中國海密度躍層分布特征概況

劉金芳 ，毛可修,2 ，張曉娟 ，梁新友，李顏

(1.海軍海洋水文氣象中心，北京 100073；2.中國海洋大學(xué)，山東青島 266100)

1 引言

密度躍層的特性在海洋水團(tuán)、環(huán)流和內(nèi)波的研究中，是不可忽視的因素,具有重要的學(xué)術(shù)意義。在國防和軍事活動中，海洋水聲通訊、探測和監(jiān)聽、水下兵器的使用和潛艇活動以及反潛作戰(zhàn)等等，更具有重要的軍事應(yīng)用價值。海水密度躍層較強(qiáng)時，猶如存在“液體海底”，可供潛艇“坐底”以隱蔽自己；但欲下沉或上浮時操縱卻有困難和危險。特別是密度躍層受到擾動會產(chǎn)生內(nèi)波，內(nèi)波波峰的頂托，波谷的下陷，以及內(nèi)波波致流場的變化，對潛艇的航行和安全有重要影響。據(jù)報道的潛艇事故分析，內(nèi)波可能造成潛艇與水面艦只相撞、潛艇觸及海底或潛艇無法控制的下沉等事故的誘因。正因?yàn)槿绱?，國?nèi)外學(xué)者十分重視密度躍層現(xiàn)象及其變化規(guī)律的研究。

海水密度的分布與變化，隨水溫、鹽度和壓力而變化，在海洋上層主要取決于水溫和鹽度，密度躍層是依附于溫躍層、鹽躍層而伴生的。中國海海域廣闊，南北跨越溫帶、亞熱帶、熱帶，又受陸地和島嶼的環(huán)抱，河流眾多,整個中國海地理、氣象和水文條件具有明顯的多樣性，致使密度狀況的地區(qū)差異懸殊，躍層的類型多，區(qū)域分布變化復(fù)雜。

本文在收集處理了南海以及臺灣周邊海域1900—2004年共105年的海洋調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，參考總參氣象水文中心和國家海洋信息中心研制開發(fā)的中國海海洋水文分析應(yīng)用系統(tǒng)，以及相關(guān)海洋水文圖集[1-2]。為了闡明中國海各海區(qū)密度躍層的空間分布變化特征，下面將分海區(qū)按躍層的類型，即淺躍層、深躍層、逆躍層說明其分布變化規(guī)律。根據(jù)中國近海海水密度躍層的分布特點(diǎn)，可歸納為冬季型、夏季型和過渡型三種類型[3-8]。

2 資料來源及躍層分析方法

南海以及臺灣周邊海域的躍層分析使用了1900—2004年105年的國內(nèi)外海洋調(diào)查資料，要素全面，時間序列長，資料站位覆蓋整個海域，近20年的海洋調(diào)查資料占很大比重，特別增加了軍方多年的海洋調(diào)查資料，國內(nèi)外重大合作項(xiàng)目的海洋調(diào)查等資料。將資料進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過時間、經(jīng)緯度、水深等合理性檢驗(yàn)，以及尖峰、梯度、氣候態(tài)等檢驗(yàn)逐步自動化質(zhì)量控制，再進(jìn)行人工質(zhì)量控制，建立海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫，由數(shù)據(jù)庫中讀取資料進(jìn)行躍層分析，建立產(chǎn)品庫。

當(dāng)一個密度剖面中某段的垂直梯度大于等于深海、淺海躍層臨界值時，確定該段為密度躍層，以該段的頂部水深為躍層上界，該段的厚度為躍層厚度，該段整個垂向密度梯度為躍層強(qiáng)度。躍層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)臨界值執(zhí)行中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB12763.7--91），具體各要素臨界值的判定見表1：

表1 密度躍層強(qiáng)度臨界值的判定表

根據(jù)海區(qū)躍層特性，分別按深海和淺海躍層強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)逐站進(jìn)行躍層、逆躍層的分析。南森站資料為數(shù)據(jù)垂向間隔為非均勻的，先行在垂直方向依據(jù)國標(biāo)淺海、深海標(biāo)準(zhǔn)層綜合考慮躍層可能分布進(jìn)行插值，具體為表層、5、10、15、20、25、30、40、50、75、100、125、150、175、200、250、300、400、500、600、700、800、1000、1200、1500、2000、2500、3000（水深大于3000 m時，每1000 m加一層）、底層，再計(jì)算躍層，連續(xù)逐層達(dá)到密度躍層的判定標(biāo)準(zhǔn)，合并為一個躍層段，主要計(jì)算出季節(jié)性躍層；而對于連續(xù)資料采用起點(diǎn)二次平滑算法，實(shí)現(xiàn)低通濾波濾掉高頻震蕩，避免躍層上下界及強(qiáng)度特征值判斷不準(zhǔn)確。垂直梯度小于躍層強(qiáng)度臨界值的視為無躍層，密度躍層特征值的產(chǎn)品分析作圖以國標(biāo)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，以躍層強(qiáng)度臨界值的等值線作為存在躍層的邊界線[9-14]。本文是基于數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品庫中的密度躍層特征值產(chǎn)品進(jìn)行的分析。

