吕宋海峡水交换季节和年际变化特征的数值模拟研究

利用ROMS(Regional Ocean Modeling System)建立了一套覆盖西北太平洋的涡尺度分辨率环流模型,并对吕宋海峡附近的环流进行了模拟研究。结果表明,吕宋海峡120.75°E断面净流量季节变化显著,全年均为西向输运,6月份达到最小,为0.40×106 m3/s,然后逐渐增大,在12月份达到最大,为6.14×106 m3/s,全年平均流量为3.04×106 m3/s。在500 m以浅,秋、冬季都有明显的黑潮流套存在,并伴有黑潮分支入侵南海,而春、夏季黑潮南海分支减弱或消失,黑潮入侵不明显。在500 m以深,冬、春季,吕宋海峡以东有非常明显的南向流存在,流速约10 cm/s,而到了夏、秋季该南向流出现明显的减弱,黑潮与南海的水交换主要通过吕宋海峡以北的吕宋海沟进行。在垂向结构上,120.75°E断面浅层呈多流核结构,并且流核的位置和强弱受黑潮的季节性变化影响显著,深层流的季节变化不大。在年际尺度方面,吕宋海峡年际体积输运量异常与Niño3.4滞后6个月相关系数达到41.6%,吕宋海峡水交换与ENSO现象有较为显著的正相关关系,并存在2~3 a和准8 a周期的年际变化。     

基于拉格朗日拟序结构的吕宋海峡表层水交换研究

黑潮通过吕宋海峡入侵南海呈现明显的瞬态特征。以往的研究通常将黑潮在吕宋海峡附近的流态分为几种不同类型。本文基于表层地转流计算得到的有限时间李雅普诺夫指数场（FTLE），展示了拉格朗日视角下的吕宋海峡上层水交换特征。从FTLE场提取的拉格朗日拟序结构（LCSs）很好地识别了吕宋海峡附近的典型流态和旋涡活动。此外，这些LCSs还揭示了吕宋海峡周围复杂的输运路径和流体域，这些特征得到了卫星跟踪浮标轨迹的验证，且从流速场中是无法直接识别的。FTLE场显示，吕宋海峡附近表层水体的输运形态主要可分为四类。其中，黑潮直接向北流动的“跨越”形态和顺时针旋转的“流套”形态的发生频次明显高于直接进入南海的黑潮分支“渗入”形态和南海水流出至太平洋的“外流”形态。本文还进一步分析了黑潮在吕宋海峡处的涡旋脱落事件，突出强调了LCSs在评估涡旋输运方面的重要性。反气旋涡旋的脱落个例表明，这些涡旋主要源自黑潮“流套”，涡旋脱落之前可有效地俘获黑潮水。LCS所指示的输运通道信息有助于预测最终被反气旋涡所挟卷水体在上游的位置。而在气旋涡的形成过程中，LCS的分布特征表明，大部分气旋涡并未与黑潮水的输运路径相连通。因此，气旋涡对从太平洋到南海的上层水交换的贡献较小。     

利用Argos浮标资料对黑潮入侵南海问题的分析

通过对Argos浮标资料的分析,针对黑潮能否在吕宋海峡入侵南海的问题进行了研究,结果表明:黑潮由吕宋海峡入侵南海主要发生在秋、冬两季,春、夏季基本上不发生。而入侵主要是以流的形式传入,秋季少量的入侵水会有分支沿台湾海峡北上,冬季黑潮自吕宋海峡入侵南海后向西进入南海腹部。并对其季节变化原因作了初步讨论,该区域风应力和黑潮流量的季节性变化可能是重要原因。     

黑潮在吕宋海峡的形变及动力机制

根据１９９０年以来对吕宋海峡和中国南海（ＳＣＳ）北部的ＷＯＣＥ水文资料和其它海洋调查资料的分析，以及对同一海区的卫星遥测海表温度（ＳＳＴ）的资料处理，推断在吕宋海峡常年存在黑潮路径弯曲，西折进入ＳＣＳ并又流出ＳＣＳ的现象，作者将黑潮的这种变形称为“黑潮流套”。黑潮变形进入ＳＣＳ的位置在冬季位于海峡中部、南部附近，范围较大；在夏季略向北移，较集中于海峡中部，范围较小。作者认为，黑潮流套现象可用位涡守恒理论作定性的解释：当黑潮在吕宋海峡失去西边界支持后，其流轴以西贴近西边界的一部分流体，因具有较大的相对正涡度，会脱离黑潮主体在南海东北部形成反时针旋转或顺时针旋转的环流，而黑潮主体会以顺时针旋转的形式在海峡以西的海域出现。整个黑潮以弯曲、扩展的形式在海峡处产生形变，在海峡东侧出现反气旋涡旋的倾向。吕宋海峡黑潮流套及南海北部的诱生环流之流型，会因黑潮本身以及副热带环流整体的变化而变化，也与海峡的宽度有关。总之，吕宋海峡黑潮流套的形成是由当地特殊的地形条件和地转β效应这些内部机制决定的，它的常年存在有其必然性     

