刘建斌，张永刚

（海军大连舰艇学院,辽宁大连116018）



阿尔沃兰海海洋锋时空气候变化特征

刘建斌，张永刚

（海军大连舰艇学院,辽宁大连116018）

摘要：阿尔沃兰海海洋锋研究有较高的学术价值和军事应用价值，然而目前对于阿尔沃兰海海洋锋国内外缺乏相关研究。本文通过WOA13季节、月平均数据对阿尔沃兰海海洋锋锋轴线分布变化特征，锋轴线强度分布变化特征等方面进行了研究。认为阿尔沃兰海温度锋可分为0—30 m 与30—200 m两层分别讨论，其中0—30 m成南北分布而30—200 m内锋轴线则成东西方向，两部分锋轴线分布特征及强度变化特征均有不同。阿尔沃兰海盐度锋四季存在且0—200 m内锋轴线均成南北方向分布，其锋轴线上强度随深度成先增加后减小的特点,最大强度对应的深度在100 m处。关键词：阿尔沃兰海；海洋锋；时空变化特征；WOA13

1　引言

阿尔沃兰海位于地中海最西部，西侧通过直布罗陀海峡与大西洋相连，是地中海与大西洋水体交换的过渡区域，这一海域对区域气候产生重要影响[1]。在阿尔沃兰海海洋中尺度运动对海洋环流、水团分布以及海洋生态环境起关键作用[2]，这些中尺度系统包括：西阿尔沃兰海涡流、东阿尔沃兰海涡流、阿尔沃兰海洋锋等且对于这些中尺度系统形成机理及变化特征等尚不清晰[3]。除此之外，海洋锋引起的声速剖面的水平非均匀性将会导致声传播出现明显的水平折射，而且会使声波的汇聚作用发生变化，引起声纳对目标测向的误差[4]，如菅永军等利用二维PE模型通过对黑潮锋区实测数据的分析认为有无锋区的声传播损失最大能达20 dB[5]，因此海洋锋对水下声传播的影响不可忽略。因此对阿尔沃兰海海洋锋的研究有较高的海洋动力学、海洋气象学以及海洋生物学价值，而且随着国家“一带一路”战略的提出阿尔沃兰海作为海上丝绸之路的途径之地其军事价值也将更加凸显。

然而目前对阿尔沃兰海洋锋的论述也比较有限如Stevenson[6]、Robert[7]对锋区大致范围存在季节进行了研究，利用实测数据对1977年10月份阿尔沃兰海海洋锋结构进行了分析。目前尚缺乏关于阿尔沃兰海海洋锋时空分布特征的研究，且国内还没有这方面研究。因此本文利用WOA13数据对阿尔沃兰海温、盐锋空间分布变化特征，锋强度分布特点以及时间变化特点进行分析。

2　数据与分析方法

2.1数据介绍

WOA13（World Ocean AtlaS 2013）是来自NOAA的国家海洋数据中心海洋气象实验室的海洋气候学数据集产品，包涵温度、盐度、叶绿素等多种海洋要素数据，分为年平均、季节平均、和月平均数据，是多种数据集、多种实测数据的整合数据产品，其空间分辨率有：5°、1°、0.25°三种，在深度上，利用内插值的方法，从表层到最大深度5500 m分为102层[8]。以往对于大范围海洋锋研究多利用卫星数据，而WOA数据能提供三维温、盐分布特征信息可对海洋锋的三维结构进行研究，克服了卫星数据只能对表面海洋锋研究的不足。WOA13数据是WOA系列的最新产品，能达0.25°在分析精度上更优。

本文选用1955—2012年季节平均以及月平均0.25°网格温度、盐度数据分析阿尔沃兰海海洋锋。需要说明的是WOA13数据虽然是平均格点化插值数据，在表现海洋锋强度上比实际值要低，因此本文出现的强度一般都比实际值小。但是WOA13数据在表现锋区，特别是锋轴线上位置、强度的变化特点上具有较好的效果，可以分析强度随空间的分布特点，随季节的变化规律等。

