日本海的锋面分布特征及其季节变化

杨廷龙,刘 娜,3*,方 越,孔 彬,王颖杰

(1.自然资源部第一海洋研究所 海洋环境与数值模拟研究室,山东 青岛266061；2.自然资源部 海洋环境科学与数值模拟重点实验室,山东 青岛266061；3.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室,山东 青岛266237；4.中国海洋大学 海洋与大气学院,山东 青岛266100)

海洋锋是性质不同的两个水团的分界面,此处的理化性质非常特殊,如温盐水平梯度大、海水辐聚、垂直运动强烈、水平流速切变大、常形成急流等[1],可用温度、盐度、密度等要素特征量梯度强度来确定。此外,海洋锋区对海洋渔业生产、海洋声学传播、海洋环境保护与海洋倾废等有着显著影响[2-4],具有重要的科学研究价值。

海洋锋一直是国内外学者研究的热点问题。如:党振中等[5]用WOA13(1955—2012年)月平均数据分析了东海黑潮主轴温度锋的季节变化特征；李威[6]使用温度断面观测数据研判了台湾以东海区的温度锋的存在与分布；张乐英[7]利用再分析资料研究了西北太平洋副热带海洋锋强度和位置变化特征,并讨论了海洋锋形成机制；赵宝宏等[8]利用SODA数据研究了南海海洋锋季节变化特征；Belkin和Cornillon[9]利用Pathfinder AVHRR 1985—1996年的海温数据研究了太平洋沿岸及其边缘海的温度锋特征；Hickox等[10]利用卫星海温数据研究了中国东海海洋锋的季节变化特征。

对于日本海的海洋锋特征,国内学者的现有研究相对薄弱。如方长芳等[11]在研究东北亚海温盐度特征时简略地分析了日本海表面亚极地锋的季节变化特征；郑沛楠等[12]在讨论对马海峡环流季节变化时兼顾讨论了对马海峡盐度锋的位置及季节变化特征。国外对日本海温度锋的研究相对较多,但主要集中在表面温度锋研究方面,如:Isoda等[13]通过用NOAA9红外图像分析了温度锋的水平结构和季节变化；Park等[14]使用垂直高分辨率辐射计数据研究了表面温度锋面的空间分布及季节性特征。

鉴于采用卫星遥感资料研究海洋锋的局限性和日本海海洋锋研究的重要意义,本文采用1980—2015年SODA月平均数据对日本海温、盐锋锋面的空间位置、强度分布、出现频率以及相应的季节变化特征进行了研究。

1 数据和方法

1.1 数据介绍

本文所采用的温盐数据资料是由美国马里兰大学(University of Maryland,UMD)和德州农工大学(Texas A& M University,TAMU)合作开发的简单海洋数据同化资料SODA-3.3月平均海洋数据集。SODA月平均海洋同化数据是网格化的数据文件,数据的经纬度范围为0°15′～359°45′E,75°15′S～89°15′N,空间分辨率为30′×30′。该数据集包含温度、盐度等多种要素。SODA数据在垂向上共有50层,能够藉以实现对海洋锋的三维结构研究[8]。本文选取的SODA数据的时间范围为1980年1月到2015年12月,空间范围为125°45′～142°15′E,33°45′～53°15′N,数据网格点共1 360个。

1.2 研究方法

海表锋面容易受到太阳辐射、大气等天气尺度过程等因素的干扰,本文主要研究35 m以深的海洋锋特征。Dong[15]在研究南极锋时曾采用温度梯度最大值连线确定温度锋的锋轴线,并取得了很好的效果。同时,适用于断面观测数据的等值线分析法已被证明不再适用于格点数据[16]。因此,本文依据锋面处温度或者盐度水平梯度最大,利用绝对梯度场来进行锋面识别及信息提取,从而确定海洋锋的位置和走向。绝对梯度ΔX的定义为

式中:X为分析的海水物理参数温度或者盐度,x和y分别表示纬线方向距离和经线方向距离。在对锋轴线进行提取时,先计算锋区每条经线(间隔1/2经度)最大值,然后将锋区经线最大值依次连线得到锋区锋轴线。

同时,本文参照Wang等[17]在研究中国南海海洋锋时采用的方法,用锋面的出现频率图来刻画锋面的大体分布位置、变化特征和稳定度。锋点的出现频率是某个网格点在1980—2015年共36 a内作为有效次数点的次数除以其作为锋点的次数。本文统计了网格点上锋面的出现频率,只给出频率大于40%的区域。

