（自然地理学专业论文）东海pn断面及邻近海域温盐及化学要素月季变化特征研究.pdf

上海师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 海洋对气候的调节主要通过海洋温盐结构的变化、海水的流动以及海洋与大 气的交换来实现。海水的温盐场不仅是研究海面水汽和热量交换的重要物理参 数，也是海洋环流、水团、海洋锋、上升流和海水混合等海洋学研究的直观指示 量。 本文以东海p i n 断面为例，利用2 0 0 7 年美国国家海洋大气管理局( n o a a ) 发布的全球海域数据库资料，借助m a t l a b 计算机数据图形开发软件，研发切 面可视技术，将该断面温盐及化学要素分布进行二维、三维可视化，直观的展示 海洋水文及化学要素的年变化过程，从技术上推动了海洋温、盐、营养盐三维结 构研究的发展。研究首先提取p n 断面夏季温度特征与前人观测研究进行比较， 结果显示在该断面夏季分布的总特征与前人的研究结果基本一致，证明可以利用 该方法进行断面温盐月季变化研究，然后进一步对断面各月温盐和化学要素分布 特征进行分析研究。主要结论如下： ( 1 ) p n 断面温度分布显示，p n 断面西北的长江冲淡水区和黄海沿岸流温 度低于其它海流，主要表现为1 4 月份；3 月份，近岸1 2 3 5 1 2 4 0 e ，3 1 0 n 附近 出现一个暖涡，深度在o 5 0 米；台湾暖流各月均存在，主要沿1 2 3 1 2 4 0 e 左右 的1 0 0 米等深线输送，6 月份范围达到最大，可达到3 1 0 n 附近；黑潮内部沿其 流向呈现高温舌状结构，位置较流核偏右约o 5 个经度；黑潮右侧的逆流，表现 为冷涡的一部分，温度显示低于周围0 2 以上，夏季温度表现不明显。 ( 2 ) p n 断面盐度分布显示，近岸长江冲淡水主体并没有流经p n 断面，以 3 2 等盐线作为长江冲淡水影响的范围界限，5 8 月其范围可达到1 2 3 5 0 e 以东， 影响深度为o 1 5 米。此外黑潮及以东海区温盐性质表明，黑潮及琉球海流通过 琉球群岛之间的通道进行水交换。 ( 3 ) p n 断面化学要素分布显示：化学要素高浓度区主要分布在长江冲淡水 作用区和黄海沿岸流区、江浙近岸上升流区和济州岛附近，表现为明显的月变化， 并与温度变化相反；除夏季外，黑潮区表层营养盐浓度表现为低浓度水舌结构； 次表层氧含量高于表层，跃层和水团是其出现的主要原因。 关键词：东海；p n 断面；温度；盐度；氧含量；磷酸盐；硅酸盐 上海师范大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h ei n f e c t i o no ft h eo c e a n st ot h ec l i m a t e ，i sp r i m a r i l yt h r o u g ht h ec h a n g e so ft h e o c e a nt e m p e r a t u r e 、 s a l i n i t y 、 w a t e rf l o w sa n dt h ee x c h a n g eb e t w e e no c e a na n d a t m o s p h e r e s e a w a t e rt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y i sn o t o n l yi m p o r t a n tp h y s i c a l p a r a m e t e r si nt h er e s e a r c ho ft h es e aw a t e rv a p o ra n dh e a te x c h a n g e ，b u ta l s oad i r e c t i n d i c a t eo f t h es e af l o w s 、w a t e rm a s s e s 、o c e a nf r o n t 、u p w e l l i n ga n dw a t e rm i x e d i nt h i sp a p e r ，f o rr e s e a r c h i n go fp ns e c t i o ni nt h ee a s tc h i n as e aa sa ne x a m p l e ， b a s e do nt h eo c e a nd a t a b a s e ，w h i c hi s s u e db yt h ea m e r i c an a t i o n a lo c e a n i c a t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n ( n o a a ) i n2 0 0 7 ，u s e dm a t l a bc o m p u t e rs o f t w a r e ， d e v e l o p e ds e c t i o n v i s u a l i z em e t h o d ，d i s p l a yt h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r