琼东海域锋面特征初探

曹智勇，曹瑞雪，张书文，伊小飞，蒋 晨

（广东海洋大学海洋与气象学院// 陆架及深远海气候、资源和环境广东省高等学校重点实验室，广东 湛江 524088）

琼东海域锋面特征初探

曹智勇，曹瑞雪，张书文，伊小飞，蒋 晨

（广东海洋大学海洋与气象学院// 陆架及深远海气候、资源和环境广东省高等学校重点实验室，广东 湛江 524088）

2012年7月现场调查了海南岛东部陆架海（琼东海域），结合其中4个断面的实测数据和卫星遥感数据，探究该海域 2012年海表温度锋面的季节性变化以及夏季锋面结构特征。研究表明，琼东海域温度锋面的季节性变化明显，强锋面中心会随季节变化。夏季锋面主要分布在上升流区，是典型的上升流锋面，锋带宽20～40 km，大致沿100 m等深线，随深度增加锋面强度减小，位置向外海移动。

琼东海域；陆架海；锋面

海洋锋面是相邻水团之间狭窄的过渡区域，也是陆架边缘海普遍存在的重要现象。锋面不稳定产生的诸多中尺度、次中尺度过程对海气相互作用以及陆架海域生态环境效应具有十分重要的意义和作用［1-4］。

琼东海域，即海南岛东部和广东省西部的陆架海，位于南海的西北部。该区域海岸线大致呈西北-东南走向，等深线几乎与岸线平行，且水深变化较大，陆架从西北向东南迅速倾斜。夏季盛行西南季风，冬季盛行东北季风，风向大致与岸线平行。影响该海域的海流主要有向西的粤西沿岸流和东北向的南海暖流，且终年存在［5-8］。此外，夏季琼东沿岸还存在上升流，前人关于琼东海域的调查和研究主要集中在琼东上升流及其控制机制，近些年来关于该海域锋面的研究越来越多。王东晓等研究表明琼东海域表层温度锋的季节性变化非常明显：在冬、春两季，温度锋面稳定且强烈，夏季较弱，秋季锋面基本消失［11-13］。此外，经志友等对此海域做了中尺度调查，发现上升流锋面受风应力控制，沿岸风应力和锚定温度记录有一个延迟相关［14］。以往对琼东锋面的研究多是着眼于整个南海或南海北部的中尺度研究，本文聚焦琼东海域，试图找出该区域夏季上升流锋面的结构特征以及海表温度锋面的季节性变化特征，为开展琼东区域海洋锋面的动力过程及锋面混合的研究奠定基础。

1 数据与方法

2012年7月对琼东海域进行了现场调查，其中包括K、F、H和G4个断面，对此4个断面调查的时间为7月13-18日。站位分布如图1中蓝色“*”点所示，K断面有16个站位，F断面有17个站位，H断面有16个站位，G断面有14个站位，按离岸距离从小到大依次排序。站位设置在跨陆架方向水深小于150 m的区域平均间隔为5 km，水深大于150 m的区域间隔为15 km；在沿岸方向断面之间的间隔为25 km。温盐深数据的获取是用美国SeaBird海洋仪器公司出产的SBE 19plus温盐深仪（CTD），水平流场数据的获取是美国劳雷公司出产的哨兵型自容式声学多普勒流速剖面仪（ADCP）。CTD的深度分辨率为1 dbar，精度为0.5 dbar；ADCP精度为水流速度的±0.5%±5mm/s，被悬挂在水下6 m位置，垂向采样间隔为4 m。海表温度（SST）数据来源于NOAA海表面温度数据是由NOAA提供的多种数据融合的，主要融合了AVHRR，AATSR，SEVIRI，AMSRE，TMI 等卫星数据以及现场观测数据，时间分辨率为1 d，空间分辨率为6 km，下载地址：http://data.nodc.noaa.gov/ghrsst/L4/GLOB/UKMO/O STIA。

锋面的定义为水文要素变化急剧的区域，一般用水平梯度值来表征锋面强度。本研究采用Sobel梯度算法来获取锋面，该算法在求解中心点的差分值时也赋予临近网格方向上差分值以不同的权重，充分考虑了周围格点对中心点的影响，在一定程度上抑制了数据运算中产生的噪音，可以有效增强数字图像的边缘可视性［15-16］。其具体步骤是：首先用Sobel算子与SST卷积运算求得x和y方向的梯度值Gx和Gy，然后总梯度大小

其中

T表示要计算的那个点为中心3×3的SST矩阵。计算出梯度后，取梯度大于某临界值（阈值）的区域作为锋面的位置，梯度阈值的选定有很大的主观经验性，在不同海域或同一海域的不同季节稍有不同。本文中取阈值为0.025℃/km，即大于此临界值的区域确定为锋区。

