摘 要
海洋中气温、盐度、水密度等海洋环境参数在垂直分布上随时间季节而发生变化,由于其跃层的演变特点对海洋军事活动与捕捞具有很大的影响,因此，针对跃层展开研究同样是海洋科学研究中不可或缺的重要组成部分。通常情况下，跃层特征通过强度、厚度、深度等指标呈现。跃层是反映深海水文变化的主要物理特征指标,对水下通信、潜艇活动以及水产饲养、捕鱼技术等有很大影响,其与海洋学科中的内波、水团、环流、海气交换等学科之间存在紧密关联性。
本次研究针对黄海和渤海历年来的温度展开梳理和分析，并以此为基础计算跃层强度、深度、厚度，从而总结出我国近年来温度跃层特征量的分布情况，并综合对比我国海洋图集的相关图片，从而对中国近海海域跃层特征量的季节性分布特征进行了分析探讨。
关键词：黄渤海；跃层；特征量
第1章 绪论
1.1研究背景
黄海隶属于边缘海的范畴，其半岛、群岛和大洋呈现分隔状态，通常只是通过水道或海峡作为连接载体。而渤海可划分为内陆海，通常被岛屿或陆地包围，且与大陆内部紧密相连，一般以宽度较小的海峡与其他海域形成连接状态，它们均为我国北方地区陆架浅海跃层，有其独特的自然环境和动力学特征，沿海区域居住了众多的人口，经济发达，渤海和黄海的可持续利用是我国关注的重要方面，其中温度、盐度场的结构和分布特征又是该海域海洋研究中最为重要的研究内容之一[1]。
所谓跃层通常可以理解为海水的声速、温度、盐度等指标存在较大幅度变化的水层。通常海水的相关参数随着深度不同而出现变化，由此反映海水物理性质存在截然不同的论证，也可称其为飞跃层。温跃层的海面深度、强度、厚度主要根据海流分布、气候环境、地理位置等因素的不同而产生变化。其主要特征值涵盖厚度、强度、深度。常常用跃层的强度、厚度、深度来表示跃层的特性。以剖面最上层的水深为温跃层上边界，剖面的厚度即为温跃层的厚度，剖面的垂直平均温度梯度即为温跃层的强度。怎样明确温跃层上下界的深度是对其展开研究的关键所在。根据跃层的时间不同来划分为，可大致分为季节性和永久性两种跃层。季节性跃层通常由冰川融化、风、大陆径流、太阳辐射等因素引发，在12个月内的变化较为显著；后者通常由两个性质存在差异的水团构成，并长期存在。根据元素进行划分，大致可分为温跃层、盐度温跃层、密度温跃层。通常情况下，温跃层时常出现在海洋中，对盐度跃层、海洋密度等造成影响。所谓温度跃层通常指的是具有垂直梯度温度的海洋水层。温跃层一般出现在海洋深水和上混合层的区间。不过从我国海洋特征,人们通常认为的温跃层判别准则是:当一个温度剖面中,某部分的海温垂直梯度高于某一临界点。
近些年，随着海洋经济活动的增加、气候变化和海洋研究的进展，海洋温跃层逐渐受到人们的重视。温跃层与海洋中的各种物理过程密切相关，对全球气候变化具有重大影响。海洋温跃层特性的研究除了具有很显著的学术意义之外还有具有较为显著的军事上和鱼类养殖捕捞方面的应用价值。例如,温度跃层在军事领域的水声环境研究中具有举足轻重的地位，其主要通过垂直梯度的声音传播产生影响。基于此，温度跃层在反潜战、水声设备、水下武器等领域表现出不可替代的军事作用和价值。不仅如此，温度跃层同样与海洋渔业的渔网深度存在紧密关联性。所以，学术领域从不同角度对温度跃层的变化展开深入研究和分析。海洋温度的分布和变化不但受到海域热平衡的影响，同样与海流强度、气候环境、南北温带跨度存在紧密关联性。我国海洋面积极为广阔，横跨了我国多个气候带，从我国整个海洋面积来看，其在气候变化、水温条件、海疆地理等方面的变化呈现多样化。针对海水跃层现象的分析是近年来海洋水文状况研究的关键课题，对盐度跃层、海水温度等方面的研究，有利于对海域水文条件的全面分析，对于沿海地区的生产、军事等方面具有极为关键的意义。
1.2研究现状
到目前为止，我国围绕温跃层的研究不仅体现在理论层面的分析，在浅海跃层上的分析、研究、判断、实验同样取得令人可喜的成果，尤其是在我国陆架跃层的判断和分析的研究成果尤为显著。
跃层波动在海洋进行观测时较为明显，也可通过实验演示的方式呈现出波动效果，所以研究人员通过界面波动模型的搭建对跃层波动进行描述，且此类模型在操作上具有一定的可行性与易得性，从已有的研究情况来看，确定跃层上界深度的方法有许多，其中包括：我国海洋调查规范规定的垂向梯度法（包括最大曲率点法）、S-T法、曲率极值点方法（即根据剖面图中温度-水深、盐度-水深、密度-水深曲线的曲率变化，来查找曲率的极值点，进而确定跃层上界）等。
关于温跃层的研究在上世纪便出现，早在20世纪40年代末期，Munk 和Anderson在研究中首次提出关于温跃层的理念，并在研究中建立模型，该模型在学术领域得到广泛关注和认可。众多学者在此基础上开始深入研究，Welander在研究中提出温跃层的平流模型，其主要通过定位势涡度的动力学变量展开研究，从中得出关于密度和贝努力函数，不过该模型的缺点在于无法明确定位势涡度和表面边界的关联性。在此之后，莱茵综合前人研究的基础上对温跃层准地转理论的研究受到学术领域的广泛关注。Luyten等人围绕通风跃层的研究理论成为划时代的研究理论。
