北赤道流分叉点及南海北部环流的研究进展

介绍了北赤道流分叉点、南海北部环流的一些研究成果,并就黑潮对南海的影响所作的研究进行了回顾.北赤道流分叉点的位置对于北赤道流系水体疏运变化及在黑潮和MC之间水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用.北赤道流分叉点位置约在14.6°N上,分叉点位置随深度增加而北移.分叉点有明显的季节变化和年际变化,在春、夏季向南移动,而在秋、冬季则向北移动.年际变化与ENSO现象相关紧密,在El Nio事件NEC分叉纬度处于最北端,在La Nio事件处于最南端.对于分叉点位置的定量化研究,仍然需要更多的观测结果进行研究.季风和黑潮是影响南海北部环流的两种主要因素.南海北部上层流场主要由广东沿岸流、黑潮入侵流套、东沙海流、南海暖流和吕宋海流组成.除海盆、次海盆尺度环流外,受季风、黑潮和地形等因素的影响,南海表现出多涡结构.通过近些年的卫星观测和数值模拟的结果,人们对南海中尺度涡的认识大大加深,但要想模拟出风应力形成涡的机制,还需要提高风场和模式的分辨率.由于观测资料的限制,对南海流场的垂直结构、以及春-秋季季风转相时期的流场结构等还研究得较少.吕宋海峡水交换是西太平洋对南海影响的主要途径.黑潮在吕宋海峡附近的形变一直是有争议的热点问题,目前对于黑潮入侵有3种观点:(1) 认为黑潮经过吕宋海峡形成流套结构,并分离出中尺度涡影响南海流场、水团结构;(2) 认为黑潮有一直接分支分离出来进入南海形成黑潮分支;(3) 认为吕宋海峡水交换不属于以上两种情况,西太平洋对南海的水团输送另有机制.北赤道流分叉点在对黑潮的水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用,黑潮对南海北部环流的影响可能与NEC的分叉点位置有关,但目前对NEC的分叉点位置与南海北部环流相关性的研究甚少.最后提出了对未来加强该方面研究的一些展望.     

南海北部次表层盐度的变化及其与北赤道流分叉点的关系

吕宋海峡是南海与外界水交换的重要通道,黑潮作为北太平洋最强的1支西边界流,在经过吕宋海峡时会对南海北部的环流和环境产生重要影响。本文用1991—2011年期间CTD断面实测资料和高度计资料,提取23.0~25.5 kg/m³等密度面之间的盐度极大值,研究了南海北部不同年月盐度极大值变化、黑潮入侵方式与强弱,以及盐度极大值变化与北赤道流分叉点南北移动的关系,结果表明:(1)黑潮入侵南海方式多样,既有分支形式,也有弯曲、流套形式。(2)不同年月间,黑潮入侵南海的强弱存在较大差别,120°E断面的次表层盐度极大值的变动可超过0.3。(3)北赤道流分叉点位置的南北变动对黑潮入侵南海的强弱具有重要影响:北赤道流分叉点位置偏北,黑潮入侵南海较强;北赤道流分叉点位置偏南,则黑潮入侵相对较弱。     

混合坐标模式HYCOM模拟COADS强迫下的南海平均环流

采用混合坐标模式(HYCOM)模拟南海环流,同时利用海表温度卫星资料和吕宋海峡Sb-ADCP观测海流数据来评估模式结果.地形敏感性实验表明,吕宋海峡地形数据对模拟黑潮入侵方式影响较大,在地形误差较大的情况下,模拟的黑潮可能以反气旋流套方式入侵.和Pathfinder海表温度卫星资料比较,模式输出的月平均温度在海盆区域误差较小.ERA-15资料强迫所模拟的吕宋海峡上层环流和Sb-ADCP观测一致,而COADS结果低估了吕宋海峡的体积输送.     

