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南海锋面特征及其生态动力效应

王云涛、于溢   2020-06-03

        海洋锋面作为海洋中最重要的中尺度动力过程之一,对于其所处的水体界面、海气界面、生态界面均具有重要的作用,是开展区域海气相互作用、海洋动力及生态过程研究的重要基础。基于对锋面的检测和追踪,能够加深对区域动力过程的认识,并进一步为评估初级生产力、碳循环、渔业资源等科学问题提供支撑。通过物理海洋、海洋生态动力学等学科交叉研究,在国家自然科学基金、自然资源部第二海洋研究所海洋骨干人才、中科院先导专项等项目的资助下,我室王云涛副研究员、于溢博士后等在国际学术期刊发表多篇文章,详述了南海海洋锋面分布的时空特征、锋面区域的中尺度海气相互作用及生态响应。

        利用卫星遥感数据和前期研发的锋面检测算法,实现了对每日海表温度锋面的定位,进而得到每月的锋面频率。通过EOF方法获取锋面的主要时空模态,捕捉了南海锋面的季节性、年际变化特征(图1)。研究结果显示南海锋面主要呈现季节性变化特征,冬季锋面整体最强且集中于中国近海、吕宋岛西北部区域,春夏季锋面则主要集中于越南东部海域,秋季锋面最弱。进而发现南海季风对于锋面生成具有重要的作用,通过分析锋面与风场的关系,证实冬季东北季风驱动的沿岸流(SST较低)和向岸的Ekman输运(SST较高),两个水团在中国近岸相遇而形成锋面;夏季西南季风在越南沿岸、海南岛东侧驱动产生上升流,从而形成锋面。

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图1. 南海锋面频率的经典正交分解(EOF)前三模态的空间分布和对应月均序列。 

通过分析锋面的年际变化与厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的关系,发现在厄尔尼诺年份夏季季风明显减弱,进而引起上升流变弱,锋面明显减少,从机制上描述了大尺度年际信号对于南海锋面的显著影响。同时,分析发现南海锋面的变化明显滞后于ENSO信号,存在不超过半年的滞后关系(图2)。

 

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图2.(左图)锋面变化第三模态(EOF3)的时间序列异常(黑线)与MEI指数(蓝线),(右图)锋面不同滞后情况下与MEI指数的相关关系。

在越南上升流锋面显著区域,发现明显的中尺度海气相互作用特征(图3),由于海表温度对上方风场的调制作用,呈现出低SST对应较低风速,高SST对应较高风速的特征。利用线性回归,能够刻画海气相互作用的强度,并发现风向稳定性对于海气相互作用的形成具有明显的影响,即仅在风向较稳定时海气间相互作用能够发展形成。

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图3. (左图)南海夏季平均温度和风场,(右图)海表温度梯度及500米等深线

系列成果主要采用卫星观测数据,完整分析近20年来季节尺度、年际尺度南海锋面的分布特征和变化机制、锋面对海气相互作用和叶绿素分布的影响,加深了对动力过程的生态响应这一重要科学问题的认识。