中国近海海洋锋和锋面预报研究进展

海洋锋是性质不同的2个或几个水团之间的狭窄过渡带, 可用某一特定的水文特征, 如温度、盐度、密度、颜色、叶绿素等要素的水平梯度来描述[1], 其空间尺度小至几米, 大至上千公里, 时间尺度短至几天, 有些海洋锋甚至常年稳定存在。海洋锋对渔业、军事和海洋环境保护等许多领域有重要影响。

海洋锋区内局地平流和垂直运动加强, 导致锋区内营养盐等物质富集[2], 在锋面附近的水团中, 浮游植物十分丰富, 从而为浮游生物提供充足的饵料。海洋锋区的强度与渔获量的关系十分密切, 常与重要的渔场分布相一致[3~5]。例如中国的舟山渔场和闽南渔场存在较强的海洋锋。对锋面这类海洋中尺度现象的理解和预测对海洋军事也有巨大的价值, 包括战术安排、航线设计、海上搜救等均需要考虑海洋锋的影响。由于锋面影响海洋内部的物理过程对声波在海洋中的传播有很大的影响, 所以锋面是海洋军事必须考虑的重要问题[6]。海洋锋的研究在海洋环境保护方面也起到了很重要的作用, 锋区常常伴有海水的辐合, 能将浮游碎屑、油污和重金属等物质聚集在锋带附近[7]。对海洋锋面研究也成为海洋交叉学科研究中的一个重要课题[8]。

随着卫星技术和数值模式的不断发展, 大量的全球范围表层海洋遥感实时资料, 结合日益成熟的高时空分辨率的数值模式结果和大范围的现场观测数据, 对全球海洋锋的时空变化和演变机制的研究逐渐成为物理海洋学研究的热点之一。中国近海众多环流、水团和涡旋在此交汇, 海洋锋现象十分显著, 我国学者也逐渐认识到认识和揭示锋面物理过程的重要性, 近年来对中国近海的海洋锋的产生机制以及其分布和变化规律也取得了一定的进展[9~11]。但对海洋锋这类中尺度现象的预报研究起步较晚, 全球范围内来看, 海洋锋预报研究目前主要集中在大西洋沿岸海域。

整个中国近海海域在季风、河流径流、海底地形以及海表热通量的相互作用下, 环流结构十分复杂[12~17], 产生了性质相对独立的不同水团, 为锋面的形成和发展提供了有利条件。Hickox等[12]和Wang等[13]利用长时间卫星遥感海表温度（Sea Surface Temperature, SST）数据, 通过计算锋面出现频率的方法, 给出了黄海、东海和南海北部主要锋面的大致分布位置（图1a和1b）, 并通过锋面强度等特征, 分析了各锋面的季节变化规律。从整体上看, 中国近海的海洋锋位置比较固定, 但受季风影响大多数海温锋面具有季节性变化, 冬季锋面强度偏大, 分布较广; 而夏季由于整个海区的海温升高掩盖了海表温度锋面的形成, 由对流产生的海温锋面基本消失, 仅在沿岸地区和浅滩边缘存在由潮汐混合和地形共同作用产生的温度锋面。后文将从实测水文资料分析、遥感资料分析和数值模拟3个方面分别回顾黄海、东海、南海北部等中国近海海域海洋锋的研究进展。

黄海是位于大陆架上的一个半封闭的浅海。黄海海洋锋大体分为2类, 一类主要是冬半年因冷暖平流辅聚形成的海洋锋, 另一类主要形成于春夏季, 是由强垂向湍流混合引起的潮汐锋[18]。

