钓鱼岛东北冷涡特征及其生长消亡规律*

张艳胜 于 非 司广成

(1. 中国科学院海洋研究所 青岛 266071; 2. 中国科学院大学 北京 100049)

钓鱼岛位于东海南部, 由四座相邻的岛屿组成,位置在 123°27′E, 25°44′N。东海是世界最大的边缘海之一, 面积为 70多万平方公里, 其大陆架也是世界上最宽广的大陆架之一。受季风的影响, 东海的水文特征存在明显的季节变化(蔡榕硕等, 2011, 2015) 。同时, 黑潮入侵水、台湾海峡水以及沿岸水相互作用对东海的水团结构和环流特征有重要的影响(马超,2009) 。

黑潮发源于菲律宾东南, 是北赤道流向北的一个分支, 沿着北太平洋西部边缘向北流动。黑潮相对其流经的海域具有高温高盐的特性, 在流经中国近海时, 有分支通过台湾东北海域的北棉花峡谷(North Mien Hwa Canyon)入侵东海陆架(Qiuet al, 1990;Tanget al, 1999), 将大洋中的变化信息传入中国近海(于非等, 2002), 引起中国近海环流的变化。黑潮入侵东海陆架最先在台湾东北与海底地形相互作用, 引起黑潮次表层水涌升而形成台湾东北冷涡(Fan, 1980;孙湘平等,1997;2002)。Liu等(1992)发现季风的转向对台湾东北冷涡有明显的调制作用, Lin等(1992)、郭炳火等(1995)以及孙湘平等(1997)分别对台湾东北冷涡进行了分类。关于黑潮入侵陆架路径的观点众多,Kondo(1985)指出有分支从台湾东北海域的黑潮分离出来后, 大致沿着123°E线向北流到杭州湾外, 日本学者称之为“黑潮分支”(Kuroshio branch); Su(1987,1994)认为黑潮次表层水入侵陆架后主要沿着100—200m等深线流向陆架波折带, 未入侵100m等深线以西海域; 杨德周(2011)提出夏季东海陆架上存在两个黑潮底部分支, 与黑潮表层分支构成了东海陆架黑潮入侵的反气旋楼梯状三维结构, 并给出了各个分支的来源和路径。

20世纪70年代以来, 随着卫星遥感技术开始应用在海洋学中, 发现黑潮和湾流这样的强大洋流的边缘位置都不是平滑的, 锋面区存在十分复杂活跃的海洋动力现象, 其中锋面涡是其中最重要的现象之一, 它们是水交换过程中最重要的因素。锋面涡由夹带的暖丝以及位于陆架残留水和湾流水之间的气旋式、涌升的冷核构成(Haney, 1986)。Glenn等(1994)根据湾流主轴弯曲幅度将湾流区域的锋面涡分为两种类型, 一种是发生在小弯曲期间, 锋面涡接近100m等深线, 暖丝结构仅仅能延伸到中部陆架外;另一种是发生在大弯曲期间, 锋面涡出现在离岸海域, 但其暖丝结构可以延伸到内陆架。Paluszkiewicz等(1983)根据卫星和水文数据发现在 1982年 4月 4日到 6日一个锋面涡从湾流主轴分离出去, 然后以30cm/s的速度向西南方向移动。Haney(1986)提出锋面涡核心处是富含营养盐的冷水, 锋面涡核心处的海鸟密度是周围海域的 21倍。在黑潮流区, 日本土佐湾的卫星图像显示当黑潮主轴向离岸方向移动时,由于地形的作用, 产生了一个气旋式的锋面涡。不同于在湾流处发现的锋面涡, 该涡锋面形状是不对称的, 底层水的涌升不能明显的影响表层温度分布(Toda, 1993)。Yanagi等(1998)根据 CTD、ADCP以及卫星示踪漂流浮标的资料分析了东中国海陆架边缘黑潮锋面涡的三维结构。在 5月份陆架低盐水从24.5σθ等密度面入侵黑潮次表层, 在锋面涡区域存在逆盐现象(Isobeet al,2004)。Okazaki等(2002)、Nakata等(2000)等研究了黑潮延伸体海域的锋面涡对凤尾鱼的影响。当黑潮沿着大陆坡流动时, 由于其主轴的非线性不稳定, 锋面区的波动周期大约为 10—20天(Zhenget al, 1993); 而且黑潮附近中尺度涡对黑潮流量存在一定的影响(袁耀初等, 2006)。Guo等(1991)首先估计东海东北部锋面涡随黑潮主轴移动的速度为30cm/s , 其后(Guoetal, 1997)根据卫星图像及水文资料, 揭示了锋面涡在陆架水和黑潮水水交换中的作用, 对于整个东海陆架边缘, 锋面涡作用可使1.8×106m3/s的陆架混合水卷入黑潮。加强东海陆架中尺度涡研究对研究黑潮水与陆架水的交换具有重要意义。

