灣流鋒強度空間變化及季節(jié)變化特征研究

劉建斌，張永剛，張旭

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018；2.中國人民解放軍91550 部隊，遼寧 大連 116023）

灣流發(fā)源于赤道附近的南北赤道流，北上途徑安的列斯群島、墨西哥灣、佛羅里達海峽流入大西洋（馮士笮 等，1999）。佛羅里達海峽到大西洋45°W 的灣流走向可以分為兩部分，一部分（稱作南段）從25°-35°N 主要是沿美國東海岸北上，另一部分（稱作北段）從35°N，72°W 處向東北方向流動，這兩部分灣流在位置、強度變化特征方面也有所不同，整個灣流走勢呈現(xiàn)彎刀型。灣流兩側溫度、鹽度等海洋要素梯度大，因而形成較強的溫度鋒和鹽度鋒，統(tǒng)稱灣流鋒。

目前國內(nèi)外學者對于灣流流系的動力特征、相關性關系以及灣流鋒結構特點等有著充分的調(diào)查和研究。如李立等（1988）以潛標陣數(shù)據(jù)分析了灣流鋒面特點及附近渦旋的三維結構。Johns 等（1995）根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了68°W 附近的灣流鋒面結構、環(huán)流特點。Christopher 等（2009）用統(tǒng)計分析的方法對68°W 處灣流鋒的溫、鹽相關性、鋒區(qū)成因等進行了總結。Reul 等（2014）利用SMOS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料對灣流鋒位置及表面溫、鹽結構進行了分析。本文主要研究灣流鋒的位置季節(jié)變化、強度季節(jié)變化以及位置、強度、季節(jié)的相互關系，除此之外，海洋鋒區(qū)域聲場復雜對于潛艇的活動影響顯著，因此本文對鋒區(qū)聲場進行了簡單分析。

1 數(shù)據(jù)與鋒面分析方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

WOA13（World Ocean Atlas 2013） 是來自NOAA 的國家海洋數(shù)據(jù)中心海洋氣象實驗室的海洋氣候學數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，包涵全球海洋溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等海洋要素數(shù)據(jù)，分為年平均、季節(jié)平均、和月平均數(shù)據(jù)，是多種數(shù)據(jù)集的整合產(chǎn)品，空間分辨率有：5°、1°、0.25°3 種，數(shù)據(jù)能夠提供三維的海洋環(huán)境信息；在深度上，利用內(nèi)插值的方法，從表層到最大深度5 500 m 分為102 層（T.Boyer et al，2013）。本文選用多年（1955-2012）年際、季節(jié)平均0.25°網(wǎng)格溫度、鹽度數(shù)據(jù)分析美國東海岸附近灣流鋒。需要說明的是WOA13 數(shù)據(jù)雖然是平均格點化插值數(shù)據(jù)，在表現(xiàn)海洋鋒強度上比實際值要低，但是在表現(xiàn)鋒區(qū)，特別是鋒軸線上位置、強度的變化特點上具有比較好的效果。

1.2 鋒面確定方法

灣流鋒在位置上與緯線方向有一定的夾角，因而選用絕對梯度來表示海洋鋒的強度。計算灣流存在大致區(qū)域的每一點的絕對梯度值，之后按經(jīng)線對每條經(jīng)線上絕對梯度最大值的點的連線定義為灣流的鋒軸線，相同經(jīng)度下如果對應多個極大值點，則取最南端的點作為鋒軸線上的點，由此得到了較為清晰的鋒線位置。在強度表示方面國內(nèi)外還沒有一個統(tǒng)一的標準，在灣流鋒區(qū)內(nèi)兩個相鄰網(wǎng)格點的距離約為14 海里，因此選作強度的距離標準。其中絕對梯度的定義為：

1.3 聲場計算方法

傳統(tǒng)射線模型通常受到高頻近似的限制，不能有效計算焦散線附近的傳播損失。Porter 等（1987）采用高斯近似的方法提出了BELLHOP 聲學模型成功解決了焦散線對聲場計算的影響。同時BELLHOP模型能夠適應于復雜的三維環(huán)境下的聲場計算，能較便捷且清晰的表達鋒區(qū)聲場特點。根據(jù)Hamilton給出的地聲學經(jīng)驗參數(shù)表設置底質(zhì)參數(shù)，密度為1.421 g/cm3，壓縮波聲速為1 520 m/s，衰減系數(shù)為0.12，聲波頻率1 kHz，掠射角范圍取-30°～30°，掠射角間隔設為0.5°（Hamilton et al，1980）。

