青島冷水團的消亡機理研究

張啟龍，劉志亮，齊繼峰，楊德周，鄭冬梅

（1.中國科學院海洋研究所中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東青島266071；2.遼寧省海洋環(huán)境預報與防災減災中心，遼寧沈陽110001）

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青島冷水團的消亡機理研究

張啟龍1，劉志亮1，齊繼峰1，楊德周1，鄭冬梅2

（1.中國科學院海洋研究所中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東青島266071；2.遼寧省海洋環(huán)境預報與防災減災中心，遼寧沈陽110001）

摘要：本文基于多年月平均水溫資料，分析了青島冷水團的長消過程，并利用氣候態(tài)月平均大氣數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，探討了青島冷水團的消亡機理。結(jié)果表明，青島冷水團3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失；南黃海6-7月間偏南風的增強和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團消亡的動力機制，而海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入則是青島冷水團消亡的熱力機制。

關鍵詞：南黃海；青島冷水團；長消過程；消亡機理

1　引言

青島冷水團盤踞于山東半島東南部近海的深底層，是南黃海西部海域中的一個突出而重要的海洋水文現(xiàn)象［1—2］。它的存在和變動不僅使得南黃海西部的環(huán)流結(jié)構(gòu)和水文狀況趨于復雜，而且還對山東近海漁場春汛漁期的早晚和魚群的集散程度產(chǎn)生重要影響［3—6］。因此，青島冷水團深受我國海洋學界的重視和關注，并對其溫鹽特性、形成機制和變化特征進行了較為廣泛而深入的調(diào)查研究，取得了一些有意義的研究成果［3，5，7—11］。已有研究表明，青島冷水團具有獨特的熱鹽結(jié)構(gòu)和長消規(guī)律，是一個獨立的水團，它在3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失［8］；該水團來源于黃海沿岸水（渤南沿岸水），是在山東半島南側(cè)的反氣旋渦和太陽輻射加熱共同作用下形成的［7］；青島冷水團的強度具有顯著的年際和年代際變化特征，而其年際變化主要是由前冬（2月）山東半島北部沿海地區(qū)的氣溫變化引起的［9］。這些結(jié)果進一步加深了對青島冷水團的認識和了解。

但應指出的是，以往的研究成果大都是基于單個航次的調(diào)查資料分析得到的（簡稱為天氣學分析，下同），而利用氣候態(tài)月平均資料來研究水團特征和變化機理的工作卻極少（簡稱為氣候?qū)W分析，下同）。眾所周知，淺海水團的配置和特征在很大程度上取決于氣象等外界因素的變化，一旦這些外界因素出現(xiàn)突變，那么水團的配置和特征也將隨之發(fā)生巨大變化。由此可見，天氣學分析結(jié)果雖有特色，但也有其局限性，因為這些結(jié)果并不能完全反映出水團的氣候?qū)W特征。例如，于非等［10］基于美國海軍的G D E M（Generalized Digital Environ mental M odel）多年月平均水溫資料指出，青島冷水團主要存在于3-5月間，5月以后它便逐漸融入黃海冷水團當中，成為黃海冷水團的西側(cè)冷中心［11］，這與Zhang等［8］的天氣學分析結(jié)果存在著較大差異。另一方面，雖然人們已對青島冷水團的長消過程和形成機制有了比較深入的了解［8］，但對其消亡機理卻知之甚少，迄今尚未見到相關報道。為此，本文利用1950-2013年間在南黃海中西部海域獲得的水溫資料、大氣數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，對青島冷水團的長消過程和消亡機理進行研究，以期為南黃海西部海域海洋水產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)。

2　資料和處理方法

本文運用1950-2013年間W O D13（W orld O-cean Database 2013）和中國科學院海洋研究所的海洋科學數(shù)據(jù)庫（OSD-IO C AS）中的水溫資料，分析青島冷水團的氣候態(tài)季節(jié)變化特征。其中，W O D13是由美國國家海洋資料中心（N O D C）研發(fā)的2013版的世界海洋數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫中的水溫資料主要包括C T D、海洋站（OSD）、漂流浮標（D RB，PFL）和錨定浮標（M RB）等觀測數(shù)據(jù)，而OSD-IO C AS則主要為南森站和C T D觀測資料。與W O D13不同的是，OSD-IOC AS擁有更多的中國近海觀測資料。

