2000—2017年東印度洋季風帶海域溫度鋒時空特征變化分析

張精英,孫偉富，馬 毅，孟俊敏，張 杰

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院, 山東 青島 266590; 2.自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

海洋鋒是指海洋中水體要素梯度變化強烈的狹窄區域[1]，是海洋中一種普遍存在的現象，其強弱和空間位置也會隨時間而變化[2]，目前主要有溫度鋒、鹽度鋒、水色鋒、營養物質鋒等，其中海表溫度鋒(SSTF)作為海洋鋒的重要表現形式之一，是海洋中水溫變化劇烈的兩個不同水團的交界線，常發生在沿海區域，對于海洋漁業捕撈、污染治理、海上援助等具有重要意義[3]。東印度洋季風帶海域為東印度洋10°S以北區域，包括孟加拉灣、安達曼海、馬六甲海峽、?？撕{等，北部與孟加拉國相接，東北鄰緬甸，包含安達曼群島、尼科巴群島、蘇門答臘島、爪哇島等諸多島嶼。該海域具有明顯的熱帶海洋性和季風性特征，11月至次年3月盛行東北季風，風由大陸吹向海洋；5—9月盛行西南季風，由海洋吹向大陸[4]。熱帶東印度洋是一個季風海洋，對亞洲東、南部包括我國的氣候、降水都有重要影響[5]，南海-北印度洋航線是世界重要的海上貿易通道之一，具有重要的海上經濟和軍事戰略地位，直接關系到我國海上安全和權益[6]，印度尼西亞一帶作為全球熱鹽環流的重要組成部分之一，對維持全球大洋能量平衡有不可忽視的作用[7]，因此了解東印度洋季風帶海域的水文要素、中尺度現象具有重要意義?；诟?、船艦等實測方法難以得到長時間、大范圍的數據，遙感手段以其高時空分辨率，長時間、大面積同步觀測等優勢，成為海洋鋒調查的重要數據獲取方法，基于遙感數據的海洋鋒檢測方法主要有梯度法、Canny算法、基于引力模型算法、小波變化法、熵理論算法等，其中Canny算法通過非極大值抑制和雙閾值檢測提高了鋒面定位精度，鋒面連續性較好[8]，因此本研究利用Canny算法進行研究區內的溫度鋒檢測。目前對于海洋鋒的研究主要集中于太平洋、大西洋及中國近海等海域[9-11]，關于印度洋海域海洋鋒的研究相對較少，已有研究主要發生在東南印度洋，多以實測數據為基礎[12-14]，難以實現大范圍的海洋鋒檢測研究，開展基于遙感數據的東印度洋季風帶海域海洋鋒變化研究能夠為了解該區域海洋中尺度現象提供參考資料，為后續海洋環境治理、物質運輸、流場結構研究等提供科學依據。本研究基于2000—2017年氣候態月平均MODIS-TerraSST數據，研究東印度洋季風帶海域溫度鋒的空間分布變化情況，討論分析研究區不同鋒面平均強度、鋒點數量及中心線長度變化情況，并基于2000—2017年的逐年平均SST數據，討論2個典型鋒面的年際變化情況。

1 數據與方法

1.1 研究數據

本研究使用的海表溫度數據來自美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)Ocean Color網站http://oceancolor.gsfc.nasa.gov提供的全球MODIS-TerraSST數據，MODIS-Terra可獲取36個光譜帶數據，掃描幅寬為2 330 km，Terra衛星發射于1999年12月18日，是太陽同步近極地軌道，可滿足低軌道地球觀測需求[15]。為更好地了解研究區溫度鋒面長期平均時空分布特征的變化，本研究基于2000—2017年氣候態月平均SST數據研究溫度鋒面的月際變化情況，并使用2000—2017年逐年平均SST數據研究恒河-雅魯藏布江河口鋒和爪哇島鋒2個典型溫度鋒的年際變化，數據的空間分辨率均為9 km。