2 灣流的位置及強度變化

2.1 灣流鋒位置的變化特征

利用鋒區(qū)絕對梯度最大值連線的方法將不同水深四季鋒軸線的位置畫出，如圖1 所示，為表層溫度鋒軸線多年季節(jié)平均位置。通過對表層至2 500 m水深不同水層（最小間隔5 m，最大間隔50 m）溫度鋒的位置信息進行比較我們發(fā)現(xiàn)，整體來看，溫度鋒位置季節(jié)差異不大，但鋒面位置隨深度的變化比較明顯，鋒面強度較大且鋒線清晰的鋒軸線主要集中在1 000 m 以內(nèi)；在灣流南段隨著深度的增加溫度鋒距離海岸線的距離逐步增大，主要是受到大陸坡地形因素的影響，水深45 m 后在33°N 鋒軸線出現(xiàn)向南的偏折后繼續(xù)沿岸東北方向；在北段東西方向的鋒軸線，在100 m 以深，隨著深度的增加鋒軸線的位置從42°N 附近逐漸南移到達39°N附近。

圖1 表層鋒軸線位置

在鹽度鋒變化方面，鹽度鋒的位置及走勢大致與溫度鋒相當，且季節(jié)變化差異不大，鋒軸線強度較大的區(qū)域主要集中在800 m 以內(nèi)，位置隨深度的變化情況與溫度鋒很相近。不管溫度鋒軸線還是鹽度鋒軸線，在軸線上會有一些比較“尖銳”的凸起，這是由于和定義的海洋鋒軸線有關，這些凸起點是鋒軸線上與其它點強度差異較大的點。

2.2 強度的變化特征

分別將不同水深不同季節(jié)海洋鋒軸線上的溫度強度與鹽度強度的值求出，如圖2 所示為170 m 水深鹽度鋒軸線及鋒軸線上的強度變化圖。從這些變化圖中發(fā)現(xiàn)，強度隨空間位置的變化（水平方向和垂直方向）較強度隨季節(jié)的變化明顯。

圖2 170 m 水深鹽度鋒軸線及強度變化圖

2.2.1 強度隨空間位置的變化

對比1000 m 水深以內(nèi)的鋒軸線強度變化圖可以發(fā)現(xiàn)，每一層水深總會出現(xiàn)幾個極大值的區(qū)域，如圖2 中的75°W 附近80°W 附近，而其它位置上的點強度相近，且強度極大值的點的變化情況可以較好的代表周圍水域強度變化特點，因此選取幾個出現(xiàn)頻率較高的極值點以及變化特點顯著的點進行研究。如圖3 所示為溫度鋒軸線上，1-3月份50°W、68°W、75°W 及78°W 4 個點強度隨水深的變化圖。

結合各月份四點的深度強度變化圖，可以得到每點的變化溫度（表1）、鹽度特點（表2）如下：

需要說明的是，所取點的經(jīng)度不變，其緯度是隨著水深而改變的，但始終處在鋒軸線上，因而這些點的強度變化可以較好的表現(xiàn)鋒區(qū)內(nèi)強度的變化特點。從表一和表二中可以看出在75°W 處的灣流鋒，不論是溫度還是鹽度強度都在在0～50 m 內(nèi)變化劇烈，這是因為此處靠近大陸坡，受地形因素影響顯著；同樣在點68°W 附近溫度鹽度強度都在50～70 m 左右地勢凸起的區(qū)域有強度有突然增大的變化。此外，在78°W 附近可以看出隨著水深、季節(jié)的變化強度差異不大。整體來看這些點的鹽度與溫度的強度季節(jié)與水深變化相似。

圖3 1-3月份溫度鋒上四個研究點強度變化情況

表1 溫度鋒線上4 點強度隨深度季節(jié)的變化特點

2.2.2 強度的季節(jié)差異

海洋鋒具有三維結構，直接研究結構變化比較困難，因此將海洋鋒按深度進行劃分，每層深度都有對應的鋒軸線。相對來說，同一深度鋒軸線強度值季節(jié)差別較大的點是夏季與冬季（7-9月份與1-3月份）、春季與秋季（4-6月份與10-12月份），為了研究這些季節(jié)強度差異隨水深的變化情況，每層水深相同經(jīng)線位置的（緯線位置可能不同）不同季節(jié)的海洋鋒軸線上的點強度求差，得到季節(jié)強度的差異值。如圖4 所示，25 m 水深不同經(jīng)線上鋒軸線上季節(jié)的強弱情況，在鋒軸線上有些位置的點，季節(jié)差異值很大如75°W、70°W 附近。