3 渤、黃、東海區(qū)躍層的時空分布變化

渤、黃、東海近海海域水深較淺，受大陸徑流、氣象以及沿岸流與外海流系交匯的影響較大，密度躍層呈現(xiàn)出別樣的季節(jié)變化特征。在溫躍層為主的黃海，密度躍層主要取決于溫躍層，在渤海及東海河口近海密度躍層的分布變化則主要取決于鹽躍層。密度躍層的這種依附性，在長江口、黃河口海域表現(xiàn)得尤為突出。躍層的冬季型出現(xiàn)在12月至翌年3月，此時太陽輻射最弱，正值干冷強(qiáng)勁的偏北風(fēng)盛行季節(jié)，對流渦動混合最強(qiáng)，河口徑流最小，密度的垂直分布為全年最均勻，陸架區(qū)甚至呈現(xiàn)出上下均一狀態(tài)，躍層為全年最弱。夏季型于6—8月出現(xiàn)，此時太陽輻射最強(qiáng)，表層增溫快，深層增溫慢，平均風(fēng)速小，對流、渦動混合弱，河口徑流最大，使密度垂直分布出現(xiàn)較強(qiáng)的層化現(xiàn)象，躍層達(dá)全年最強(qiáng)。過渡型發(fā)生在4—5月和10—11月的季節(jié)交替時期，春季為增溫期，秋季為降溫期，過渡型的特點(diǎn)是躍層狀況復(fù)雜多變，且不穩(wěn)定，規(guī)律性差；河口徑流也處在過渡時期。增溫期出現(xiàn)微弱的垂直梯度，有弱躍層出現(xiàn)，是全年躍層的形成加強(qiáng)過程；降溫期垂直梯度減弱，上下均勻?qū)雍穸仍龃?，躍層下沉，將已形成的密度躍層破壞，分布形式正在向冬季的特征轉(zhuǎn)化，該時期正值北方冷空氣南下逐漸加強(qiáng)，受其影響最顯著的海區(qū)是渤海和黃海北部（見圖1—4）。

3.1 淺躍層

淺躍層主要分布在中國近海陸架區(qū)及外海深水區(qū)的上層。其主要特征是上界深度淺、厚度薄、強(qiáng)度大，且具有明顯的季節(jié)變化，即春季為淺躍層的成長期，夏季為強(qiáng)盛期，秋季為消衰期，冬季為無躍期。6—8月為躍層的強(qiáng)盛期，躍層幾乎遍布整個海區(qū)，其突出特點(diǎn)是躍層不但范圍最大，而且強(qiáng)度也增至最大。在此期間，密度躍層強(qiáng)度以長江口附近最強(qiáng)，黃河口次之，外海最小。這幾個躍層中心區(qū)夏季發(fā)展至最強(qiáng)盛，強(qiáng)度大為增強(qiáng)，形成該海區(qū)突出的躍層中心。

渤海，海水深較淺，受河口徑流和氣候影響較大，11月至翌年3月淺水區(qū)垂向混合可直達(dá)海底，大部海區(qū)基本無淺躍層，在渤海灣至萊州灣一線海域存在躍層，2月份達(dá)全年最弱，范圍縮小至萊州灣海域，躍層中心強(qiáng)度為0.10 kg·m-4，出現(xiàn)在萊州灣東部，顯然是受北上的黃海暖流分支影響。4月份躍層范圍擴(kuò)展至渤海中南部，并在遼東灣底出現(xiàn)一很小范圍的躍層；5月迅速成長至整個渤海海域，躍層中心強(qiáng)度為0.20 kg·m-4，之后逐月加強(qiáng)，中心位置也逐月西移至黃河口，沿岸徑流作用在逐月加強(qiáng)，外海流系的作用逐漸消隱；至8月密躍層達(dá)最強(qiáng)盛期，整個渤海躍層強(qiáng)度均在0.20 kg·m-4以上，此時的渤海躍層分布特征沿岸徑流起主導(dǎo)作用，海區(qū)密躍層強(qiáng)度中心在灤河以南的整個渤海灣至萊州灣一線海域，強(qiáng)度多在0.30 kg·m-4，最大在0.40 kg·m-4以上。