2.2锋面分析方法

海洋锋表现在图像上具有弱边缘性的特点，以往对于海洋锋的提取多采取图像边缘处理的方法如基于Candy和数学形态的方法[9]以及基于小波分析的锋提取方法[10]等，但这些方法不仅计算量大且不能表现锋区强度信息，提取的锋轴线模糊与实际有一定的偏差，对于网格化数据并不实用。而DONG等[11]在研究南极极地锋时采用绝对梯度来确定锋区强度，采用绝对梯度经线最大值连线的方法确定锋轴线并取得了很好的效果。因此本文参考上述方法对锋面进行提取分析，其中绝对梯度的定义为：

在对锋轴线进行提取时，首先计算锋区每条纬线或经线最大值，然后将锋区最大值点依次连线得到锋区锋轴线，也就是说锋轴线的选取是依据其强度而不是空间位置，由此得到了较为清晰的锋线位置。

海洋锋区水团在广阔海洋中可以看作是一个由经度、纬度、深度决定三维锋面，而且随着时间变化不断发生形变。直接对锋面进行研究比较困难，也很难清晰描述锋面的空间变化。利用锋轴线表示锋面与水平面的交线，以此来研究锋面空间变化，并用锋轴线强度作为锋面强度变化的参考。因此，本文对每层水深处锋轴线依次进行提取，从水平方向和垂直方向对锋轴线位置、强度变化特征进行分析，并研究其相应的时间变化特点。

3　结果与分析

如图1、2分别为阿尔沃兰海区域60 m水深温度绝对梯度以及15 m水深盐度绝对梯度分布，其中温度绝对梯度强度较大的季节为7—9月份与10—12月份，在Stevenson[6]研究中同样认为这一海域温度锋多集中在7月以后，此外盐度各季强度均较大，因此本文主要研究7—12月份温度锋以及各季盐度锋的时空变化特征。

图1　60 m水深温度绝对梯度分布

图2　15 m水深盐度绝对梯度

图3　10 m水深处等温线分布

3.1锋轴线分布特征

利用WOA13数据将表层至300 m各层等温线依次画出，其中等温线密集的水层主要集中在200 m以浅，这一结论与Cheney[7]在1978年实测数据分析基础上得到结果相一致，同时也证明了WOA13数据在研究这一区域海洋锋的可行性。在0—30 m水层内等温线大致是于经线平行，锋区较强区域主要是西班牙南部韦尔瓦附近的上升流锋携带的冷水团通过直布罗陀海峡与阿尔沃海暖水团交汇形成的，因此在这段水深锋呈现东西方向差异。将锋区内纬线上绝对梯度最大值依次连接得到锋区的主锋轴线，可以看出锋轴线成南北走势，如图4所示为7—9月份与10—12月份0 m、30 m锋轴线分布。

在7—9月份锋轴线的位置要更靠近直布罗陀海峡一侧，且随深度增加是逐渐向西移动；10—12月份锋轴线位于7—9月份东侧且随着深度变化锋轴线位置东西移动幅度不大。

图4　表层和30 m水深处锋轴线位置分布

而在水深30 m以浅锋区内等温线呈现东西走势大致与纬线平行，此时锋区形成主要是因为阿尔沃兰海内南北水团温度差异造成的。因此对锋区内锋轴线提取时依次对锋区内每条经线上绝对梯度最大值连线，如图6所示为30—200 m水层内不同季节不同深度锋轴线的对比。可以看出在3.5°—4.5°W区域内锋轴线随深度改变不大主要是位于摩洛哥和阿尔及利亚海岸附近；而在2.5°—3.5°W区域内锋轴线则更靠近西班牙海岸一侧。季节变化方面水深50 m以及100 m层2.5°—3.5°W区域内锋轴线位置季节摆动较大。