e ， s a l i n i t ya n dc h e m i c a le l e m e n t sw i t ht w o d i m e n s i o n sa n dt h r e e - d i m e n s i o n s f i r s to fa l l ， u s e dt h es u m m e rt e m p e r a t u r ec o m p a r e d 谢t i lp r e v i o u ss t u d i e s ，t oe n s u r et h em e t h o d c a nb eu s e d ，a n dt h e nr e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r e ，s a l i n i t ya n d c h a r a c t e r i s t i c sw i t hm o n t h t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b yt h ea n a l y s i so ft h em o n t h l yc h a n g e so ft h et e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yo nt h e p ns e c t i o n ，i ti sf o u n d ，f r o mj a n u a r yt oa p r i l ，t h ea r e ao fy a n g t z ed i l u t e dw a t e ra n d y e l l o ws e ac o a s t a lh a sal o wt e m p e r a t u r e t h et a i w a nw a r mc u r r e n te x i s t sa l lm o n t h s ， m a i n l ya r o u n d12 3 o e ，a n dt r a n s p o r ta l o n gt h e10 0 - m e t e ri s o b a t h s ；e s p e c i a l l yi nj u n e ， i tc a nr e a c ht on e a r31 on t h ek u r o s h i oe x i s t e n t s i nt h es o u t h e a s ta r e a , t h e t e m p e r a t u r ei ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h eo t h e rc u r r e n t s ，f o r mah i g h - t e m p e r a t u r e w a t e rt o n g u e ( 2 ) s a l i n i t yd i s t r i b u t i o ns h o w st h a tt h ec o a s t a ly a n g t z ed i l u t e dw a t e rf l o w si sn o t t h r o u g ht h ep ns e c t i o n ，a n dt h ei m p a c tt ot h ee a s tc h i n as e ai sw i t h i nd e p t ho f15 m e t e r s c o m b i n e d 谢t l lp r e v i o u ss t u d i e s ，t h ek u r o s h i oi nt h ee a s tc h i n as e as h o w s t h es a m ei d e n t i t y i tr e f l e c t st h a tt h ew e s t e r nn o r t hp a c i f i ca n dt h ek u r o s h i oc u r r e n t t h r o u g ht h ec h a n n e lb e t w e e nt h er y u k y ui s l a n d sf o rw a t e re x c h a n g e ( 3 ) t h ed i s t r i b u t i o no fc h e m i c a le l e m e n t sa l o n gp ns e c t i o ns h o w st h a t ：o x y g e n ， p h o s p h o r u s ，s i l i c o ne o n t e n ti nt h ek u r o s h i oa r e ai sl o w ，s u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s i s i i i 摘要上海师范大学硕士学位论文 l o w - n u t r i e n t ，s h o w i n gat o n g u ef l o w sa l o n gt h ek u r o