2000—2017年東印度洋季風(fēng)帶海域溫度鋒時空特征變化分析

張精英,孫偉富，馬 毅，孟俊敏，張 杰

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 2.自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

海洋鋒是指海洋中水體要素梯度變化強(qiáng)烈的狹窄區(qū)域[1]，是海洋中一種普遍存在的現(xiàn)象，其強(qiáng)弱和空間位置也會隨時間而變化[2]，目前主要有溫度鋒、鹽度鋒、水色鋒、營養(yǎng)物質(zhì)鋒等，其中海表溫度鋒(SSTF)作為海洋鋒的重要表現(xiàn)形式之一，是海洋中水溫變化劇烈的兩個不同水團(tuán)的交界線，常發(fā)生在沿海區(qū)域，對于海洋漁業(yè)捕撈、污染治理、海上援助等具有重要意義[3]。東印度洋季風(fēng)帶海域?yàn)闁|印度洋10°S以北區(qū)域，包括孟加拉灣、安達(dá)曼海、馬六甲海峽、保克海峽等，北部與孟加拉國相接，東北鄰緬甸，包含安達(dá)曼群島、尼科巴群島、蘇門答臘島、爪哇島等諸多島嶼。該海域具有明顯的熱帶海洋性和季風(fēng)性特征，11月至次年3月盛行東北季風(fēng)，風(fēng)由大陸吹向海洋；5—9月盛行西南季風(fēng)，由海洋吹向大陸[4]。熱帶東印度洋是一個季風(fēng)海洋，對亞洲東、南部包括我國的氣候、降水都有重要影響[5]，南海-北印度洋航線是世界重要的海上貿(mào)易通道之一，具有重要的海上經(jīng)濟(jì)和軍事戰(zhàn)略地位，直接關(guān)系到我國海上安全和權(quán)益[6]，印度尼西亞一帶作為全球熱鹽環(huán)流的重要組成部分之一，對維持全球大洋能量平衡有不可忽視的作用[7]，因此了解東印度洋季風(fēng)帶海域的水文要素、中尺度現(xiàn)象具有重要意義。基于浮標(biāo)、船艦等實(shí)測方法難以得到長時間、大范圍的數(shù)據(jù)，遙感手段以其高時空分辨率，長時間、大面積同步觀測等優(yōu)勢，成為海洋鋒調(diào)查的重要數(shù)據(jù)獲取方法，基于遙感數(shù)據(jù)的海洋鋒檢測方法主要有梯度法、Canny算法、基于引力模型算法、小波變化法、熵理論算法等，其中Canny算法通過非極大值抑制和雙閾值檢測提高了鋒面定位精度，鋒面連續(xù)性較好[8]，因此本研究利用Canny算法進(jìn)行研究區(qū)內(nèi)的溫度鋒檢測。目前對于海洋鋒的研究主要集中于太平洋、大西洋及中國近海等海域[9-11]，關(guān)于印度洋海域海洋鋒的研究相對較少，已有研究主要發(fā)生在東南印度洋，多以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[12-14]，難以實(shí)現(xiàn)大范圍的海洋鋒檢測研究，開展基于遙感數(shù)據(jù)的東印度洋季風(fēng)帶海域海洋鋒變化研究能夠?yàn)榱私庠搮^(qū)域海洋中尺度現(xiàn)象提供參考資料，為后續(xù)海洋環(huán)境治理、物質(zhì)運(yùn)輸、流場結(jié)構(gòu)研究等提供科學(xué)依據(jù)。本研究基于2000—2017年氣候態(tài)月平均MODIS-TerraSST數(shù)據(jù)，研究東印度洋季風(fēng)帶海域溫度鋒的空間分布變化情況，討論分析研究區(qū)不同鋒面平均強(qiáng)度、鋒點(diǎn)數(shù)量及中心線長度變化情況，并基于2000—2017年的逐年平均SST數(shù)據(jù)，討論2個典型鋒面的年際變化情況。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究數(shù)據(jù)

