西-亞北極鋒季節(jié)及年際特征分析

朱科瀾，陳希，毛科峰，王彥磊，張芳苒，白志鵬，姚小海

（1.中國人民解放軍61741 部隊(duì)，北京 100081；2.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京 211101）

亞北極鋒（The Subarctic Front，下文簡稱SAF）（Sugimoto et al，2014；Kitano，1975；Uda，1963；Roden et al，1988） 是黑潮延伸體北支（KFNB）與親潮（OY）交匯形成的鋒面，是西北太平洋永久存在的熱鹽結(jié)構(gòu)（Yuan et al，1996），主要表現(xiàn)為位于40°N附近的強(qiáng)海表面溫度（SST） 梯度（Sugimoto et al，2014）。Sugimoto 等（2014）發(fā)現(xiàn)SAF 長期存在東、西兩個鋒面，將位于146°F-152°F，162°F-171°F 之間的SAF 分別定義為西-亞北極鋒（Western Subarctic Front，WSAF）和東-亞北極鋒（Fastern Subarctic Front，F(xiàn)SAF）。

SAF 影響著周邊海域乃至西北太平洋水體性質(zhì)，其使南向的親潮流在40°N處轉(zhuǎn)向?yàn)闁|向流（Reid，1973），并在鋒區(qū)附近形成了廣泛分布于西北太平洋的北太平洋中層水（North Pacific Intermediate Water， NPIW） （Hasunuma， 1978；Masujima et al，2009）。此外，SAF 強(qiáng)度與位置的季節(jié)變化對該海域的海洋動力環(huán)境和海氣相互作用還有重要影響。Nakamura 等（1997；2003）的研究表明，SAF 區(qū)域的SST 異常變化較大，以10 年周期為主，低頻的SST 變化與SAF 南北移動有關(guān)（Nakamura et al，2003；Frankignoul et al，2012）；Frankignoul 等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，SAF 南北移動的周期主要為10 年的時間尺度，并指出這是由于海盆尺度的海面風(fēng)變化調(diào)整了海洋動力機(jī)制所致。

圖1 西北太平洋35 年平均SST 梯度分布

近年來，利用新資料的SAF 氣候特征研究較少，基于此，本文選用1982-2016 年連續(xù)OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，AVHRR-only product） （Reynolds et al，2007） 資料計(jì)算西北太平洋SST 梯度分布，分析SAF 氣候特征。結(jié)果表明，SAF 位于143°F-172°F，38°N-44°N之間，從157°F 處分為東西兩部分，西部鋒區(qū)明顯強(qiáng)于東部鋒區(qū)，且南北跨度更大（圖1）。

對于不同季節(jié)，SAF 春夏秋冬四季均存在東、西兩支鋒區(qū)（圖2），且差異較顯著：冬季SAF 強(qiáng)度顯著高于其他季節(jié)，緯度跨度最小，分布位置最偏南，經(jīng)度跨度大；夏季SAF 強(qiáng)度在四個季節(jié)中最弱，緯度跨度最大，分布位置最偏北，經(jīng)度跨度較?。淮?、秋兩季SAF 強(qiáng)度相當(dāng)，低于冬季，顯著高于夏季。

SAF 海區(qū)穩(wěn)定存在著WSAF 和FSAF，WSAF強(qiáng)度顯著高于FSAF，延伸范圍更廣；同時，WSAF 位于黑潮-親潮交匯區(qū)（The Kuroshio-Oy ashio Confluence Region， KOCR） （Mitsudera et al，2004；Sugimoto et al，2014）鄰近海域，該海區(qū)海氣相互作用強(qiáng)，對氣候調(diào)節(jié)意義重大，并且與北太平洋中層水的形成密切相關(guān)；此外，WSAF 及鄰近海區(qū)位于日本以東，了解該海區(qū)的水文環(huán)境特征具有重要的戰(zhàn)略意義，因此，研究WSAF 及鄰近海域意義重大。

目前，國內(nèi)外關(guān)于WSAF 強(qiáng)度與位置的季節(jié)變化的研究還相對較少，海洋遙感資料數(shù)量的增加和分辨率的提高，為開展這方面的研究提供了條件。為此，本文開展了不同季節(jié)的WSAF 強(qiáng)度與位置的變化特征分析，初步探討不同季節(jié)WSAF強(qiáng)度與KOCR 水體性質(zhì)的關(guān)系以及不同季節(jié)WSAF強(qiáng)度年際變化與KOCR 內(nèi)海溫的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)及方法介紹