考虑到数据资料的差异性,根据前人研究的经验[18-19],在本文中将0.015℃/km作为判定温度锋的阈值,将0.002 km-1作为判定盐度锋的阈值。

2 日本海温度锋、盐度锋特征分析

2.1 温度锋

2.1.1 温度锋月变化

通过计算表层5 m至深层5 395 m处各层的温度梯度,可知日本海海域温度锋主要存在于150 m以浅(图1)。这和与黑潮分离的对马暖流占据着日本海南部上层的150 m有关[12]。

图1 日本海温度锋区逐月次表层(35 m)温度梯度Fig.1 Monthly subsurface(35 m)temperature gradient in the Sea of Japan

图1 是日本海35 m深度逐月温度梯度分布图。由图1可见,温度锋呈SW—NE方向分布,从对马海峡一直延伸到津轻海峡,并且具有连贯性。同时,锋面分布于日本海流系流经的区域或者边缘,体现了日本海流系的结构特征[22]。按照锋面位置和强度,温度锋可分为6段。第一段位于对马海峡及其附近；这是携带高温高盐水的对马暖流从对马海峡进入日本海,并与当地的冷水团相互作用,形成较大的温度梯度,从而形成的海洋锋；该锋位于对马岛与济州岛之间,全年均存在,由于此锋位于对马海峡,本文称之为对马海峡锋。第二段位于朝鲜半岛东部海域,贴近半岛东岸,6月增强,且一直持续到10月,11月开始减弱消失,由于此锋位于东韩暖流处,本文称之为东韩暖流锋。第三段是研究海域最为明显的海洋锋,位于日本海中部38°～40°N,全年均存在；这是来自北部鄂霍次克海的黎曼寒流沿着俄罗斯沿岸南下,进而演化为朝鲜半岛沿岸的北朝鲜寒流,与从对马海峡进入日本海的东韩暖流相遇,共同向东运动,形成的日本海亚极地锋[20](Subpolar Front,简称SPF)；该锋与大和山脊北部边缘走向一致,受地形影响极大[21]。第四段位于日本西海岸；这是对马暖流的另外一条分支沿着日本近岸一直向北延伸[22],与当地的冷水团相互作用进而形成的温度锋；该锋在6月初见雏形,在7月加强且一直延续到9月,从10月开始消失减弱。第五段分布在津轻海峡及其附近,在各月均存在,且强度最大；其形成可能与流进日本海的对马暖流大部分从津轻海峡流出进入太平洋有关；第六段位于北海道西侧海域,由未从津轻海峡流出的对马暖流分支继续北上,与当地较冷的水团相互作用形成；该锋体现出明显的月变化特征,在6月成型,7月加强,10月达到最强,11月开始逐渐消失减弱,翌年3月完全消失。

逐月温度锋强度的统计结果如图2所示。可见温度锋强度在9月最大,锋区平均强度为0.040 8℃/km,锋区内温度梯度大于0.015 0℃/km的温度数据点数最多,达到379个,说明9月锋区分布最广。温度锋强度在3月份最小,锋区平均强度为0.023 9℃/km,锋区内温度梯度大于0.015 0℃/km的温度数据点数只有279个,说明3月锋区最窄。

图2 逐月温度锋强度统计结果Fig.2 Monthly statistical results of temperature front intensity

2.1.2 温度锋季节特征

对月温度梯度进行季节平均可以得到逐季的温度锋分布情况,如图3所示。从图中可以看出,位于38°～40°N之间的SPF一年四季均存在,且夏、秋季较强,冬、春季较弱；其中夏季锋分布区域最广。在40°N以南海域,温度锋分布面积在春、冬季也明显少于另外两季。津轻海峡西侧的温度锋和北海道西边海域的温度锋的季节特征与SPF一致,夏、秋季明显强于冬、春季。位于132°E以西的东韩暖流锋位置的季节变化最为显著:在冬季贴近半岛东岸,夏季则离岸向外海扩张,锋区变大,这是由于东韩暖流的主轴在冬季则出现在近岸处,在夏季位于离岸一侧[23]。对马海峡温度锋在夏季较强且分布最广,在冬季分布范围较小,这可能与对马海峡的流量有关,对马暖流的流量在夏季较大、在冬季较小[12]。

图3 日本海温度锋区逐季次表层(35 m)温度梯度Fig.3 Seasonal subsurface(35 m)temperature gradient in the Sea of Japan

根据对4个季节锋强度数据的统计,锋强度存在显著的季节差异。温度锋在秋季最强,锋强度平均值达到0.041 0℃/km；在春季最弱,锋强度平均值为0.026 4℃/km；夏、冬季锋平均强度介于春、秋季之间,分别为0.034 0℃/km、0.027 0℃/km。锋区内温度梯度大于0.015 0℃/km数据点数在夏季最多,为305个；在春季最少,只有227个；秋、冬季锋区内温度梯度大于0.015 0℃/km数据点数介于春、夏季之间,分别为261、245个。这表明温度锋区在夏季分布最广,在春季范围最小。其中,夏季锋对应着实际的海域面积约为93.94×104km2,占整个日本海面积的比例为22.42%；春季锋对应着实际的海域面积约为69.92×104km2,占整个日本海面积的比例为16.69%。

