2000—2017年东印度洋季风带海域温度锋时空特征变化分析

张精英,孙伟富，马 毅，孟俊敏，张 杰

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院, 山东 青岛 266590; 2.自然资源部第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

海洋锋是指海洋中水体要素梯度变化强烈的狭窄区域[1]，是海洋中一种普遍存在的现象，其强弱和空间位置也会随时间而变化[2]，目前主要有温度锋、盐度锋、水色锋、营养物质锋等，其中海表温度锋(SSTF)作为海洋锋的重要表现形式之一，是海洋中水温变化剧烈的两个不同水团的交界线，常发生在沿海区域，对于海洋渔业捕捞、污染治理、海上援助等具有重要意义[3]。东印度洋季风带海域为东印度洋10°S以北区域，包括孟加拉湾、安达曼海、马六甲海峡、保克海峡等，北部与孟加拉国相接，东北邻缅甸，包含安达曼群岛、尼科巴群岛、苏门答腊岛、爪哇岛等诸多岛屿。该海域具有明显的热带海洋性和季风性特征，11月至次年3月盛行东北季风，风由大陆吹向海洋；5—9月盛行西南季风，由海洋吹向大陆[4]。热带东印度洋是一个季风海洋，对亚洲东、南部包括我国的气候、降水都有重要影响[5]，南海-北印度洋航线是世界重要的海上贸易通道之一，具有重要的海上经济和军事战略地位，直接关系到我国海上安全和权益[6]，印度尼西亚一带作为全球热盐环流的重要组成部分之一，对维持全球大洋能量平衡有不可忽视的作用[7]，因此了解东印度洋季风带海域的水文要素、中尺度现象具有重要意义。基于浮标、船舰等实测方法难以得到长时间、大范围的数据，遥感手段以其高时空分辨率，长时间、大面积同步观测等优势，成为海洋锋调查的重要数据获取方法，基于遥感数据的海洋锋检测方法主要有梯度法、Canny算法、基于引力模型算法、小波变化法、熵理论算法等，其中Canny算法通过非极大值抑制和双阈值检测提高了锋面定位精度，锋面连续性较好[8]，因此本研究利用Canny算法进行研究区内的温度锋检测。目前对于海洋锋的研究主要集中于太平洋、大西洋及中国近海等海域[9-11]，关于印度洋海域海洋锋的研究相对较少，已有研究主要发生在东南印度洋，多以实测数据为基础[12-14]，难以实现大范围的海洋锋检测研究，开展基于遥感数据的东印度洋季风带海域海洋锋变化研究能够为了解该区域海洋中尺度现象提供参考资料，为后续海洋环境治理、物质运输、流场结构研究等提供科学依据。本研究基于2000—2017年气候态月平均MODIS-TerraSST数据，研究东印度洋季风带海域温度锋的空间分布变化情况，讨论分析研究区不同锋面平均强度、锋点数量及中心线长度变化情况，并基于2000—2017年的逐年平均SST数据，讨论2个典型锋面的年际变化情况。

1 数据与方法

1.1 研究数据

本研究使用的海表温度数据来自美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)Ocean Color网站http://oceancolor.gsfc.nasa.gov提供的全球MODIS-TerraSST数据，MODIS-Terra可获取36个光谱带数据，扫描幅宽为2 330 km，Terra卫星发射于1999年12月18日，是太阳同步近极地轨道，可满足低轨道地球观测需求[15]。为更好地了解研究区温度锋面长期平均时空分布特征的变化，本研究基于2000—2017年气候态月平均SST数据研究温度锋面的月际变化情况，并使用2000—2017年逐年平均SST数据研究恒河-雅鲁藏布江河口锋和爪哇岛锋2个典型温度锋的年际变化，数据的空间分辨率均为9 km。

1.2 研究方法

Canny算法具有检测精度高、定位准确、计算量小等优点[16]，被广泛应用于海洋锋的检测中。本研究采用Canny算子检测研究区温度锋，利用Sobel算子计算梯度，该算子考虑到了邻近像元对中心点的影响，可有效增强图像的边缘可视性[17]。

(1)

(2)

式(1、2)为利用Sobel算子计算每点SST数据沿x、y方向的梯度，其中T代表该点高斯滤波后的SST。得到x、y方向的梯度后计算各点总梯度及每一点垂直梯度方向。

(3)

(4)

式(3、4)中：GM为在得到x、y方向的梯度后计算各点总梯度，D为每一点垂直梯度的方向。

对计算出的总梯度进行非极大值抑制和双阈值检测，从而得到锋面分布的中心位置信息，综合各学者的研究及研究区特点[18-20]，经过试验发现低阈值设为0.015 ℃/km，高阈值为0.030 ℃/km能较好的检测研究区温度锋。图1展示了研究区1月份的锋面检测结果，图中红点即为该月检测到的温度锋。

