阿拉伯上升流溫度鋒面時空分布特征分析

劉 鵬，張永剛，劉建斌

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116001；2.海軍航空兵膠州場站氣象臺，山東 青島 266300）

阿拉伯上升流溫度鋒面時空分布特征分析

劉 鵬1，張永剛1，劉建斌2

（1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116001；2.海軍航空兵膠州場站氣象臺，山東 青島 266300）

阿拉伯上升流區(qū)域水文環(huán)境復(fù)雜，地理位置重要，研究該海區(qū)的水文特征具有重要的意義?；赪OA13數(shù)據(jù)，利用絕對梯度最大值法提取了鋒面的鋒軸線，簡要分析阿拉伯上升流海區(qū)的溫度鋒的時空分布特征和強(qiáng)度分布特征。結(jié)果表明，阿拉伯上升流鋒主要存在于春夏兩季，沿阿拉伯半島東海岸線分布，存在于13°N～19°N之間，隨深增加鋒軸線逐漸遠(yuǎn)離海岸。水平上鋒強(qiáng)度較大地區(qū)位于夏季的13°N～16°N和19°N附近，垂直方向上鋒強(qiáng)度較大地區(qū)位于40～100 m之間。

阿拉伯上升流鋒；WOA13數(shù)據(jù)；鋒軸線；鋒強(qiáng)度

海洋鋒一般是指特性明顯不同的兩種或幾種水體之間的狹窄過渡帶。狹義而言，有人將其定義為水團(tuán)之間的邊界線。廣義而言，可泛指任一種海洋環(huán)境參數(shù)的躍變帶，因而出現(xiàn)了諸如水溫鋒、鹽度鋒、密度鋒、聲速鋒、水色鋒、透明度鋒，以及海水化學(xué)、生物等要素的海洋鋒的稱謂。海洋鋒面對于海區(qū)的氣候、海洋生物遷徙等有著重要影響，特別是海洋鋒對水下聲傳播的影響，對于聲吶探測技術(shù)的研究有著重要的意義。要想了解海洋鋒面的聲傳播特點，對于鋒面的空間結(jié)構(gòu)以及鋒強(qiáng)度分布特征的研究就必不可少，因此對海洋鋒面的研究就顯得尤為重要。對于海洋鋒的提取，國內(nèi)外都做過比較多的研究，薛存金等[3]提出了一種基于小波分析對海洋鋒形態(tài)特征進(jìn)行提取方法；張偉等[4]利用一種基于Canny和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法對海洋鋒進(jìn)行檢測；平博等[5]提出了基于引力模型的海洋鋒信息提取法；劉建斌等[6]提出了用鋒面絕對梯度最大值連線法提取鋒軸線。此外，也有許多利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對海洋鋒進(jìn)行觀測提取的研究。

阿拉伯海位于印度洋西北部，其北部為阿曼灣，其西部經(jīng)亞丁灣通向紅海。隨著中國在中東地區(qū)的商業(yè)貿(mào)易以及護(hù)航任務(wù)的日趨頻繁，其戰(zhàn)略地位也愈發(fā)重要。目前國內(nèi)外對于這片海區(qū)的研究大多都集中在對阿拉伯上升流、亞丁灣中尺度渦等方面。如X.Yi,B.Hunicke等[7]對阿拉伯海的上升流與印度洋季風(fēng)的關(guān)系進(jìn)行了研究，M.A.Al Saafani等[8]對由阿拉伯海到亞丁灣向移動的中尺度渦進(jìn)行了分析，Timothy R.Keen等[9]分析了西北阿拉伯海西南季風(fēng)上升流、平流與初級生產(chǎn)力的相互作用，Amy S.Bower等[10]研究了亞丁灣中尺度渦旋對紅海海水的影響，但對于阿拉伯上升流溫度鋒面的研究很少，也很少研究鋒面對水聲傳播的影響。