全球大洋环流诊断模式研究--流场及流函数

基于GFDL的MOM模式建立一个全球大洋环流的诊断模式(R0bust diagnostic model)来研究全球大洋环流.水平空间分辨率1°×1°.垂向分为21层.分别进行月平均和年平均模拟,积分的时间长度为11a.模式水流来自DBDB5(National Geodetic Center,Boulder,Colorado).所用的温度、盐度数据根据Levitus(1994)的资料,表面风应力根据Hellerman and Rosenstem(1983)的全球风场数据插值而来.从模拟结果看,全球大洋中的主要环流结构均得到体现.北太平洋副热带流圈得到合理的模拟,其最大的输运超过50 Sv.北赤道流在12.N附近分为南北两支.北支形成黑潮,而南支为棉兰老海流,在其东边,棉兰老冷涡得到很好的再现.在吕宋海峡有海水进入南海,在南海形成一个气旋式流圈,进而通过南海南部水道流入印度尼西亚海.模拟结果表明南极绕极流和黑潮可以深达底层.湾流则不能深达底层,其下方在1 000～2 000 m深度存在南向的深层流,显示了大西洋深层水的流动.     

1987及1988年夏季西北太平洋主流系和水位与大气环流关系的数值研究

用一个包括风应力顶的二维绝热非线性数值模式计算分析了１９８７年１９８８年夏季北太平洋主流系和水位与大气环流的关系。将模拟的１９８７年和１９８８年流场作比较可知：１９８７年南赤道较弱，而弱赤道逆流、北赤道流及太平洋流较强，同时各流系位置也都偏南１－２个纬距；模拟的１９８７年黑潮及对马暖流也明显比１９８８年强。分析表明，１９８７年夏季南赤道流弱、北赤道逆流强的主要原因是该年东南信风弱，而弱赤道流、黑潮     

黑潮——一支世界著名的大洋強流

翻开世界大洋的海流图,在北太平洋赤道与付热带区域之间,有一个巨大的顺时针转动的环流系统映入我们的眼帘。这就是由北赤道流-黑潮-黑潮延续体-北太平洋流-加利福尼亚流共同组成的付热带环流。黑潮位于大洋的西部边界,它以流幅窄、流速强、厚度大著称,成为这个大环流系统中最重要的环节。黑潮是与大西洋中的湾流齐名的世界大洋两大强流。     

1987及1988年夏季西北太平洋主流系和水位与大气环流关系的数值研究

用一个包括风应力项的二维绝热非线性数值模式计算分析了1987及1988年夏季北太平洋主流系和水位与大气环流的关系。将模拟的1987和1988年流场作比较可知:1987年南赤道流较弱,而北赤道逆流、北赤道流及北太平洋流较强,同时各流系位置也都偏南1—2个纬距;模拟的1987年黑潮及对马暖流也明显比1988年强。分析表明,1987年夏季南赤道流弱、北赤道逆流强的主要原因是该年东南信风弱,而北赤道流、黑潮及对马暖流较强则主要与该年12°—25°N之间较强的东风以及东海较强的南风有关。模拟结果可对管秉贤提出的夏威夷群岛附近风应力涡度与黑潮强度的统计关系给出一个动力学解释。根据1987及1988年夏季气压场及风场对比分析。可以认为1987年北赤道流、黑潮及对马暖流较强可能与1987El Nino年副热带高压较强有关。     

南海北部次表层高盐水的季节变化及其与西北太平洋环流的关系

次表层高盐水(34.68‰)作为北太平洋热带水(NPTW)的示踪,可用来研究黑潮入侵,了解南海与太平洋的水体交换。文章利用基于高分辨率混合坐标海洋模式(HYCOM)的海洋再分析资料,研究了南海北部次表层高盐水的季节变化及其影响因子。模拟结果显示,南海北部高盐水位于100~200m水深,最西可达111°E,其体积存在明显的季节变化,12月达到极大值,6月达到极小值。进一步的分析表明,其季节变化主要受低纬度西北太平洋大尺度环流的调制,与北赤道流分叉点位置的季节变化(1月到达最北端、6月到达最南端)呈现很好的相关性。受太平洋大尺度风场的影响,北赤道流分叉点上半年(下半年)向南(北)移动,导致黑潮输运增强(减弱),通过吕宋海峡进入南海的盐通量减少(增加),从而使南海次表层高盐水的盐度降低(升高)。吕宋海峡断面的流速和盐通量分布特征显示,西太平洋高盐水主要通过吕宋海峡中部(20°~21°18'N)进入南海北部。     