圖1 2月渤海、黃海、東海密度躍層強(qiáng)度分布圖

圖2 5月渤海、黃海、東海密度躍層強(qiáng)度分布圖

圖3 8月渤海、黃海、東海密度躍層強(qiáng)度分布圖

圖4 11月渤海、黃海、東海密度躍層強(qiáng)度分布圖

黃海，1—2月份為無躍期，3月份山東半島以北連同半島以東近海至黃海中部一帶狀海域出現(xiàn)強(qiáng)為0.015 kg·m-4的躍層，4月份范圍迅速擴(kuò)大，除江蘇近海和朝鮮半島近岸淺水區(qū)外，其它大部海區(qū)均出現(xiàn)躍層，6—8月除江蘇南部近海淺水區(qū)外，其它海區(qū)密躍層得以充分發(fā)展，成為中國海除河口海域密度躍層強(qiáng)度最強(qiáng)的海區(qū)，這主要是由于夏季黃海冷水團(tuán)處于鼎盛時期，密度梯度特別大，致使密度躍層特強(qiáng)，溫躍層的主導(dǎo)作用可見一斑。6月在北黃海大青群島附近和黃海中部西側(cè)青島外海水域，存在強(qiáng)密躍層中心，并在8月份發(fā)展達(dá)到鼎盛期，青島外海密躍層中心區(qū)的強(qiáng)度大于0.50 kg·m-4，對應(yīng)的上界深度為12 m，厚度為10 m，成為我國近海密躍層最強(qiáng)的區(qū)域；而北黃海大青群島附近，8月份溫躍層中心區(qū)的強(qiáng)度大于0.40 kg·m-4，上界深度和厚度分別約為10 m和20 m，成為中國近海密躍層的次強(qiáng)區(qū)。9月份強(qiáng)度開始減弱，10—11月份躍層范圍也開始逐月縮小，12月份僅在黃海中部存在較小范圍的躍層。

東海，密度躍層的季節(jié)分布規(guī)律除長江口外與黃海較為一致，但強(qiáng)盛期強(qiáng)度較渤、黃海弱，以河口為躍層中心，受河口徑流和沿岸流交匯影響，該中心羽狀區(qū)分布特征呈明顯冬夏季節(jié)變化。12月至翌年2月只在近岸以河口為中心存在躍層，受河口徑流和冬季南下沿岸流交匯影響，長江口躍層中心羽狀區(qū)以河口為中心向南，最強(qiáng)為0.20 kg·m-4，3月范圍向外海有所擴(kuò)展，4月開始迅速遍及整個海區(qū)，長江口為0.60 kg· m-4，8月份達(dá)全年最強(qiáng)，高達(dá)0.90 kg·m-4以上，長江口躍層中心羽狀區(qū)以河口為中心向北，9月份中心強(qiáng)度迅速減弱至達(dá)0.50 kg·m-4，10月份躍層范圍開始收縮，11月份趨于冬季分布范圍。

3.2 深躍層

在黑潮流域及其以東深海區(qū)，由于表層水和次表層水這兩種溫、鹽特性不同的水系相互疊置，在其交界面上形成密度深躍層終年存在，比較穩(wěn)定，為永久性的。其主要特征是上界深度較深，厚度較大，強(qiáng)度較弱，季節(jié)變化不明顯，夏季范圍稍廣。一般情況下密度深躍層的強(qiáng)度、上界深度和厚度分別為0.015—0.30 kg·m-4，和50—200 m和25—100 m；只是在夏季(6—8月)，由于表層水增溫降鹽，使密度躍層強(qiáng)度稍強(qiáng)，上界深度變淺，厚度增大。

3.3 逆躍層

在渤、黃、東海一年四季中，一般除夏季外，其它季節(jié)均存在密度逆躍層（強(qiáng)度用負(fù)值表示），只是海區(qū)范圍較小、強(qiáng)度較弱，一般在-0.015—-0.30 kg·m-4之間。

渤海，12月至翌年3月，密度逆躍層在渤海南部連同山東半島以北近海至黃海中部有一帶狀海域，4—5、8月僅在渤海南部和靠近渤海的北黃海出現(xiàn)逆躍層，而9—11月份在渤海大部海域存在逆躍層，6—7月無逆躍層。

