蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒的季節(jié)變化及結(jié)構(gòu)分析

程雪麗, 孫 群, 王玉衡, 楊 洋

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蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒的季節(jié)變化及結(jié)構(gòu)分析

程雪麗, 孫 群, 王玉衡, 楊 洋

(天津科技大學(xué) 海洋與環(huán)境學(xué)院, 天津 300457)

利用高分辨率(1/18°)的POM(Princeton Ocean Model)模式數(shù)值模擬結(jié)果, 結(jié)合觀測數(shù)據(jù)分析了蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒的季節(jié)分布特征和變化規(guī)律。研究結(jié)果表明, 蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒的季節(jié)變化特征顯著, 春末開始出現(xiàn), 夏季底層溫度鋒強度最大且鋒區(qū)位置較穩(wěn)定, 鋒區(qū)寬度約40 km, 平均強度約0.35℃/km, 秋、冬季隨上層海洋湍流垂向混合的加強, 潮汐鋒逐漸減弱至消失不見。對比實測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn), 沿34°N斷面, 夏季潮汐鋒區(qū)附近等溫線明顯抬升, 存在由陡峭地形和分層流體的內(nèi)埃克曼效應(yīng)共同作用形成的上升流現(xiàn)象。次表層海水出現(xiàn)低溫冷水區(qū), 位于122.2°E附近?？玟h區(qū)斷面的溫度和流場分布特征同淺水區(qū)強烈的潮混合過程密切相關(guān), 斜壓在鋒面處產(chǎn)生了較強的南向流動。本研究結(jié)果促進了對蘇北淺灘外側(cè)陸架潮汐鋒結(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識, 為研究黃海西部生態(tài)環(huán)境的動力過程影響提供參考。

蘇北淺灘; 潮汐鋒; 潮汐鋒季節(jié)變化; 上升流

陸架潮汐鋒是在潮致混合和夏季層化共同作用下, 于近岸垂向混合均勻水體與外海層化水體之間形成的過渡區(qū)[1-2]。鋒區(qū)的物理、化學(xué)和生物環(huán)境參數(shù)存在顯著的水平梯度變化, 其動力結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。已有研究表明, 陸架潮汐鋒是主要的上升流區(qū)[3-5]。此外, 沿鋒區(qū)存在較強的射流[3], 由此引起的水平壓強梯度力驅(qū)動跨鋒流[6-8]。

南黃海的蘇北淺灘外側(cè)屬于淺海強潮區(qū), 在由春入夏的增溫季節(jié)會形成顯著的潮汐鋒現(xiàn)象, 具有明顯的季節(jié)變化特征[2, 9], 由水平和垂向速度剪切引起的上升運動是影響溫度結(jié)構(gòu)分布的主要因素, 存在跨鋒面的低鹽水向溫躍層的入侵[10]。同時, 鋒區(qū)附近海域生物、化學(xué)量的分布特征也間接證明了鋒區(qū)動力過程的復(fù)雜性, 形成獨特的鋒區(qū)生態(tài)環(huán)境場。南黃海西部潮汐鋒是影響鳀魚產(chǎn)卵場的關(guān)鍵物理過程之一, 潮汐鋒區(qū)的環(huán)流輻聚、輻散是形成潮汐鋒區(qū)鳀魚卵子和稚仔魚斑塊分布的原因[11-12], 此外, 鋒面外側(cè)也是中華哲水蚤垂直分布的中心區(qū)域[13]。針對蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒區(qū)構(gòu)成的海洋生態(tài)特殊環(huán)境場, 韋欽勝等[14]提出了鋒區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的觀點。

潮汐鋒在時空尺度上屬于中尺度運動, 以往基于現(xiàn)場觀測資料的分析有其局限性, 不能很好地刻畫鋒區(qū)的時、空結(jié)構(gòu)。本文采用(1/18)°的高分辨率數(shù)值模擬, 考慮底邊界層潮致混合的影響, 探討蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒動力結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化分布。

