中国海密度跃层分布特征概况

刘金芳 ，毛可修,2 ，张晓娟 ，梁新友，李颜

(1.海军海洋水文气象中心，北京 100073；2.中国海洋大学，山东青岛 266100)

1 引言

密度跃层的特性在海洋水团、环流和内波的研究中，是不可忽视的因素,具有重要的学术意义。在国防和军事活动中，海洋水声通讯、探测和监听、水下兵器的使用和潜艇活动以及反潜作战等等，更具有重要的军事应用价值。海水密度跃层较强时，犹如存在“液体海底”，可供潜艇“坐底”以隐蔽自己；但欲下沉或上浮时操纵却有困难和危险。特别是密度跃层受到扰动会产生内波，内波波峰的顶托，波谷的下陷，以及内波波致流场的变化，对潜艇的航行和安全有重要影响。据报道的潜艇事故分析，内波可能造成潜艇与水面舰只相撞、潜艇触及海底或潜艇无法控制的下沉等事故的诱因。正因为如此，国内外学者十分重视密度跃层现象及其变化规律的研究。

海水密度的分布与变化，随水温、盐度和压力而变化，在海洋上层主要取决于水温和盐度，密度跃层是依附于温跃层、盐跃层而伴生的。中国海海域广阔，南北跨越温带、亚热带、热带，又受陆地和岛屿的环抱，河流众多,整个中国海地理、气象和水文条件具有明显的多样性，致使密度状况的地区差异悬殊，跃层的类型多，区域分布变化复杂。

本文在收集处理了南海以及台湾周边海域1900—2004年共105年的海洋调查资料的基础上，参考总参气象水文中心和国家海洋信息中心研制开发的中国海海洋水文分析应用系统，以及相关海洋水文图集[1-2]。为了阐明中国海各海区密度跃层的空间分布变化特征，下面将分海区按跃层的类型，即浅跃层、深跃层、逆跃层说明其分布变化规律。根据中国近海海水密度跃层的分布特点，可归纳为冬季型、夏季型和过渡型三种类型[3-8]。

2 资料来源及跃层分析方法

南海以及台湾周边海域的跃层分析使用了1900—2004年105年的国内外海洋调查资料，要素全面，时间序列长，资料站位覆盖整个海域，近20年的海洋调查资料占很大比重，特别增加了军方多年的海洋调查资料，国内外重大合作项目的海洋调查等资料。将资料进行标准化处理，通过时间、经纬度、水深等合理性检验，以及尖峰、梯度、气候态等检验逐步自动化质量控制，再进行人工质量控制，建立海洋环境数据库，由数据库中读取资料进行跃层分析，建立产品库。

当一个密度剖面中某段的垂直梯度大于等于深海、浅海跃层临界值时，确定该段为密度跃层，以该段的顶部水深为跃层上界，该段的厚度为跃层厚度，该段整个垂向密度梯度为跃层强度。跃层强度标准临界值执行中华人民共和国国家标准（GB12763.7--91），具体各要素临界值的判定见表1：

表1 密度跃层强度临界值的判定表

根据海区跃层特性，分别按深海和浅海跃层强度标准逐站进行跃层、逆跃层的分析。南森站资料为数据垂向间隔为非均匀的，先行在垂直方向依据国标浅海、深海标准层综合考虑跃层可能分布进行插值，具体为表层、5、10、15、20、25、30、40、50、75、100、125、150、175、200、250、300、400、500、600、700、800、1000、1200、1500、2000、2500、3000（水深大于3000 m时，每1000 m加一层）、底层，再计算跃层，连续逐层达到密度跃层的判定标准，合并为一个跃层段，主要计算出季节性跃层；而对于连续资料采用起点二次平滑算法，实现低通滤波滤掉高频震荡，避免跃层上下界及强度特征值判断不准确。垂直梯度小于跃层强度临界值的视为无跃层，密度跃层特征值的产品分析作图以国标及相应标准，以跃层强度临界值的等值线作为存在跃层的边界线[9-14]。本文是基于数据库产品库中的密度跃层特征值产品进行的分析。

