瓊東海域鋒面特征初探

曹智勇，曹瑞雪，張書文，伊小飛，蔣 晨

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院// 陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088）

瓊東海域鋒面特征初探

曹智勇，曹瑞雪，張書文，伊小飛，蔣 晨

（廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院// 陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088）

2012年7月現(xiàn)場調(diào)查了海南島東部陸架海（瓊東海域），結(jié)合其中4個(gè)斷面的實(shí)測數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，探究該海域 2012年海表溫度鋒面的季節(jié)性變化以及夏季鋒面結(jié)構(gòu)特征。研究表明，瓊東海域溫度鋒面的季節(jié)性變化明顯，強(qiáng)鋒面中心會隨季節(jié)變化。夏季鋒面主要分布在上升流區(qū)，是典型的上升流鋒面，鋒帶寬20～40 km，大致沿100 m等深線，隨深度增加鋒面強(qiáng)度減小，位置向外海移動(dòng)。

瓊東海域；陸架海；鋒面

海洋鋒面是相鄰水團(tuán)之間狹窄的過渡區(qū)域，也是陸架邊緣海普遍存在的重要現(xiàn)象。鋒面不穩(wěn)定產(chǎn)生的諸多中尺度、次中尺度過程對海氣相互作用以及陸架海域生態(tài)環(huán)境效應(yīng)具有十分重要的意義和作用［1-4］。

瓊東海域，即海南島東部和廣東省西部的陸架海，位于南海的西北部。該區(qū)域海岸線大致呈西北-東南走向，等深線幾乎與岸線平行，且水深變化較大，陸架從西北向東南迅速傾斜。夏季盛行西南季風(fēng)，冬季盛行東北季風(fēng)，風(fēng)向大致與岸線平行。影響該海域的海流主要有向西的粵西沿岸流和東北向的南海暖流，且終年存在［5-8］。此外，夏季瓊東沿岸還存在上升流，前人關(guān)于瓊東海域的調(diào)查和研究主要集中在瓊東上升流及其控制機(jī)制，近些年來關(guān)于該海域鋒面的研究越來越多。王東曉等研究表明瓊東海域表層溫度鋒的季節(jié)性變化非常明顯：在冬、春兩季，溫度鋒面穩(wěn)定且強(qiáng)烈，夏季較弱，秋季鋒面基本消失［11-13］。此外，經(jīng)志友等對此海域做了中尺度調(diào)查，發(fā)現(xiàn)上升流鋒面受風(fēng)應(yīng)力控制，沿岸風(fēng)應(yīng)力和錨定溫度記錄有一個(gè)延遲相關(guān)［14］。以往對瓊東鋒面的研究多是著眼于整個(gè)南?；蚰虾１辈康闹谐叨妊芯?，本文聚焦瓊東海域，試圖找出該區(qū)域夏季上升流鋒面的結(jié)構(gòu)特征以及海表溫度鋒面的季節(jié)性變化特征，為開展瓊東區(qū)域海洋鋒面的動(dòng)力過程及鋒面混合的研究奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

2012年7月對瓊東海域進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查，其中包括K、F、H和G4個(gè)斷面，對此4個(gè)斷面調(diào)查的時(shí)間為7月13-18日。站位分布如圖1中藍(lán)色“*”點(diǎn)所示，K斷面有16個(gè)站位，F(xiàn)斷面有17個(gè)站位，H斷面有16個(gè)站位，G斷面有14個(gè)站位，按離岸距離從小到大依次排序。站位設(shè)置在跨陸架方向水深小于150 m的區(qū)域平均間隔為5 km，水深大于150 m的區(qū)域間隔為15 km；在沿岸方向斷面之間的間隔為25 km。溫鹽深數(shù)據(jù)的獲取是用美國SeaBird海洋儀器公司出產(chǎn)的SBE 19plus溫鹽深儀（CTD），水平流場數(shù)據(jù)的獲取是美國勞雷公司出產(chǎn)的哨兵型自容式聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）。CTD的深度分辨率為1 dbar，精度為0.5 dbar；ADCP精度為水流速度的±0.5%±5mm/s，被懸掛在水下6 m位置，垂向采樣間隔為4 m。海表溫度（SST）數(shù)據(jù)來源于NOAA海表面溫度數(shù)據(jù)是由NOAA提供的多種數(shù)據(jù)融合的，主要融合了AVHRR，AATSR，SEVIRI，AMSRE，TMI 等衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，時(shí)間分辨率為1 d，空間分辨率為6 km，下載地址：http://data.nodc.noaa.gov/ghrsst/L4/GLOB/UKMO/O STIA。

