日本海特征水研究進展

鄭沛楠，劉俊，楊玉震，鐘科，趙艷玲

（解放軍61741部隊，北京 100094）

日本海特征水研究進展

鄭沛楠，劉俊，楊玉震，鐘科，趙艷玲

（解放軍61741部隊，北京 100094）

由于日本海特殊的地理位置和復雜的徑流環(huán)境，使得該海域的水團呈現(xiàn)其獨有的分布特征。比如在日本海內存在世界邊緣海中性質最均一的水體——日本海特征水。本文總結了日本海特征水的研究歷史和研究現(xiàn)狀，分析了日本海特征水的傳播路徑及其影響因素；討論了導致日本海特征水變異的原因以及日本海特征水對全球氣候變暖的響應等問題。

日本海；特征水；研究進展

1 引言

日本海（Japan/East Sea）作為東北亞地區(qū)最大的邊緣海，是西北太平洋上的重要海區(qū)。日本海東部邊界北起庫頁島（也稱薩哈林島）以及日本列島的北海道、本州和九州；西與西南面鄰接朝鮮；北及西北部與歐亞大陸的俄羅斯相連，通過對馬海峽和津輕海峽與太平洋相連，通過宗谷海峽和韃靼海峽與鄂霍次克海相連。由于這些海峽淺于130 m，所以日本海與鄰近海域的水交換相當有限。日本?？偯娣e為1.01×106km2，平均深度1648 m。南寬北窄略呈橢圓形。大陸架比較狹窄，海底主要是深水海盆，40°N以北為日本海盆，面積約占日本海的一半，大部分水深3000 m以上，海底比較平坦。40°N以南海底地形比較復雜，有海盆、海嶺、海槽等，如東部的大和海盆、西南的對馬海盆。日本海的陸架較短，且發(fā)育欠佳。沿日本西岸，大陸架延伸到200 m水深；沿朝鮮和俄羅斯東岸，大陸架延伸到140 m水深。這些大陸架都被許多海底峽谷所切割（見圖1a）。

除卻面積較小，日本海表現(xiàn)出明顯的大洋特征：如擁有深度超過3000 m的日本海盆，活躍的生物過程，隨季節(jié)變化明顯的溫度鹽度，亞極地海洋鋒和海洋渦旋，以及豐富的寒、暖流系統(tǒng)和深層對流系統(tǒng)（類似大西洋熱鹽環(huán)流帶）等。自黑潮分離的對馬暖流經(jīng)對馬海峽進入日本海，約在40°N與沿亞歐大陸東岸南下的黎曼寒流相遇，二者共同轉向東運動，形成日本海的亞極地鋒（見圖1b）。亞極地鋒將日本海劃分為北部的亞極地區(qū)和南部的亞熱帶區(qū)[1～3]。

Kitani[4]指出，對馬暖流水對日本?？傮w積的貢獻量為8×104km3，僅占日本海海水總量的5%。這說明剩余的95%位于主溫躍層之下，因而深入研究深層水的形成及相關環(huán)流過程對理解日本海的熱量和物質輸運意義重大。由于日本海與周邊海洋（太平洋和鄂霍次克海）的連接處的海峽深度均不超過200 m，使得日本海與周邊海洋的深層水交換幾乎不可能發(fā)生，所以可以認為日本海深層水形成于日本海內當?shù)氐亩緦α鱗5]。

有學者將日本海稱為“微型大洋”（Miniature Ocean）。因此，對日本海加以充分認識可以加深對世界大洋的了解[6]。本文總結了日本海特征水的研究歷史和研究現(xiàn)狀，分析了日本海特征水的傳播路徑及其影響因素；討論了導致日本海特征水變化的原因及其對全球變化的響應等問題。

圖1 日本海地形圖（a）和表層環(huán)流示意圖（b）

2 日本海特征水的定義及研究史

由于日本海與周邊海區(qū)（太平洋和鄂霍次克海）的連接處的海峽深度均不超過200 m，因而使得日本海與周邊海洋的深層水交換幾乎不可能發(fā)生，所以可以認為日本海深層水源于日本海內部的冬季深層對流。考慮到這一點，Uda[7]將日本海深層水稱為日本海特征水（Japan Sea Proper Water），它是世界海洋邊緣海中性質最均一的水體。他在研究中發(fā)現(xiàn)，日本海主溫躍層之下的深層水中存在位勢溫度低于1°C且含高溶解氧的水團，將其稱之為日本海特征水。Moriyasu[8]進一步研究發(fā)現(xiàn)，在上層高溫、高鹽的對馬暖流水（海面至水下200m）和深層的日本海特征水之間存在日本海鹽度極小值的日本海中層水（Japan Sea Intermediate Water），該層水團的位溫在1～5°C之間。Sudo[9]通過分析日本海溶解氧剖面資料，將日本海特征水分為兩部分：日本海特征水上層部分（Upper Japan Sea Proper Water）和深層部分（Deeper Water）。

