西-亚北极锋季节及年际特征分析

朱科澜，陈希，毛科峰，王彦磊，张芳苒，白志鹏，姚小海

（1.中国人民解放军61741 部队，北京 100081；2.国防科技大学 气象海洋学院，江苏 南京 211101）

亚北极锋（The Subarctic Front，下文简称SAF）（Sugimoto et al，2014；Kitano，1975；Uda，1963；Roden et al，1988） 是黑潮延伸体北支（KFNB）与亲潮（OY）交汇形成的锋面，是西北太平洋永久存在的热盐结构（Yuan et al，1996），主要表现为位于40°N附近的强海表面温度（SST） 梯度（Sugimoto et al，2014）。Sugimoto 等（2014）发现SAF 长期存在东、西两个锋面，将位于146°F-152°F，162°F-171°F 之间的SAF 分别定义为西-亚北极锋（Western Subarctic Front，WSAF）和东-亚北极锋（Fastern Subarctic Front，FSAF）。

SAF 影响着周边海域乃至西北太平洋水体性质，其使南向的亲潮流在40°N处转向为东向流（Reid，1973），并在锋区附近形成了广泛分布于西北太平洋的北太平洋中层水（North Pacific Intermediate Water， NPIW） （Hasunuma， 1978；Masujima et al，2009）。此外，SAF 强度与位置的季节变化对该海域的海洋动力环境和海气相互作用还有重要影响。Nakamura 等（1997；2003）的研究表明，SAF 区域的SST 异常变化较大，以10 年周期为主，低频的SST 变化与SAF 南北移动有关（Nakamura et al，2003；Frankignoul et al，2012）；Frankignoul 等（2012）研究发现，SAF 南北移动的周期主要为10 年的时间尺度，并指出这是由于海盆尺度的海面风变化调整了海洋动力机制所致。

图1 西北太平洋35 年平均SST 梯度分布

近年来，利用新资料的SAF 气候特征研究较少，基于此，本文选用1982-2016 年连续OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，AVHRR-only product） （Reynolds et al，2007） 资料计算西北太平洋SST 梯度分布，分析SAF 气候特征。结果表明，SAF 位于143°F-172°F，38°N-44°N之间，从157°F 处分为东西两部分，西部锋区明显强于东部锋区，且南北跨度更大（图1）。

对于不同季节，SAF 春夏秋冬四季均存在东、西两支锋区（图2），且差异较显著：冬季SAF 强度显著高于其他季节，纬度跨度最小，分布位置最偏南，经度跨度大；夏季SAF 强度在四个季节中最弱，纬度跨度最大，分布位置最偏北，经度跨度较小；春、秋两季SAF 强度相当，低于冬季，显著高于夏季。

SAF 海区稳定存在着WSAF 和FSAF，WSAF强度显著高于FSAF，延伸范围更广；同时，WSAF 位于黑潮-亲潮交汇区（The Kuroshio-Oy ashio Confluence Region， KOCR） （Mitsudera et al，2004；Sugimoto et al，2014）邻近海域，该海区海气相互作用强，对气候调节意义重大，并且与北太平洋中层水的形成密切相关；此外，WSAF 及邻近海区位于日本以东，了解该海区的水文环境特征具有重要的战略意义，因此，研究WSAF 及邻近海域意义重大。

目前，国内外关于WSAF 强度与位置的季节变化的研究还相对较少，海洋遥感资料数量的增加和分辨率的提高，为开展这方面的研究提供了条件。为此，本文开展了不同季节的WSAF 强度与位置的变化特征分析，初步探讨不同季节WSAF强度与KOCR 水体性质的关系以及不同季节WSAF强度年际变化与KOCR 内海温的关系。

1 数据及方法介绍

本文选用连续35 年（1982-2016 年) OISST 日平均资料，时间分辨率为1 天，水平空间分辨率为0.25°），采用梯度法（Yuan et al，1996；Moore et al，1997；刘传玉等，2009）获取锋面的位置与强度，温度梯度计算公式如下：

式中，GMT为温度梯度，T 为海水温度。采用梯度法直接计算的梯度值易受数据精度和误差的影响，为突出大尺度SAF 变化特征，这里分别对纬向和经向的温度数据采用50 km、100 km 尺度的平滑以去除中小尺度过程的影响。

