基于WOA13數據的赤道大西洋海區溫度鋒的時空分布特征分析

劉鵬，張永剛，劉建斌

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018；2.海軍航空兵膠州場站氣象臺，山東青島266300）

基于WOA13數據的赤道大西洋海區溫度鋒的時空分布特征分析

劉鵬1，張永剛1，劉建斌2

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧大連116018；2.海軍航空兵膠州場站氣象臺，山東青島266300）

基于WOA13多年的氣候態數據，研究了赤道大西洋海區南北兩個溫度鋒面及其鋒強的時空分布特征：北部鋒主要存在于夏秋兩季，夏季鋒強度最大，鋒面分布在0～200 m水深；南部鋒全年都有存在，春季鋒強最大，鋒面分布于0～250 m水深。對比兩個鋒面處的聲速剖面，能明顯看出在北部鋒存在海域，鋒強大的夏秋兩季與鋒強小的冬春兩季對聲速剖面影響不同，而南部鋒在鋒面存在深度，聲速在各季隨深度的變化較一致。

WOA13；赤道大西洋；溫度鋒；時空分布

1 引言

由于大西洋存在很強的季節性循環，因此它是研究熱帶海洋季節性反應的主要海域[1]。熱帶大西洋位于非洲和南美洲大陸之間，海盆寬度明顯小于太平洋，熱帶輻合帶從中部橫穿大西洋，熱帶輻合帶隨季節南北移動導致熱帶大西洋在赤道附近季節性波動明顯[2]。隨著國際交往的日益增多，航渡大西洋已日漸頻繁，這對全球水文氣象保障特別是重點航線保障的要求越來越高，但人們對熱帶大西洋海域的水文環境了解甚少，因此有必要加強對該海域的研究。熱帶大西洋地區，赤道流系復雜，導致了該海區復雜的水文環境。以往對該海域的研究只是針對于其表層環流、SST（Sea Surface Temperature）、海表鹽度等水文要素，對海洋鋒的研究較少。如姜華對熱帶大西洋的海表潛熱和感熱通量的季節和年際變化進行了研究[3]；邱云等對熱帶大西洋表層環流及其月變化特征進行了研究[4]，發現熱帶大西洋表層環流中高緯度海區流速較小，赤道附近流速較大；Tzortzi等[5]基于SMOS（Soil Moisture and Ocean Salinity）和Aquarius衛星數據對赤道大西洋海域的海表鹽度在時空尺度上的變化進行了研究。本文通過對WOA13（World Ocean Atlas2013）數據進行處理，研究分析了大西洋赤道南北兩側海區的溫度鋒的時空分布特征。

海洋鋒一般是指特性明顯不同的兩種或幾種水體之間的狹窄過渡帶。狹義而言，有人將其定義為水團之間的邊界線。廣義地說，可泛指任一種海洋環境參數的躍變帶，因而出現了諸如水溫鋒、鹽度鋒、密度鋒、聲速鋒、水色鋒、透明度鋒，以及海水化學、生物等等要素的海洋鋒的稱謂[6]。Cheney等[7]根據鋒面兩側聲速變化、混合層深度變化、鋒面延伸的深度以及持續時間等因素將全球海洋鋒分為了較強、中等、較弱3個等級，并將全球主要海洋鋒面總結成了43個，本文所研究的即為大西洋赤道海域的兩個鋒面。針對海洋鋒的提取與分析，前人也做過很多研究，如張偉等[8]用一種基于Canny和數學形態學的對海洋鋒進行檢測，薛存金等[9]用基于小波分析對海洋鋒形態特征進行提取。但大多數的都只是通過處理衛星遙感數據分析海表面的海洋鋒，而且其中有的方法過于復雜且得出來的鋒面并不是很準確，本文則主要是對熱帶大西洋地區的三維結構的溫度鋒進行了提取分析，揭示了該地區的溫度鋒時空分布特征、鋒強度分布特征。對于這一海域的海洋鋒，國內研究較少，本文旨在通過對該海域的海洋鋒的分析研究，為以后開展大西洋赤道地區海洋鋒形成機制、鋒區對海洋環境和生態環境影響等研究工作提供基礎。