s h i o t h eh i g hc o n c e n t r a t i o n a r e a sa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nt h ey a n g t z ed i l u t e dw a t e r , y e l l o ws e aa l o n gt h ef l o w a r e a , a n dz h e j i a n gu p w e l l i n ga r e a t h e r ei sa l li n v e r s ec o r r e l a t i o nd i s t r i b u t i o n b e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dc h e m i c a le l e m e n t so nt h es u r f a c e k e y w o r d s ：e a s tc h i n as e a ；p ns e c t i o n ；t e m p e r a t u r e ；s a l i n i t y ；o x y g e nc o n t e n t ； p h o s p h a t e ；s i l i c a t e i v 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名：害救 日期：知。，奠i 中 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：安数导师签名：艮& 妖日期：) 口。7 1 ￥ 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 科学背景 第一章绪论 当前气候变化已引起各国的普遍关注，在“气候变化”问题中，气候的预报 和预测是核心问题( i p c c ，2 0 0 7 ) ，目前迫切需要了解的是季节、年际和年代际 尺度的气候变异。由于大气本身记忆力很短，而海洋的动量和热量具有巨大 的惯性，海洋动力学研究已成为气候系统的一个关键部分，不深入了解海洋的 环流和水文结构，就不可能深入理解气候的波动。海洋对气候的调整机制主要 通过海洋水文( 温盐) 结构的变化、海洋的流动以及海洋与大气的交换来实现， 因此海洋温盐结构及海流的研究已经成为气候研究的主要内容。海洋环流是海 洋中最重要的运动形态，不仅控制着水体和物质的输运与扩散，形成海水温度 和盐度的时空分布，还影响着海洋中的物理、化学、生物和沉积过程。海岸带 的资源开发、环境保护特别是海上军事活动，在很大程度上受到近海海洋环境 尤其是海洋环流及其变异的影响。海水的温盐场不仅是研究海面水汽和热量交 换的一个重要物理参数，也为海洋环流、水团、海洋锋、上升流和海水混合等 海洋学研究提供一种直观的指示量。 国际上，过去2 5 年中，世界气候研究计划( w c r p ) 通过实施热带海洋与 全球大气计划( t o g a ) 、世界大洋环流实验( w o c e ) 、全球能量与水循环实 验( g e w e x ) 、气候变率及其可预报性计划( c l iv ：f l r ) 等项目，改进和扩大 了对全球和区域气候的认识，为深入了解重大气候过程的观测和研究奠定了基 础。以上项目的实施，验证完善了大洋环流理论，同时为海洋研究提供了长期 和系统的资料累积。 2 0 0 5 年3 月召开的以“海洋环境预测”为主题的香山科学会议，海洋学家苏 纪兰院士指出：预报和预测技术亟待提高已成为制约我国海洋环境预报的“瓶 颈”，我国目前对海流、盐度和跃层等海洋环境要素的业务化预报几乎是空白。 在科技部、国家海洋局组织编写的“2 l 世纪初中国海洋科技发展目标前瞻”中也 提出，急需开展海洋温度、海流三维结构等项目预报技术的研究与开发。因此， 我国也极为重视对海洋温盐环流的研究。在2 0 0 0 年到2 0 0 5 年的国家自然科学 第一章绪论 上海师范大学硕士学位论文 基金批准项目中，有关海洋温盐环流结构的有5 8 项，其中6 项是有关东海区域 的，主要集中在对东海黑潮研究上。国务院2 0 0 3 年9 月批准、2 0 0 4 2 0 0 9 年实 施的“我国近海海洋综合调查与评价”( 9 0 8 专项) ，以东海为基础调查区，其中长 江口、杭州湾和台湾海峡为重点调查区，物理海洋是其中的基本调查内容。近 几年国家重点支持的9 7 3 项目中，“东海黑潮结构变异及其与陆架水的相互作 用”项目，主要从三维空间研究东海黑潮的结构和变异，黑潮水与陆架水的中尺 度混合过程，及黑潮支脉的形成机制。东海黑潮及其相关研究已成为近年来的 研究热点。 1 2 研究意义 东海位于我国岸线中部的东方，是西北太平洋的一个边缘海。纵跨温带和副 热带，受大陆沿岸水和外海高温高盐水的影响，水文状况和化学特征复杂。本文 研究的p n 断面及延长面自东海西北角长江口到东南角琉球群岛附近，呈西北一东 南走向，与纬线成近3 7 0 交角。该断面跨越大陆坡、大陆架冲绳海槽，横切东海 黑潮主干。由长江口到外海依次通过长江冲淡水、黄海沿岸流、黑潮和琉球群岛 以东海流，并大体上位于黑潮所流经东海的中央地段。