本文選用連續(xù)35 年（1982-2016 年) OISST 日平均資料，時間分辨率為1 天，水平空間分辨率為0.25°），采用梯度法（Yuan et al，1996；Moore et al，1997；劉傳玉等，2009）獲取鋒面的位置與強(qiáng)度，溫度梯度計(jì)算公式如下：

式中，GMT為溫度梯度，T 為海水溫度。采用梯度法直接計(jì)算的梯度值易受數(shù)據(jù)精度和誤差的影響，為突出大尺度SAF 變化特征，這里分別對緯向和經(jīng)向的溫度數(shù)據(jù)采用50 km、100 km 尺度的平滑以去除中小尺度過程的影響。

圖2 西北太平洋季節(jié)平均SST 梯度分布

為了表征WSAF 強(qiáng)度與位置的變化特征，WSAF特征強(qiáng)度采用Sugimoto 等（2014） 提出的方法，將37°N-45°N，146°F-152°F 之間的最大水平溫度梯度作為WSAF 強(qiáng)度值。對于WSAF 平均位置的確定，Sugimoto 等人將最大水平溫度梯度所在的緯度作為WSAF 的平均位置。但考慮到WSAF 自西向東鋒面逐漸北移，直接選取最大水平溫度梯度作為WSAF 的平均位置并不能較好地描述WSAF 的實(shí)際分布，我們在平均位置選取方法上進(jìn)行了改進(jìn)：先獲取37°N-45°N，146°F-152°F 范圍內(nèi)每個經(jīng)度對應(yīng)的最大水平溫度梯度值的緯度，然后將得到的緯度值平均后作為WSAF 的平均位置，這樣選取的WSAF 平均位置更能凸顯不同季節(jié)WSAF的分布特征。

2 結(jié)果

2.1 WSAF 強(qiáng)度的季節(jié)變化特征

基于35 年不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析各季節(jié)WSAF 強(qiáng)度年變化特征，結(jié)果表明，WSAF 冬季強(qiáng)度最大、春秋次之，夏季最小，春夏秋冬平均強(qiáng)度分別為0.042、0.029、0.041、0.047 ℃/km（圖3a）；同時，WSAF 各季節(jié)35 年最大強(qiáng)度與最小強(qiáng)度之差依次為0.031、0.02、0.027、0.036 ℃/km，也表現(xiàn)出冬季最大，春秋次之，夏季最小的特征。

從時間上看，1982—2016 年，WSAF 強(qiáng)度逐漸升高（圖3a、3c），其在2005—2007 年增幅最大，約0.015°C/km，使2007 年后的鋒強(qiáng)度顯著高于之前的年份（圖3a、3c）。不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度分別在2016（春）、2015（夏）、2016（秋）、2015（冬） 年達(dá)到了最大值，分別為0.065、0.043、0.058、0.069°C/km；春夏秋冬WSAF 強(qiáng)度分別在2003、1993、1993、1991 年最小，分別為0.034、0.023、0.031、0.033°C/km，詳細(xì)可見表1。

從空間上看，146°F-152°F，各季節(jié)WSAF 強(qiáng)度先增加后減小，最大鋒面強(qiáng)度出現(xiàn)在149°F 附近（圖3b、3d）。不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度經(jīng)向分布表明（圖3b），各季節(jié)最大強(qiáng)度值分別位于149.2°F、149.3°F、149.2°F 和148.7°F 處。

為深入分析35 年不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度變化規(guī)律，通過最大熵譜法分析了各季節(jié)35 年WSAF 強(qiáng)度變化周期，各季節(jié)強(qiáng)度變化周期表明（圖4a），春季W(wǎng)SAF 強(qiáng)度變化以12 年周期為主，夏季以3、7 年周期為主，秋季以準(zhǔn)9 年周期為主，冬季以8年周期為主（表1）。

圖3 WSAF 強(qiáng)度季節(jié)變化（a）與不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度空間分布（緯向） （b）WSAF 強(qiáng)度月變化（c）與不同月WSAF 強(qiáng)度空間分布（緯向） （d）