鋒面的定義為水文要素變化急劇的區(qū)域，一般用水平梯度值來表征鋒面強(qiáng)度。本研究采用Sobel梯度算法來獲取鋒面，該算法在求解中心點(diǎn)的差分值時(shí)也賦予臨近網(wǎng)格方向上差分值以不同的權(quán)重，充分考慮了周圍格點(diǎn)對中心點(diǎn)的影響，在一定程度上抑制了數(shù)據(jù)運(yùn)算中產(chǎn)生的噪音，可以有效增強(qiáng)數(shù)字圖像的邊緣可視性［15-16］。其具體步驟是：首先用Sobel算子與SST卷積運(yùn)算求得x和y方向的梯度值Gx和Gy，然后總梯度大小

其中

T表示要計(jì)算的那個(gè)點(diǎn)為中心3×3的SST矩陣。計(jì)算出梯度后，取梯度大于某臨界值（閾值）的區(qū)域作為鋒面的位置，梯度閾值的選定有很大的主觀經(jīng)驗(yàn)性，在不同海域或同一海域的不同季節(jié)稍有不同。本文中取閾值為0.025℃/km，即大于此臨界值的區(qū)域確定為鋒區(qū)。

圖1 瓊東陸架海地形Fig.1 Ttopography in the continental shelf of eastern Hainan Island

2 結(jié)果與分析

2.1 水體的溫鹽密特征

對瓊東陸架海夏季航次觀測的溫鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，圖2展示了10 m、20 m、30 m和50 m不同深度層上的溫度、鹽度和位勢密度的分布情況。由圖可知，水平變化趨勢明顯：近岸區(qū)域是低溫、高鹽、高密水，離岸區(qū)域相反。隨著深度的增加，溫度減小，鹽度、位密增加，上層的低溫高鹽水逐漸向東北方向擴(kuò)散，底層則完全被低溫、高鹽、高密的底層水占據(jù)。

圖3展示了K、F、H和G 4個(gè)斷面溫鹽密的垂向分布特征，總的趨勢是等溫線、等鹽線和等密線都向岸抬升，尤其在水深100 m附近，等值線抬升非常明顯，有“露頭”的趨勢。近岸一側(cè)低溫、高鹽、高密，離岸一側(cè)相反，次表層的近岸水比離岸水溫度低6℃，鹽度值高0.5。

圖2 K、F、H和G斷面溫度、鹽度和位密分布Fig.2 Distribution of temperature，salinity and potential density on sections K，F(xiàn) ，H and G

圖3 不同深度上（10m，20m，30m，50m）溫度、鹽度和位密的水平分布Fig.3 Distribution of temperature，salinity and potential density at various depths（10m，20m，30m，50m）

2.2 鋒面的三維結(jié)構(gòu)

對2012年7月13-18日（調(diào)查期間）6 d的SST做平均處理并求其梯度，平均SST及其鋒面如圖4所示。本文中選取的梯度閾值為0.025℃/km（圖4b中的黑色粗虛線），于是得到一條狹長的沿岸分布鋒帶，且位置大致在50～100 m等深線之間，寬度為20～40 km，靠岸一側(cè)溫度低，離岸一側(cè)溫度較高，兩側(cè)溫差達(dá)2℃。鋒強(qiáng)最大值為0.044℃/km，大值區(qū)出現(xiàn)在東部海域，也是上升流的中心區(qū)域［10，17］。

對現(xiàn)場的溫鹽數(shù)據(jù)求水平梯度，找出溫鹽鋒面。選取了水深10 m、20 m和30 m 3層數(shù)據(jù)，如圖5所示，鋒面比較顯著，溫度鋒面和鹽度鋒面的水平分布基本一致。10 m層的溫鹽鋒面大致與100 m 等深線（圖中細(xì)點(diǎn)線）重合，結(jié)合3層溫鹽鋒面和SST鋒面，可以看出鋒面位置隨深度增加逐漸向離岸方向推移，表現(xiàn)為一個(gè)向外海傾斜的鋒面。就溫度鋒強(qiáng)而言，混合層的溫度梯度要比海表溫度梯度要大一個(gè)數(shù)量級，10 m層溫度鋒面最為強(qiáng)烈，隨深度增加溫度鋒面強(qiáng)度逐漸減小。這種現(xiàn)象有兩種解釋：一是為上升流強(qiáng)度較弱，使得補(bǔ)償?shù)南聦永渌疀]有“露頭”；二是下層冷水到達(dá)海表后在短時(shí)間內(nèi)被加熱?？紤]到瓊東上升流的強(qiáng)烈和夏季海表的加熱作用，我們認(rèn)為主要原因是海表的加熱過程使得上升到海表的冷水增溫，直接導(dǎo)致了海表的水平溫度梯度的減弱，最終比次表層小了一個(gè)數(shù)量級。