图1 琼东陆架海地形Fig.1 Ttopography in the continental shelf of eastern Hainan Island

2 结果与分析

2.1 水体的温盐密特征

对琼东陆架海夏季航次观测的温盐数据进行处理，图2展示了10 m、20 m、30 m和50 m不同深度层上的温度、盐度和位势密度的分布情况。由图可知，水平变化趋势明显：近岸区域是低温、高盐、高密水，离岸区域相反。随着深度的增加，温度减小，盐度、位密增加，上层的低温高盐水逐渐向东北方向扩散，底层则完全被低温、高盐、高密的底层水占据。

图3展示了K、F、H和G 4个断面温盐密的垂向分布特征，总的趋势是等温线、等盐线和等密线都向岸抬升，尤其在水深100 m附近，等值线抬升非常明显，有“露头”的趋势。近岸一侧低温、高盐、高密，离岸一侧相反，次表层的近岸水比离岸水温度低6℃，盐度值高0.5。

图2 K、F、H和G断面温度、盐度和位密分布Fig.2 Distribution of temperature，salinity and potential density on sections K，F ，H and G

图3 不同深度上（10m，20m，30m，50m）温度、盐度和位密的水平分布Fig.3 Distribution of temperature，salinity and potential density at various depths（10m，20m，30m，50m）

2.2 锋面的三维结构

对2012年7月13-18日（调查期间）6 d的SST做平均处理并求其梯度，平均SST及其锋面如图4所示。本文中选取的梯度阈值为0.025℃/km（图4b中的黑色粗虚线），于是得到一条狭长的沿岸分布锋带，且位置大致在50～100 m等深线之间，宽度为20～40 km，靠岸一侧温度低，离岸一侧温度较高，两侧温差达2℃。锋强最大值为0.044℃/km，大值区出现在东部海域，也是上升流的中心区域［10，17］。

对现场的温盐数据求水平梯度，找出温盐锋面。选取了水深10 m、20 m和30 m 3层数据，如图5所示，锋面比较显著，温度锋面和盐度锋面的水平分布基本一致。10 m层的温盐锋面大致与100 m 等深线（图中细点线）重合，结合3层温盐锋面和SST锋面，可以看出锋面位置随深度增加逐渐向离岸方向推移，表现为一个向外海倾斜的锋面。就温度锋强而言，混合层的温度梯度要比海表温度梯度要大一个数量级，10 m层温度锋面最为强烈，随深度增加温度锋面强度逐渐减小。这种现象有两种解释：一是为上升流强度较弱，使得补偿的下层冷水没有“露头”；二是下层冷水到达海表后在短时间内被加热。考虑到琼东上升流的强烈和夏季海表的加热作用，我们认为主要原因是海表的加热过程使得上升到海表的冷水增温，直接导致了海表的水平温度梯度的减弱，最终比次表层小了一个数量级。

2.3 锋区流场特征

图6展示了12 m、32 m、52 m和72 m 4层的现场水平速度，海流在12 m层主要沿陆架向东北方向，即沿锋面方向，最大速度可达0.4 m/s；32 m层海水主要流向西北方向，下层海水主要向岸流动。在垂直方向上，海流方向由东北转向西北，呈现出逆时针变化的特征。由于锋面在上层比较强烈，随深度增加而减小，所以锋面对上层海水运动有较大影响，底层海水向岸流与主要受沿岸上升流控制。

图4 2012年7月13-18日6 d平均SSTa）及其锋面b）Fig.4 Six days average SSTa） and thermal frontb） from July 13 to July 18 in 2012

图5 10m、20m和30m水层的温度锋面（a-c）和盐度锋面（d-f）Fig.5 Distribution of thermal front（a-c） and haline front（d-f） at various depths（10m，20m，30m）

为了方便观察流场特征，我们对流场数据做了坐标转换（图6），即把u（纬向速度，向东为正）、v（经向速度，向北为正）分解为沿陆架（沿锋面）方向的速度V和跨陆架（跨锋面）方向的速度U。如图7所示，在较浅的水域内，由于风动量传至海底所需的时间很短，起风不久后，风应力将与底摩擦应力相互平衡，从而致海水的流向与风向一致［18］，所以在水深小于50 m的近岸区域存在比较强烈的沿岸风生急流。在水深100 m附近的锋区，沿锋面速度V较大，相对而言，跨锋面速度U要小得多，这与锋面急流有关。另外，U值为负表示跨陆架向岸运动，近岸水有出现明显的爬坡迹象，这主要与由琼东上升流引起的底层水补偿作用有关［19］。

图6 不同深度的流场Fig.6 The velocities at different depths

图7 水平流速在沿陆架方向（V）和跨陆架方向（U）的分布Fig.7 Distribution of Current vectors（U，V） on sections K，F，H and G

图8 琼东海域2012年各月份海表温度锋面Fig.8 Distribution of moon mean thermal front in the continental shelf of eastern Hainan Island in 2012