本研究使用的海表溫度數(shù)據(jù)來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)Ocean Color網(wǎng)站http://oceancolor.gsfc.nasa.gov提供的全球MODIS-TerraSST數(shù)據(jù)，MODIS-Terra可獲取36個光譜帶數(shù)據(jù)，掃描幅寬為2 330 km，Terra衛(wèi)星發(fā)射于1999年12月18日，是太陽同步近極地軌道，可滿足低軌道地球觀測需求[15]。為更好地了解研究區(qū)溫度鋒面長期平均時空分布特征的變化，本研究基于2000—2017年氣候態(tài)月平均SST數(shù)據(jù)研究溫度鋒面的月際變化情況，并使用2000—2017年逐年平均SST數(shù)據(jù)研究恒河-雅魯藏布江河口鋒和爪哇島鋒2個典型溫度鋒的年際變化，數(shù)據(jù)的空間分辨率均為9 km。

1.2 研究方法

Canny算法具有檢測精度高、定位準(zhǔn)確、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)[16]，被廣泛應(yīng)用于海洋鋒的檢測中。本研究采用Canny算子檢測研究區(qū)溫度鋒，利用Sobel算子計(jì)算梯度，該算子考慮到了鄰近像元對中心點(diǎn)的影響，可有效增強(qiáng)圖像的邊緣可視性[17]。

(1)

(2)

式(1、2)為利用Sobel算子計(jì)算每點(diǎn)SST數(shù)據(jù)沿x、y方向的梯度，其中T代表該點(diǎn)高斯濾波后的SST。得到x、y方向的梯度后計(jì)算各點(diǎn)總梯度及每一點(diǎn)垂直梯度方向。

(3)

(4)

式(3、4)中：GM為在得到x、y方向的梯度后計(jì)算各點(diǎn)總梯度，D為每一點(diǎn)垂直梯度的方向。

對計(jì)算出的總梯度進(jìn)行非極大值抑制和雙閾值檢測，從而得到鋒面分布的中心位置信息，綜合各學(xué)者的研究及研究區(qū)特點(diǎn)[18-20]，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低閾值設(shè)為0.015 ℃/km，高閾值為0.030 ℃/km能較好的檢測研究區(qū)溫度鋒。圖1展示了研究區(qū)1月份的鋒面檢測結(jié)果，圖中紅點(diǎn)即為該月檢測到的溫度鋒。

圖1 東印度洋季風(fēng)帶海域1月鋒面檢測結(jié)果示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度鋒月際變化分析

基于氣候態(tài)月平均SST數(shù)據(jù)檢測東印度洋季風(fēng)帶海域溫度鋒，得到圖2所示結(jié)果，背景填充為當(dāng)月氣候態(tài)平均SST，黑點(diǎn)為檢測到的鋒面點(diǎn)，可以看到該海域溫度鋒主要分布于近岸區(qū)域，受海陸溫差、海流、太陽輻射等因素的影響，SST在海峽或近岸海域的梯度往往比遠(yuǎn)海地區(qū)更大[21]，使得鋒面常常發(fā)生于近岸地區(qū)。孟加拉灣北部和安達(dá)曼海北部大陸均有巨大河流流出，與周圍海水相互作用[22]，不同水團(tuán)之間存在一定的溫度差，在離岸不遠(yuǎn)處形成了鋒面；斯里蘭卡東岸的上升流是造成該地區(qū)發(fā)生鋒面的原因[23]；Palk海峽受印度洋環(huán)流的影響會出現(xiàn)較大的溫度梯度，可能會發(fā)生鋒面；爪哇島西南有爪哇沿岸流，可能是影響當(dāng)?shù)匕l(fā)生鋒面的原因。

