青岛冷水团的消亡机理研究

张启龙，刘志亮，齐继峰，杨德周，郑冬梅

（1.中国科学院海洋研究所中国科学院海洋环流与波动重点实验室，山东青岛266071；2.辽宁省海洋环境预报与防灾减灾中心，辽宁沈阳110001）



青岛冷水团的消亡机理研究

张启龙1，刘志亮1，齐继峰1，杨德周1，郑冬梅2

（1.中国科学院海洋研究所中国科学院海洋环流与波动重点实验室，山东青岛266071；2.辽宁省海洋环境预报与防灾减灾中心，辽宁沈阳110001）

摘要：本文基于多年月平均水温资料，分析了青岛冷水团的长消过程，并利用气候态月平均大气数据和数值模拟结果，探讨了青岛冷水团的消亡机理。结果表明，青岛冷水团3月出现，4月成型，5月最盛，6月减弱，7月消失；南黄海6-7月间偏南风的增强和温跃层以下反气旋涡的减弱是青岛冷水团消亡的动力机制，而海面净热通量的下传和水平热量的输入则是青岛冷水团消亡的热力机制。

关键词：南黄海；青岛冷水团；长消过程；消亡机理

1　引言

青岛冷水团盘踞于山东半岛东南部近海的深底层，是南黄海西部海域中的一个突出而重要的海洋水文现象［1—2］。它的存在和变动不仅使得南黄海西部的环流结构和水文状况趋于复杂，而且还对山东近海渔场春汛渔期的早晚和鱼群的集散程度产生重要影响［3—6］。因此，青岛冷水团深受我国海洋学界的重视和关注，并对其温盐特性、形成机制和变化特征进行了较为广泛而深入的调查研究，取得了一些有意义的研究成果［3，5，7—11］。已有研究表明，青岛冷水团具有独特的热盐结构和长消规律，是一个独立的水团，它在3月出现，4月成型，5月最盛，6月减弱，7月消失［8］；该水团来源于黄海沿岸水（渤南沿岸水），是在山东半岛南侧的反气旋涡和太阳辐射加热共同作用下形成的［7］；青岛冷水团的强度具有显著的年际和年代际变化特征，而其年际变化主要是由前冬（2月）山东半岛北部沿海地区的气温变化引起的［9］。这些结果进一步加深了对青岛冷水团的认识和了解。

但应指出的是，以往的研究成果大都是基于单个航次的调查资料分析得到的（简称为天气学分析，下同），而利用气候态月平均资料来研究水团特征和变化机理的工作却极少（简称为气候学分析，下同）。众所周知，浅海水团的配置和特征在很大程度上取决于气象等外界因素的变化，一旦这些外界因素出现突变，那么水团的配置和特征也将随之发生巨大变化。由此可见，天气学分析结果虽有特色，但也有其局限性，因为这些结果并不能完全反映出水团的气候学特征。例如，于非等［10］基于美国海军的G D E M（Generalized Digital Environ mental M odel）多年月平均水温资料指出，青岛冷水团主要存在于3-5月间，5月以后它便逐渐融入黄海冷水团当中，成为黄海冷水团的西侧冷中心［11］，这与Zhang等［8］的天气学分析结果存在着较大差异。另一方面，虽然人们已对青岛冷水团的长消过程和形成机制有了比较深入的了解［8］，但对其消亡机理却知之甚少，迄今尚未见到相关报道。为此，本文利用1950-2013年间在南黄海中西部海域获得的水温资料、大气数据和数值模拟结果，对青岛冷水团的长消过程和消亡机理进行研究，以期为南黄海西部海域海洋水产资源的合理开发利用提供科学依据。

2　资料和处理方法

本文运用1950-2013年间W O D13（W orld O-cean Database 2013）和中国科学院海洋研究所的海洋科学数据库（OSD-IO C AS）中的水温资料，分析青岛冷水团的气候态季节变化特征。其中，W O D13是由美国国家海洋资料中心（N O D C）研发的2013版的世界海洋数据库，该数据库中的水温资料主要包括C T D、海洋站（OSD）、漂流浮标（D RB，PFL）和锚定浮标（M RB）等观测数据，而OSD-IO C AS则主要为南森站和C T D观测资料。与W O D13不同的是，OSD-IOC AS拥有更多的中国近海观测资料。