2.3 鋒區(qū)流場特征

圖6展示了12 m、32 m、52 m和72 m 4層的現(xiàn)場水平速度，海流在12 m層主要沿陸架向東北方向，即沿鋒面方向，最大速度可達(dá)0.4 m/s；32 m層海水主要流向西北方向，下層海水主要向岸流動(dòng)。在垂直方向上，海流方向由東北轉(zhuǎn)向西北，呈現(xiàn)出逆時(shí)針變化的特征。由于鋒面在上層比較強(qiáng)烈，隨深度增加而減小，所以鋒面對上層海水運(yùn)動(dòng)有較大影響，底層海水向岸流與主要受沿岸上升流控制。

圖4 2012年7月13-18日6 d平均SSTa）及其鋒面b）Fig.4 Six days average SSTa） and thermal frontb） from July 13 to July 18 in 2012

圖5 10m、20m和30m水層的溫度鋒面（a-c）和鹽度鋒面（d-f）Fig.5 Distribution of thermal front（a-c） and haline front（d-f） at various depths（10m，20m，30m）

為了方便觀察流場特征，我們對流場數(shù)據(jù)做了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（圖6），即把u（緯向速度，向東為正）、v（經(jīng)向速度，向北為正）分解為沿陸架（沿鋒面）方向的速度V和跨陸架（跨鋒面）方向的速度U。如圖7所示，在較淺的水域內(nèi)，由于風(fēng)動(dòng)量傳至海底所需的時(shí)間很短，起風(fēng)不久后，風(fēng)應(yīng)力將與底摩擦應(yīng)力相互平衡，從而致海水的流向與風(fēng)向一致［18］，所以在水深小于50 m的近岸區(qū)域存在比較強(qiáng)烈的沿岸風(fēng)生急流。在水深100 m附近的鋒區(qū)，沿鋒面速度V較大，相對而言，跨鋒面速度U要小得多，這與鋒面急流有關(guān)。另外，U值為負(fù)表示跨陸架向岸運(yùn)動(dòng)，近岸水有出現(xiàn)明顯的爬坡跡象，這主要與由瓊東上升流引起的底層水補(bǔ)償作用有關(guān)［19］。

圖6 不同深度的流場Fig.6 The velocities at different depths

圖7 水平流速在沿陸架方向（V）和跨陸架方向（U）的分布Fig.7 Distribution of Current vectors（U，V） on sections K，F(xiàn)，H and G

圖8 瓊東海域2012年各月份海表溫度鋒面Fig.8 Distribution of moon mean thermal front in the continental shelf of eastern Hainan Island in 2012

2.4 海表溫度鋒面的季節(jié)性變化

圖8展示了2012年瓊東海域各月份的SST鋒面，SST鋒面的季節(jié)變化非常顯著，變化規(guī)律與前人的研究基本相符：鋒面沿陸架分布，冬季鋒面最強(qiáng)烈，春、夏兩季依次減弱，秋季完全消失［11-13］。冬季（12、1、2月），受東北季風(fēng)的影響，整個(gè)南海表層表現(xiàn)為氣旋式環(huán)流，表層環(huán)流與西向的粵西沿岸流一起，在瓊東海域與南海暖流相遇，形成了非常強(qiáng)烈的溫度鋒面，鋒面中心出現(xiàn)在靠近海南島東北岬角的區(qū)域；春季（3、4、5月），隨著季風(fēng)的逐漸轉(zhuǎn)向，鋒面強(qiáng)度有減弱的趨勢，而且鋒強(qiáng)中心逐漸向南移動(dòng)；夏季（7、8、9月）鋒面強(qiáng)度要比冬季弱很多，鋒強(qiáng)中心不顯著，表現(xiàn)為環(huán)海南島鋒帶，其中瓊東海域鋒帶更明顯。在夏季鋒面普遍消退的情況下，瓊東海域能有相對較強(qiáng)的鋒面帶，這主要與夏季沿岸上升流有關(guān)：夏季西南季風(fēng)引起艾克曼離岸輸運(yùn)，冷而咸的底層海水上涌補(bǔ)償，加強(qiáng)了水平溫、鹽梯度［10，14，20］。秋季9、10月份的鋒面基本消失，只有海南島南端和瓊州海峽西側(cè)有零星的非常弱的鋒面，到了11月份，鋒面又逐漸在海南島東北岬角附近地發(fā)展起來。