上世纪50年代末，我国海洋水文物理学家毛汉礼通过文献查阅法的方式对我国黄海、渤海的大陆架地区季节性温跃层的分布情况和变化特征展开深入研究，这份研究报告开创了我国关于海洋温跃层研究的先河。在随后的60年代里，赫崇本在研究中首次提出我国拟海洋成化现象和潮汐摩擦之间的关联性。进入80年代以后，肖刚、肖辉的研究方向更主要集中在我国X海峡西部海域，通过资料搜集、实测研究等方式对X海峡的盐度跃层、海水温度的分布情况展开研究，从中得出我国X海峡的盐度跃层、海水温度主要以不同季节产生显著变化。进入90年代后，屠金钊基于前人研究基础对黄海、渤海的温跃层展开多维度研究。1997年，Chu等人的研究主要围绕温度跃层的垂直梯度分布特征展开，并在研究中将海水结构视为混合层、下层、跃层，从而在研究中得以将模型最大限度简化。Chu and Charaels在前人研究的基础上，将海水结构划分为混合层、跃层、下沉三种，并呈现垂直分布的结构，通过研究得出温跃层之间的参数变化。关于这方面的研究，葛人峰等人（2004）在研究中同样有所涉及，他们在研究中采用拟阶梯函数的方式求出我国渤海、黄海区域的海洋温度垂直分布曲线。
贾旭晶等人（2001）的研究主要针对上世纪90年代末我国南海季风的研究资料展开，并通过垂直梯度法、S-T法等融入其中，对南海混合层、温跃层进行多维度综合对比和分析，S-T法的研究侧重于海平面温度递减所需的深度方面，垂直梯度法的研究重点集中在温度垂直的变化，上述两种研究方法对应的研究状况有所区别，S-T法针对季节变化不明显的海水区域，而针对南海密度、温度等特征的分析应当以垂直梯度法展开研究。他们在研究中收集1989-1999年期间南海南部区域多次科研考察数据资料，吴巍等人（2001）在研究中首次提出S-T法，并在研究中发现，最大曲率点和垂直梯度法在确定温度跃层深度上存在明显区别。从研究结果来看，如果将CTD研究资料作为主要参考依据时，一旦不将尺度变化缩小，导致研究结果的准确性和真实性受到影响；应当综合比对历史数据和现有数据，才能制定更为科学合理的研究方法。如果在研究中能够掌握Levitus资料中涵盖若干年份的平均数据信息，在研究中采用S-T法和最大曲率点法显示更为科学。如果只是单纯采用CTD资料，采用垂直梯度法对跃层的分析更加合理，采用该方法对跃层展开分析和研究过程中，应当加强对浅水交界区域间连贯性问题的关注。
周燕遐等(2004)通过垂直梯度法的方式综合对比男森站资料、BT资料之间在南海海域中研究的区别，其在研究中发现，通过南森站和BT两个方面的治疗对南海温跃层三项示性特征进行研究过程中的效果更理想；通过BT资料对温跃层强度的计算要高于南森站，针对温跃层上界的研究，采用BT资料进行研究计算得出的结果优于南森站治疗，关于温跃层温度方面的研究，两者计算结果的差异并不明显。出现差异的主要原因在于南森站资料在跃层深度上的取样存在较大间隔，所以关于温跃层三项特征进行分析和研究中，应当综合考虑资料类型的差异性。
张媛等（2006）的研究方向主要集中在1992年、1998年、2001年夏季31°N断面以及PN断面上的密度、温度、盐度等资料展开，并综合对比分析S-T法以及垂直梯度法之间的关联性和差异性，从中表明，在温跃层三项特性进行研究过程中，由于S-T法受到表层盐度和温度上的影响，通常表层温度极易受到降水、太阳辐射等外部因素的影响，而表层盐度往往受限于气候环境、降雨量等方面的影响，因此针对跃层深度和实际跃层位置的研究往往存在一定差异。此外，由于夏季东海区域存在较为显著的双跃层区域，如果采用S-T法对其密度和深度进行研究缺乏合理性，基于此，应当采用垂直梯度法对夏季东海跃层进行研究。在分辨率资料匮乏的情况下，针对长江夏季径流不大的浅海区域展开适当选择S-T法进行代替[3]。
1.3论文的研究应用价值
在海水结构中，海水的垂直分布、温度、盐度往往存在动态化的变化，这种变化并非短期实现，更多是通过海面的薄混合层之前的构成的阶梯状呈现不同程度的变化，针对海洋展开研究中，需要涉及到海水密度、温度、盐度之间的变化规律。对于我国渔业的发展和海上军队的活动来说，研究海洋跃层有着很重大的意义，并且对于跃层特征量的分布变化的研究也是海洋物理研究之中关键的一部分。
跃层的存在和变化很大程度上对渔业、鱼类的捕捞、海水的养殖有着影响，并且影响着声速跃层产生的声道特征，从而对潜艇声呐通讯系统产生影响，与此同时，跃层的形成还与水团、海洋环流、海气交换、海洋内波等密切相关。温、盐跃层的出现极易与密度跃层、声速跃层之间产生紧密联系，浅海跃层往往更便于海面声道的传播。其声道波能量不断弱化，直至最小，就能实现远距离传播，由此实现信息传递的使用目的，声道传播往往受到垂直的声速影响，其在国防海洋领域发挥极为关键的作用。温跃层产生不同程度的变化对海洋环境产生重要的影响，如可利用其对水团进行划分，同样可运用在声波的传播领域，并对水下和水面航行设备产生极为关键的影响。当声速在温跃层达到极大值时，遵循声波折射规律，声波会在水层中产生不同方向的折射，且不会出现过大损失，从而实现远距离传播的效果，也就是所谓的水下声道，有效实现声道在不同介质上的的传播，该传播方式被广泛应用于声呐探测领域。此外，在温跃层处于稳定状态下，还能够起到有效抑制海水垂直对流的作用，其能有效抑制水层之间动量、物质之间发生垂直交换作用。动力和水团配置是构成温跃层的关键因素，并和内波、海洋环流等现象存在紧密关联性。基于此针对温跃层展开研究，对我国水下探测、水下航行、水下通信领域起到至关重要的作用和意义[2]。