本文利用WOA13數(shù)據(jù)，對阿拉伯上升流所形成的海洋鋒面的時空分布特征及鋒強(qiáng)度分布特征進(jìn)行了研究。

1 數(shù)據(jù)及方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文采用的是來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的國家海洋數(shù)據(jù)中心海洋氣象實驗室的海洋氣候?qū)W數(shù)據(jù)集產(chǎn)品WOA13數(shù)據(jù)（http://www. nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html）。該數(shù)據(jù)包括了全球從1955-2012年的溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等海洋要素數(shù)據(jù)，時間上分為年平均、季節(jié)平均、月平均數(shù)據(jù)，空間分辨率有5°，1°，1/4°等3種，在深度上，利用內(nèi)插值的方法，從表層到最大深度5 500 m分為102層，其中0～100 m每5 m一層，100～500 m每25 m一層，500～2 000 m每50 m一層，2 000～5 500 m每100 m一層。本文選用的是最新的WOA13數(shù)據(jù)溫度資料，為1955-2012年的分辨率為1/4°的季節(jié)平均溫度數(shù)據(jù)。

1.2 方法介紹

以往對于海洋鋒的提取有著各種各樣的方法，但這些方法都比較繁瑣而且計算量較大，并且大多數(shù)是利用遙感數(shù)據(jù)分析海表面溫鹽場的鋒面分布特征。SHENFU DONG等[11]在研究南極極地鋒時采用絕對梯度經(jīng)線最大值連線的方法確定鋒軸線取得了較好的效果，劉建斌等[6]也在分析北大西洋流鋒時用此方法提取了鋒面并且分析了其時空分布特征。因此本文參考了上述方法，對阿拉伯上升流鋒進(jìn)行了提取分析。其中絕對梯度的定義為：

絕對梯度是某個點在4個方向上（北—南、東—西、東北—西南、西北—東南）的梯度的總和，而不是某個單獨方向上的梯度，其中兩點之間距離為0.25°（經(jīng)/緯度）。本文所研究的阿拉伯上升流鋒是一個南北走向的鋒，先求得海表面上每個點的絕對梯度，然后提取出阿拉伯海西側(cè)同一緯度上絕對梯度最大值的位置及大小。目前，海洋鋒強(qiáng)弱的定量指標(biāo)海洋學(xué)界尚未定論，區(qū)別鋒強(qiáng)度大小級別的方法有多種，李鳳岐等[12]給出了中國海域海洋鋒面的最低標(biāo)準(zhǔn)為東海海區(qū)的0.05°C/nm；Cheney和Winfrey等[13]根據(jù)鋒面兩側(cè)聲速變化、混合層深度變化、鋒面延伸的深度以及持續(xù)時間等因素將全球海洋鋒分為了較強(qiáng)、中等、較弱三個等級，其中弱、中、強(qiáng)鋒面對應(yīng)的垂直于鋒面的聲速改變量（Δc/(ft·s-1)）分別為＞100，50～100，＜50，聲層深度改變量（Δz/ft）分別為＞500，100～500，＜100，鋒面延伸的深度（z/ft）分別為＞3 000，300～3 000，＜300。本文將鋒強(qiáng)度的大小分為5個不同的級別，分別為0～0.1°C/nm，0.1～0.2°C/nm，0.2～0.3°C/nm，0.3～0.4°C/nm，＞0.4°C/nm，將其中同一級別鋒強(qiáng)大小的點連接成線，就可以得到強(qiáng)弱不同的鋒軸線，不同強(qiáng)度的鋒軸線用不同顏色的線表示。

需要說明的是，WOA13數(shù)據(jù)是平均格點化的插值數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間的分辨率較低，因此在表現(xiàn)海洋鋒強(qiáng)度上要比實際值要低，但是WOA13數(shù)據(jù)在表現(xiàn)鋒區(qū)，特別是在表現(xiàn)鋒軸線的位置及鋒軸線上的鋒強(qiáng)度的變化特點上具較直觀明顯的效果，并且可以分析強(qiáng)度隨空間的分布特點，隨季節(jié)的變化規(guī)律等特點。

