阿爾沃蘭海海洋鋒時(shí)空氣候變化特征

劉建斌，張永剛

（海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018）

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阿爾沃蘭海海洋鋒時(shí)空氣候變化特征

劉建斌，張永剛

（海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧大連116018）

摘要：阿爾沃蘭海海洋鋒研究有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和軍事應(yīng)用價(jià)值，然而目前對于阿爾沃蘭海海洋鋒國內(nèi)外缺乏相關(guān)研究。本文通過WOA13季節(jié)、月平均數(shù)據(jù)對阿爾沃蘭海海洋鋒鋒軸線分布變化特征，鋒軸線強(qiáng)度分布變化特征等方面進(jìn)行了研究。認(rèn)為阿爾沃蘭海溫度鋒可分為0—30 m 與30—200 m兩層分別討論，其中0—30 m成南北分布而30—200 m內(nèi)鋒軸線則成東西方向，兩部分鋒軸線分布特征及強(qiáng)度變化特征均有不同。阿爾沃蘭海鹽度鋒四季存在且0—200 m內(nèi)鋒軸線均成南北方向分布，其鋒軸線上強(qiáng)度隨深度成先增加后減小的特點(diǎn),最大強(qiáng)度對應(yīng)的深度在100 m處。關(guān)鍵詞：阿爾沃蘭海；海洋鋒；時(shí)空變化特征；WOA13

1　引言

阿爾沃蘭海位于地中海最西部，西側(cè)通過直布羅陀海峽與大西洋相連，是地中海與大西洋水體交換的過渡區(qū)域，這一海域?qū)^(qū)域氣候產(chǎn)生重要影響[1]。在阿爾沃蘭海海洋中尺度運(yùn)動(dòng)對海洋環(huán)流、水團(tuán)分布以及海洋生態(tài)環(huán)境起關(guān)鍵作用[2]，這些中尺度系統(tǒng)包括：西阿爾沃蘭海渦流、東阿爾沃蘭海渦流、阿爾沃蘭海洋鋒等且對于這些中尺度系統(tǒng)形成機(jī)理及變化特征等尚不清晰[3]。除此之外，海洋鋒引起的聲速剖面的水平非均勻性將會(huì)導(dǎo)致聲傳播出現(xiàn)明顯的水平折射，而且會(huì)使聲波的匯聚作用發(fā)生變化，引起聲納對目標(biāo)測向的誤差[4]，如菅永軍等利用二維PE模型通過對黑潮鋒區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析認(rèn)為有無鋒區(qū)的聲傳播損失最大能達(dá)20 dB[5]，因此海洋鋒對水下聲傳播的影響不可忽略。因此對阿爾沃蘭海海洋鋒的研究有較高的海洋動(dòng)力學(xué)、海洋氣象學(xué)以及海洋生物學(xué)價(jià)值，而且隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的提出阿爾沃蘭海作為海上絲綢之路的途徑之地其軍事價(jià)值也將更加凸顯。

然而目前對阿爾沃蘭海洋鋒的論述也比較有限如Stevenson[6]、Robert[7]對鋒區(qū)大致范圍存在季節(jié)進(jìn)行了研究，利用實(shí)測數(shù)據(jù)對1977年10月份阿爾沃蘭海海洋鋒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。目前尚缺乏關(guān)于阿爾沃蘭海海洋鋒時(shí)空分布特征的研究，且國內(nèi)還沒有這方面研究。因此本文利用WOA13數(shù)據(jù)對阿爾沃蘭海溫、鹽鋒空間分布變化特征，鋒強(qiáng)度分布特點(diǎn)以及時(shí)間變化特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2　數(shù)據(jù)與分析方法

2.1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(shí)驗(yàn)室的海洋氣候?qū)W數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，包涵溫度、鹽度、葉綠素等多種海洋要素?cái)?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、多種實(shí)測數(shù)據(jù)的整合數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其空間分辨率有：5°、1°、0.25°三種，在深度上，利用內(nèi)插值的方法，從表層到最大深度5500 m分為102層[8]。以往對于大范圍海洋鋒研究多利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)，而WOA數(shù)據(jù)能提供三維溫、鹽分布特征信息可對海洋鋒的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，克服了衛(wèi)星數(shù)據(jù)只能對表面海洋鋒研究的不足。WOA13數(shù)據(jù)是WOA系列的最新產(chǎn)品，能達(dá)0.25°在分析精度上更優(yōu)。