为了探讨青岛冷水团的消亡机理，本文还利用美国国家海洋和大气管理局（N O A A）研发的国际综合海洋-大气资料集（IC O A DS）中的月平均风场和海面净热通量数据，其分辨率皆为1°×1°。此外，由于缺乏大范围的同步海流观测资料，因此本文使用了由美国罗格斯大学和加州大学共同开发的R O M S（Regional Ocean M odeling System）模式模拟的气候态海洋上层（0～25 m）海流数据（由杨德周博士提供）。该模式能够很好地模拟东中国海的环流结构和变化特征［12—13］。

本文的研究区域为南黄海中西部海域（34°～37°N，120°～125°E），图1为南黄海地形图。众所周知，在海洋实测资料中往往存在着噪声、误差以及站点分布不均匀等问题。因此，为了得到一份高质量的网格化的数据集，本文采用Levitus客观分析方法对W O D13和OSD-IO C AS资料进行了客观分析处理1）Levitus S，Boyer T.W orld Ocean Atlas 1994 C D-R O M Data Set Docu mentation［C］.National Oceanographic Data Center，Informal Report，1994：13.。首先剔除了资料中的奇异值和重复的站点，然后再对资料进行内插：在垂直方向上，将所有的资料都插值到8个标准层（0、5、10、15、20、25、30和50 m）上；在水平方向上，每层的数据皆通过客观分析方法插值到0.25°×0.25°格点上，同时利用加权平均方法对数据进行了平滑，从而得到了高分辨率的网格化水温数据集。

图1　南黄海地形图（图中实线为等深线，单位：m）Fig.1 Bathymetric map of the South Yellow Sea （The solid line is bathymetric contour，unit：m）

3　青岛冷水团的长消过程

青岛冷水团具有低温特征，其内部的温度大致呈中央低、边缘高的分布特征，与周围的水体形成较强的温度梯度［7—8］。另外还应指出的是，南黄海温跃层的上界一般在5～10 m之间，而跃层厚度约为10 m［10］。也就是说，青岛冷水团盘踞于20 m以深水层。因此，本文利用3-7月间的25 m层水温资料来研究青岛冷水团的长消过程是完全可行的。值得一提的是，为了能够给出水团的全貌，本文将水深小于25 m的浅水区用底层资料补齐。

3月，在青岛外海及其以北海域存在着一低温区（T≤4.5℃）（图略），而在4月该低温区的水温有所升高，而且6.4℃等温线已呈封闭状分布（图2a），这标志着青岛冷水团已经成型（在水团内部的25 m层，最低温度为5.36℃）。到了5月，冷水团的分布范围（T ≤9℃）迅速增大，而其内部的水温也在上升，其最低温度较4月份上升了1.22℃（图2b）。6月，冷水团的范围（T≤10℃）明显减小，但其内部的温度仍在继续升高，其最低温度为8.42℃（图2c）。7月，虽然该水团的范围（T≤11℃）大致与6月相近，但它已融入到黄海冷水团（T≤12℃）中（图2d），并成为该水团的西侧冷中心。因此可以认为，7月青岛冷水团已消失。由以上分析可知，青岛冷水团3月出现，4月成型，5月最盛，6月减弱，7月消失，这与Zhang等［8］的天气学分析结果相近，但与于非等［10—11］的气候学分析结果却有所不同（他们认为，青岛冷水团4月最盛，5月减弱），这可能与所用的资料不同有关。

4　青岛冷水团的消亡机制

由前面的分析可知，青岛冷水团6月减弱，7月消失。而以往的研究也表明，青岛冷水团是在山东半岛南侧的反气旋涡和太阳辐射加热共同作用下形成的［8］。那么，青岛冷水团的消亡过程究竟是由哪些因素导致的？为此，本节将专门探讨这一问题，从而阐明青岛冷水团的消亡机制。

