2022年韩国南部沿海水域CTD观测数据揭示的季节性锋面变化及其分层机制

《Frontiers in Marine Science》：Seasonal frontal variability and stratification coupling from 2022 CTD observations in the southern coastal waters of Korea

海洋锋面时空变化与稳定性耦合机制研究——基于综合指数IFI的观测分析。本研究利用2022年5-11月韩国南部沿海CTD观测数据，构建整合温度/盐度梯度与Brunt-V?is?l?频率（N2）的IFI指数，揭示锋面与水柱稳定性的耦合规律。结果表明：锋面沿70-100米等深线呈带状连续分布，夏季（7月）因ΔTHD（锋面-密度分层耦合）正值强耦合导致锋面锐利且近表层形成，秋季（11月）因ΔTHD负值弱耦合及风混合增强，锋面扩散并下移至40-70米深度。IFI指数与常规梯度阈值方法在10-30米高度吻合（87-93%），但随深度减弱（80米仅71%）。研究证实稳定性参数能有效修正锋面时空异质性，为沿海环境监测提供新诊断工具。

　　海洋中的锋面是动态边界，其特征是海水属性如温度、盐度和密度的快速水平梯度。锋面在海洋中扮演着关键角色，作为海洋结构异质性的关键空间元素，影响着海洋的混合、能量传输、内部波生成以及剪切流等物理过程。锋面的形成与海水的垂直稳定性密切相关，而这种稳定性又由温度和盐度的垂直变化决定。因此，为了全面理解锋面的动态，需要同时考虑锋面的水平特征和垂直稳定性。

研究区域位于韩国南部沿海水域的中央至东部，其水文特征受到多种因素的影响，包括地形、季节性淡水输入、潮汐作用以及来自东海（日本海）和黄海的水团输入。这一区域是黄海和东海之间的重要过渡带，其复杂的水文环境使得锋面的形成和演变具有显著的时空变化。在夏季，低盐度水团从黄海流入，而暖水团从东海流入，导致水团间的相互作用增强，形成了显著的季节性锋面和分层结构。到了秋季，随着冷却和混合过程的增强，锋面变得模糊且更深，呈现出不同的动态特征。

锋面的强度和主要形成深度反映了季节性分层以及温跃层和盐跃层的对齐程度。当温跃层和盐跃层同时出现时，锋面通常较为尖锐且连续，而在温跃层和盐跃层发生偏移时，锋面则变得更加弥散和深。通过分析上层（10–30米）和下层（40–50米）的锋面强度，可以发现IF（Integrated Frontal Index）指数在上层与盐度锋面有很高的匹配度（约99–100%），与温度锋面的匹配度也较高（约87–93%），而在更深层则匹配度下降且变化更大。ΔIFI（Integrated Frontal Index变化）表现出深度依赖性，其值在10米时平均为?5.7，在60米时为?1.3，在80米时又下降至?4.6，这种趋势表明表层锋面的强度减弱，中层趋于缓解，而在深层再次减弱。这表明锋面的强度和深度变化受到垂直稳定性的影响。

为了全面评估锋面与分层之间的耦合关系，研究引入了一个集成锋面指数（IFI），该指数结合了温度、盐度和垂直稳定性，以更全面地诊断锋面的形成和变化。通过比较传统锋面（基于温度或盐度梯度阈值）和IFI锋面的匹配度，研究发现IFI锋面在空间上与传统锋面有较高的重合度，特别是在表层（10–30米）表现出较强的代表性。然而，在更深的水层中，这种匹配度有所下降，显示出传统锋面定义的局限性。研究还指出，IFI不仅能够捕捉锋面的强度和位置，还能反映其与垂直稳定性的相互作用，从而提供一个更全面的锋面诊断工具。

研究区域的锋面结构呈现出显著的季节性和深度依赖性。在夏季，锋面主要出现在表层，且具有较高的强度和较浅的形成深度。而在秋季，锋面变得更加弥散，形成深度加深。这种变化与温跃层和盐跃层的对齐程度（ΔTHD）密切相关。当温跃层和盐跃层对齐时，锋面表现出增强的强度；而当它们偏移时，锋面则减弱。此外，研究还发现，ΔTHD在不同深度层的表现也有所不同，表层的ΔTHD值较小，而中层和深层则较大，这表明不同水层的分层机制和锋面形成过程存在差异。

研究还探讨了锋面强度和垂直稳定性之间的相互作用。通过分析ΔIFI的值，研究发现垂直稳定性对锋面强度有显著的影响。在表层，垂直稳定性较强，锋面表现出较高的强度；而在中层和深层，稳定性减弱，锋面强度也随之下降。这种变化与温跃层和盐跃层的对齐或补偿作用有关。当温跃层和盐跃层对齐时，锋面的强度被增强；而当它们发生补偿时，锋面的强度则被削弱。这一机制在不同季节和水层中表现出不同的特征，为锋面的动态提供了更深入的理解。

此外，研究还指出，传统锋面定义方法存在一定的局限性。这些方法通常依赖于固定的温度和盐度梯度阈值，无法适应不同季节、不同区域和不同锋面类型的复杂变化。相比之下，IFI方法能够更灵活地反映锋面的多维特征，包括水平梯度和垂直稳定性，从而提供一个更全面的锋面诊断框架。研究还强调，通过使用对数变换和0–1归一化，IFI能够在不同深度和季节中保持一致性，避免了极端值对结果的主导影响。

通过将传统锋面与IFI锋面进行比较，研究发现两者的匹配度在表层较高，而在深层则较低。这种差异表明，传统方法在深层锋面的识别上存在一定的不足，而IFI方法则能够更准确地反映锋面与垂直稳定性的耦合关系。同时，研究还指出，ΔIFI的值在不同深度层表现出不同的变化趋势，这为锋面的动态变化提供了重要的依据。通过分析ΔIFI的深度依赖性，可以更清晰地理解锋面强度如何随深度和季节变化而变化。

研究还提到，海洋锋面的形成和演变受到多种物理因素的影响，包括地形、水团输入、潮汐作用和季节性变化。这些因素在不同季节和不同水层中表现出不同的作用机制，从而导致锋面的动态特征发生变化。例如，在夏季，由于温跃层和盐跃层的对齐，锋面的强度和深度发生变化；而在秋季，由于冷却和混合过程的增强，锋面变得更加弥散和深。这种季节性的变化不仅影响锋面的强度，还影响其在不同水层中的分布和结构。

研究还指出，海洋锋面的动态变化对于海洋环境和海洋生态系统具有重要意义。锋面不仅是物理过程的重要边界，还可能影响生物地球化学过程和声速分布。因此，对锋面与分层之间耦合关系的深入研究，有助于更好地理解和预测海洋环境的变化，特别是在复杂沿海区域。研究还提到，未来的工作可以进一步探讨锋面与混合过程之间的关系，特别是在内部潮汐引起的混合区域，以及不同季节和深度层之间的具体机制。

总体而言，这项研究通过结合多维数据和物理机制，提供了一个更全面的锋面诊断框架，有助于理解锋面的动态变化及其与海洋分层的耦合关系。研究不仅揭示了锋面的时空分布特征，还提出了一个能够更准确反映锋面强度和垂直稳定性的集成锋面指数（IFI），为海洋监测和预报提供了新的视角和工具。未来的研究可以进一步拓展这一框架，探索更多复杂的海洋环境和不同季节的锋面变化，以更全面地理解海洋动力学过程。