日本南部黑潮与黑潮延伸体路径状态关联性的定量分析

日本南部黑潮存在多种路径模态:近岸非大弯曲路径、离岸非大弯曲路径和大弯曲路径。黑潮延伸体的路径存在两种典型模态:收缩态和伸展态。从地理位置看, 日本南部黑潮和黑潮延伸体是相邻的, 但它们的路径状态是否存在关联一直存在争议。本文基于卫星观测的海表高度资料和长期的海洋高分辨率再分析资料, 对日本南部黑潮和黑潮延伸体路径状态之间的关联性进行定量分析, 结果表明:日本南部黑潮和黑潮延伸体的路径状态存在一定的关联。当日本南部黑潮处于近岸非大弯曲和大弯曲路径时, 黑潮延伸体主要处于伸展态; 当日本南部黑潮处于离岸非大弯曲时, 黑潮延伸体处于伸展态和收缩态的比例相当。进一步分析表明, 黑潮流轴处于伊豆海脊的位置部分决定了上述关系, 可能存在其他因素调制了两者的关联性。     

三次黑潮大弯曲形成机制的分析

通过对HYbrid Coordinate Ocean Model(HYCOM)高分辨率海洋环流模式(1/12°)数值模拟结果的分析发现,该模式对1993—2003年的模拟结果出现了3次显著的黑潮大弯曲现象。研究表明,日本以南这3次黑潮大弯曲路径的形成与2种机制有关:沿30°N西传的海洋Rossby波将太平洋145°E附近海面高度正异常信号传到九州岛东南海域是第二次黑潮大弯曲的主要形成机制;而冲绳海槽北部海水的位势涡度负异常则有利于九州岛东南反气旋再循环流海域海面高度正异常,有助于第一次和第三次黑潮大弯曲路径的形成。     

日本南部黑潮路径发生弯曲的最优前期征兆及其发展机制

基于正压出入流模式, 利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法研究初始异常的位置与模态对日本南部黑潮路径变异的影响。以模式模拟出的黑潮平直路径的平衡态作为参考态, 计算CNOP, 考察该扰动随时间的发展, 并与随机扰动的发展进行对比。结果表明, CNOP 能够导致黑潮弯曲路径发生, 随机扰动则不能。因此, CNOP 可以作为导致日本南部黑潮路径发生弯曲的一种最优前期征兆。通过分析CNOP 和随机扰动的发展过程, 可以得出: (1) CNOP 使黑潮发展成弯曲路径的过程是一个气旋涡向下游传播并增长的过程。(2) 气旋涡的向东传播都是非线性项的作用, 也就是涡度平流造成的。(3) CNOP和随机扰动发展过程中所产生的气旋涡均会传播到下游区域, 但是CNOP 产生的气旋涡能够增强, 最终导致弯曲路径发生, 而随机扰动产生的气旋涡则会减弱, 并不能导致弯曲路径发生。分析发现, 在CNOP 实验中, 非线性作用使气旋涡增大; 但在随机扰动实验中, 非线性作用使气旋涡减弱, 所以非线性作用对日本南部黑潮路径发生弯曲有重要影响。(4) 底摩擦效应对日本南部黑潮路径变异影响较小。本文揭示的黑潮路径发生弯曲的最优前期征兆及其非线性发展机制, 对提高黑潮路径变异的预报技巧具有重要意义。     

POM模式在日本南部黑潮路径变异研究中的应用

日本南部黑潮路径变异对北太平洋地区的气候和环境具有显著的影响,对黑潮路径变异的研究具有重要的意义。本文利用POM(Princeton Ocean Model)数值模式模拟了日本南部黑潮的路径变异情况,分析了黑潮大弯曲路径形成的可能机制。研究结果表明,当黑潮处于非大弯曲路径时,相对位势涡度的平均值呈现递减趋势,说明日本南部低位势涡度水在不断积累,这样会使得四国再循环流的强度增强,迫使黑潮保持平直路径,同时,近岸黑潮垂直流速剪切增大,斜压不稳定性的作用也逐渐增大;当黑潮从非大弯曲路径向大弯曲路径过渡时,再循环流强度的减弱会导致黑潮的流速剪切减小。根据海表高度异常场以及海洋上层流场信息发现,近岸黑潮附近的气旋涡会随着再循环流区域反气旋涡的东侧向南运动,最终导致黑潮大弯曲的发生。分析涡流的能量,结果显示,黑潮大弯曲路径的形成与斜压不稳定性密切相关。     