在我国科技水平持续发展的时代背景下，人类的海洋活动类型和频率不断提升，因此针对海洋环境的探索和研究也在持续深化，关于温跃层密度的判断准确性和合理性成为研究领域极为关注的问题，因此研究分析跃层与我们的生产生活越来越密切。通过计算跃层的深度、厚度、强度等特征量，对跃层分布变化的特点与规律的研究很有帮助，增强对于海洋水文的感性认识，为最终了解、把握、利用跃层而进一步开展海洋科学研究提供强大的技术支持，并且有利于沿海地区的生产和国家国防安全。
1.4论文的研究目标及其主要内容
1.4.1论文研究的目标
根据ECCO JPL Data Assimilation Project 提供的历年全球海域温度观测资料，选取中国渤海、黄海所在的海域，对其海域温度跃层的三项示性特征值（深度、厚度、强度）的分布状况进行研究分析，进而确立温度跃层的分布状况，并探讨其形成、分布特点的原因及规律。努力为今后从事海洋水文方面的工作打下良好的开端。
1.4.2论文研究的主要内容
海洋中温度等海洋环境参数随时间变化垂直分布。其中跃层的变化特征对于海上各种活动有着密切的影响。研究内容包括：收集我国部分海域尤其是渤黄海温度的资料，建立模型进行分析。研究渤黄海海区温跃层等特征量时空变化规律。
第二章 跃层的影响因素及类型
2.1黄渤海温度分布的基本特征
黄海和渤海温度分布呈现出极为显著的季节性变化，陆地环境、水温条件、气候特征、海洋洋流等因素对黄海和渤海水温分布产生的影响较为显著。针对两大海域的热结构和季节变化展开研究，在众多前人研究中积累大量研究经验和研究结论，这些研究结论对研究两大海域的垂直分布起到重要作用；冬季，暖水舌从南黄海经由北黄海直指渤海海峡是黄海水温分布的明显特征，对黄海70%的海域产生影响。随着纬度的上升，海水温度也在持续下降，下降温度达到10℃左右。相对而言，东西两岸的海水温度变化与相同纬度的海水温度更低，黄海水域的一般最低温度,主要集中在北部沿海和鸭绿江区域，通常在-1℃至0℃区间，其在靠近岸边时常出现不同规模的冻结。渤海地区的平均温度在冬天是下降较为明显，尤其在辽东湾区域温度更低；而海洋水平等温线分布上往往与海岸线持平行状态，通常由中间向周围下降，在此过程中，极易受到黄海部分暖流的影响，西部区域的水温明显低于东部。一月是水温最低的时间，各个海湾的水温普遍低于-1℃，这段期间常出现冰盖现象，此时深水区域的表层温度维持在0-2摄氏度，岸边或浅水区域的温度相对更高，辽东湾东南部区域的水温维持在24℃左右。海面的上层等温线在冬季呈现聚集的状态，多个区域共同构成了渤海黄海区，该区域的底层与上层海水温度趋于一致，且上下温度分布较为均匀。夏季时该区域的上层等温线呈分散分布状态，其中冷水团分布状态最明显。渤海黄海的垂直温度根据季节的变化幅度较大。春季，由于海洋表层受到太阳辐射的影响而逐渐形成跃层；冬季，其整体垂直温度呈现均匀分布，到了夏季，跃层温度从上至下分布极为明显。秋季海平面温度出现一定程度下降，温跃层强度逐渐降低，直到冬季，海平面的温跃层消失后便开始呈均匀分布状态。通常情况下，在夏季，该区域的温度垂直结构大致可划分为上混合区、温跃层、下混合层。其随着季节变化在陆架区呈现极为明显的变化。所有关于海区研究主要集中在无跃期间。到了夏季，海洋跃层的范围开始扩大,强度最强,深度最浅,一般厚度比较厚。春季和秋季是过渡期。
2.2黄渤海海域跃层的影响因素
温度、盐度跃层在跃层的四个要素温度、盐度、密度、声速里面是独立的，声速、密度跃层则是依附着这两个。而海水温度跃层往往受到诸多因素的影响的，其中主要有海流、水团、潮流等，此外，还有太阳辐射、风、气温等外部条件。除了这两个之外，对温跃层同样有着很大影响的则是海水的光学性质。
2.2.1地理环境及其对跃层的影响
渤海是一个深深嵌入中国大陆的半封闭浅海，南、北、西三面被陆地包围，东面以渤海海峡与黄海相连，北面以辽东半岛南边的老铁山角与黄海相隔，南面以山东半岛北边的蓬莱角一线为界。渤海在东北和西南方向长555公里，在东西方向宽346公里，面积为7.7×104平方公里，平均深度为18米，最大深度为80米（在十老铁山水道的西面）。 海水不到30米深，覆盖总面积的93%。它是中国近岸海域中最小和最浅的海域。 流入渤海的河流主要有海河、黄河、辽河和滦河，年总流量为888X108立方米，其中黄河占了近一半。然而，近年来，黄河的年流量明显减少，这甚至影响了渤海的环流和盐度。渤海的海床比较平坦，地形的种类不多。整个地区的海底地形可分为渤海湾、莱州湾、辽东湾、渤海海峡和中央盆地。
黄海是一个半封闭的浅海，在所有十个大陆架上。黄海位于辽宁以北，山东和江苏以西，朝鲜以东，渤海海峡和渤海航线的西北部，长江口以南。黄海通常被分为北部和南部，从山东半岛的成山角到朝鲜半岛的长山一线为边界线。北黄海的面积为7.13X104平方千米，南黄海的面积为30.9X104平方千米。北黄海的平均深度为38米，而南黄海的平均深度为46米，整个黄海的平均深度为44米，最深的地方在济州岛以北，深度为150米。主要海湾有北黄海东北部的西朝鲜湾，南黄海西部的胶州湾和海州湾以及东海岸的江华湾。东部沿海的鸭绿江、大同江和汉江，西部沿海的沂河、灌河和苏北溉总渠都流入黄海。黄海的地形比渤海的地形更复杂，潮流脊、黄海海槽和海底阶地都很突出。
由于渤海与黄海具有独特的地理特征、气温条件、水文条件，也逐渐形成了具有显著特征的温跃层分布。通常该海域的光衰现象和潮汐混合在浅水陆架上对温跃层的影响更为显著。
2.2.2辐射平衡及其对跃层的影响