黄海暖流作为冬季黄海环流的主要组成部分, 是一支向黄海和渤海输送高温高盐水的海流[19~23]。黄海暖流和南下的黄海沿岸冷水相遇会导致锋面的产生[24, 25]。郑义芳等[26]和Ning等[27]通过卫星数据描述了一个从南黄海中部开始沿苏北浅滩和长江浅滩边缘向东南方向延伸直至东海的狭长锋面, 称为黄海暖流锋面。He等[28]通过卫星遥感SST数据发现, 济州岛西部存在一个东西向的温度锋面, 长江河口外围边缘也存在一个环状锋面。Park等[14]通过数值模拟的结果认为, 这2处的锋面呈S状相连。在夏季, 黄海一个显著的特点就是在黄海中部的海底存在一个低温水团— 黄海底层冷水团[29], 黄海冷水团环流几乎控制着整个黄海海域, 锋面在冷水团的边缘形成, 在潮汐的搅拌混合作用下, 近岸一侧的混合区和离岸一侧的层化区之间形成锋面[23, 25, 30]。赵保仁[31, 32]利用现场水文调查资料和卫星遥感图像探讨了夏季黄海潮汐锋现象, 并参考Simpson等[33]用于划分层化和混合区界限的层化参量 P=lg(H/U3), （其中H代表水深, U代表潮流整层平均振幅）较为明确地给出了黄海和东海北部夏季表层温度锋的位置。其中较明显的锋区包括山东半岛东部、渤海海峡东侧、朝鲜江华湾西部海域、朝鲜半岛西南岸的木浦外海和苏北浅滩等区域。针对黄海潮汐锋的数值模拟已有较多研究, 戚建华等[34]利用一个三维环流模式的模拟证明了潮流的混合作用是维持黄海夏季海洋锋的重要因子。Liu等[35]基于三维近岸环流模型对黄海M2分潮、密度环流和锋区环流等进行了数值模拟, 对2个断面锋区环流的模拟结果显示锋区对应的上升流特征与锋区表面观测到的冷水现象吻合。Ma等[36]通过一个波浪— 潮汐的三维环流模式分析认为影响黄海西部的潮汐锋的主要因素是潮汐引起的垂直混合、垂直对流作用和经向平流导致。Ren等[37]也通过数值模拟比较了潮汐混合和潮致上升流对黄海夏季潮汐锋的不同作用。Moon等[25]还通过对风和潮汐的一系列数值实验证明了冬季影响黄海环流和锋面过程的主要动力因子是风, 而夏季潮汐则是影响黄海锋面的主导因素。

东海海洋锋的种类较丰富, 有沿岸锋、陆架锋和陆坡锋。东海的锋面季节变化十分显著：冬季海表锋面的宽度和强度达到最强, 主要锋面有浙闽沿岸锋和黑潮锋[38]; 夏季受海区升温影响, 掩盖了大部分锋面的形成, 表层温度锋仅出现在长江口附近。现场观测是比较早的海洋锋研究手段, 汤毓祥[39, 40]依据多年的东海水文观测资料, 较为系统地总结了东海海洋锋面的类型, 分析了黑潮锋和浙闽沿岸锋位置的季节变化。He等[28]利用卫星SST和高度计资料也大致确定了东海的几个主要锋区, 分别是黑潮锋区、浙江沿岸锋区和长江河口锋区。Ning等[27]用卫星遥感水色和SST资料结合现场实测资料, 分析了东海水团和锋面分布的大体结构, 并指出SST资料更适合对冬季黄东海水温的区域变化较大的情况下水团和锋面的区分和识别, 而在夏秋季水温分布较为均匀的情况下, 水色数据能够更好的用于确定锋面。Yuan等[17, 41, 42]利用MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）叶绿素浓度a和卫星SST数据首次发现了夏秋之交的浙闽外海的跨陆架穿刺锋面, 并通过模式结果证实了的确存在此类锋面, 还发现了叶绿素浓度锋与温度锋在空间分布上不一致的情况。

和东海锋面特征类似, 季风系统引起的沿岸流锋面的季节变化是南海北部锋面的主要特点。由于多种水系在此交汇, 加上季风的作用, 海域的流系结构相当复杂, 浙闽沿岸水、粤东沿岸水、南海暖流水、黑潮入侵水等不同流系在不同季节的相互作用, 导致了南海北部海洋锋的季节变化。陈俊昌[43]最早尝试应用红外卫星云图对南海北部冬季海洋锋进行了分析。Wang等[13]利用多年月平均卫星遥感SST资料, 通过计算锋面出现频率的方法分析了南海北部的几条主要锋面的分布位置和季节变化情况。Chu等[44]用美国海军的GDEM（Generalized Digital Environmental Model）气候态数据集分析了南海锋面的季节变化, 指出了南海北部陆架区沿越南东岸到吕宋岛一线存在一条锋面, 锋面的最大梯度位置出现在次表层50 m深, 并且伴随着一支跨越海盆的海流, 沿着这条海流的中尺度涡旋也比较丰富。王磊[45]对南海北部陆架海洋锋区域的锋面涡旋现象进行了初步的分析和讨论, 指出了黑潮流套的入侵可能是南海北部1999年冬季观测到的“ 猫眼” 式涡旋结构的可能原因。

