中国近海温度锋时空分布特征及验证

许素芹，陈 标，陶荣华，张春华，刘洪伟

（1海军潜艇学院 青岛 266042 2 北京5111信箱 北京 100094）

引 言

海洋锋一般是指性质明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带。中国大百科全书（海洋科学卷，1987）的定义：海洋锋是“特征明显不同的两种或几种水体之间的狭窄过渡带。它们可用盐度、温度、密度、速度、颜色、叶绿素等要素的水平梯度，或它们更高级的微商来描述，因此一个锋带的位置可以用一个或几个上述要素来确定”。锋面所在区域，动量、热量和水汽等的交换活跃[1]，海气相互作用对天气和气候的影响很大[2，3]，这不仅使得锋区成为海上风暴的易生区，大尺度天气和气候现象的发源地，也对局地海雾的形成有着重要影响。另外，锋区的分布与海洋生产力的分布存在紧密联系。锋面同跃层一样，能够在很大程度上影响海洋物理过程，如水声技术等，成为海洋军事学必须考虑的问题。

作为重要的中尺度现象之一，海洋锋的研究受到人们的关注和重视，并开展了一系列的调查和研究。20世纪80年代后，海洋中尺度过程的研究进入活跃时期，学者们首先从卫星图片分析入手，发展了一系列的解析模式和数值模式，探讨各类中尺度现象生成的动力过程和动力机理[4～6]。在中日黑潮合作调查期间，还专门开展了针对中尺度过程的调查研究。黄大吉等[7]在数值计算渤海的温度变化时指出在渤海内部存在着潮汐锋现象，赵保仁等[8]进一步给出了渤海的潮汐锋分布。

Zheng和Klemas[9]用多年的卫星图片发现了山东半岛沿岸锋、浙闽沿岸锋和朝鲜南部沿岸锋。刘宝银[10]早在1982年便尝试利用红外遥感资料分析东海黑潮表层温度锋。赵保仁[11，12]通过计算黄海和东海北部的层化参量，结合卫星图片和历史水文资料，给出了夏季黄海温度锋的位置。郑义芳等[13]用历史资料结合卫星图片确定了南黄海和东海北部2月份的海洋锋，并称之为黄海暖流锋。林传兰[14]通过分析1955～1983年的观测资料，给出了东海黑潮锋的多年平均位置。林敏基等[15]利用NOAA卫星的 AVHRR-SST（Advanced Very High Resolution Radiometer Sea Surface Temperature）资料分析台湾海峡1989年初冬海表温度场，通过海表温度场解析出了浙闽沿岸流、黑潮、台湾暖流、台湾浅滩上升流等主要表层流系。Lin等[16]通过分析百余张1989～1990年的AVHRR-HRPT（Advanced Very High Resolution Radiometer High Resolution Picture Transmission）图像，着重分析了台湾东北部海域的黑潮锋和冷涡。郭炳火等[17]利用20世纪80年代中期到90年代中期获得的NOAA卫星红外图像，较为系统地分析了东海黑潮锋、对马暖流锋和浙江沿岸锋的波动谱特征以及形态的演变，同时还利用浮标测流结果分析了锋面波动中的流态。汤毓祥[18，19]利用1934～1988年东海长周期水文观测资料，结合中日黑潮合作调查研究成果，较为系统地总结了东海海洋锋面的类型、分布特征和季节变异。另外，汤毓祥[20]明确指出黄、东海主要存在8个锋区。Ning等[21]用卫星海色遥感和卫星SST图片，刻画了黄、东海水团和锋面分布的大体结构。Hickox等[22]利用1985～1996年共12年的AVHRR-SST数据，对中国东海、黄海和渤海进行海表温度锋的研究，在对黑潮锋、浙闽沿岸流锋等10个海表温度锋进行研究的同时，还对锋面的季节变化做了探讨。He等[23]利用卫星SST和卫星高度计图片对中国海的中尺度现象进行了研究，确定了黄、东海主要的8个锋区。Yuan等[24]用MODIS/Terra卫星叶绿素浓度和SST图片首次报道了夏秋季浙闽沿海叶绿素浓度的跨陆架穿刺锋面，初步分析了其形成的原因。