1.2 研究方法

Canny算法具有檢測精度高、定位準確、計算量小等優點[16]，被廣泛應用于海洋鋒的檢測中。本研究采用Canny算子檢測研究區溫度鋒，利用Sobel算子計算梯度，該算子考慮到了鄰近像元對中心點的影響，可有效增強圖像的邊緣可視性[17]。

(1)

(2)

式(1、2)為利用Sobel算子計算每點SST數據沿x、y方向的梯度，其中T代表該點高斯濾波后的SST。得到x、y方向的梯度后計算各點總梯度及每一點垂直梯度方向。

(3)

(4)

式(3、4)中：GM為在得到x、y方向的梯度后計算各點總梯度，D為每一點垂直梯度的方向。

對計算出的總梯度進行非極大值抑制和雙閾值檢測，從而得到鋒面分布的中心位置信息，綜合各學者的研究及研究區特點[18-20]，經過試驗發現低閾值設為0.015 ℃/km，高閾值為0.030 ℃/km能較好的檢測研究區溫度鋒。圖1展示了研究區1月份的鋒面檢測結果，圖中紅點即為該月檢測到的溫度鋒。

圖1 東印度洋季風帶海域1月鋒面檢測結果示意圖

2 結果與討論

2.1 溫度鋒月際變化分析

基于氣候態月平均SST數據檢測東印度洋季風帶海域溫度鋒，得到圖2所示結果，背景填充為當月氣候態平均SST，黑點為檢測到的鋒面點，可以看到該海域溫度鋒主要分布于近岸區域，受海陸溫差、海流、太陽輻射等因素的影響，SST在海峽或近岸海域的梯度往往比遠海地區更大[21]，使得鋒面常常發生于近岸地區。孟加拉灣北部和安達曼海北部大陸均有巨大河流流出，與周圍海水相互作用[22]，不同水團之間存在一定的溫度差，在離岸不遠處形成了鋒面；斯里蘭卡東岸的上升流是造成該地區發生鋒面的原因[23]；Palk海峽受印度洋環流的影響會出現較大的溫度梯度，可能會發生鋒面；爪哇島西南有爪哇沿岸流，可能是影響當地發生鋒面的原因。

圖2 東印度洋季風帶海域溫度鋒月空間分布示意圖

2.1.1 溫度鋒空間分布月變化 由圖2可以發現研究區溫度鋒空間分布存在較明顯的月變化，以赤道為界將研究區劃分為南部和北部，1—4月份及12月鋒面主要分布于研究區北部，5—8月研究區南北部發生的鋒面相當，9—11月鋒面主要發生在南部，北部檢測到相對較少的鋒面。1月鋒面主要分布在孟加拉灣北部20°～23°N，86°～94°E范圍內及安達曼海北部15°～17°N，94°～97°E海域，鋒面點分布較密集；2月份除孟加拉灣北部溫度鋒外，在尼科巴群島南部7°～10°N，92°～95°E及爪哇島南部海域檢測到少量鋒面；3月份鋒面數量及延伸范圍大幅度減少，僅在孟加拉灣北部和尼科巴群島附近檢測到極少數鋒面，是該區域全年鋒面最不活躍的時期；4、5月份北部鋒面開始增多，南部也檢測到小范圍鋒面，4月在孟加拉灣北部及安達曼海及其周圍海域檢測到鋒面，5月鋒面主要分布于孟加拉灣、斯里蘭卡東南部、保克海峽，安達曼海北部也檢測到少量鋒面；6—8月在孟加拉灣北部、安達曼海北部、?？撕{、斯里蘭卡東南部及爪哇島南部海域檢測到鋒面，這期間北部鋒面逐漸減少，南部鋒面開始逐漸發育；到9、10月南部鋒面分布范圍達到最大，可覆蓋3°～10°S，101°～117°E的沿岸海域，此時北部檢測到的鋒面很少，10月達到最少；11月南部鋒面呈現減少趨勢，但仍在較大范圍內檢測到，北部鋒面開始出現，到12月范圍擴大到與1月相差不大，此時南部的鋒面消失。整體看來3、4月為研究區鋒面存在最少的時期，5—10月南部鋒面逐漸發展成熟，范圍擴大，5°～15°N一帶的溫度鋒也主要發生在這一時期，11月最北部鋒面開始發展，到次年2月為成熟期，南部鋒面則減少甚至無法探測到。不同緯度帶受季風影響，盛行的洋流不同。有研究表明風可以通過影響海氣熱量交換從而導致鋒面的物理過程變化[24]，東印度洋區域盛行東亞季風，具有明顯的季節變化，這可能是影響研究區鋒面變化的一個重要因素。