黃海，9、10月在山東半島北面局部海域開始出現(xiàn)密度逆躍層，11月范圍擴(kuò)大，且在濟(jì)州島以東出現(xiàn)了小范圍的密度逆躍層，12月兩處的密度逆躍層朝南北向發(fā)展，在黃海連成了呈南北方向的帶狀區(qū)。翌年1月，兩處的密度逆躍層范圍收縮至山東半島近海和朝鮮海峽，如此，2—4月兩處的密度逆躍層范圍逐月交替長消，5月份密度逆躍層迅速幾近消失，直至8月密度逆躍層均不復(fù)存在。

東海，4—11月份整個東海均無逆躍層，其它月份僅在長江口以南、浙閩近岸和臺灣海峽南部近海西岸存在小范圍的密度逆躍層。12月首先在舟山群島南部出現(xiàn)小范圍的密度逆躍層，1月逆躍層區(qū)向東南明顯擴(kuò)大，并在廈門外海南部出現(xiàn)小范圍的密度逆躍層，2月達(dá)范圍最廣，舟山群島南部逆躍層向南有所擴(kuò)展，同時浙閩近岸也出現(xiàn)小范圍的密度逆躍層。

4 南海區(qū)躍層的時空分布變化

南海中部和南部位于亞熱帶南部和近赤道熱帶區(qū)，終年無冬季，其北部處在亞熱帶季風(fēng)區(qū)。這里海域廣闊，海水較深，大部分海區(qū)的躍層具有低緯深海大洋的躍層性質(zhì)，其強(qiáng)度較其它三個海區(qū)弱；南海又是邊緣海，沿岸近海受大陸徑流的影響，躍層季節(jié)性變化也較明顯。其躍層類型同樣包括淺躍層、深躍層、逆躍層。南海的躍層較為特殊，過渡型躍層范圍比其他海域大，在過渡型躍層區(qū)內(nèi)，很難將淺躍層和深躍層分開（見圖5—圖8）。

4.1 淺躍層

南海范圍很大，淺躍層的變化特性差異很明顯。對南海北部而言，淺躍層在一年中也存在顯著的消長過程，并可分為四個階段：成長期（3—5月）、強(qiáng)盛期（6—8月）、消衰期（9—10月）、無躍期（1l—2月）。同渤、黃、東海相比，南海北部緯度較低，躍層出現(xiàn)時間比東海提前約一個月。對南海中部和南部而言，由于緯度低，表層水溫終年偏高，海水密度年變化小，淺躍層季節(jié)變化不及北部明顯，主要表現(xiàn)在淺躍層的強(qiáng)弱和范圍的大小上。南海淺躍層的上界深度和厚度等值線的走向大致與海岸線平行，且呈自北向南、自西向東遞增的趨勢。此外，瓊州海峽水域，由于水流急，混合強(qiáng)烈，一年四季不出現(xiàn)密度躍層現(xiàn)象。

南海密度淺躍層強(qiáng)盛期的突出特點(diǎn)是近海明顯受鹽度躍層的影響，形成以珠江口、紅河口為中心、范圍大小不等的密度淺躍層中心區(qū)，7—8月強(qiáng)度最大。除南沙群島附近海域外，強(qiáng)盛期的密度淺躍層范圍、強(qiáng)度、厚度均與成長期較為一致，這類躍層遍布大部分海域，躍層強(qiáng)度約為0.015—0.050 kg·m-4，上界深度20 m等值線向北移，表明北部外海躍層上界深度下沉。

圖5 2月南海密度躍層強(qiáng)度分布圖

圖6 5月南海密度躍層強(qiáng)度分布圖

圖7 8月南海密度躍層強(qiáng)度分布圖

圖8 2月南海密度躍層強(qiáng)度分布圖

從6月開始，南海北部近海和北部灣西部紅河口近海密度淺躍層的強(qiáng)度急劇增大，7、8月份達(dá)全年最強(qiáng)，存在三個強(qiáng)躍層中心，其強(qiáng)度均在0.20 kg· m-4以上，分別出現(xiàn)在珠江口、汕頭和紅河口外海，珠江口外海7月份躍層強(qiáng)度達(dá)0.30 kg·m-4以上，珠江口外海8月份則在0.40 kg·m-4以上，為南海強(qiáng)度最大值；9、10月份躍層強(qiáng)度開始減小，至11、12月份躍層強(qiáng)度僅為0.015—0.050 kg·m-4，近海淺水區(qū)范圍也變得不在連續(xù)，之后1—4月份又逐漸遍及整個海區(qū)，5月份強(qiáng)度加強(qiáng)。全年無論強(qiáng)盛期、過渡期和無躍期，南海深水區(qū)密度淺躍層的強(qiáng)度變化度相差不大，但強(qiáng)盛期的上界深度20 m和厚度50 m等值線向北移，上界深度加深，厚度增大。