陈俊昌[25]首先尝试应用1991～1998年红外卫星云图分析了南海北部（台湾海峡到北部湾海域）冬季存在的海洋锋。Wang和Chern[26]详细报道了冬季海峡中部东侧的准稳态的海洋锋。许建平等[27]通过1992年1月的卫星遥感图片研究了广东外海大陆架（大体沿50m等深线分布）上一显著的温度锋。洪鹰等[28]通过分析1994年8～9月在南海东北部获取的现场调查数据，指出夏季在台湾海峡南部及附近海域的陆架坡折处广泛存在表层及表层以下的锋面现象。Wang等[29]利用1991～1998年连续8年的AVHRR-SST数据，研究了南海北部海域的海表温度锋。李立[30～32]对南海海洋锋现象的研究进行了概述，并结合实测资料和卫星遥感资料，对台湾海峡南部的海洋锋现象进行了整体分析。萧屏东[33]根据CTD（Conductivity-Temperature-Depth）观测报道了1986年台湾西南海域的黑潮入侵现象。李立等[34]总结前人的结果，提出了“黑潮流套”的观点。罗琳[35]依据1991～1998年的卫星遥感海水表面温度资料，对北部湾温度锋的季节变化与年际变化规律进行了探讨。

本文主要综述近几年来国内外学者对中国近海海洋温度锋的一些研究结果，以求对中国近海，包括渤海、黄海、东海、南海北部海域海洋锋的时空分布特征有一个系统全面的认识。首先，结合已公开发表文献，对中国近海海洋锋的时空分布特征进行了概括。然后，利用2006～2012年共7年的OSTIA（Operational SST & Sea Ice Analysis）数据，分别对1～12月的锋面空间分布和锋面出现频率进行统计[36]，给出了1～12月份海洋锋的出现频率图，分析了海表温度锋的时空分布特征。

1 数据说明和算法概述

1.1 数据说明

本文所用的数据为GHRSST-PP（GODAE High-Resolution Sea Surface Temperature Pilot Project）提供的全球海面温度4级数据集OSTIA，GHRSST-PP海面温度4级数据（Level4 SSTs）为全球网格化无缝隙近实时海温数据。OSTIA数据集起始时间为1985年，其中1985～2007年数据使用实测数据、AVHRR数据、AATSR（Advanced Along-Track Scanning Radiometer）数据作为输入数据，而2006年4月以后的数据由实测数据、AVHRR数据、AMSR（Advanced Microwave Scanning Radiometer）数据、TMI（TRMM Microwave Imager）数据、AATSR数据和SEVIRI（Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager）数据等输入数据最优插值得到，输入数据使用从白天06：00世界时间开始的前后36小时区间的数据，并且去除了白天风速小于6m/s的观测值，因为风速小于6m/s的海表温度可能包含白天的海表温度升高[37]。所有卫星海表温度数据参考并结合AATSR数据和浮标实测数据调整误差，分析产品已经可以提供均方根误差小于0.6℃的近实时的高分辨率精确海表温度数据，其空间分辨率为0.05°×0.05°，时间分辨率为1d，海面温度的单位为开尔文（K），陆地或无效数据位填充为非数，即nan。

1.2 算法概述

海洋锋出现的频率图能直观地表示锋面的以下三个指标：一是研究区域内锋区的分布位置和总体形态特征；二是特定锋区的分布范围和锋面的年际变化范围；三是锋面在某地出现的稳定性。本文借鉴文献[36]的算法计算锋面出现频率图。首先，采用温度梯度法确定单帧海表SST图像的锋面，计算研究区域内各点的温度梯度，并根据经验选取某一温度梯度作为临界值，选取那些温度梯度大于临界值的点作为锋点。然后，基于各点的温度梯度计算锋点的出现频率，计算方法为：用某个网格点在2006～2012年的7年内作为有效点的次数（即此点有有效的观测数据）除其作为锋点的次数。例如，在2006～2012年的七年内一月份共有217天，点（x，y）在任一年的一月份都是有效点，若此点成为锋点共100次，那么一月份此点作为锋点的出现频率为100/217×100%=46%。