通过提取锋区锋轴线信息,并从水平和垂直两个方向对逐季温度锋轴线分布情况进行讨论。图4为日本海35 m水深处四季锋轴线分布图,锋轴线的位置大致在锋区边缘呈蛇形分布,总体上为SW—NE走向。锋轴线随季节变化基本没有发生明显摆动。四季的锋轴线均跨越了133°E经线,从日本海近岸跨越到日本海中部,随后一直延伸到津轻海峡。对比4个季节不同水深的锋轴线(图5)。可以看出春季锋轴在76 m以浅,夏季锋轴在35 m,秋、冬季锋轴在98 m以浅,均在133°E经线附近波动最大,说明在锋区极值分布较为分散,温度锋强度南北差异较大。锋轴线的位置整体上随着深度的增加向日本沿岸移动。

图4 35 m水深处温度锋轴线位置分布Fig.4 Temperature front axis at 35 m in each season

图5 各季节温度锋轴线垂向变化Fig.5 Temperature front axis at different depths in each season

海洋锋的出现频率表现了锋面的分布位置和稳定性。如图6所示,日本海一年四季都存在着丰富且稳定的温度锋。锋面总是固定地出现在对马海峡、朝鲜半岛沿岸、日本海中部、津轻海峡及其附近,而且这些海域锋出现频率最大,超过85%。总体来看,夏季温度锋出现区域最大,说明夏季锋面的移动范围大,位置变动最明显；秋季温度锋出现频率数值最大,高达86%,表明秋季温度锋最为稳定；春季温度锋出现区域和出现频率数值最小,锋出现频率为72%,说明春季锋面移动范围小,位置变动不明显且锋面相对不稳定。

图6 各季节温度锋出现频率Fig.6 Occurrence frequency of temperature front in each season

2.2 盐度锋

2.2.1 盐度锋月变化

同温度锋一样,通过计算表层5 m至深层5 395 m处各层的盐度梯度,可以得到日本海盐度锋主要存在于水深55 m以浅(图7)。相对于日本海温度锋来说,盐度锋不够显著。本文选取35 m处水深的盐度梯度图进行分析。由图7可以看出,日本海1—12月均存在明显的盐度锋。盐度锋主要包含两部分:一部分位于对马海峡,主要分布于对马海峡中线附近,该锋在8—11月较为明显,基本上占据对马海峡,在12月开始减弱消失；另一部分位于日本海最北部且沿着俄罗斯沿岸分布,该锋在9月开始成形,在1月锋区范围达到最大,5月时锋区开始明显减少,在8月大部分锋区已经完全消失。

图7 日本海盐度锋区逐月次表层(35 m)盐度梯度Fig.7 Monthly subsurface(35 m)salinity gradient in the Sea of Japan

将各月的锋强度数据进行了统计,如图8所示:日本海盐度锋强度在12月最大,锋区锋强度平均值为0.010 1 km-1。盐度锋强度在9月最小,锋区平均强度为0.006 8 km-1。锋区内盐度梯度大于0.002 0 km-1的温度数据点数在12月最少,只有191个,在8月最大,可达到238个,说明锋区在12月范围最小,8月最大。

图8 逐月盐度锋强度统计结果Fig.8 Monthly statistical results of salinity front intensity

2.2.2 盐度锋季节变化

对月盐度梯度进行季节平均可以得到逐季的锋面分布情况。如图9所示,对马暖流携带的高温高盐水从对马海峡进入日本海,与当地的盐度相对较低的水团相互作用,从而形成了盐度锋。该盐度锋位于对马海峡的中线位置,一年四季均存在,且具有明显的季节变化特征,夏季锋明显强于冬季锋,且与当地的温度锋表现出相同的特征,这主要是受当地季风和对马暖流的入侵随季节强弱的变化综合影响[12]的结果。黎曼寒流携带大量低盐度海水,从北部进入日本海,并沿着俄罗斯沿岸南下[24],与当地的海水相互作用,产生较大的盐度梯度,从而形成了盐度锋。该盐度锋位于北海道西北部且沿着俄罗斯沿岸分布,表现出明显的季节特征:秋、冬季锋明显强于春、夏季,其中冬季锋分布区域最广且强度最大。随着黎曼寒流向南流动,其流量减弱,低盐度的特性也随之减弱,故而在44°～47°N海域盐度锋分布较为稀疏。

图9 日本海盐度锋区逐季次表层(35 m)盐度梯度Fig.9 Subsurface(35 m)salinity gradient of the salinity front in the Sea of the Japan in each season