图2　4-7月间的南黄海中西部25 m层水温（℃）分布Fig.2 H orizontal temperature（℃）distribution at 25 m depth in the central and western South Yellow Sea during April to July

4.1动力机制

已有研究表明，风应力是上层海洋运动的主要驱动因素，也是浅海水团演变的主要动力机制［14］。因此，本节将重点讨论风应力和海洋环流对青岛冷水团消亡过程的影响。

由图3可见，南黄海的风应力存在着显著的季节变化。其中，冬季盛行偏北风（图略），而夏季则盛行偏南风（图中仅给出7月的风场）；春季（4-6月）是冬季风向夏季风过渡的季节，其间南黄海的风应力以反气旋为主，而且反气旋中心位置存在着很大的时空变化。4月，反气旋中心位于南黄海西部（35.5°N，123.0°E）（图3a），因此使得该海域的表层出现了一反气旋涡（图4a1），特别在25 m层，反气旋涡的分布范围较表层有所增大，且略呈东北-西南向分布（图4a2），这对青岛冷水团的维持和发展是极为有利的。5月，由于风应力反气旋中心已东移至南黄海东部（25°N，125°E），因而南黄海西部基本被较强的东南风所控制（图3b），与之相伴的是，在南黄海西部的表层出现了较强的偏北向流，反气旋涡位置随之东移（图4b1），但在温跃层的屏障作用下，25 m层的反气旋涡仍较强（图4b2），于是青岛冷水团达至其盛期（图2b）。到了6月，风应力反气旋中心已移至海域的东北角（37°N，125.5°E），因而整个研究海域基本被较强的偏南风所控制（图3c），这使得南黄海偏北向的表层流继续增强，而反气旋涡则随之消失（图4c1），但在温跃层的阻挡下，南黄海西部25 m层的北向流较弱，而海域中部的南向流则仍较强，即反气旋涡已明显减弱（图4c2）。这样的环流结构对黄海冷水团的发展极为有利，但对青岛冷水团却有阻碍作用，因而它开始减弱（图2c）。进入夏季（7月），强劲的偏南风（图3d）导致了南黄海出现很强的北向表层流（图4d1），但春季出现在25 m层的反气旋涡已不复存在，而被较强的西南向流所取代（图4d2），这加速了黄海冷水团的南扩和西伸，因而使得青岛冷水团被融入到该水团中而消失（图2d）。由此可见，6-7月间南黄海偏南风的增强和温跃层以下反气旋涡的减弱是青岛冷水团消亡的主要动力机制。

图3　4-7月间的南黄海海面风场Fig.3 Sea surface wind fields in the South Yellow Sea during April to July

4.2热力机制

南黄海属于陆架浅海，其暖半年的上层热状况受太阳辐射的影响极大。由图5可见，春季该海域获得的热量由4月的100～120 W/m2猛增到6月的160 W/m2（图5a-c），而在夏季（7月），南黄海的净热通量大都在160～170 W/m2之间（图5d）。如此多的净热通量使得南黄海表层的海水迅速增暖，这可从水团内部表层水温的变化特征得到佐证。在4-7月间，青岛冷水团中心处的表层水温分别为7.50℃、12.88℃、18.76℃和23.38℃。在垂向混合的作用下，表层的热量不断地向下输送，因而使得深层的水温逐渐升高，特别在近岸海域尤其如此。在水团西侧的近岸海域（35.5°N，121.0°E），25 m层的水温由4月的6.36℃猛增到7月的11.35℃。另一方面，由于黄海冷水团区的水温高于青岛冷水团（图2），而且6-7月间在25 m层一直盛行西南向流（图4b3、b4），这既有利于黄海冷水团的南扩和西伸，同时又能将部分热量平流到青岛冷水团附近，因而使得该水团变暖、减弱，最终融入到黄海冷水团中而消亡。由此可以认为，局地海面净热通量的下传和水平热量的输入是青岛冷水团消亡的热力机制。