南海环流的一个两层模式

本文用一个两层模式,对黑潮在南海海盆中诱导出现的环流现象进行机制性的模拟.文章表明南海环流的主要特征表现为在东沙群岛附近存在约280d的周期性的气旋涡系统的盛衰现象,进一步证实了南海北部陆坡外的西(西南)向海流实际上是气旋涡南侧的循环海水再向北流动的再循环水,并指出该海流具有很强的斜压性;文章还指出,在一定的条件下,黑潮入流有可能向西侵入南海北部,从而形成反气旋式的套状流结构.     

南海冬季环流数值模拟

用已成功地模拟了大尺度环流和黑潮的三维、斜压以及具自由海水表面的数值模式,模拟了冬季南海流场、温度场和海面高度场。所用网格为0．25°×0．25°,垂直方向分为6层;除巴土海峡和台湾海峡外,其它边界假设为封闭;巴士海峡和台湾海峡的边界值用已模拟的大尺度环流值。模拟结果基本上反映了南海冬季环流的特征。从模拟结果可知,黑潮从巴士海峡南部进入南海后,其大部分又从对21°以北返回大洋。巴士海峡西侧的气旋型环流似乎具有相对的独立性;当然,涡旋东侧在巴士海峡的N向流可能与黑潮水混合,而且从这支流中分离出－小支流继续向北,汇入到“南海暖流”中。黑潮水虽然大部分返回太平洋,但是巴士海峡西侧的气旋型环流是由巴士海峡处的黑潮诱发的,南海海底地形对南海环流的形态（特别是对“南海暖流”的形成）有很大的影响。     

南海冬季环流数值模拟

用已成功地模拟了大尺度环流和黑潮的三维、斜压以及具自由海水表面的数值模式,模拟了冬季南海海流场、温度场和海面高度场。所用网格为０．２５°×０．２５°,垂直方向分为６层：除巴士海峡和台湾海峡外,其它边界假设为封闭;巴士海峡和台湾海峡的边界值用已模拟的大尺度环流值。模拟结果基本上反映了南海冬季环流的特征。枞模拟结果可知,黑潮从巴士海峡南进入南海后,其大部分又从２１°Ｎ以北返回大洋。巴士海峡西侧的气肇型     

LICOM模拟的南海贯穿流及其对南海上层热含量的影响

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)数据、XBT(Expendable Bathythermograph)观测数据和绕岛环流理论(island rule)诊断计算结果评估了一个涡相容(eddy-permitting)全球海洋环流模式——LICOM对南海贯穿流及南海上层热含量的模拟能力,同时利用模式输出探讨了南海贯穿流对南海上层热含量的影响。NEC(North Equatorial Current)分叉的垂向结构、南海内区环流的季节和吕宋海峡体积输送的年际变化等分析结果都表明,LICOM能获取西北太平洋-印尼海域环流和南海贯穿流的合理模拟结果。模式模拟的南海上层热含量季节变化与观测及同化数据都表现出良好的一致性,尤其在南海内区。相关分析表明,吕宋海峡热输送主要控制着南海内区上层的热含量变化,两者呈显著负相关,这进一步证实了南海贯穿流作为一支冷平流调制着南海上层热含量变化的重要事实。     

