本格拉上升流鋒時空變化特征研究

劉建斌，張永剛

本格拉上升流鋒時空變化特征研究

劉建斌，張永剛

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧大連116018）

本格拉上升流區(qū)域作為大西洋東邊界上升流區(qū)域，對于區(qū)域乃至全球氣候均有重要影響；同時上升流區(qū)域處于非洲南部與拉丁美洲相近，戰(zhàn)略地位重要。海洋鋒作為海洋中尺度現(xiàn)象對海汽相互作用、生物多樣性，水下聲傳播等均有較大影響。因此，對本格拉上升流鋒時空分布、鋒強度季節(jié)變化具有較高的科研、經(jīng)濟和軍事價值。通過WOA13季節(jié)平均數(shù)據(jù)對上升流鋒區(qū)三維空間分布特點，鋒強度分布季節(jié)變化等方面進行了分析。分析結(jié)果表明：本格拉上升流鋒鋒軸線隨深度增加逐漸偏離海岸，鋒軸線位置隨季節(jié)改變擺動幅度不大；本格拉上升流鋒強度分布具有明顯的南北差異，呈現(xiàn)南強北弱的特點，且在淺層溫度鋒強度有較大季節(jié)差異，鋒強度垂直方向上最大值位于30~90 m水層內(nèi)。

本格拉上升流鋒；鋒強度；時空變化；WOA13

本格拉上升流是由于大尺度離岸風(fēng)作用產(chǎn)生的，是世界大洋重要的東邊界上升流區(qū)域，形成的本格拉寒流也是著名的大洋東邊界流，對全球氣候產(chǎn)生重要影響。此外，本格拉上升流加速了深海與淺海熱量、物質(zhì)交換，使得這一海域成為世界上最具生物活力和多樣性豐富的地區(qū)之一，其漁業(yè)資源豐富（Pauly et al，1995）。因此對于這一區(qū)域的研究具有較大的學(xué)術(shù)價值和經(jīng)濟價值。而海洋鋒作為大洋中海水劇烈變化的區(qū)域，對于區(qū)域海水溫鹽分布、中尺度渦形成有著重要影響 （Xie et al，2002）。除此之外，海洋鋒對于水下聲音傳播影響作用不可忽略，鋒區(qū)水平方向上的劇烈變化會引起聲線的折射 （Geoges et al，1987），菅永軍等（2006）利用二維PE模型通過對黑潮鋒區(qū)實測數(shù)據(jù)的分析認為有無鋒區(qū)的聲傳播損失最大能達20dB，這些都對水下及水面艦艇的活動產(chǎn)生影響，而且隨著國家利益向南部非洲國家與拉美洲國家延伸，本格拉上升流鋒研究的軍事價值必將會進一步凸顯。

目前對于本格拉上升流鋒區(qū)的研究主要集中在上升流產(chǎn)生機制、對上升流動力學(xué)模型構(gòu)建以及海汽相互作用等。如Wolfgang（1999），以及Jo?o等（2012）對本格拉上升流建立了較完備的數(shù)學(xué)、物理模型，Tim等（2015）研究了海表面風(fēng)對上升流的作用。

然而，國內(nèi)外對于本格拉上升流鋒的研究還比較少，有限的研究也僅限于對表層海洋鋒的研究，缺乏對海洋鋒三維結(jié)構(gòu)變化的描述，如Cayula等（1992）利用邊緣檢測的方法對衛(wèi)星圖像進行鋒面提取，對于上升流的季節(jié)變化情況研究也較少。因此，本文利用三維溫度、鹽度季節(jié)平均格點數(shù)據(jù)，對本格拉上升流溫、鹽鋒分布范圍以及強度時空變化特點等進行研究。

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）是來自美國國家海洋大氣管理局（NOAA）國家海洋數(shù)據(jù)中心（NODC）的海洋氣候?qū)W數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，包涵全球多種海洋要素數(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，包含多種實測數(shù)據(jù)，空間分辨率有：5°、1°、0.25°3種，在深度上，利用內(nèi)插值的方法，從表層到最大深度5500m分為102層（Boyer，2013）。區(qū)別于衛(wèi)星數(shù)據(jù)只能研究表面海洋鋒的缺點。WOA13數(shù)據(jù)是WOA系列的最新產(chǎn)品，能達0.25°在分析精度上更優(yōu)。