图5　50 m水深处等温线分布

图6　锋轴线分布

图7　海域水深分布

在0—200 m内盐度锋轴线分布主要是南北分布，随着深度增加逐渐向西移动，且季节之间差异不大。如图所示7为这一海域水深分布图，从图中可以看出锋轴线的位置大多位于等深线密集的区域，具有一定的相关性，如在水深600—1000 m之间等深线较密集因此3°W以东区域锋轴线大多位于这一区域。

图8　不同月份水深15 m锋强度纬度分布

图9　不同月份水深100 m锋强度分布

3.2锋轴线上锋强度变化特点

在分析温度锋轴线上强度分布特征时，选取5月、7月、9月以及11月作为研究月份，依次将不同水深各个月份锋强度分布随位置变化情况画出，以15 m和100 m水深为例（见图7、8）。由于锋轴线位置信息已经给出，所以可以用单一的经度或纬度表示锋轴线位置，其中在水深30 m以浅时，锋轴线的位置用纬度表示，在30—200 m时则用经度代表锋轴线位置。图中横坐标表示位置，纵坐标分别表示各月份强度，从图中可以看出锋轴线上强度分布特点各个月份大致相同。在30 m以浅锋轴线南北分布，锋强度较大区域主要集中在锋轴线北部区域，锋强度南北差异值不大；在30 m以深锋轴线东西分布，锋强度较大区域集中在4°—4.5°W区域以及2° W附近，锋强度东西分布不均匀，差异值较大，如7月份锋轴线上最大值2.31×10-3℃/km与最小值0.38×10-3℃/km之间相差6倍以上。此外从图7和8同样可以看出月份之间强度差异其中7月份强度在上下两层均最大。

为了探究锋强度随深度变化特点，选取2°W、3°W、4°W、4.5°W以及5°W点进行研究，以30—200 m为例，将各月份锋强度随深度变化图依次作出如图9所示。可以看出其月份之间差异特点比较明显：在5、7、11这3个月份，锋强度随深度有先增加减小的特点，最大强度对应深度在50—100 m之间，在11月份2°W附近锋强度要明显高于其它位置，这一点从图8中同样可以看出；在9月份锋强度则随深度不断降低，以4°W处锋强度为例，在50—150 m范围内锋强度由3.5×10-3℃/km减小到0.5× 10-3℃/km，变化较为剧烈。

由于盐度锋轴线常年呈南北方向分布且四季都存在，因此选取36°N与36.5°N为例画出其随深度变化曲线如图10所示。从表层到200 m水深锋强度先增加后减小，最大强度对应深度在100 m附近，100 m处强度与表层锋轴线上强度差异较大如7—9月份100 m处对应强度约为7×10-4psu/km是表层0.7×10-4psu/km的10倍差异值较大

图10　锋强度随深度的变化

4　结论

本文利用WOA13季节、月平均温盐数据，分析了阿尔沃兰海海洋锋位置分布特征以及强度分布特征，并讨论了其随季节随月份的变化特点，得到如下结论：

（1）温度锋轴线在0—30 m内成南北走势且7—9月份随着深度增加锋轴线逐渐向西偏移，10—12月份则随深度变化不大，整体来看7—9月份锋轴线较10—12月份更靠近直布罗陀海峡一侧；30—200 m内锋轴线成东西分布，其中3.5°—4.5°W区域内锋轴线靠近北非一侧，在2.5°—3.5°W内锋轴线离西班牙海岸线较近，在30—200 m水深内锋轴线随深度、随季节均有较大幅度摆动，此外锋轴线位置多位于海域等深线密集区域；

（2）温度锋强度分布特点各月份大致相似，在0—30 m内强度较大区域集中在锋轴线北侧，南北之间差异值不大；30—200 m内锋轴线上强度较大区域主要在4°—4.5°W区域以及2°W附近且锋轴线水平分布不均匀，东西差异值较大，最大值与最小值之间差异在6倍以上。锋强度随深度变化方面，强度随深度增加改变较迅速，在30—200 m水层里，除9月份强度随深度逐渐减小外，其它月份强度随深度呈现先增加后减小的特点，且最大强度对应的深度在50—100 m之间；