该断面中段是传统的东海 长期观测的标准断面，资料和研究成果较多，便于进行对比研究。 黑潮是沿着北太平洋西部边缘向北流动的一支强西边界流，相对于所流经的 海域来说，具有高温、高盐的特征，是大洋对陆缘浅海区环流的主要驱动力。黑 潮起源于菲律宾以东海域，是北赤道流的一个向北分支的延伸，主流沿巴士海峡 东侧北上，从台湾东岸苏澳至与那国岛之间进入东海，与陆架坡折处相遇，其主 轴右转后沿陆坡转向东北趋向稳定，此后，至奄美大岛以西约2 9 0 n ，1 2 8 0 e 附近 折向东，出吐噶喇海峡流入日本以南海域，最后汇入北太平洋海流。由于黑潮携 带了巨大的流量和热量，对我国及附近国家的气候、海洋环境、渔业资源、海上 航运和国防等社会和经济活动都具有重大的影响。因此，认识黑潮及其临近海域 的海洋学特性和变化规律，不仅具有重要的科学价值，而且具有重大的现实意义， 也是海洋气候渔业等共同关注的研究课题。其中台湾岛以北，吐噶喇海峡以南 的部分称为东海黑潮，它是黑潮的重要组成部分，其变化对于临近海域的水文变 化和我国东部沿海地区的气候变化都有重要影响。 2 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 东海黑潮处于东亚季风区内，冬季的东北季风和夏季的东南、西南季风是东 海黑潮季节性变化的直接驱动力，强风对海水的输送以及风应力旋度引起的局地 涌升或下沉在很大程度上改变着东海黑潮上层温、盐和化学要素的分布。此外， 长江口较大的淡水通量注入，也直接影响着东海表层水的温盐和化学要素分布。 一直以来长江冲淡水的转向、台湾暖流，以及黑潮水入侵陆架现象都是海洋学家 非常关注的问题。海水温、盐度的水平分布与垂直结构的研究始终是物理海洋学 研究的一个重要方面，它们不仅反映海洋中的水、气以及能量的存贮与交换的热 力学特征，而且也为陆架环流等动力学研究提供重要的示踪。 目前在温盐、化学要素特征研究方面，受资料获取方式影响，多集中在某些 年份某一时段，对水文要素的多年平均状况研究较少，不能完整解释水团的运动 和交换过程。海洋卫星观测数据多集中在表层，浮标观测历史以外海为主，近岸 研究资料并不对外公布。因此要研究长周期( 特别是年代际以上) 变化，仍需要 开发和提高历史资料的应用价值( 苏纪兰等，2 0 0 5 ) 。由于实测资料以断面站点 资料和航次观测资料为主，断面研究仍然是温盐及化学要素研究的主要手段。因 此，本研究以东海p n 断面为例，利用美国国家海洋大气局2 0 0 7 年发布的全球海 域温度、盐度、化学要素月平均数据库( w o r l do c e a na t l a s2 0 0 5 ) ( 资料来源于1 0 0 多年的断面观测资料) ，研究东海海洋温盐及化学要素的多年平均月变化特征， 探讨各月水团的运动，从而为进一步研究海洋水文过程的年代际变化奠定基础。 1 3 研究进展 从资料获取方法上看，海洋研究主要有以下几种方法：1 传统的航测和断 面站点实测，是基于代用资料或器测资料的研究分析，利用观测资料和完整海 洋模式将基本流场结构和特征进行再现，准确性较高，受观测资料的局限性限 制，只能对观测海域做一定的分析；2 数字模式及模型模拟，通过简化的方程 和简约化模式从动力机制上分析流的流向和路径变化规律，研究尺度比较大， 是假设在一种理想状态下的研究；3 海洋卫星及卫星跟踪浮标测量技术的使用， 使海洋信息量获得了极大的丰富，也为海洋的各项研究提供了可能。 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 1 3 1 东海黑潮研究 东海黑潮研究主要集中在黑潮分支结构、流量以及黑潮水与陆架水交换问 题以及流速的研究上。 我国大规模的黑潮调查研究开始于8 0 年代中期的“黑潮及其对东海海洋环 境影响的系统考察”。主要对黑潮的流速结构、流量与热量的变化进行研究，指 出东海黑潮除来自台湾以东流入外，某些年份有相当大流量从宫古岛与奄美大 岛之间进入东海。19 8 6 19 9 2 年中日黑潮合作调查主要研究黑潮进入东海后产生 的变异，包括其水文特征、海水流动状况及生物、化学要素的分布等。通过对 资料的分析研究，对东海黑潮的流速结构、流量及其变化特点，以及我国近海 台湾暖流的结构、动力特征和季节变化特点，都有了较多的了解，从而加深了 对我国东海陆架环流的认识。随后进行的中日副热带环流合作调查研究，对黑 潮源区的水文结构与海流状况及其与东海黑潮的关系、副热带逆流的特征与变 异以及琉球以东的西边界流进行了深入的调查；并对调查海区的海气相互作用 及其对气候的影响以及该海区的生物生产机制等进行了研究。这些研究成果为 我国海洋环境的保护和海洋生态环境的恢复，实现海洋环境预报提供了重要的 基础数据资料。 对于黑潮分支研究，袁耀初和苏纪兰( 袁耀初，苏纪兰，2 0 0 0 ) 总结指出黑 潮有一个东分支向东北方向流向琉球群岛以东海域，并被a d c p 观测流所证实 ( 于非，臧家业，郭炳火，等，2 0 0 2 ) 。而模拟资料( 许东峰，袁耀初，2 0 0 1 ) 显示某些年份黑潮在台湾以东并不存在东分支流向琉球群岛。以上研究结果表 明，黑潮东分支并不是常年存在。近年来，朱小华等( 朱小华，2 0 0 8 ) 通过对 琉球以东海流研究，认为该东分支为琉球海流。 黑潮的流量存在明显的季节性变化。