2 分析與討論

2.1 溫度鋒面及鋒軸線的時空分布

由WOA13數(shù)據(jù)給出阿拉伯海域在各水深層的等溫線，圖1為水深75 m處的等溫線，等溫線間隔1°C。由圖可以見，等溫線異常密集的區(qū)域，就是海洋鋒存在的區(qū)域。通過對比阿拉伯海等深線圖（圖2）可以發(fā)現(xiàn)等溫線的分布與等深線分布類似，阿拉伯上升流存在區(qū)域的等深線比較密集，可見上升流的形成與海底地形有關(guān)。此外可以發(fā)現(xiàn)，春季在西阿拉伯?？拷⒗雿u沿岸海區(qū)的200 m以淺海域，開始出現(xiàn)一個冷水團(tuán)，在夏季時冷水團(tuán)達(dá)到最大，秋冬兩季冷水團(tuán)消失。

圖1 水深75 m等溫線

圖2 阿拉伯海等深線

通過提取出該海域各水深層上的溫度絕對梯度，如圖3～圖4分別為水深75 m，85 m處的溫度絕對梯度圖。由圖可見，1-3月和10-12月阿拉伯上升流存在區(qū)域的溫度絕對梯度較小，因此鋒面不明顯，4-9月溫度絕對梯度較大，鋒面的南北跨度約7個緯度（13°N～20°N），東西分布于50°E～60°E，深度15～200 m之間。鋒面在4-6月和7-9月的分布也較為不同：4-6月的鋒面主要分布于阿拉伯半島沿岸海區(qū)，7-9月的鋒面則由淺至深逐漸向外海轉(zhuǎn)移。此外，7-9月在亞丁灣內(nèi)水深15～90 m之間，存在幾個由中尺度渦旋造成的鋒強(qiáng)較劇烈的鋒面區(qū)域，這與Saafani等[8]研究的結(jié)果相同。

圖3 水深75 m溫度絕對梯度

圖4 水深85 m溫度絕對梯度

通過絕對梯度最大值連線法提取出4-9月的鋒軸線。如圖5～圖6所示分別為40 m，55 m處的鋒軸線圖，因為一些強(qiáng)度較大的點分布比較離散，因此將不同鋒強(qiáng)的鋒軸線用不同顏色的點或線表示。由各水深層的鋒軸線的分布可見：鋒軸線走向大致與阿拉伯半島東海岸線一致，其中0～0.1°C/14 nm級別的鋒軸線主要分布在4-9月的21°N以北海域的各水深層，呈東北向沿著海岸線向阿曼灣延伸。0.1～0.2°C/14 nm級別的鋒軸線主要存在于在4-9月30～150 m水深之間，緯度在14°N～20°N之間，主要沿著海岸線走向分布，從50 m水深開始，17°N以南區(qū)域鋒軸線逐漸偏移到沿58°E經(jīng)線分布。0.2～ 0.3°C/14 nm級別的鋒軸線主要存在于7-9月20～ 125 m之間，緯度在13°N～19°N之間，從65 m水深開始，鋒軸線開始向東南偏移并逐漸成經(jīng)向分布，后主要集中在58°E經(jīng)線、緯度13°N～15°N之間?？梢娔隙蔚匿h軸線由淺至深是呈遠(yuǎn)離海岸的趨勢。

圖5 水深40 m，4-9月鋒軸線

圖6 水深55 m，4-9月鋒軸線

2.2 鋒強(qiáng)度時空分布

根據(jù)提取出的鋒軸線，每個緯度對應(yīng)一個經(jīng)度，因此可以用緯度來表示鋒軸線的位置。作出鋒軸面上的鋒強(qiáng)度斷面圖，斷面圖中每層水深上的鋒強(qiáng)度都為鋒軸線上的鋒強(qiáng)。如圖7～圖8所示，分別為4-6月鋒強(qiáng)度斷面圖和7-9月鋒強(qiáng)度斷面圖。由圖可見：4-6月鋒強(qiáng)度較大區(qū)域主要存在于14°N～ 23°N、水深20～200 m之間，其中鋒強(qiáng)度極大值存在于100 m水深附近，同一緯度上鋒強(qiáng)度隨水深增加總體呈先增后減的趨勢。7-9月鋒強(qiáng)度斷面與4-6月相比明顯有所變化，7-9月的鋒強(qiáng)度明顯高于4-6月的鋒強(qiáng)度，7-9月的鋒強(qiáng)度較大區(qū)域分布的比較離散，主要分布于13°N～15°N，17°N～19°N，22°N～ 23°N這三個區(qū)域，鋒強(qiáng)度極大值存在于水深40～50 m附近，與4-6月一樣同一緯度上的鋒強(qiáng)度隨水深增加總體呈先增后減的趨勢。

