动的方向也与等深线分布有关。图5中100 m深度的温度锋与70 m深度处的特征基本一致，其位置较表层向东南方向偏移，更加接近黑潮主轴的路径；春夏季温度锋锋区较秋冬季要宽，符合黑潮流幅春、夏宽，秋、冬窄的变化规律［5］；但是在100 m深度不能体现连续的东海黑潮路径，在低纬度海域受太阳辐射影响强烈，温度水平梯度变化不大。

图5　图中阴影表示100 m深度黑潮温度锋

图6～图8表明，在130～170 m的深度，温度锋可以较好地表征东海黑潮主轴路径的季节变化特征，可以明显看到黑潮大弯曲的存在；在150 m的深度温度锋对黑潮路径的表征最为合理。台湾存在较强的上升流，且台湾以东沿岸水深变化剧烈，上升的冷水在较短的经距内与高温的黑潮水相汇，形成较强的水平温度梯度，由此在台湾以东近岸产生黑潮温度锋，且在150 m深度黑潮温度锋最为明显；同时在冬季，由于上升流和黑潮流量较弱，导致二者的混合作用较弱，从而导致冬季温度锋相对其他季节较弱。

图6　图中阴影表示130 m深度黑潮温度锋

图7　图中阴影表示150 m深度黑潮温度锋

图8　图中阴影表示170 m深度黑潮温度锋

图9　图中阴影表示200 m深度黑潮温度锋

图9给出了200 m深的温度锋，可以看出其季节变化特征不明显，且随深度的增加温度锋逐渐减弱至完全消失。在图3中PN断面温度剖面上，也可以看出深层海水的水平变化趋于平缓，对应图中黑潮温度锋减弱并最终消失。

3　结论与讨论

本文利用气候态WOA13多年平均月平均数据提取东海黑潮主轴温度锋，并结合PN断面温度剖面以及海表面温度特征，研究东海黑潮主轴温度在垂直方向和水平方向的季节变化，探讨黑潮主轴温度锋季节变化特征，并探讨温度锋对东海黑潮主轴路径的表征能力。主要结论及讨论概括如下：

（1）通过对海表面温度的分析，表明WOA13数据对东海黑潮的路径和强度季节变化特征的表征具有较好的效果。

（2）冬、春季节PN断面黑潮流核结构最为明显。

（3）在130~170 m深度上，温度锋可以较好地表征东海黑潮主轴路径的季节变化特征，可以明显看到黑潮大弯曲的存在；温度锋在150 m上下的深度对黑潮路径的表征较为合理。

（4）文中主要对PN断面以及海洋锋进行温度场结构分析，未从盐度场以及流场等方面对结论进行验证，是未来需要进一步完善的部分。

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Analysis on the Characteristics of the Kuroshio Temperature Front in the East China Sea Based on WOA13 Data

DANG Zhen-zhong，ZHOU Li-jia，LIU Jian-bin，DONG Hui-Chao，NIU Hong-xuan，LIU Xin
Dalian Naval Academy，Dalian 116018，Liaoning Province，China

As an important part of the north Pacific subtropical circulation，Kuroshio is a high-temperature，highsalinity west boundary warm current.This paper extracts the characteristics of the PN section temperature structure of Kuroshio front using WOA13 data，so as to study the seasonal variations of Kuroshio temperature front respectively in the vertical direction and horizontal direction，and discuss the characteristics of changing Kuroshio front in the East China sea，providing the basis for related research on the Kuroshio.Results show that the WOA13 data have a good effect in extracting the variation characteristics of the temperature front of Kuroshio.On the PN section，the nuclear structure of the flow is most obvious in winter and spring.In the depth of 130 to 170 m，the temperature front has a marked feature of seasonal variation，and the Kuroshio big bend clearly exists.The depth around 150 m is most suitable for characterizing the path of Kuroshio.

East china sea；Kuroshio；SST；PN section；ocean front；WOA13

P731

A

1003-2029（2016）04-0026-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.04.005

2016-01-19

党振中（1992-），男，硕士，研究方向为军事海洋环境保障及作战应用。E-mail：dangazhong@163.com