2024, Vol. 48
文章信息
- 刘腾, 李淑江, 侯华千, 李颖, 杨兵, 孙伟富, 王冠琳, 梁冠辉, 滕飞. 2024.
- LIU Teng, LI Shujiang, HOU Huaqian, LI Ying, YANG Bing, SUN Weifu, WANG Guanlin, LIANG Guanhui, TENG Fei. 2024.
- 琼东温度锋面的季节和年际变化特征规律
- Seasonal and interannual variation characteristics of Qiongdong thermal front
- 海洋科学, 48(12): 13-26
- Marine Sciences, 48(12): 13-26.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20231113003
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文章历史
- 收稿日期：2023-11-13
- 修回日期：2024-02-26
2. 自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061;
3. 山东省海洋环境科学与数值模拟重点实验室, 山东 青岛 266061;
4. 青岛海洋科学与技术试点国家实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室, 山东 青岛 266061;
5. 中国科学院海洋研究所, 山东 青岛 266071
2. Key Laboratory of Marine Environmental Science and Numerical Simulation, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China;
3. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environmental Science and Numerical Simulation, Qingdao 266061, China;
4. Regional Ocean Dynamics and Numerical Simulation Function Laboratory, Qingdao Marine Science and Technology Pilot National Laboratory, Qingdao 266061, China;
5. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China
海洋锋是海洋中典型的中尺度现象, 是海洋中水文要素特征不同的两个或多个水团之间的狭长过渡带[1]。海洋锋的时间尺度少至几小时, 多至数月, 其空间尺度为几米到上千千米, 垂直深度可达数百米。锋区内水文要素具有很高的水平梯度[2]。海洋锋区具有很强的斜压结构, 是海洋能量从大尺度向较小尺度过渡最强烈的地方, 也是海气界面交换最为活跃的区域之一[3-4]。锋面常出现在不同流系的交汇处, 营养盐等物质会在锋区富集[5], 因此锋区一般是高生产力海域, 对渔业生产非常重要[6]。锋面区域也是研究生物多样性的重要海域, 因为生物多样性通常在锋面达到峰值[7-9]。锋区是水下声速的跃变区, 会对海洋中声音的传播产生重要影响, 在海洋军事领域有重要意义[10-11]。锋区常常伴随着海水的辐合, 可以有效地聚集浮游生物碎屑及重金属等污染物, 因此海洋锋的研究在环境保护方面也起到重要作用[12-13]。
对于海洋温度锋面(以下简称海洋锋或锋面)的计算方法, 国内外已经有了很多研究。Canny[14]开发了基于梯度的二维图像边缘检测算法。该方法利用锋面处水文要素呈现高水平梯度的原理,广泛用于探测海温图像中的锋面[15-17]。Cayula等[18]在1992年提出直方图分析法, 发展了单一影像检测方法, 在此基础上于1995年提出多影像检测方法[19], 自此之后直方图分析法已被应用于所有可用的AVHRR海温图像, 从而建立了一个独特的全球海洋温度锋面档案, 可以对温度锋面进行全球调查[20]。1999年Vázquez等[21]借助詹森香农散度提出基于熵的方法检测海洋锋。Iyengar等[22]尝试在尺度分析的基础上, 利用小波多尺度分析技术对海洋图像要素场进行了提取, 薛存金等[23]利用小波分析理论提取了海洋锋形态特征信息。Belkin等[1]开发Sobel算法, 并将其应用于海面温度(sea surface temperature, SST)和叶绿素浓度图像。