西北太平洋反气旋涡的Argos浮标观测结果分析

结合卫星高度计异常资料和2003年10月上旬投放在西北太平洋的25个Argos表层漂流浮标资料,分析观测海域的中尺度涡特征及浮标漂移路径上的温度和流速变化,结果表明:(1)7个浮标受强劲的黑潮流影响直接进入台湾岛以东黑潮表层的主流轴;(2)16个浮标在反气旋涡内旋转,并随中尺度涡向西运动,到达黑潮的东边界,由于中尺度涡旋的消亡,浮标脱离其影响后由黑潮带动向东海运动,浮标的移动轨迹呈螺线型;(3)仅有2个浮标在(123°E、20°N)附近通过吕宋海峡进入南海,且41490号浮标受台湾岛西南外海反气旋涡的影响作了2周旋转后再进入南海。比较分析表明,黑潮在冬季应该存在入侵南海的分支,但浮标能否顺利进入南海受多种随机因素控制,如风生流、潮流和波浪等。另外,西北太平洋向西传播的中尺度涡难以越过强劲的黑潮流屏障继续向西传播通过吕宋海峡进入南海。     

吕宋海峡水交换季节变化的数值研究

提要利用POM(Princeton Ocean Model)对吕宋海峡附近的环流情况进行数值模拟,结果表明,吕宋海峡净流量季节变化明显,除5月和6月为东向净流外,全年自7月至翌年4月皆为西向净流。7月至11月净流量由1.6Sv(1Sv=1×106m3/s)持续增加至14Sv,12月至翌年4月净流量从13.8Sv持续减小至3.1Sv。年平均值为5.7Sv。500m以上,秋、冬季有明显的黑潮分支进入南海,而在春、夏季黑潮南海分支消失或者较弱。在500m以下,黑潮位置由于北赤道流分岔位置的变化而发生南北移动,从而影响黑潮深层入侵南海。作者以保持与表层流速方向相一致的最大深度为界将流场分为上下两层,上层西向(入)流区域占据吕宋海峡南部、中部,秋、冬季范围最大,夏季向中部收缩,其深度空间分布呈东浅西深结构,在吕宋海峡入口处,入流深度呈南北浅中间深的结构。上层东向(出)流主要分布在海峡北部,夏季向南部扩展,范围最大。120.75°E断面除9月和10月外,下层净输运量与上层反方向。9月和10月上、下层净输运量皆为西向。上层年平均净流量为?7.6Sv(这里"?"表示净流量向西,下同),下层为1.8Sv。上层出入流深度随季节上下浮动范围可达数百米,海峡中部入、出流最深可达1800m。     

冬季南海表层黑潮的入侵形式以及相关风场的影响

利用业务化海表面温度和海冰分析系统的海表面温度(SST)数据,分析了十年间(2008—2017年)冬季南海的表层黑潮入侵,可将南海表层黑潮的入侵可分为西向入侵型和西北向入侵型两种方式。利用经验正交函数对SST场和海表面风场进行分解,发现可用SST场第二模态时间系数来表征黑潮入侵形式的年际变化趋势,用风场的第二模态时间系数表征风向的变化。通过Ekman流场分析发现吕宋海峡南部海域风向的年际变化与冬季表层黑潮入侵形式的年际变化存在着密切联系,但这个风向的改变并非是影响表层黑潮入侵形式的唯一因素。     