2.1.2 各溫度鋒平均強度、長度月變化 Blekin等(2007)研究了孟加拉灣海域溫度鋒[22]，本研究檢測到的北部鋒面與其結果基本一致，鋒面名稱使用該文定義的名稱，而南部爪哇島附近的溫度鋒目前沒有明確的命名[25]，本研究暫稱其為爪哇島鋒。在此基礎上統計了1—12月各鋒面發生的數量(圖3a)，并計算了平均梯度來衡量各溫度鋒的強度變化情況(圖3b)，提取了鋒面中心線并計算長度得到結果如表1所示。

圖3 東印度洋季風帶海域鋒面點數量及平均強度

表1 東印度洋季風帶海域月平均溫度鋒中心線長度統計表

位于孟加拉灣北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒是一個全年存在的鋒面，大體呈西南-東北走向，12、1、2月分布范圍最廣，超過50個鋒面點，3月份僅檢測到不足10個鋒面點，4—10月呈小幅度減少趨勢，鋒面點由超過20個減少到不足10個，11月開始增加，到12月趨于成熟。該鋒面相鄰月平均強度差值最大超過0.02 ℃/km，全年強度最大值和最小值的差異高于0.03 ℃/km，其中1月強度最大，接近0.07 ℃/km，隨后強度有較劇烈的上下波動，4月小于0.04 ℃/km，為全年最弱，6月之后強度變化較之前稍小，依然呈波浪型擺動。鋒面中心線12、1、2月最長，均在600 km以上，3月最短，僅不足10 km，4—10月份該溫度鋒中心線長度不斷減少，由515.76 km縮短到23.57 km，11月開始有所增加，隨后達到成熟時期。該鋒在東北季風盛行時期點數量、強度、中心線長度均處在全年較高水平。

爪哇島鋒是研究區內除恒河-雅魯藏布江河口鋒外存在時間最長的鋒面，在爪哇島西南岸附近呈西北-東南走向，4—11月可檢測到，4月該鋒開始發展，至8月鋒面點增加到40左右個，9月到達成熟時期，鋒面點超過100個，到11月呈減少的趨勢，但檢測到60個以上鋒面點，到12月未能檢測到。該溫度鋒強度變化相對較為平緩，基本在0.035～0.045 ℃/km之間變化。4月到9、10月份鋒面中心線長度呈現增長趨勢，從22.49 km逐漸增加到9月的1 249.99 km，達到全年最長，之后的兩個月有小幅度減少。該鋒主要活躍在西南季風盛行時期及西南季風與東北季風的過渡時期。

Palk海峽鋒分布于印度東南角保克海峽以北海域，僅在西南季風盛行的5—9月可檢測到，鋒面點數量變化不大，主要在9°～12°N，80°～81°E范圍內沿緯向分布，鋒面點數量也在10個左右上下浮動。5月強度最大，超過0.04 ℃/km，其他月份在0.030～0.035 ℃/km之間擺動。鋒面中心線長度5—8月呈逐漸縮短的趨勢，最長時為154.09 km，最短為67.67 km。

東錫蘭鋒與Palk海峽鋒相距不遠，位于斯里蘭卡東南側，該鋒僅在西南季風盛行的5、6、8、9月可檢測，且變化幅度不大，主要在5°～7°N，81°～83°E的海域內呈西南-東北走向分布，鋒面發生點數少于5，且7月份未能檢測到。鋒面強度變化很小，基本在0.03 ℃/km左右。鋒面長度相對較短，最長時中心線不超過100 km，6月最短時僅為13.11 km。