海南岛东部(琼东)海岸线呈东北-西南走向, 等深线几乎平行于岸线, 水深变化很大, 陆架从东北向西南迅速倾斜。琼东海域具有显著的季风气候特征: 夏季盛行西南季风, 冬季盛行东北季风, 风向平行于岸线。且琼东海域存在明显的季节性沿岸上升流, 通常发生在4—9月, 其中6—7月最强[24]。在南海暖流、粤西沿岸流以及沿岸上升流的影响下, 琼东海域存在呈季节变化的温度锋面[25-26]。前人关于该海域海面温度锋做了很多研究。Wang等[27]发现琼东海域温度锋季节变化显著: 冬春温度锋最强且稳定, 夏季较弱, 秋季无明显锋面。曹智勇等[28]结合实测数据和卫星遥感数据, 发现夏季琼东温度锋面主要分布在上升流区, 大致沿100 m等深线分布, 锋面强度随深度增加逐渐减小。陈彪等[29]利用多年遥感SST资料, 分析表明夏季琼东温度锋面主要分布于琼东沿岸东部及南部近岸50~100 m等深线之间, 冬季则主要分布于东部海域和粤西沿岸20~100 m等深线之间, 锋面位置和强度具有较强的年际变化。Jing等[30]利用卫星观测以及定点锚系现场观测资料发现琼东温度锋与由季风驱动的沿岸下降流/上升流有关。
前人对琼东温度锋的时空分布特征做了一系列工作, 但多为季节特征的研究, 对于其年际变化的研究相对较少且时间尺度较短, 因此对于琼东温度锋的长期变化还有待我们进一步研究。本文将利用40 a的海面温度、海面风场以及29 a的海面流场、海面高度数据, 分析该海域温度锋面的季节和年际变化, 探究其潜在的影响因素。
1 数据和方法 1.1 数据来源(1) 温度数据
本文所采用的每日SST数据为英国气象局提供的1982—2021年海面温度数据(Operational Sea Surface Temperature and Sea Ice Analysis, OSTIA), OSTIA使用全球高分辨率海面温度数据(GHRSST)项目提供的遥感数据并结合现场观测来确定海面温度, 空间分辨率为0.05 °, 下载地址: http://data.nodc.noaa.gov/ghrsst/L4/GLOB/UKMO/OSTIA。
(2) 风场数据
风场数据是来自ERA5的再分析数据, ERA5再分析数据集是ECWMF研发的第五代, 也是最新一代全球气候和天气再分析产品。本文选取1982—2021年的月平均10 m风场数据, 空间分辨率为0.25 °, 下载地址: https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/。
(3) 流场数据
流场数据使用由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)提供的海面流场实时分析资料(Ocean Surface Current Analyses-Realtime, OSCAR), 该数据产品主要是由卫星高度计数据、QuickSCAT风场资料以及温度场数据联合反演得到的海面流场。本文使用1993— 2021年每日流场数据, 空间分辨率为0.25°, 下载地址: http://apdrc.soest.hawaii.edu/las/v6/dataset?catitem=2833。
(4) 海面高度数据
海面高度异常(Sea Level Anomaly, SLA)数据来自全球海洋卫星高度计(archiving, validation and interpretation of satellite oceanographic data, AVISO)发布的数据融合产品。本文使用1993—2021年的月平均SLA数据, 空间分辨率为0.25°, 下载服务由欧洲哥白尼海洋环境监测中心(Copernicus Marine Environment Monitoring Service, CMEMS)提供, 下载地址: https://resources.marine.copernicus.eu/product-detail/GLOBAL_REANALYSIS_PHY_001_031/INFORMATION。