3 渤、黄、东海区跃层的时空分布变化

渤、黄、东海近海海域水深较浅，受大陆径流、气象以及沿岸流与外海流系交汇的影响较大，密度跃层呈现出别样的季节变化特征。在温跃层为主的黄海，密度跃层主要取决于温跃层，在渤海及东海河口近海密度跃层的分布变化则主要取决于盐跃层。密度跃层的这种依附性，在长江口、黄河口海域表现得尤为突出。跃层的冬季型出现在12月至翌年3月，此时太阳辐射最弱，正值干冷强劲的偏北风盛行季节，对流涡动混合最强，河口径流最小，密度的垂直分布为全年最均匀，陆架区甚至呈现出上下均一状态，跃层为全年最弱。夏季型于6—8月出现，此时太阳辐射最强，表层增温快，深层增温慢，平均风速小，对流、涡动混合弱，河口径流最大，使密度垂直分布出现较强的层化现象，跃层达全年最强。过渡型发生在4—5月和10—11月的季节交替时期，春季为增温期，秋季为降温期，过渡型的特点是跃层状况复杂多变，且不稳定，规律性差；河口径流也处在过渡时期。增温期出现微弱的垂直梯度，有弱跃层出现，是全年跃层的形成加强过程；降温期垂直梯度减弱，上下均匀层厚度增大，跃层下沉，将已形成的密度跃层破坏，分布形式正在向冬季的特征转化，该时期正值北方冷空气南下逐渐加强，受其影响最显著的海区是渤海和黄海北部（见图1—4）。

3.1 浅跃层

浅跃层主要分布在中国近海陆架区及外海深水区的上层。其主要特征是上界深度浅、厚度薄、强度大，且具有明显的季节变化，即春季为浅跃层的成长期，夏季为强盛期，秋季为消衰期，冬季为无跃期。6—8月为跃层的强盛期，跃层几乎遍布整个海区，其突出特点是跃层不但范围最大，而且强度也增至最大。在此期间，密度跃层强度以长江口附近最强，黄河口次之，外海最小。这几个跃层中心区夏季发展至最强盛，强度大为增强，形成该海区突出的跃层中心。

渤海，海水深较浅，受河口径流和气候影响较大，11月至翌年3月浅水区垂向混合可直达海底，大部海区基本无浅跃层，在渤海湾至莱州湾一线海域存在跃层，2月份达全年最弱，范围缩小至莱州湾海域，跃层中心强度为0.10 kg·m-4，出现在莱州湾东部，显然是受北上的黄海暖流分支影响。4月份跃层范围扩展至渤海中南部，并在辽东湾底出现一很小范围的跃层；5月迅速成长至整个渤海海域，跃层中心强度为0.20 kg·m-4，之后逐月加强，中心位置也逐月西移至黄河口，沿岸径流作用在逐月加强，外海流系的作用逐渐消隐；至8月密跃层达最强盛期，整个渤海跃层强度均在0.20 kg·m-4以上，此时的渤海跃层分布特征沿岸径流起主导作用，海区密跃层强度中心在滦河以南的整个渤海湾至莱州湾一线海域，强度多在0.30 kg·m-4，最大在0.40 kg·m-4以上。

图1 2月渤海、黄海、东海密度跃层强度分布图

图2 5月渤海、黄海、东海密度跃层强度分布图

图3 8月渤海、黄海、东海密度跃层强度分布图

图4 11月渤海、黄海、东海密度跃层强度分布图

黄海，1—2月份为无跃期，3月份山东半岛以北连同半岛以东近海至黄海中部一带状海域出现强为0.015 kg·m-4的跃层，4月份范围迅速扩大，除江苏近海和朝鲜半岛近岸浅水区外，其它大部海区均出现跃层，6—8月除江苏南部近海浅水区外，其它海区密跃层得以充分发展，成为中国海除河口海域密度跃层强度最强的海区，这主要是由于夏季黄海冷水团处于鼎盛时期，密度梯度特别大，致使密度跃层特强，温跃层的主导作用可见一斑。6月在北黄海大青群岛附近和黄海中部西侧青岛外海水域，存在强密跃层中心，并在8月份发展达到鼎盛期，青岛外海密跃层中心区的强度大于0.50 kg·m-4，对应的上界深度为12 m，厚度为10 m，成为我国近海密跃层最强的区域；而北黄海大青群岛附近，8月份温跃层中心区的强度大于0.40 kg·m-4，上界深度和厚度分别约为10 m和20 m，成为中国近海密跃层的次强区。9月份强度开始减弱，10—11月份跃层范围也开始逐月缩小，12月份仅在黄海中部存在较小范围的跃层。