Qiao 等(2005)根据2003年夏季走航观测的CTD资料以及锚定 ADCP的海流资料分析发现: 东海南部大陆架浅水区暖水和大陆坡暖水之间夹着一条冷水带, 整体呈现三明治结构; 冷水带上有三个冷核心,钓鱼岛东北的冷核心具有上凸的温盐等值线, 在ADCP观测点的各层日平均水平速度的垂直结构呈β-螺旋状, 认为此处存在一个中尺度冷涡。

2001年夏季调查发现, 钓鱼岛东北海域存在由底层水涌升而形成的冷涡, 该涡引起的等温线上凸主要在跃层附近, 海表层表现不明显, 所以难以用卫星图像和卫星数据来识别该涡, 只能依靠区域海洋的温盐垂直结构来分析。钓鱼岛东北海域正是我国传统渔场-钓鱼岛渔场, 该渔场是绿鳍马面最主要的产卵渔场(方瑞生等, 1986)。底层水的涌升将会携带大量的营养盐(Chernet al, 1990; Gonget al, 1996),使此海域的初级生产力升高, 进而为此海域带来丰富的渔业资源。了解钓鱼岛东北冷涡特征以及生长消亡规律对该海域渔业资源的开发和生态环境的保护具有重要的意义。

1 资料概述

为研究钓鱼岛东北冷涡的三维结构和生长消亡规律, 搜集了该海域的多年调查资料, 包括中日黑潮联合调查的资料、国家自然科学基金委东海开放航次以及中国科学院海洋先导科技专项航次资料, 共计 7个航次的调查资料, 具体信息见表1。

表1 各航次信息Tab.1 Details of the cruises

2 结果与分析

2.1 钓鱼岛东北冷涡特征

1987年8 月、2001年8月以及2003年8月三个调查航次的资料揭示了钓鱼岛东北冷涡的存在及其空间特征。

1987年 8月中日黑潮联合调查在钓鱼岛东北海域观察到了冷水涌升的现象。从图1a底层盐度分布(图中黑色点代表站位, 菱形代表钓鱼岛的位置)观察到在钓鱼岛东北海域存在一个高盐区域, 最高盐度为 34.80。在高盐核两侧的 S5、S6断面(1c、d)上存在明显的冷水涌升的现象, 等温线凸起的趋势可以达到水深40m层以浅, 40m层以下温度比周围海域同深度低 2—3°C。

2001年8 月的调查站位布设更密集, 更细致的揭示了钓鱼岛东北冷涡的特征。同时, 也展现了东海南部的涡旋空间分布。

根据图 2a(袁耀初等, 2007), 东海南部存在东海西南部反气旋暖涡, 台湾岛东北气旋式冷涡。管秉贤(1983)、Su 等(1987)以及 Wang 等(1987)讨论了东海西南部暖涡的形成机制和水体来源, 尚未形成一致的认识。孙湘平等(1997)、修树孟等(2001)以及王甜甜等(2008)讨论了台湾东北冷涡的类型、结构、特点、季节变化以及其形成机制。对比2001年8月50m层的温度分布(图2b), 可以在大致相同的位置观察到东海西南部暖涡和台湾东北冷涡, 表明该调查准确地展现了东海南部的涡旋分布。在钓鱼岛东北海域可以观察到一个非常强的冷涡, 将其命名为钓鱼岛东北冷涡。钓鱼岛东北冷涡的尺度稍小于东海西南部暖涡,大于台湾东北冷涡, 是一个很强的中尺度冷涡, 可能对东海流场及水团分布产生重要的影响, 具有一定的研究价值。