太阳辐射的波长范围是0.15-4米，属于可见光、紫外线和红外线的波长范围。 海面辐射的波长范围是3-120米，属于红外波长范围。海面辐射平衡是短波太阳辐射和长波有效辐射之差，反映了每个海域实际接收的太阳辐射能量。 它与空气温度、湿度、太阳角度、水温、云层等有着非常复杂和紧密的关系。
2.2.3气温及其对跃层的影响
渤海和黄海的大陆温差很大，1月份的温度记录最低。 渤海的平均温度从北到南为-4-0℃，黄海为-2-8℃，从北到南相差10℃（Marine Atlas，1990），渤海最高的空气温度在7月份，平均是25℃,黄海则在8月份，为24-27℃。年平均降水量在渤海达到500毫米，在黄海北部达到600-750毫米，在黄海南部达到1000毫米，其中一半降水在6月和8月，4-7月有很多雾，尤其是7月。 渤海的平均雾天数约为每年20-24天，黄海的雾天数为83天。
海水可以有效吸收太阳辐射，海水对于光的吸收不仅体现在可见光波段，在其他波段效果较为明显，尤其体现在红外波段上，甚至能够达到100的吸收系数，通常海水辐射能量受到风、波、流等因素的混合影响而均匀加热，同时和海水下层共同作用形成温度跃层。当辐射强度持续加强，海上上层水温持续加温，密度开始下降，加大提升海水稳定性，从而增加了温度向下传导的难度，主要表现为海水温跃层的绝热性质。而在秋冬季节，太阳辐射变少，所以到达海面的太阳辐射能量变少，干冷空气锻炼海面，向大气的热传递增加，蒸发量增加，海面的热量散失加快，海面的海水冷却，密度增大，海水的密度层不稳定，海水对流发生混合，使储存在上层的热量得以转移。持续的冷却和对流混合逐渐削弱了跃层，深度慢慢往下直到消失，垂直混合变得均匀。
2.2.4风及其对跃层的影响
渤海和黄海周边地区受季风影响，夏季温暖湿润，冬季干燥寒冷。冬季渤、黄海区域较多偏北大风，主要原因是受阿留中低压和业洲大陆高压活动的影响，平均风速为6-7m/s。南黄海海面广阔，平均风速增加到8-9m/s。强烈的北风经常引起寒潮，风力约为10级，渤海和北海一带的气温会骤降至10-15℃，在这时候，很几率下大雪，这是冬天的主要灾难。在春季，风向由西北太平洋的反气旋和东南部的低压系统的活动决定，南风平均为4-6米/秒。夏季强风是由大陆出海气旋的台风引起的，风速超过10级，经常伴随着暴雨和风暴潮，是造成夏季灾难天气的主要原因。 渤海的中部和西部有大风，该大风带位于渤海黄海，持续时间约为80天，渤海海峡为110天，黄海中部和南部可达110天。
风是通过促进海水上层的涡流混合，增加热能的传递和提升波浪，从而对温度跃层的演化起着很大的推进作用。因为温度跃层的绝缘特性，海面上层形成温度跃层的时候，从上层收到的热辐射会增加跃层强度，温跃层的下层水温不明显。温跃层深度的增加在海面上的风力变得强大到可以到上层混合层的深度的时候。当大风卷吸作用和埃克曼抽吸这两个猛烈的作用的时候，下层的冷水进入上层混合层，跃层的结构就会受到明显干扰和破坏。
2.2.5潮流及其对跃层的影响
在渤海秦皇岛和黄河口附近有一个半日潮无潮点，渤海存在一个全天24小时无潮点，其并不与旋转潮波系统产生关联，半日与全日分潮通常根据自身的潮点产生逆时针方向的旋转。由于全日分潮波节点处于海峡周围区域，该区域也被称为半日潮区域。其在秦皇岛和黄河入海口区域之外，在节点周围有一些不规则的全日潮。还有的是该地区的其他地方有不规则的半日潮区域。潮汐的退潮和流动之间的差异为1至3米。沿海地区最高的平均潮差是在辽东湾的顶端2.7米，其次是渤海湾的顶端2.5米，最低的是秦皇岛（0.8米）。海峡地区的平均潮差约为2米。最强的海流是在老铁山水道附近（150-200厘米/秒），其次是辽东湾（约100厘米/秒）。潮流最弱的在莱州湾，那里的流速约为50厘米/秒。 潮汐流沿海岸线往复，在渤海的中部地区旋转。
在黄海，除了松山头东部、海州湾和济州岛周围，大部分海域的潮汐是有规律的。海域中部的潮差范围一般较小，靠近海岸的潮差范围较大，东海岸的潮差范围一般比西海岸的大。沿着中国大陆的海岸，潮差范围通常在2至4米之间，最低值低于2米。黄海的潮流多为半日潮，只有在渤海海峡和烟台出现不规则的全日潮。东部的海流速度一般高于西部，在朝鲜半岛西海岸的航道上曾观察到每秒高达4.8米的强流。在黄海西侧，在成山头、老铁山水道附近观察到了1.5米/秒的强海流，在吕泗、小羊口南部海域则高达2.5米/秒。
研究人员围绕黄海和渤海潮汐余流展开多维度、深层次的分析和研究，并得出大量有价值的研究数据，并基于该数据得出多个方向和维度的研究材料。潮汐预测和分析方法、基本潮汐特征、潮汐余流、潮汐数值模拟、潮汐混合特征和潮汐锋现象、分潮伴随研究的结果大概一样，到目前为止，继而有力地使我们对渤、黄海潮汐和潮流的认识更丰富了。截止到现在，渤海和黄海潮汐的有的基本特征己经基本形成了比较一致的认识，但与潮混合、潮流和潮汐锋以及对温度调整的用处尚有繁多的研究需要去做。
2.3渤、黄海域的跃层类型
根据不同需求对跃层展开分析，通常集中在主跃层、次跃层、跃层之间的变化、季节跃层等方面。我国大陆架海域极为广阔，可将季节温跃层的变化划分为四个时期，分别为无跃期、成长期、鼎盛期、减弱期。依据我国海域跃层空间特点进行划分，主要分为逆跃层、浅跃层、深跃层等。根据我国海域温度来划分，可分为夏季、冬季、过渡季节几种类型。
浅跃层通常出现在靠近大陆架区域或外海区域的上层区域，该跃层的强度较大，其深度比较浅。同时伴有极为明显的季节变化特征，春季通常为浅跃层的成长期、到了夏季普遍进入强盛期。