ENSO相联系的热带太平洋上层海洋异常环流

本文使用SODA(simple ocean data assimilation)海洋同化资料,系统分析了厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,ENSO)循环中冷暖位相期间热带太平洋上层海洋环流的演变规律,探讨了形成海洋环流异常的新机制。结果表明,在厄尔尼诺成熟期,热带中东太平洋赤道潜流最弱,赤道两侧出现反气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域出现气旋性环流异常,该区南、北赤道流、棉兰老流、黑潮、新几内亚沿岸潜流及南赤道逆流增强;北赤道逆流区出现异常气旋性环流串,北赤道逆流接近正常。在厄尔尼诺衰退期和拉尼娜发展期,热带中西太平洋赤道潜流达到极强,赤道两侧出现气旋性环流异常;西太平洋赤道外热带海域异常环流减弱,该处主要流场的强度减弱或处于正常状态;北赤道逆流区反转为异常西向流。结果表明, ENSO循环期间的上层海洋环流异常受到热带太平洋温跃层深度异常产生的压强梯度力异常调控,在赤道外热带海洋温跃层深度异常和科里奥利力共同作用产生大尺度海洋环流异常,而在赤道海域,海洋温跃层深度异常和Gill效应造成赤道潜流异常以及关于赤道对称的气旋或反气旋性环流异常。     

南海贯穿流季节变化数值模拟研究

本文采用美国伍兹霍尔研究所研发的海洋-大气-波浪-泥沙输运耦合模式COAWST(Coupled Dcean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)对南海及邻近海域进行了9 km分辨率的数值模拟研究。结果表明,南海贯穿流的季节变化再现了冬强夏弱的特征,在南海内部冬季呈现气旋环流结构,夏季呈现反气旋环流结构,尤其在冬季其流轴结构更为清晰和稳定,海水从吕宋海峡进入南海,从民都洛海峡、卡里马塔海峡、台湾海峡和巴拉巴克海峡流出,吕宋海峡断面流量与其他4个海峡流量合计在数量级上相当,保持南海海水总量不变。吕宋海峡、卡里马塔海峡、民都洛海峡的流量呈现明显相关性,吕宋海峡流量增大时,民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量也相应增大,相关系数分别达到0.78和0.9。通过更适于分析中短期变化的简化绕岛环流理论,定量计算2019年吕宋海峡、黑潮和棉兰老流流量与北赤道流分叉点位置的关系,发现夏季北赤道流分叉点NECBL(North Equatorial Current Bifurcation Latitude)偏南,在13.6°N附近;冬季NECBL偏北,在15.6°N左右,同期黑潮流量减少,棉兰老流流量增加,作为南海贯穿流入流的吕宋海峡流量可达13.4 Sv。吕宋海峡输运补偿了北赤道流到达菲律宾海岸后的北向分支的流量,与棉兰老流的流量呈正相关,相关系数达到0.5361。     

三种垂向混合方案对HYCOM模拟北太平洋西边界流系的影响研究

基于HYCOM(Hybrid Coordinate Oceanic Circulation Model),以OFES(OGCM for the Earth Simulator)资料为参考,分析了KPP、MY2.5、KT三种不同混合方案对北太平洋西边界流系的模拟结果的影响。结果表明:三种不同混合方案模拟的上层海洋平均流场与OFES资料相似,但在流向和流幅上略有差异,其中KPP方案模拟的流速与OFES资料最为接近,MY2.5方案次之,KT方案与其差别最大。通过代表性断面上流速的对比分析,对模式就北赤道流、棉兰老流、棉兰老潜流、黑潮的模拟效果进行比较,KPP方案模拟的效果同前人的观测和研究最为接近。分析了北赤道流,棉兰老流,棉兰老潜流,黑潮的流量的季节变化特征,其中KPP方案与OFES资料计算的棉兰老流和棉兰老潜流的季节变化特征与前人描述比较一致,表现为春强秋弱。KPP方案和OFES资料的计算结果表明,北赤道流和棉兰老流大致上是同向变化的,而在冬季棉兰老流同黑潮的变化基本上是一致的。     