圖7 4-6月鋒強(qiáng)度斷面

圖8 7-9月鋒強(qiáng)度斷面

根據(jù)斷面圖，在春夏兩季各選出5個鋒強(qiáng)較大的位置，給出這5個位置由淺至深的鋒強(qiáng)度變化如圖9?？梢钥吹剑?-6月5個點隨水深增加鋒強(qiáng)都呈現(xiàn)增—降—增—降的趨勢，在40 m和90 m左右出現(xiàn)兩個極大值，在70 m處鋒強(qiáng)出現(xiàn)極小值，此外，在 15.125°N，50 m水深處的鋒強(qiáng)達(dá)到最大值0.23°C/14 nm；7-9月5個點隨水深增加鋒強(qiáng)也呈現(xiàn)增—降—增—降的趨勢，在40 m和60 m水深附近鋒強(qiáng)達(dá)到極大值，50 m水深達(dá)到極小值，在18.875°N、水深70 m附近鋒強(qiáng)達(dá)到最大值0.62°C/ 14 nm。由此可見鋒軸面在40～100 m之間，隨著季節(jié)和位置的變化，鋒強(qiáng)極大值出現(xiàn)的深度是上下浮動且不規(guī)律的。

圖9 鋒強(qiáng)度深度變化

3 結(jié)論

通過對阿拉伯上升流鋒的鋒軸線時空分布、鋒強(qiáng)度時空分布特征的分析，得出了以下結(jié)論：

（1）阿拉伯上升流鋒存在于春夏兩季，南北跨度10個緯度，走向大致沿阿拉伯半島東海岸線分布，存在于深度20～200 m之間，隨深度增加鋒軸線位置逐漸遠(yuǎn)離海岸。

（2）鋒軸線的強(qiáng)度的水平分布不均勻，春季鋒強(qiáng)較大區(qū)域存在于夏季的13°N～16°N和19°N附近。

（3）鋒強(qiáng)度在不同季節(jié)分布規(guī)律有細(xì)微變化，春季鋒強(qiáng)度隨深度增加呈增、減、增、減的變化趨勢，夏季呈先增后減的趨勢。鋒強(qiáng)度極大值在40～ 100 m之間浮動，4-6月極大值出現(xiàn)在水深40 m和90 m附近,7-9月極大值出現(xiàn)在水深40 m和60 m附近。

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Analysis on the Temporal and Spatial Distribution Characteristics of the Upwelling Front in the Arabian Sea

LIU Peng1,ZHANG Yong-gang1,LIU Jian-bin2
1.Dalian Naval Academy of the PLA,Dalian 116001,Liaoning Province,China; 2.Jiaozhou Meteorological Station,Naval Air Force,Qingdao 266300,Shandong Province,China

The upwelling area of the Arabian Sea,featured by its very complex hydrological environment,is important for its geographical position.It is of important research value and military value to probe into this sea area.Based on the processing of WOA13 data,this paper uses the Absolute Gradient Maximum method to extract the frontal axis from the ocean front,and briefly analyzes the temporal and spatial distribution as well as intensity distribution characteristics of the Arabia Sea upwelling area.The results show that the Arabian upwelling front exists mainly in the spring and summer,and distributes along the east coastline of the Arabian Peninsula, between 13°N-19°N.As the depth increases,the front axis becomes gradually apart from the coast.In the horizontal direction,the region with greater frontal intensity locates around 13°N-16°N and 19°N in summer.In the vertical direction,the region with greater frontal intensity locates between 40 m to 100 m.

upwelling front in the Arabian Sea;WOA13 data;front axis;front intensity

P731

A

1003-2029（2017）03-0013-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.003

2016-12-21

劉鵬（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向為世界中尺度鋒面。E-mail：515540650@qq.com