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基于WOA13数据的赤道大西洋海区温度锋的时空分布特征分析

2017-11-13刘鹏张永刚刘建斌

海洋预报 2017年5期
关键词:锋面经度赤道

刘鹏,张永刚,刘建斌

(1.海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;2.海军航空兵胶州场站气象台,山东青岛266300)

基于WOA13数据的赤道大西洋海区温度锋的时空分布特征分析

刘鹏1,张永刚1,刘建斌2

(1.海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;2.海军航空兵胶州场站气象台,山东青岛266300)

基于WOA13多年的气候态数据,研究了赤道大西洋海区南北两个温度锋面及其锋强的时空分布特征:北部锋主要存在于夏秋两季,夏季锋强度最大,锋面分布在0~200 m水深;南部锋全年都有存在,春季锋强最大,锋面分布于0~250 m水深。对比两个锋面处的声速剖面,能明显看出在北部锋存在海域,锋强大的夏秋两季与锋强小的冬春两季对声速剖面影响不同,而南部锋在锋面存在深度,声速在各季随深度的变化较一致。

WOA13;赤道大西洋;温度锋;时空分布

1 引言

由于大西洋存在很强的季节性循环,因此它是研究热带海洋季节性反应的主要海域[1]。热带大西洋位于非洲和南美洲大陆之间,海盆宽度明显小于太平洋,热带辐合带从中部横穿大西洋,热带辐合带随季节南北移动导致热带大西洋在赤道附近季节性波动明显[2]。随着国际交往的日益增多,航渡大西洋已日渐频繁,这对全球水文气象保障特别是重点航线保障的要求越来越高,但人们对热带大西洋海域的水文环境了解甚少,因此有必要加强对该海域的研究。热带大西洋地区,赤道流系复杂,导致了该海区复杂的水文环境。以往对该海域的研究只是针对于其表层环流、SST(Sea Surface Temperature)、海表盐度等水文要素,对海洋锋的研究较少。如姜华对热带大西洋的海表潜热和感热通量的季节和年际变化进行了研究[3];邱云等对热带大西洋表层环流及其月变化特征进行了研究[4],发现热带大西洋表层环流中高纬度海区流速较小,赤道附近流速较大;Tzortzi等[5]基于SMOS(Soil Moisture and Ocean Salinity)和Aquarius卫星数据对赤道大西洋海域的海表盐度在时空尺度上的变化进行了研究。本文通过对WOA13(World Ocean Atlas2013)数据进行处理,研究分析了大西洋赤道南北两侧海区的温度锋的时空分布特征。

海洋锋一般是指特性明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带。狭义而言,有人将其定义为水团之间的边界线。广义地说,可泛指任一种海洋环境参数的跃变带,因而出现了诸如水温锋、盐度锋、密度锋、声速锋、水色锋、透明度锋,以及海水化学、生物等等要素的海洋锋的称谓[6]。Cheney等[7]根据锋面两侧声速变化、混合层深度变化、锋面延伸的深度以及持续时间等因素将全球海洋锋分为了较强、中等、较弱3个等级,并将全球主要海洋锋面总结成了43个,本文所研究的即为大西洋赤道海域的两个锋面。针对海洋锋的提取与分析,前人也做过很多研究,如张伟等[8]用一种基于Canny和数学形态学的对海洋锋进行检测,薛存金等[9]用基于小波分析对海洋锋形态特征进行提取。但大多数的都只是通过处理卫星遥感数据分析海表面的海洋锋,而且其中有的方法过于复杂且得出来的锋面并不是很准确,本文则主要是对热带大西洋地区的三维结构的温度锋进行了提取分析,揭示了该地区的温度锋时空分布特征、锋强度分布特征。对于这一海域的海洋锋,国内研究较少,本文旨在通过对该海域的海洋锋的分析研究,为以后开展大西洋赤道地区海洋锋形成机制、锋区对海洋环境和生态环境影响等研究工作提供基础。

图1 大西洋赤道海区地理位置分布情况

2 资料及方法

2.1 资料

本文采用的是来自美国国家海洋大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)的国家海洋数据中心海洋气象实验室的海洋气候态数据集产品WOA13数据(https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/woa13data.html)。该数据包含了全球从1955—2012年的温度、盐度、溶解氧、磷酸盐、硅酸盐等海洋要素数据,时间上分为年平均、季节平均、月平均数据,空间分辨率有5°、1°、1/4°等3种,在深度上,利用内插值的方法,从表层到最大深度5 500 m分为了102层,其中0~100 m每5 m一层,100~500 m每25 m一层,500~2 000 m每50 m一层,2 000~5 500 m每100 m一层。

本文选用的是1955—2012年的季度平均的1/4°分辨率的气候态温盐数据。需要说明的是,WOA13数据是平均格点化的插值数据,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,随季节变化的规律等。