圖1 大西洋赤道海區地理位置分布情況

2 資料及方法

2.1 資料

本文采用的是來自美國國家海洋大氣局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）的國家海洋數據中心海洋氣象實驗室的海洋氣候態數據集產品WOA13數據（https://www.nodc.noaa.gov/OC5/woa13/woa13data.html)。該數據包含了全球從1955—2012年的溫度、鹽度、溶解氧、磷酸鹽、硅酸鹽等海洋要素數據，時間上分為年平均、季節平均、月平均數據，空間分辨率有5°、1°、1/4°等3種，在深度上，利用內插值的方法，從表層到最大深度5 500 m分為了102層，其中0～100 m每5 m一層，100～500 m每25 m一層，500～2 000 m每50 m一層，2 000～5 500 m每100 m一層。

本文選用的是1955—2012年的季度平均的1/4°分辨率的氣候態溫鹽數據。需要說明的是，WOA13數據是平均格點化的插值數據，在表現海洋鋒強度上比實際值要低，因此本文出現的強度一般都比實際值小，但是WOA13數據在表現鋒區，特別是鋒軸線上位置、強度的變化特點上具有較好的效果，可以分析強度隨空間的分布特點，隨季節變化的規律等。

2.2 方法介紹

以往對于海洋鋒的提取有著各種各樣的方法，但這些方法都比較繁瑣而且計算量較大，并且大多數是利用遙感數據分析海表面溫鹽場的鋒面分布特征。劉建斌等[10]也在分析阿爾沃蘭海海洋鋒時用此方法提取了鋒面并且分析了其時空分布特征。因此本文參考了上述方法，對赤道太平洋海區的兩個鋒面進行了提取分析。其中絕對梯度的定義為：

本文用的是絕對梯度，是某個點在4個方向上（北-南、東-西、東北-西南、西北-東南）的梯度的總和，而不是某個單獨方向上的梯度，其中兩點之間距離為0.25°（經/緯度）。本文所研究的大西洋赤道地區的鋒面是東西走向的鋒，因此先求得海表面上每個點的絕對梯度，然后確定同一經度上絕對梯度最大值的位置及大小，其中絕對梯度值單位為°C/14 nmile。

目前，海洋鋒強弱的定量指標海洋學界尚未定論，區別鋒強度大小級別的方法有多種，不同的作者常以不同參數為對象，而且往往以特定的海域為背景。李鳳岐等[11]給出了中國海域溫度鋒面的最低標準為東海海區的0.05℃/nmile；Cheney等[7]根據鋒面兩側聲速變化、混合層深度變化、鋒面延伸的深度以及持續時間等因素將全球海洋鋒分為了較強、中等、較弱3個等級，相對應的垂直于鋒面的聲速改變量（Δc/（ft/s））分別為＞100、50～100、＜50，聲層深度改變量（Δz/ft）分別為＞500、100～500、＜100，鋒面延伸的深度（z/ft）分別為＞3 000、300～3 000、＜300。本文考慮到WOA13為格點化平均數據，在計算鋒強度時采用絕對梯度的方法使得到的鋒強度值要低于實測數據值，并結合該海區的平均絕對溫度梯度，將溫度鋒強分為弱、中、強個不同的級別，分別為0.1～0.4℃/14 nmile、0.4～0.7℃/14 nmile、＞0.7℃/14 nmile，從而得到不同強度的鋒軸線。

需要說明的是，本文所用的WOA13數據是平均格點化的氣候態的插值數據，因此數據對某些年份的特殊情況可能分析不足，而且數據之間的分辨率較低導致在表現海洋鋒強度上要比實際值要低。但是WOA13數據在表現鋒面、鋒軸線和鋒強度的時空分布的一般規律上具有較好的效果，因此本文用該數據進行鋒面分析是比較合理的。