1 資料和方法

本文采用Guo等[15]和Wang等[16]發(fā)展的東中國海三層嵌套的高分辨率POM(Princeton Ocean Model)模式數(shù)值模擬結(jié)果, 圖1給出POM模式的數(shù)值模擬海域和蘇北淺灘研究海域, 空間范圍為32.5°~35.5°N, 119°~125°E。POM模式的水平空間分辨率為(1/18)°, 垂向分為21層, 近海表處采用對數(shù)分層, 劃分的空間網(wǎng)格更細(xì)。模式的海表驅(qū)動場采用氣候態(tài)月平均的風(fēng)應(yīng)力、凈熱通量和淡水通量等再分析數(shù)據(jù), 資料來自NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)(http: //www.esrl.noaa. gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.surfaceflux.html)。Wang等[16]在POM模式中考慮東中國海潮汐及河流徑流的影響, 利用該數(shù)值模擬結(jié)果探討了渤海黃河羽狀鋒的季節(jié)變化特征及其機制。我們利用國家海洋局提供的1964—1999年常規(guī)斷面溫度觀測資料[17], 通過進行多年逐月平均, 得到觀測數(shù)據(jù)的氣候態(tài)月平均溫度數(shù)據(jù), 并與數(shù)值模擬結(jié)果進行了相關(guān)性分析, 兩者間相關(guān)系數(shù)為0.86。

圖1 研究海域地形分布

圖2給出34°N斷面8月份的溫度垂向結(jié)構(gòu)分布, 該斷面跨越蘇北外海的陸架鋒, 對研究跨鋒水文結(jié)構(gòu)變化具有代表性。觀測數(shù)據(jù)采用國家“973”計劃“中國近海水母暴發(fā)的關(guān)鍵過程、機理及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)”項目于2013年8月27日利用SeaBird CTD在該斷面的溫度實測數(shù)據(jù), 觀測站位見圖1研究海域(G2—G6)。由于夏季較強的海表太陽輻射作用, 在淺灘外海(123.0°E以東)15 m深處出現(xiàn)強層化現(xiàn)象, 形成溫躍層, 表層水溫28℃, 溫躍層以深存在一結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的低溫冷水團。由于地形變淺, 在122.5°E西側(cè)20 m處等溫線向上抬升, 在鋒區(qū)附近的次表層形成低溫區(qū), 下層等溫線下彎, 與海底相交, 在底層形成很強的水平溫度梯度, 即底層溫度鋒所在位置。通過比較, 數(shù)值模擬的溫躍層位置較觀測結(jié)果要淺, 這可能是由于模式在夏季上層混合偏弱所致[18-19]。

圖2 沿34°N斷面的溫度分布

沿鋒面溫度梯度的方向角可表示為:

由于蘇北淺灘外海潮汐鋒出現(xiàn)在春末夏初上層海洋增溫季節(jié), 表層溫度梯度減弱, 故此處對不同深度采用溫度梯度法, 以更好地確定潮汐鋒的位置和強弱。根據(jù)已有研究結(jié)果[20-21], 取水平溫度梯度大于0.03℃/km作為判別鋒點的標(biāo)準(zhǔn), 而鋒點上垂直于梯度的方向為沿鋒方向。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 潮汐鋒結(jié)構(gòu)特征和季節(jié)演變

鋒區(qū)位置與表示潮混合強烈程度的Simpson- Hunter層化參數(shù)SH有關(guān)。Simpson和Hunter[22]基于局地能量平衡分析, 指出潮致混合所需能量與層化勢能需達到局地平衡, 給出SH的臨界值。已有研究表明[23-24]鋒區(qū)平均位置與臨界值所處海域較一致。SH表示為:

其中,代表潮流特征流速,為水深, 該參數(shù)反映了潮流和地形的共同影響。

蘇北淺灘外海是典型的半日潮海域[25-26],SH中的潮流特征流速取為平均最大潮流流速[1]。利用潮汐預(yù)報軟件OTPS(OSU Tidal Prediction Software)[27-28]計算M2, S2, O1和K14個主要分潮的調(diào)和常數(shù), 平均最大潮流流速可由4個主要分潮流速的東、北分量及其頻率和振幅遲角計算得到。圖3a給出研究海域M2分潮同潮時線和最大潮流的模擬結(jié)果, 圖3b為SH的分布。在黃海近岸淺水區(qū)(水深在30 m以淺), 強烈的潮致垂向混合導(dǎo)致近岸淺水區(qū)溫度結(jié)構(gòu)趨于垂向均勻分布, 而外海潮混合較弱, 且因季節(jié)增溫出現(xiàn)層化現(xiàn)象, 導(dǎo)致在兩種水文特征顯著不同的區(qū)域之間出現(xiàn)一個過渡帶, 形成明顯的潮汐鋒現(xiàn)象。除本文關(guān)注的蘇北淺灘潮汐鋒區(qū)外, 由圖3b可知, 在山東半島成山角-石島近海、蘇北沿岸和朝鮮半島西岸等沿岸淺水區(qū)也均出現(xiàn)潮汐鋒[2, 4]。