2.2 方法介绍

以往对于海洋锋的提取有着各种各样的方法,但这些方法都比较繁琐而且计算量较大,并且大多数是利用遥感数据分析海表面温盐场的锋面分布特征。刘建斌等[10]也在分析阿尔沃兰海海洋锋时用此方法提取了锋面并且分析了其时空分布特征。因此本文参考了上述方法,对赤道太平洋海区的两个锋面进行了提取分析。其中绝对梯度的定义为:

本文用的是绝对梯度,是某个点在4个方向上(北-南、东-西、东北-西南、西北-东南)的梯度的总和,而不是某个单独方向上的梯度,其中两点之间距离为0.25°(经/纬度)。本文所研究的大西洋赤道地区的锋面是东西走向的锋,因此先求得海表面上每个点的绝对梯度,然后确定同一经度上绝对梯度最大值的位置及大小,其中绝对梯度值单位为°C/14 nmile。

目前,海洋锋强弱的定量指标海洋学界尚未定论,区别锋强度大小级别的方法有多种,不同的作者常以不同参数为对象,而且往往以特定的海域为背景。李凤岐等[11]给出了中国海域温度锋面的最低标准为东海海区的0.05℃/nmile;Cheney等[7]根据锋面两侧声速变化、混合层深度变化、锋面延伸的深度以及持续时间等因素将全球海洋锋分为了较强、中等、较弱3个等级,相对应的垂直于锋面的声速改变量(Δc/(ft/s))分别为>100、50~100、<50,声层深度改变量(Δz/ft)分别为>500、100~500、<100,锋面延伸的深度(z/ft)分别为>3 000、300~3 000、<300。本文考虑到WOA13为格点化平均数据,在计算锋强度时采用绝对梯度的方法使得到的锋强度值要低于实测数据值,并结合该海区的平均绝对温度梯度,将温度锋强分为弱、中、强个不同的级别,分别为0.1~0.4℃/14 nmile、0.4~0.7℃/14 nmile、>0.7℃/14 nmile,从而得到不同强度的锋轴线。

需要说明的是,本文所用的WOA13数据是平均格点化的气候态的插值数据,因此数据对某些年份的特殊情况可能分析不足,而且数据之间的分辨率较低导致在表现海洋锋强度上要比实际值要低。但是WOA13数据在表现锋面、锋轴线和锋强度的时空分布的一般规律上具有较好的效果,因此本文用该数据进行锋面分析是比较合理的。

3 结果分析

画出大西洋赤道地区(12°N~12°S)4个不同季度由表层至1 000 m深的各层的等温线图。以水深40 m和60 m处的四季等温线(见图2、3)为例,图中等温线密集的区域,即冷暖水团的过渡带,就是温度锋存在的区域。由图可见,在赤道南北两侧各有一个锋面存在(图中黑色长方形框出区域)。

由图2、3可以看出,西海岸的温度较东海岸高,从40 m水深开始,赤道东海岸海水温度开始降低,随水深增加,低温水逐渐向西扩散,与南北两侧的温度差异较大,从而在赤道南北各形成一个具有较大温度梯度的锋面,为了更直观的了解锋面的时空分布,作出温度绝对梯度图。

3.1 北部锋

3.1.1 锋面位置分布

画出该海域四季的、由海表面至500 m水深的各层的温度绝对梯度,温度绝对梯度值就是锋强度值,其中 1—3月为冬季,4—6月为春季,7—9月为夏季,10—12月为秋季。如图4、5分别为水深60 m和125 m处的四季温度梯度,由图可见:时间分布上,锋面全年均有存在,但是夏秋两季锋面分布范围更广,强度更大;水平方向上,锋面沿纬向分布,大致分布范围在纬度3°~9°N之间;垂直方向上,锋面主要存在于30~200 m水深之间,由浅至深锋面逐渐从几内亚湾沿岸地区向西移动到南美洲的圭亚那沿岸。

图2 水深40 m处等温线水平分布

图3 水深60 m处等温线水平分

图4 水深60 m处赤道北部温度梯度

图5 水深125 m处赤道北部温度梯度图

图6 水深40 m处锋轴线

3.1.2 锋轴线分布

将北部锋轴面的0~500 m水深的温度梯度最大值连成线,提取出圭亚那流锋面的锋轴线。在提取的同时,将不同强度的锋轴线用不同颜色的线来表示,如图6、7分别为水深40 m和125 m处的四季锋轴线,其中蓝线、红线、黑线分别代表锋强度为0.1~0.4℃/14 nmile、0.4~0.7℃/14 nmile和>0.7℃/14 nmile等弱、中、强级别的锋轴线,通过这种方法就能更直观的看出锋轴线位置及不同位置处锋强度的大小。由图可见:水深20~50 m处锋轴线主要存在于几内亚湾沿岸地区,锋轴线呈东西走向,与海岸线分布趋势较为一致,但是锋轴线分布南北波动较频繁,锋强最大地区主要集中在7°W、5°N附近海区,该区域比较靠近沿岸,沿岸地区复杂的海底地形环境及海流对其有着重要影响;水深50~200 m处,锋轴线随深度逐渐向西移动到圭亚那沿岸地区,越靠近圭亚那沿岸,锋轴线的强度越大,其中锋强较大的锋轴线主要存在于秋季的水深90~150 m、40°~45°W附近海区。