圖2 東印度洋季風(fēng)帶海域溫度鋒月空間分布示意圖

2.1.1 溫度鋒空間分布月變化 由圖2可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)溫度鋒空間分布存在較明顯的月變化，以赤道為界將研究區(qū)劃分為南部和北部，1—4月份及12月鋒面主要分布于研究區(qū)北部，5—8月研究區(qū)南北部發(fā)生的鋒面相當(dāng)，9—11月鋒面主要發(fā)生在南部，北部檢測到相對較少的鋒面。1月鋒面主要分布在孟加拉灣北部20°～23°N，86°～94°E范圍內(nèi)及安達(dá)曼海北部15°～17°N，94°～97°E海域，鋒面點(diǎn)分布較密集；2月份除孟加拉灣北部溫度鋒外，在尼科巴群島南部7°～10°N，92°～95°E及爪哇島南部海域檢測到少量鋒面；3月份鋒面數(shù)量及延伸范圍大幅度減少，僅在孟加拉灣北部和尼科巴群島附近檢測到極少數(shù)鋒面，是該區(qū)域全年鋒面最不活躍的時期；4、5月份北部鋒面開始增多，南部也檢測到小范圍鋒面，4月在孟加拉灣北部及安達(dá)曼海及其周圍海域檢測到鋒面，5月鋒面主要分布于孟加拉灣、斯里蘭卡東南部、?？撕{，安達(dá)曼海北部也檢測到少量鋒面；6—8月在孟加拉灣北部、安達(dá)曼海北部、?？撕{、斯里蘭卡東南部及爪哇島南部海域檢測到鋒面，這期間北部鋒面逐漸減少，南部鋒面開始逐漸發(fā)育；到9、10月南部鋒面分布范圍達(dá)到最大，可覆蓋3°～10°S，101°～117°E的沿岸海域，此時北部檢測到的鋒面很少，10月達(dá)到最少；11月南部鋒面呈現(xiàn)減少趨勢，但仍在較大范圍內(nèi)檢測到，北部鋒面開始出現(xiàn)，到12月范圍擴(kuò)大到與1月相差不大，此時南部的鋒面消失。整體看來3、4月為研究區(qū)鋒面存在最少的時期，5—10月南部鋒面逐漸發(fā)展成熟，范圍擴(kuò)大，5°～15°N一帶的溫度鋒也主要發(fā)生在這一時期，11月最北部鋒面開始發(fā)展，到次年2月為成熟期，南部鋒面則減少甚至無法探測到。不同緯度帶受季風(fēng)影響，盛行的洋流不同。有研究表明風(fēng)可以通過影響海氣熱量交換從而導(dǎo)致鋒面的物理過程變化[24]，東印度洋區(qū)域盛行東亞季風(fēng)，具有明顯的季節(jié)變化，這可能是影響研究區(qū)鋒面變化的一個重要因素。

2.1.2 各溫度鋒平均強(qiáng)度、長度月變化 Blekin等(2007)研究了孟加拉灣海域溫度鋒[22]，本研究檢測到的北部鋒面與其結(jié)果基本一致，鋒面名稱使用該文定義的名稱，而南部爪哇島附近的溫度鋒目前沒有明確的命名[25]，本研究暫稱其為爪哇島鋒。在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)了1—12月各鋒面發(fā)生的數(shù)量(圖3a)，并計(jì)算了平均梯度來衡量各溫度鋒的強(qiáng)度變化情況(圖3b)，提取了鋒面中心線并計(jì)算長度得到結(jié)果如表1所示。

圖3 東印度洋季風(fēng)帶海域鋒面點(diǎn)數(shù)量及平均強(qiáng)度

表1 東印度洋季風(fēng)帶海域月平均溫度鋒中心線長度統(tǒng)計(jì)表

位于孟加拉灣北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒是一個全年存在的鋒面，大體呈西南-東北走向，12、1、2月分布范圍最廣，超過50個鋒面點(diǎn)，3月份僅檢測到不足10個鋒面點(diǎn)，4—10月呈小幅度減少趨勢，鋒面點(diǎn)由超過20個減少到不足10個，11月開始增加，到12月趨于成熟。該鋒面相鄰月平均強(qiáng)度差值最大超過0.02 ℃/km，全年強(qiáng)度最大值和最小值的差異高于0.03 ℃/km，其中1月強(qiáng)度最大，接近0.07 ℃/km，隨后強(qiáng)度有較劇烈的上下波動，4月小于0.04 ℃/km，為全年最弱，6月之后強(qiáng)度變化較之前稍小，依然呈波浪型擺動。鋒面中心線12、1、2月最長，均在600 km以上，3月最短，僅不足10 km，4—10月份該溫度鋒中心線長度不斷減少，由515.76 km縮短到23.57 km，11月開始有所增加，隨后達(dá)到成熟時期。該鋒在東北季風(fēng)盛行時期點(diǎn)數(shù)量、強(qiáng)度、中心線長度均處在全年較高水平。