逆方法最优解确定九州近海流速、流量

日本以南海域的调查研究,过去已有不少报道[1~3].众所周知,东海黑潮、西太平洋水和九州沿岸水在九州附近海域交汇,近年来,这里一直是中日黑潮合作调查研究[4]的重点海区之一这些工作显示,日本以南海域的基本特征表现为黑潮路径的大弯曲及其伴生的大冷水团和黑潮两侧中尸度涡的消长过程等等,同时表明确定该海区的流速、流量是探讨以上特征的主要内容之一以往多数作者是采用动力计算方法来确定黑潮相对流速、流量.大家知道,动力计算在不同的参考零面下所得的结果是不同的,这在黑潮强流区表现得尤为明显[5].     

基于自组织映射的日本南部黑潮与黑潮延伸体的典型时空模态及其因果关系研究

过去的研究认为,黑潮延伸体的年代际振荡受来自其下游的太平洋年代际振荡（PDO）相关联的信号主导,但最近的观测表明这种调控机制在2017年9月之后不再成立。与此同时,黑潮延伸体的上游即日本南部黑潮正在发生一次大弯曲事件。利用26年（1993–2018年）的卫星高度计提供的海表高度距平数据和自组织映射（SOM）方法,本文研究了日本南部黑潮与黑潮延伸体的时空模态及其因果关系。结果表明,SOM能有效地提取两个海区的典型空间模态,且它们的演变轨迹表明当日本南部黑潮处于大弯曲（离岸型非大弯曲）路径时,黑潮延伸体趋于稳定（不稳定）态。基于SOM识别得到的海表面高度距平（SLA）特征区及特征时间模态,我们进一步利用一种最近发展的定量因果分析方法研究了两个流系之间的因果关系。研究发现,当黑潮大弯曲发生时,日本南部黑潮和黑潮延伸体之间存在双向因果,但因果关键区不同。前者对后者的影响集中在纪伊半岛东南侧及黑潮延伸体“两脊一槽”区域,而后者对前者的影响则集中在黑潮延伸体“两脊一槽”区域及黑潮再循环流区域。这说明黑潮大弯曲的发展对黑潮延伸体的稳定性有重要作用,同时黑潮延伸体通过调制南部再循环流影响日本南部黑潮的路径。不同的是,当离岸型非大弯曲路径发生时,只有从日本南部黑潮向黑潮延伸体的单向因果关系,且因果性主要集中在伊豆海脊及再循环流区域。这与该时期海表高度负异常沿日本南岸不断向位于下游的黑潮延伸体再循环流的传播有关,它使得黑潮延伸体变得不稳定。     

高度计资料监测日本以南黑潮主轴特性的变化

应用1993年至2001年TOPEX／Poseidon(以下简写为T／P)卫星高度计3条下行轨道的沿轨资料，计算分析了日本以南黑潮主轴的摆动特性，发现在1993年和2000—2001年010轨道上有2次空间尺度较大、持续时间较长的弯曲。黑潮处于平直路径时流速比较大；呈稳定弯曲状态时流速与多年平均值相差不大；而黑潮在两种稳态之间转换时，伴随着流速负距平的出现。     