台湾海峡作为连接东海与南海的狭窄水道, 主要受以下因素影响：季风、浙闽沿岸流、上升流和南海暖流等。复杂的动力机制及多变的地形导致了台湾海峡附近海域存在复杂的海洋锋结构[46~49]。夏季对台湾海峡海洋锋影响最大的是上升流。肖晖等[50~52]通过多次对福建广东沿岸和台湾海峡海域海洋综合调查的实测水文资料, 发现了夏季台湾浅滩附近存在较强的上升流锋面。许多学者也通过卫星遥感的SST和水色资料发现了台湾海峡的上升流锋面[53~55], 台湾浅滩的上升流锋面一年四季基本上均稳定存在, 而粤东外海的上升流锋面则主要出现在夏季。李立等[56]结合卫星和历史水文资料, 对台湾海峡南部海域的海洋锋现象进行了分析表明, 受季风气候影响, 锋面分布有显著的季节差异：夏季主要以上升流锋面为主, 而冬季则主要是浙闽沿岸流锋面。Chang等[57]也利用卫星遥感资料分析了冬季台湾海峡内的浙闽沿岸锋。

目前对于中国近海的锋面预报研究还比较少, 主要集中在黑潮锋的预报, 国际上对于锋面预报的工作主要包括湾流锋、墨西哥湾的锋面涡旋和北欧海的冰岛— 法罗群岛锋, 这些研究可为中国近海锋面预报研究以及预报系统的建立和发展提供一些借鉴和参考。

黑潮锋是东海最重要的水文特征之一。前人关于黑潮锋的研究主要包括黑潮锋的分布特征、变化规律、次级环流结构等[58~63]。林传兰[58]分析了东海黑潮锋的海洋学特征, 并发现东海黑潮锋是一支常年稳定存在的中等强度海洋锋, 兼具西边界流锋和陆坡锋的特点。郭炳火等[10]指出东海北部海区黑潮锋位置存在季节变化, 锋面结构受陆架水系季节层化的重大影响, 其季节差异明显, 冬、夏季锋区位置存在几十公里的变动。除了季节变化之外, 我国学者还指出了黑潮流轴存在着短周期性的震荡, 而黑潮路径的变化会导致黑潮锋出现波动特征[10, 28, 35, 60, 63~66]。一系列现场调查以及数值模拟分析的结果也指出黑潮次表层水的涌升、地转流量和长江径流量是影响黑潮锋位置变化的重要因素[59~61, 63]。尽管直接对黑潮锋的预报研究比较少, 但黑潮的位置变化会直接影响黑潮对陆架的入侵程度, 因而影响黑潮锋的位置。目前针对黑潮路径的预报工作也有很多, 特别是对于日本以南的黑潮大弯曲的预报。Komori等[67]用一个1.5层的原始方程模式建立一个短期的黑潮路径预报系统, 该系统对黑潮流轴位置的预报取得了不错的效果, 预报时效长达75天。Kamachi等[68]研发了一个基于更加复杂的海洋环流模式的预报系统, 并于2001年在日本气象厅（Japan Meteorological Agency）实现了业务化运行, 取得了较好的预报效果。Kagimoto等[69]基于POM（Princeton Ocean Model）开发了一个高分辨率（10 km）的预报系统, 该系统成功地对2003— 2004年的黑潮大弯曲路径变化进行了预报。

和黑潮一样, 湾流是西北大西洋一支强劲的西边界流, 来自热带的高温高盐水向高纬度侵入而形成一个斜压性很强的锋面, 湾流的弯曲及其流轴的变化, 经常导致锋面斜压结构和位置的变化[1, 70]。对于湾流锋的预报, 最早开始的是美国海军, 对锋面这类海洋中的“ 天气” 现象的理解和预测对军事作战有重大的意义, 包括战术安排, 航线设计, 海上搜救等等。国外建立的全球和区域涡分辨率实时预报系统能够实现对海洋锋的预报。