爪哇島鋒是研究區(qū)內(nèi)除恒河-雅魯藏布江河口鋒外存在時間最長的鋒面，在爪哇島西南岸附近呈西北-東南走向，4—11月可檢測到，4月該鋒開始發(fā)展，至8月鋒面點(diǎn)增加到40左右個，9月到達(dá)成熟時期，鋒面點(diǎn)超過100個，到11月呈減少的趨勢，但檢測到60個以上鋒面點(diǎn)，到12月未能檢測到。該溫度鋒強(qiáng)度變化相對較為平緩，基本在0.035～0.045 ℃/km之間變化。4月到9、10月份鋒面中心線長度呈現(xiàn)增長趨勢，從22.49 km逐漸增加到9月的1 249.99 km，達(dá)到全年最長，之后的兩個月有小幅度減少。該鋒主要活躍在西南季風(fēng)盛行時期及西南季風(fēng)與東北季風(fēng)的過渡時期。

Palk海峽鋒分布于印度東南角?？撕{以北海域，僅在西南季風(fēng)盛行的5—9月可檢測到，鋒面點(diǎn)數(shù)量變化不大，主要在9°～12°N，80°～81°E范圍內(nèi)沿緯向分布，鋒面點(diǎn)數(shù)量也在10個左右上下浮動。5月強(qiáng)度最大，超過0.04 ℃/km，其他月份在0.030～0.035 ℃/km之間擺動。鋒面中心線長度5—8月呈逐漸縮短的趨勢，最長時為154.09 km，最短為67.67 km。

東錫蘭鋒與Palk海峽鋒相距不遠(yuǎn)，位于斯里蘭卡東南側(cè)，該鋒僅在西南季風(fēng)盛行的5、6、8、9月可檢測，且變化幅度不大，主要在5°～7°N，81°～83°E的海域內(nèi)呈西南-東北走向分布，鋒面發(fā)生點(diǎn)數(shù)少于5，且7月份未能檢測到。鋒面強(qiáng)度變化很小，基本在0.03 ℃/km左右。鋒面長度相對較短，最長時中心線不超過100 km，6月最短時僅為13.11 km。

安達(dá)曼海北部94°～98°E海域內(nèi)的伊洛瓦底江河口鋒主要發(fā)生在西南季風(fēng)盛行時期，形態(tài)相對不規(guī)則，東北季風(fēng)盛行的12、1月也可檢測到該鋒面，此時鋒面主要呈西南-東北走向分布，6月檢測到的鋒面點(diǎn)數(shù)量最多，超過20個，此時強(qiáng)度最高可達(dá)0.045 ℃/km左右，12月最小約為0.030 ℃/km。6月鋒面中心線為全年最長，約298.68 km，1、5月長度也可達(dá)100 km以上，其他月份均少于50 km。