黑潮大弯曲内(左)侧的温度锋

本文按多年平均,强型大弯曲和弱型大弯曲三种情况,分别对黑潮大弯曲内(左)侧的温度锋作了探讨.主要结果:(1)日本以南海域黑潮流轴内侧存在着明显的呈带状分布的温度锋.当黑潮发生大弯曲时,温度锋也出现 U 字型弯曲.锋宽10～20n mile,强度0.1～0.2℃/n mile,锋长285～442n mile.该锋随黑潮流轴的摆动而产生变异,季节性差异明显.(2)强型大弯曲和弱型大弯曲期间,温度锋的位置明显不同:前者位置偏南、偏西;后者偏北、偏东.(3)温度锋大致位于50～500m 水层内.冬季,温度锋下沉,其余三季上浮.随着深度的增加,锋面有明显的向右(南)倾斜移动现象。     

东海黑潮流轴的变化及日本以南黑潮大弯曲同青岛降水量的关系

本文在前人工作的基础上,通过对30年(1954—1984年)以来水文资料的分析,找出东海黑潮的变异与青岛的降水及其与日本以南黑潮出现大弯曲之间的关系,得到了一些有意义的结果。     

台湾以东黑潮深层流的途径——1940年2—3月观测结果的分析

本文根据日本“Komahashi”号调查船1940年2—3月的深海观测资料,从温度和动力高度的分布探讨了台湾以东黑潮深层流的途径。结果表明,在兰屿以东附近区域存在着一个尺度约为100×200km的气旋式(冷)涡旋。沿台湾东南北上的黑潮途径,约从200 m层起,随着深度的增加,绕冷涡作气旋式弯曲,主流不再径直北上,而逐渐转向东—东南。这主要是由于深层水北流时受到台湾东北方海脊的阻塞作用所致。这次台湾以东黑潮所出现的弯曲和冷涡,虽其尺度较小,强度亦弱,但其时间落在日本以南黑潮出现大弯曲和冷水团的期内(1934—1944),这两者是否存在着内在联系,值得研究。     

中国近海及其附近海域若干涡旋研究综述Ⅱ.东海和琉球群岛以东海域

综述东海和琉球群岛以东海域若干气旋型和反气旋型涡旋的研究.对东海陆架、200m以浅海域,主要讨论了东海西南部反气旋涡、济州岛西南气旋式涡和长江口东北气旋式冷涡.东海两侧和陆坡附近出现了各种不同尺度的涡旋,其动力原因之一是与东海黑潮弯曲现象有很大关系,其次也与地形、琉球群岛存在等有关.东海黑潮有两种类型弯曲:黑潮锋弯曲和黑潮路径弯曲.黑潮第一种弯曲出现了锋面涡旋,评述了锋面涡旋的存在时间尺度与空间尺度和结构等;也指出了黑潮第二种弯曲,即路径弯曲时在其两侧出现了中尺度气旋式和反气旋涡,讨论了它们的变化的特性.特别讨论了冲绳北段黑潮弯曲路径和中尺度涡的相互作用,着重指出,当气旋式涡在冲绳海槽北段成长,并充分地发展,其周期约在1~3个月时,它的空间尺度成长到约为200km(此尺度相当于冲绳海槽的纬向尺度)时,黑潮路径从北段转移到南段.也分析了东海黑潮流量和其附近中尺度涡的相互作用.最后指出在琉球群岛以东、以南海域,经常出现各种不同的中尺度反气旋式和气旋式涡,讨论了它们在时间与空间尺度上变化的特征.     

西北太平洋黑潮路径变化与柔鱼CPUE的关系研究

利用西北太平洋长时间序列SST、黑潮路径、柔鱼渔获量数据,基于GIS技术分析了黑潮路径类型变化和离岸摆动及其对柔鱼CPUE的影响。分析结果表明,1990—2003年,黑潮弯曲发生的月份数占82％,其中整月发生弯曲的月份数占47％,共发生2次大弯曲、2次准弯曲、5次小弯曲。柔鱼年CPUE,在黑潮发生准弯曲年份最高,黑潮发生小弯曲年份较高,黑潮发生大弯曲年份和平直年份较低,黑潮大弯曲发生的强盛年份最低。柔鱼月CPUE高值时段,多是黑潮发生弯曲时段,且主要是C型弯曲。连续3月以上出现月CPUE高值段,黑潮路径模式是C型弯曲和平直路径交替出现。3天CPUE的高值时段,黑潮弯曲型的频次远高于平直型;较高值时段,黑潮弯曲型的频次稍高于平直型;中值时段,黑潮平直型频次稍高于弯曲型;较低值时段,黑潮平直型高于弯曲型;低值时段,黑潮平直型远高于弯曲型。     