1.2 计算方法一般梯度法是用来确定锋面的基本方法[31-32], 该方法的原理是海洋锋附近水文要素具有相对较高的水平梯度, 通过计算水平梯度并选择高于某一阈值的点来提取海洋锋。与一般梯度法相比, Sobel算法的锋面检测效果更好, 能够在检测到连续完整的锋面的同时抑制噪声, 且得到的锋面较为清晰、位置较为准确[1], 因此本文选择Sobel算法对琼东海域的锋面进行检测。
Sobel算法的原理是根据锋区高水平梯度的特点, 将边缘检测算子应用于海洋锋面的检测, 利用两个方向的3×3模板进行卷积运算, 这两个方向模板一个检测水平边缘, 一个检测垂直边缘[33-34], 分别求得两个方向的梯度分量Gx和Gy, 最后得到总梯度G。Sobel算子对不同位置的数据进行加权, 类似于局部平均计算, 考虑了周围格点对中心点的贡献大小, 与中心点距离越近则梯度贡献越大, 反之则对中心点梯度贡献越小。
具体公式如下:
| $ G_x=\left[\begin{array}{lll} -1 & 0 & 1 \\ -2 & 0 & 2 \\ -1 & 0 & 1 \end{array}\right] \times \frac{1}{8} * \boldsymbol{T}, $ | (1) |
| $ G_y=\left[\begin{array}{ccc} -1 & -2 & -1 \\ 0 & 0 & 0 \\ 1 & 2 & 1 \end{array}\right] \times \frac{1}{8} * \boldsymbol{T}, $ | (2) |
| $ G=\sqrt{G_x^2+G_y^2}, $ | (3) |
式中，T表示要计算的那个点为中心3×3的SST矩阵; Gx和Gy表示x方向和y方向上的梯度分量。*表示进行卷积运算。计算出梯度后取梯度大于阈值的区域作为锋面的位置。
温度梯度阈值的选取有很大的主观性, 根据不同季节和海域会有所差异, 根据经验选取的温度梯度阈值范围一般为(0.01~0.05) ℃/km[35], 温度梯度大于阈值的点所在的区域就是锋面的大体位置。
2 琼东海域多年温度锋面特征分析 2.1 琼东温度锋面的季节特征为了探究琼东温度锋面的季节变化特征, 对1982—2021年OSTIA每日SST数据进行气候态月平均, 结合ERA5月平均风场数据, 可以得到琼东海域1—12月气候态月平均的海面温度场和海面风场(图 1)。图 1显示, 琼东海域外海海温高, 近岸海温低, 温度分布具有显著的季节性变化[36], 最高温度出现在7月, 为30 ℃, 最低温度出现在2月, 为19 ℃。冬季, 受南海盛行东北季风的影响, 高纬度的冷水沿岸向南被输运到琼东北部, 致使琼东海域北部近岸海温低, 南部远离陆地海域海温高, 从而在离岸方向存在显著的温度差。春季, 琼东海域的季风逐渐由偏东风转为东南季风, 海面温度由近岸向外海逐渐升高, 尤其是海南岛东北海域温度变化较为明显。夏季, 完全盛行西南季风, 尤其是6月、7月, 整个琼东海域温度升高至近30 ℃, 仅在琼东沿岸区域可以观察到明显的低温带, 这应与近岸上升流导致的底层冷水上涌相关[24]。秋季, 风向转变为东北, 琼东海域整体温度下降, 但海面温度空间分布更为均匀, 近岸和远海的温度无显著差异。
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| 图 1 琼东海域气候态月平均海面温度及风场分布 Fig. 1 Distribution of monthly mean sea surface temperature and wind field in the Qiongdong sea area 注: 等值线为等深线 |