日本、韓國和俄羅斯的聯(lián)合調查CREAMS（東亞陸架海合作研究）[10]詳細調查并總結了日本海特征水的基本特征：位溫：0°C<θ<1°C，鹽度：34.04

3 日本海特征水源頭及成因

由于日本海各海峽通道較淺，因此日本海深層水的形成在很大程度上依賴于大氣強迫，而不是外洋輸入。Nitani[11]首先指出特征水源于俄羅斯的普里莫爾斯基（Primorye）近岸，為后來的研究指明方向。他指出，日本海特征水與海參崴處的海面氣溫相關，冬季惡劣天氣將海表冷卻水通過對流和混合作用輸送到日本海深層。Senjyu和Sudo[12～13]認為特征水在40o～43oN、136oE以西海域有一個單獨的源；Yoshikawa等[5]認為特征水源于41o～43oN、135oE以西地區(qū)；Kawamura和Wu[14]則認為日本海特征水形成于41°N以北、132°～134°E之間的區(qū)域。具體地理位置參見圖1a。

關于日本海特征水的形成原因及其影響因素，前人研究顯示[5,11～13]：冬季季風爆發(fā)期間，歐亞大陸吹來干而冷的氣團受山體阻擋的影響，自海參崴周圍的峽谷地帶吹入日本海；經(jīng)過海氣相互作用，使得海參崴附近海域形成極冷海表低溫度、高密度海水水團；在對流和混合作用下，海表冷水團向下潛沉，進入日本海深層水，最終形成日本海特征水。

研究結果表明[11～14]：極冷冬季的對流深度深于溫和冬季對流深度；寒冷程度（氣溫和海表面溫度）、風場、云量、濕度、海洋中層化與結冰狀況、普里莫爾斯基近岸沖淡水對特征水的形成均會產(chǎn)生影響。

Seung和Kim[15]使用一個理想地形的預報模式合理再現(xiàn)了日本海上層和深層環(huán)流，但是他們的模式結果與觀測相比，東韓暖流偏強，深層水的溫度比實際偏高。Holloway等[16]通過數(shù)值試驗發(fā)現(xiàn)，在真實地形情況下改變東韓暖流的流量，通過渦旋和地形的相互作用，將會在模式中引入“地形壓”，進而會對深層環(huán)流的模擬產(chǎn)生重要影響。Yoshikawa等[5]綜合前人對日本海環(huán)流模擬的經(jīng)驗，在應用大量日本海實測數(shù)據(jù)的基礎上合理模擬了日本海的三維熱、動力學場。研究結果顯示，日本海內局地最大潛沉率主要位于以下三個地區(qū)：135°E以西的 41°～43°N之間，136°E以東的 40°～43°N 之間和 45°N以北地區(qū)（見圖2）。普里莫爾斯基沿岸大陸架是潛沉率極值分布集中的地區(qū)（見圖2中區(qū)域A）；而潛沉率大值區(qū)是深層水形成的重要源地。

圖2 日本海潛沉率分布圖

4 日本海特征水的傳播

基于冬季位渦和溶解氧的氣候態(tài)分布圖，Senjyu和Sudo[12～13]指出了下列的特征水的傳播過程：新形成的特征水在地球自轉的影響下，沿著大陸近岸向西南運動，到達大和隆起的西部；其后，一大部分向東運動，經(jīng)由大和隆起的北部或南部最終到達大和海盆，這一過程約需12～15個月。通過計算通風水體的體積，粗略估計特征水的形成率為1.5×104km3/a(=0.48 Sv)。這些結果對日本海特征水給出了一個基本的描述。

圖3 本海北部深層對流南向潛沉至日本海中層水和上層特征水

從圖3上看，日本海北部的冷水在向南運動的過程中，穿越混合層底部運動，發(fā)生潛沉，與當?shù)厣顚訉α飨嗷ヅ浜?，最終進入日本海特征水區(qū)；剩余水體繼續(xù)南下，與當?shù)販\層對流相互配合，最終進入日本海中層水區(qū)。