表1 1982-2016 年不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度與變化周期

2.2 WSAF 平均位置的季節(jié)變化特征

基于35 年不同季節(jié)WSAF 平均緯度數(shù)據(jù)，分析各季節(jié)WSAF 平均位置年變化特征，結(jié)果表明，WSAF 夏季在四季中分布最偏北，春、秋季次之，冬季最偏南，WSAF 四季35 年平均分布緯度分別為40.7°N、41.5°N、40.6°N、40.3°N（圖5a）；同時，WSAF 各季節(jié)35 年最高緯度與最低緯度之差依次為2.2、3.2、1.8、0.6°，也表現(xiàn)出夏季最大，春秋次之，冬季最小的特征。

從時間上看，1982—2016 年，WSAF 位置緩慢南移（圖5a、5c），年平均緯度由40.3°N降至40°N，其在1992—1995 年的減幅最大，約0.5°N（圖5a、5c）。春夏秋冬WSAF 分別在2000、1992、1989、1997 年分布最偏北，各季節(jié)對應(yīng)的最高緯度分別為41.9°N、43.3°N、41.6°N、41.2°N；春夏秋冬WSAF 分別在2011、1995、2003、1997 分布最偏南，各季節(jié)對應(yīng)的最低緯度分別為39.7°N、40.1°N、39.8°N、39.6°N，詳細(xì)可見表2。

從空間上來看，146°-152°F，各季節(jié)WSAF分布緯度逐漸北移（圖5b、5d）。不同季節(jié)WSAF平均緯度的經(jīng)向分布表明（圖5b），春夏秋冬WSAF 在146°F 處平均緯度依次位于40.1°N、41.4°N、40.7°N 和39.8°N，隨著經(jīng)度值增加，到152°F 處，春夏秋冬WSAF 平均緯度依次位于41.6°N、42.3°N、41.5°N 和41.3°N 處。

圖4 WSAF 強(qiáng)度（a）與平均位置（b）季節(jié)變化的最大熵譜分析

表2 1982—2016 年不同季節(jié)WSAF 位置分布與變化周期

圖5 WSAF 平均位置（a）季節(jié)變化與不同季節(jié)WSAF 平均位置（b）空間分布（緯向）WSAF 平均位置（c）月變化與不同月WSAF 平均位置（d）空間分布（緯向）

為深入分析35 年不同季節(jié)WSAF 位置變化規(guī)律，通過最大熵譜法分析了各季節(jié)35 年WSAF 平均位置變化周期，各季節(jié)平均位置變化周期表明（圖4b），春季W(wǎng)SAF 平均位置變化以4、8 年周期為主，夏季以4、6、8 年周期為主，秋季以2、5、15 年周期為主，冬季以13、21 年周期為主（表2）。

3 討論

3.1 不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度與KOCR 水體性質(zhì)的關(guān)系

黑潮延伸體、親潮兩支水團(tuán)差異明顯，受季節(jié)影響大，WSAF 在強(qiáng)度上有冬強(qiáng)夏弱，分布位置上有冬南夏北的特征，這種變化是由于KOCR 內(nèi)不同季節(jié)水體溫度差異所造成的。對于KOCR 海區(qū)水體性質(zhì)對WSAF 的影響，Sugimoto 等（2014）計(jì)算了KOCR（這里特指KOCR 中37°N-40°N，146°F-152°F 的區(qū)域） （Mitsudera et al，2004；Sugimoto et al，2014）內(nèi)，WSAF 年平均下強(qiáng)鋒年與弱鋒年的混合率，發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)鋒年交匯區(qū)內(nèi)水體性質(zhì)更接近于黑潮延伸體，弱鋒年交匯區(qū)內(nèi)黑潮延伸體特性不顯著。

不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度與KOCR 水體性質(zhì)的關(guān)系目前還沒有研究成果，為分析這種關(guān)系，本文通過計(jì)算不同季節(jié)的黑潮-親潮混合率（下文簡稱混合率） （Kono，1998；Shimizu et al，2001），并以70%混合率等值線為例（Sugimoto et al，2014）進(jìn)行研究，混合率計(jì)算公式為：

