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。     

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。     

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.     

区域海气耦合模式FROALS模拟的西北太平洋环流及其年际变率

本文利用区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System)对西北太平洋地区1984-2007年连续积分结果,对比SODA(Simple Ocean Data Assimilation)同化资料讨论了西北太平洋海表温度和表层洋流的气候态及年际变率。结果表明,FROALS基本能够再现冬、夏季季节平均的海温型,但均存在一个明显的冷偏差;FROALS对气候平均态的表层洋流有较高的模拟技巧,对于冬、夏季的表层洋流型都能够再现。另外,表层洋流的模拟偏差与海表高度的模拟偏差直接相关。由于模式模拟的黑潮热输送较观测偏强,使得模式模拟的海洋热输送倾向于使黑潮路径上的海温呈现正偏差。从表层洋流的年际变率来看,模式模拟的与ENSO(El Nio-South Oscillation)相联系的年际变率信号与观测相似:在El Nio年,北赤道流和棉兰老流增强,低纬度西太平洋海表高度降低,而在La Nia年则呈现出相反的形态,但是在模式中这种信号稍强于观测。     

南海海面温度与Ni(n)o/DMI指数年际变异的相关性分析

利用NCEP的Reynolds最优插值海面温度产品(1981年12月-2004年10月),对南海海表温度场的年际变化与热带太平洋El Ni(n)o指数(Ni(n)o1 2, Ni(n)o3.4, Ni(n)o5和Ni(n)o6指数)以及印度洋的偶极子指数(DMI)进行相关性分析.研究表明南海海面温度(SST)的变异与Ni(n)o1 2指数的变异相关性较强,南海海表温度场平均滞后Ni(n)o1 2指数4.77个月时,二者相关达到最大,平均为0.60; Ni(n)o3.4指数次之,南海海洋表层温度距平(SSTA)平均滞后Ni(n)o3.4指数6.67个月时,二者相关系数最大,平均为0.49.南海海表温度场对应的伴随形态进一步表明,南海随Ni(n)o1 2, Ni(n)o3.4指数出现正异常并有增暖现象,其中南海SST异常随Ni(n)o1 2指数变化的强度更大.并且几乎整个南海区域均超过95%的置信水平,当Ni(n)o1 2达到1个标准差(即异常增暖1.04 ℃),南海平均增暖幅度为0.16 ℃,越南东南外海和南海16°N以北区域SSTA增幅最大为0.20 ℃.表征西北太平洋海表温度场的Ni(n)o5和Ni(n)o6指数对ENSO现象的响应与南海表层温度场线性相关性不显著.研究还表明,南海海表温度场的年际变化与印度洋偶极子指数(DMI)的相关性不强,相关性仅体现在南海的卡里曼丹岛西南角的局部海域.     

黑潮跨陆架入侵东海年际变化的数值模拟

为了研究黑潮跨过200m等深线对东海入侵的年际变化特征,本文基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)海洋模式,对西北太平洋海域进行了高分辨率的数值模拟,模式水平分辨率高达4km,该分辨率可以很好地分辨黑潮以东区域的中尺度涡旋等过程。模式首先进行了6年的气候态模拟,然后进行了1993到2015年的后报模拟。模式很好地再现了东海陆架已知的环流结构,模拟出的对马海峡和台湾海峡的年平均流量和观测结果也比较一致。基于模式结果,利用旋转经验正交函数(REOF)的方法,对黑潮跨过200m等深线流量的年际变化进行分析。REOF的主要模态表明,黑潮跨过200m等深线对东海陆架的入侵主要发生台湾东北,并且入侵主要集中在黑潮次表层水中。主要模态的时间系数表明,黑潮入侵东海陆架的年平均流量存在一个8年的变化周期。相关性分析表明,黑潮入侵东海陆架的年际变化和太平洋年代际振荡PDO(Pacific Decadal Oscillation)指标具有显著的负相关,其相关系数达–0.63。该相关可以通过如下过程解释:PDO会导致东太平洋风应力涡度异常,由Sverdrup关系可知向赤道的体积输运也会相应地产生异常,根据质量守恒,向赤道体积输运的异常必然通过西边界流-黑潮的异常来平衡,从而导致黑潮入侵东海陆架强烈的年际变化。     