图2 西北太平洋季节平均SST 梯度分布

为了表征WSAF 强度与位置的变化特征，WSAF特征强度采用Sugimoto 等（2014） 提出的方法，将37°N-45°N，146°F-152°F 之间的最大水平温度梯度作为WSAF 强度值。对于WSAF 平均位置的确定，Sugimoto 等人将最大水平温度梯度所在的纬度作为WSAF 的平均位置。但考虑到WSAF 自西向东锋面逐渐北移，直接选取最大水平温度梯度作为WSAF 的平均位置并不能较好地描述WSAF 的实际分布，我们在平均位置选取方法上进行了改进：先获取37°N-45°N，146°F-152°F 范围内每个经度对应的最大水平温度梯度值的纬度，然后将得到的纬度值平均后作为WSAF 的平均位置，这样选取的WSAF 平均位置更能凸显不同季节WSAF的分布特征。

2 结果

2.1 WSAF 强度的季节变化特征

基于35 年不同季节WSAF 强度数据，分析各季节WSAF 强度年变化特征，结果表明，WSAF 冬季强度最大、春秋次之，夏季最小，春夏秋冬平均强度分别为0.042、0.029、0.041、0.047 ℃/km（图3a）；同时，WSAF 各季节35 年最大强度与最小强度之差依次为0.031、0.02、0.027、0.036 ℃/km，也表现出冬季最大，春秋次之，夏季最小的特征。

从时间上看，1982—2016 年，WSAF 强度逐渐升高（图3a、3c），其在2005—2007 年增幅最大，约0.015°C/km，使2007 年后的锋强度显著高于之前的年份（图3a、3c）。不同季节WSAF 强度分别在2016（春）、2015（夏）、2016（秋）、2015（冬） 年达到了最大值，分别为0.065、0.043、0.058、0.069°C/km；春夏秋冬WSAF 强度分别在2003、1993、1993、1991 年最小，分别为0.034、0.023、0.031、0.033°C/km，详细可见表1。

从空间上看，146°F-152°F，各季节WSAF 强度先增加后减小，最大锋面强度出现在149°F 附近（图3b、3d）。不同季节WSAF 强度经向分布表明（图3b），各季节最大强度值分别位于149.2°F、149.3°F、149.2°F 和148.7°F 处。

为深入分析35 年不同季节WSAF 强度变化规律，通过最大熵谱法分析了各季节35 年WSAF 强度变化周期，各季节强度变化周期表明（图4a），春季WSAF 强度变化以12 年周期为主，夏季以3、7 年周期为主，秋季以准9 年周期为主，冬季以8年周期为主（表1）。

图3 WSAF 强度季节变化（a）与不同季节WSAF 强度空间分布（纬向） （b）WSAF 强度月变化（c）与不同月WSAF 强度空间分布（纬向） （d）

表1 1982-2016 年不同季节WSAF 强度与变化周期

2.2 WSAF 平均位置的季节变化特征

基于35 年不同季节WSAF 平均纬度数据，分析各季节WSAF 平均位置年变化特征，结果表明，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 年平均分布纬度分别为40.7°N、41.5°N、40.6°N、40.3°N（图5a）；同时，WSAF 各季节35 年最高纬度与最低纬度之差依次为2.2、3.2、1.8、0.6°，也表现出夏季最大，春秋次之，冬季最小的特征。

从时间上看，1982—2016 年，WSAF 位置缓慢南移（图5a、5c），年平均纬度由40.3°N降至40°N，其在1992—1995 年的减幅最大，约0.5°N（图5a、5c）。春夏秋冬WSAF 分别在2000、1992、1989、1997 年分布最偏北，各季节对应的最高纬度分别为41.9°N、43.3°N、41.6°N、41.2°N；春夏秋冬WSAF 分别在2011、1995、2003、1997 分布最偏南，各季节对应的最低纬度分别为39.7°N、40.1°N、39.8°N、39.6°N，详细可见表2。

从空间上来看，146°-152°F，各季节WSAF分布纬度逐渐北移（图5b、5d）。不同季节WSAF平均纬度的经向分布表明（图5b），春夏秋冬WSAF 在146°F 处平均纬度依次位于40.1°N、41.4°N、40.7°N 和39.8°N，随着经度值增加，到152°F 处，春夏秋冬WSAF 平均纬度依次位于41.6°N、42.3°N、41.5°N 和41.3°N 处。