3 結果分析

畫出大西洋赤道地區（12°N～12°S）4個不同季度由表層至1 000 m深的各層的等溫線圖。以水深40 m和60 m處的四季等溫線（見圖2、3）為例，圖中等溫線密集的區域，即冷暖水團的過渡帶，就是溫度鋒存在的區域。由圖可見，在赤道南北兩側各有一個鋒面存在（圖中黑色長方形框出區域）。

由圖2、3可以看出，西海岸的溫度較東海岸高，從40 m水深開始，赤道東海岸海水溫度開始降低，隨水深增加，低溫水逐漸向西擴散，與南北兩側的溫度差異較大，從而在赤道南北各形成一個具有較大溫度梯度的鋒面，為了更直觀的了解鋒面的時空分布，作出溫度絕對梯度圖。

3.1 北部鋒

3.1.1 鋒面位置分布

畫出該海域四季的、由海表面至500 m水深的各層的溫度絕對梯度，溫度絕對梯度值就是鋒強度值，其中 1—3月為冬季，4—6月為春季，7—9月為夏季，10—12月為秋季。如圖4、5分別為水深60 m和125 m處的四季溫度梯度，由圖可見：時間分布上，鋒面全年均有存在，但是夏秋兩季鋒面分布范圍更廣，強度更大；水平方向上，鋒面沿緯向分布，大致分布范圍在緯度3°～9°N之間；垂直方向上，鋒面主要存在于30～200 m水深之間，由淺至深鋒面逐漸從幾內亞灣沿岸地區向西移動到南美洲的圭亞那沿岸。

圖2 水深40 m處等溫線水平分布

圖3 水深60 m處等溫線水平分

圖4 水深60 m處赤道北部溫度梯度

圖5 水深125 m處赤道北部溫度梯度圖

圖6 水深40 m處鋒軸線

3.1.2 鋒軸線分布

將北部鋒軸面的0～500 m水深的溫度梯度最大值連成線，提取出圭亞那流鋒面的鋒軸線。在提取的同時，將不同強度的鋒軸線用不同顏色的線來表示，如圖6、7分別為水深40 m和125 m處的四季鋒軸線，其中藍線、紅線、黑線分別代表鋒強度為0.1～0.4℃/14 nmile、0.4～0.7℃/14 nmile和＞0.7℃/14 nmile等弱、中、強級別的鋒軸線，通過這種方法就能更直觀的看出鋒軸線位置及不同位置處鋒強度的大小。由圖可見：水深20～50 m處鋒軸線主要存在于幾內亞灣沿岸地區，鋒軸線呈東西走向，與海岸線分布趨勢較為一致，但是鋒軸線分布南北波動較頻繁，鋒強最大地區主要集中在7°W、5°N附近海區，該區域比較靠近沿岸，沿岸地區復雜的海底地形環境及海流對其有著重要影響；水深50～200 m處，鋒軸線隨深度逐漸向西移動到圭亞那沿岸地區，越靠近圭亞那沿岸，鋒軸線的強度越大，其中鋒強較大的鋒軸線主要存在于秋季的水深90～150 m、40°～45°W附近海區。

圖7 水深125 m處鋒軸線

圖8 四季鋒強度斷面

3.1.3 鋒強度分布

畫出鋒軸線的鋒強度斷面圖，因為鋒軸線是提取每一經度上的最大梯度值，鋒軸線上的每個點的經度都有對應的緯度，因此用經度代表鋒軸線的位置。如圖8所示為四季鋒軸線的鋒強度斷面圖，其中橫軸為經度（60°W～20°E），縱軸為深度（0～500 m）。由圖可見：夏秋兩季的鋒強大于冬春兩季，四季鋒強極大值出現在夏季，為1.4℃/14 nmile，比春季的鋒強極大值0.7℃/14 nmile要大兩倍；相比其他三季，秋季鋒面最為連續穩定，春季鋒面最弱；鋒強較大的鋒面主要集中在50°W～30°W、水深75～200 m，以及18°W～0°、水深20～70 m這兩個區域，鋒強由淺至深大體呈先增后減的變化。其中50°～30°W鋒面鋒強極大值在150 m水深經度44°W附近；15°W～0°鋒面鋒強極大值在40 m水深經度5°W附近。