多年的实测资料研究发现，东海黑潮 的流量夏春季大、秋冬季小，年际变化明显( k a w a b em ，2 0 0 1 ) 。年平均流量大 致在1 8 - 3 0 x 1 0 6 m 3 s 范围内，多年平均大约为2 5 5 6 x 1 0 6 m 3 s ，与袁耀初等( 袁 耀初，苏纪兰2 0 0 0 ) 统计的通过p n 断面东海黑潮多年平均流量相近。在黑潮大 弯曲与e 1n i f i o 都发生的年份，黑潮流量明显减少。据统计，1 9 7 5 1 9 9 1 年是黑 潮大弯曲频繁发生的年份，黑潮流量显著增加，年际变化明显。黑潮流量与黑 潮大弯曲之间可能存在正相关的关系，e 1n i f i o 通过影响黑潮区的风应力影响黑 4 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 潮大弯曲有待证实( 袁耀初，刘勇刚，苏纪兰2 0 0 1 ) 。台湾以东黑潮流量存在大约 1 0 0 天周期的季节内变化，并与来自西太平洋的天气尺度的涡旋有密切的联系 ( y a n gy2 0 0 1 ；刘秦玉，2 0 0 4 ) 。 黑潮与陆架水交换问题研究也较多。多年实测资料研究发现( 林葵，陈则实， 郭炳火，汤毓祥，1 9 9 5 ) ：台湾北部黑潮水对陆架水文状况的影响是冬季最强， 秋春季次之，夏季最弱。对东海的浮标资料分析也发现( 于非等，2 0 0 2 ) ，黑潮 入侵东海是一种持续现象。主要位置有2 个：一处为台湾东北区域( 2 5 2 6 5 0 n ， 1 2 1 5 1 2 3 0 e ) ，黑潮在苏澳至与那国岛之间进入东海后大量入侵陆架，最远可到 达1 2 0 0 e 附近，时间主要分布在秋季和冬季。另外一处为东海北部黑潮转弯处， 主要表现为在2 9 0 3 0 0 n 附近由黑潮主干分离出来的对马暖流。东海黑潮还通过 琉球群岛间的海峡和水道( 如庆良问水道、冲永良部水道等) 与太平洋进行水交 换。黑潮主干在秋末冬初经过东海时明显呈弯曲流动，并形成许多小尺度的气旋 式涡。这与利用p o m 模式( 王凯，冯士律，施心慧2 0 0 1 ) 对东海环流的数值模拟结 果是一致的。卫星跟踪浮标资料( 刘增宏等，2 0 0 5 ) 也显示，秋季台湾东北海区 存在一个空间尺度约2 7 0 k m 的强反气旋涡。黑潮水与陆架水的相互作用过程中， 总的趋势是陆架水补充黑潮水( 郭炳火，葛人峰1 9 9 7 ) 夏季，在琉球群岛之间， 大量黑潮水流向外海，参与太平洋水交换。 袁业立、陈红霞等( 袁业立，2 0 0 2 ；陈红霞，2 0 0 6 ) 对p n 断面流速结构研 究发现，东海黑潮在1 5 0 米水层以上多存在多核结构；有较显著的时间变化；流 结构和季节紧密相关，流核数在秋季偏多，且多核结构多出现在秋季。 1 3 2 长江冲淡水研究 长江冲淡水是由长江的入海径流与海水混合形成的，以低盐为主要特征。 长江冲淡水终年存在，受入海径流量和外海水的影响，分布具有夏季大、冬季 小的季节变化，存在季节性转置( 朱建荣，沈焕庭，1 9 9 7 ) ，主要影响东海表 层盐度。浦泳修( 浦泳修，2 0 0 2 ) 讨论了夏季长江冲淡水扩散形态，认为长江 冲淡水( 羽状锋) 进入东海后初始以逆时针方向偏转。毛汉礼首先报道了这种不 寻常的冲淡水的行为特征，指出该变化和长江流量有关。b e a r d s l e y 等( b e a r d s l e y ， 1 9 8 5 ) 指出：夏季，与长江大流量相关的较大惯性将引起它的冲淡水冲出近岸 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 的浅水区；冲淡水到深水区后，因为重力调整的作用较小，会随陆架流和风场 向外扩展；进入东海后初始以逆时针方向偏转。然而它并不继续顺着海岸向南 流，相反地它很快转向东北，横穿陆架向外扩展。一般认为盛行的南风和台湾 暖流的加强皆促进这种转向。实际上长江口以南的东海沿岸流也因同样的因素 在夏季向北流去，导致东海的沿岸锋夏季比冬季更为扩散。已有的数值试验结 果显示，台湾暖流的托顶作用是保障长江冲淡水转向的关键要素( 袁耀初等， 1 9 8 2 ；王凯等，1 9 9 7 ) 。 以1 9 7 5 1 9 9 9 年夏季东海标准断面观测资料为据，浦泳修把东海3 0 0 n 断 面的盐度分布态势划分成4 个类型，初步讨论了对应于这4 个类型的长江冲淡 水扩散形态与台湾暖流水的强弱、位置等的关系。结果表明：多数分布类型都 具有代表性的冲淡水分布态势；长江冲淡水的扩散形态似与台湾暖流的北伸强 弱、离岸远近、离表面的深浅有较密切的关系。夏季台湾暖流表层水的前缘可 达长江口南岸3 1 0 n ，深层水向北延伸更远，一般认为不超过3 2 0 n ( 翁学传和王 从敏，1 9 8 3 ，1 9 5 4 ) ，赵保仁( 1 9 8 2 ) 认为台湾暖流前缘混合水可以从底层穿过长 江冲淡水而到达3 2 0 n 以北的苏北沿岸。朱耀华、方国洪( 1 9 9 4 ) 认为海底地形对 台湾暖流有诱导作用，使之沿等深线趋向一致。 1 3 3 琉球以东海流研究 对于台湾以东黑潮、东海黑潮以及日本以南黑潮，前人都曾做过长时间的观 测及研究，但是相对东海黑潮而言，前人对琉球群岛以东的海流的观测和研究较 少。