東印度洋海域受季風(fēng)影響，冬夏環(huán)流不同，海水運(yùn)輸趨勢整體上是相反的，這種環(huán)流的差異造成了兩季海表溫、鹽等要素的分布不同[26]。綜合來看，整個研究區(qū)內(nèi)西南季風(fēng)盛行的5—9月，鋒面點(diǎn)數(shù)量較多，可以檢測到全部5個鋒面，此時各個鋒面的平均強(qiáng)度均在0.03～0.05 ℃/km之間變化，各鋒面的發(fā)生的鋒面點(diǎn)數(shù)量約在50個以內(nèi)，西南季風(fēng)后期爪哇島鋒發(fā)育，到9月點(diǎn)數(shù)量達(dá)到最高，超過100，長度達(dá)到接近1 250 km。這一時期5°～10°N及5°～10°S的溫度鋒在全年中表現(xiàn)相對活躍，15°～20°N一帶的鋒面也在西南季風(fēng)盛行時期相加強(qiáng)盛，最北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒相對較弱，處于該鋒面的衰退期；東北季風(fēng)盛行的11月至次年3月，研究區(qū)內(nèi)可檢測到3個溫度鋒面，分別為位于最北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒、位于15°～20°N一帶的伊洛瓦底江河口鋒和研究區(qū)最南部的爪哇島鋒，這一時期是20°N以北鋒面發(fā)生的強(qiáng)盛時期，鋒面點(diǎn)數(shù)量大部分時間超過50個，中心線長度在多半時間超過600 km，平均強(qiáng)度也高于0.04 ℃/km，15°～20°N的鋒面存在時間較短，僅有2個月檢測到，且此時該區(qū)域鋒面點(diǎn)數(shù)量較少，不足20個，平均強(qiáng)度也處于較低水平，不超過0.035 ℃/km，最南部的鋒面僅在東北季風(fēng)發(fā)生初期的11月檢測到。由此可見，不同季風(fēng)盛行時期研究區(qū)內(nèi)溫度鋒面點(diǎn)數(shù)量、平均強(qiáng)度、長度均存在著明顯的變化，不同區(qū)域的鋒面在不同季風(fēng)盛行期間有著不同的表現(xiàn)，季風(fēng)是影響研究區(qū)溫度鋒面變化的一個重要因素。

2.2 典型溫度鋒面點(diǎn)數(shù)量和平均強(qiáng)度年際變化

基于“2.1.1”、“2.1.2”可以發(fā)現(xiàn)位于孟加拉灣北部20°N以北的恒河-雅魯藏布江河口鋒和位于爪哇島西南側(cè)4°～10°S的爪哇島鋒是整個研究區(qū)存在時間最長、發(fā)生范圍最廣的兩個鋒面，分別位于不同維度帶，活躍于不同的季風(fēng)盛行時期，是研究區(qū)內(nèi)具有代表性的兩個溫度鋒，本研究以這兩個鋒面為例進(jìn)一步研究東印度洋季風(fēng)帶海域溫度鋒年際變化。

2.2.1 典型溫度鋒空間分布年際變化 基于2000—2017年MODIS-Terra逐年平均SST數(shù)據(jù)檢測溫度鋒，提取2個典型鋒的中心線(圖4)。兩個溫度鋒主要沿海岸線分布于近岸地區(qū)，空間位置分布與形態(tài)較穩(wěn)定，年際變化不大。恒河進(jìn)入孟加拉國后與雅魯藏布江交匯并注入孟加拉灣，與周圍海水相互作用形成研究區(qū)北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒，圖4a展示了該溫度鋒18年來的空間位置分布情況，可以發(fā)看到鋒面東段空間位置及形態(tài)非常穩(wěn)定，變化很小，而西段(尤其是88°～89°E處)垂直于其走向的方向上可以看到較明顯的變化，發(fā)生了將近1°的位置變動；南部爪哇島鋒的形態(tài)整體比較穩(wěn)定(圖4b)，基本沿爪哇島陸架分布，106°、108°～110°E處存在不超過0.5°的擺動，其余海域變化較小，部分年份檢測到的鋒面可延伸至蘇門答臘島西側(cè)。

圖4 東印度洋季風(fēng)帶海域主要鋒面中心線的年際變化示意圖

2.2.2 典型溫度鋒強(qiáng)度、長度年際變化 由兩個典型溫度鋒每年發(fā)生的點(diǎn)數(shù)量(圖5a)、平均強(qiáng)度(圖5b)及中心線長度(表2)可以發(fā)現(xiàn)，恒河-雅魯藏布江河口鋒每年發(fā)生數(shù)量均大于20，相鄰年之間變化相對緩和，不超過15，鋒面中心線長度總體在500～750 km之間變動，表明鋒面空間分布范圍大小相對穩(wěn)定，鋒面平均強(qiáng)度高于0.05 ℃/km，但不同年份之間強(qiáng)度存在一定差異，大部分年份強(qiáng)度在0.06 ℃/km左右，個別年份超過0.075 ℃/km，2012年高于0.08 ℃/km，相鄰年間變化幅度最高超過0.03 ℃/km。爪哇島鋒鋒面點(diǎn)數(shù)量年際變化幅度較大，基本在10～100之間呈鋸齒狀變化，2006年檢測到超過120個，相鄰年之間差值最多超過100個，鋒面長度短時僅不足30 km，最長可達(dá)2 000 km以上，該鋒的平均強(qiáng)度整體上略低于北部溫度鋒，基本在0.04 ℃/km附近擺動，年際變化較小，相鄰年份變化不超過0.01 ℃/km。