为了分析琼东锋面的季节特征, 基于OSTIA数据集的每日SST数据, 采用Sobel算法计算出琼东海域逐日SST梯度后进行气候态月平均, 将OSCAR数据集的每日流场数据也进行气候态月平均, 从而可以基于锋面强度来分析研究琼东海域温度锋面及海流的季节特征规律(图 2)。参考Jing等[30]在南海北部的研究结果, 本文选取0.03 ℃/km作为琼东锋面阈值, 我们以SST梯度大小表征锋面强度, 可以看到该海域温度锋面沿着岸线呈东北-西南方向分布, 表现为狭长的带状结构, 且锋面存在明显的季节变化特征。在东北风的影响下, 研究海域整个冬季盛行西南向流, 12月锋面开始在琼东近岸北部50 m等深线附近形成, 之后锋面逐渐增强, 1月、2月锋面强度达到顶峰, 锋面分布范围从琼东北部近岸向北一直延伸到21.0°N以北, 锋面强度最大值出现在琼东北部19 °30′~20 °N附近。自3月起, 海南岛东北海域出现逆时针环流, 锋面强度和范围开始逐渐减小。4—5月锋面强度进一步减弱, 锋面被分割为两部分, 一小部分向西退缩至雷州半岛东部近岸, 另一部分沿50 m等深线向南退缩至海南岛正东, 并向100 m等深线发展, 雷州半岛和琼州海峡东部50 m等深线附近的锋面则完全消失。夏季受西南季风影响, 琼东海域的海流转向变为东北向流。6月锋面延续春季的衰退趋势, 琼东锋面几乎消失, 仅在海南岛东南近岸存在微弱锋面, 7月琼东沿岸锋面复苏, 锋面宽度和长度增加, 重新发展延伸至整个琼东沿岸50~100 m等深线之间, 8月琼东锋面完全消散。9到11月流向转变为西南向流, 整个研究区域并无明显的锋面存在。
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| 图 2 琼东海域气候态月平均温度锋面及流场分布 Fig. 2 Monthly mean thermal front and flow field distribution in the Qiongdong sea area 注: 等值线为等深线 |
前人发现琼东温度锋面走向基本与20~100 m等深线一致[29-30], 而我们可以看到琼东海域锋面沿着50~100 m等深线呈东北-西南走向分布, 并存在明显的季节变化特征。冬季是锋面的强盛期, 强锋面从海南岛以东延伸到东北区域, 锋面分布范围广, 强度大, 锋面强度最高可达0.06 ℃/km; 春季属于过渡期, 锋面强度降低, 且海南岛东北海域锋面逐渐消失, 仅剩海南岛以东沿岸海域存在较弱的锋面, 锋面强度最高为0.05 ℃/km; 夏季琼东海域的锋面强度再度降低, 锋面沿着岸线分布并向西南延伸, 呈现明显的条带状分布, 锋面强度最高为0.04 ℃/km; 秋季是锋面的消亡期, 该季节琼东海域并无明显的锋面存在。
仅采用锋面强度来刻画锋面特征规律是不全面的, 通常还可以引入锋面概率来研究锋面的出现频率。锋面概率[30]一般定义为: 根据日均温度计算出的锋面强度大于阈值的点记为一次锋面点, 则每月锋面点出现的次数除以该月总天数即为该点温度锋面出现概率(见式4)。
| $ P=\frac{n}{N} \times 100 \%，$ | (4) |
式中，P为锋面概率, n为每月锋面点出现的次数, N为每月天数。
使用1982—2021年OSTIA每日SST数据来计算锋面概率, 图 3为计算出的琼东海域气候态月平均温度锋面出现概率, 将频率大于30%[30]的区域视为温度锋面出现区域。图 3表明, 锋面出现概率与锋面强度的特征和变化基本一致, 12月开始分布范围和概率逐渐增加, 到次年1月、2月达到最强, 中心区域概率可以达到90%, 3—6月范围和概率逐渐减小, 7月再次增加, 中心区域概率可以达到50%, 8月到11月锋面几乎完全消失。和锋面强度一样, 锋面概率也呈现显著的季节变化, 冬季最强, 春季次之, 夏季最弱, 秋季锋面消亡, 这与前人的结果基本一致[27]。
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| 图 3 琼东海域气候态月平均温度锋面概率及流场分布 Fig. 3 Monthly mean thermal front probability and flow field distribution of climate states in the Qiongdong sea area 注: 等值线为等深线 |
为了可以更加直观地从整体描述琼东海洋锋面的时间变化特征, 本文将研究区域(18°~21°N, 110°~ 113°E)锋面强度与锋面概率的乘积之和定义为琼东锋面指数(式5)。