从2000年开始, 美国海军基于水平分辨率为1/16° 的分层海洋环流模式（NRL Layered Ocean Model, NLOM）建立了第一代全球海洋的涡分辨的实时的即时预报/预报系统[71], 该系统采用了最优插值(Optimal Interpolation, OI)同化方法, 主要用于同化SST和SLA（Sea Level Anomaly）数据, 并且每周进行一次30天的预报。该预报系统于2006年将分辨率由1/16° 提升到1/32° , 模式的动力过程和设置也做了优化[72]。对该预报系统一个很重要的评估就是对全球范围内主要的锋面和涡旋位置的即时预报[73]。美国海军下属的作战支持中心（Warfighting Support Center, WSC）主要依靠红外波段的卫星SST资料对锋面进行定位并向舰队发布海洋锋分析产品, 但红外波段的卫星图像受云层的干扰很大, 当前对湾流锋的预报也主要是针对湾流主流轴位置的预报, 所以对湾流锋面预报来说, 海表高度（Sea Surface Height, SSH）往往是比SST更好的指标。WSC采用了NLOM每天的SSH预报结果作为另外一个重要的工具改进分析产品的准确度, 另外NLOM提供SSH的动画可以更好的追踪锋面和中尺度涡的移动路径, 帮助作战中心提供空间和时间上更完整的锋面预报产品。图2显示了NLOM的预报结果和WSC的锋面分析结果（白色实线）, 证明了系统对湾流锋具有较好的预报能力。

目前, 美国海军所采用的全球预报系统基于混合坐标海洋模式HYCOM（Hybrid Coordinate Ocean Model）的水平分辨率是1/12° , 使用的同化方法是三维多变量最优插值, 今后几年业务化系统将会采用三维变分数据同化方法（Three- dimensional Variational Analysis, 3DVAR）, 模式水平分辨率也将提升至1/25° , 将会对海洋锋和中尺度涡这类中小尺度过程有更好的预报效果[74]。模式也对湾流锋面的预报结果进行了评估, 模式后报的SSH结果显示预报的锋面位置和独立观测SST分析的锋面位置基本吻合。

法国的Mercator中心基于NEMO（Nucleus for European Models of the Ocean）模式建立了水平分辨率为1/12° 的全球海洋预报系统, 该系统对湾流锋面预报水平进行了评估。图3是Mercator预报系统对湾流流速10天的预报结果。图3b~d分别显示了大西洋-地中海区域预报系统（分辨率1/12° ）和全球预报系统（分辨率为1/4° 和1/12° ）对湾流锋面的预报结果。图3a显示的是由水色遥感资料得到的锋面位置, 可以看出Mercator预报结果中的锋面强流区能够很好的和MODIS的水色锋面相对应[75]。

湾流在向北流动的过程中进入墨西哥湾后其路径会弯曲形成一个流环（Loop Current）, 然后从佛罗里达海峡流出墨西哥湾重新汇入湾流主流系[76]。湾流流环形成过程中, 会产生许多中尺度涡旋从流环中脱落下来, 并不断向西发展, 而在涡旋的外围常常伴随锋面的形成[77, 78]。而且湾流流环的路径经常发生变化, 涡旋脱落的过程也伴随着很强的非线性作用, 因此锋面涡旋的过程很难预报出来。随着模式的分辨率的不断提高, 近些年也有许多关于对墨西哥湾锋面涡旋的预报和研究工作。