兩個典型鋒的點(diǎn)數(shù)量和長度大體上呈相反的變化趨勢，恒河-雅魯藏布江河口鋒數(shù)量、長度增加時爪哇島鋒的數(shù)量和長度呈減少趨勢，這樣的現(xiàn)象可能是由于兩個鋒面分布的緯度位置不同，發(fā)生的季風(fēng)環(huán)流不同，不同年份季風(fēng)及洋流的強(qiáng)弱、存在的時間等可能都會影響鋒面的變化。

3 結(jié)論

本研究基于2000—2017年MODIS-Terra氣候態(tài)月平均SST數(shù)據(jù)檢測了東印度洋季風(fēng)帶海域溫度鋒并統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)各鋒面發(fā)生的數(shù)量、平均強(qiáng)度及鋒面中心線長度，分析了鋒面時空變化情況；基于逐年平均SST數(shù)據(jù)，討論了研究區(qū)內(nèi)兩個典型溫度鋒的年際變化情況，主要結(jié)果如下：

圖5 2000—2017年東印度洋季風(fēng)帶海域典型鋒鋒點(diǎn)數(shù)量及平均強(qiáng)度

表2 2000—2017年東印度洋季風(fēng)帶海域典型鋒鋒面中心線長度統(tǒng)計(jì)表

(1)東印度洋季風(fēng)帶海域3、4月為鋒面最不活躍的時期，5—10月南部鋒面發(fā)展并逐漸趨于成熟，空間分布范圍增加，此時最北部鋒面則呈減弱的趨勢；11月最北部的溫度鋒開始發(fā)展，12月到次年2月為其成熟期，南部鋒面則減少甚至某些月份無法探測到。

(2)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)各溫度鋒每月發(fā)生的數(shù)量、平均強(qiáng)度及中心線長度，發(fā)現(xiàn)恒河-雅魯藏布江河口鋒全年存在，12、1、2月分布范圍、數(shù)量、鋒面中心線長度均處于較高水平，長度最多接近700 km，4—10月漸弱，11月開始增加，鋒面強(qiáng)度全年不斷變化，東北季風(fēng)時期相對較強(qiáng)盛；爪哇島鋒存在于4—11月，4—8月該溫度鋒的分布范圍、數(shù)量、長度、強(qiáng)度均逐漸增長，在西南季風(fēng)盛行時更為活躍；Palk海峽鋒在西南季風(fēng)盛行的5—9月可檢測到，鋒面范圍、強(qiáng)度變化不大，長度逐漸減短；東錫蘭鋒存在時間相對較短，僅在西南季風(fēng)盛行時可檢測到，整體長度較短，各項(xiàng)指標(biāo)變化均相對較??；伊洛瓦底江河口鋒主要發(fā)生在西南季風(fēng)時，此時強(qiáng)度、長度相對東北季風(fēng)時較高。

(3)恒河-雅魯藏布江河口鋒和爪哇島鋒的空間位置年際變化不大，恒河-雅魯藏布江河口鋒鋒面點(diǎn)數(shù)量相對更加穩(wěn)定，長度在500～750 km之間變動，平均強(qiáng)度存在相對較大的變化，變化幅度最高超過0.03 ℃/km；爪哇島鋒點(diǎn)數(shù)量、長度存在較大的變化，鋒面點(diǎn)數(shù)量從10到130個不等，長度在30～2 000 km之間變化，但鋒面平均強(qiáng)度比較穩(wěn)定，年際變化不超過0.01 ℃/km。兩個溫度鋒的長度、數(shù)量的變化存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。