图1 东印度洋季风带海域1月锋面检测结果示意图

2 结果与讨论

2.1 温度锋月际变化分析

基于气候态月平均SST数据检测东印度洋季风带海域温度锋，得到图2所示结果，背景填充为当月气候态平均SST，黑点为检测到的锋面点，可以看到该海域温度锋主要分布于近岸区域，受海陆温差、海流、太阳辐射等因素的影响，SST在海峡或近岸海域的梯度往往比远海地区更大[21]，使得锋面常常发生于近岸地区。孟加拉湾北部和安达曼海北部大陆均有巨大河流流出，与周围海水相互作用[22]，不同水团之间存在一定的温度差，在离岸不远处形成了锋面；斯里兰卡东岸的上升流是造成该地区发生锋面的原因[23]；Palk海峡受印度洋环流的影响会出现较大的温度梯度，可能会发生锋面；爪哇岛西南有爪哇沿岸流，可能是影响当地发生锋面的原因。

图2 东印度洋季风带海域温度锋月空间分布示意图

2.1.1 温度锋空间分布月变化 由图2可以发现研究区温度锋空间分布存在较明显的月变化，以赤道为界将研究区划分为南部和北部，1—4月份及12月锋面主要分布于研究区北部，5—8月研究区南北部发生的锋面相当，9—11月锋面主要发生在南部，北部检测到相对较少的锋面。1月锋面主要分布在孟加拉湾北部20°～23°N，86°～94°E范围内及安达曼海北部15°～17°N，94°～97°E海域，锋面点分布较密集；2月份除孟加拉湾北部温度锋外，在尼科巴群岛南部7°～10°N，92°～95°E及爪哇岛南部海域检测到少量锋面；3月份锋面数量及延伸范围大幅度减少，仅在孟加拉湾北部和尼科巴群岛附近检测到极少数锋面，是该区域全年锋面最不活跃的时期；4、5月份北部锋面开始增多，南部也检测到小范围锋面，4月在孟加拉湾北部及安达曼海及其周围海域检测到锋面，5月锋面主要分布于孟加拉湾、斯里兰卡东南部、保克海峡，安达曼海北部也检测到少量锋面；6—8月在孟加拉湾北部、安达曼海北部、保克海峡、斯里兰卡东南部及爪哇岛南部海域检测到锋面，这期间北部锋面逐渐减少，南部锋面开始逐渐发育；到9、10月南部锋面分布范围达到最大，可覆盖3°～10°S，101°～117°E的沿岸海域，此时北部检测到的锋面很少，10月达到最少；11月南部锋面呈现减少趋势，但仍在较大范围内检测到，北部锋面开始出现，到12月范围扩大到与1月相差不大，此时南部的锋面消失。整体看来3、4月为研究区锋面存在最少的时期，5—10月南部锋面逐渐发展成熟，范围扩大，5°～15°N一带的温度锋也主要发生在这一时期，11月最北部锋面开始发展，到次年2月为成熟期，南部锋面则减少甚至无法探测到。不同纬度带受季风影响，盛行的洋流不同。有研究表明风可以通过影响海气热量交换从而导致锋面的物理过程变化[24]，东印度洋区域盛行东亚季风，具有明显的季节变化，这可能是影响研究区锋面变化的一个重要因素。

2.1.2 各温度锋平均强度、长度月变化 Blekin等(2007)研究了孟加拉湾海域温度锋[22]，本研究检测到的北部锋面与其结果基本一致，锋面名称使用该文定义的名称，而南部爪哇岛附近的温度锋目前没有明确的命名[25]，本研究暂称其为爪哇岛锋。在此基础上统计了1—12月各锋面发生的数量(图3a)，并计算了平均梯度来衡量各温度锋的强度变化情况(图3b)，提取了锋面中心线并计算长度得到结果如表1所示。

图3 东印度洋季风带海域锋面点数量及平均强度

表1 东印度洋季风带海域月平均温度锋中心线长度统计表

位于孟加拉湾北部的恒河-雅鲁藏布江河口锋是一个全年存在的锋面，大体呈西南-东北走向，12、1、2月分布范围最广，超过50个锋面点，3月份仅检测到不足10个锋面点，4—10月呈小幅度减少趋势，锋面点由超过20个减少到不足10个，11月开始增加，到12月趋于成熟。该锋面相邻月平均强度差值最大超过0.02 ℃/km，全年强度最大值和最小值的差异高于0.03 ℃/km，其中1月强度最大，接近0.07 ℃/km，随后强度有较剧烈的上下波动，4月小于0.04 ℃/km，为全年最弱，6月之后强度变化较之前稍小，依然呈波浪型摆动。锋面中心线12、1、2月最长，均在600 km以上，3月最短，仅不足10 km，4—10月份该温度锋中心线长度不断减少，由515.76 km缩短到23.57 km，11月开始有所增加，随后达到成熟时期。该锋在东北季风盛行时期点数量、强度、中心线长度均处在全年较高水平。