Argos漂流浮标的若干观测结果

表层漂流浮标是一种利用Argos卫星系统定位与传送数据的海洋观测设备,它可以利用Lagrangian法则连续观测表层海流及表层水温。文章利用近年在南海和西太平洋投放的部分卫星跟踪表层漂流浮标所取得的观测资料,分析观测海域的表层海流特征及其漂移路径上的温度变化,得出以下结果。(1)由浮标的漂移轨迹看出,黑潮表层流路年际变异相当大。(2)2003年1月,黑潮表层水有入侵南海的趋势,似无西北太平洋表层水深入南海的迹象;夏季南海表层水由南海流出经吕宋海峡汇入黑潮主干。(3)秋季台湾东北海区存在一个强反气旋涡,空间尺度约270km。(4)黑潮主干在秋末冬初经过东海时明显呈弯曲流动,并形成许多小尺度的气旋式涡。(5)在九州西南海域,黑潮表层流并无分支北上进入对马暖流区。(6)2003年春季,黑潮在日本以南的弯曲不明显,并伴随有冷、暖涡产生,暖涡的强度和空间尺度都要比冷涡大得多。(7)由漂流浮标观测得到的的表层海水的温度分布明显呈日变化和季节变化的特征。在浮标漂移路径呈反气旋或气旋式转动的区域,表层水温对应出现高或低温区;但出现在台湾以东的低温区则与此时期的台风过境有关。     

模式参数的不确定性对日本南部黑潮大弯曲路径预报的影响

基于1.5层浅水方程模式,利用条件非线性最优参数扰动(CNOP-P)方法,研究模式参数的不确定性对黑潮大弯曲路径预报的影响。研究表明,单个模式参数误差如侧向摩擦系数误差、界面摩擦系数误差以及在不同季节具有不同约束的风应力大小误差,对黑潮大弯曲路径预报的影响较小,并且对背景流场的选取具有一定的敏感性;所有模式参数误差同时存在时对黑潮大弯曲路径预报具有一定的影响,并且预报结果在9个月左右不能被接受。因此,要提高黑潮大弯曲路径的预报技巧,模式中的参数需要给出更好的估计。     

Argos表面漂流浮标在黑潮区的若干观测结果

利用近几年国家海洋局第二海洋研究所及国家海洋技术中心在南海和西北太平洋海域布放的部分卫星跟踪表面漂流浮标所取得的观测资料,分析了浮标流经海域的表层海流特征及浮标漂移路径上水温的变化。结果表明:2003年1月,黑潮表层水有入侵南海的趋势,夏季南海表层水经吕宋海峡流出,汇入黑潮主干;夏末冬初,黑潮主干经过东海时明显呈弯曲流动;2003年春季,日本以南海域黑潮弯曲不明显;台湾东北部海域存在一个强反气旋涡;表层海水的温度日变化和季节变化明显,在浮标漂移路径呈反气旋或气旋式转动的区域,对应出现了表层水温的高、低温区。     

黑潮的涡分辨率数值模拟

本文利用涡分辨率的HYCOM模式,以NCEP月平均再分析资料(1979—1993)为驱动场,并采用单向数值嵌套的方式对黑潮流域进行数值模拟,成功模拟了黑潮流域的高分辨率流场特征。模拟结果显示:黑潮路径符合前人对黑潮的认识;在地形和流量的共同作用下,黑潮对吕宋海峡的入侵呈现多平衡态的特征;日本以南的黑潮路径发生多种时间尺度的摆动(从季节内到年际)。黑潮在PN断面上流速跟同期观测十分相符,流轴集中在陆架破折处,季节变化较弱。台湾岛以东黑潮,东海黑潮以及吐噶喇海峡黑潮的流量符合对应时期观测,并且各自呈现出不同的变化特点。     