本文選用1955-2012年季節(jié)平均0.25°網(wǎng)格溫度（Locarnini et al，2013）、鹽度（Zweng et al，2013）數(shù)據(jù)分析非洲南部西海岸海洋鋒。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，因此本文出現(xiàn)的強度一般都比實際值小。但是WOA13數(shù)據(jù)在表現(xiàn)鋒區(qū)，特別是鋒軸線上位置、強度的變化特點上具有較好的效果，可以分析強度隨空間的分布特點，隨季節(jié)的變化規(guī)律等。

1.2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，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（張偉等，2014）以及基于小波分析的鋒提取方法（薛存金等，2006），但這些方法不僅計算量大且不能表現(xiàn)鋒區(qū)強度信息，提取的鋒軸線模糊與實際有一定的偏差，對于網(wǎng)格化數(shù)據(jù)并不實用。而 Shenfu等（2006）在研究南極極地鋒時采用絕對梯度來確定鋒區(qū)強度，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。何琰等（2011）也利用類此方法對北歐海面鋒軸線進行提取，分析了其位置變化信息并與實測數(shù)據(jù)得到的結(jié)論相一致。因此本文參考上述方法對鋒面進行提取分析，其中絕對梯度的定義為：

由于本格拉上升流鋒是大致沿經(jīng)線方向分布，因此在對其進行鋒軸線提取時，首先計算鋒區(qū)每條緯線（間隔1/4緯度）最大值，然后將鋒區(qū)緯線最大值依次連線得到鋒區(qū)鋒軸線，也就是說鋒軸線的選取是依據(jù)其強度而不是空間位置。如果相同緯度下對應(yīng)多個極大值點，則取最東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，在本格拉上升流區(qū)域內(nèi)兩個相鄰網(wǎng)格點的實際距離約為14海里，因此選作強度的距離標準。

2　本格拉上升流溫度鋒

如圖1所示為30m水深處非洲南端西岸等溫線分布圖，從圖1中可以看出西岸附近等溫線比較密集，是上升流作用顯著的區(qū)域，上升流區(qū)域冷水與大西洋暖水存在較大的溫度梯度具有海洋鋒現(xiàn)象，稱作本格拉上升流鋒。本格拉上升流鋒作用范圍大，其南北跨越近20個緯度（15°S-35°S）且四季存在。

圖1　30 m水深處等溫線分布

整體來看，在南半球大西洋1-3月份上層海水溫度較高，因而與上升流之間的溫度差較大，等溫線密集，鋒區(qū)范圍和強度較大。反之在7-9月份上層海水溫度較低，形成的上升流鋒區(qū)和強度相應(yīng)減弱，呈一定的季節(jié)變化特點。而在100 m以深，這種季節(jié)變化差異不大，主要是由于較深層海水四季溫差不大。這點可以從等溫線的時空分布圖中可以看出，如圖2、3所示分別為32°S處30 m和100 m沿緯線方向各月份的等溫線分布圖。

圖 2　32°S緯線斷面30 m水深處等溫線時空分布

從圖2中可以看出在7-10月份，鋒區(qū)以西區(qū)域溫度比其他月份低，因而在上升流區(qū)域形成的等溫線較稀疏，說明鋒強度變?nèi)?；?00 m水深處，鋒區(qū)以西區(qū)域海水溫度隨季節(jié)變化不大因而鋒強度相對穩(wěn)定。從圖2-3中可以看出，大西洋暖水團對鋒強度的影響較大。

鋒軸線是鋒區(qū)內(nèi)極值的連線，因而能反映鋒區(qū)極值分布情況，同時又能表現(xiàn)鋒區(qū)的位置信息。本文利用絕對梯度緯線最大法提取本格拉上升流溫度鋒的鋒軸線，依次對不同水深鋒軸線進行提取，以30 m處為例如圖4所示為四季鋒軸線分布圖。整體看鋒軸線分布季節(jié)差異不大，但是對比不同水深鋒軸線位置，發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加鋒軸線向離岸方向移動，如圖5為200 m時的鋒軸線分布，較30 m處鋒軸線向西移動了近1個經(jīng)度的距離。從圖5中還能看出，其鋒軸線季節(jié)擺動較大，說明隨著深度增加鋒區(qū)極值分布差異開始增大。