深跃层是每年都存在、较稳定而且是永久性的跃层。它的特点有上界深度深、厚度大、强度弱、季节性不显著。在海洋环境要素里起着主导的重要作用。
逆跃层是跃层三个特征值之一的强度用负值表征的跃层。除了夏季，在渤黄海海区域的其余季节均存在。
第三章 跃层的理论计算
温跃层是海水垂直方向的水温、盐分、密度、声速等海洋环境参数变动达到规定值（临界值以上）的海域。温度跃层的特征由温度跃层深度，强度和厚度的特征量表示。水温跃层强度是指单位水温的变化，即垂直梯度的值。水温跃层的深度是水温跃层的上边界的深度值，即比具有来自海面的下降梯度的温度跃层的临界值更大的深度。温度跃层的厚度是温度跃层上下边界的深度差，下限的定义小于临界值。分析研究了黄海和渤海温度跃层的分布特性。
在温度跃层的分析中，温度跃层的深度，强度和厚度通常被用作描述温度跃层的指示量。然而，由于只有在确定了温度跃层的上下限之后才获得温度跃层的强度和厚度，所以温度跃层边界是描述温度跃层的重要因素。
3.1跃层的判定标准
水温跃层的临界值标准可以根据海域的必要性和特定条件来选定，其基准也与海水的深度有关。根据中国《海洋调查规范》，一般为温度、盐分浓度和密度跃层强度最小值即临界梯度值的标准如下表所示：
表2-1 温度、盐度、密度跃层临界梯度值规定
| 要素 | 浅海强度 | 深海强度 |
| 温度 | ∆t/∆z=0.2℃*m-1 | ∆t/∆z=0.05℃*m-1 |
| 盐度 | ∆s/∆z=0.1m-1 | ∆s/∆z=0.01m-1 |
| 密度 | ∆r/∆z=0.1kg*m-4 | ∆r/∆z=0.015kg*m-4 |
上表中浅海是指深度在200米以内的海域，而深海是指深度在200米以下的海域。其中，∆t、∆s、∆r分别代表两层海水温度、盐度、密度差，z为两层海的深度差。在前人的研究中，有关于黄海、渤海200米以内的海域水深的研究，基于此，本次研究主要针对跃层展开深入研究和探索，并利用浅海标准作为跃层判断的标准。其中，温度自上向下逆增取正号，反之取负号。密度由上向下逆曾取正号，反之取负号。
3.2跃层的选取原则
1.跃层合并
当计算轮廓的梯度值时，如果存在多个跃层（通常为两个或更多），则需要组合这些跃层。合并原理是设定跃层之间的间隔（深海的最大间隔在10米以下，浅海的最大间隔在5米以下，按照上下跃层的特定条件进行）。如果相邻跃层之间的间隔符合这个标准，那就合并。否则，它将不被合并，而会被当作孤立的跃层来对待。
2.跃层滤波
在合并完成的跃层中，如果有多个飞跃层，则需要过滤。通常，过滤条件使用的是跃层的厚度（浅海的过滤厚度不可以过于大，可以适当增加深海的过滤厚度）。对此序列序列进行过滤、计算、判定，保留设定基准大的温度跃层。
3.跃层选取
对于合并过滤的部分的温度跃层，如果存在多个温跃层，则“从强中选择”的原则是，即如果同一部分具有多个温跃层，则如果跃层之间的间隔小（由于合并基准不够充分），并且厚度差小选择更大强度的温跃层；如果温跃层之间的间隔小（合并基准不够充分），温度跃层的强度差小，则温度跃层的厚度有很大的差异，就选择厚的温度跃层。如果温度跃层的强度和厚度之间几乎没有差异，则可以选择高强度的温度跃层。
3.3跃层的计算方法
海洋温跃层的分析和计算是海洋元素值随深度变化的派生计算。为了实现海洋温度跃层特征值信息的快速分析和计算，整合了不等距离微分法，垂直梯度法，七点二次平滑化算法，并将其应用于以人类-计算机相互作用模式补充的海洋温跃层的分析。
1不等距微分法和垂直梯度法
温度分布观测数据的空间间隔（分辨率）不一定恒定。因此，为了合理有效地利用观测信息，使用不等距微分方法和垂直梯度方法的组合来计算元素的垂直梯度以获得温度跃层的特征值信息。基本原理如下：
设剖面观测层数为ｎ层，对应的层深数组为Z ，要素数组为 F 。
（1）若数据空间间隔为均匀的，则采用垂直
梯度法，其基本原理如下：
G：要素垂直梯度值；
F：某一层要素值；
Z：某一层水深值；
K：层深序号。
（2）若数据的空间间隔为非均匀的，则采用不等距微分法，其基本原理如下：
2七点二次平滑算法
如上所述获得的垂直梯度结构发生振动，温度跃层的上下边界变得不准确。因此，为了更准确地定位上下边界，使用相关滤波器对震荡波进行滤波。存在很多低通滤波器，例如7点2次平滑。对样本量为n的数据序列x（要素梯度），用二次多项式拟合：
根据最小二乘法原理确定系数可以得到七点二次平滑公式：
而两端6个点的平均值用下式计算：
3.4跃层上下界的确定
第一、载入并读取诸如温度和相应深度值元素数据，并处理这些数据信息以进行质量管理。
第二、通过不等距微分法列举和计算跃层元素信息。
以第一层数据为上限，计算从底部到上方的梯度值，求出温度跃层的下限。一旦元素梯度值达到了标准，就记录元素的值和上下边界及其相应的位置（深度），然后取下界的下一个相邻点作为上界。为了找到下一个温度跃层的下限，继续由底部向上计算梯度值。如果第一层和最低层之间没有温跃层，则将第二层作为上面的边界，重复上述步骤以计算元素的梯度值。这样，可以获得满足要求上实施标准的所有上下边界的信息。然而，此时获得的温度跃层的下限信息不足够准确，并且必须使用相关辅助方法来确认上下边界。