2 中国近海海洋锋时空分布特征

2.1 渤海海域海洋锋分布特征

沿岸锋和海峡锋是渤海海域存在的两种主要的海洋锋，其中沿岸锋主要分布在辽东湾东部近海[8]、辽东湾西部的六股河口近海及渤海湾口的南、北近岸水域，后者主要分布于渤海海峡和辽东湾东部近海。在渤海中部区域基本没有海洋锋出现。

利用OSTIA提供的2006～2012年全球海面温度融合数据，采用梯度阈值算法统计渤海海域海洋锋在海域各点出现的概率。图1为1～12月份渤海海表温度锋出现频率图，温度梯度阈值为0.025oC/km，图中只绘出了出现概率大于40%的海面温度锋的空间分布。可见，在冬季海洋锋基本绕渤海的边缘分布。在渤海的西北侧沿岸锋区呈东北-西南走向；在辽东湾口，锋区大致呈西北-东南走向；在渤海海峡，黄海暖流余脉暖水与渤海内冷水形成温度锋，锋区呈南北走向；渤海南岸锋区不规则地分布在沿岸海区。渤海内的锋面在2～3月份时基本消失，从4月份开始锋区重新出现，5～7月份锋面占了渤海海域的大部分，锋区位置不断变化，且分布没有规律。8月份，在渤海海峡处形成较为稳定的锋面。9月份基本没有锋面出现，10～11月份渤海沿岸锋和渤海海峡锋逐渐形成。

2.2 黄、东海海域海洋锋分布特征

黄、东海主要存在8个锋区，如图2所示，分别是黑潮锋区、浙江沿岸锋区、黄海沿岸流和黄海暖流西南边界之间的锋区、黄海暖流与朝鲜西岸沿岸流之间的锋区、对马海峡内的锋区、环绕山东半岛的沿岸锋区、长江河口锋区以及江苏沿岸和朝鲜半岛西岸的潮汐锋区[20]。

黄、东海温度锋锋面分布的季节变化明显，图3为黄海、东海1～12月份海表温度锋出现频率图（温度梯度＞0.028℃/km，出现概率＞40%）。冬、夏季海洋锋的分布状况差异较大，各具特色。春、秋多呈过渡性质。东海的浙闽沿岸锋、黑潮锋和北部陆架锋几乎终年存在，而黄海的暖流锋、底层冷水团锋和潮致陆架锋则季节性较强。

图1 渤海海域海洋锋出现频率分布图Fig.1 The oceanic front frequency in the Bohai Sea

冬季，从12月份开始到次年的2月份，黄、东海海域稳定地存在四条温度锋，即浙闽沿岸锋、黑潮锋、黄海暖流锋和东海北部陆架锋，锋面形状规则，位置固定。黑潮锋形状与黑潮路径大体一致，沿东海陆架边缘由西南向东北伸展。东海北部陆架锋位于黄、东海交汇区，与浙闽沿岸锋北端相连，大概以126.5°E为界可分为东西两段：西段锋呈东-西走向，东段锋位于济州岛南侧海域，基本为南北向。浙闽沿岸锋冬季从长江口外大致沿50m等深线向南一直延伸到台湾海峡，北端与东海北部陆架锋相连。黄海暖流锋是一个包含南北两支锋面的锋面系统，其北支锋面位于33°N～34°N之间，大体呈东西走向，南支锋面沿长江浅滩边缘，呈西北东南走向。