琉球群岛以东存在着一支东北向的海流，它最早f l a n i t a n i e 提出( n i t a n ih ，1 9 7 2 ) ， 后被命名为琉球海流( r y u k y uc u r r e n t ，简称：r c ) ( w a n gy u a n p e i ，s u nx i a o p i n g ， 19 9 0 ) ，r c 是北太平洋的一支重要的西边界流。包括中国在内的不少科学家在2 0 世纪8 0 年代起对冲绳以东的r c 进行了不少的观测与研究，如中日黑潮调查、中 日副热带环流调查、国家海洋局第二海洋研究所和日本大学和研究所之间的合作 研究以及日本气象厅长崎海洋气象台对冲绳岛以东进行的每年二到四次的定期 观测等。早期的研究分析表明：冲绳岛以东的琉球海流流量变化大，琉球海流存 在次表层极大值，太平洋中层水经庆良间水道入侵东海。 关于琉球海流，有许多不同的结论。l i e 等利用卫星浮标轨迹所得的流场结 6 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 果表明，冲绳岛以东的东北向海流长期存在，它主要来自冲绳岛以东的反气旋 环流；而n a k a n 等利用断面上航次的c t d ( 温盐深仪) 观测资料，通过动力计 算得到没有一支稳定的东北向琉球海流的结论；袁耀初等( y u a n 等1 9 9 8 a ，1 9 9 8 b ； 许东峰、袁耀初，2 0 0 0 ) 认为黑潮在台湾以东分为两个分支，其中东分支流向琉 球群岛以东海域。关于琉球以东西边界流的入侵己有许多论述，如于洪华、苏 纪兰等根据中层低盐水证实了琉球以东西边界流的入侵，袁耀初等得到了琉球 以东西边界流的入侵东海的流量，c h e n 在1 9 9 8 年利用w o c e ( 世界大洋环流 实验) 和k e e p ( 黑潮边缘交换作用研究项目) 资料也发现中层水在冲绳岛以南通 道进入东海。 刘勇刚等根据船舶观测以及锚碇观测，对于琉球群岛以东海流进行过估计， 指出琉球群岛以东存在东北向流动，最大流速位置位于次表层；琉球群岛以东海 流的主要来源是反气旋式环流以及台湾以东黑潮的向东分支等。i c h i k a w a 等利用 锚碇观测资料、a i x p 资料和卫星高度计资料，表明奄美大岛东南断面存在东北 向流，并在表层和6 0 0 米深度上有两个最大流速，并且估算出奄美大岛东南的东 北向流动的平均流量为1 6 x l om 3 s ，其中次表层流核的平均流量约为4 x l om 3 s 。从观测上证实了琉球群岛以东存在东北向流。由于观测资料在时间与空间 上的局限性，无法对琉球群岛以东的东北向流长时间连续的观测。至于有关琉球 海脊这一北太平洋6 0 0m 以深的西边界，在海洋动力学调整中的作用更缺乏研究 ( 朱小华，2 0 0 8 ) 。 袁耀初和朱小华等( 袁耀初，2 0 0 0 ；朱小华，2 0 0 8 ) 对近期有关琉球海流的 研究进行了综述。指出琉球海流有以下几方面有待今后更深入研究：( 1 ) 琉球海 流的起源，其形成的动力学机制及琉球海流在冲绳岛以南的时空变化；( 2 ) 琉球 海流次表层极大值形成、维持及在冲绳岛以北得到显著增强的动力学机制；( 3 ) 琉球海流对东海的影响及其水和热流量在黑潮中所起的作用。 1 3 4 黑潮逆流研究 对黑潮流速断面研究中，将流速 1 5 c m s 的偏北向流作为黑潮流核；流速 1 0 c m s 的偏南向流，视为黑潮逆流。白学志等( 2 0 0 1 ) 利用数值模拟发现，黑 潮左侧有一弱逆流存在，在3 0 0 n ，1 2 8 。e 附近从黑潮主流右转流向吐噶喇群岛时 7 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 分出，沿等深线流向西南，并与台湾暖流离岸流在2 8 0 n ，1 2 4 0 e 出会合，然后返 回并汇入主流，从而形成了气旋；黑潮右侧在奄美诸岛和东海黑潮之间存在比较 连续的逆流，其中最为显著的逆流出现在冲绳岛与黑潮之间( 1 2 7 1 0 e ，2 6 9 0 m ， 与实测流的统计结果一致。此外，实测资料显示，在宫古岛东北海域( 1 2 5 9 0 e ， 2 5 1 0 n ) ，也有范围较大的西南向、南偏西向流出现，流速最大可达1 5c m s 左右。 管秉贤研究指出黑潮右侧逆流流速存在季节变化，最大流速的季节变化表现为春 季和初夏较强，秋、冬季，特别是秋季最弱。 1 3 5 东海化学要素研究 我国东海海洋化学要素调查开始于6 0 年代，调查集中在海岸带和河口地 区；7 0 年代以后，又对黑潮、大陆架等流域进行了调查；近2 0 年来，利用中 外合作调查，对海洋河口海洋化学要素进行了研究。总的来说，有关东海化学 要素的研究，中外学者往往根据不同的资料来源，对研究区局部海域或某一时 段或季节性营养盐的分布变化特征开展一系列工作。由于海洋数据资料取得的 难易程度不同，已有的研究主要集中在近海的河口海岸，以断面研究为主，对 东海主体海域尤其是外海区营养盐的研究比较少，尚有许多工作有待完成。 蒋国昌利用1 9 8 5 年1 2 月份断面调查资料，发现溶解氧和营养盐分布特征 与冬季形成的东海环流系统有关。顾宏堪等研究发现，海洋中溶解氧垂直分布 最大值存在于黄海冷水团区。氧最大值深度与温跃层有关，并且位于温跃层下 界附近。