圖4 25 m 水深處溫度鋒軸線強度季節(jié)差異圖

為了研究鋒軸線上季節(jié)差異值大的區(qū)域，我們統(tǒng)計0～1 000 m 各層季節(jié)之差的最大值所在的點，夏、冬兩季差異值最大的區(qū)域主要在：67°W-70°W（冬季大于夏季），72°W-75°W、55°W-58°W、50°W 附近（夏季大于冬季）；春秋兩季則集中在78°W、66°W（春季強于秋季） 以及50°W 附近（秋季強于春季）。

表2 鹽度鋒線上4 點強度隨深度季節(jié)的變化特點

將水深從0～500 m 每隔5 m 分別求比率得到了溫度、鹽度季節(jié)之差比率隨深度的變化圖，如圖5所示為溫度鋒隨深度的季節(jié)差異曲線。

圖5 溫度鋒比率變化圖

從圖5 可以看出溫度鋒冬季總體強于夏季（比率小于0.4）主要集中在0～25 m；200～450 m 內(nèi)，夏季總體強于冬季（比率大于0.6）主要在30～125 m內(nèi)；春季強于秋季主要在0～50 m 內(nèi)，秋季強于春季則集中在80～250 m、300～350 m。整體看冬季強度大于夏季的點多。

而鹽度鋒整體來看季節(jié)差異較溫度的變化并不明顯，差異比率基本在0.4～0.6 之間。

2.3 鹽度強度與溫度強度的相關性分析

首先研究相同季節(jié)相同經(jīng)線鋒軸位置上對應的鹽度強度與溫度強度的相似性關系，按經(jīng)線分別取溫度鋒與鹽度鋒軸線上的點，深度范圍為0～2 300 m，求出相關系數(shù)。如圖6 所示，為1-12月份各季節(jié)鋒軸線上點的鹽度與溫度強度相關性分布圖。

從圖6 中可以看出溫度強度與鹽度強度絕大部分灣流鋒軸線上的點呈現(xiàn)正相關性，其中73°W-78°W 附近與53°W-68°W 范圍內(nèi)1-3月份與4-6月份溫、鹽的正相關性較好，相關系數(shù)在0.6 以上；在68°W-73°W、45°W-48°W 區(qū)域內(nèi)，10-12月份負相關性較強，相關系數(shù)小于-0.6。

此外50°W、68°W、75°W、78°W 附近的點的溫度、鹽度強度相關性關系兩兩分析，發(fā)現(xiàn)這些點之間存在較好的負相關性關系，如在7-9月份，68°W 與78°W 溫度強度呈現(xiàn)負相關性，鹽度強度也呈現(xiàn)負相關性，相關系數(shù)均在-0.6 以下；同樣在10-12月份50°W 與78°W 溫度強度、鹽度強度的相關性系數(shù)分別為-0.527 7 與-0.678 1。

圖6 溫度強度與鹽度強度相關性分布圖

3 聲場分析

分別選取了南北段灣流鋒強度較強的點，進行聲速剖面分析，對比不同月份聲速剖面發(fā)現(xiàn)，在1-3月份混合層作用明顯。如圖7 所示，為1-3月份聲速剖面圖，從圖中可以看出此時混合層厚度在50～100 m 左右，混合層底聲速出現(xiàn)較大值，后逐漸減小，至聲速最小值處為深海聲道軸的深度，同時也是溫躍層底的位置，圖中所示聲道軸深度在500～1 000 m 不等。

圖7 聲速剖面

以68.5°W，39.5°N 處的環(huán)境場為例，采用BELLHOP 中的距離無關模式，對其聲場進行分析。背景資料選用1-3月份多年季節(jié)平均數(shù)據(jù)，此時混合層厚度在100 m，溫躍層及聲道軸位置在600 m附近。聲源深度分別為60 m、200 m 以及600 m，如圖8～10 所示。

