東海西部近海春、秋季水團(tuán)特征分析

朱 佳,胡建宇,2*,楊龍奇,陳照章,孫振宇,2

(1.廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點實驗室，福建 廈門 361102；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海 519082)

東海陸架位于東亞季風(fēng)區(qū),在冬季盛行東北季風(fēng)，在夏季盛行西南季風(fēng).季風(fēng)及太陽輻射的季節(jié)變化對東海環(huán)流和水文特征有重要影響.本研究海域位于東海西部近海、長江口以南、水深<100 m的東海陸架區(qū)，由北向南分布有漁山、溫臺、閩東漁場，近岸島嶼眾多，等深線分布密集.以往研究表明東海陸架存在3支重要流系：一是沿岸南下的閩浙沿岸流；二是黑潮的東海段；三是起源于臺灣島東北和臺灣海峽，跨過陸坡穿越到東海陸架并與沿岸水體混合的臺灣暖流[1-7].另有研究表明臺灣暖流的向岸分支順著等深線沿水下深槽持續(xù)北上，能夠上溯至長江口外[8].這些流系的強(qiáng)弱和范圍，決定著東海陸架的水文結(jié)構(gòu)及水團(tuán)的分布和性質(zhì)，而水團(tuán)的分布和變化對漁場的形成、位移以及漁季和漁獲量的變化也至關(guān)重要.

以往研究中主要應(yīng)用聚類分析法[9-20]，結(jié)合Fisher型逐步判別法[21]、對應(yīng)分析法(包含T-S圖解法)[12,22-25]、曲線族擬合法[26]和四邊形法[27]等方法對東海以及浙江近海的水團(tuán)進(jìn)行劃分，并闡述各水團(tuán)的特征和水系邊界的季節(jié)變動規(guī)律.綜合已有研究結(jié)果，東海的水團(tuán)共可歸結(jié)為以下10類：大陸沖淡水、黃東?；旌纤?、東海表層水、東?；旌纤驏|海暖水、臺灣暖流水、東海次表層水、黑潮表層水、黑潮次表層水、黑潮次中層水和黑潮中層水.

關(guān)于東海西部近海的水團(tuán)研究雖不少，但采用的水團(tuán)分類法多為傳統(tǒng)方法，且關(guān)于東海西部近岸的水團(tuán)研究多集中于夏季型和冬季型[10,12-16,21,25]，對于春、秋季過渡型水團(tuán)特征的闡述較少[19,24].張啟龍等[19]指出春季與冬季相比，江浙沿岸表層水和臺灣暖流表層水范圍東移；秋季與夏季相比，江浙沿岸表層水西縮，臺灣暖流表層水略向北擴(kuò)展，底層的臺灣暖流深層水消失.Qi等[20]將東海西部近岸的四季水團(tuán)劃分為陸架沿岸水、黃海表層水、黃海底層水、東海表層水和東海深層水，但并未劃分臺灣暖流.吳曉丹等[24]根據(jù)夏季長江口附近海域的斷面T-S曲線，雖劃分出了臺灣暖流和黑潮表層水，但僅限于夏季和垂直斷面方向上.本研究基于2018年秋季和2019年春季東海西部近海調(diào)查航次的實測數(shù)據(jù)，分析該海域的溫、鹽平面與斷面的分布及特征，通過模糊聚類法及近年新發(fā)展出的T-S相似度法[28]劃分水團(tuán)，給出直觀的立體分布圖，并對臺灣暖流水和黑潮次表層水進(jìn)行劃分和討論，以對東海西部近海春、秋季的溫、鹽分布和過渡型水團(tuán)細(xì)致結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充，為進(jìn)一步了解臺灣暖流的季節(jié)變化和黑潮水分支的前鋒及路徑的時空變化提供參考資料.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2018年11月17日—12月4日與2019年4月8—23日，廈門大學(xué)于119.5°～125.5° E，25°～29° N海域范圍內(nèi)進(jìn)行為期18和16 d的秋季和春季航次調(diào)查，分別在49和50個站點(圖1)使用溫鹽深(CTD)剖面儀采集數(shù)據(jù).從北向南共7個斷面：A01—A09、B01—B08、C01—C07、D01—D07、E01—E06、F01—F05及G01—G04.