本文選用1955—2012年季節(jié)平均以及月平均0.25°網(wǎng)格溫度、鹽度數(shù)據(jù)分析阿爾沃蘭海海洋鋒。需要說明的是WOA13數(shù)據(jù)雖然是平均格點(diǎn)化插值數(shù)據(jù)，在表現(xiàn)海洋鋒強(qiáng)度上比實(shí)際值要低，因此本文出現(xiàn)的強(qiáng)度一般都比實(shí)際值小。但是WOA13數(shù)據(jù)在表現(xiàn)鋒區(qū)，特別是鋒軸線上位置、強(qiáng)度的變化特點(diǎn)上具有較好的效果，可以分析強(qiáng)度隨空間的分布特點(diǎn)，隨季節(jié)的變化規(guī)律等。

2.2鋒面分析方法

海洋鋒表現(xiàn)在圖像上具有弱邊緣性的特點(diǎn)，以往對于海洋鋒的提取多采取圖像邊緣處理的方法如基于Candy和數(shù)學(xué)形態(tài)的方法[9]以及基于小波分析的鋒提取方法[10]等，但這些方法不僅計(jì)算量大且不能表現(xiàn)鋒區(qū)強(qiáng)度信息，提取的鋒軸線模糊與實(shí)際有一定的偏差，對于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并不實(shí)用。而DONG等[11]在研究南極極地鋒時(shí)采用絕對梯度來確定鋒區(qū)強(qiáng)度，采用絕對梯度經(jīng)線最大值連線的方法確定鋒軸線并取得了很好的效果。因此本文參考上述方法對鋒面進(jìn)行提取分析，其中絕對梯度的定義為：

在對鋒軸線進(jìn)行提取時(shí)，首先計(jì)算鋒區(qū)每條緯線或經(jīng)線最大值，然后將鋒區(qū)最大值點(diǎn)依次連線得到鋒區(qū)鋒軸線，也就是說鋒軸線的選取是依據(jù)其強(qiáng)度而不是空間位置，由此得到了較為清晰的鋒線位置。

海洋鋒區(qū)水團(tuán)在廣闊海洋中可以看作是一個(gè)由經(jīng)度、緯度、深度決定三維鋒面，而且隨著時(shí)間變化不斷發(fā)生形變。直接對鋒面進(jìn)行研究比較困難，也很難清晰描述鋒面的空間變化。利用鋒軸線表示鋒面與水平面的交線，以此來研究鋒面空間變化，并用鋒軸線強(qiáng)度作為鋒面強(qiáng)度變化的參考。因此，本文對每層水深處鋒軸線依次進(jìn)行提取，從水平方向和垂直方向?qū)︿h軸線位置、強(qiáng)度變化特征進(jìn)行分析，并研究其相應(yīng)的時(shí)間變化特點(diǎn)。

3　結(jié)果與分析

如圖1、2分別為阿爾沃蘭海區(qū)域60 m水深溫度絕對梯度以及15 m水深鹽度絕對梯度分布，其中溫度絕對梯度強(qiáng)度較大的季節(jié)為7—9月份與10—12月份，在Stevenson[6]研究中同樣認(rèn)為這一海域溫度鋒多集中在7月以后，此外鹽度各季強(qiáng)度均較大，因此本文主要研究7—12月份溫度鋒以及各季鹽度鋒的時(shí)空變化特征。

圖1　60 m水深溫度絕對梯度分布

圖2　15 m水深鹽度絕對梯度

圖3　10 m水深處等溫線分布

3.1鋒軸線分布特征

利用WOA13數(shù)據(jù)將表層至300 m各層等溫線依次畫出，其中等溫線密集的水層主要集中在200 m以淺，這一結(jié)論與Cheney[7]在1978年實(shí)測數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上得到結(jié)果相一致，同時(shí)也證明了WOA13數(shù)據(jù)在研究這一區(qū)域海洋鋒的可行性。在0—30 m水層內(nèi)等溫線大致是于經(jīng)線平行，鋒區(qū)較強(qiáng)區(qū)域主要是西班牙南部韋爾瓦附近的上升流鋒攜帶的冷水團(tuán)通過直布羅陀海峽與阿爾沃海暖水團(tuán)交匯形成的，因此在這段水深鋒呈現(xiàn)東西方向差異。將鋒區(qū)內(nèi)緯線上絕對梯度最大值依次連接得到鋒區(qū)的主鋒軸線，可以看出鋒軸線成南北走勢，如圖4所示為7—9月份與10—12月份0 m、30 m鋒軸線分布。