源区黑潮研究进展

黑潮(Kuroshio)作为太平洋上一支强大的西边界流,起源于菲律宾以东海域,经吕宋海峡,从台湾以东进入东海,穿越吐噶喇海峽进入日本以南海域、最后汇入北太平洋环流。 本文作者所指源区是从菲律宾的吕宋岛以东至我国台湾岛以东之间,在此区域黑潮流经吕宋海峽,流态发生显著变化,是近几年来各国学者研究的重点。关于菲律宾以东黑潮的研究较少,作者重点阐述吕宋海峡处和台湾以东黑潮的研究进展。     

用Geosat高度计数据观测黑潮流系的低频变化Ⅱ.季节及年际变化分析

本文利用由Geosat卫星高度计ERMT2-GDRs共2.3a数据得到的海面高度异常时间序列对黑潮流系的变化作进一步分析。季节平均的海面高度异常表明,黑潮延伸体与黑潮大弯曲之间有相互关联的变化关系。黑潮两侧相对水位差可以表示流量的相对变化特征,对7个断面相对流量分析得出黑潮延伸体及日本以南黑潮流量有较强的季节变化特征,吐噶喇海峡以东与台湾省东北黑潮流量年际变化具有相同相位,黑潮出现大弯曲时流量减少,而东海断面流量在大弯曲出现时增强,菲律宾以东黑潮流量在ENSO期间减弱,ENSO消失后增强,对50个时间序列的海面高度异常场进行了EOF分析,得到前三个EOF分量分别占总方差的25.3%、17.1%和13.7%,分别代表黑潮弯曲模态、ENSO模态及季节变化模态。季节变化特征在秋冬之交出现正异常最大,春夏之交出现负异常最大,这种变化规律与东亚季风有关。     

东中国海HYCOM模式垂向坐标对比研究

基于挪威南森环境遥感中心改进的NERSC-HYCOM 模式, 利用单向嵌套技术与欧洲中心提供的2008 年ERA-I 高分辨率强迫场针对东中国海及其邻近海区进行了不同垂向坐标配置的四个敏感性试验。通过分析东中国海区域的温度、盐度, 流速的分布和变化, 探讨了HYCOM 模式中不同垂向坐标设置对东中国海近岸区域的影响以及黑潮流速及路径对不同坐标设置的响应, 期望对HYCOM 模式更深入的研究提供参考。结果表明: (1)在东中国海区上层并不适于采用等密度坐标方案, 也就是说应该采用z坐标或σ坐标用以表征此处混合层的季节性变化特征; (2)针对东海大陆架区给出了10 个位置上的模式与浮标观测资料的温、盐平均误差(ME)、均方根差(RMS)及相关系数(R)指标, 发现对于不同区域, 每种试验的适用性都不同; (3)使用高频资料时, 模拟的流速普遍偏高, 东海黑潮冬夏路径的异同指出了σ-z-iso 与z-iso 试验模拟效果较好, 但模拟的日本岛南岸的弯曲流场位置偏南; 而z-only 试验模拟的日本岛以南的黑潮路径是有所改观的, z坐标的分辨率对表层的黑潮路径影响很大; σ-only 试验模拟的整个黑潮路径的效果最差。     

1986—1988年黑潮的变异

对1986—1988年“向阳红09”号5个航次的黑潮调查及日本资料进行了分析,结果指出,这一期间黑潮又发生一次大弯曲现象。本文讨论了这次大弯曲的形成、强盛、衰消过程,认为东海PN断面的流量变异与黑潮大弯曲有一定联系,还对黑潮流量及流轴摆动均作了最大熵谱分析,获得其主要周期。