羅琳等對北部灣對北部灣海表溫度鋒面的季節(jié)性變化和年際變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋒強(qiáng)與SST距平（SSTA）有一定的響應(yīng)關(guān)系［21］。與海南島西側(cè)的北部灣對比，瓊東海域的變化特征稍有區(qū)別：北部灣的最強(qiáng)鋒面出現(xiàn)在春季，而且要明顯強(qiáng)于其他季節(jié)；而在瓊東海域，冬季、春季的鋒面都很強(qiáng)烈，無論從鋒面范圍和鋒面強(qiáng)度來說，冬季要略強(qiáng)于春季。

3 討論和結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，主要探究了瓊東海域夏季鋒面的結(jié)構(gòu)特征和以及海表溫度鋒面的季節(jié)性變化。

瓊東夏季鋒面屬于典型的上升流鋒面，近岸區(qū)域是上升流抬升的高鹽、高密冷水，離岸區(qū)域?yàn)楦邷?、低鹽暖水。SST鋒面基本與實(shí)測溫鹽鋒面位置基本對應(yīng)，在100 m等深線附近30 m以淺區(qū)域構(gòu)成一個(gè)傾斜的鋒面：隨深度增加溫度（鹽度）鋒面強(qiáng)度會減小，并且鋒面位置向離岸方向移動(dòng)。本研究中最強(qiáng)鋒面出現(xiàn)在次表層，次表層溫度鋒面要明顯強(qiáng)于海表溫度鋒面，可能的原因?yàn)樯仙鳑]有“露頭”或者是到達(dá)海表的冷水在短時(shí)間內(nèi)被加熱，考慮到瓊東上升流的強(qiáng)烈和夏季海表的加熱作用，筆者認(rèn)為后者是主要原因。

本文中用Sobel算法來提取海表溫度鋒面，得到了2012年瓊東海域各個(gè)月份月平均SST鋒面。與前人對南?；蚰虾１辈縎ST鋒面的季節(jié)性變化研究結(jié)果對比，本研究中與前人研究的大、中尺度變化特征基本相符：海表溫度鋒面沿陸架分布，鋒面的季節(jié)變化非常顯著，冬季鋒面最強(qiáng)烈，春、夏兩季依次減弱，秋季完全消失，夏季鋒面主要分布在上升流區(qū)。此外，還具有一些區(qū)域性的變化特征：春季鋒面也很強(qiáng)烈，稍弱于冬季，且鋒強(qiáng)中心從冬季到春季有逐漸從海南島東北岬角向南移動(dòng)的趨勢。

鋒面過程非常復(fù)雜，除了受上升流影響外，鋒面本身的不穩(wěn)定會誘導(dǎo)非地轉(zhuǎn)次級環(huán)流，次級環(huán)流及其混合效應(yīng)對跨鋒面、跨躍層物質(zhì)的交換以及能量的耗散有重要影響［3，4，22］。陸架海是開展鋒面動(dòng)力學(xué)研究的天然實(shí)驗(yàn)室，本文只是對瓊東陸架海鋒面的初步研究，關(guān)于鋒面次中尺度上的動(dòng)力演變特征、過程與機(jī)制，有待結(jié)合風(fēng)場、湍流等觀測和高分辨率數(shù)值模擬，開展更加細(xì)化的觀測研究。

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（責(zé)任編輯：任萬森）

A Preliminary Study of Frontal Characteristics in the Continental Shelf of the Eastern Hainan Ⅰsland

CAO Zhi-yong，CAO Rui-xue，ZHANG Shu-wen，YI Xiao-fei，JIANG Chen
（Guangdong Key Laboratory of Climate，Resource and Environment in Continental Shelf Sea and Deep Sea，College of Oceanology and Meterorology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088，China）

A hydrological investigation was conducted in the shelf of the eastern Hainan Island in July 2012.With the in-situ measurements from four cross-shelf sections and satellite data，the seasonal variability of sea surface thermal fronts and their structural characteristics of fronts are discussed.The results indicate that the seasonal variability of the thermal fronts is obvious，and the intense fronts are mostly distributed in the upwelling area，roughly following the 100m isobath in summer.The width of the frontal zone is 20 - 40 km.With the increase of depth the fronts fade and the spatial position moves offshore.

East of Hainan island； shelf sea； fronts

P731.1

A

1673-9159（2016）03-0082-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2016.03.014

2015-03-02

國家自然科學(xué)基金（41476009，41106012，41276006）；“全球變化與海氣相互作用”專項(xiàng)資助（GASI-IPOVAI-04）

曹智勇（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢砗Ｑ髮W(xué)。

曹瑞雪，男，講師，研究方向?yàn)楹庀嗷プ饔?。E-mail： cao_ruixue@163.com