導(dǎo)致鋒軸線出現(xiàn)隨深度偏離海岸的原因主要是由于地形因素影響，從圖6中28°S緯線斷面中可以看出，上升流沿著陸架上升，攜帶的底層冷水團在陸架邊緣與暖水團相匯，后上升到大陸坡與暖水團相匯因而淺層陸坡處要比深層陸架處離海岸線更近，鋒面大致與陸坡平行。

從圖1、2、3及圖6中可以看出，鋒區(qū)等溫線在水平方向上和垂直方向上分布均不均勻，為了研究強度的空間變化，本文從水平和垂直兩個方向?qū)姸茸兓闆r進行討論。

將表層至水深400 m處各層四季鋒軸線強度分別畫出，以35 m水深處為例，如圖7所示，橫坐標表示鋒軸線對應(yīng)的緯度位置，縱坐標分別表示不同季節(jié)鋒軸線的強度。從圖7中可以看出鋒軸線強度較大的區(qū)域在30-33°S內(nèi)，其中1-3月份鋒軸線強度較大，7-9月份鋒強度最小，1-3月份最大值1.577℃/14 n mile是7-9月份最大值0.4145℃/1 4 n mile的3.8倍，這與圖2中所表現(xiàn)的等溫線稀疏情況是一致的。此外，4條強度走勢線大致相同說明各季節(jié)鋒軸線上強度的水平分布變化特征相似。

圖 3　32°S緯線斷面100 m水深處等溫線時空分布

圖4　15 m水深處鋒軸線位置分布

圖5　200 m水深處鋒軸線位置分布

為探究鋒軸線上強度隨深度變化情況以17°S、25°S、30°S以及32°S為例，如圖8所示為鋒軸線上強度隨深度的變化圖。從圖中可以看出鋒軸線強度隨深度呈現(xiàn)先增高后減小的特點。1-3月份最大強度對應(yīng)的深度在35 m左右，35 m以深強度開始逐漸降低；其它月份最大強度對應(yīng)的深度多在40~ 90 m附近。此外，32°S處200~300 m水深處存在一個增加的趨勢，主要是受地形因素影響，這一水深處在大陸坡邊緣，等溫線線發(fā)生較大彎曲，因而鋒強度增大。

圖 6　28°S溫度斷面

圖 7　四季鋒強度緯度分布

圖 8　鋒強度隨深度的變化

3　鹽度度鋒

上升流攜帶的底層低溫低鹽海水，不僅能夠產(chǎn)生溫度鋒，其鹽度鋒現(xiàn)象也較為明顯，如圖9所示為表層鹽度線分布，從圖9中可以看出鹽度鋒區(qū)位置、走勢大致與溫度鋒相同，分布范圍四季差異并不明顯。此外，24°S附近上升流作用顯著，使其鹽度鋒區(qū)較大。

垂直方向上，鹽度鋒軸線隨深度增加同樣具有遠離海岸的特征，且隨著深度的增加鹽度鋒區(qū)逐漸減小，主要集中在28°S以南區(qū)域且離岸較遠，至15°E附近，如圖10為375 m時的等鹽度分布圖。此時鋒區(qū)范圍及強度較淺層海水均有減弱。

對鋒區(qū)鋒軸線進行提取并獲取鋒軸線上強度分布特點，以125 m水深處鋒強度分布為例，如圖11所示。

從圖11中可以看出，鹽度鋒在125 m水深處同樣存在南北分布不均勻的特點，而強度的季節(jié)差異不明顯，各季節(jié)最大之間的差值不大。對比溫度鋒軸線分布圖（圖7）發(fā)現(xiàn)在鋒區(qū)強度較大的區(qū)域（33°S-28°S）鋒強度分布曲線擺動較為劇烈，經(jīng)線方向上存在多個極值。這主要是由于沿岸地形復(fù)雜，不同緯度的上升流會因為地形因素會在不同水深出現(xiàn)垂向鋒強度最大值，從而導(dǎo)致在水平方向上呈現(xiàn)極值多而分散的特點。