圖6 WSAF 周邊海域年平均海面黑潮混合率（顏色圖）分布

式中，rθ為溫度混合率，rθ數(shù)值越高，表明KOCR內(nèi)水體性質(zhì)越接近黑潮延伸體特性，反之，水體性質(zhì)越接近親潮；θ 為研究海區(qū)的海表面溫度，θk為海面黑潮水溫度，通過對141°F-141.5°F，34.5°N-35°N海區(qū)溫度平均得到，海面親潮水溫度θo通過對147.5°F-148°F，43°N-43.5°N 海區(qū)溫度平均得到（Sugimoto et al，2014）。

不同季節(jié)混合率計(jì)算結(jié)果表明，春夏秋冬KOCR 內(nèi)平均混合率分別為63%、71%、65%和55%；70%混合率等值線分別位于37.5°N、38.5°N、37.6°N 和37°N 附近（圖6）。在WSAF 強(qiáng)度弱，平均位置偏北的夏季，KOCR 內(nèi)平均混合率高，交匯區(qū)內(nèi)水體性質(zhì)接近于黑潮延伸體；而在WSAF 強(qiáng)度高，平均位置偏南的冬季，交匯區(qū)內(nèi)平均混合率偏低，親潮水在KOCR 內(nèi)所占比例顯著提高。

混合率變化直觀反映了KOCR 水體性質(zhì)變化。在冬季，KOCR 鄰近海溫較低，溫度均一的親潮冷水舌向南入侵十分明顯，而黑潮延伸體主軸（15°C等溫線） （Kawai，1972） 南移至37°N 附近（圖2a），冷暖水強(qiáng)烈對峙使38°N-43°N之間的梯度異常大，在親潮冷水舌的外沿形成了較強(qiáng)的WSAF。夏季，海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑的變化使42°N以南水體基本都高于15°C，體現(xiàn)出強(qiáng)烈的黑潮延伸體性質(zhì)；親潮冷水舌受太陽輻射以及黑潮延伸體影響，增溫顯著（圖2），溫度梯度減小，并被向西壓縮至日本沿岸一側(cè)，導(dǎo)致了夏季W(wǎng)SAF強(qiáng)度弱，分布較偏北偏西的特征。

此外，黑潮延伸體脫落的渦旋或許也是改變KOCR 及鄰近海域水體性質(zhì)的重要因素。多個研究表明，渦旋攜帶黑潮水進(jìn)入KOCR （Itoh et al，2010），從而影響KOCR 的水體性質(zhì)，這些渦旋主要由黑潮延伸體路徑不穩(wěn)定性（Sugimoto et al，2011；Qiu et al，2010；Xu et al，2011） 所產(chǎn)生。夏季是黑潮延伸體海區(qū)渦旋活動最強(qiáng)的季節(jié)（胡冬臣等，2018），反氣旋渦源源不斷地將暖水?dāng)y帶至北側(cè)（張笑等，2013）的KOCR 中，致使該海區(qū)迅速增溫并進(jìn)一步侵蝕親潮水團(tuán)，稀釋冷水，減弱了WSAF 強(qiáng)度。

因此，海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑變化以及黑潮延伸體渦旋等的作用改變了KOCR 海區(qū)水體性質(zhì)，使海溫分布發(fā)生較大改變，最終導(dǎo)致了不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度、位置的變化，直觀表現(xiàn)為：KOCR 內(nèi)水體性質(zhì)接近黑潮延伸體時，WSAF 強(qiáng)度小，鋒面分布偏北；KOCR 內(nèi)親潮水所占比例增加，交匯區(qū)內(nèi)黑潮延伸體特性不顯著時，WSAF 強(qiáng)度大，鋒面分布位置偏南。