安達曼海北部94°～98°E海域內的伊洛瓦底江河口鋒主要發生在西南季風盛行時期，形態相對不規則，東北季風盛行的12、1月也可檢測到該鋒面，此時鋒面主要呈西南-東北走向分布，6月檢測到的鋒面點數量最多，超過20個，此時強度最高可達0.045 ℃/km左右，12月最小約為0.030 ℃/km。6月鋒面中心線為全年最長，約298.68 km，1、5月長度也可達100 km以上，其他月份均少于50 km。

東印度洋海域受季風影響，冬夏環流不同，海水運輸趨勢整體上是相反的，這種環流的差異造成了兩季海表溫、鹽等要素的分布不同[26]。綜合來看，整個研究區內西南季風盛行的5—9月，鋒面點數量較多，可以檢測到全部5個鋒面，此時各個鋒面的平均強度均在0.03～0.05 ℃/km之間變化，各鋒面的發生的鋒面點數量約在50個以內，西南季風后期爪哇島鋒發育，到9月點數量達到最高，超過100，長度達到接近1 250 km。這一時期5°～10°N及5°～10°S的溫度鋒在全年中表現相對活躍，15°～20°N一帶的鋒面也在西南季風盛行時期相加強盛，最北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒相對較弱，處于該鋒面的衰退期；東北季風盛行的11月至次年3月，研究區內可檢測到3個溫度鋒面，分別為位于最北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒、位于15°～20°N一帶的伊洛瓦底江河口鋒和研究區最南部的爪哇島鋒，這一時期是20°N以北鋒面發生的強盛時期，鋒面點數量大部分時間超過50個，中心線長度在多半時間超過600 km，平均強度也高于0.04 ℃/km，15°～20°N的鋒面存在時間較短，僅有2個月檢測到，且此時該區域鋒面點數量較少，不足20個，平均強度也處于較低水平，不超過0.035 ℃/km，最南部的鋒面僅在東北季風發生初期的11月檢測到。由此可見，不同季風盛行時期研究區內溫度鋒面點數量、平均強度、長度均存在著明顯的變化，不同區域的鋒面在不同季風盛行期間有著不同的表現，季風是影響研究區溫度鋒面變化的一個重要因素。

2.2 典型溫度鋒面點數量和平均強度年際變化

基于“2.1.1”、“2.1.2”可以發現位于孟加拉灣北部20°N以北的恒河-雅魯藏布江河口鋒和位于爪哇島西南側4°～10°S的爪哇島鋒是整個研究區存在時間最長、發生范圍最廣的兩個鋒面，分別位于不同維度帶，活躍于不同的季風盛行時期，是研究區內具有代表性的兩個溫度鋒，本研究以這兩個鋒面為例進一步研究東印度洋季風帶海域溫度鋒年際變化。

2.2.1 典型溫度鋒空間分布年際變化 基于2000—2017年MODIS-Terra逐年平均SST數據檢測溫度鋒，提取2個典型鋒的中心線(圖4)。兩個溫度鋒主要沿海岸線分布于近岸地區，空間位置分布與形態較穩定，年際變化不大。恒河進入孟加拉國后與雅魯藏布江交匯并注入孟加拉灣，與周圍海水相互作用形成研究區北部的恒河-雅魯藏布江河口鋒，圖4a展示了該溫度鋒18年來的空間位置分布情況，可以發看到鋒面東段空間位置及形態非常穩定，變化很小，而西段(尤其是88°～89°E處)垂直于其走向的方向上可以看到較明顯的變化，發生了將近1°的位置變動；南部爪哇島鋒的形態整體比較穩定(圖4b)，基本沿爪哇島陸架分布，106°、108°～110°E處存在不超過0.5°的擺動，其余海域變化較小，部分年份檢測到的鋒面可延伸至蘇門答臘島西側。