第三、从步骤2中得到关于不同跃层的组合信息。在新的温度跃层上界可以上跃层为主，将温度跃层下界作为新温度跃层的下界。引入不等距微分法进行研究，明确新温度跃层的强度与标准梯度值是否相符。在确保标准符合要求后，应当记录该温度跃层的特征值和各个边界的具体位置（深度）。在不满足条件的情况下，就把上层跃层独立开来，从下面的温度跃层反复上述步骤，计算新的温度跃层的梯度值。当然，在将温度跃动层合并的时候，要保证相邻跃层之间的间隔。如果间隔可以合并的话，就计算跃层强度。否则不合，则成为数据序列。
第四、使用不等距差分法，计算区间的两个邻接点之间的要素梯度值，形成要素梯度值系列，使用7点2次平滑法对序列的节点数据进行平滑化。对于平滑计算之后的节点梯度值，依据温度体制的最小基准作为选择梯度值的参考依据，对不同位置的元素值和节点序列进行记录。
第五、对温度跃层的上下界进行优化和调整。通常以浅-深的排列规则对步骤3和4中的数据做排序处理，并引入不等距微分法。对相隔的节点梯度值进行计算，从而得到新温度跃层的节点，在此基础上对温度跃层的厚度与强度进行计算，从而达到精准定位温度跃层上下边界的目的。
第四章跃层的数值模式
本文使用的模型是普林斯顿大学的pom（普林斯顿海洋模型）模型，具有以下主要特征：
(1)应用一个湍封闭模型来提供垂直混合系数。
(2)垂向应用Sigma坐标以更好地拟合底地形。
(3)水平采用正交曲线网格和交错“C”网格，可以较好地匹配岸界。
(4)水平和时间差分格式为显式，垂直差分格式为隐式。
(5)内外模态分开计算。外模态是二维的，时间步长较短，内模态是二维的，训一算时间步长较长。
(6)包含完整的热力学方程组。
(7)包含了一套物质扩散输运和拉格朗口追踪子模块。
4.1基本控制方程组
4.1.1动力和热力学方程
描述海洋中水动力和热力学体系的基本方程包括N-S方程，描述质量守恒的连续方程，海水状态方程和温度守恒方程。为了将这些方程应用于大陆架的浅水范围，根据浅海区域的特征对此进行了一些假设和近似。
1.在一般的流体运动中，流体的压缩率取决于流速与声速之比的平方。海水的运动速度远远低于声速，所以海水被认为是不可压缩的。
2.近岸海域里的深度尺度（D）与水平尺度（L）之比是个小量，即s =D/L+n因而垂向的运动方程可采用静力平衡近似，即重力与垂直压强梯度力平衡。考虑右手笛卡儿坐标系，东向为x轴正方向，北向为了轴正方向，垂直向上为z轴正方向。自由海面位于
是水平速度矢量，是水平梯度算子，则连续方程可写作:
其中，ρ0代表海水参考密度，ρ是海水的现场密度，g为重力加速度，p为压力，KM是垂向湍粘性系数，.ƒ为柯氏参数，应用β平面近似，θ代表位温(在浅海也即现场温度)，S为盐度，KH为垂向湍扩散系数。KM、KH由2-1/2阶湍封闭模型计算获得。深度z处的压力
可以通过积分方程(2-4)获得:
（4-8）
这里，假定海表大气压力Patm为常数。
方程(4-2), （4-3), (4-5)和(4-6)中的项FX,FY,Fθ,FS式可表示为:
值得注意的是，Fx和FY是坐标旋转不变量。这里，AM为水平湍粘性系数，在该模式里通过Smagorinsky (1963)给出的公式计算:
（4-11）
参数α根据需要可取范围为0.01-0.5，一般取为0.10。利用Prandtl数，可以由AM获得水平湍扩散系数AH的值。
4.1.2湍封闭模型
在方程(4-2), (4-3), (4-6)和(4-7)中的垂向湍粘性系数和垂向湍扩散系数KH可以通过采用2-1/2阶湍封闭模型(Mellor和Yamada, 1974,1982)来确定，这样就在一定程度上克服了湍粘性系数人为选取对物理场模拟造成的影响。
该模型描述了湍动能q2/2和湍宏观尺度l两个物理量，方程为:
4.1.3 边界条件
我们必须给出合适的初始条件和边界条件，才能使上述控制方程闭合，这些边界条件包括海表、海底边界，海底固体侧边界和海域侧开边界条件。
海面边界条件：在自由海表z =η（x,y,t）处：
我们指出，由于当前条件和观测数据的限制，完全采用上述方法用于温度和盐的边界条件是不现实的。随着卫星遥感技术的开发，海平面水温和盐分场高分辨率和高精度数据的高浓缩，可以描述sst和sss决定热通量因子和盐流量因子的总体效果，即所谓的狄利克雷分界条件。
4.1.3.2海底边界条件
4.2垂直坐标变换
为了更好地拟合底地形，模式在垂向采用δ坐标变换，如图4- 1所示，即
（4-24）
4.3渤、黄海夏季温度场垂直结构研究
4.3.1波浪、潮流混合和太阳短波辐射对渤、黄海夏季垂直温度结构的影响
渤海和黄海海水温度的垂直结构明显具有季节变化特性，冬天温度均匀垂直混合，春天通过海面加热逐渐形成温度跃层，夏季温度跃层最明显，垂直温度成层明显。到了秋天，温度跃层的强度逐渐下降，冬天温度跃层消失，温度垂直均匀。