图7 水深125 m处锋轴线

图8 四季锋强度断面

3.1.3 锋强度分布

画出锋轴线的锋强度断面图,因为锋轴线是提取每一经度上的最大梯度值,锋轴线上的每个点的经度都有对应的纬度,因此用经度代表锋轴线的位置。如图8所示为四季锋轴线的锋强度断面图,其中横轴为经度(60°W~20°E),纵轴为深度(0~500 m)。由图可见:夏秋两季的锋强大于冬春两季,四季锋强极大值出现在夏季,为1.4℃/14 nmile,比春季的锋强极大值0.7℃/14 nmile要大两倍;相比其他三季,秋季锋面最为连续稳定,春季锋面最弱;锋强较大的锋面主要集中在50°W~30°W、水深75~200 m,以及18°W~0°、水深20~70 m这两个区域,锋强由浅至深大体呈先增后减的变化。其中50°~30°W锋面锋强极大值在150 m水深经度44°W附近;15°W~0°锋面锋强极大值在40 m水深经度5°W附近。

图9 50 m水深四季温度梯度图

图10 125 m水深四季温度梯度图

3.2 南部锋

3.2.1 锋面位置分布

根据同样的方法作出大西洋赤道南部海区水深0~500 m的四季温度梯度图,如图9、10分别为水深50 m和125 m处的四季温度梯度图,由于该锋面在南半球,因此1—3月为夏季,4—6月为秋季,7—9月为冬季,10—12月为春季。由图可见:时间分布上,锋面全年均存在,秋季(此海区属于南半球)锋面最强,春季最弱;水平方向上,锋面沿纬向分布,大致分布范围在纬度3°~6°S之间,水深30~60 m之间0°以东部分存在一个西北-东南走向的弱封面;垂直方向上,锋面主要存在于30~250 m水深之间,由浅至深锋面从0°~20°W这一区域逐渐西移到巴西东北角沿岸海区。

3.2.2 锋轴线分布

类似的,依次提取南部锋面水深0~500 m处的锋轴线,并将不同锋强度的锋轴线用不同颜色的线来表示,如图11、12分别为水深50 m和125 m处的四季锋轴线图。由图可见:四季锋轴线走向大体一致,且比北部锋轴线更为平缓稳定,大致分布范围在4°~5°S附近;水深45~70 m之间,在秋冬两季,0°经线附近存在一个西北-东南走向的强度较弱的锋轴线;整个锋区锋强较大的锋轴线主要集中在东部的0°~10°W附近,随着水深增加,锋强较大的锋轴线逐渐西移,到250 m水深处,锋强较大的锋轴线主要集中在巴西沿岸35°W附近;其中锋强最大的锋轴线存在于水深80~90 m之间、25°W和30°W两处海区。

图11 水深50m处锋轴线

图12 水深125 m处锋轴线

3.2.3 锋强度分布

同样作出南部锋强度断面图,由图13可见:时间分布上,四季的锋轴面的分布趋势大体一致,秋季锋面最强,春季最弱;空间分布上,锋面由西向东呈上倾的趋势,主要存在于0°~40°W、水深30~250 m之间,且锋面较为稳定,全年都存在,在35°W处,锋面可延伸至水深400 m附近,每个季节的最大锋强均存在于35°W、150 m水深处;此外,在垂直方向上,由浅至深锋强均呈现先增后减的趋势,同一经度上最小温度梯度和最大温度梯度可能相差10倍甚至更多,由此产生的密度断面,对于水下的潜艇活动极为不利。

3.3 声速剖面分析

结合大西洋赤道海域的温盐数据,将北部锋及南部锋的声速剖面图分别画出。其中北部锋选取了水深0~1 000 m、30.125°W处锋面及其南北两侧的声速剖面,此外还选取了同纬度上20.125°W处的声速剖面,如图14所示为北部锋四季的声速剖面图,由图可见:在锋强大的夏秋两季,声速剖面明显不同于锋强小的冬春两季。冬春两季,同一经度上的声速剖面,水深0~70 m处由南往北声速逐渐减小,70~400 m水深由南往北声速大小较接近,400 m以深由南往北声速逐渐增大;不同经度的声速剖面,水深0~20 m处30.125°W处的声速小于20.125°W处的声速,水深20~150 m处30.125°W处的声速大于20.125°W处的声速,水深150~500 m处30.125°W处的声速小于20.125°W处的声速,500 m以深两处声速大小一样。夏秋两季,同一经度上的声速剖面,水深0~20 m由南往北声速较接近,水深20~400 m处由南往北声速逐渐减小,400 m以深由南往北声速逐渐增大;不同经度上,水深0~150 m处30.125°W处的声速大于20.125°W处的声速,150~500 m处30.125°W处的声速小于20.125°W处的声速,500 m以深两处声速趋于一致。