為了探討青島冷水團的消亡機理，本文還利用美國國家海洋和大氣管理局（N O A A）研發(fā)的國際綜合海洋-大氣資料集（IC O A DS）中的月平均風場和海面凈熱通量數(shù)據(jù)，其分辨率皆為1°×1°。此外，由于缺乏大范圍的同步海流觀測資料，因此本文使用了由美國羅格斯大學和加州大學共同開發(fā)的R O M S（Regional Ocean M odeling System）模式模擬的氣候態(tài)海洋上層（0～25 m）海流數(shù)據(jù)（由楊德周博士提供）。該模式能夠很好地模擬東中國海的環(huán)流結(jié)構(gòu)和變化特征［12—13］。

本文的研究區(qū)域為南黃海中西部海域（34°～37°N，120°～125°E），圖1為南黃海地形圖。眾所周知，在海洋實測資料中往往存在著噪聲、誤差以及站點分布不均勻等問題。因此，為了得到一份高質(zhì)量的網(wǎng)格化的數(shù)據(jù)集，本文采用Levitus客觀分析方法對W O D13和OSD-IO C AS資料進行了客觀分析處理1）Levitus S，Boyer T.W orld Ocean Atlas 1994 C D-R O M Data Set Docu mentation［C］.National Oceanographic Data Center，Informal Report，1994：13.。首先剔除了資料中的奇異值和重復的站點，然后再對資料進行內(nèi)插：在垂直方向上，將所有的資料都插值到8個標準層（0、5、10、15、20、25、30和50 m）上；在水平方向上，每層的數(shù)據(jù)皆通過客觀分析方法插值到0.25°×0.25°格點上，同時利用加權(quán)平均方法對數(shù)據(jù)進行了平滑，從而得到了高分辨率的網(wǎng)格化水溫數(shù)據(jù)集。

圖1　南黃海地形圖（圖中實線為等深線，單位：m）Fig.1 Bathymetric map of the South Yellow Sea （The solid line is bathymetric contour，unit：m）

3　青島冷水團的長消過程

青島冷水團具有低溫特征，其內(nèi)部的溫度大致呈中央低、邊緣高的分布特征，與周圍的水體形成較強的溫度梯度［7—8］。另外還應指出的是，南黃海溫躍層的上界一般在5～10 m之間，而躍層厚度約為10 m［10］。也就是說，青島冷水團盤踞于20 m以深水層。因此，本文利用3-7月間的25 m層水溫資料來研究青島冷水團的長消過程是完全可行的。值得一提的是，為了能夠給出水團的全貌，本文將水深小于25 m的淺水區(qū)用底層資料補齊。

3月，在青島外海及其以北海域存在著一低溫區(qū)（T≤4.5℃）（圖略），而在4月該低溫區(qū)的水溫有所升高，而且6.4℃等溫線已呈封閉狀分布（圖2a），這標志著青島冷水團已經(jīng)成型（在水團內(nèi)部的25 m層，最低溫度為5.36℃）。到了5月，冷水團的分布范圍（T ≤9℃）迅速增大，而其內(nèi)部的水溫也在上升，其最低溫度較4月份上升了1.22℃（圖2b）。6月，冷水團的范圍（T≤10℃）明顯減小，但其內(nèi)部的溫度仍在繼續(xù)升高，其最低溫度為8.42℃（圖2c）。7月，雖然該水團的范圍（T≤11℃）大致與6月相近，但它已融入到黃海冷水團（T≤12℃）中（圖2d），并成為該水團的西側(cè)冷中心。因此可以認為，7月青島冷水團已消失。由以上分析可知，青島冷水團3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失，這與Zhang等［8］的天氣學分析結(jié)果相近，但與于非等［10—11］的氣候?qū)W分析結(jié)果卻有所不同（他們認為，青島冷水團4月最盛，5月減弱），這可能與所用的資料不同有關。