综上所述可知，6-7月间南黄海偏南风的增强和温跃层以下反气旋涡的减弱是青岛冷水团消亡的动力机制，而海面净热通量的下传和水平热量的输入则是青岛冷水团消亡的热力机制。

5　结论

本文基于多年月平均水温资料，分析了青岛冷水团的长消过程，并利用气候态月平均大气数据和数值模拟结果，探讨了青岛冷水团的消亡机理，得到的结论主要如下。

图4　4-7月间表层和25 m层的模拟流场Fig.4 The simulated flow fields at sea surface and 25 m depth during April to July

（1）青岛冷水团3月出现，4月成型，5月最盛，6月减弱，7月消失，这与Zhang等［8］的天气学分析结果相近，但与于非等［10—11］的气候学分析结果却有所不同，这可能与所用的资料不同有关。

图5　4-7月间的南黄海海面净热通量分布Fig.5 Sea surface heat flux fields in the South Yellow Sea during April to July

（2）南黄海6-7月间偏南风的增强和温跃层以下反气旋涡的减弱是青岛冷水团消亡的动力机制，而海面净热通量的下传和水平热量的输入则是青岛冷水团消亡的热力机制。

致谢：本文使用了由中国科学院海洋研究所和美国国家海洋资料中心提供的海温资料及美国国家海洋和大气管理局（N O A A）研发的月平均风场和海面净热通量数据，在此谨致谢忱！

参考文献：

［1］赫崇本，王圆祥，雷宗友，等.黄海冷水团的形成及其性质的初步探讨［J］.海洋与湖沼，1959，2（l）：11-15.H o Chungpen，W ang Yuanxiang，Lei Zongyou，et al.A preliminary study oftheformation of Yellow Sea cold mass andits properties［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1959，2（1）：11-15.

［2］苏育篙，喻祖祥，李凤岐.聚类分析法在浅海水团分析中的应用及黄东海变性水团的分析［J］.海洋与湖沼，1983，14（1）：1-11.Su Yusong，Yu Zuxiang，Li Fengqi.Application of cluster analysis method for analyzing the water-massesin the shallow water area and the analysis of modified water masses in the H uanghai Sea and the East China Sea［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1983，14（1）：1-11.

［3］郑东，张瑞安.烟威及石岛近海春季水团分析［J］.海洋通报，1983，2（1）：61-68.Zheng Dong，Zhang Ruian.Analysis of spring water massesin the sea area of Yantai，W eihaiand Shidao［J］.M arine Science Bulletin，1983，2（1）：61-68.

［4］张瑞安，郑东.黄海西部春季海洋锋及其与渔业的关系［J］.海洋科学，1984（1）：5-8.Zhang Ruian，Zheng Dong.The spring H uanghai Sea oceanic front and their relations to fisheries［J］.M arine Sciences，1984（1）：5-8.

［5］张存义.青岛冷水团强度的划分及其多年变化的分析［J］.海洋科学，1986，10（3）：48-51.Zhang Cunyi.Analysis of the strength and yearly variations of Qingdao cold water-masses［J］.M arine Sciences，1986，10（3）：48-51.

［6］张元奎，耿孝同.渔业与水文状况的关系［M］//山东近海水文状况.济南：山东地图出版社，1989：71-87.Zhang Yuankui，Geng Xiaotong.Relationship between fishery and hydrologicalsituation［M］//H ydrologicalregimein Shandong coastal waters.Jinan：Shandong M ap Press，1989：71-87.

［7］张启龙，翁学传，杨玉玲.南黄海春季水团分析［J］.海洋与湖沼，1996，27（4）：421-428.Zhang Qilong，W eng Xuechuan，Yang Yuling.Analysis of water massesin the South Yellow Sea in spring［J］.Oceanologia et Limnologia Sinica，1996，27（4）：421-428.