图13 四季锋强度断面

南部锋面则选取了0~1 000 m水深在20.125°W锋面及其南北两侧的声速剖面,此外还选取了同纬度上10.125°W处的声速剖面,如图15所示为四季的声速剖面图。由图可见:南部锋四季的声速剖面分布规律较为一致,但是1—6月比7—12月的海表声速稍大。同一经度上,水深0~200 m处声速由南往北逐渐减小,水深200~500 m处声速由南往北逐渐增大,500 m以深声速大小趋于一致;同一纬度上,水深0~200 m处10.125°W处的声速小于20.125°W处,200 m以深两个经度处的声速趋于一致。

4 结论

通过对大西洋赤道海区的南北两个温度锋的三维结构、锋强度分布以及声速剖面的分析,得出以下结论:

(1)南北两个温度锋面均沿纬向分布,全年均有存在。北部锋在夏秋两季锋面强度更大,分布范围更广,南部锋面四季强度均较大且分布较为稳定。垂直方向上,北部锋主要存在于30~200 m水深之间,南部锋主要存在于30~250 m水深之间,两个锋面由浅至深均逐渐向西移动;

(2)北部锋在夏秋两季锋轴线分布更为稳定,范围更广,夏季锋强度较大的锋轴线分布最广,锋轴线随水深增加逐渐西移。南部锋的全年的锋轴线走向大体一致,且比北部锋轴线更为平缓稳定,大致分布范围在5°S附近,春季的锋轴线线上的锋强度最大,锋轴线随水深增加也逐渐西移;

(3)北部锋的锋强度最大位置出现在夏季,其次是秋季,冬春两季锋强度较小,四季的锋强度断面图四季的变化趋势基本一致,其中锋强较大的锋面主要集中在50°~30°W和15°W~0°这两个区域,在这两个区域的锋强由浅至深均呈现先增后减的变化。南部锋面自西向东成上倾趋势,主要存在于0°~40°W、水深30~250 m之间,每个季节的最大锋强均存在于35°W、150 m水深处;

图14 北部锋四季声速剖面

(4)南北两个锋面的声速剖面也存在差异:北部锋在锋强大的夏秋两季,声速剖面明显不同于锋强小的冬春两季:冬春两季在锋面存在的70~400 m水深由南往北声速大小较接近;不同经度的声速剖面,声速差异集中在水深500 m以内;夏秋两季,在锋面存在的水深20~400 m处由南往北声速逐渐减小;不同经度上,水深0~150m处30°W处的声速大于20°W处的声速,水深150~500 m处30°W处的声速小于20°W处的声速,500 m以深两处声速趋于一致。南部锋四季的声速剖面分布规律较为一致,1—6月比7—12月的海表声速稍大,同一经度上,水深200 m以浅和以深,声速由南往北分别呈增大和减小趋势,500 m以深声速大小趋于一致;不同经度处,声速差异主要集中在200 m以内。

图15 南部锋四季声速剖面

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Temporal and spatial distribution characteristics of temperature front in the equatorial Atlantic based on WOA13 data

LIU Peng1,ZHANG Yong-gang1,LIU Jian-bin2
(1.Dalian Naval Academy,Dalian 116018 China;2.Meteorological Observatory of the Jiaozhou Station,Naval Air force,Qingdao 266300 China)

Based on the WOA13 data,the temporal and spatial distribution characteristics of two temperature fronts and front intensity in the equatorial Atlantic are analyzed.The results show that,the northern front mainly exists in summer and autumn,with a maximum strength in summer,and the northern front mainly distributes in the depth of 0~200 m.The southern front exists throughout the year with a maximum intensity in spring,and front mainly distributes in the depth of 0~250 m.Compared the sound velocity profile of the two front,the result show that the effect of the northern front in summer and autumn on the sound velocity profile is different from the effect of the northern front in spring and winter,and at the depth of the southern front,sound velocity profile changes with the depth is almost same in every season.

WOA13;equatorial atlantic;temperature front;temporal and spatial distribution

P731.11

A

1003-0239(2017)05-0047-11

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.05.005

2017-03-07;

2017-04-12。

刘鹏(1993-),男,硕士在读,主要从事世界大洋海洋锋面研究。E-mail:515540650@qq.com

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