东海，密度跃层的季节分布规律除长江口外与黄海较为一致，但强盛期强度较渤、黄海弱，以河口为跃层中心，受河口径流和沿岸流交汇影响，该中心羽状区分布特征呈明显冬夏季节变化。12月至翌年2月只在近岸以河口为中心存在跃层，受河口径流和冬季南下沿岸流交汇影响，长江口跃层中心羽状区以河口为中心向南，最强为0.20 kg·m-4，3月范围向外海有所扩展，4月开始迅速遍及整个海区，长江口为0.60 kg· m-4，8月份达全年最强，高达0.90 kg·m-4以上，长江口跃层中心羽状区以河口为中心向北，9月份中心强度迅速减弱至达0.50 kg·m-4，10月份跃层范围开始收缩，11月份趋于冬季分布范围。

3.2 深跃层

在黑潮流域及其以东深海区，由于表层水和次表层水这两种温、盐特性不同的水系相互叠置，在其交界面上形成密度深跃层终年存在，比较稳定，为永久性的。其主要特征是上界深度较深，厚度较大，强度较弱，季节变化不明显，夏季范围稍广。一般情况下密度深跃层的强度、上界深度和厚度分别为0.015—0.30 kg·m-4，和50—200 m和25—100 m；只是在夏季(6—8月)，由于表层水增温降盐，使密度跃层强度稍强，上界深度变浅，厚度增大。

3.3 逆跃层

在渤、黄、东海一年四季中，一般除夏季外，其它季节均存在密度逆跃层（强度用负值表示），只是海区范围较小、强度较弱，一般在-0.015—-0.30 kg·m-4之间。

渤海，12月至翌年3月，密度逆跃层在渤海南部连同山东半岛以北近海至黄海中部有一带状海域，4—5、8月仅在渤海南部和靠近渤海的北黄海出现逆跃层，而9—11月份在渤海大部海域存在逆跃层，6—7月无逆跃层。

黄海，9、10月在山东半岛北面局部海域开始出现密度逆跃层，11月范围扩大，且在济州岛以东出现了小范围的密度逆跃层，12月两处的密度逆跃层朝南北向发展，在黄海连成了呈南北方向的带状区。翌年1月，两处的密度逆跃层范围收缩至山东半岛近海和朝鲜海峡，如此，2—4月两处的密度逆跃层范围逐月交替长消，5月份密度逆跃层迅速几近消失，直至8月密度逆跃层均不复存在。

东海，4—11月份整个东海均无逆跃层，其它月份仅在长江口以南、浙闽近岸和台湾海峡南部近海西岸存在小范围的密度逆跃层。12月首先在舟山群岛南部出现小范围的密度逆跃层，1月逆跃层区向东南明显扩大，并在厦门外海南部出现小范围的密度逆跃层，2月达范围最广，舟山群岛南部逆跃层向南有所扩展，同时浙闽近岸也出现小范围的密度逆跃层。

4 南海区跃层的时空分布变化

南海中部和南部位于亚热带南部和近赤道热带区，终年无冬季，其北部处在亚热带季风区。这里海域广阔，海水较深，大部分海区的跃层具有低纬深海大洋的跃层性质，其强度较其它三个海区弱；南海又是边缘海，沿岸近海受大陆径流的影响，跃层季节性变化也较明显。其跃层类型同样包括浅跃层、深跃层、逆跃层。南海的跃层较为特殊，过渡型跃层范围比其他海域大，在过渡型跃层区内，很难将浅跃层和深跃层分开（见图5—图8）。

4.1 浅跃层

南海范围很大，浅跃层的变化特性差异很明显。对南海北部而言，浅跃层在一年中也存在显著的消长过程，并可分为四个阶段：成长期（3—5月）、强盛期（6—8月）、消衰期（9—10月）、无跃期（1l—2月）。同渤、黄、东海相比，南海北部纬度较低，跃层出现时间比东海提前约一个月。对南海中部和南部而言，由于纬度低，表层水温终年偏高，海水密度年变化小，浅跃层季节变化不及北部明显，主要表现在浅跃层的强弱和范围的大小上。南海浅跃层的上界深度和厚度等值线的走向大致与海岸线平行，且呈自北向南、自西向东递增的趋势。此外，琼州海峡水域，由于水流急，混合强烈，一年四季不出现密度跃层现象。

南海密度浅跃层强盛期的突出特点是近海明显受盐度跃层的影响，形成以珠江口、红河口为中心、范围大小不等的密度浅跃层中心区，7—8月强度最大。除南沙群岛附近海域外，强盛期的密度浅跃层范围、强度、厚度均与成长期较为一致，这类跃层遍布大部分海域，跃层强度约为0.015—0.050 kg·m-4，上界深度20 m等值线向北移，表明北部外海跃层上界深度下沉。