图3是2001年8月调查站位(3a)、密度σ=22.50kg/m3的深度场(3b)以及水深50m层的温盐场(3c、d)。钓鱼岛东北海域海水的等密面深度比周围海域高出15—20m; 并且存在高盐和低温的区域, 高盐和低温区域的尺度在 150km左右, 高盐区域核心盐度为34.40, 盐度比周围海域高出 0.50以上, 低温区域核心温度为22°C, 温度比周围海域低2°C以上, 两个核心位置基本重叠, 在(123.6°E, 26.7°N)附近。

图1 1987年8月底部盐度分布以及S5和S6断面位置及其温度分布Fig.1 Salinity of the bottom layer and temperature of the sections S5, S6 in Aug., 1987

图2 东海及其附近涡旋和温度分布综合示意图Fig.2 Distributions of eddies and temperature in East China Sea and adjacent areas

图3 2001年8月调查站位及其各参数分布图Fig.3 Station deployment and investigation items in Aug., 2001

根据穿过冷涡的断面温盐分布(图 4)发现: 温盐等值线都是上凸的, 凸起的趋势可以达到水深 30m层以浅, 但不能从海表面露头; 其中 34.20的等盐线可以到30多米的深度, 比周围海域的34.20等盐线高出 20—40m, 冷涡核心处最大盐度为 34.75, 比周围同深度盐度高近1.00, 最大盐度深度为75m左右; 冷涡核心处30m层以上被高于28°C的暖水所占据, 30m到50m左右为温度从28°C降低到20°C的温跃层, 最大温度梯度达0.50°C/m, 50m层以下温度低于20°C。

2003年 8月的调查同样观察到了钓鱼岛东北冷涡。从图5b等密度面σ=22.50kg/m3的深度分布发现,钓鱼岛东北海域海水的等密面深度比周围海域高出10—15m; 50m层温度分布(图5c)存在明显的低温区,低温区尺度在 150km左右, 温度比周围海域温度低2—3°C。Qiao 等(2005)根据同时期位于 P 点(图 5c)的ADCP的流速资料发现日平均的水平速度在垂直方向呈β-螺旋状结构, 并且计算发现此地存在上升流。

图4 2001年8月穿过冷涡断面的温、盐分布Fig.4 Temperature and salinity distributions across eddy in Aug., 2001

图5 2003年8月调查站位及其各参数分布图Fig.5 Station deployment and investigation items in Aug., 2003

冷涡边缘(图 6a、b、c)和中心(图 6d、e、f)两个断面的温盐等值线都是上凸的, 其上凸的趋势达到40m 层以浅; 冷涡边缘断面上 34.20等盐线可以到30m 附近, 最大盐度为 34.65, 稍低于中心处最大盐度34.75; 40m层以上被高于28°C的暖水占据, 40m到65m的深度为28°C到20°C的温跃层。在冷涡的中心位置存在盐度 34.75的高盐核, 深度在 75m左右,34.20的等盐线可以到30m层以浅, 比西侧海域高出接近 50m; 同样的冷涡核心处上层被高于 28°C的暖水占据, 温跃层厚度约为 20m, 最大温度梯度达0.50°C/m, 水深 65m 以下温度低于 20°C, 与 2001年8月此海域出现的冷涡特征基本一致。

图6 2003年8月穿过冷涡的两个断面温盐分布图Fig.6 Profiles of temperature and salinity at two cross-eddy sections in Aug., 2003