蘇北近海的潮汐鋒常出現(xiàn)在蘇北淺灘外側(cè)的陡坡附近。趙保仁等[4]觀測結(jié)果表明, 蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒現(xiàn)象與該海域地形特征關(guān)系十分密切。圖4給出根據(jù)公式(1)和(2)得到的蘇北淺灘外側(cè)潮汐鋒的季節(jié)變化分布。潮汐鋒矢量圖中箭頭長度表示鋒的強度(即梯度大小), 方向表示鋒的走向, 相鄰多個鋒點形成鋒區(qū)。由于受海表流場及風(fēng)場等影響, 表層鋒較弱且很不穩(wěn)定, 所以圖4中給出對應(yīng)底層水溫分布及底層鋒結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化。選取5、8、11、2月份作為春、夏、秋、冬季4個季節(jié)的代表月。

圖3 研究海域潮汐和層化特征分布

a. 模擬M2分潮最大潮流; b.SH

a. Biggest flow of simulated M2; b.SH

圖4 蘇北淺灘底層溫度鋒的季節(jié)變化

春季, 隨著海水溫度逐漸升高, 底層溫度表現(xiàn)為近岸淺水區(qū)高, 外海深水區(qū)低的格局。到了5月, 由于近岸潮致垂向混合強烈, 導(dǎo)致蘇北淺灘海域與其外側(cè)海域之間的溫度梯度逐漸增加, 沿20~30 m等深線開始出現(xiàn)溫度鋒, 但溫度鋒強度較弱, 約為0.14℃/km, 寬度約為28.84 km。

夏季, 底層溫度鋒區(qū)位置水平溫度梯度變化劇烈, 以30 m等深線為界, 東西兩側(cè)的溫度分布迥然不同, 西側(cè)淺水區(qū)為充分混合區(qū), 水溫呈垂直均勻分布狀態(tài), 整個淺灘上海水溫度均約28℃, 達到全年最高; 東側(cè)為層化區(qū), 由于黃海冷水團的存在, 在30 m以深海域水溫較低, 水溫為10℃。沿蘇北淺灘外側(cè)形成一西北-東南向的溫度鋒區(qū), 由于表層受太陽輻射影響, 海表溫度整體較高, 故夏季潮汐鋒區(qū)的海表溫度梯度變化并不顯著, 而由于潮汐鋒區(qū)上升流[4, 23, 29]的影響, 導(dǎo)致在鋒區(qū)附近次表層出現(xiàn)一低溫冷水區(qū)(如圖5), 冷水區(qū)位于122°~123°E, 水溫小于25℃, 比周圍水體溫度低1~2℃, 該低溫中心是由于鋒區(qū)上升流所致。

夏季, 蘇北淺灘海域風(fēng)應(yīng)力較弱, 風(fēng)生湍流垂向混合影響的深度較淺, 上混合層厚度只有5 m[23, 30]。同時, 通過海面向海洋輸入的凈熱通量較大, 在蘇北淺灘外海出現(xiàn)顯著層化, 而在近岸淺水區(qū)(20 m以淺), 潮致底邊界層的強烈湍流混合破壞了這種層化結(jié)構(gòu), 使得淺水區(qū)在夏季依然保持由表至底的溫度垂向均勻分布, 如圖6中夏季的溫度分布。由于近岸淺水區(qū)上層暖水與下層冷水之間的充分混合, 致使整個深度范圍內(nèi)混合均勻后海水溫度低于外海表層水溫, 而高于層化區(qū)下的底層水溫。因此, 等溫線分布表現(xiàn)為上層等溫線上翹, 下層等溫線下彎(如圖6), 這種臺狀結(jié)構(gòu)是由潮混合控制[1]。蘇北淺灘外側(cè)潮混合發(fā)達的近岸淺水區(qū)和外海層化區(qū)之間存在較大的水平溫度梯度, 形成了顯著的潮汐鋒。潮汐鋒的平均強度為0.35℃/km, 水平寬度可達40 km, 8月其形態(tài)及強度都發(fā)展到最大。