（3）盐度锋在各个季节均有存在，锋轴线位置分布成南北走向，7—9月份强度整体较大，强度南北分布比较均匀，强度随深度呈现先增加后减小的特点，最大强度对应深度在100 m附近且与表层强度差异值较大最大能达10倍左右。

图11　锋强度随深度的变化

参考文献：

[1] Vargas-Yáñez M, Plaza F, García-Lafuente J, et al. About the seasonal variability of the Alboran sea circulation[J]. Journal of Marine Systems, 2002, 35(3-4): 229-248.

[2] CIESM. Strategies for understanding mesoscale processes[R]. CIESM Workshop Monographs, 2005: 132.

[3] Baldacci A, Corsini G, Grasso R, et al. A study of the Alboran sea mesoscale system by means of empirical orthogonal function decomposition of satellite data[J]. Journal of Marine Systems, 2001, 29(1-4): 293-311.

[4]张永刚,焦林,张旭,等.海洋声光电波导效应及应用[M].北京:电子工业出版社, 2014: 177-178.

[5]菅永军,张杰,贾永君.海洋锋区的一种声速计算模式及其在声传播影响研究中的应用[J].海洋科学进展, 2006, 24(2): 166-172.

[6] Stevenson R E. Huelva Front and Malaga, Spain, eddy chain as defined by satellite and oceanographic data[J]. Deutsche Hydrografische Zeitschrift, 1977, 30(2): 51-53.

[7] Cheney R E. Recent observations of the Alboran sea frontal system [J]. Journal of Geophysical Research, 1978, 83(C9): 4593-4597.

[8] Boyer T, Mishonov A. World Ocean Atlas 2013[EB/OL]. http:// www.nodc.noaa.gov/OC5/indprod.html, 2014-10.

[9]张伟,曹洋,罗玉.一种基于Canny和数学形态学的海洋锋检测方法[J].海洋通报, 2014, 33(2): 199-203.

[10]薛存金,苏奋振,周军其.基于小波分析的海洋锋形态特征提取[J].海洋通报, 2007, 26(2): 20-27.

[11] Dong S F, Sprintall J, Gille S T. Location of the antarctic polar front from AMSR-E satellite sea surface temperature measurements[J]. Journal of Physical Oceanography, 2006, 36(11): 2075-2089.

Temporal and spatial climate variation characteristics of Alboran sea front

LIU Jian-bin，ZHANG Yong-gang
(Dalian Naval Academy Dalian 116018 China)

Abstract：The research of ocean fronts in Alboran Sea has high academic values and military application values. , but the knowledge about the ocean fronts is not well documented. In this paper, based on the seasonal and monthly data from WOA13 (World Ocean Atlas 2013), the variation characteristics of the frontal axis distribution and frontal axis intensity distribution in Alboran Sea, were studied. The temperature fronts were divided into two layers, 0—30m and 30—200 m two layer and the results were discussed. The results showed that the temperature frontal axis in 0—30m layer was distributed along north-south direction, while the temperature frontal axis in 30—200m was along the east-west direction. The distribution and intensity of two temperature front axis had different variation characteristics. The salinity front axis existed in four seasons and were distributed along north—south direction in 0—200 m layer, and the intensity of salinity front axis presented a characteristic which was increasing first and then decreasing with the water depth, and reached the maximum value in 100 m depth.

Key words：Alboran sea; ocean fronts; temporal and spatial variation characteristics ;WOA13

作者简介：刘建斌(1991-)，男，硕士在读，从事世界大洋中尺度海洋锋研究。E-mail：ljbliujianbin@126.com

收稿日期：2015-05-07

中图分类号：P731

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2016）01-0037-08