基于多年的资料, 证实了钓鱼岛东北海域存在冷涡, 并首次将其命名为“钓鱼岛东北冷涡”, 该涡是由于底层海水涌升而形成的中尺度冷涡, 其温盐等值线上凸的趋势可以达到 30m层以浅, 但并不能露头, 所以不能从海表层的温盐特征识别该涡, 该涡尺度在 150km 左右, 其水团特征盐度为 34.70—34.80,特征温度低于20°C;从50m层的水文特征来看, 钓鱼岛东北冷涡的位置每年基本不变, 在123.2—124.2°E,26—27°N 内。

2.2 钓鱼岛东北冷涡生长消亡规律

图7是春季(1987年4月)的底层、表层以及离底10m水层的盐度图。除长江口外海以外, 盐度等值线基本平行于岸线, 盐度由近海向外海递增; 可以清楚的看到长江冲淡水的存在, 从表至底都是向东南方向延伸, 表层向外延伸最远可达到28°N、125°E。在钓鱼岛的东北海域观察不到类似于1987年8月的高盐核。

S4断面温盐图(图8)中盐度和温度都表现为从近海向外海增大, 但是盐度等值线从底层向表层倾斜,温度等值线为表层向底层倾斜, 其主要原因是黑潮次表层水盐度最高, 黑潮表层水温度最高(张绪东等,2004)。春季在钓鱼岛东北海域不存在海水涌升的现象, 冷涡尚未形成。

夏季共有1987年8月、2001年8月、2003年8月和 2011年 6月四个航次的资料, 细致的体现了钓鱼岛东北冷涡的特征。

从图1可以观察到钓鱼岛东北冷涡。从底层盐度可以观察到钓鱼岛东北海域存在一个高盐核, 最高盐度为 34.80, 判断为黑潮次表层水。高盐核两侧断面S5和S6都可以观察到低温水的涌升, 向上凸起的等温线可以到40m的深度; 此时冷涡存在且较强。

2001年8 月(图3, 4)更清楚的揭示了钓鱼岛东北冷涡的特征。从图3c和3d的50m层的温盐分布, 可以看出钓鱼岛东北海域存在高盐低温的核心, 图4中穿过冷涡核心的断面, 也可以观察到上凸的温盐等值线。此时, 钓鱼岛东北冷涡特征非常明显。

2003年8 月的调查(图5)也在大致同样的位置观察到了钓鱼岛东北冷涡。根据断面的温盐分布(图 6)以及 50m层的温度分布图可以确定钓鱼岛东北冷涡的存在。

图7 1990年4月盐度分布Fig.7 Salinity distribution in Apr., 1990

图8 S4断面盐度和温度场Fig.8 Salinity (left) and temperature (right) at Section S4

2011年 6月也观察到了钓鱼岛东北冷涡。图 9是2011年6月的调查站位以及DH7断面的温盐分布。根据前面的调查, DH7断面站位可以达到往年钓鱼岛东北冷涡的边缘位置, DH7断面温盐分布显示, 在该断面的最东侧温盐等值线都是上凸的, 底部的盐度最大值为 34.60, 温度在 60m 层以下低于 20°C。在50m层的深度, 最东侧涌升区盐度比周围海域高0.30,温度低2—3°C, 与2003年8月冷涡边缘位置的断面的温盐特征基本一致, 可以确定是钓鱼岛东北冷涡。每年夏季钓鱼岛东北冷涡都存在且特征基本一致。

图9 2011年6月调查站位以及DH7断面温盐分布Fig.9 Stations deployment (a), salinity (b), and temperature (c) at Section DH7 in Jun., 2011

图10是秋季(1990年10月)的底部盐度以及50m层的温盐分布图, 发现在钓鱼岛东北海域不存在高盐区域和低温区域, 从此时的 50m层温盐分布观察不到钓鱼岛东北冷涡的存在的迹象。

图10 1990年10月底层盐度以及50m层的温盐分布Fig.10 Distributions of salinity at bottom layer (a), temperature at 50m (b); and salinity at 50m (c) in Oct., 1990