图4 WSAF 强度（a）与平均位置（b）季节变化的最大熵谱分析

表2 1982—2016 年不同季节WSAF 位置分布与变化周期

图5 WSAF 平均位置（a）季节变化与不同季节WSAF 平均位置（b）空间分布（纬向）WSAF 平均位置（c）月变化与不同月WSAF 平均位置（d）空间分布（纬向）

为深入分析35 年不同季节WSAF 位置变化规律，通过最大熵谱法分析了各季节35 年WSAF 平均位置变化周期，各季节平均位置变化周期表明（图4b），春季WSAF 平均位置变化以4、8 年周期为主，夏季以4、6、8 年周期为主，秋季以2、5、15 年周期为主，冬季以13、21 年周期为主（表2）。

3 讨论

3.1 不同季节WSAF 强度与KOCR 水体性质的关系

黑潮延伸体、亲潮两支水团差异明显，受季节影响大，WSAF 在强度上有冬强夏弱，分布位置上有冬南夏北的特征，这种变化是由于KOCR 内不同季节水体温度差异所造成的。对于KOCR 海区水体性质对WSAF 的影响，Sugimoto 等（2014）计算了KOCR（这里特指KOCR 中37°N-40°N，146°F-152°F 的区域） （Mitsudera et al，2004；Sugimoto et al，2014）内，WSAF 年平均下强锋年与弱锋年的混合率，发现在强锋年交汇区内水体性质更接近于黑潮延伸体，弱锋年交汇区内黑潮延伸体特性不显著。

不同季节WSAF 强度与KOCR 水体性质的关系目前还没有研究成果，为分析这种关系，本文通过计算不同季节的黑潮-亲潮混合率（下文简称混合率） （Kono，1998；Shimizu et al，2001），并以70%混合率等值线为例（Sugimoto et al，2014）进行研究，混合率计算公式为：

图6 WSAF 周边海域年平均海面黑潮混合率（颜色图）分布

式中，rθ为温度混合率，rθ数值越高，表明KOCR内水体性质越接近黑潮延伸体特性，反之，水体性质越接近亲潮；θ 为研究海区的海表面温度，θk为海面黑潮水温度，通过对141°F-141.5°F，34.5°N-35°N海区温度平均得到，海面亲潮水温度θo通过对147.5°F-148°F，43°N-43.5°N 海区温度平均得到（Sugimoto et al，2014）。

不同季节混合率计算结果表明，春夏秋冬KOCR 内平均混合率分别为63%、71%、65%和55%；70%混合率等值线分别位于37.5°N、38.5°N、37.6°N 和37°N 附近（图6）。在WSAF 强度弱，平均位置偏北的夏季，KOCR 内平均混合率高，交汇区内水体性质接近于黑潮延伸体；而在WSAF 强度高，平均位置偏南的冬季，交汇区内平均混合率偏低，亲潮水在KOCR 内所占比例显著提高。

混合率变化直观反映了KOCR 水体性质变化。在冬季，KOCR 邻近海温较低，温度均一的亲潮冷水舌向南入侵十分明显，而黑潮延伸体主轴（15°C等温线） （Kawai，1972） 南移至37°N 附近（图2a），冷暖水强烈对峙使38°N-43°N之间的梯度异常大，在亲潮冷水舌的外沿形成了较强的WSAF。夏季，海面净热通量、黑潮延伸体路径的变化使42°N以南水体基本都高于15°C，体现出强烈的黑潮延伸体性质；亲潮冷水舌受太阳辐射以及黑潮延伸体影响，增温显著（图2），温度梯度减小，并被向西压缩至日本沿岸一侧，导致了夏季WSAF强度弱，分布较偏北偏西的特征。

此外，黑潮延伸体脱落的涡旋或许也是改变KOCR 及邻近海域水体性质的重要因素。多个研究表明，涡旋携带黑潮水进入KOCR （Itoh et al，2010），从而影响KOCR 的水体性质，这些涡旋主要由黑潮延伸体路径不稳定性（Sugimoto et al，2011；Qiu et al，2010；Xu et al，2011） 所产生。夏季是黑潮延伸体海区涡旋活动最强的季节（胡冬臣等，2018），反气旋涡源源不断地将暖水携带至北侧（张笑等，2013）的KOCR 中，致使该海区迅速增温并进一步侵蚀亲潮水团，稀释冷水，减弱了WSAF 强度。