爪哇岛锋是研究区内除恒河-雅鲁藏布江河口锋外存在时间最长的锋面，在爪哇岛西南岸附近呈西北-东南走向，4—11月可检测到，4月该锋开始发展，至8月锋面点增加到40左右个，9月到达成熟时期，锋面点超过100个，到11月呈减少的趋势，但检测到60个以上锋面点，到12月未能检测到。该温度锋强度变化相对较为平缓，基本在0.035～0.045 ℃/km之间变化。4月到9、10月份锋面中心线长度呈现增长趋势，从22.49 km逐渐增加到9月的1 249.99 km，达到全年最长，之后的两个月有小幅度减少。该锋主要活跃在西南季风盛行时期及西南季风与东北季风的过渡时期。

Palk海峡锋分布于印度东南角保克海峡以北海域，仅在西南季风盛行的5—9月可检测到，锋面点数量变化不大，主要在9°～12°N，80°～81°E范围内沿纬向分布，锋面点数量也在10个左右上下浮动。5月强度最大，超过0.04 ℃/km，其他月份在0.030～0.035 ℃/km之间摆动。锋面中心线长度5—8月呈逐渐缩短的趋势，最长时为154.09 km，最短为67.67 km。

东锡兰锋与Palk海峡锋相距不远，位于斯里兰卡东南侧，该锋仅在西南季风盛行的5、6、8、9月可检测，且变化幅度不大，主要在5°～7°N，81°～83°E的海域内呈西南-东北走向分布，锋面发生点数少于5，且7月份未能检测到。锋面强度变化很小，基本在0.03 ℃/km左右。锋面长度相对较短，最长时中心线不超过100 km，6月最短时仅为13.11 km。

安达曼海北部94°～98°E海域内的伊洛瓦底江河口锋主要发生在西南季风盛行时期，形态相对不规则，东北季风盛行的12、1月也可检测到该锋面，此时锋面主要呈西南-东北走向分布，6月检测到的锋面点数量最多，超过20个，此时强度最高可达0.045 ℃/km左右，12月最小约为0.030 ℃/km。6月锋面中心线为全年最长，约298.68 km，1、5月长度也可达100 km以上，其他月份均少于50 km。

东印度洋海域受季风影响，冬夏环流不同，海水运输趋势整体上是相反的，这种环流的差异造成了两季海表温、盐等要素的分布不同[26]。综合来看，整个研究区内西南季风盛行的5—9月，锋面点数量较多，可以检测到全部5个锋面，此时各个锋面的平均强度均在0.03～0.05 ℃/km之间变化，各锋面的发生的锋面点数量约在50个以内，西南季风后期爪哇岛锋发育，到9月点数量达到最高，超过100，长度达到接近1 250 km。这一时期5°～10°N及5°～10°S的温度锋在全年中表现相对活跃，15°～20°N一带的锋面也在西南季风盛行时期相加强盛，最北部的恒河-雅鲁藏布江河口锋相对较弱，处于该锋面的衰退期；东北季风盛行的11月至次年3月，研究区内可检测到3个温度锋面，分别为位于最北部的恒河-雅鲁藏布江河口锋、位于15°～20°N一带的伊洛瓦底江河口锋和研究区最南部的爪哇岛锋，这一时期是20°N以北锋面发生的强盛时期，锋面点数量大部分时间超过50个，中心线长度在多半时间超过600 km，平均强度也高于0.04 ℃/km，15°～20°N的锋面存在时间较短，仅有2个月检测到，且此时该区域锋面点数量较少，不足20个，平均强度也处于较低水平，不超过0.035 ℃/km，最南部的锋面仅在东北季风发生初期的11月检测到。由此可见，不同季风盛行时期研究区内温度锋面点数量、平均强度、长度均存在着明显的变化，不同区域的锋面在不同季风盛行期间有着不同的表现，季风是影响研究区温度锋面变化的一个重要因素。

2.2 典型温度锋面点数量和平均强度年际变化

基于“2.1.1”、“2.1.2”可以发现位于孟加拉湾北部20°N以北的恒河-雅鲁藏布江河口锋和位于爪哇岛西南侧4°～10°S的爪哇岛锋是整个研究区存在时间最长、发生范围最广的两个锋面，分别位于不同维度带，活跃于不同的季风盛行时期，是研究区内具有代表性的两个温度锋，本研究以这两个锋面为例进一步研究东印度洋季风带海域温度锋年际变化。