選取圖8中鋒區(qū)鋒軸線上的點，畫出其強度隨深度的變化圖，如圖12所示。

在1-3月份與4-6月份鋒強度整體看是呈現(xiàn)隨深度逐漸減小的特點，也有一些區(qū)域如32°S處，鋒強度在250左右有小幅度增加其后逐漸降低；在7-9月份與10-12月份強度隨深度呈現(xiàn)先增加后減小的特點，7-9月份強度最大值對應(yīng)的深度在60-75 m左右。從圖12中同樣可以看出鋒強度的南北差異，在17°S、25°S處鋒主要集中在200 m以淺且強度比30°S與32°S處要低。

圖9　表層等鹽度線

4　結(jié)論

本格拉上升流鋒主要是上升流作用攜帶的深層低溫、低鹽海水與淺層海水混合產(chǎn)生的。采用絕對梯度表示鋒強度，用極值法提取鋒軸線，能很好表現(xiàn)鋒軸線的時空分布特點。鋒強度方面，雖然WOA13季節(jié)平均數(shù)據(jù)計算出的鋒強度值要小于真實鋒強度值，但是由此得到的鋒強度時空變化特征，強弱分布規(guī)律等信息仍是可靠的。本文主要有以下結(jié)論：

圖10　375 m水深處等鹽度線

（1）本格拉上升流鋒主要沿經(jīng)向分布，鋒區(qū)作用范圍在上升流區(qū)域，南至34°S，北至14°S附近，經(jīng)線方向最遠可達10°E附近；受到地形因素作用，溫、鹽鋒隨著深度增加分布位置呈現(xiàn)遠離海岸的趨勢，且鋒軸線分布季節(jié)差異開始增大。溫度鋒隨深度增加呈現(xiàn)先增加后減小的特點，鋒強度較大的深度在35~90 m內(nèi)；鹽度鋒1-6月份表層鋒強度最大，之后隨著深度增加逐漸減小，7-12月份最大鋒強度位于60~75 m之間。

圖11　四季鋒強度緯度分布

圖12　鋒強度隨深度的變化

（2）水平方向上，鋒軸線強度南北分布不均勻，鋒強度較大的區(qū)域主要集中在30-33°S附近，溫、鹽鋒軸線擺動較劇烈說明鋒區(qū)極值分布分散，主要因為不同緯度的上升流會因為地形因素會在不同水深出現(xiàn)鋒強度最大值。

（3）溫、鹽鋒強度水平分布及垂直分布各季走勢大致相同，說明其強度空間具有一定的穩(wěn)定性。鋒強度季節(jié)差別主要體現(xiàn)在溫度鋒強度大小上，在淺層（100 m以淺）受海水溫度的影響，溫度鋒在1-3月份（南半球夏季）鋒強度值最大，在7-9月份（南半球冬季）鋒強度值最小，兩者之間最大值差別在3.8倍左右；而在深層溫度鋒季節(jié)差異不明顯。

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（本文編輯：袁澤軼）

Study on temporal and spatial variation characteristics of Benguela upwelling front

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

Benguela upwelling region is the Atlantic eastern boundary upwelling region，which has an important impact on the regional and global climate；at the same time，this region in the South Africa has an important strategic position，similar to Latin America.Ocean fronts have great impact on the air and sea interaction，biological diversity and underwater acoustic communication.Therefore，the temporal and spatial distribution of the front position and the front intensity of seasonal variation have the high value in the scientific，economic and military fields.This paper used the WOA13 season database to analyze the characteristics of frontal zone spatial distribution and front intensity distribution etc.The position of the front moves away from the land as the depth increases，and has little change in different seasons.The front strength distribution of Benguela upwelling has obvious regional difference in the distribution which is higher in the south area and lower in the north，and there is a large number of seasonal differences in the intensity of the thermal fronts at the shallow layer，and the maximal value in the vertical is at 30-90 m depths.

Benguela upwelling front；front intensity；temporal and spatial variation；WOA13

劉建斌（1991-），男，碩士研究生，從事世界大洋中尺度海洋鋒研究，電子郵箱：ljbliujianbin@126.com。

P76

A

1001-6932（2016）03-0340-11

10.11840/j.issn.1001-6392.2016.03.013

2015-04-20；

2015-06-29