阿拉伯上升流温度锋面时空分布特征分析

刘 鹏，张永刚，刘建斌

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116001；2.海军航空兵胶州场站气象台，山东 青岛 266300）

阿拉伯上升流温度锋面时空分布特征分析

刘 鹏1，张永刚1，刘建斌2

（1.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116001；2.海军航空兵胶州场站气象台，山东 青岛 266300）

阿拉伯上升流区域水文环境复杂，地理位置重要，研究该海区的水文特征具有重要的意义。基于WOA13数据，利用绝对梯度最大值法提取了锋面的锋轴线，简要分析阿拉伯上升流海区的温度锋的时空分布特征和强度分布特征。结果表明，阿拉伯上升流锋主要存在于春夏两季，沿阿拉伯半岛东海岸线分布，存在于13°N～19°N之间，随深增加锋轴线逐渐远离海岸。水平上锋强度较大地区位于夏季的13°N～16°N和19°N附近，垂直方向上锋强度较大地区位于40～100 m之间。

阿拉伯上升流锋；WOA13数据；锋轴线；锋强度

海洋锋一般是指特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带。狭义而言，有人将其定义为水团之间的边界线。广义而言，可泛指任一种海洋环境参数的跃变带，因而出现了诸如水温锋、盐度锋、密度锋、声速锋、水色锋、透明度锋，以及海水化学、生物等要素的海洋锋的称谓。海洋锋面对于海区的气候、海洋生物迁徙等有着重要影响，特别是海洋锋对水下声传播的影响，对于声呐探测技术的研究有着重要的意义。要想了解海洋锋面的声传播特点，对于锋面的空间结构以及锋强度分布特征的研究就必不可少，因此对海洋锋面的研究就显得尤为重要。对于海洋锋的提取，国内外都做过比较多的研究，薛存金等[3]提出了一种基于小波分析对海洋锋形态特征进行提取方法；张伟等[4]利用一种基于Canny和数学形态学的方法对海洋锋进行检测；平博等[5]提出了基于引力模型的海洋锋信息提取法；刘建斌等[6]提出了用锋面绝对梯度最大值连线法提取锋轴线。此外，也有许多利用卫星遥感数据对海洋锋进行观测提取的研究。

阿拉伯海位于印度洋西北部，其北部为阿曼湾，其西部经亚丁湾通向红海。随着中国在中东地区的商业贸易以及护航任务的日趋频繁，其战略地位也愈发重要。目前国内外对于这片海区的研究大多都集中在对阿拉伯上升流、亚丁湾中尺度涡等方面。如X.Yi,B.Hunicke等[7]对阿拉伯海的上升流与印度洋季风的关系进行了研究，M.A.Al Saafani等[8]对由阿拉伯海到亚丁湾向移动的中尺度涡进行了分析，Timothy R.Keen等[9]分析了西北阿拉伯海西南季风上升流、平流与初级生产力的相互作用，Amy S.Bower等[10]研究了亚丁湾中尺度涡旋对红海海水的影响，但对于阿拉伯上升流温度锋面的研究很少，也很少研究锋面对水声传播的影响。

本文利用WOA13数据，对阿拉伯上升流所形成的海洋锋面的时空分布特征及锋强度分布特征进行了研究。

1 数据及方法介绍

1.1 数据介绍

本文采用的是来自美国国家海洋和大气管理局（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WOA13数据（http://www. nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html）。该数据包括了全球从1955-2012年的温度、盐度、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐等海洋要素数据，时间上分为年平均、季节平均、月平均数据，空间分辨率有5°，1°，1/4°等3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，其中0～100 m每5 m一层，100～500 m每25 m一层，500～2 000 m每50 m一层，2 000～5 500 m每100 m一层。本文选用的是最新的WOA13数据温度资料，为1955-2012年的分辨率为1/4°的季节平均温度数据。

1.2 方法介绍

以往对于海洋锋的提取有着各种各样的方法，但这些方法都比较繁琐而且计算量较大，并且大多数是利用遥感数据分析海表面温盐场的锋面分布特征。SHENFU DONG等[11]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取得了较好的效果，刘建斌等[6]也在分析北大西洋流锋时用此方法提取了锋面并且分析了其时空分布特征。因此本文参考了上述方法，对阿拉伯上升流锋进行了提取分析。其中绝对梯度的定义为：