2.2.1 典型温度锋空间分布年际变化 基于2000—2017年MODIS-Terra逐年平均SST数据检测温度锋，提取2个典型锋的中心线(图4)。两个温度锋主要沿海岸线分布于近岸地区，空间位置分布与形态较稳定，年际变化不大。恒河进入孟加拉国后与雅鲁藏布江交汇并注入孟加拉湾，与周围海水相互作用形成研究区北部的恒河-雅鲁藏布江河口锋，图4a展示了该温度锋18年来的空间位置分布情况，可以发看到锋面东段空间位置及形态非常稳定，变化很小，而西段(尤其是88°～89°E处)垂直于其走向的方向上可以看到较明显的变化，发生了将近1°的位置变动；南部爪哇岛锋的形态整体比较稳定(图4b)，基本沿爪哇岛陆架分布，106°、108°～110°E处存在不超过0.5°的摆动，其余海域变化较小，部分年份检测到的锋面可延伸至苏门答腊岛西侧。

图4 东印度洋季风带海域主要锋面中心线的年际变化示意图

2.2.2 典型温度锋强度、长度年际变化 由两个典型温度锋每年发生的点数量(图5a)、平均强度(图5b)及中心线长度(表2)可以发现，恒河-雅鲁藏布江河口锋每年发生数量均大于20，相邻年之间变化相对缓和，不超过15，锋面中心线长度总体在500～750 km之间变动，表明锋面空间分布范围大小相对稳定，锋面平均强度高于0.05 ℃/km，但不同年份之间强度存在一定差异，大部分年份强度在0.06 ℃/km左右，个别年份超过0.075 ℃/km，2012年高于0.08 ℃/km，相邻年间变化幅度最高超过0.03 ℃/km。爪哇岛锋锋面点数量年际变化幅度较大，基本在10～100之间呈锯齿状变化，2006年检测到超过120个，相邻年之间差值最多超过100个，锋面长度短时仅不足30 km，最长可达2 000 km以上，该锋的平均强度整体上略低于北部温度锋，基本在0.04 ℃/km附近摆动，年际变化较小，相邻年份变化不超过0.01 ℃/km。

两个典型锋的点数量和长度大体上呈相反的变化趋势，恒河-雅鲁藏布江河口锋数量、长度增加时爪哇岛锋的数量和长度呈减少趋势，这样的现象可能是由于两个锋面分布的纬度位置不同，发生的季风环流不同，不同年份季风及洋流的强弱、存在的时间等可能都会影响锋面的变化。

3 结论

本研究基于2000—2017年MODIS-Terra气候态月平均SST数据检测了东印度洋季风带海域温度锋并统计研究区内各锋面发生的数量、平均强度及锋面中心线长度，分析了锋面时空变化情况；基于逐年平均SST数据，讨论了研究区内两个典型温度锋的年际变化情况，主要结果如下：

图5 2000—2017年东印度洋季风带海域典型锋锋点数量及平均强度

表2 2000—2017年东印度洋季风带海域典型锋锋面中心线长度统计表

(1)东印度洋季风带海域3、4月为锋面最不活跃的时期，5—10月南部锋面发展并逐渐趋于成熟，空间分布范围增加，此时最北部锋面则呈减弱的趋势；11月最北部的温度锋开始发展，12月到次年2月为其成熟期，南部锋面则减少甚至某些月份无法探测到。

(2)统计研究区各温度锋每月发生的数量、平均强度及中心线长度，发现恒河-雅鲁藏布江河口锋全年存在，12、1、2月分布范围、数量、锋面中心线长度均处于较高水平，长度最多接近700 km，4—10月渐弱，11月开始增加，锋面强度全年不断变化，东北季风时期相对较强盛；爪哇岛锋存在于4—11月，4—8月该温度锋的分布范围、数量、长度、强度均逐渐增长，在西南季风盛行时更为活跃；Palk海峡锋在西南季风盛行的5—9月可检测到，锋面范围、强度变化不大，长度逐渐减短；东锡兰锋存在时间相对较短，仅在西南季风盛行时可检测到，整体长度较短，各项指标变化均相对较小；伊洛瓦底江河口锋主要发生在西南季风时，此时强度、长度相对东北季风时较高。

(3)恒河-雅鲁藏布江河口锋和爪哇岛锋的空间位置年际变化不大，恒河-雅鲁藏布江河口锋锋面点数量相对更加稳定，长度在500～750 km之间变动，平均强度存在相对较大的变化，变化幅度最高超过0.03 ℃/km；爪哇岛锋点数量、长度存在较大的变化，锋面点数量从10到130个不等，长度在30～2 000 km之间变化，但锋面平均强度比较稳定，年际变化不超过0.01 ℃/km。两个温度锋的长度、数量的变化存在一定的负相关关系。