海洋数值模型是研究海洋现象的重要手段。然而，过去很多海洋数值模型不能很好地模拟海洋混合层和温度跃层的特性。这是因为混合强度特别是上部混合强度不足。混合，特别是垂直混合是形成和保持海洋动力学现象的关键。一般说，海洋垂直混合可以分为浮力混合和动态混合。本质上，垂直动态混合是通过湍流混合实现的。然而，为了便于说明，一些物理海洋学者仅称由循环流速度脉动分量引起的混合叫做湍流混合。现在，许多更好的湍流封闭模型已经应用于物理海洋学。例如，普朗特混合长度理论，K-方程封闭模型：普林斯顿海洋模型使用二次湍流模型来计算垂直混合系数，但是混合方案不考虑波的混合效果。实际上，波混合是包括波动和碎波混合在内的垂直动态混合的重要过程。克莱格（1994）和梅尔（2001）讨论了碎波的混合效应，大大提高了上海洋混合层的模拟。海胆（1999）建立了波混合的理论框架（2004），开发了浪流祸合模型，获得了波对循环流波的二维波诱导雷诺应力和环形流场的混合效应。研究了波浪混合对夏季黄海和东海水温垂直结构的影响，得到了理想的模拟结果。结果发现，夏季波混合在黄海和东海的混合层中起着重要的作用。垂直动态混合也包括潮流混合和内部波混合。沿海潮流相对强，在底层边界附近有较强的速度变化。引起的湍流对环形流场具有混合效应，这对海水温度的垂直结构有重要影响。
影响海洋垂直结构的要素很多，太阳短波辐射的影响也很重要。考虑到太阳短波辐射渗入上海洋，可以部分克服海面水温模拟偏高的缺点。在这份报告中，考虑到波混合，潮流混合和太阳短波辐射的影响，基于POM模型对渤海和黄海进行了数值模拟。
4.3.2夏季渤海中部暖水的形成机制研究
夏天，渤海中最多水域的分层除了近海都很明显。近来的研究表明，夏季渤海的温度，盐分，循环流结构有复杂的结构。渤海夏季气温的结果是，渤海正中的浅滩周围有比较明显的高温水体，南北有低温海水。图4-1(a)和(b)夏季渤海中央部长期的调查数据(1976-1999)获得的平均水温分布和夏季2000年的水温分布，从这个图可以看出，夏季，渤海浅滩处（中心约39120oe，深度20米以下）的温度大概在24℃，水平标度约15～20km的水位几乎均匀混合。渤海浅滩两面由两个低温水体占据。西南部寒冷地区的水温在21℃以下，东北寒冷地区的水温低于19.5℃。夏季渤海横断调查数据显示出两侧的低温中央；寒冷地区的水温每年都在变化，但是北中心地区的水温比南部的水温低。区域的南北侧靠近海岸，水温差不多是上下均匀。2000年夏天，在渤海进行了大规模调查。共派遣9艘船，60站以上，测站间距离一般在20km以下。调查包含有温度、盐分、流量、营养素、溶解氧等。图4-2(a)是一个大规模调查深度18米的大规模分布图。从图片上可以看到，在比较低温的水域包围的渤海的正中央有比较高温的水域。图 4-2(b)和(c)是叶绿素和溶解氧的大规模图。已经明确了渤海正中温度相应的是叶绿素的高浓度区域和溶解氧的低浓度区域，其生化特性也与周围水域不同。近年来，许多观测报告了高温水体的这个部分及其结构。
图4-1（a）
图4-1（b）
图4-1渤海中部断面夏季温度分布（a）平均温度（1976-1999）；
（b）2000年夏季温度
图4-2（a）
图4-2（b）
图4-2（c）
图4-2 2000年夏季渤海18m水深处 （·代表2000年夏季观测位置）
温度；（b）叶绿素；（c）溶解氧（mg/l）
第五章 渤黄海海域温度跃层分布及其分析
5.1跃层分布图的获取流程及其与偏差分析
在论文初期，参考了许多内外相关领域的优秀论文，加强了理论知识和理解。在特定的数据处理过程中，首先使用由中国海洋科学数据共享中心网站提供的大西洋海底地形网格。下载中国海上海区域地形的网格数据，并用Matlab编程语言提取数据然后再用等值线画法画出中国近海海域地形图。
其次搜集中国近海区域温度、盐度数据，本文探讨区域是东经118度到128度、北纬27度到42度。由于ECCO JPL Data Assimilation Project 提供每10天的一个平均值，故而每月取三组数据，一年即取36组数据。由于所研究海区海深都比较浅，大部分深度都小于100米，故而数据选取的深度为5到145米。本文用到的是2005年的全年数据。对提取的数据用Matlab 语言进行处理，把每月的三组数据在进行平均值计算，得到12组温度、盐度数据。由于提供的数据在5到145米深度内是每10米一个值，间隔距离太大，从而对5到145米深度间对应的数据进行了内插值，以深度1米为一个单位，从而温度、盐度每组数据得到146个对应的深度数据。最后编写跃层的判断程序，其判断标准前面已详细提到，不再赘述。因ECCO 所提供数据的经纬度分辨率为一度，故而在已得到的跃层特征量的数据中进行插值会得到比较平滑近似的效果，经过大量的编程实践比较，选择了griddata 的插值方法，并用等值线法绘制了中国近海海域跃层特征量的分布图。
通过与《渤、黄海海洋图集-水文》（以下简称“图集”）的对比，发现所得到的跃层特征量分布图与海洋图集中跃层特征量的分布之间有些出入。着其中的原因是多方面的，最主要的几方面是：温度数据选取的年度范围仅为一年，并且ECCO JOL Data 提供的数据在海深145米以内时，以10米为单位提供，给跃层特征量的计算带来了产生偏差的可能想。各个10米间的深度内插值（interpl）和画出跃层特征量等直线时采取的griddata 的插值方法，本身就是模拟的方法，得到的插值与实际必然有差别。尤其是无跃层（即非数值，用NaN 表示）附近的差值，也是NaN 。这导致与实际不完全一致，所以画出的等值线在一些海区并不是十分准确，不能显示整个海区的真实情况。所采用的跃层判断标准、跃层段的合并方式和跃层判断的使用方法（主要是自己对于研究近海海区全部采用了统一的垂直梯度法）可能与图集编辑者有差别，至此使得
一些跃层特征量发生变化。