圖5 夏季2 m層溫度的水平分布

秋季隨著海表氣溫的降低, 海水溫度下降, 近岸淺水區(qū)溫度減小幅度相對要快, 水平溫度梯度減小, 潮汐鋒強度減弱。冬季隨著大風(fēng)降溫過程, 湍流垂向混合強烈, 可直達海底, 形成表、底層水溫均勻分布狀態(tài), 最低水溫出現(xiàn)在冬季。等溫線基本沿岸線分布, 呈西北東南走向。蘇北淺灘外測的溫度鋒減弱消失。

圖6 34°N斷面溫度分布

2.2 跨鋒區(qū)的溫度變化特征

選取34°N斷面的溫度結(jié)構(gòu)分析了潮汐鋒的季節(jié)變化特點(圖6)。5月黃海的層化現(xiàn)象已初步形成, 6—8月層化進入強盛期, 從9月開始逐漸減弱。與層化現(xiàn)象相聯(lián)系的潮生陸架鋒和近表層冷水分布一般于5月已顯雛形, 6—8月進入強盛期, 9月因海面降溫而逐漸減弱, 10月海面已很難辨認(rèn)出潮汐鋒的存在[31]。

夏季, 以122.2°E為界, 以西海底比較平坦, 水深較淺16~20 m, 為溫度垂直均勻區(qū); 以東海底坡度陡增, 在123°E處水深達60 m, 為顯著層化區(qū)。122.2°E東側(cè)等溫線有明顯的抬升現(xiàn)象。等溫線的這種抬升現(xiàn)象表現(xiàn)為122°~122.5°E附近表層出現(xiàn)低溫冷水區(qū), 水深在10 m處溫度為20℃左右, 比周圍水體溫度低1~2℃, 該冷水區(qū)表層最低水溫為24.4℃。在該冷水區(qū)附近形成較顯著的溫度鋒面, 顯然這是潮汐鋒的位置。

2.3 潮汐鋒區(qū)的流場結(jié)構(gòu)特征

夏季黃海近海面的溫度鋒與底層溫度鋒是同時存在的, 在近海面溫度鋒的下方可以看到等溫線密集的海底鋒區(qū)。趙保仁[3]曾使用溫鹽資料指出沿黃海陸架鋒與冷水團邊界是黃海鋒面上升流區(qū), 南黃海西部沿岸流是沿鋒面南下的強流。

圖7給出34°N斷面流速東分量、北分量、垂向流速的分布。在34°N斷面陡坡處流速較大, 上層向岸, 底層離岸。在陡坡122.2°E附近, 上層離岸, 底層向岸。因此, 在陸架陡坡處產(chǎn)生了沿坡向上的上升流作為補償。

圖7 34°N斷面流速分量分布

在陸架上沿鋒存在一支南下的強流(為負(fù)值),最大流速達4.48 cm/s, 其兩側(cè)為反向回流, 量值較小。Brown等[5]在北海潮汐鋒冷水區(qū)邊緣, 沿鋒面方向觀測到較強射流的存在, 最大流速可達15 cm/s。因較小, 圖7中垂向流速為乘以權(quán)重放大后的結(jié)果, 令(其中1 000 m為水平特征尺度,為水深)得到的分布圖, 在陸架的陡坡處為上升流區(qū), 最大值達6×10–3cm/s, 其外側(cè)為同量級的下降流區(qū)。

鋒區(qū)上升流的出現(xiàn)一方面是由于斜壓在鋒面處產(chǎn)生較強的南向流動, 且在分層流體的分層界面存在內(nèi)摩擦。由于內(nèi)埃克曼效應(yīng), 向南的速度分量在分層界面以上產(chǎn)生離岸的通量, 在其下則產(chǎn)生向岸通量。上層較強的離岸通量將在122.2°E附近陸坡處產(chǎn)生上升流作為補償。同樣, 在122.2°E附近向北的沿鋒流誘導(dǎo)出向岸的上層流, 因此在122°~122.5°E 產(chǎn)生了較強的輻聚區(qū)。另一方面, 海底陡坡使補償流限制在較小的范圍內(nèi)從而增大了上升流速。