圖9 50 m水深四季溫度梯度圖

圖10 125 m水深四季溫度梯度圖

3.2 南部鋒

3.2.1 鋒面位置分布

根據同樣的方法作出大西洋赤道南部海區水深0～500 m的四季溫度梯度圖，如圖9、10分別為水深50 m和125 m處的四季溫度梯度圖，由于該鋒面在南半球，因此1—3月為夏季，4—6月為秋季，7—9月為冬季，10—12月為春季。由圖可見：時間分布上，鋒面全年均存在，秋季（此海區屬于南半球）鋒面最強，春季最弱；水平方向上，鋒面沿緯向分布，大致分布范圍在緯度3°～6°S之間，水深30～60 m之間0°以東部分存在一個西北-東南走向的弱封面；垂直方向上，鋒面主要存在于30～250 m水深之間，由淺至深鋒面從0°～20°W這一區域逐漸西移到巴西東北角沿岸海區。

3.2.2 鋒軸線分布

類似的，依次提取南部鋒面水深0～500 m處的鋒軸線，并將不同鋒強度的鋒軸線用不同顏色的線來表示，如圖11、12分別為水深50 m和125 m處的四季鋒軸線圖。由圖可見：四季鋒軸線走向大體一致，且比北部鋒軸線更為平緩穩定，大致分布范圍在4°～5°S附近；水深45～70 m之間，在秋冬兩季，0°經線附近存在一個西北-東南走向的強度較弱的鋒軸線；整個鋒區鋒強較大的鋒軸線主要集中在東部的0°～10°W附近，隨著水深增加，鋒強較大的鋒軸線逐漸西移，到250 m水深處，鋒強較大的鋒軸線主要集中在巴西沿岸35°W附近；其中鋒強最大的鋒軸線存在于水深80～90 m之間、25°W和30°W兩處海區。

圖11 水深50m處鋒軸線

圖12 水深125 m處鋒軸線

3.2.3 鋒強度分布

同樣作出南部鋒強度斷面圖，由圖13可見：時間分布上，四季的鋒軸面的分布趨勢大體一致，秋季鋒面最強，春季最弱；空間分布上，鋒面由西向東呈上傾的趨勢，主要存在于0°～40°W、水深30～250 m之間，且鋒面較為穩定，全年都存在，在35°W處，鋒面可延伸至水深400 m附近，每個季節的最大鋒強均存在于35°W、150 m水深處；此外，在垂直方向上，由淺至深鋒強均呈現先增后減的趨勢，同一經度上最小溫度梯度和最大溫度梯度可能相差10倍甚至更多，由此產生的密度斷面，對于水下的潛艇活動極為不利。

3.3 聲速剖面分析

結合大西洋赤道海域的溫鹽數據，將北部鋒及南部鋒的聲速剖面圖分別畫出。其中北部鋒選取了水深0～1 000 m、30.125°W處鋒面及其南北兩側的聲速剖面，此外還選取了同緯度上20.125°W處的聲速剖面，如圖14所示為北部鋒四季的聲速剖面圖，由圖可見：在鋒強大的夏秋兩季，聲速剖面明顯不同于鋒強小的冬春兩季。冬春兩季，同一經度上的聲速剖面，水深0～70 m處由南往北聲速逐漸減小，70～400 m水深由南往北聲速大小較接近，400 m以深由南往北聲速逐漸增大；不同經度的聲速剖面，水深0～20 m處30.125°W處的聲速小于20.125°W處的聲速，水深20～150 m處30.125°W處的聲速大于20.125°W處的聲速，水深150～500 m處30.125°W處的聲速小于20.125°W處的聲速，500 m以深兩處聲速大小一樣。夏秋兩季，同一經度上的聲速剖面，水深0～20 m由南往北聲速較接近，水深20～400 m處由南往北聲速逐漸減小，400 m以深由南往北聲速逐漸增大；不同經度上，水深0～150 m處30.125°W處的聲速大于20.125°W處的聲速，150～500 m處30.125°W處的聲速小于20.125°W處的聲速，500 m以深兩處聲速趨于一致。