副热带南北太平洋经向模与ENSO的关系

本文利用Hadley中心的海表面温度、海洋再分析资料ORAS4(Ocean Reanalysis System 4)的海表面高度、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的海气界面风场及热通量等数据,分析了1948-2018年期间副热带南、北太平洋经向模(South Pacific meridional mode,SPMM、North Pacific meridional mode,NPMM)的基本特征及其与厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o and Southern Oscillation,ENSO)的关系。结果显示,两个副热带太平洋经向模对应的海表面温度异常都呈现南北反位相的偶极子结构,并与ENSO关系密切:当Ni?o3.4滞后北太平洋经向模10个月时,二者达到最大正相关;Ni?o3.4滞后南太平洋经向模6个月时,二者达到最大正相关。换句话说,在副热带太平洋发生北太平洋经向模正位相事件(北太平洋东南暖,西北冷)1 a后或者南太平洋经向模正位相事件(南太平洋东北暖,西南冷)半年后,热带太平洋可能会发生厄尔尼诺事件。据此,利用二元线性回归方法建立了基于南太平洋经向模和北太平洋经向模预测ENSO的统计模型,得到拟合的Ni?o3.4和观测的Ni?o3.4之间的相关系数达0.57,预测效果良好。     

基于OFES模式数据的北赤道流分叉研究

利用1957—2006 共50 年高分辨率的长时间序列海洋模式OFES(OGCM for the Earth Simulator)数据, 对北赤道流(NEC)的分叉规律及其与ENSO循环的关系进行了分析。结果表明: (1) NEC分叉纬度具有明显的季节和年际变化, 周期主要呈现为3—6个月的季节内振荡和2年、2—7年左右ENSO尺度周期振荡以及10年以上的年代际变化。在季节尺度上, 分叉位置春季偏南, 秋季偏北, 并且分叉纬度随深度的增加向北移动, 其北移幅度冬季最大, 夏季最小。而在年际变化尺度上, NEC分叉纬度具有较强的年际变化信号, 与ENSO循环密切相关, El Ni?o 年分叉位置偏北, La Ni?a年分叉位置偏南。(2)NEC分叉纬度的变化与北太平洋0—30°N之间的纬向风应力旋度积分零线位置密切相关, 零线的南北偏移导致了分叉位置的改变, 在不同深度上, 零线位置对分叉纬度改变的影响时间不同, 表层需1个月, 而500 m深度则需4个月左右。(3)NEC分叉影响着黑潮(KC)与(棉兰老流)MC的流量分配率, 其年际异常变化与冷、暖ENSO事件发生密切相关, 当El Ni?o发生时, KC流量分配率减少, MC 流量分配率增加; La Ni?a年情况则相反。     

南海上层海流的数值模拟

用一个水平分辨率较高的太平洋区域海洋模式计算了太平洋的上层海流.太平洋海域大的海流流系,如黑潮、亲潮、北(南)赤道流、北赤道逆流、加利福尼亚海流和东澳大利亚海流等都再现在模拟结果之中了.本文只给出了南海四季代表性月份的上层环流的数值模拟结果.结果表明:南海黑潮分支是南海北部最重要的一支海流,它不仅是南海暖流的水体来源,而且构成了南海环流重要的一翼.除了个别月份外,终年都有一支较强的NE向海流穿过台湾海峡进入东海.这些计算结果有的已被观测结果所证实.     

西中太平洋经向大气环流的年际变化

讨论了西中太平洋经向大气环流的年际变化特征,其中西太平洋区(WP)和中太平洋区(CP)EOF分解的第一模态分别是WP的负异常Hadley环流和CP的正异常Hadley环流,其时间系数与Nio3.4指数极为一致;第二模态的最显著空间特征是两区都在5°N~15°N有异常上升,但其时间系数与Nio3.4指数同期相关很低。西中太平洋有2类海表面温度异常(SSTa),通过其上的深对流潜热加热驱动异常Hadley环流:El Nio型驱动了WP区和CP区赤道区符号相反的第一模态异常环流型;热带辐合带(ITCZ)型驱动了WP区和CP区5°N~15°N区符号一致的第二模态异常环流。     