4　青島冷水團的消亡機制

由前面的分析可知，青島冷水團6月減弱，7月消失。而以往的研究也表明，青島冷水團是在山東半島南側(cè)的反氣旋渦和太陽輻射加熱共同作用下形成的［8］。那么，青島冷水團的消亡過程究竟是由哪些因素導致的？為此，本節(jié)將專門探討這一問題，從而闡明青島冷水團的消亡機制。

圖2　4-7月間的南黃海中西部25 m層水溫（℃）分布Fig.2 H orizontal temperature（℃）distribution at 25 m depth in the central and western South Yellow Sea during April to July

4.1動力機制

已有研究表明，風應力是上層海洋運動的主要驅(qū)動因素，也是淺海水團演變的主要動力機制［14］。因此，本節(jié)將重點討論風應力和海洋環(huán)流對青島冷水團消亡過程的影響。

由圖3可見，南黃海的風應力存在著顯著的季節(jié)變化。其中，冬季盛行偏北風（圖略），而夏季則盛行偏南風（圖中僅給出7月的風場）；春季（4-6月）是冬季風向夏季風過渡的季節(jié)，其間南黃海的風應力以反氣旋為主，而且反氣旋中心位置存在著很大的時空變化。4月，反氣旋中心位于南黃海西部（35.5°N，123.0°E）（圖3a），因此使得該海域的表層出現(xiàn)了一反氣旋渦（圖4a1），特別在25 m層，反氣旋渦的分布范圍較表層有所增大，且略呈東北-西南向分布（圖4a2），這對青島冷水團的維持和發(fā)展是極為有利的。5月，由于風應力反氣旋中心已東移至南黃海東部（25°N，125°E），因而南黃海西部基本被較強的東南風所控制（圖3b），與之相伴的是，在南黃海西部的表層出現(xiàn)了較強的偏北向流，反氣旋渦位置隨之東移（圖4b1），但在溫躍層的屏障作用下，25 m層的反氣旋渦仍較強（圖4b2），于是青島冷水團達至其盛期（圖2b）。到了6月，風應力反氣旋中心已移至海域的東北角（37°N，125.5°E），因而整個研究海域基本被較強的偏南風所控制（圖3c），這使得南黃海偏北向的表層流繼續(xù)增強，而反氣旋渦則隨之消失（圖4c1），但在溫躍層的阻擋下，南黃海西部25 m層的北向流較弱，而海域中部的南向流則仍較強，即反氣旋渦已明顯減弱（圖4c2）。這樣的環(huán)流結(jié)構(gòu)對黃海冷水團的發(fā)展極為有利，但對青島冷水團卻有阻礙作用，因而它開始減弱（圖2c）。進入夏季（7月），強勁的偏南風（圖3d）導致了南黃海出現(xiàn)很強的北向表層流（圖4d1），但春季出現(xiàn)在25 m層的反氣旋渦已不復存在，而被較強的西南向流所取代（圖4d2），這加速了黃海冷水團的南擴和西伸，因而使得青島冷水團被融入到該水團中而消失（圖2d）。由此可見，6-7月間南黃海偏南風的增強和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團消亡的主要動力機制。

圖3　4-7月間的南黃海海面風場Fig.3 Sea surface wind fields in the South Yellow Sea during April to July

4.2熱力機制

南黃海屬于陸架淺海，其暖半年的上層熱狀況受太陽輻射的影響極大。由圖5可見，春季該海域獲得的熱量由4月的100～120 W/m2猛增到6月的160 W/m2（圖5a-c），而在夏季（7月），南黃海的凈熱通量大都在160～170 W/m2之間（圖5d）。如此多的凈熱通量使得南黃海表層的海水迅速增暖，這可從水團內(nèi)部表層水溫的變化特征得到佐證。在4-7月間，青島冷水團中心處的表層水溫分別為7.50℃、12.88℃、18.76℃和23.38℃。在垂向混合的作用下，表層的熱量不斷地向下輸送，因而使得深層的水溫逐漸升高，特別在近岸海域尤其如此。在水團西側(cè)的近岸海域（35.5°N，121.0°E），25 m層的水溫由4月的6.36℃猛增到7月的11.35℃。另一方面，由于黃海冷水團區(qū)的水溫高于青島冷水團（圖2），而且6-7月間在25 m層一直盛行西南向流（圖4b3、b4），這既有利于黃海冷水團的南擴和西伸，同時又能將部分熱量平流到青島冷水團附近，因而使得該水團變暖、減弱，最終融入到黃海冷水團中而消亡。由此可以認為，局地海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入是青島冷水團消亡的熱力機制。