绝对梯度是某个点在4个方向上（北—南、东—西、东北—西南、西北—东南）的梯度的总和，而不是某个单独方向上的梯度，其中两点之间距离为0.25°（经/纬度）。本文所研究的阿拉伯上升流锋是一个南北走向的锋，先求得海表面上每个点的绝对梯度，然后提取出阿拉伯海西侧同一纬度上绝对梯度最大值的位置及大小。目前，海洋锋强弱的定量指标海洋学界尚未定论，区别锋强度大小级别的方法有多种，李凤岐等[12]给出了中国海域海洋锋面的最低标准为东海海区的0.05°C/nm；Cheney和Winfrey等[13]根据锋面两侧声速变化、混合层深度变化、锋面延伸的深度以及持续时间等因素将全球海洋锋分为了较强、中等、较弱三个等级，其中弱、中、强锋面对应的垂直于锋面的声速改变量（Δc/(ft·s-1)）分别为＞100，50～100，＜50，声层深度改变量（Δz/ft）分别为＞500，100～500，＜100，锋面延伸的深度（z/ft）分别为＞3 000，300～3 000，＜300。本文将锋强度的大小分为5个不同的级别，分别为0～0.1°C/nm，0.1～0.2°C/nm，0.2～0.3°C/nm，0.3～0.4°C/nm，＞0.4°C/nm，将其中同一级别锋强大小的点连接成线，就可以得到强弱不同的锋轴线，不同强度的锋轴线用不同颜色的线表示。

需要说明的是，WOA13数据是平均格点化的插值数据，数据之间的分辨率较低，因此在表现海洋锋强度上要比实际值要低，但是WOA13数据在表现锋区，特别是在表现锋轴线的位置及锋轴线上的锋强度的变化特点上具较直观明显的效果，并且可以分析强度随空间的分布特点，随季节的变化规律等特点。

2 分析与讨论

2.1 温度锋面及锋轴线的时空分布

由WOA13数据给出阿拉伯海域在各水深层的等温线，图1为水深75 m处的等温线，等温线间隔1°C。由图可以见，等温线异常密集的区域，就是海洋锋存在的区域。通过对比阿拉伯海等深线图（图2）可以发现等温线的分布与等深线分布类似，阿拉伯上升流存在区域的等深线比较密集，可见上升流的形成与海底地形有关。此外可以发现，春季在西阿拉伯海靠近阿拉伯半岛沿岸海区的200 m以浅海域，开始出现一个冷水团，在夏季时冷水团达到最大，秋冬两季冷水团消失。

图1 水深75 m等温线

图2 阿拉伯海等深线

通过提取出该海域各水深层上的温度绝对梯度，如图3～图4分别为水深75 m，85 m处的温度绝对梯度图。由图可见，1-3月和10-12月阿拉伯上升流存在区域的温度绝对梯度较小，因此锋面不明显，4-9月温度绝对梯度较大，锋面的南北跨度约7个纬度（13°N～20°N），东西分布于50°E～60°E，深度15～200 m之间。锋面在4-6月和7-9月的分布也较为不同：4-6月的锋面主要分布于阿拉伯半岛沿岸海区，7-9月的锋面则由浅至深逐渐向外海转移。此外，7-9月在亚丁湾内水深15～90 m之间，存在几个由中尺度涡旋造成的锋强较剧烈的锋面区域，这与Saafani等[8]研究的结果相同。

图3 水深75 m温度绝对梯度

图4 水深85 m温度绝对梯度

通过绝对梯度最大值连线法提取出4-9月的锋轴线。如图5～图6所示分别为40 m，55 m处的锋轴线图，因为一些强度较大的点分布比较离散，因此将不同锋强的锋轴线用不同颜色的点或线表示。由各水深层的锋轴线的分布可见：锋轴线走向大致与阿拉伯半岛东海岸线一致，其中0～0.1°C/14 nm级别的锋轴线主要分布在4-9月的21°N以北海域的各水深层，呈东北向沿着海岸线向阿曼湾延伸。0.1～0.2°C/14 nm级别的锋轴线主要存在于在4-9月30～150 m水深之间，纬度在14°N～20°N之间，主要沿着海岸线走向分布，从50 m水深开始，17°N以南区域锋轴线逐渐偏移到沿58°E经线分布。0.2～ 0.3°C/14 nm级别的锋轴线主要存在于7-9月20～ 125 m之间，纬度在13°N～19°N之间，从65 m水深开始，锋轴线开始向东南偏移并逐渐成经向分布，后主要集中在58°E经线、纬度13°N～15°N之间。可见南段的锋轴线由浅至深是呈远离海岸的趋势。