ENSO循环相联系的北太平洋低纬度异常西边界流

用SODA海洋同化和NCEP大气再分析资料,分析了热带太平洋次表层海温异常主要模态与北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流和亚洲-北太平洋地区大气垂直和水平流场变化之间的关系,得到以下结果:（1） 在热带太平洋海洋次表层ENSO事件具有两种模态,二者组合构成ENSO循环。第一模态为ENSO成熟期,主要出现在冬季,第二模态为ENSO过渡期,主要出现夏季。（2） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流区上层海洋环流有重要影响。在El Niño发展期或La Niña 衰退期,该区出现气旋性异常环流,北赤道流（NEC）加强,NEC分叉位置北移,棉兰老海流（MC）加大,菲律宾以东黑潮（KC）减小,北赤道逆流（NECC）最强。在El Niño（La Niña）成熟期,该区气旋性（反气旋性）异常环流达最强,NEC最强（最弱）,NEC分叉位置最北（最南）,MC最大（最小）,KC最小（最大）,NECC减弱（加强）。在El Niño衰退期或La Niña发展期与El Niño发展期相反,该区出现反气旋性异常环流,由此导致相应流系异常发生反位相变化。（3） ENSO循环对北太平洋低纬度西边界流海域上层海洋环流的影响是通过ENSO事件期间热带太平洋热力状况异常改变上空大气环流来实现的。ENSO事件首先造成热带太平洋海洋热力状况异常,导致其上空对流活动异常,后者直接或间接通过“大气桥”能量传输引起相关地区大气环流场的变化,致使海面风应力场异常,进而强迫上层海洋环流场的相应变化。文章最后还分析了ENSO事件期间菲律宾附近异常反气旋或异常气旋性风场的产生和持续原因,讨论了北太平洋低纬度西边界流海域海气相互作用在ENSO循环中的贡献。     

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。     

2015/2016年超强厄尔尼诺期间热带西太平洋海洋环流变化特征

本文利用HYCOM （Hybrid Coordinate Ocean Model）再分析数据对北赤道流（NEC）、棉兰老流（MC）以及黑潮（KC）所构成的NMK环流系统在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间的变化特征及其影响机制进行了研究，并与其他厄尔尼诺期间的变化特征进行了对比。结果表明，在2015/2016年超强厄尔尼诺事件期间，NEC和MC输运均显著增强，最大值分别达到66 Sv （1 Sv=10⁶ m³/s）和49.4 Sv，北赤道流分叉纬度最北可达16°N，KC输运没有明显增强。NMK环流系统的年际变化主要与此次厄尔尼诺事件期间热带西北太平洋15°N以南、160°E以西海域出现的气旋式环流异常有关。该环流异常出现自厄尔尼诺事件的前期阶段，并于爆发阶段达到顶峰，主要是由15°N以南区域出现的强西风异常所引起的。进一步分析表明，此次厄尔尼诺事件期间NEC、MC输运和NBL的平均值均大于1992— 2014年间所有厄尔尼诺事件的平均状况，但与1997/1998年超强厄尔尼诺事件期间的平均值相近。     

南海海面高度变化及其与太平洋上涛动信号的关系

本文使用循环平稳经验正交函数(CSEOF)方法分析了南海海面高度(SCS-SSH)的时空变化模态,并对它们与太平洋海盆尺度振荡的关系进行了探讨分析。结果表明,SCS-SSH的第一个CSEOF模态是季节变化模态,其变化强度受到一个与厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)有关的低频信号的调制,即在厄尔尼诺期间季节变化的幅度减弱(最大可降低30%,1997/98)而在拉尼娜期间季节变化增强。SCS-SSH的第二个CSEOF模态是年际-年代际尺度的低频变化模态,其空间模态的月与月之间的差异微弱,而时间模态和太平洋年代际振荡(PDO)指数高度相关。然后,我们使用独立成分分析(ICA)方法提取了太平洋中的五个主要振荡成分,并检验了它们对SCS-SSH变化的各自影响。分析表明,纯粹的ENSO模态(类似于太平洋东部型ENSO)对SCS-SSH的低频变化的影响比较微弱,而ENSO的红化模态(类似于太平洋中部型ENSO)对SCS-SSH的低频变化具有明显影响。由于ENSO的红化模态是PDO信号的一个主要成分,这一结果解释了为什么在影响SCS-SSH的低频变化上PDO比ENSO更重要。径向鞍型振荡模态、黑潮延伸体处的增温模态、以及赤道的降温模态也由ICA方法提取出来,但它们对SCS-SSH低频变异的影响微弱。进一步的分析表明,太平洋的涛动信号可能以不同的方式来影响南海海面高度变化和海表温度变化。     