源区黑潮季节变异及其动力机制的数值研究

应用POM2K模式对中国海黑潮区气候态平均环流进行了数值模拟。采用正交曲线网格, 模式区域为太平洋海盆, 特别的在中国海区域进行加密并较好的拟合了岸线; 垂向分为21层, 并在海表9层以上采用对数网格分布; 采用COADS气候态月平均的风应力, 并将模式的温度结果和MODIS月平均的SST数据进行同化, 然后将模式模拟出的流量、海表高度异常同实测数据和卫星观测数据进行了对比验证, 结果均显示模拟结果可信度较高。接着本文探讨了北赤道流分岔位置季节性的变化对源区黑潮流量的影响, 结果表明, 秋冬季节北赤道流分岔位置较靠北, 源区黑潮流量较大, 而春夏季节北赤道流分岔位置较靠南, 黑潮流量较小。在此基础上, 针对源区黑潮的动力机制进行了数值实验。实验中主要考虑了以下动力因子对源区黑潮季节性变化的影响: (1)风应力; (2)非线性; (3)黑潮的斜压敏感性, 然后通过与控制实验的对比, 讨论了不同的动力因素对吕宋海峡净流量和吕宋海峡上层环流场的影响。     

黑潮入侵南海的强弱与太平洋年代际变化及厄尔尼诺-南方涛动现象的关系

在黑潮入侵南海强弱的问题上,到底是太平洋年代际变化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)还是厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)现象在起关键作用,目前还存在着较大争议。本文先以高盐水作为黑潮入侵强弱的示踪物,用120°E断面的高盐水数据和北赤道流分叉点(North Equator Current Bifurcation,NEC-Y)的南北变动进行相关分析,接着,进一步用学者所用的黑潮入侵指数(KI指数,Kuroshio intrusion index和NEC指数,North Equatorial Current index)与北赤道流分叉点南北变动进行相关分析。最后,用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法和相关关系分析法分别分析了PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点南北变动的关系并用NECP风场数据探讨其影响机制。结果表明:(1)通过对120°E断面的高盐水的KI指数、NEC指数与NEC-Y的相关分析,表明了北赤道流分叉点的南北变动能够很好地指代黑潮入侵南海的强弱;(2)通过PDO指数和Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动的相关性分析,发现PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动都具有较好的相关性,都在0.5水平。这些良好的相关性表明了PDO和ENSO对黑潮入侵南海的强弱都具有重要的影响;(3)当处于厄尔尼诺年(拉尼娜)时,赤道太平洋发生西(东)风异常,使得北赤道流分叉点偏北(南),使吕宋岛东侧的黑潮流速减弱(加强),黑潮入侵南海增强(减弱);当PDO处于暖(冷)阶段时,会加强热带太平洋的西(东)风异常,使得黑潮入侵南海增强(减弱)。     

夏季流经东沙群岛北侧的一支偏西向海流

主要根据1992年8月中国科学院南海海洋研究所和香港理工大学合作进行的“南海环流试验”的调查资料，并引用中国科学院南海海洋研究所1982年7月、1985年8月在南海东北部的调查资料、黑潮合作调查（CSK）的资料，通过温、盐度分布特征的分析，并结合动力计算结果，指出夏季在南海东沙群岛北侧存在着一偏西向海流，它的流动路径与文献[5－7]中所说的南海黑潮分支的流动路径显著不同。对夏季南海海流的三维数值模拟也得到了相似的结果。     

1991年冬季菲律宾以东海流特征和盐度结构

本文根据１９９１年１１月１５日￣１２月２０日中国世界大洋环流实验首航ＡＤＣＰ测流资料并结合日本气象厅的ＡＣＭ次表层测流资料，描述了菲律宾以东的海流特征。同时应用该航次ＣＴＰ资料计算了各观测断面的地转流流量，并用盐度跟踪讨论了北赤道逆流、黑潮和棉兰老海流的水源。计算和分析表明，本航次期间有３个强流区，即黑潮源头区，棉兰老沿岸区和北赤道逆流区。此外，本航次本区海流特征与１９８６／１９８７ＥＮＳＯ事件同     

黑潮环流的数值模拟

黑潮是太平洋一支强的西边界流,具有高温、高盐、流幅窄、流速高、流量大的特征,主要来源于北赤道洋流,把大量热量从低纬输送到高纬,它的季节和年际变化都会对气候产生重大影响,对我国近海的温盐分布及环流的影响起到至关重要的作用.