西-亞北極鋒季節及年際特征分析

朱科瀾，陳希，毛科峰，王彥磊，張芳苒，白志鵬，姚小海

（1.中國人民解放軍61741 部隊，北京 100081；2.國防科技大學 氣象海洋學院，江蘇 南京 211101）

亞北極鋒（The Subarctic Front，下文簡稱SAF）（Sugimoto et al，2014；Kitano，1975；Uda，1963；Roden et al，1988） 是黑潮延伸體北支（KFNB）與親潮（OY）交匯形成的鋒面，是西北太平洋永久存在的熱鹽結構（Yuan et al，1996），主要表現為位于40°N附近的強海表面溫度（SST） 梯度（Sugimoto et al，2014）。Sugimoto 等（2014）發現SAF 長期存在東、西兩個鋒面，將位于146°F-152°F，162°F-171°F 之間的SAF 分別定義為西-亞北極鋒（Western Subarctic Front，WSAF）和東-亞北極鋒（Fastern Subarctic Front，FSAF）。

SAF 影響著周邊海域乃至西北太平洋水體性質，其使南向的親潮流在40°N處轉向為東向流（Reid，1973），并在鋒區附近形成了廣泛分布于西北太平洋的北太平洋中層水（North Pacific Intermediate Water， NPIW） （Hasunuma， 1978；Masujima et al，2009）。此外，SAF 強度與位置的季節變化對該海域的海洋動力環境和海氣相互作用還有重要影響。Nakamura 等（1997；2003）的研究表明，SAF 區域的SST 異常變化較大，以10 年周期為主，低頻的SST 變化與SAF 南北移動有關（Nakamura et al，2003；Frankignoul et al，2012）；Frankignoul 等（2012）研究發現，SAF 南北移動的周期主要為10 年的時間尺度，并指出這是由于海盆尺度的海面風變化調整了海洋動力機制所致。

圖1 西北太平洋35 年平均SST 梯度分布

近年來，利用新資料的SAF 氣候特征研究較少，基于此，本文選用1982-2016 年連續OISST（Optimum Interpolation Sea Surface Temperature，AVHRR-only product） （Reynolds et al，2007） 資料計算西北太平洋SST 梯度分布，分析SAF 氣候特征。結果表明，SAF 位于143°F-172°F，38°N-44°N之間，從157°F 處分為東西兩部分，西部鋒區明顯強于東部鋒區，且南北跨度更大（圖1）。

對于不同季節，SAF 春夏秋冬四季均存在東、西兩支鋒區（圖2），且差異較顯著：冬季SAF 強度顯著高于其他季節，緯度跨度最小，分布位置最偏南，經度跨度大；夏季SAF 強度在四個季節中最弱，緯度跨度最大，分布位置最偏北，經度跨度較小；春、秋兩季SAF 強度相當，低于冬季，顯著高于夏季。

SAF 海區穩定存在著WSAF 和FSAF，WSAF強度顯著高于FSAF，延伸范圍更廣；同時，WSAF 位于黑潮-親潮交匯區（The Kuroshio-Oy ashio Confluence Region， KOCR） （Mitsudera et al，2004；Sugimoto et al，2014）鄰近海域，該海區海氣相互作用強，對氣候調節意義重大，并且與北太平洋中層水的形成密切相關；此外，WSAF 及鄰近海區位于日本以東，了解該海區的水文環境特征具有重要的戰略意義，因此，研究WSAF 及鄰近海域意義重大。

目前，國內外關于WSAF 強度與位置的季節變化的研究還相對較少，海洋遙感資料數量的增加和分辨率的提高，為開展這方面的研究提供了條件。為此，本文開展了不同季節的WSAF 強度與位置的變化特征分析，初步探討不同季節WSAF強度與KOCR 水體性質的關系以及不同季節WSAF強度年際變化與KOCR 內海溫的關系。

1 數據及方法介紹

本文選用連續35 年（1982-2016 年) OISST 日平均資料，時間分辨率為1 天，水平空間分辨率為0.25°），采用梯度法（Yuan et al，1996；Moore et al，1997；劉傳玉等，2009）獲取鋒面的位置與強度，溫度梯度計算公式如下：

式中，GMT為溫度梯度，T 為海水溫度。采用梯度法直接計算的梯度值易受數據精度和誤差的影響，為突出大尺度SAF 變化特征，這里分別對緯向和經向的溫度數據采用50 km、100 km 尺度的平滑以去除中小尺度過程的影響。