本文数据选取了2006年的数据，通过温度数据运用公式可以得到密度，并对这些数据处理编程，得到了各个月份的跃层分布图。下文选取了6个月份（2、4、6、8、10、12月）的显示图，并对其分布原因进行分析。每个月份三张图片，分别为跃层特征量深度、厚度、强度分布。由于所分析海区基本上都是浅海区域，跃层的各特征量月变化较大，故而特征量等值线间隔根据编程得到的数据分析进行确定。
5.2温度跃层特征量分布图
下面是温度跃层在一年中每隔两个月的特征量分布图：
5.3温度跃层季节分布分析
中国沿海水域宽阔，温带、亚热带和热带地区，从北到南围绕着陆岛，也决定我国沿海水域研究领域的多样性发展，不同水域区域的温度条件存在较大差异，也造成了不同温度跃层和海域分布的复杂性和多样性。为了全面客观对温度跃层特征季节变化特性展开研究。本次研究在前人研究的基础上，将不同海区温跃层的图集作为研究切入点，具有一定创新性，同时也为后续的研究提供有价值的参考依据。可通过图集上的时间分布展开深入对比和分析，在此基础上引入多种研究方法展开研究，明确渤海和黄海温度跃层在不同季节的分布情况。具体如下：
南部黄海的水流系统与外部水流系统融合，温度条件受海流影响显著从图5.2.1-图5.2.18可以看出，温度跃层的动机型一般出现在每年12月至的第二年4月，此时主要由于太阳辐射最弱，伴有干冷强劲的偏北风，达到对流涡动混合最强期,这时渤海东部水温在沿垂直方向上几乎是完全均匀的，跃层为全年最弱。即便存在垂直梯度，也是小于浅海跃层的最低标准（0.2℃每米），此时所研究整个海区进入无跃层期。图5.2.1-图5.2.18中显示渤海东部、黄海跃层的成长期都是在4月到6月，在这期间跃层强度逐渐变大，由没有跃层到较强跃层出现。且跃层的深度逐渐减小，基本在5到15米之间，跃层厚度逐渐增大，从渤海东部、黄海北部海区初始为5米左右，到整个近海海区为20米左右，这主要由于太阳辐射在逐渐加强、风力搅拌造成的，且渤海于黄海北部三面靠拢，水深很浅，特别容易受大陆气候环境的影响此时大陆气温逐渐加强。在6至8月，跃层深度在这一时期变化不大，跃层的厚度略有加大，多在20米左右。跃层强度达到最大（0.65℃每米），同时分布范围也是最大的。这主要由于此时期太阳辐射达到最强，表层温度很容易增加，而深度温度增加很缓慢，且对流与涡动在此时都十分衰弱造成的。8月至10月，跃层强度略有减小，渤海东部、黄海北部变化较大，跃层区域开始减小，且跃层深度在变大，但跃层厚度变化不大，这主要由于北方冷空气南下逐渐加强使得表层水温不断下降造成的。10月到12月，可以看到没有跃层的区域明显扩大，此阶段温度垂直强度值已十分微小。到了12月渤海东部、黄海北部基本已无跃层。整体来说近海海区温度跃层特征量主要受太阳辐射、涡动及对流混合作用大。
结 论
本次研究主要针对黄海、渤海跃层特征量分布形态展开深入分析和探讨，其中的温度数据对于研究工作中起到至关重要的作用，所有分布图都离不开研究数据的支持。相信在后续的研究中将发挥更大价值和作用，温度数据在笔者对黄海、渤海跃层特征量的研究表明，温度跃层的变化季节、月份变化存在极为紧密的关联性，从中得出研究结论：
所研究的黄海、渤海温跃层大部分集中在12月至来年的2月份，这段期间的跃层处于减弱期，跃层现象并不明显；而到了2- 6月份，跃层开始逐渐增大，此阶段的海域跃层呈持续加强趋势，深度有所下降，厚度增加；到了6-8月份为海域跃层的强盛时期，此时所有跃层强度最大，深度最小；直到8月份以后，跃层强度开始逐渐下降。直至12月份，海区跃层强度不断减小，特别到了12月份以后，大部分海区基本没有跃层。
在本次研究中，碰到不少困难和问题。特别在使用Matlab编程上存在诸多问题，但在论文指导老师孜孜不倦的教导下，我努力克服困难，面对研究中的重点难点进行逐个突破。但本次研究同样存在一定缺陷和不足，研究中涉及的数据所属经纬度分散性较大，对非跃层值的分布图造成一定影响，造成研究分布图无法清晰准确体现部分海区跃层的季节变化特征。
参考文献
[1]宋新.渤海盐度年际变化与黄海暖流、黄海冷水团年际变化的关系[D].青岛：中国海洋大学，2012.
[2]白志鹏,韩君,姚小海. 南海温跃层时空分布及其对水下通信的影响[J]. 舰船科学技术,2020，42(11)：163-167.
[3]郝佳佳.中国近海和西北太平洋温跃层时空变化分析,模拟及预报[D].青岛：中国科学院研究生院（海洋研究所）,2008.
[4]冯士筰，李凤岐，李少菁，海洋科学导论，高等教育出版社，1999,503页.
1、如文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等，请点击“文章版权申述”（推荐），也可以打举报电话：18735597641(电话支持时间：9:00-18:30)。
2、网站文档一经付费（服务费），不意味着购买了该文档的版权，仅供个人/单位学习、研究之用，不得用于商业用途，未经授权，严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等，侵权必究。
3、本站所有内容均由合作方或网友投稿，本站不对文档的完整性、权威性及其观点立场正确性做任何保证或承诺！文档内容仅供研究参考，付费前请自行鉴别。如您付费，意味着您自己接受本站规则且自行承担风险，本站不退款、不进行额外附加服务。
原创文章，作者：1158，如若转载，请注明出处：https://www.447766.cn/chachong/164518.html,