| $ F=\sum\limits_{i=1, j=1}^n G_{i, j} \times P_{i, j}, $ | (5) |
式中，F为锋面指数, G为锋面强度, P为锋面概率, n为经向和纬向的格点数。
我们将坐标轴顺时针偏转25°[36], 把风场与流场分解为沿岸方向和跨岸方向, 进一步研究琼东锋面指数与风场、流场之间的关系。使用1982—2021年OSTIA每日SST数据、ERA5月平均风场数据和1993—2021年OSCAR每日流场数据可以计算出琼东海域多年月平均锋面指数、海面风速与海面流速分量(图 4)。锋面指数1月达到最大值16.80 ℃/km, 2月至5月逐渐降低, 6月出现回升到7月达到次峰值12.30 ℃/km, 之后再次降低。该海域风速与流速也存在明显的季节变化: 沿岸风速分别在12月和6月达到峰值与次峰值。跨岸风速的峰值与次峰值则是出现在3月和10月; 沿岸流速最大值出现在10月, 次峰值出现在7月。跨岸流速与沿岸流速变化较为一致, 也是10月达到最大值, 次峰值则是出现在6月。Jing等[30]发现锋面指数与沿岸风应力密切相关, 本文发现虽然跨岸风速与锋面指数差别较大, 但沿岸风速的变化与锋面指数关系密切, 且位相早1个月; 沿岸流速与跨岸流速的变化与锋面指数关系密切, 在冬春季节位相提前一个月, 在夏季同位相; 因此我们认为季风和海面流对该海域锋面的形成有重要作用。
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| 图 4 琼东海域多年月平均锋面指数、海面风速和海面流速 Fig. 4 Multi-year monthly mean sea surface wind, sea surface current and front index in the Qiongdong sea area 注: 风速与流速取绝对值, 黄色阴影代表夏季, 蓝色阴影代表冬季 |
沿岸风速和流速与锋面指数均呈现双峰值的特征, 原因是该海域冬季盛行东北季风, 将高纬度的冷水向南输运, 与低纬度的暖水相遇, 形成温度锋面。同时东北季风会引起向岸的Ekman输运, 将外海的暖水向岸输运, 与近岸的冷水相遇也会形成温度锋面; 夏季盛行西南季风, 沿岸风会驱动上层的水体进行离岸的Ekman输运, 近岸底层的冷水会向上补充形成上升流, 底层冷水与表层暖水相遇会形成温度锋面[30]。
经验正交函数分析方法(Empirical Orthogonal Function, EOF)可以将变量场分解为空间模态及其时间变化序列, 且分解过程不含主观因素。为了研究琼东海域温度锋面的时空变化特征, 本文对该海域格点锋面指数(格点锋面强度与概率的乘积)进行EOF分析。图 5为格点锋面指数前两个EOF模态空间分布及时间序列, 这两个模态对锋面指数的方差贡献率分别为64%、18%, 前两个模态的总方差贡献率为82%, 这表明前两个模态基本代表了琼东锋面的主要变化特征。第一模态为冬季型, 从其空间结构[图 5(a)]可以看到, 琼东北部近岸并向北延伸至21°N以北为高值区, 该区域与上文中冬季温度锋面强度及概率的分布范围较为一致, 相应的时间序列在1月达到最大值[图 5(b)]; 第二模态为春季和夏季综合型, 其空间结构高值区位于海南岛以东沿岸以及雷州半岛近岸[图 5(c)], 与4月和7月锋面强度及概率的分布范围相对应, 其时间序列在4月和7月达到峰值[图 5(d)]。EOF分析的结果进一步说明琼东海域温度锋面存在显著的季节信号, 并表现为不同的空间和时间模态。
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| 图 5 琼东海域温度锋面指数EOF分析结果 Fig. 5 Results of EOF analysis of thermal front index in the Qiongdong sea area |