圖中灰色箭頭示意黑潮、臺灣暖流、閩浙沿岸流.圖1 東海西部近海觀測站點分布及主要大陸架海流Fig.1 Distribution of observation stations and the major aspects of the shelf currents in the western East China Sea

1.2 水團(tuán)分類方法

T-S相似度法主要是計算水體樣本與典型水團(tuán)曲線在等密面上的溫、鹽相似度從而劃分水團(tuán)的一種方法，是傳統(tǒng)水團(tuán)分類法的有效補(bǔ)充.本研究先采用模糊聚類法而后應(yīng)用T-S相似度法，其優(yōu)勢在于可在聚類法等傳統(tǒng)水團(tuán)分類結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)一步準(zhǔn)確地確定水團(tuán)邊界，劃分標(biāo)準(zhǔn)具有更加明確的物理意義.T-S相似度法在南海北部的水團(tuán)劃分上已取得初步進(jìn)展，成功劃分出南海次表層水與太平洋次表層水的界限[28].T-S相似度法簡要介紹如下：

定義T-S相似度(TSSN，Г)為某個隨機(jī)水樣本與典型水團(tuán)的相似度，數(shù)值為0～1之間.如圖2所示，X為某水樣X的T-S點，A、B分別為水樣X沿著其所在等密線與典型水團(tuán)A、B的T-S曲線的交點.

紅線和藍(lán)線分別代表兩個典型水團(tuán)A和B的T-S曲線， 綠點代表某水樣X的T-S點，虛線為等密度線.圖2 T-S相似度法的示意圖Fig.2 Schematic diagram for the T-S similarity method

參數(shù)定義為：

(1)

其中，DA和DB是X與交點A、B的距離，

(2)

(3)

式中SA、SB、SX分別為A、B和X點的鹽度.由以上3個公式可知，Γ值越接近0代表水樣X與A型水團(tuán)的相似度越高；反之，Γ值越接近1代表水樣X與B型水團(tuán)的相似度越高.因此將Γ=0.5作為劃分A型與B型水團(tuán)的分界值.

2 溫、鹽結(jié)構(gòu)分析

2.1 溫、鹽平面結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行水團(tuán)分類前，先對調(diào)查海域的溫、鹽分布特征進(jìn)行分析.圖3和4分別是東海西部近海春季(2019年4月)和秋季(2018年11月)各層的溫、鹽平面分布圖.

由圖3(a)可見，調(diào)查海域春季的溫度分布呈現(xiàn)近岸低遠(yuǎn)岸高、西北低東南高的整體趨勢.低溫區(qū)沿近岸呈帶狀分布，低溫中心位于漁山列島南面的28～29° N近岸0～20 m層，最低溫出現(xiàn)在C01站的5～20 m處，低至13.9 ℃.沿低溫區(qū)的外側(cè)有一條明顯的水平溫度梯度帶分布，從C02站到C03站(約65 km)，溫差可達(dá)7.8 ℃.相對高溫區(qū)位于臺灣島西北附近海域，最高可達(dá)24.1 ℃，最高溫出現(xiàn)在E04站的0～40 m層.值得注意的是，由于次表層水跨陸架向東海西部陸架區(qū)涌升[29]，50 m處相對高溫區(qū)迅速縮小至E04站區(qū)域，其北面均被低于19 ℃的水體所占據(jù).

如圖3(b)所示，近岸低鹽區(qū)基本與低溫區(qū)相吻合.受閩浙沿岸水的影響，漁山列島附近的鹽度低于28.0，最低鹽度26.5出現(xiàn)在C01站的表層.近岸的低鹽水與遠(yuǎn)岸水交匯，形成了一條狹長的鹽度梯度帶，C01站與C03站的表層鹽度差可達(dá)8.3.遠(yuǎn)岸的2～50 m層可見兩條鹽度大于34.7的高鹽水舌，朝西和西北方向延伸至調(diào)查海域中部，其中C07站約50 m層的鹽度大于34.8.此外，75～100 m層的高鹽水舌匯集成一體，鹽度保持在34.8左右.