綜上所述可知，6-7月間南黃海偏南風的增強和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團消亡的動力機制，而海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入則是青島冷水團消亡的熱力機制。

5　結(jié)論

本文基于多年月平均水溫資料，分析了青島冷水團的長消過程，并利用氣候態(tài)月平均大氣數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，探討了青島冷水團的消亡機理，得到的結(jié)論主要如下。

圖4　4-7月間表層和25 m層的模擬流場Fig.4 The simulated flow fields at sea surface and 25 m depth during April to July

（1）青島冷水團3月出現(xiàn)，4月成型，5月最盛，6月減弱，7月消失，這與Zhang等［8］的天氣學分析結(jié)果相近，但與于非等［10—11］的氣候?qū)W分析結(jié)果卻有所不同，這可能與所用的資料不同有關。

圖5　4-7月間的南黃海海面凈熱通量分布Fig.5 Sea surface heat flux fields in the South Yellow Sea during April to July

（2）南黃海6-7月間偏南風的增強和溫躍層以下反氣旋渦的減弱是青島冷水團消亡的動力機制，而海面凈熱通量的下傳和水平熱量的輸入則是青島冷水團消亡的熱力機制。

致謝：本文使用了由中國科學院海洋研究所和美國國家海洋資料中心提供的海溫資料及美國國家海洋和大氣管理局（N O A A）研發(fā)的月平均風場和海面凈熱通量數(shù)據(jù)，在此謹致謝忱！

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張啟龍，劉志亮，齊繼峰，等.青島冷水團的消亡機理研究［J］.海洋學報，2016，38（5）：27-33，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.003

Zhang Qilong，Liu Zhiliang，Qi Jifeng，et al.Study on the extinction mechanism for Qingdao cold water mass［J］.Haiyang Xuebao，2016，38（5）：27-33，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.003

Study on the extinction mechanism for Qingdao cold water mass

Zhang Qilong1，Liu Zhiliang1，Qi Jifeng1，Yang Dezhou1，Zheng Dongmei2
（1.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；2.Marine Environmental Forecasting and Disaster Preventing and Reeducating Center of Liaoning Province，Shenyang 110001，China）

Abstract：In this work，the growing and vanishing processes ofthe Qingdao Cold W ater M ass（Q C W M）were studied based on monthly mean climatological sea temperature data in the South Yellow Sea.And then，the extinction mechanism for Q C W M was also examined using the meteorological data and the nu mericalsimulation resultsin this study area.The results showed thatthe Q C W M appearsin M arch，has stable pattern in April，is biggestin its area in M ay，becomes smallin its areain June and vanishesin July.During June to July，the strengthening of southerly winds and weakening of the anticyclonic eddy below the thermocline are the dynamic mechanism for the Q CW M extinction，while the downward transfer of sea surface solar radiation and horizontal heat input are the thermodynamic mechanism of the Q C W M extinction.

Key words：South Yellow Sea；Qingdao Cold W ater M ass；growing and vanishing processes；extinction mechanism

作者簡介：張啟龍（1954—），男，山東省昌邑市人，研究員，從事海洋環(huán)流和海氣相互作用研究。E-mail：qlzhang＠qdio.ac.cn

基金項目：國家自然科學基金（41276026）；中國科學院戰(zhàn)略先導專項（X D A11020301）。

收稿日期：2015-09-17；

修訂日期：2015-12-20。

中圖分類號：P731.16

文獻標志碼：A

文章編號：0253-4193（2016）05-0027-07