圖8 聲源深度60 m

圖9 聲源深度200 m

圖10 聲源深度600 m

當聲源深度位于混合層內(nèi)時，如圖8 聲源深度為60 m 時，對于聲源掠射角較小的射線，被陷獲在混合層內(nèi)，形成表面聲道；而對于掠射角較大的聲線則可以穿過混合層經(jīng)海底反射后形成匯聚區(qū)聲道。

當聲源深度位于混合層以下是，如圖9 所示聲源深度200 m 時，此時主要以匯聚區(qū)聲道為主，但匯聚區(qū)的位置受到混合層的影響一般在混合層以下。當聲源深度位于聲道軸附近時，由于聲線向聲速小的方向折射的規(guī)律，聲線主要集中在深海聲道軸附近，形成深海聲道。

4 結論

本文利用WOA13 數(shù)據(jù)多年季節(jié)平均數(shù)據(jù)，采用鋒區(qū)內(nèi)經(jīng)線方向絕對梯度最大值點連線確定鋒軸線的方法對灣流鋒的空間變化，溫度、鹽度強度變化進行了分析，得到了如下結論：

（1）鋒軸線的位置變化主要體現(xiàn)在隨深度的變化上，在100 m 以深北段灣流鋒軸線逐漸向南移動至39°N 附近，鋒區(qū)鋒軸線清晰且強度較大的區(qū)域主要集中在1 000 m 內(nèi)；

（2）強度隨深度的變化比較明顯，選取并研究了具有代表性的幾處強度隨深度變化，不同區(qū)域強度隨水深變化的特征有較大差異，且隨深度變化的季節(jié)特征明顯（表1，表2）；

（3）強度的季節(jié)差異主要體現(xiàn)在溫度鋒的強度季節(jié)變化上，在表層到水深25 m 以及200～450 m內(nèi)，冬季鋒強度整體要強于夏季，而在30～125 m內(nèi)夏季則整體強于冬季，春季強于秋季主要在0～50 m 內(nèi)，秋季強于春季則集中在80～250 m、300～350 m；

（4）分析了相同經(jīng)線上溫度鋒軸線上點與鹽度鋒軸線上點強度的相關性關系發(fā)現(xiàn)，絕大部分區(qū)域溫、鹽是呈現(xiàn)正相關且相關性較好，特別是1-6月份位于50°W-68°W 區(qū)域的鋒軸線上的點相關系數(shù)均在0.8 以上，一些區(qū)域和月份呈現(xiàn)較好的負相關性如10-12月份位于70°W-73°W 內(nèi)鋒軸線上的點，相關系數(shù)在-0.8 至～0.6 之間；此外，還分析了幾個特殊點之間的相關性關系，在7-9月份，68°W 與78°W 溫度強度呈現(xiàn)負相關性，鹽度強度也呈現(xiàn)負相關性，相關系數(shù)均在-0.6 以下；在10-12月份50°W 與78°W 溫度強度、鹽度強度的相關性系數(shù)分別為-0.527 7 與-0.678 1；

（5）分析了鋒區(qū)不同位置鋒軸線上強度較大點的聲場特點，發(fā)現(xiàn)在1-3月份聲場環(huán)境相對復雜，水下聲道的形成與混合層、溫躍層的厚度以及聲源的位置有關，并給出了不同位置點的混合層底位置、深海聲道軸位置。

Christopher S Meinen, Douglas S Luther,Molly O Baringer, 2009. Structure,transport and potential vorticity of the Gulf Stream atirculation near 68W.Deep-Sea Research,56 (I) :41-60.

Hamilton E L. GGeoacoustic modeling of the sea floor. J Acoust SocAm,1980,68 (2) :1313-1340.

N Reul, B Chapron, T Lee, et al, 2014. Sea surface salinity structure of the meandering.Geophysical Research Letters, 2014 (10) : 3141-3148.

Porter M B, Bucher H P, 1987. Gaussian beam tracing for computing ocean acoustic fields.J Acoust Soc AM,1987 (82) :1349-1359.

T Boyer,A Mishonov,2013.World Ocean Atlas 2013 Product Documentation. [EB/OL] . [2014-10] .http://www.nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html.

W E Johns,D R Watts,1995. Gulf Stream structure,transport,and recirculation near 68W. journal of geophysical research, 100 (C1) :817-838.

馮士笮，李鳳岐，李少菁，1999.海洋科學導論.1999年6月第一版：高等教育出版社.

李立，1988. 灣流鋒面渦旋的三維結構. 海洋與湖沼，19（3）：295-299.