挟带黑潮高盐水的中尺度涡在南海北部的时空特征

吕宋海峡处涡致输运显著影响南海北部的热盐平衡。本文利用1993—2018年间的AVISO卫星数据,识别和筛选了南海北部76个黑潮脱落反气旋涡、46个黑潮伴生气旋涡、29个南海局地反气旋涡和40个南海局地气旋涡。分析发现,四类涡旋的平均非线性系数均远大于1,证实了筛选涡旋具有黑潮高盐水输运能力。涡旋传播路径受南海北部地形影响,在西向传播过程中向西南向偏移。相较于气旋涡,反气旋涡形成之后向南海北部移动了更远的距离。涡旋多形成于吕宋海峡中部,而随着纬度的升高或降低,形成概率逐渐减小。脱落(伴生)涡旋多形成于秋冬两季而夏季最少,以反气旋涡居多,平均每月反气旋涡要比气旋涡多2.5个;年平均脱落(伴生)涡旋数目约为4.6,且气旋涡并不是每年都形成。整体上,El Ni?o事件通过影响黑潮路径而使得黑潮脱落或伴生的涡旋数目增多。     

吕宋海峡流场季节变化的数值模拟

基于海洋模式HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model),利用大小区嵌套技术,分别对全球海洋和西北太平洋进行了网格嵌套数值模拟,研究了吕宋海峡海域环流场的季节性变化。考虑全球海洋环流影响的西北太平洋模式,成功地刻画了黑潮的流结构及季节变化。吕宋海峡海洋环流流场在不同深度处差异较大,存在着明显的季节变化。黑潮入侵南海主要发生在500m深度以上,冬季最明显,夏秋两季不明显。在500m层常年存在一支南海暖流流入西北太平洋,在800m层南海暖流消失。一年四季黑潮主要通过吕宋海峡的南部和中部进入南海。1 000m层流场表明,黑潮主要通过吕宋海峡的中部入侵南海。在800~1 000m处主要是黑潮水流入南海。     

ADCP观测得到的2008年4月吕宋海峡流速剖面结构

基于2008年4月22—26日吕宋海峡调查航次的下放式声学多普勒流速剖面仪(LADCP)和船载ADCP(SADCP)等观测资料,并采用潮波模式模拟结果去除潮流对观测资料的影响,观测结果表明:调查期间黑潮入侵南海的位置与1992年春季比较接近,其分支位于调查海区中部C2、C7、C8和C9站,表层黑潮在C8站分离为两支,分别流向C9和C2站,C9站北向流明显比C8站减弱。在C2站,黑潮分支位于400m层以浅,其最大西向流速为77cm/s,而在C7、C8和C9站黑潮分支位于500m层以浅,黑潮在入侵南海的过程中其核心深度逐渐变浅。上层黑潮明显作反气旋弯曲。本调查航次的观测结果在定性上支持吕宋海峡水交换有"三明治"垂直结构的特性。     

Optimal estimation of absolute geostrophic velocity field in vicinity of the Luzon Strait using variational data assimilation technique

A P - vector method is optimized using the variational data assimilation technique(VDAT). The absolute geostrophic velocity fields in the vicinity of the Luzon Strait (LS) are calculated, the spatial structures and seasonal variations of the absolute geostrophic velocity field are investigated. Our results show that the Kuroshio enters the South China Sea (SCS) in the south and middle of the Luzon Strait and flows out in the north, so the Kuroshio makes a slight clockwise curve in the Luzon Strait, and the curve is strong in winter and weak in summer. During the winter, a westward current appears in the surface, and locates at the west of the Luzon Strait. It is the north part of a cyclonic gyre which exits in the northeast of the SCS; an anti-cyclonic gyre occurs on the intermediate level, and it exits in the northeast of the SCS, and an eastward current exits in the southeast of the anti-cyclonic gyre.     

南海表层流场的卫星跟踪浮标观测结果分析

运用卫星跟踪漂移浮标资料分析南海表层海流 ,研究了有关海域的表层海流特征。结果表明 ,秋、冬季入侵南海的黑潮水有一小部分沿台湾南岸折回黑潮主干 ,并有时在台湾西南外海形成反气旋涡旋 ,其余大部分黑潮水西行进入南海内部。吕宋岛西部沿岸流始于 1 3°N以南 ,沿菲律宾西海岸北上抵达吕宋岛西北角 ,与黑潮水混合后西行     

Different roles of Ekman pumping in the west and east segments of the South China Sea Warm Current

A three-dimensional model is used to investigate the mechanism of the South China Sea (SCS) winter counter-current (also known as the SCS Warm Current,or the SCSWC),which flows against the wind.The model can reproduce the structure of the band-like currents over the northern shelf of the SCS,including the westward coastal current and slop current,and the SCSWC sandwiched in between.Sensitivity experiments are designed to understand the different roles of Ekman pumping of the SCSWC at different longitude.The results show that the Ekman pumping drives the SCSWC in the west segment.In the east,it is not the Ekman pumping but the intrusion of the Kuroshio that drives the SCSWC.     