3 結(jié)論

根據(jù)Simposon-Hunter提出的潮混合形成淺水陸架鋒的概念, 溫度鋒的位置可以用層化參數(shù)SH來確定。研究表明蘇北淺灘外側(cè)表層以下存在著顯著的溫度鋒, 且具有明顯的季節(jié)變化特征, 春季蘇北淺灘外側(cè)開始出現(xiàn)溫度鋒, 到了夏季該溫度鋒達到最強且位置穩(wěn)定, 溫度鋒寬度達40 km, 平均強度0.35℃/km。秋冬季隨著海面降溫該溫度鋒逐漸減弱消失。

典型跨鋒區(qū)斷面(34°N)的溫度分布具有顯著特征, 122.2°E以西的陸架淺水區(qū)為垂直均勻區(qū), 表、底層之間的溫度差約為1℃, 122.2°E以東外海區(qū)為層化區(qū)。在底層強溫度鋒東側(cè)(122.2°E 以東), 等溫線有抬升現(xiàn)象, 出現(xiàn)上升流, 在次表層形成低溫區(qū)。鋒區(qū)流場分布給出蘇北淺灘陸架潮汐鋒與冷水團邊界是黃海鋒面上升流區(qū), 南黃海西部沿岸流是沿鋒面南下的強流?？玟h區(qū)斷面的溫度和流場分布特征同淺水區(qū)強烈的潮混合過程密切相關(guān), 潮致湍流垂向混合是影響蘇北淺灘外側(cè)鋒面強弱的重要動力因素。

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Analysis on seasonal variations and structures of the tidal front outside of the Subei Shoal

CHENG Xue-li, SUN Qun, WANG Yu-heng, YANG Yang

(Tianjin University of Science and Technology, College of Marine and Environmental Sciences, Tianjin 300457, China)

This research studies the tidal front out of the Subei Shoal because this tidal front has an important mesoscale physical process that affects the ecological environment in the Western Yellow Sea in summer.The changes have important effects on the marine environment, marine ecosystem, navigation and fishery. In this paper, the high resolution (1/18)° simulated results from the Princeton Ocean Model (POM) were used to study the seasonal distributions and characteristics of the tidal front in the Subei Shoal. The results show that the tidal front outside the Subei Shoal has significant seasonal variations. The tidal front appears in late spring and then gradually become stronger. The strength of the tidal front reaches a maximum and its position is stable in summer, the width of which is about 40 km, and the sea surface temperature (SST) gradient strength of tidal front is 0.35℃/km. As the vertical mixing increased due to surface cooling and winds, the tidal front gradually became weaker in fall and eventually disappeared in winter. In comparison with the observations, the isotherms near the frontal zone rise towards the land along the 34°N section, causing an upwelling due to the combined effects of the inner Ekman transport and topographical change. In addition, the cold-water center in the sublayer was near 122.2°E. The temperature and velocity across the tidal front are closely related to the vertical mixing, and a southern jet appeared along the front because of the baroclinicity effect. The research results increased the understanding of the structures of the tidal front out of the Subei Shoal and provides a reference on studying the dynamical processes of the ecological environment in the Western Yellow Sea.

theSubei Shoal; tidal front; seasonal variation; upwelling

(本文編輯: 劉珊珊李曉燕)

[National Natural Science Foundation of China, No. 41376006; Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No. XDA11020305; National Key Research and Development Program of China, No. 2016YFA0601301; National Key Basic Research Development Program, No.2011CB403606]

Oct. 8, 2015

程雪麗(1989-), 女, 黑龍江蘭西人, 碩士研究生, 主要從事黑潮熱輸運動力過程研究, 電話: 18322693127, E-mail: 862133689@qq.com;孫群,通信作者, 副研究員, 主要從事上層海洋動力過程研究, 電話: 022-60601221, E-mail: sunqun@tust.edu.cn

P731.11

A

1000-3096(2017)12-0001-08

10.11759/hykx20151108001

2015-11-08;

2016-07-26

國家自然科學(xué)基金項目(41376006); 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDA11020305); 國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFA0601301); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2011CB403606)