黑潮水对台湾海峡东南部源水的影响：数值结果

Model output from a Pacific basin-wide three-dimensional physical-biogeochemical model during the period of 1991 to 2008 was used to investigate the impact of Kuroshio water on the source water of the southeastern Taiwan Strait. Based on the characteristic salinities of both Kuroshio water and the South China Sea water, a Kuroshio impact index (KII) was designed to measure the degree of impact. The KII correlates significantly with the northeast-southwest component of wind stress, but the former lags the latter by approximately two months. The correlation coefficient between them increases from 0.267 4 to 0.852 9, with a lag time increasing from 0 to 63 days. The impact of Kuroshio Water is greater in winter and spring than in summer and autumn. At the interannual time scale, El Niño and La Niña events play an important role in impacting the KII. During El Niño events, more Kuroshio water contributes to the source water of the southeastern Taiwan Strait. Conversely, during La Niña events, less Kuroshio water contributes to the source water.     

利用被动示踪物模拟对黑潮入侵南海的数值研究

由于缺少观测数据和对黑潮水准确定义,很难识别出从太平洋入侵到南海的黑潮水团。本文基于一个经过观测验证的三维模式MITgcm,利用被动示踪物标记黑潮水,研究了入侵南海的黑潮水的时空变化。研究表明,在冬季,黑潮水入侵的范围最广,几乎占据了18°N-23°N和114°E-121°E的区域;并有一个分支进入台湾海峡;黑潮入侵的范围随深度增加逐渐减小。在夏季,黑潮水被限制在118°E以东,且没有分支进入台湾海峡;入侵的范围从海面到约205米是增大的,之后随深度增加逐渐减小。通过分析从2003年到2012年黑潮入侵的年际变化,与厄尔尼诺年和正常年相比,冬季黑潮入侵后向台湾海峡的分支在拉尼娜年是最弱的,这可能与中国大陆东南方向的风应力旋度有关。通过吕宋海峡的黑潮入侵通量（KIT）是西向的,其年平均值约为-3.86×10⁶ m³/s,大于吕宋海峡通量（LST,约-3.15×10⁶ m³/s）。250米以上的KIT约占了全深度通量的60-80%。此外,从2003年到2012年KIT与Niño 3.4指数的相关系数到达0.41,小于LST与Niño 3.4指数的相关系数0.78。     

Observations of the North Equatorial Current,Mindanao Current,and Kuroshio current system during the 2006/07 El Niño and 2007/08 La Niña

Two onboard observation campaigns were carried out in the western boundary region of the Philippine Sea in December 2006 and January 2008 during the 2006/07 El Niño and the 2007/08 La Niña to observe the North Equatorial Current (NEC), Mindanao Current (MC), and Kuroshio current system. The NEC and MC measured in late 2006 under El Niño conditions were stronger than those measured during early 2008 under La Niña conditions. The opposite was true for the current speed of the Kuroshio, which was stronger in early 2008 than in late 2006. The increase in dynamic height around 8°N, 130°E from December 2006 to January 2008 resulted in a weakening of the NEC and MC. Local wind variability in this region did not appear to contribute to changes in the current system.     

2011年西北太平洋海平面异常及其与拉尼娜和负印度洋偶极子的联系

西北太平洋海平面异常模态在纯拉尼娜事件与拉尼娜和负印度洋偶极子（IOD）事件同时发生时表现出完全不同的形态。在纯拉尼娜事件期间，西北太平洋海平面呈现显著的正异常；而2010/2011拉尼娜事件期间西北太平洋海平面明显降低，呈显著的负异常，其与印度洋负IOD事件密切相关。研究结果表明，负IOD事件能在热带西太平洋驱动显著的西风异常，由此减弱了拉尼娜峰值期间西北太平洋海平面正异常。同时，在负IOD峰值期的9月，在日经线附近存在显著的风应力旋度正异常，激发负的海平面异常以Rossby波的形式向西传播，并在第二年6月抵达菲律宾以东海域，维持并加强该海域海平面负异常，进而对北赤道流分叉点位置及输运产生重要的影响。