4.2 深躍層

在南海深水區(qū)，從北到南終年都存在比較穩(wěn)定的大范圍的密度深躍層，冬季較強(qiáng)夏季較弱，季節(jié)變化不明顯，其主要特征是上界深度較深，厚度較大，強(qiáng)度較弱。一般情況下，全年各月均在南海中部的大部海域存在強(qiáng)度為0.015—0.05 kg·m-4的深躍層，局部海域強(qiáng)度大于0.20 kg·m-4，上界深度為50—200 m，厚度為50—150 m。

9—11月份形成多個局部海域的躍層，12月至翌年3月遍及整個南海深水區(qū)，范圍為全年最廣，4、5月份隨著上層的不斷增溫，成片海域又開始瓦解，7月為全年最弱，范圍最小，呈現(xiàn)4個強(qiáng)度不等的局部區(qū)域，之后逐步加強(qiáng)。

4.3 逆躍層

南海密度逆躍層主要出現(xiàn)在北部近海，即粵東、粵西近海和瓊州海峽附近海域很小的范圍，多出現(xiàn)在秋冬春季。一般密度逆躍層的強(qiáng)度較弱，為-0.015—-0.125 kg·m-4，上界深度為0—28 m，厚度為5—20 m；11月珠江口以東至汕頭外海出現(xiàn)逆躍層，12月則在瓊州海峽出現(xiàn)逆躍層，2月份逆躍層范圍為全年最廣，強(qiáng)度最大，在瓊州海峽及附近海域和汕頭外海出現(xiàn)強(qiáng)度為-0.015 至-0.127 kg·m-4的逆躍層，4、5月份則有所收縮，分別只在汕頭外海和瓊州海峽存在局部范圍的逆躍層，其它月份均無的逆躍層。

5 結(jié)論

逆躍層具有明顯的時間變化，但存在范圍非常??；深躍層在深水區(qū)終年存在，季節(jié)變化不明顯，比較穩(wěn)定；淺躍層則具有明顯季節(jié)變化。

（1）淺躍層的季節(jié)變化全年以夏季最強(qiáng)，冬季最弱，陸架區(qū)甚至呈上下均一狀態(tài)，春秋季節(jié)的過渡時期居中；在海區(qū)分布上，黃海為最大，渤海次之，東海再次之，南海最弱。整個中國海淺躍層則夏季以河口區(qū)為強(qiáng)度最大，且長江口海域?yàn)樽畲螅?月份高達(dá)0.90 kg·m-4以上，其余依次為黃河口、紅河口、珠江口海域，8月可達(dá)0.30—0.40 kg·m-4以上。黃海中部青島外海和北黃海大青群島附近水域，為中國海除河口海域密度躍層強(qiáng)度最大的海區(qū)，8月份強(qiáng)度在0.40 kg·m-4以上，而瓊州海峽則一年四季為無躍層區(qū)，皆因海峽水流急，混合強(qiáng)烈所致；

（2）逆躍層全年各海區(qū)的淺水區(qū)域均存在，以渤海、黃海最強(qiáng)，東海次之，南海最弱；時間上多發(fā)生在秋冬季節(jié)，這主要是受南下的冷空氣影響，造成表層海水降溫所致；

（3）深躍層多出現(xiàn)在南海大部、東海以及黃海東部的深水區(qū)域，終年存在，季節(jié)變化不明顯，比較穩(wěn)定，由于海區(qū)所處地理緯度差異，略有不同，南海冬強(qiáng)夏弱，東海冬弱夏強(qiáng)；與其它類型躍層相比，深躍層的特征是上界深度較深，厚度較大，強(qiáng)度較弱；

（4）雙躍層夏季期間密度淺躍層遍布整個東海和南海海區(qū)上層，其上界深度和厚度由近海向外海隨著水深的增加而增加，強(qiáng)度則相應(yīng)減弱，躍層上界深度和厚度等值線與等深線大致平行。這期間深水區(qū)的密度淺躍層疊置在深躍層之上，雙躍層現(xiàn)象尤為突出。

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