3.2 不同季節(jié)WSAF 強(qiáng)度年際變化與KOCR 內(nèi)海溫的關(guān)系

WSAF 強(qiáng)度季節(jié)變化與KOCR 內(nèi)海溫密不可分，但不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強(qiáng)度年際變化與KOCR內(nèi)海溫關(guān)系尚不明確。為了解是否與WSAF 強(qiáng)度季節(jié)變化有類似特征，將KOCR 內(nèi)春、夏、秋、冬季SST 進(jìn)行FOF 分解，選取最能反映各季節(jié)海溫變化的第一模態(tài)時間系數(shù)（圖7，均通過North顯著性檢驗(yàn)） （North et al，1982），并以之計(jì)算與各季節(jié)WSAF 強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)（表3），結(jié)果表明，各季節(jié)內(nèi)WSAF 年際變化與KOCR 內(nèi)海溫相關(guān)性并不顯著，除冬季外，其他三個季節(jié)都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，直接表現(xiàn)為：春、夏、秋三個季節(jié)，隨著KOCR 內(nèi)海溫升高，WSAF 強(qiáng)度減弱，而冬季W(wǎng)SAF 強(qiáng)度隨之升高而增強(qiáng)。該結(jié)果反映出不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強(qiáng)度年際變化與WSAF 強(qiáng)度季節(jié)變化特征差異顯著。

此外，各季節(jié)方差貢獻(xiàn)率同第一模態(tài)時間系數(shù)與WSAF 強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)以及變化周期還存在某種關(guān)聯(lián)，根據(jù)表3，方差貢獻(xiàn)率最高的夏季，海溫變化與WSAF 強(qiáng)度呈相對顯著的負(fù)相關(guān)性；對于其他季節(jié)，隨著方差貢獻(xiàn)率的降低，海溫變化與WSAF 強(qiáng)度的負(fù)相關(guān)性減弱，方差貢獻(xiàn)率最低的冬季，相關(guān)性變?yōu)?8%；關(guān)于海溫變化周期，僅冬季與WSAF 強(qiáng)度周期較一致。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與各季節(jié)第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率有關(guān)，方差貢獻(xiàn)率越大，越能反映海溫的真實(shí)變化，且引起變化的因素越單一，反之，引起海溫變化的因素越復(fù)雜。更深層次的原因可作為以后研究的重點(diǎn)方向。

表3 1982-2016 年不同季節(jié)KOCR 內(nèi)SST EOF 分析第一模態(tài)時間系數(shù)部分信息

總之，各季節(jié)內(nèi)WSAF 年際變化與KOCR 內(nèi)海溫相關(guān)性不顯著，不同季節(jié)特征區(qū)別明顯，不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強(qiáng)度年際變化與WSAF 強(qiáng)度季節(jié)變化特征差異顯著。

圖7 KOCR 內(nèi)SST EOF 分析第一模態(tài)時間系數(shù)

4 結(jié)論

本文基于OISST 資料，采用梯度法分析了WSAF 強(qiáng)度與位置的季節(jié)及年際變化特征，計(jì)算了黑潮-親潮混合率，探討了WSAF 強(qiáng)度變化與KOCR 內(nèi)水體性質(zhì)的關(guān)系，并利用FOF 分析探尋了WSAF 強(qiáng)度年際變化與KOCR 內(nèi)海溫的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1） WSAF 位于146°F-152°F，37°N-45°N，冬季W(wǎng)SAF 強(qiáng)度、強(qiáng)度變化最大，平均位置最靠南、位置變化最??；夏季W(wǎng)SAF 強(qiáng)度、強(qiáng)度變化最小，平均位置最靠北、位置變化最大；在時間上，1982-2016 年，WSAF 強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，WSAF平均分布位置逐漸緩慢南移；在空間上，各季節(jié)WSAF 強(qiáng)度最大值位于149°F 附近，WSAF 平均位置自西向東不斷北移。

（2）根據(jù)混合率的計(jì)算結(jié)果，KOCR 內(nèi)水體性質(zhì)接質(zhì)接近黑潮延伸體時，WSAF 強(qiáng)度小，鋒面分布偏北；KOCR 內(nèi)親潮水所占比例增加，交匯區(qū)內(nèi)黑潮延伸體特性不顯著時，WSAF 強(qiáng)度大，鋒面分布位置偏南；不同季節(jié)水體性質(zhì)改變的主要原因是海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑變化以及黑潮延伸體渦旋等的作用。不同季節(jié)內(nèi)WSAF 強(qiáng)度年際變化與WSAF 強(qiáng)度季節(jié)變化特征差異顯著，各季節(jié)內(nèi)WSAF 年際變化與KOCR 內(nèi)海溫相關(guān)性不顯著，春、夏、秋季，隨著KOCR 內(nèi)海溫升高，WSAF 強(qiáng)度減弱，而冬季W(wǎng)SAF 強(qiáng)度隨KOCR 內(nèi)海溫升高而增強(qiáng)。