Oey等[77]采用基于POM模式的PROFS（Princeton Regional Ocean Forecast System）预报系统对湾流流环和锋面涡旋的位置进行了试验性的预报, 其主要针对2000年8~9月的一次涡旋脱落过程进行后报试验, 过程中同化了卫星高度计资料和卫星海表温度资料。锋面位置的后报试验能够很好的预报出一个很强的涡旋脱落并向西南方向移动的过程（图4）, 还指出了预报误差主要来源于初始场。Yin等[79]采用孵化集合预报（bred-ensemble forecast, BEnF）方法构建一系列初始场对锋面涡旋的位置和强度得到的集合预报结果比传统的单一初始场预报更接近观测结果。挪威的TOPAZ（Towards an Operational Prediction system for the North Atlantic European coastal Zones）预报系统用HYCOM模式选取10个样本对墨西哥湾锋面涡旋进行了集合预报[80], 其中初始场集合样本的选取是通过选取不同的同化参数实现的。7天的集合预报结果显示, 集合预报的结果和水色资料以及卫星高度计显示的锋面位置都比较接近, 而且集合预报也能够很好的重现和预报墨西哥湾中尺度涡Eddy Yankee的脱落过程。Gopalakrishnan 等[81]通过伴随（四维变分同化）方法在较长的时间窗口内通过调整初始场、边界条件和大气强迫场不断的将模式结果向观测逼近, 从而得到一个动力协调的初始场, 再用这个初始场继续进行预报, 结果显示预报水平要明显高于持续性预报和初始场选用HYCOM再分析结果的控制试验预报。

冰岛— 法罗群岛锋（Iceland-Faroe Front, IFF）存在于冰岛— 苏格兰海脊的上方, 是高温高盐的北大西洋水团和低温低盐的北极水团的分界面, 这个区域常常伴随着强流速和强温度梯度[82~84]。由于渔业作为北欧海周边国家的支柱经济产业之一, 受海洋锋的影响十分显著, 所以对北欧海锋面系统, 特别是对冰岛— 法罗群岛锋位置的预报有重要的意义。

从20世纪70年代末开始, 观测就揭示出IFF区域的复杂的锋面和涡旋演变过程, 指出了IFF的锋面弯曲的空间尺度为10~40 km, 时间尺度约为几天[85]。如此小的空间和时间尺度对锋面的预报提出了很大的挑战。Miller等[82, 86]利用一个准地转（Quasi-Geostrophic, QG）模型以1992年10月航次的实测水文数据作为初始场对IFF冷舌入侵的快速增长过程进行了预报, 证明了QG模型对IFF的变化具有一定的预报能力, 并指出了斜压不稳定机制是影响IFF变化的重要因素。1993年8月大西洋最高联合司令部水下研究中心（Supreme Allied Commander Atlantic Undersea Research Center）和哈佛大学第一次采用原始方程模式以业务化运行模式实现了在船舶上对冰岛— 法罗群岛锋的实时预报[87]。预报过程采用最优插值同化方案得到7天的预报结果, 其中预报的初始场、分析场更新和验证所需的数据都来自于实时的船舶观测。结果显示模式能够对冰岛和法罗群岛之间强烈的中尺度弯曲和锋面涡旋系统的剧烈快速的变化准确的进行预报, 预报和观测的相关系数和均方根误差（RMSE）都明显强于持续性预报。21世纪初, 对IFF的实时预报又扩展到海洋生物领域, 哈佛大学海洋预测系统（Harvard Ocean Prediction System, HOPS）采用一个物理和生物过程耦合的三维海洋模式针对2001年6月的一次锋面演变过程在船舶上进行了实时预报, 成功的预报出反气旋弯曲的锋面过程和由此产生的上层海洋初级生产力的聚集[83]。

当前社会、经济和军事等各个行业对海洋环境信息需求日益迫切, 促使着海洋预报技术的不断发展, 也为我国海洋预报提出了更高的要求和挑战。未来我国的业务化海洋预报系统分辨率和预报精度将需要继续提高, 还要加强对海洋可预报性的研究, 改进海洋预报系统、提高预报技巧[88]。当前目前国内外海洋预报机构对海洋环境要素的预报涉及从天气尺度到气候尺度的多种海洋过程和现象, 包括全球和区域的短期海温、海流的业务化预报产品[89, 90]。未来海洋预报要素也将从基本的温盐流扩展到中尺度涡、锋面和跃层等中小尺度海洋物理现象, 我国的海洋预报部门未来将重点关注对海洋锋、中尺度涡等中尺度现象的诊断预报技术研究和预报试验, 为渔业、海洋军事等领域提供精细化的产品和预报保障服务。发展针对中国近海中尺度过程的预报系统将重点关注以下3个方面：数值模式、观测系统和资料同化方案。