Postlethwaite等[17]通過觀測追蹤氧同位素和稀有氣體的移動傳播路徑來研究日本海水團的通風過程。研究結果顯示，深層對流對日本海特征水的形成和傳播起到重要作用；由于融冰過程，鹽度向深層的傳播受到抑制（brine rejection），但是這一過程無法解釋在日本海特征水中觀測到的極高氬元素含量的問題。如圖4所示為日本海入流輸運路徑示意圖。從圖中可見，來自日本海北部的冰雪融水通過韃靼海峽流入日本海，其中較輕的水體從日本海上層沿俄羅斯大陸架向南輸送；較重的水體從日本海深層向南運動，并伴有鹽度的抑制作用。自對馬海峽入流的高溫高鹽的對馬暖流沿日本海上層向北運動，約在40°N附近與南向冷水相遇，寒暖流相互作用形成亞極地鋒。在這一過程中伴隨著暖水區(qū)溫躍層的通風和冷水區(qū)的潛沉過程；同時該海域的深層對流作用強烈。

除卻對流強度影響特征水形成之外，大氣條件如蒸發(fā)降水和太陽輻射等、海洋條件如海水結冰融冰（見圖4）、對馬暖流和黎曼寒流的分布（見圖1b）和沿岸淡水輸入等也會對特征水產(chǎn)生影響。研究顯示，日本海特征水存在明顯的年際變化信號。另外，由于日本海內流場從表層到底層的季節(jié)變化相當顯著，因此季節(jié)變化信號對日本海特征水傳播過程的影響還需要進一步研究[12,13,17]。

5 日本海特征水的變異

Kim 等[18]，Kwon[19]和 Minami等[20]研 究 均 顯示，自1969年以來日本海溫度呈上升趨勢，日本海內的鹽度和溶解氧也發(fā)生了重大變化。長期的升溫導致了溫躍層深度的變化，從而進一步影響到日本海中層水和特征水的性質變化。隨著全球氣候變暖，在過去50年間，日本海北部的平均氣溫上升了1.5～3℃，這使得北部冷水的冷卻效益減弱。日本海表層海水在冬季的下沉深度則由原來的3000 m左右變成目前的400～600 m。冬季，來自俄羅斯東北部的寒潮大風，長時間的對日本海上層輸入正的風應力旋度，導致日本海水面形成一股穩(wěn)定的氣旋式下潛寒流。表層的氧氣通過這一潛沉過程傳輸?shù)教卣魉诘纳疃龋顚雍Ｋ械奈⑸锟窟@些氧氣把從表層沉落下來的有機物分解成氮和磷等無機物。這些無機物再隨深層海水上升到海表層，成為藻類的營養(yǎng)來源（Yoshikawa et al.,1999）。然而隨著日本海上下層水體間物質和通量交換的減弱，Kim等[21]和Kang等[22]通過實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，自1930～2000年間，日本海深層水的溶解氧含量明顯呈下降趨勢，下降約35μmol/l。按此趨勢發(fā)展，將導致日本海內水體的“缺氧化”，若干年后日本海將成為無生物資源的“死?！?。海洋是地球上二氧化碳最大的匯，Takematsu[23]研究指出，日本海的諸多變化是由于深層水的通風系統(tǒng)的調整產(chǎn)生的。前人研究還進一步指出，浮游生物的減少意味著空氣中將有更多的二氧化碳氣體，這又反過來進一步加劇全球變暖的速度。

圖4 日本海入流輸運路徑示意圖

隨著溫室效應和全球氣候變暖，冬季來自亞歐大陸的寒潮大風過程減弱，導致日本海垂直混合作用日益減弱，這一過程伴隨著日本海海表面溫度降低幅度的減少。這進一步導致日本海表層冷水團降溫增密效應減弱，表層海水潛沉的深度降低；日本海北部混合層冷水向南潛沉的深度和范圍明顯減弱。這一連環(huán)效應最終導致日本海的深海洋流變得越來越弱，海洋表層與深層的物質循環(huán)和能量循環(huán)越來越難以得到保證。研究日本海特征水的變異情況，可對全球大洋變化研究提供有益的參考。

6 小結

本文簡要回顧了日本海特征水的研究歷史，總結了日本海特征水的源頭、成因以及傳播路徑等的研究現(xiàn)狀，探討了日本海特征水的變異及其對全球變暖的響應等問題。

日本海是一個典型的海域，氣候變化能夠直接清晰地影響深層水的形成?？梢哉f日本海是氣候變化的一面鏡子，通過研究日本海特征水，可以為氣候變化提供例證。因此需要加大對日本海特征水的調查和研究力度。本文的描述對了解和研究日本海水團、日本海海氣相互作用和日本海寒暖流系統(tǒng)和潛沉過程等也有幫助。

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P731

A

1003-0239（2011）02-0063-05

2010-07-19

國家基礎研究規(guī)劃項目(2005CB422303；2007CB411804)，教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃(NECT-07-0781)和高等學校引智計劃(B07036)

鄭沛楠（1981-），男，工程師，主要從事海洋環(huán)境方面的研究。E-mail：zhengpeiman@ouc.edu.cn。