溶解氧浓度自近岸n # i - 海由低变高，表层至底层溶解氧浓度在陆架区 由高变低，冲绳海槽区则先由低变高然后又由高变低( 刘兴泉，2 0 0 1 ) 。 臧家业利用1 9 8 7 年夏、冬两个航次磷酸盐的调查结果，阐明了磷的分布特 征和形成机制。表明陆架区表层测值较高，大洋区为低值区，底层则相反。大 洋水常年分层，中层水有爬坡涌升现象。 王保栋等根据黄海、东海的最新现场调查资料，探讨了长江口及其邻近海 域营养盐分布特征与输送途径。发现，在长江口以东及其东北部海域终年存在 一个范围很大的营养盐高值区，这些营养盐主要来自长江冲淡水的扩展及苏北 沿岸流的输送。高生泉等利用2 0 0 0 年1 0 1 1 月和2 0 0 1 年3 - 4 月的调查资料， 分析讨论了春、秋季东海营养盐的分布变化特征及营养结构状况，发现海域表 8 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 层营养盐高值主要出现在长江冲淡水影响区和江浙近海海域，低值出现于东海 陆架区以东。 1 4 本文内容及技术路线 综合以上前人研究成果，存在的主要问题：( 1 ) 在温盐、化学要素研究方面， 受资料获取方式影响，多为某个航次资料研究，缺少对多年平均月变化的过程研 究；( 3 ) 在黑潮与其它海流研究方面，侧重于流量与水交换研究，缺少温度和盐 度等水文要素的对比研究。( 4 ) 对化学要素研究集中近海，对东海主体及外海研 究较少，且集中在季节变化。( 5 ) 东海p n 断面作为东海研究标准断面，研究多 集中在黑潮主轴区域，对于其他区域研究较少。 研究海洋水文要素的年代际变化，首先要了解其多年平均状态。但是，近岸 及琉球群岛附近是海洋军事安全敏感区，资料并不对外公布，数据获取以航测为 主。苏纪兰院士指出，研究长周期( 特别是年代际以上) 变化，需要开发和提高 历史资料的应用价值，由于实测资料以断面站点资料和航次观测资料为主，断面 研究仍然是是海洋研究的主要方法。 本研究利用2 0 0 7 年美国国家海洋大气管理局( y o h a ) 发布的全球海域数据库 数据资料，资料包括1 8 9 5 2 0 0 5 年1 0 0 年的断面实测及站点资料。是迄今为止国际 上公布的测量时间最久的数据库。本文在前人研究的基础上，以该数据库为基础， 以东海p n 断面为例，借助m a t l a b 数据图形开发软件，研发切面可视技术，将 该断面温盐及化学要素分布进行二维、三维可视化，结合东海表层温盐及化学要 素分布，直观的展示海洋水文及化学要素的年变化过程，讨论长江冲淡水、台湾 暖流以及黑潮在各月的相互作用情况，从技术上推动了海洋温、盐、流的三维结 构研究的发展。 论文的主要内容有：第一章，绪论；第二章，资料来源及区域概况；第三章， 东海p n 断面夏季温度特征对比；第四章，东海p n 断面温盐三维月变化特征；第 五章，东海p n 断面化学要素三维月变化特征。其中，为了检验该研究方法的正 确性，文中第三章利用夏季资料与前人研究进行对比，确立研究方法，为下一步 对各月温盐及化学要素的研究奠定基础。 9 第一章绪论上海师范大学硕士学位论文 采取的技术路线： l o 全球海域多年月平均数据库资 料( w o d 0 5 ) 全球地貌数据库资料 ( e t o p 0 2 v 2 ) m a t l a b 三维成图技术 研发 上海师范大学硕士学位论文第二章资料来源及区域概况 第二章资料来源及区域概况 2 1 资料来源及处理 海洋数据资料主要来自美国国家海洋大气管理局( n o a a ) 2 0 0 7 年发布的最 新全球海域数据库( w o r l do c e a nd a t a b a s e2 0 0 5 ) ，经质量控制和分析校 正后形成的标准数据库，包括温度、盐度、氧、氮、磷、硅等参数，网格间距 为1 0 x l o 标准大洋深度x 1 2 个月。该数据库由全球海洋营养盐、温盐原始测点 数据经质量控制和分析校正后的标准数据组成。原始测点数据来自于美国国家 海洋资料中心( n o d c ) 和世界数据中心海洋中心( w d c ) 的相关项目，包括18 9 5 2 0 0 5 年百年以上的剖面观测资料。标准地形数据库采用美国国家地球物理学数 据中心( n g d c ) 2 0 0 6 年6 月发布二维海底数据地貌数据库( g e o d a sg r i d t r a n s l a t o r - d e s i g n a g r i d ，2 0 0 7 ) ，精度为2 2 。 数据处理采用m a t l a b 计算机数据处理平台。m a t l a b 是m a t h w o r k s 公 司1 9 8 4 年推出的一套数值计算软件，具有操作简单、编程高效、图像处理功能 强大、界面友好等特点，目前它不仅在工程计算领域有重要的影响，其生命力 已经延伸到经济等几乎所有重要领域，同样它在海洋学研究方面也有着广泛的 应用。利用m a t l a b 开发海洋水文资料分析处理的应用程序，实现对海洋水文 要素的计算、异常值处理、矢量图及其它图形的绘制和显示，解决了其它应用 软件难以解决的问题( 曹伟国等，2 0 0 5 ) 。 本文利用m a t l a b 数据图形处理软件，研发计算机编程语言，对n o a a 全球数据库相关区域进行数据处理。