圖2 西北太平洋季節平均SST 梯度分布

為了表征WSAF 強度與位置的變化特征，WSAF特征強度采用Sugimoto 等（2014） 提出的方法，將37°N-45°N，146°F-152°F 之間的最大水平溫度梯度作為WSAF 強度值。對于WSAF 平均位置的確定，Sugimoto 等人將最大水平溫度梯度所在的緯度作為WSAF 的平均位置。但考慮到WSAF 自西向東鋒面逐漸北移，直接選取最大水平溫度梯度作為WSAF 的平均位置并不能較好地描述WSAF 的實際分布，我們在平均位置選取方法上進行了改進：先獲取37°N-45°N，146°F-152°F 范圍內每個經度對應的最大水平溫度梯度值的緯度，然后將得到的緯度值平均后作為WSAF 的平均位置，這樣選取的WSAF 平均位置更能凸顯不同季節WSAF的分布特征。

2 結果

2.1 WSAF 強度的季節變化特征

基于35 年不同季節WSAF 強度數據，分析各季節WSAF 強度年變化特征，結果表明，WSAF 冬季強度最大、春秋次之，夏季最小，春夏秋冬平均強度分別為0.042、0.029、0.041、0.047 ℃/km（圖3a）；同時，WSAF 各季節35 年最大強度與最小強度之差依次為0.031、0.02、0.027、0.036 ℃/km，也表現出冬季最大，春秋次之，夏季最小的特征。

從時間上看，1982—2016 年，WSAF 強度逐漸升高（圖3a、3c），其在2005—2007 年增幅最大，約0.015°C/km，使2007 年后的鋒強度顯著高于之前的年份（圖3a、3c）。不同季節WSAF 強度分別在2016（春）、2015（夏）、2016（秋）、2015（冬） 年達到了最大值，分別為0.065、0.043、0.058、0.069°C/km；春夏秋冬WSAF 強度分別在2003、1993、1993、1991 年最小，分別為0.034、0.023、0.031、0.033°C/km，詳細可見表1。

從空間上看，146°F-152°F，各季節WSAF 強度先增加后減小，最大鋒面強度出現在149°F 附近（圖3b、3d）。不同季節WSAF 強度經向分布表明（圖3b），各季節最大強度值分別位于149.2°F、149.3°F、149.2°F 和148.7°F 處。

為深入分析35 年不同季節WSAF 強度變化規律，通過最大熵譜法分析了各季節35 年WSAF 強度變化周期，各季節強度變化周期表明（圖4a），春季WSAF 強度變化以12 年周期為主，夏季以3、7 年周期為主，秋季以準9 年周期為主，冬季以8年周期為主（表1）。

圖3 WSAF 強度季節變化（a）與不同季節WSAF 強度空間分布（緯向） （b）WSAF 強度月變化（c）與不同月WSAF 強度空間分布（緯向） （d）

表1 1982-2016 年不同季節WSAF 強度與變化周期

2.2 WSAF 平均位置的季節變化特征

基于35 年不同季節WSAF 平均緯度數據，分析各季節WSAF 平均位置年變化特征，結果表明，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 年平均分布緯度分別為40.7°N、41.5°N、40.6°N、40.3°N（圖5a）；同時，WSAF 各季節35 年最高緯度與最低緯度之差依次為2.2、3.2、1.8、0.6°，也表現出夏季最大，春秋次之，冬季最小的特征。

從時間上看，1982—2016 年，WSAF 位置緩慢南移（圖5a、5c），年平均緯度由40.3°N降至40°N，其在1992—1995 年的減幅最大，約0.5°N（圖5a、5c）。春夏秋冬WSAF 分別在2000、1992、1989、1997 年分布最偏北，各季節對應的最高緯度分別為41.9°N、43.3°N、41.6°N、41.2°N；春夏秋冬WSAF 分別在2011、1995、2003、1997 分布最偏南，各季節對應的最低緯度分別為39.7°N、40.1°N、39.8°N、39.6°N，詳細可見表2。

從空間上來看，146°-152°F，各季節WSAF分布緯度逐漸北移（圖5b、5d）。不同季節WSAF平均緯度的經向分布表明（圖5b），春夏秋冬WSAF 在146°F 處平均緯度依次位于40.1°N、41.4°N、40.7°N 和39.8°N，隨著經度值增加，到152°F 處，春夏秋冬WSAF 平均緯度依次位于41.6°N、42.3°N、41.5°N 和41.3°N 處。