在7—9月份鋒軸線的位置要更靠近直布羅陀海峽一側(cè)，且隨深度增加是逐漸向西移動(dòng)；10—12月份鋒軸線位于7—9月份東側(cè)且隨著深度變化鋒軸線位置東西移動(dòng)幅度不大。

圖4　表層和30 m水深處鋒軸線位置分布

而在水深30 m以淺鋒區(qū)內(nèi)等溫線呈現(xiàn)東西走勢大致與緯線平行，此時(shí)鋒區(qū)形成主要是因?yàn)榘栁痔m海內(nèi)南北水團(tuán)溫度差異造成的。因此對鋒區(qū)內(nèi)鋒軸線提取時(shí)依次對鋒區(qū)內(nèi)每條經(jīng)線上絕對梯度最大值連線，如圖6所示為30—200 m水層內(nèi)不同季節(jié)不同深度鋒軸線的對比?？梢钥闯鲈?.5°—4.5°W區(qū)域內(nèi)鋒軸線隨深度改變不大主要是位于摩洛哥和阿爾及利亞海岸附近；而在2.5°—3.5°W區(qū)域內(nèi)鋒軸線則更靠近西班牙海岸一側(cè)。季節(jié)變化方面水深50 m以及100 m層2.5°—3.5°W區(qū)域內(nèi)鋒軸線位置季節(jié)擺動(dòng)較大。

圖5　50 m水深處等溫線分布

圖6　鋒軸線分布

圖7　海域水深分布

在0—200 m內(nèi)鹽度鋒軸線分布主要是南北分布，隨著深度增加逐漸向西移動(dòng)，且季節(jié)之間差異不大。如圖所示7為這一海域水深分布圖，從圖中可以看出鋒軸線的位置大多位于等深線密集的區(qū)域，具有一定的相關(guān)性，如在水深600—1000 m之間等深線較密集因此3°W以東區(qū)域鋒軸線大多位于這一區(qū)域。

圖8　不同月份水深15 m鋒強(qiáng)度緯度分布

圖9　不同月份水深100 m鋒強(qiáng)度分布

3.2鋒軸線上鋒強(qiáng)度變化特點(diǎn)

在分析溫度鋒軸線上強(qiáng)度分布特征時(shí)，選取5月、7月、9月以及11月作為研究月份，依次將不同水深各個(gè)月份鋒強(qiáng)度分布隨位置變化情況畫出，以15 m和100 m水深為例（見圖7、8）。由于鋒軸線位置信息已經(jīng)給出，所以可以用單一的經(jīng)度或緯度表示鋒軸線位置，其中在水深30 m以淺時(shí)，鋒軸線的位置用緯度表示，在30—200 m時(shí)則用經(jīng)度代表鋒軸線位置。圖中橫坐標(biāo)表示位置，縱坐標(biāo)分別表示各月份強(qiáng)度，從圖中可以看出鋒軸線上強(qiáng)度分布特點(diǎn)各個(gè)月份大致相同。在30 m以淺鋒軸線南北分布，鋒強(qiáng)度較大區(qū)域主要集中在鋒軸線北部區(qū)域，鋒強(qiáng)度南北差異值不大；在30 m以深鋒軸線東西分布，鋒強(qiáng)度較大區(qū)域集中在4°—4.5°W區(qū)域以及2° W附近，鋒強(qiáng)度東西分布不均勻，差異值較大，如7月份鋒軸線上最大值2.31×10-3℃/km與最小值0.38×10-3℃/km之間相差6倍以上。此外從圖7和8同樣可以看出月份之間強(qiáng)度差異其中7月份強(qiáng)度在上下兩層均最大。

為了探究鋒強(qiáng)度隨深度變化特點(diǎn)，選取2°W、3°W、4°W、4.5°W以及5°W點(diǎn)進(jìn)行研究，以30—200 m為例，將各月份鋒強(qiáng)度隨深度變化圖依次作出如圖9所示?？梢钥闯銎湓路葜g差異特點(diǎn)比較明顯：在5、7、11這3個(gè)月份，鋒強(qiáng)度隨深度有先增加減小的特點(diǎn)，最大強(qiáng)度對應(yīng)深度在50—100 m之間，在11月份2°W附近鋒強(qiáng)度要明顯高于其它位置，這一點(diǎn)從圖8中同樣可以看出；在9月份鋒強(qiáng)度則隨深度不斷降低，以4°W處鋒強(qiáng)度為例，在50—150 m范圍內(nèi)鋒強(qiáng)度由3.5×10-3℃/km減小到0.5× 10-3℃/km，變化較為劇烈。