将各季节盐度锋强度数据进行了统计。盐度锋在冬季最强,锋区平均强度为0.010 3 km-1；在夏季最弱,锋区平均强度为0.008 0 km-1；春、秋季锋平均强度介于冬、夏季之间,分别0.008 4 km-1、0.008 7 km-1。锋区内盐度梯度大于0.002 0 km-1的盐度数据点数在春季最大,达到184个；秋季最少,为154个；夏、冬季锋区内盐度梯度大于0.002 0 km-1数据点数介于春、夏季之间,分别为176、175个。这说明盐度锋在春季分布范围最广,秋季分布最小。

对盐度锋的锋轴线都进行提取,如图10所示。锋轴线的位置大致在锋区边缘分布,总体上呈SW—NE走向,且锋轴线的位置随季节没有发生明显摆动。在对马海峡处,锋轴线主要位于对马海峡中轴线附近。在日本海北部,锋轴线沿着俄罗斯海岸分布。在日本海内部,锋轴线发生了较大的波折,从对马海峡一直跨越到俄罗斯沿岸。由于日本海盐度锋在水深55 m以浅较为明显,55 m以深盐度锋信息不显著,因而在本文中未讨论盐度锋各季节垂直方向锋轴线的摆动情况。

图10 35 m水深处盐度锋轴线位置分布Fig.10 Salinity front axis at 35 m in each season

同样,对于盐度锋也只给出了锋出现频率大于40%的海域。如图11所示,日本海盐度锋各个季节总是比较稳定地出现在俄罗斯海岸和对马海峡,这些海域的盐度锋出现频率最大,基本在80%以上,也就是说,这些海域在36 a里至少出现27次盐度锋现象,且盐度锋在这些海域常常年存在,稳定性强。总体来看,秋季盐度锋出现区域最大,说明秋季锋面的移动范围大,位置变动最明显；冬季盐度锋出现频率数值最大,高达77%,表明冬季盐度锋最为稳定；夏季盐度锋出现区域和出现频率数值最小,锋出现频率为72%,说明夏季锋面移动范围小,位置变动不明显且锋面相对不稳定。

3 结 论

本文利用36 a(1980—2015年)SODA月平均数据,采用绝对梯度的方法,研究日本海温度锋和盐度锋在月和季节时间尺度上的分布特征,得到以下结论:

①日本海温度锋整体上呈SW—NE走向,即从对马海峡一直延伸到津轻海峡。温度锋主要分为6部分,分别位于对马海峡及其附近、朝鲜东部海域、日本海中部、日本西海岸、津轻海峡及其附近以及北海道西侧海域。温度锋具有明显的月变化特征:9月分布最广且最强,锋区平均强度达到0.040 8℃/km；3月分布范围最小且最弱,锋区平均强度仅为0.023 9℃/km。盐度锋主要包含两部分,分别位于对马海峡和俄罗斯沿岸。盐度锋也具有明显的月变化特征:盐度锋强度在12月份最大,锋强度平均值可达到0.010 1 km-1,但锋区范围最小；盐度锋强度在9月最弱,平均强度仅为0.006 8 km-1；8月分布最广。

②日本海的温度锋和盐度锋均表现出明显的季节特征。温度锋一年四季均存在,在夏季分布最广,秋季锋最强且最为稳定,锋平均强度达到0.041 0℃/km,春季最弱且相对不稳定,锋平均强度仅为0.026 4℃/km。盐度锋在冬季最强,锋强度平均值达到0.010 3 km-1,春季时分布最广,夏季锋最弱,锋区平均强度仅为0.008 km-1,在秋季分布最窄。

③锋轴线不受当地风场的影响。温度锋轴线随季节基本上不发生摆动,总体上呈SW—NE走向。四季温度锋轴线随着水深增加向日本海沿岸移动。盐度锋轴线分为两部分,分别位于对马海峡和日本海北部。四季盐度锋轴线在位置相对稳定,基本上不发生摆动。

锋区的位置很好地体现了日本海流系的结构特征。黑潮的分支对马暖流流经对马海峡进入日本海,共分为3支:一支沿着日本主岛西海岸向东北方向流动,另外一支则靠近日本岛沿岸流动,还有一支沿着韩国东海岸向西北方向流动,在到达40°N时,转向西运动,与其余两支暖流汇合,共同向东运动。同时,在俄罗斯海岸存在一支自北向南流动的黎曼寒流。日本海温度锋和盐度锋几乎全部位于这些流系流经的区域或者边缘。另外,对马海峡流量也影响着日本海锋面的形成与分布。目前,对于锋面形成的物理机制不是十分清楚,需要今后进行深入研究。