圖4 WSAF 強度（a）與平均位置（b）季節變化的最大熵譜分析

表2 1982—2016 年不同季節WSAF 位置分布與變化周期

圖5 WSAF 平均位置（a）季節變化與不同季節WSAF 平均位置（b）空間分布（緯向）WSAF 平均位置（c）月變化與不同月WSAF 平均位置（d）空間分布（緯向）

為深入分析35 年不同季節WSAF 位置變化規律，通過最大熵譜法分析了各季節35 年WSAF 平均位置變化周期，各季節平均位置變化周期表明（圖4b），春季WSAF 平均位置變化以4、8 年周期為主，夏季以4、6、8 年周期為主，秋季以2、5、15 年周期為主，冬季以13、21 年周期為主（表2）。

3 討論

3.1 不同季節WSAF 強度與KOCR 水體性質的關系

黑潮延伸體、親潮兩支水團差異明顯，受季節影響大，WSAF 在強度上有冬強夏弱，分布位置上有冬南夏北的特征，這種變化是由于KOCR 內不同季節水體溫度差異所造成的。對于KOCR 海區水體性質對WSAF 的影響，Sugimoto 等（2014）計算了KOCR（這里特指KOCR 中37°N-40°N，146°F-152°F 的區域） （Mitsudera et al，2004；Sugimoto et al，2014）內，WSAF 年平均下強鋒年與弱鋒年的混合率，發現在強鋒年交匯區內水體性質更接近于黑潮延伸體，弱鋒年交匯區內黑潮延伸體特性不顯著。

不同季節WSAF 強度與KOCR 水體性質的關系目前還沒有研究成果，為分析這種關系，本文通過計算不同季節的黑潮-親潮混合率（下文簡稱混合率） （Kono，1998；Shimizu et al，2001），并以70%混合率等值線為例（Sugimoto et al，2014）進行研究，混合率計算公式為：

圖6 WSAF 周邊海域年平均海面黑潮混合率（顏色圖）分布

式中，rθ為溫度混合率，rθ數值越高，表明KOCR內水體性質越接近黑潮延伸體特性，反之，水體性質越接近親潮；θ 為研究海區的海表面溫度，θk為海面黑潮水溫度，通過對141°F-141.5°F，34.5°N-35°N海區溫度平均得到，海面親潮水溫度θo通過對147.5°F-148°F，43°N-43.5°N 海區溫度平均得到（Sugimoto et al，2014）。

不同季節混合率計算結果表明，春夏秋冬KOCR 內平均混合率分別為63%、71%、65%和55%；70%混合率等值線分別位于37.5°N、38.5°N、37.6°N 和37°N 附近（圖6）。在WSAF 強度弱，平均位置偏北的夏季，KOCR 內平均混合率高，交匯區內水體性質接近于黑潮延伸體；而在WSAF 強度高，平均位置偏南的冬季，交匯區內平均混合率偏低，親潮水在KOCR 內所占比例顯著提高。

混合率變化直觀反映了KOCR 水體性質變化。在冬季，KOCR 鄰近海溫較低，溫度均一的親潮冷水舌向南入侵十分明顯，而黑潮延伸體主軸（15°C等溫線） （Kawai，1972） 南移至37°N 附近（圖2a），冷暖水強烈對峙使38°N-43°N之間的梯度異常大，在親潮冷水舌的外沿形成了較強的WSAF。夏季，海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑的變化使42°N以南水體基本都高于15°C，體現出強烈的黑潮延伸體性質；親潮冷水舌受太陽輻射以及黑潮延伸體影響，增溫顯著（圖2），溫度梯度減小，并被向西壓縮至日本沿岸一側，導致了夏季WSAF強度弱，分布較偏北偏西的特征。

此外，黑潮延伸體脫落的渦旋或許也是改變KOCR 及鄰近海域水體性質的重要因素。多個研究表明，渦旋攜帶黑潮水進入KOCR （Itoh et al，2010），從而影響KOCR 的水體性質，這些渦旋主要由黑潮延伸體路徑不穩定性（Sugimoto et al，2011；Qiu et al，2010；Xu et al，2011） 所產生。夏季是黑潮延伸體海區渦旋活動最強的季節（胡冬臣等，2018），反氣旋渦源源不斷地將暖水攜帶至北側（張笑等，2013）的KOCR 中，致使該海區迅速增溫并進一步侵蝕親潮水團，稀釋冷水，減弱了WSAF 強度。