图5 2月南海密度跃层强度分布图

图6 5月南海密度跃层强度分布图

图7 8月南海密度跃层强度分布图

图8 2月南海密度跃层强度分布图

从6月开始，南海北部近海和北部湾西部红河口近海密度浅跃层的强度急剧增大，7、8月份达全年最强，存在三个强跃层中心，其强度均在0.20 kg· m-4以上，分别出现在珠江口、汕头和红河口外海，珠江口外海7月份跃层强度达0.30 kg·m-4以上，珠江口外海8月份则在0.40 kg·m-4以上，为南海强度最大值；9、10月份跃层强度开始减小，至11、12月份跃层强度仅为0.015—0.050 kg·m-4，近海浅水区范围也变得不在连续，之后1—4月份又逐渐遍及整个海区，5月份强度加强。全年无论强盛期、过渡期和无跃期，南海深水区密度浅跃层的强度变化度相差不大，但强盛期的上界深度20 m和厚度50 m等值线向北移，上界深度加深，厚度增大。

4.2 深跃层

在南海深水区，从北到南终年都存在比较稳定的大范围的密度深跃层，冬季较强夏季较弱，季节变化不明显，其主要特征是上界深度较深，厚度较大，强度较弱。一般情况下，全年各月均在南海中部的大部海域存在强度为0.015—0.05 kg·m-4的深跃层，局部海域强度大于0.20 kg·m-4，上界深度为50—200 m，厚度为50—150 m。

9—11月份形成多个局部海域的跃层，12月至翌年3月遍及整个南海深水区，范围为全年最广，4、5月份随着上层的不断增温，成片海域又开始瓦解，7月为全年最弱，范围最小，呈现4个强度不等的局部区域，之后逐步加强。

4.3 逆跃层

南海密度逆跃层主要出现在北部近海，即粤东、粤西近海和琼州海峡附近海域很小的范围，多出现在秋冬春季。一般密度逆跃层的强度较弱，为-0.015—-0.125 kg·m-4，上界深度为0—28 m，厚度为5—20 m；11月珠江口以东至汕头外海出现逆跃层，12月则在琼州海峡出现逆跃层，2月份逆跃层范围为全年最广，强度最大，在琼州海峡及附近海域和汕头外海出现强度为-0.015 至-0.127 kg·m-4的逆跃层，4、5月份则有所收缩，分别只在汕头外海和琼州海峡存在局部范围的逆跃层，其它月份均无的逆跃层。

5 结论

逆跃层具有明显的时间变化，但存在范围非常小；深跃层在深水区终年存在，季节变化不明显，比较稳定；浅跃层则具有明显季节变化。

（1）浅跃层的季节变化全年以夏季最强，冬季最弱，陆架区甚至呈上下均一状态，春秋季节的过渡时期居中；在海区分布上，黄海为最大，渤海次之，东海再次之，南海最弱。整个中国海浅跃层则夏季以河口区为强度最大，且长江口海域为最大，8月份高达0.90 kg·m-4以上，其余依次为黄河口、红河口、珠江口海域，8月可达0.30—0.40 kg·m-4以上。黄海中部青岛外海和北黄海大青群岛附近水域，为中国海除河口海域密度跃层强度最大的海区，8月份强度在0.40 kg·m-4以上，而琼州海峡则一年四季为无跃层区，皆因海峡水流急，混合强烈所致；

（2）逆跃层全年各海区的浅水区域均存在，以渤海、黄海最强，东海次之，南海最弱；时间上多发生在秋冬季节，这主要是受南下的冷空气影响，造成表层海水降温所致；

（3）深跃层多出现在南海大部、东海以及黄海东部的深水区域，终年存在，季节变化不明显，比较稳定，由于海区所处地理纬度差异，略有不同，南海冬强夏弱，东海冬弱夏强；与其它类型跃层相比，深跃层的特征是上界深度较深，厚度较大，强度较弱；

（4）双跃层夏季期间密度浅跃层遍布整个东海和南海海区上层，其上界深度和厚度由近海向外海随着水深的增加而增加，强度则相应减弱，跃层上界深度和厚度等值线与等深线大致平行。这期间深水区的密度浅跃层叠置在深跃层之上，双跃层现象尤为突出。

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