圖13 四季鋒強度斷面

南部鋒面則選取了0～1 000 m水深在20.125°W鋒面及其南北兩側的聲速剖面，此外還選取了同緯度上10.125°W處的聲速剖面，如圖15所示為四季的聲速剖面圖。由圖可見：南部鋒四季的聲速剖面分布規律較為一致，但是1—6月比7—12月的海表聲速稍大。同一經度上，水深0～200 m處聲速由南往北逐漸減小，水深200～500 m處聲速由南往北逐漸增大，500 m以深聲速大小趨于一致；同一緯度上，水深0～200 m處10.125°W處的聲速小于20.125°W處，200 m以深兩個經度處的聲速趨于一致。

4 結論

通過對大西洋赤道海區的南北兩個溫度鋒的三維結構、鋒強度分布以及聲速剖面的分析，得出以下結論：

（1）南北兩個溫度鋒面均沿緯向分布，全年均有存在。北部鋒在夏秋兩季鋒面強度更大，分布范圍更廣，南部鋒面四季強度均較大且分布較為穩定。垂直方向上，北部鋒主要存在于30～200 m水深之間，南部鋒主要存在于30～250 m水深之間，兩個鋒面由淺至深均逐漸向西移動；

（2）北部鋒在夏秋兩季鋒軸線分布更為穩定，范圍更廣，夏季鋒強度較大的鋒軸線分布最廣，鋒軸線隨水深增加逐漸西移。南部鋒的全年的鋒軸線走向大體一致，且比北部鋒軸線更為平緩穩定，大致分布范圍在5°S附近，春季的鋒軸線線上的鋒強度最大，鋒軸線隨水深增加也逐漸西移；

（3）北部鋒的鋒強度最大位置出現在夏季，其次是秋季，冬春兩季鋒強度較小，四季的鋒強度斷面圖四季的變化趨勢基本一致，其中鋒強較大的鋒面主要集中在50°～30°W和15°W～0°這兩個區域，在這兩個區域的鋒強由淺至深均呈現先增后減的變化。南部鋒面自西向東成上傾趨勢，主要存在于0°～40°W、水深30～250 m之間，每個季節的最大鋒強均存在于35°W、150 m水深處；

圖14 北部鋒四季聲速剖面

（4）南北兩個鋒面的聲速剖面也存在差異：北部鋒在鋒強大的夏秋兩季，聲速剖面明顯不同于鋒強小的冬春兩季：冬春兩季在鋒面存在的70～400 m水深由南往北聲速大小較接近；不同經度的聲速剖面，聲速差異集中在水深500 m以內；夏秋兩季，在鋒面存在的水深20～400 m處由南往北聲速逐漸減小；不同經度上，水深0～150m處30°W處的聲速大于20°W處的聲速，水深150～500 m處30°W處的聲速小于20°W處的聲速，500 m以深兩處聲速趨于一致。南部鋒四季的聲速剖面分布規律較為一致，1—6月比7—12月的海表聲速稍大，同一經度上，水深200 m以淺和以深，聲速由南往北分別呈增大和減小趨勢，500 m以深聲速大小趨于一致；不同經度處，聲速差異主要集中在200 m以內。

圖15 南部鋒四季聲速剖面

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[3]姜華.熱帶大西洋海表潛熱和感熱通量的季節和年際變化研究[D].青島:中國海洋大學，2003.

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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。

劉鵬（1993-），男，碩士在讀，主要從事世界大洋海洋鋒面研究。E-mail：515540650@qq.com