因此，海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑變化以及黑潮延伸體渦旋等的作用改變了KOCR 海區水體性質，使海溫分布發生較大改變，最終導致了不同季節WSAF 強度、位置的變化，直觀表現為：KOCR 內水體性質接近黑潮延伸體時，WSAF 強度小，鋒面分布偏北；KOCR 內親潮水所占比例增加，交匯區內黑潮延伸體特性不顯著時，WSAF 強度大，鋒面分布位置偏南。

3.2 不同季節WSAF 強度年際變化與KOCR 內海溫的關系

WSAF 強度季節變化與KOCR 內海溫密不可分，但不同季節內WSAF 強度年際變化與KOCR內海溫關系尚不明確。為了解是否與WSAF 強度季節變化有類似特征，將KOCR 內春、夏、秋、冬季SST 進行FOF 分解，選取最能反映各季節海溫變化的第一模態時間系數（圖7，均通過North顯著性檢驗） （North et al，1982），并以之計算與各季節WSAF 強度的相關系數（表3），結果表明，各季節內WSAF 年際變化與KOCR 內海溫相關性并不顯著，除冬季外，其他三個季節都呈負相關關系，直接表現為：春、夏、秋三個季節，隨著KOCR 內海溫升高，WSAF 強度減弱，而冬季WSAF 強度隨之升高而增強。該結果反映出不同季節內WSAF 強度年際變化與WSAF 強度季節變化特征差異顯著。

此外，各季節方差貢獻率同第一模態時間系數與WSAF 強度的相關系數以及變化周期還存在某種關聯，根據表3，方差貢獻率最高的夏季，海溫變化與WSAF 強度呈相對顯著的負相關性；對于其他季節，隨著方差貢獻率的降低，海溫變化與WSAF 強度的負相關性減弱，方差貢獻率最低的冬季，相關性變為28%；關于海溫變化周期，僅冬季與WSAF 強度周期較一致。這種現象的出現可能與各季節第一模態方差貢獻率有關，方差貢獻率越大，越能反映海溫的真實變化，且引起變化的因素越單一，反之，引起海溫變化的因素越復雜。更深層次的原因可作為以后研究的重點方向。

表3 1982-2016 年不同季節KOCR 內SST EOF 分析第一模態時間系數部分信息

總之，各季節內WSAF 年際變化與KOCR 內海溫相關性不顯著，不同季節特征區別明顯，不同季節內WSAF 強度年際變化與WSAF 強度季節變化特征差異顯著。

圖7 KOCR 內SST EOF 分析第一模態時間系數

4 結論

本文基于OISST 資料，采用梯度法分析了WSAF 強度與位置的季節及年際變化特征，計算了黑潮-親潮混合率，探討了WSAF 強度變化與KOCR 內水體性質的關系，并利用FOF 分析探尋了WSAF 強度年際變化與KOCR 內海溫的關系，得到以下結論：

（1） WSAF 位于146°F-152°F，37°N-45°N，冬季WSAF 強度、強度變化最大，平均位置最靠南、位置變化最小；夏季WSAF 強度、強度變化最小，平均位置最靠北、位置變化最大；在時間上，1982-2016 年，WSAF 強度逐漸增強，WSAF平均分布位置逐漸緩慢南移；在空間上，各季節WSAF 強度最大值位于149°F 附近，WSAF 平均位置自西向東不斷北移。

（2）根據混合率的計算結果，KOCR 內水體性質接質接近黑潮延伸體時，WSAF 強度小，鋒面分布偏北；KOCR 內親潮水所占比例增加，交匯區內黑潮延伸體特性不顯著時，WSAF 強度大，鋒面分布位置偏南；不同季節水體性質改變的主要原因是海面凈熱通量、黑潮延伸體路徑變化以及黑潮延伸體渦旋等的作用。不同季節內WSAF 強度年際變化與WSAF 強度季節變化特征差異顯著，各季節內WSAF 年際變化與KOCR 內海溫相關性不顯著，春、夏、秋季，隨著KOCR 內海溫升高，WSAF 強度減弱，而冬季WSAF 強度隨KOCR 內海溫升高而增強。