2.4 海表温度锋面的季节性变化

图8展示了2012年琼东海域各月份的SST锋面，SST锋面的季节变化非常显著，变化规律与前人的研究基本相符：锋面沿陆架分布，冬季锋面最强烈，春、夏两季依次减弱，秋季完全消失［11-13］。冬季（12、1、2月），受东北季风的影响，整个南海表层表现为气旋式环流，表层环流与西向的粤西沿岸流一起，在琼东海域与南海暖流相遇，形成了非常强烈的温度锋面，锋面中心出现在靠近海南岛东北岬角的区域；春季（3、4、5月），随着季风的逐渐转向，锋面强度有减弱的趋势，而且锋强中心逐渐向南移动；夏季（7、8、9月）锋面强度要比冬季弱很多，锋强中心不显著，表现为环海南岛锋带，其中琼东海域锋带更明显。在夏季锋面普遍消退的情况下，琼东海域能有相对较强的锋面带，这主要与夏季沿岸上升流有关：夏季西南季风引起艾克曼离岸输运，冷而咸的底层海水上涌补偿，加强了水平温、盐梯度［10，14，20］。秋季9、10月份的锋面基本消失，只有海南岛南端和琼州海峡西侧有零星的非常弱的锋面，到了11月份，锋面又逐渐在海南岛东北岬角附近地发展起来。

罗琳等对北部湾对北部湾海表温度锋面的季节性变化和年际变化进行了研究，发现锋强与SST距平（SSTA）有一定的响应关系［21］。与海南岛西侧的北部湾对比，琼东海域的变化特征稍有区别：北部湾的最强锋面出现在春季，而且要明显强于其他季节；而在琼东海域，冬季、春季的锋面都很强烈，无论从锋面范围和锋面强度来说，冬季要略强于春季。

3 讨论和结论

本文结合实测数据和遥感数据，主要探究了琼东海域夏季锋面的结构特征和以及海表温度锋面的季节性变化。

琼东夏季锋面属于典型的上升流锋面，近岸区域是上升流抬升的高盐、高密冷水，离岸区域为高温、低盐暖水。SST锋面基本与实测温盐锋面位置基本对应，在100 m等深线附近30 m以浅区域构成一个倾斜的锋面：随深度增加温度（盐度）锋面强度会减小，并且锋面位置向离岸方向移动。本研究中最强锋面出现在次表层，次表层温度锋面要明显强于海表温度锋面，可能的原因为上升流没有“露头”或者是到达海表的冷水在短时间内被加热，考虑到琼东上升流的强烈和夏季海表的加热作用，笔者认为后者是主要原因。

本文中用Sobel算法来提取海表温度锋面，得到了2012年琼东海域各个月份月平均SST锋面。与前人对南海或南海北部SST锋面的季节性变化研究结果对比，本研究中与前人研究的大、中尺度变化特征基本相符：海表温度锋面沿陆架分布，锋面的季节变化非常显著，冬季锋面最强烈，春、夏两季依次减弱，秋季完全消失，夏季锋面主要分布在上升流区。此外，还具有一些区域性的变化特征：春季锋面也很强烈，稍弱于冬季，且锋强中心从冬季到春季有逐渐从海南岛东北岬角向南移动的趋势。

锋面过程非常复杂，除了受上升流影响外，锋面本身的不稳定会诱导非地转次级环流，次级环流及其混合效应对跨锋面、跨跃层物质的交换以及能量的耗散有重要影响［3，4，22］。陆架海是开展锋面动力学研究的天然实验室，本文只是对琼东陆架海锋面的初步研究，关于锋面次中尺度上的动力演变特征、过程与机制，有待结合风场、湍流等观测和高分辨率数值模拟，开展更加细化的观测研究。

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（责任编辑：任万森）

A Preliminary Study of Frontal Characteristics in the Continental Shelf of the Eastern Hainan Ⅰsland

CAO Zhi-yong，CAO Rui-xue，ZHANG Shu-wen，YI Xiao-fei，JIANG Chen
（Guangdong Key Laboratory of Climate，Resource and Environment in Continental Shelf Sea and Deep Sea，College of Oceanology and Meterorology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

A hydrological investigation was conducted in the shelf of the eastern Hainan Island in July 2012.With the in-situ measurements from four cross-shelf sections and satellite data，the seasonal variability of sea surface thermal fronts and their structural characteristics of fronts are discussed.The results indicate that the seasonal variability of the thermal fronts is obvious，and the intense fronts are mostly distributed in the upwelling area，roughly following the 100m isobath in summer.The width of the frontal zone is 20 - 40 km.With the increase of depth the fronts fade and the spatial position moves offshore.

East of Hainan island； shelf sea； fronts

P731.1

A

1673-9159（2016）03-0082-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.03.014

2015-03-02

国家自然科学基金（41476009，41106012，41276006）；“全球变化与海气相互作用”专项资助（GASI-IPOVAI-04）

曹智勇（1989—），男，硕士研究生，研究方向为物理海洋学。

曹瑞雪，男，讲师，研究方向为海气相互作用。E-mail： cao_ruixue@163.com