琼东海域温度锋面不仅存在显著的季节变化, 也存在年际变化[29]。本文采用更长时间尺度的SST数据结合风场与流场数据, 深入研究了其年际变化规律。图 6给出了1982—2021年的锋面指数、海面风速和1993—2021年的海面流速时间序列及其功率谱结果。结果表明, 近40 a来锋面指数、沿岸风均呈现增长趋势, 而跨岸风则处于下降趋势, 增长率分别为0.15 ℃∙km–1∙a–1、5.25×10–3 m∙s–1∙a–1和–6.08× 10–4 m∙s–1∙a–1; 近29 a来沿岸流、跨岸流都处于上升趋势, 增长率分别为5.15×10–4 m∙s–1∙a–1、5.80×10–4 m∙s–1∙a–1。相比锋面指数和海面风速, 沿岸流和跨岸流数据时间长度较短, 这一较弱的线性增长趋势是否持续存在有待更长时间的数据进一步验证。除了线性趋势外, 锋面指数、沿岸风、沿岸流和跨岸流也存在显著的年际变化(图 6), 其显著周期为5 a(表 1)。从表 1中还可以看出, 锋面指数与沿岸风、沿岸流有比较好的相关性, 相关系数分别为0.53和0.67, 但跨岸风与锋面指数相关性较低。这也表明, 风场与流场的沿岸分量对于琼东温度锋面的作用要大于跨岸分量, 且沿岸流相对于沿岸风与锋面指数有更高的相关性。
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| 图 6 锋面指数(a)、海面风速(c)和海面流速(e)时间序列及其功率谱(b, d, f) Fig. 6 Time series of front index (a), sea surface wind speed (c), sea surface velocity (e), and their respective power spectra (b, d, and f) 注: 风速与流速取绝对值, 虚线表示线性拟合值, 点线表示95%置信曲线, 数据均进行37个月高斯平滑 |
| 与锋面指数相关系数 | 是否通过95%置信检验 | 周期/a | 增长率 | |
| 锋面指数 | 1 | 是 | 5 | 0.15 ℃∙km–1∙a–1 |
| 沿岸风 | 0.53 | 是 | 5 | 5.25×10–3 m∙s–1∙a–1 |
| 跨岸风 | –0.02 | 否 | 6.7 | –6.08×10–4 m∙s–1∙a–1 |
| 沿岸流 | 0.67 | 是 | 5 | 5.15×10–4 m∙s–1∙a–1 |
| 跨岸流 | 0.44 | 是 | 5 | 5.80×10–4 m∙s–1∙a–1 |
根据本文2.1的研究结果, 琼东锋面存在冬季型、春季和夏季综合型2个模态, 春季型属于冬季型向夏季型的过渡, 因此我们将针对冬季和夏季这两个典型模态, 研究其年际变化与沿岸风和沿岸流的关系。冬季时, 锋面指数在1月达到峰值, 而沿岸风和沿岸流在12月达到最强; 夏季时, 锋面指数在7月达到峰值, 沿岸风在6月达到最强, 而沿岸流则在7月达到最强(图 4), 因此用这些月份代表相应季节进行年际变化的研究。如图 7所示, 与总体变化趋势一样, 冬夏锋面指数、沿岸风和沿岸流也呈现增长趋势, 且冬季3个参量均强于夏季。冬季沿岸风与锋面指数的相关性高于沿岸流, 夏季则相反。冬季锋面指数、沿岸风和沿岸流的增长率分别为0.14 ℃∙km–1∙a–1、2.6×10–2 m∙s–1∙a–1和1×10–3 m∙s–1∙a–1, 夏季分别为0.34 ℃∙km–1∙a–1、1.9×10–2 m∙s–1∙a–1和1×10–3 m∙s–1∙a–1。可见, 夏季锋面指数的增长率远高于冬季锋面指数, 但沿岸风和沿岸流并没有呈现出显著的冬夏差异。这表明, 存在其他因素导致了琼东冬季锋面和夏季锋面的总体增长趋势存在差异。
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| 图 7 冬夏锋面指数(a)、沿岸风速(b)与沿岸流速(c)的年际变化 Fig. 7 Interannual changes in winter and summer front index (a), alongshore wind speed (b), and alongshore velocity (c) 注: 风速与流速取绝对值, 虚线表示线性拟合值 |
| 与锋面指数相关系数 | 是否通过95%置信检验 | 增长率 | ||||||
| 冬季 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | 冬季 | 夏季 | |||
| 锋面指数 | 1 | 1 | 是 | 是 | 0.14 ℃∙km-1∙a-1 | 0.34 ℃∙km-1∙a-1 | ||