三维海洋环流模式是海洋预报系统的核心, 对于像中尺度涡和锋面这类海洋“ 天气” 现象, 模式分辨率是一个重要的影响因素, 只有当模式的水平分辨率小于或等于局地第一斜压罗斯贝变形半径, 模式才能分辨出中尺度涡旋和锋面, 这样的模式称为涡旋识别模式[91]。目前国家海洋环境预报中心的中国近海区域业务化预报系统分辨率已经达到了1/30° , 西北太平洋预报系统的分辨率也达到了1/20° , 已经具备涡旋识别的分辨率[92]。今后还将在局部海域发展更加精细的区域模式, 可以对一些空间尺度更小的次级中尺度涡和锋面进行模拟研究。中国近海从南到北跨40个纬度, Rossby变形半径差异巨大, 层结季节变化大, 对斜压Rossby变形半径影响更大, 在发展精细区域模式时应该依此考虑模型分辨率的设置。

模式物理过程的参数化方案的优化对于改进中尺度现象的预报也是至关重要的。中国近海区域地形复杂, 又处在季风控制区域, 对于不同的海区的环流主导因素也有所不同, 影响锋面和中尺度涡过程的关键参数化方案包括：侧向混合参数化、垂向混合参数化、潮汐、径流和短波辐射参数化等。对中尺度过程的预报来说, 模式对这些参数化过程方案的选取具有很强的敏感性, 需要进行大量的模拟实验和检验评估。

通过回顾国外对锋面预报的研究现状可以看出, 一个准确而且动力协调的初始场对于中尺度现象的预报是至关重要的。目前针对区域海洋模拟, Gangopadhyay等[93]提出了一种面向特征（Feature-oriented）的初始化方法, 这种方法的核心思想是将影响研究区域的重要中尺度环流结构和演变过程的历史信息考虑进来, 包括不同时空尺度的海洋现象的相互作用。这样得到的初始场不但在动力上是协调的, 而且包含了研究区域的各种尺度的环流信息。目前这种方法对湾流大弯曲[94]、墨西哥湾流环的锋面涡旋[78]、美国西海岸的加利福尼亚流系[95]以及东海岸的乔治浅滩[96]都进行了预报试验, 得到的结果也都被证明是有效的。对于中国近海的锋面来说, 东海黑潮锋面的特点和湾流类似, 都属于强西边界流锋面, 而南海环流和墨西哥湾类似, 都是由其内部的中尺度涡旋主导, 在今后对中国近海中尺度预报系统的研制和改进过程中也可以考虑采用这种方法改善初始场, 提高预报能力。

虽然现在海洋观测迅速发展, 但还是不能满足业务化海洋预报的需求, 特别对于中尺度过程的预报, 更高时空分辨率的观测是至关重要的。随着我国综合国力不断提升, 目前对海洋观测的投入迅速增加, 但如何更好的规划海洋观测系统成为了亟待解决的问题。海洋观测系统实验（Observing System Experiment, OSE）和海洋观测系统模拟实验（Observing System Simulation Experiment, OSSE）可以对观测系统进行合理的规划设计, OSE和OSSE不但能够得到最优观测方案, 还能对模式参数的设置方案提供科学的理论依据[97~101]。

海洋中的多源观测数据越来越丰富, 从传统的船舶观测和沿岸水文站观测到现在大量的卫星遥感和浮（潜）标等观测, 将获得前所未有的海量海洋资料, 资料同化系统的作用就是从这些海量的资料中将所需要的信息提取融合、通过将大量的现场和卫星遥感资料同化到海洋环流模式中, 可以有效减少模式误差, 为海洋数值预报提供好的初始场, 改进预报效果[102, 103]。

目前海洋资料同化常用方法根据其理论原理可分为2类, 一类是基于统计估计理论的, 如集合最优插值（Ensemble Optimal Interpolation, EnOI）、集合Kalman滤波（Ensemble Kalman Filter, EnKF）等; 另外一类是基于变分方法的, 如三维变分（3DVAR）和四维变分（4DVAR）[104~110]。在海洋业务预报过程中, 资料同化不但要考虑到同化效果, 还要考虑计算资源和预报时效问题, 因此目前国际上主流的海洋预报系统主要采用的是三维变分和集合同化方法。随着高性能计算机的不断发展, 更加合理的四维变分资料同化方法可能会成为未来业务预报中主要的同化方法。

The authors have declared that no competing interests exist.