首先建立中国东海( 1 2 1 1 3 0 0 n ，2 6 3 2 0 e ) 温度、盐度、及化学要素区域数据库，将0 1 0 0 0 m 标准海洋水层深度读入地形 数据；其次对分布较粗的原始数据按经、纬度进行水平内插，并按等深度垂直 内插，得到细网格化数据，得到较细的区域标准数据库；最后以区域标准数据 库为基础，开发三维切片可视技术，得到p n 断面各月温度、盐度及化学要素 的特征分布图和东海不同深度分布图。 第二章资料来源及区域概况上海师范人学硕士学位论文 2 2 区域概况 研究断面为p n 断面及其延长面( 见图2 一i ) ，该断画j 何于冲永良部岛西北， 西起3 1 。3 0 r n ，1 2 2 。3 0 e ，东至2 6 。3 0 n ，1 2 9 0 3 0 e ，横切东海黑潮主干，跨越 冲绳海槽、大陆坡和大陆架，与纬线成3 7 。交角。该断面中段位于黑潮所流经 东海的中央地段，是东海黑潮标准测量断面之。延长断面动气长江口外海区， 西至琉球群岛以东海域，海底地形复杂，水深由近岸的几十米到冲绳海槽的1 0 0 0 米以上，冲水良部岛和与论岛之问水深5 0 0 米，到右侧琉球海沟水深1 0 0 0 米以 上。其中琉球群岛左侧是东海黑潮流经最稳定的区域，受沿岸流、长江冲淡水 影响显著，并且是陆架水与黑潮水交换剧烈的区域之。右侧为琉球海流是 北太平洋支重要的西边界流，通过琉球群岛之间的海道对东海产生影响。琉 球群岛基本上隔断了东海与太平洋之b j 的源层海水交换。庆良问水道处于冲绳 岛与宫古岛之间，最大水深约为1 1 0 0 m ，成为连通东海与太平洋的主要深水通 道，在东海与a 平洋的中层水交换中具有重要作用。 。 一舞 “i j ：0 5 。0 “ 誊匹灌 _ - n ，71 吨啪1 。，。 ，。0 1 m 爹o ? 滚貉 ，l 竺+ 一二笾王7 銎羔瑟，藿 上海师范大学硕士学位论文第二章资料来源及区域概况 年5 月，改名为p n 断面，位置较g 断面向西南方向略有移动，每年实施春、 夏、秋、冬四季观测到现在。1 9 7 8 年以来海上观测采用了高精度的c t d 剖面 仪，对于东海黑潮研究具有非常重要的意义。此外，随着海洋调查技术的发展 和多项大型国际海洋调查计划的实施，积累了多种大量高分辨率海洋资料，为 我们从多角度求证海洋现象提供了认识依据。这些资料主要利用c t d ( 温盐深 仪) ，a d c p ( 声学多普勒流速剖面仪) ，a r g oc a r g o 卫星浮标) 和卫星遥感 获得。同时近年来我国执行的大陆架精密测量计划、西北太平洋环境调查计划 和中国近海环流调查研究计划，也为海洋资料的积累做出了巨大的贡献，为深 入研究黑潮环流结构创造了必要的条件。但是，由于海洋资料对于海洋安全的 重要性，目前并不对外公布，给海洋研究带来了不便。 2 3 主要环流 该区域主要环流有黄海沿岸流、长江冲淡水、台湾暖流、黑潮，主要温盐 特征如下： 黄海沿岸流，主要特征为低温低盐，沿山东半岛北岸东流，绕过成山角后， 大致沿4 0 5 0 米等深线呈弧形南下，在3 2 0 n 附近转向东南，越过长江浅滩入侵 东海，最远可达到3 0 0 n 附近。其路径几乎终年不变，冬强夏弱，与东海沪浙沿 岸流相会于长江浅滩附近。 长江冲淡水，盐度比较低，深度在1 0 米以内，影响范围主要在3 1 0 n 以北， 流向济州岛方向。冬季，长江冲淡水受偏北季风控制，沿岸在一狭窄带向南扩 展；夏季，一部分向东南方向扩展，随后转向东北；一部分向东北扩展，随后 转向偏东和东南方向运动，再朝东北方向运动。共同结果是造成了低盐水舌伸 向东北的现象。 台湾暖流，温度、盐度都比较高。夏季长江冲淡水势力比较强，低盐度的 长江冲淡水与台湾暖流混合，造成东海表层水盐度较低的现象。台湾暖流是闽 浙近海海流的主干，它是形成闽浙沿岸上升流的主要动力因子( 胡敦欣等， 1 9 8 0 ) 。台湾暖流除冬季其表层可能受偏北风的影响，流向偏南外，其余各层流 流向变化不大，流向几乎终年一致地沿着5 0 1 0 0 米等深线流向东北，近底层更 明显。 第二章资料来源及区域概况上海师范人学硕士学位论文 黑潮是该海区的主要流系，具有高温高盐的特性，流向比较稳定，大致 与台湾东岸岸线平行经苏澳与那国岛之间的水域进入东海。黑潮在东海 的路径终年比较稳定主要沿着1 5 0 m 等深线以东的东海陆架边缘至冲绳海槽 问运移，可以用1 0 0 m 层上的2 0 等温线或2 0 0 m 层上的1 8 等温线来表征。 主要路径指向东北方向，然后出吐噶喇海峡离开东海进入太平洋。p n 断面东海 黑潮水大致可分为四层：表层水，高温、低硅、磷浓度，厚度和温盐特征都具 有明显的季节变化，来源于太平洋表层水；次表层水，高盐，来源有两个途径， 一是随黑潮流入东海= 是由琉球群岛以东的水道侵入东海：中层水，低献， 最低盐度出现在6 0 0 米深度，来源以黑潮流动和庆良间水道的水交换为主；深 层水，盐度略高于中层低盐水，水交换较弱。 2 4 区域数据分析 2 4 1 温度数据分析 对p n 断面所在的东海区域不同水层( 0 - 5 0 0 米) 的温度最大值和黯小值研 究发现( 见图2 - 2 ) ：温度变化总趋势随深度的增加而减小，备月温度最大和最 小值变化较快的区域集中在0 - 2 0 0