基于1987-2010年实测资料对PN断面东海黑潮季节变化的分析

As the spatio-temporal variability of the Kuroshio is highly influenced by mesoscale eddies, representing its seasonal variability characteristics requires sufficiently long term observations to reduce...     

Seasonal characteristics and forcing mechanisms of the surface Kuroshio branch intrusion into the South China Sea

Using observational data of Argos satellite-tracked drifters from 1988 to 2012, we analyzed seasonal characteristics of the surface Kuroshio branch(KB) intrusion into the South China Sea(SCS). The analysis results are as follows.The surface KB originates from the southern Balintang Channel(BLTC) and Babuyan Channel(BBYC). It begins in late September, reaches peak strength in November–December, and declines at the end of March. The mean speed of drifters along the KB path during their traverse of the Luzon Strait(LS) was 43% faster than during the two days before entering the LS for the flow originating from the southern BLTC, but there was a 24% increase in speed for the flow from the BBYC. The observations show that in winter, monthly-mean sea-level anomalies(SLAs) were positive southwest of Taiwan Island and extended to the northern LS. The SLAs were negative northwest of Luzon Island and extended to the southern LS, which acted like a pump, forcing a part of Kuroshio water westward into the SCS. The condition under which the KB forms was solved by a set of simplified motion equations. The results indicate that whether the KB can form depends upon the sea-level gradient at the central LS and region to the west, as well as the location, speed and direction of Kuroshio surface water when it enters the LS.     

南海环流动力机制研究综述

南海的环流复杂,但通过近20 a来的研究工作,国内外学者对此已取得了不少的成果.本文就南海环流框架性的问题,综述了有关的文献,认为对南海上层海洋三方面的环流分量的驱动机制已有了初步的认识.这三方面分别是:(1)准季节性风场;(2)黑潮向南海的净输运;(3)黑潮向南海的涡度平流输送.但是对这些驱动的时空变化仍相当不清楚.三者皆增强了南海北部的海盆尺度气旋式环流,其强化的西南向西边界流靠近东沙群岛,建议称为“东沙海流”.没有水文证据显示黑潮水是以分支形式进入南海,其向南海的输运也不可能主要通过中尺度涡过程,具体机制有待研究.每年在南海生成的中尺度涡平均约有10个,风场与沿岸地形所生成的强风应力旋度可能是其主要的驱动机制.作为框架性的认识,也有三方面的工作进行得较少,即:(1)吕宋海峡的上层水交换;(2)南海的中尺度涡生成机制,虽然强风应力旋度及前述的第三种环流驱动机制也有中尺度涡伴生;(3)自吕宋海峡进入的深层水对南海上层海洋环流的影响.     

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。     

三维斜压模式对冬季南海环流的数值计算

用一个三维、自由表面、原始方程模式对南海环流进行了计算.计算结果表明:黑潮在巴士海峡以西呈一反气旋弯曲流动路径,有一相对高温高盐的水舌从巴士海峡伸入南海,表明有部分黑潮水侵入南海.冬季南海的一些观测事实在模式结果里得到了很好的反映,像冬季逆风向东北方向流动的“南海暖流”和一些中尺度涡旋.同时还分析了巴士海峡沿120.75°E断面的流速和盐度的垂直结构,并同观测结果进行了比较.根据模式结果,我们还进一步讨论了“南海暖流”的形成和驱动机制.     

Variability of the Kuroshio in the East China Sea in 1993 and 1994

INTRODUCTIONTherearemanyworksabouttheKuroshioVTintheEastChinaSeaanditsseasonalvariabil*ThisprojectwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChinaundercontractNo.49776287.1.SecondinstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Hangzhou310012,Chinaity(Guan,1988;Nishizawaetal.,1982;SunandKaneko,1993;Yuanetal.,1990,1993,1994,1995).Thecomputationmethodusedtobethedynamicmethod(Guan,1988;Nishizawaetal.,1982;SunandKaneko,1993),butrecentlytheinverseandthemodifiedinversemetho…