圖3 東海西部近海春季(2019年4月)的溫(a)、鹽(b)平面分布Fig.3 Planar distributions of temperature (a) and salinity (b) in the western East China Sea in spring (April,2019)

由圖4(a)可見，調(diào)查海域秋季的溫、鹽分布與春季有所不同，表層多為高溫區(qū)所覆蓋.與春季相比，秋季近岸的低溫區(qū)強(qiáng)度、范圍明顯減小，水平溫度鋒面不復(fù)存在，近岸與外海的溫差約2.1 ℃.南、北各有一個高溫中心：北部的高溫區(qū)在5～75 m層均可見，位于離岸最遠(yuǎn)的A09站，溫度24.0 ℃；南部的高溫區(qū)在2～30 m層位于臺灣島北面的E04站和F05站，50～75 m層則南移至靠近臺灣島西北的F05站和G04站，溫度均在23.7 ℃以上.值得注意的是，受黑潮次表層水涌升的影響，在調(diào)查海域南部邊緣的50 m層出現(xiàn)一個低溫高鹽區(qū)，打破了高溫區(qū)原本較完整的分布格局.

秋季沿岸沖淡水的強(qiáng)度和范圍較春季均明顯減弱，沖淡水貼岸南下.因調(diào)查站位離岸較遠(yuǎn)，圖4(b)的中南部近岸才觀測到?jīng)_淡水的蹤跡，最低鹽度約29.9；沖淡水在中部的C、D、E 3個斷面向外擴(kuò)散.

圖4 東海西部近海秋季(2018年11月)的溫(a)、鹽(b)平面分布Fig.4 Planar distributions of temperature (a) and salinity (b) in the western East China Sea in autumn (November,2018)

圖5 東海西部近海春季(2019年4月)的溫(a)、鹽(b)斷面分布Fig.5 Cross-section distributions of temperature (a) and salinity (b) in the western East China Sea in spring (April,2019)

圖6 東海西部近海秋季(2018年11月)的溫(a)、鹽(b)斷面分布Fig.6 Cross-section distributions of temperature (a) and salinity (b) in the western East China Sea in autumn (November,2018)

2.2 溫、鹽斷面結(jié)構(gòu)

圖5和6分別為春季和秋季的溫、鹽斷面分布圖.從圖5的斷面分布看(B斷面遮擋較多，故未展示)：春季，溫度低于17 ℃且鹽度小于31.5的低溫、低鹽水分布于各斷面的近岸站點，深度可達(dá)25 m；E斷面的中部存在一個高溫水柱，位于E04站，影響深度可達(dá)底層，其中深度0～40 m的溫度可達(dá)24.1 ℃，由表至底的水溫較其他站位高出2.0～5.8 ℃；D斷面遠(yuǎn)岸站點的底層以及C、E斷面的遠(yuǎn)岸站點由表及底的鹽度均大于其他站點，為34.7～34.8，顯示出黑潮水的高鹽性質(zhì).

如圖6所示，各斷面溫、鹽結(jié)構(gòu)顯示出溫度近岸低、遠(yuǎn)岸高、底層低、上層高，鹽度近岸低、遠(yuǎn)岸高、上層低、底層高的總體趨勢.

3 水團(tuán)分類

采用模糊聚類法對春、秋季的溫鹽資料進(jìn)行水團(tuán)初步劃分，而后在此基礎(chǔ)上應(yīng)用T-S相似度法對各水團(tuán)進(jìn)行再劃分并確定水團(tuán)邊界.調(diào)查海域可初步劃分為5類水團(tuán)：閩浙沿岸水、混合水、黑潮表層水、臺灣暖流水及黑潮次表層水.其中混合水指的是沿岸水、臺灣暖流水和黑潮水三者的混合，是水團(tuán)特征介于三者之間的水體.春、秋季各水團(tuán)的溫、鹽核心值見表1.

表1 東海西部近海春季與秋季的各水團(tuán)溫、鹽核心值Tab.1 Core values of temperature and salinity of water masses in the western East China Sea in spring and autumn

春季水團(tuán)分布如圖7(a)所示：閩浙沿岸水分布在近岸的表層至20 m層，鹽度核心值為29.5；黑潮表層水主要分布在遠(yuǎn)岸<50 m深度，而50 m層黑潮表層水延伸出兩條水舌向近岸逼近；深度>75 m的高鹽黑潮次表層水跨陸架涌升，將黑潮表層水逼退至臺灣海峽北口附近；混合水在30 m層分布范圍最大，而在深度>30 m層其分布范圍隨著黑潮表層水和黑潮次表層水的加強(qiáng)逐漸縮小.