图5 水深40 m，4-9月锋轴线

图6 水深55 m，4-9月锋轴线

2.2 锋强度时空分布

根据提取出的锋轴线，每个纬度对应一个经度，因此可以用纬度来表示锋轴线的位置。作出锋轴面上的锋强度断面图，断面图中每层水深上的锋强度都为锋轴线上的锋强。如图7～图8所示，分别为4-6月锋强度断面图和7-9月锋强度断面图。由图可见：4-6月锋强度较大区域主要存在于14°N～ 23°N、水深20～200 m之间，其中锋强度极大值存在于100 m水深附近，同一纬度上锋强度随水深增加总体呈先增后减的趋势。7-9月锋强度断面与4-6月相比明显有所变化，7-9月的锋强度明显高于4-6月的锋强度，7-9月的锋强度较大区域分布的比较离散，主要分布于13°N～15°N，17°N～19°N，22°N～ 23°N这三个区域，锋强度极大值存在于水深40～50 m附近，与4-6月一样同一纬度上的锋强度随水深增加总体呈先增后减的趋势。

图7 4-6月锋强度断面

图8 7-9月锋强度断面

根据断面图，在春夏两季各选出5个锋强较大的位置，给出这5个位置由浅至深的锋强度变化如图9。可以看到，4-6月5个点随水深增加锋强都呈现增—降—增—降的趋势，在40 m和90 m左右出现两个极大值，在70 m处锋强出现极小值，此外，在 15.125°N，50 m水深处的锋强达到最大值0.23°C/14 nm；7-9月5个点随水深增加锋强也呈现增—降—增—降的趋势，在40 m和60 m水深附近锋强达到极大值，50 m水深达到极小值，在18.875°N、水深70 m附近锋强达到最大值0.62°C/ 14 nm。由此可见锋轴面在40～100 m之间，随着季节和位置的变化，锋强极大值出现的深度是上下浮动且不规律的。

图9 锋强度深度变化

3 结论

通过对阿拉伯上升流锋的锋轴线时空分布、锋强度时空分布特征的分析，得出了以下结论：

（1）阿拉伯上升流锋存在于春夏两季，南北跨度10个纬度，走向大致沿阿拉伯半岛东海岸线分布，存在于深度20～200 m之间，随深度增加锋轴线位置逐渐远离海岸。

（2）锋轴线的强度的水平分布不均匀，春季锋强较大区域存在于夏季的13°N～16°N和19°N附近。

（3）锋强度在不同季节分布规律有细微变化，春季锋强度随深度增加呈增、减、增、减的变化趋势，夏季呈先增后减的趋势。锋强度极大值在40～ 100 m之间浮动，4-6月极大值出现在水深40 m和90 m附近,7-9月极大值出现在水深40 m和60 m附近。

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Analysis on the Temporal and Spatial Distribution Characteristics of the Upwelling Front in the Arabian Sea

LIU Peng1,ZHANG Yong-gang1,LIU Jian-bin2
1.Dalian Naval Academy of the PLA,Dalian 116001,Liaoning Province,China; 2.Jiaozhou Meteorological Station,Naval Air Force,Qingdao 266300,Shandong Province,China

The upwelling area of the Arabian Sea,featured by its very complex hydrological environment,is important for its geographical position.It is of important research value and military value to probe into this sea area.Based on the processing of WOA13 data,this paper uses the Absolute Gradient Maximum method to extract the frontal axis from the ocean front,and briefly analyzes the temporal and spatial distribution as well as intensity distribution characteristics of the Arabia Sea upwelling area.The results show that the Arabian upwelling front exists mainly in the spring and summer,and distributes along the east coastline of the Arabian Peninsula, between 13°N-19°N.As the depth increases,the front axis becomes gradually apart from the coast.In the horizontal direction,the region with greater frontal intensity locates around 13°N-16°N and 19°N in summer.In the vertical direction,the region with greater frontal intensity locates between 40 m to 100 m.

upwelling front in the Arabian Sea;WOA13 data;front axis;front intensity

P731

A

1003-2029（2017）03-0013-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.003

2016-12-21

刘鹏（1993-），男，硕士研究生，主要研究方向为世界中尺度锋面。E-mail：515540650@qq.com