| 沿岸风 | 0.49 | 0.51 | 是 | 是 | 2.6×10-2 m∙s-1∙a-1 | 1.9×10-2 m∙s-1∙a-1 | ||
| 沿岸流 | 0.44 | 0.58 | 是 | 是 | 1×10-3 m∙s-1∙a-1 | 1×10-3 m∙s-1∙a-1 | ||
琼东海域夏季温度锋面与琼东上升流密切相关[30], 但关于琼东上升流的年际变化趋势, 目前仍然没有一个统一的认识。谢玲玲等[37]的研究结果表明, 1982— 2012年期间, 琼东上升流存在长期减弱的趋势。但苗馨等[38]的研究结果发现, 1968—2007年琼东上升流有逐年增大的趋势。我们采用谢玲玲等[37]的计算上升流的方法, 使用了OSTIA数据, 发现1982—2021年期间琼东上升流的总体趋势是增强的(图 8), 且与夏季锋面指数的相关性高达0.63。这说明一方面, 上升流是琼东夏季锋面增强的可能原因之一, 同时水体水平输运对于锋面的形成也有重要作用; 另一方面, 使用不同的数据和方法, 分析计算出的琼东上升流和琼东锋面的长期变化趋势的结果可能存在差异。这表明琼东锋面及上升流是一个非常复杂的过程, 需要针对上述问题在后续工作中深入系统地开展相关研究。
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| 图 8 1982—2021年琼东海域夏季锋面指数与上升流指数的年际变化 Fig. 8 Interannual changes of the summer front index and upwelling index in the Qiongdong sea area for 1982 to 2021 |
上文中研究发现局地风和流对于锋面的季节变化有很重要的作用, 为了进一步探究其对于锋面年际变化的影响, 本文中我们将每年各月锋面指数减去各月锋面指数的40 a平均值作为锋面指数距平, 选取1993年后冬、夏锋面指数距平大于5 ℃/km的年份作为强锋面年, 小于–5 ℃/km的年份作为弱锋面年(表 3), 然后分别对冬季型和夏季型锋面的强锋面年和弱锋面年的锋面强度、风场异常、海面高度异常和流场异常进行合成分析。结果表明, 强冬季锋面年锋面主要分布在海南岛以东近岸, 锋面强度最高可达0.08 ℃/km, 琼东海域出现东北风异常, 即冬季风偏强[图 9(a)], 此时海南岛东北海域SLA最高, 为0.15 m, 表现为西南向流异常, 即冬季流偏强[图 10(a)]。弱冬季锋面年在海南岛东北部海域出现微弱锋面, 强度最高可达0.05 ℃/km, 此时表现为东南风异常, 说明冬季风偏弱[图 9(b)], 此时海南岛东北海域SLA变化不大, 最高为0.08 m, 表现为西南向流异常, 即冬季流偏弱[图 10(b)]; 强夏季锋面年锋面位于琼东沿岸及雷州半岛沿岸, 强度可达0.07 ℃/km, 主要为西南风异常, 即夏季风偏强[图 9(c)], 海南岛以东近岸SLA变化显著, 最低可达–0.15 m, 此时为东北向流异常, 表明夏季流增强[图 10(c)]。弱夏季锋面年无锋面存在, 表现为东北风异常, 说明夏季风偏弱[图 9(d)], 此时琼东近岸SLA最低为–0.10 m, 此时西南向流异常, 表明夏季流减弱[图 10(d)]。综上可知, 琼东海域常年受东北季风和西南季风交替作用, 冬夏两季表现出不同的环流结构, 导致锋面成因不同, 冬季锋面是由于高纬度的冷水向南输运, 与低纬度的暖水相遇而形成, 而夏季则是由上升流导致。季风和海面流的增强可以引起锋面强度的增加, 说明季风和流对于锋面的年际变化有着重要作用。
| 锋面类型 | 强锋面年 | 弱锋面年 |
| 冬季型 | 1994、1999、2000、2002、2015、2017、2021 | 1993、1997、1998、2004、2007、2013、2020 |
| 夏季型 | 1993、1995、2003、2007、2010、2016、2019、2020、2021 | 1994、1997、2000、2001、2005、2011、2012、2013 |