［8］Zhang Qilong，Liu Xingquan，Cheng Minghua，et al.Characteristics and formation cause of Qingdao cold water mass［J］.Chinese Journal of Oceanology and Limnology，2002，20（4）：303-308.

［9］张启龙，侯一筠，程明华，等.青岛冷水团强度的变化特征［J］.海洋科学集刊，2004，46：13-21.Zhang Qilong，H ou Yijun，Cheng Minghua，et al.Variation featursein Qingdao cold water mass strength［J］.Studia M arina Sinica，2004，46：13-21.

［10］于非，张志欣，兰健，等.南黄海春季水温分布特征的分析［J］.海洋科学进展，2005，23（3）：281-288.Yu Fei，Zhang Zhixin，Lan Jian，et al.Analysis of water temperature distribution characteristics in the Southern Yellow Sea in spring［J］.Advances in M arine Science，2005，23（3）：281-288.

［11］于非，张志欣，刁新源，等.黄海冷水团演变过程及其与邻近水团关系的分析［J］.海洋学报，2006，28（5）：26-34.Yu Fei，Zhang Zhixin，Diao Xinyuan，et al.Analysis of evolution of the H uanghai Sea cold water mass and its relationship with adjacent water masses［J］.Haiyang Xuebao，2006，28（5）：26-34.

［12］Yang Dezhou，Yin Baoshu，Liu Zhiliang，et al.Nu mericalstudy ofthe ocean circulation on the East China Sea shelf and a Kuroshio bottom branch northeast of Taiwan in su m mer［J］.J Geophys Res，2011，116：C0515.

［13］Yang Dezhou，Yin Baoshu，Liu Zhiliang，et al.Nu merical study on the pattern and origins of Kuroshio branchesin the bottom water of southern East China Sea in su m mer［J］.J Geophys Res，2012，117：C02014.

［14］Zhang Qilong，Liu H ongwei，Qin Sisi，et al.The study on seasonal characteristics of water massesin the western East China Sea shelf area［J］.Acta Oceanologica Sinica，2014，33（11）：64-74.

张启龙，刘志亮，齐继峰，等.青岛冷水团的消亡机理研究［J］.海洋学报，2016，38（5）：27-33，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.003

Zhang Qilong，Liu Zhiliang，Qi Jifeng，et al.Study on the extinction mechanism for Qingdao cold water mass［J］.Haiyang Xuebao，2016，38（5）：27-33，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2016.05.003

Study on the extinction mechanism for Qingdao cold water mass

Zhang Qilong1，Liu Zhiliang1，Qi Jifeng1，Yang Dezhou1，Zheng Dongmei2
（1.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves，Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Qingdao 266071，China；2.Marine Environmental Forecasting and Disaster Preventing and Reeducating Center of Liaoning Province，Shenyang 110001，China）

Abstract：In this work，the growing and vanishing processes ofthe Qingdao Cold W ater M ass（Q C W M）were studied based on monthly mean climatological sea temperature data in the South Yellow Sea.And then，the extinction mechanism for Q C W M was also examined using the meteorological data and the nu mericalsimulation resultsin this study area.The results showed thatthe Q C W M appearsin M arch，has stable pattern in April，is biggestin its area in M ay，becomes smallin its areain June and vanishesin July.During June to July，the strengthening of southerly winds and weakening of the anticyclonic eddy below the thermocline are the dynamic mechanism for the Q CW M extinction，while the downward transfer of sea surface solar radiation and horizontal heat input are the thermodynamic mechanism of the Q C W M extinction.

Key words：South Yellow Sea；Qingdao Cold W ater M ass；growing and vanishing processes；extinction mechanism

作者简介：张启龙（1954—），男，山东省昌邑市人，研究员，从事海洋环流和海气相互作用研究。E-mail：qlzhang＠qdio.ac.cn

基金项目：国家自然科学基金（41276026）；中国科学院战略先导专项（X D A11020301）。

收稿日期：2015-09-17；

修订日期：2015-12-20。

中图分类号：P731.16

文献标志码：A

文章编号：0253-4193（2016）05-0027-07