春季，3、4、5月份，对流锋面开始消退，沿岸冷水锋面（混合锋）开始形成，浙闽沿岸锋范围南缩，退到29oN以南海域，与长江河口锋分离。具有较高水温的海峡水与残存的陆架近底层水之间形成东海中部陆架锋，该锋以126oE为转折点，以西基本呈东-西向，126oE附近则指向东北。黄海暖流锋范围缩小到34oN以南和124oE以东，邻近济州岛附近的狭小区域内。

图2 黄海、东海锋面分布示意图Fig.2 The oceanic front in the Yellow Sea and East China Sea

夏季，黄、东海表层水温分布较均匀，黄海暖流锋基本消失，仅在黄海局部海域存在几块较孤立的冷水区，冷水的周边形成一些范围较小的锋区，比较明显的有：山东半岛东部从乳山口至成山头的外海、朝鲜湾西部海域、黑山岛近海和苏北浅滩。在整个东海北部表层温度锋仅出现小范围的浙北沿岸锋。

秋季，8、9月份，海洋锋在全年最弱，偶尔出现在苏北浅滩边缘和黄海东北岸。10月份锋面开始生成，至11月份基本形成。

2.3 南海东北部海洋锋时空分布特征

南海东北部是我国近海海洋锋多发海域，多种水系在此交汇形成复杂的锋面结构[30]。强烈的季风作用使该海域海洋锋的发育呈现显著的季节差异，而且变化更趋复杂。南海东北部主要有六个锋区：珠江口近岸锋、台湾浅滩锋、广东沿岸锋、黑潮入侵锋、海南岛东部沿岸锋和北部湾锋[29]，除台湾浅滩锋和黑潮入侵锋以外，其它几个近岸锋面基本沿50m等深线分布。南海东北部锋面分布如图4所示。

图5为南海东北部1～12月份海表温度锋出现频率图（温度梯度＞0.028℃/km，出现概率＞40%）。冬季，南海东北部6条海洋锋都较明显，广东沿岸锋和台湾海峡锋连为一体[38]，从台湾海峡北部延伸到珠江口，这条锋线是浙闽沿岸和南海公海海水的分界线。珠江口沿岸锋存在于广东沿岸锋的南端。南海东北部大多数锋面在秋天消失，只有台湾浅滩锋和黑潮入侵锋仍存在于海面以下。

春季，广东沿岸锋减弱，台湾海峡锋与广东近岸锋分离。珠江口羽状锋清晰可见，海南岛东部近岸锋北段强度减弱，南段增强，北部湾锋由于红河羽状淡水的作用强度增强，黑潮入侵锋消失。

夏季，广东沿岸锋基本消失，随着夏季季风的增强，广东沿岸水向台湾海峡方向移动，导致台湾海峡锋减弱。珠江口羽状锋仍然存在，但是由于夏季季风导致的近岸暖水向公海移动，其强度有所减弱。由于夏季海水温度的升高，海南岛东部近岸锋和北部湾锋强度也有所减弱。

3 结束语

本文根据现有的文献资料数据，对我国周边海域海洋锋的分布活动情况进行了分析总结，对渤海、黄海、东海、南海北部海洋锋的空间和时间特征做了系统的总结。本文以卫星遥感海面数据为基础，利用长时间序列的OSTIA全球海面温度数据对中国近海的海洋锋面出现频率进行统计，对海上捕捞、搜救、安全航行、海底管道布设及军事方面具有重要的参考价值。由于夏季海面温度分布均匀，难以从温度遥感数据统计得到夏季热带海区海洋锋的时空分布特征，因此海温和水色相结合是海洋锋研究的新方向。

图3 黄海、东海锋面出现频率分布图Fig.3 The oceanic front frequency in the Yellow Sea and East China Sea

图4 南海东北部锋面分布示意图（1991～1998年）[29]Fig.4 The oceanic front in the northeast South China Sea（1991～1998）

图5 南海东北部锋面出现频率分布图Fig.5 The oceanic front frequency in the northeast South China Sea

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