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| 图 9 温度锋面与风场异常合成场 Fig. 9 Composite field of thermal front and wind-field anomalies |
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| 图 10 海面高度异常与流场异常合成场 Fig. 10 Composite field of sea-level anomalies and flow-field anomalies |
Jing等[39]研究发现在1997—1998年厄尔尼诺期间, 南海北部沿岸风应力显著增强, 而我们发现沿岸风、沿岸流与琼东海域温度锋面有很高的相关性, 那么大尺度气候事件是否会对琼东海域温度锋面产生影响?下面我们将探究厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)、太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)和印度洋偶极子指数(Dipole Mode Index, DMI)对琼东海域温度锋面的作用。图 11为各个指数的时间序列, 经过相关性分析后发现, 当DMI、Niño3.4指数分别超前锋面指数11、16个月, PDO指数滞后锋面指数19个月时, 相关系数可高达0.64、0.49和–0.48(满足95%的置信度)。谭可易等[40]的研究结果显示ENSO和PDO会使该海域风场和流场发生变化, 并对锋面产生影响。这说明ENSO等大尺度气候过程可能通过影响局地风场和流场进而影响琼东温度锋面。
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| 图 11 1982—2021年琼东锋面指数与Niño3.4指数、PDO指数和DMI指数的变化 Fig. 11 Time series of the Qiongdong front index, Niño 3.4 index, PDO index, and IOD index for 1982 to 2021 注: 各指数进行37个月高斯平滑处理 |
通常认为季风对琼东温度锋面的形成有重要作用, Jing等[30]研究发现锋面指数的变化与沿岸风应力的季节周期一致, 关于流的季节变化与锋面的关系确很少有人研究。陈彪等[29]基于2006—2013年GHRSST海面温度资料分析了琼东温度锋面中心位置的年际变化以及锋面强度的年际差异, 对于该海域温度锋面的长期变化趋势、周期以及影响因素还缺乏足够的认识。本文利用1982—2021年OSTIA每日SST数据、ERA5月平均风场数据和1993—2021年OSCAR每日流场数据、AVISO月平均SLA数据, 分析了琼东温度锋面的季节以及年际特征规律, 得到以下结论。
(1) 琼东海面温度锋面主要沿着50~100 m等深线分布, 冬季、春季和夏季最高锋面强度分别为0.06 ℃/km、0.05 ℃/km、0.04 ℃/km。
(2) 该锋面具有显著的季节变化规律, 冬季至夏季锋面强度逐渐减弱, 秋季锋面消失, 且锋面中心由东北向西南逐渐移动。琼东锋面指数表明其存在双峰季节变化特征, 峰值分别发生在1月和7月, 这与该海域的季风及海面流场变化密切相关。本文研究发现沿岸风速超前锋面指数1个月时二者达到最大相关, 而沿岸流速的位相则是在冬春季节时提前锋面指数一个月, 夏季时与锋面指数变化一致。
(3) 锋面季节变化呈现2个典型模态: 冬季型和夏季型。夏季型与冬季型的形成机制不同, 冬季型锋面是由于东北季风驱动的沿岸流将高纬度的冷水向南输运, 与低纬度的暖水相遇而形成, 夏季型锋面是由于西南季风驱动离岸Ekman输运, 使近岸产生上升流锋面。锋面指数曲线两个峰值, 分别对应冬季和夏季。
(4) 研究发现琼东温度锋面存在显著的年际信号, 近40 a来, 琼东海域温度锋面强度总体不断增强, 增长率为0.15 ℃∙km-1∙a-1, 存在5 a的显著周期。冬、夏两个季节锋面指数也在不断增强, 增长率分别为0.14 ℃∙km-1∙a-1和0.34 ℃∙km-1∙a-1。局地风和流对温度锋面的年际变化具有重要影响。
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