S4断面上的温盐分布(图 11)显示: 该海域上层混合均匀, 底层存在向上凸起的温盐等值线, 盐度等值线上凸不高于 60m层, 最大的盐度为 34.60, 向上涌升的强度明显弱于夏季(8月); 底层冷水在同样的位置也有上凸的现象, 也不高于60m层, 60m到70m为梯度最大达到0.50°C/m的温跃层, 从温度来看, 涌升强度同样弱于夏季(8月)。

秋季钓鱼岛东北冷涡依旧存在, 但是强度非常弱, 只有在近底层才可以观察到海水涌升的现象, 上凸不高于60m的深度。

图11 1990年10月S4断面的温盐分布图Fig.11 Temperature and salinity at the section S4 in Oct., 1990

图12 1987年12 月S7断面、底层盐度以及50m盐度和温度分布Fig.12 Distributions of salinity at the bottom (a) and at 50m depth (b), and temperature at 50m across Section S7 in Dec., 1987

图13 S7断面温盐分布Fig.13 Profiles of salinity (left) and temperature (right) at Section S7

图 12是冬季(1987年 12月)底层盐度以及 50m层盐度和温度分布图。底层盐度分布显示从台湾岛向东北方向延伸出一条高盐带, 盐度达到 34.80, 高于两侧的浅水区和黑潮区, 该高盐带的海水只可能来自于黑潮次表层水, 然而, 钓鱼岛东北海域并不存在类似于夏季(1987年 8月)的高盐核。从 50m层温盐场来看, 在钓鱼岛东北海域没有冷涡存在的迹象。

S7断面底部为冷水, 在断面的最东边是黑潮暖水, S7断面上几乎全部为盐度34.50—34.60的高盐水,但是不存在海水涌升的现象, 冬季钓鱼岛东北冷涡不存在。

3 结论

本文根据1987年8月和12月、1990年4月和10月、2001年8月、2003年8月以及2011年6月以上7个航次的调查数据, 发现夏秋季节在钓鱼岛东北海域存在一个冷涡, 首次将在该海域出现的冷涡命名为“钓鱼岛东北冷涡”, 并初步分析了该冷涡特征及其生长消亡规律。结果表明: (1)钓鱼岛东北冷涡是由于底层海水涌升而形成的中尺度冷涡, 其温盐等值线上凸的趋势可以达到 30m层以浅, 但并不能露头, 所以不能从海表层的温盐特征识别该涡, 只能依靠区域海洋的温盐垂直结构来加以分析。

(2) 钓鱼岛东北冷涡的尺度在150km左右, 其水团特征盐度为34.70—34.80, 特征温度低于20°C; 冷涡区域上层为温度高于 28°C的暖水, 下层为温度低于 20°C的冷水, 中间温跃层厚度在20m左右, 温度跨度从 28°C 到 20°C, 温度梯度最大达到 0.50°C/m;34.20等盐线可以上凸到30m层以浅, 此深度水温约为 25°C; 从 50m 层的温盐特征来看, 钓鱼岛东北冷涡的位置每年基本不变, 在 123.2—124.2°E, 26—27°N 内。

(3) 钓鱼岛东北冷涡是季节性冷涡, 每年夏季都会出现, 5、6月份开始形成, 10月份还可以观察到该涡, 此时该涡已很弱, 仅可以在近底层观察到海水涌升的迹象, 涌升不高于60m层, 12月份的调查显示该冷涡已完全消失; 8月份是该冷涡强度最强的时间,此时, 34.20盐度等值线凸起可以达到30m层以浅, 此深度的温度为25°C。

钓鱼岛东北冷涡具有明显的季节性, 夏季是拥有资料最多的季节, 也是该涡最强的季节, 所以对该涡特征有比较清楚的认识, 但由于资料的不连续, 不能准确得到该涡出现和消失的时间, 需要更多的调查或者数值模拟来进一步研究。

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