由于鹽度鋒軸線常年呈南北方向分布且四季都存在，因此選取36°N與36.5°N為例畫出其隨深度變化曲線如圖10所示。從表層到200 m水深鋒強(qiáng)度先增加后減小，最大強(qiáng)度對應(yīng)深度在100 m附近，100 m處強(qiáng)度與表層鋒軸線上強(qiáng)度差異較大如7—9月份100 m處對應(yīng)強(qiáng)度約為7×10-4psu/km是表層0.7×10-4psu/km的10倍差異值較大

圖10　鋒強(qiáng)度隨深度的變化

4　結(jié)論

本文利用WOA13季節(jié)、月平均溫鹽數(shù)據(jù)，分析了阿爾沃蘭海海洋鋒位置分布特征以及強(qiáng)度分布特征，并討論了其隨季節(jié)隨月份的變化特點(diǎn)，得到如下結(jié)論：

（1）溫度鋒軸線在0—30 m內(nèi)成南北走勢且7—9月份隨著深度增加鋒軸線逐漸向西偏移，10—12月份則隨深度變化不大，整體來看7—9月份鋒軸線較10—12月份更靠近直布羅陀海峽一側(cè)；30—200 m內(nèi)鋒軸線成東西分布，其中3.5°—4.5°W區(qū)域內(nèi)鋒軸線靠近北非一側(cè)，在2.5°—3.5°W內(nèi)鋒軸線離西班牙海岸線較近，在30—200 m水深內(nèi)鋒軸線隨深度、隨季節(jié)均有較大幅度擺動(dòng)，此外鋒軸線位置多位于海域等深線密集區(qū)域；

（2）溫度鋒強(qiáng)度分布特點(diǎn)各月份大致相似，在0—30 m內(nèi)強(qiáng)度較大區(qū)域集中在鋒軸線北側(cè)，南北之間差異值不大；30—200 m內(nèi)鋒軸線上強(qiáng)度較大區(qū)域主要在4°—4.5°W區(qū)域以及2°W附近且鋒軸線水平分布不均勻，東西差異值較大，最大值與最小值之間差異在6倍以上。鋒強(qiáng)度隨深度變化方面，強(qiáng)度隨深度增加改變較迅速，在30—200 m水層里，除9月份強(qiáng)度隨深度逐漸減小外，其它月份強(qiáng)度隨深度呈現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)，且最大強(qiáng)度對應(yīng)的深度在50—100 m之間；

（3）鹽度鋒在各個(gè)季節(jié)均有存在，鋒軸線位置分布成南北走向，7—9月份強(qiáng)度整體較大，強(qiáng)度南北分布比較均勻，強(qiáng)度隨深度呈現(xiàn)先增加后減小的特點(diǎn)，最大強(qiáng)度對應(yīng)深度在100 m附近且與表層強(qiáng)度差異值較大最大能達(dá)10倍左右。

圖11　鋒強(qiáng)度隨深度的變化

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Temporal and spatial climate variation characteristics of Alboran sea front

LIU Jian-bin，ZHANG Yong-gang
(Dalian Naval Academy Dalian 116018 China)

Abstract：The research of ocean fronts in Alboran Sea has high academic values and military application values. , but the knowledge about the ocean fronts is not well documented. In this paper, based on the seasonal and monthly data from WOA13 (World Ocean Atlas 2013), the variation characteristics of the frontal axis distribution and frontal axis intensity distribution in Alboran Sea, were studied. The temperature fronts were divided into two layers, 0—30m and 30—200 m two layer and the results were discussed. The results showed that the temperature frontal axis in 0—30m layer was distributed along north-south direction, while the temperature frontal axis in 30—200m was along the east-west direction. The distribution and intensity of two temperature front axis had different variation characteristics. The salinity front axis existed in four seasons and were distributed along north—south direction in 0—200 m layer, and the intensity of salinity front axis presented a characteristic which was increasing first and then decreasing with the water depth, and reached the maximum value in 100 m depth.

Key words：Alboran sea; ocean fronts; temporal and spatial variation characteristics ;WOA13

作者簡介：劉建斌(1991-)，男，碩士在讀，從事世界大洋中尺度海洋鋒研究。E-mail：ljbliujianbin@126.com

收稿日期：2015-05-07

中圖分類號(hào)：P731

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2016）01-0037-08