因此，海面净热通量、黑潮延伸体路径变化以及黑潮延伸体涡旋等的作用改变了KOCR 海区水体性质，使海温分布发生较大改变，最终导致了不同季节WSAF 强度、位置的变化，直观表现为：KOCR 内水体性质接近黑潮延伸体时，WSAF 强度小，锋面分布偏北；KOCR 内亲潮水所占比例增加，交汇区内黑潮延伸体特性不显著时，WSAF 强度大，锋面分布位置偏南。

3.2 不同季节WSAF 强度年际变化与KOCR 内海温的关系

WSAF 强度季节变化与KOCR 内海温密不可分，但不同季节内WSAF 强度年际变化与KOCR内海温关系尚不明确。为了解是否与WSAF 强度季节变化有类似特征，将KOCR 内春、夏、秋、冬季SST 进行FOF 分解，选取最能反映各季节海温变化的第一模态时间系数（图7，均通过North显著性检验） （North et al，1982），并以之计算与各季节WSAF 强度的相关系数（表3），结果表明，各季节内WSAF 年际变化与KOCR 内海温相关性并不显著，除冬季外，其他三个季节都呈负相关关系，直接表现为：春、夏、秋三个季节，随着KOCR 内海温升高，WSAF 强度减弱，而冬季WSAF 强度随之升高而增强。该结果反映出不同季节内WSAF 强度年际变化与WSAF 强度季节变化特征差异显著。

此外，各季节方差贡献率同第一模态时间系数与WSAF 强度的相关系数以及变化周期还存在某种关联，根据表3，方差贡献率最高的夏季，海温变化与WSAF 强度呈相对显著的负相关性；对于其他季节，随着方差贡献率的降低，海温变化与WSAF 强度的负相关性减弱，方差贡献率最低的冬季，相关性变为28%；关于海温变化周期，仅冬季与WSAF 强度周期较一致。这种现象的出现可能与各季节第一模态方差贡献率有关，方差贡献率越大，越能反映海温的真实变化，且引起变化的因素越单一，反之，引起海温变化的因素越复杂。更深层次的原因可作为以后研究的重点方向。

表3 1982-2016 年不同季节KOCR 内SST EOF 分析第一模态时间系数部分信息

总之，各季节内WSAF 年际变化与KOCR 内海温相关性不显著，不同季节特征区别明显，不同季节内WSAF 强度年际变化与WSAF 强度季节变化特征差异显著。

图7 KOCR 内SST EOF 分析第一模态时间系数

4 结论

本文基于OISST 资料，采用梯度法分析了WSAF 强度与位置的季节及年际变化特征，计算了黑潮-亲潮混合率，探讨了WSAF 强度变化与KOCR 内水体性质的关系，并利用FOF 分析探寻了WSAF 强度年际变化与KOCR 内海温的关系，得到以下结论：

（1） WSAF 位于146°F-152°F，37°N-45°N，冬季WSAF 强度、强度变化最大，平均位置最靠南、位置变化最小；夏季WSAF 强度、强度变化最小，平均位置最靠北、位置变化最大；在时间上，1982-2016 年，WSAF 强度逐渐增强，WSAF平均分布位置逐渐缓慢南移；在空间上，各季节WSAF 强度最大值位于149°F 附近，WSAF 平均位置自西向东不断北移。

（2）根据混合率的计算结果，KOCR 内水体性质接质接近黑潮延伸体时，WSAF 强度小，锋面分布偏北；KOCR 内亲潮水所占比例增加，交汇区内黑潮延伸体特性不显著时，WSAF 强度大，锋面分布位置偏南；不同季节水体性质改变的主要原因是海面净热通量、黑潮延伸体路径变化以及黑潮延伸体涡旋等的作用。不同季节内WSAF 强度年际变化与WSAF 强度季节变化特征差异显著，各季节内WSAF 年际变化与KOCR 内海温相关性不显著，春、夏、秋季，随着KOCR 内海温升高，WSAF 强度减弱，而冬季WSAF 强度随KOCR 内海温升高而增强。