秋季水團(tuán)分布如圖7(b)所示：閩浙沿岸水集中分布在近岸深度<30 m層，且往南、向外擴(kuò)展至臺灣海峽北口，鹽度核心值為31.5；黑潮表層水分布在調(diào)查海域的東北角，溫、鹽核心值分別為23.5 ℃和34.4；黑潮表層水由表層至75 m層均可見，但范圍隨著深度增加逐漸向東北縮小；臺灣暖流水分布在深度<50 m的調(diào)查海域東南部，而在50 m層因黑潮次表層水的涌升被隔斷成南大北小的兩部分；隨著黑潮次表層水在深度>75 m層的強(qiáng)度和范圍逐漸增強(qiáng)，臺灣暖流水逐漸被混合水取代.

綠色表示閩浙沿岸水；藍(lán)色表示混合水；橘色表示黑潮表層水；粉色表示臺灣暖流水；紅色表示黑潮次表層水.圖7 東海西部近海春季(a)與秋季(b)的水團(tuán)分類Fig.7 Classification of water masses in the western East China Sea in spring (a) and autumn (b)

4 討 論

關(guān)于調(diào)查海域內(nèi)的閩浙沿岸水和黑潮水的來源、特征和范圍，以往研究已基本達(dá)成共識，但對臺灣暖流的季節(jié)分布和來源仍存在爭議.傳統(tǒng)的臺灣暖流是指具有高溫、高鹽特征，由南向北流經(jīng)閩浙沿岸的海流.有學(xué)者認(rèn)為臺灣暖流是常年存在的[1-2，29-34]；也有論據(jù)表明臺灣暖流深層水屬季節(jié)水團(tuán)，僅存在于暖半年(4—9月)[19]；還有研究結(jié)果顯示冬季臺灣暖流并未入侵東海[35-36]，或僅在50 m層或底層入侵東海[37].

從本研究所獲得的溫、鹽結(jié)構(gòu)和水團(tuán)分類結(jié)果來看，2019年4月春季分布在調(diào)查海域東南部50 m以淺的高溫、高鹽水體，雖然其位置與以往研究中的臺灣暖流分布范圍相吻合，但是其鹽度(34.3～34.8)又高于臺灣暖流表層水(33.1～34.2)[19，38]，因此該水體特性更貼合黑潮水[39-41]，亦可能屬于兩者的混合.考慮到臺灣暖流的定義、來源以及該水體所處深度，將其暫歸為黑潮表層水.此外，秋季(2018年11月)位于調(diào)查海域深度<75 m的高溫水體，東北角的鹽度核心值34.4明顯高于東南部的鹽度核心值34.2，且二者的分布并不連續(xù)，故東北角的水體屬于黑潮表層水，而東南部的水體屬于臺灣暖流水.

最后還需一提的是，因各流系變化可能存在較大的年際變動，本文基于兩個航次觀測所得的水團(tuán)分布結(jié)論具有一定的局限性，還缺乏調(diào)查海域夏、冬季的實測數(shù)據(jù)，故在季節(jié)變化和延續(xù)的討論上尚不完整，還需在今后的研究中繼續(xù)完善補(bǔ)充，并搜集溫度、鹽度以外的其他參數(shù)，嘗試將臺灣暖流水和黑潮表層水進(jìn)行明確劃分.

5 結(jié) 論

在2019年4月春季及2018年11月秋季兩個航次調(diào)查中，東海西部近海的溫、鹽分布在平面和垂向上存在空間分布差異，同時在水團(tuán)分布上也具有明顯的季節(jié)變化特征.主要結(jié)論如下：

1) 調(diào)查海域春、秋季可劃分為5個水團(tuán)：閩浙沿岸水、混合水、臺灣暖流水、黑潮表層水及黑潮次表層水.

2) 春季，低溫、低鹽的閩浙沿岸水呈帶狀分布，與遠(yuǎn)岸水交匯處形成一條狹長的溫度、鹽度梯度帶.黑潮表層水占據(jù)遠(yuǎn)岸海域深度<75 m的大部分區(qū)域，并在50 m層延伸出兩條向岸的高鹽水舌.

3) 秋季，閩浙沿岸水的強(qiáng)度和范圍明顯減弱，溫度和鹽度鋒面不復(fù)存在，調(diào)查海域南、北部深度<50 m各有一個高溫區(qū)，分別是臺灣暖流水和黑潮表層水，南部的臺灣暖流水在50 m層被涌升的黑潮次表層水隔斷成兩部分.

致謝：感謝黃志達(dá)、黃汝輝等參與現(xiàn)場觀測.