圖4 東印度洋季風帶海域主要鋒面中心線的年際變化示意圖

2.2.2 典型溫度鋒強度、長度年際變化 由兩個典型溫度鋒每年發生的點數量(圖5a)、平均強度(圖5b)及中心線長度(表2)可以發現，恒河-雅魯藏布江河口鋒每年發生數量均大于20，相鄰年之間變化相對緩和，不超過15，鋒面中心線長度總體在500～750 km之間變動，表明鋒面空間分布范圍大小相對穩定，鋒面平均強度高于0.05 ℃/km，但不同年份之間強度存在一定差異，大部分年份強度在0.06 ℃/km左右，個別年份超過0.075 ℃/km，2012年高于0.08 ℃/km，相鄰年間變化幅度最高超過0.03 ℃/km。爪哇島鋒鋒面點數量年際變化幅度較大，基本在10～100之間呈鋸齒狀變化，2006年檢測到超過120個，相鄰年之間差值最多超過100個，鋒面長度短時僅不足30 km，最長可達2 000 km以上，該鋒的平均強度整體上略低于北部溫度鋒，基本在0.04 ℃/km附近擺動，年際變化較小，相鄰年份變化不超過0.01 ℃/km。

兩個典型鋒的點數量和長度大體上呈相反的變化趨勢，恒河-雅魯藏布江河口鋒數量、長度增加時爪哇島鋒的數量和長度呈減少趨勢，這樣的現象可能是由于兩個鋒面分布的緯度位置不同，發生的季風環流不同，不同年份季風及洋流的強弱、存在的時間等可能都會影響鋒面的變化。

3 結論

本研究基于2000—2017年MODIS-Terra氣候態月平均SST數據檢測了東印度洋季風帶海域溫度鋒并統計研究區內各鋒面發生的數量、平均強度及鋒面中心線長度，分析了鋒面時空變化情況；基于逐年平均SST數據，討論了研究區內兩個典型溫度鋒的年際變化情況，主要結果如下：

圖5 2000—2017年東印度洋季風帶海域典型鋒鋒點數量及平均強度

表2 2000—2017年東印度洋季風帶海域典型鋒鋒面中心線長度統計表

(1)東印度洋季風帶海域3、4月為鋒面最不活躍的時期，5—10月南部鋒面發展并逐漸趨于成熟，空間分布范圍增加，此時最北部鋒面則呈減弱的趨勢；11月最北部的溫度鋒開始發展，12月到次年2月為其成熟期，南部鋒面則減少甚至某些月份無法探測到。

(2)統計研究區各溫度鋒每月發生的數量、平均強度及中心線長度，發現恒河-雅魯藏布江河口鋒全年存在，12、1、2月分布范圍、數量、鋒面中心線長度均處于較高水平，長度最多接近700 km，4—10月漸弱，11月開始增加，鋒面強度全年不斷變化，東北季風時期相對較強盛；爪哇島鋒存在于4—11月，4—8月該溫度鋒的分布范圍、數量、長度、強度均逐漸增長，在西南季風盛行時更為活躍；Palk海峽鋒在西南季風盛行的5—9月可檢測到，鋒面范圍、強度變化不大，長度逐漸減短；東錫蘭鋒存在時間相對較短，僅在西南季風盛行時可檢測到，整體長度較短，各項指標變化均相對較??；伊洛瓦底江河口鋒主要發生在西南季風時，此時強度、長度相對東北季風時較高。

(3)恒河-雅魯藏布江河口鋒和爪哇島鋒的空間位置年際變化不大，恒河-雅魯藏布江河口鋒鋒面點數量相對更加穩定，長度在500～750 km之間變動，平均強度存在相對較大的變化，變化幅度最高超過0.03 ℃/km；爪哇島鋒點數量、長度存在較大的變化，鋒面點數量從10到130個不等，長度在30～2 000 km之間變化，但鋒面平均強度比較穩定，年際變化不超過0.01 ℃/km。兩個溫度鋒的長度、數量的變化存在一定的負相關關系。