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。     

吕宋海峡黑潮脱落涡旋的特征分析

涡旋脱落在西太平洋和南海的海水属性交换中起到重要作用。为研究吕宋海峡附近海域由黑潮脱落并进入南海的涡旋特征,本文采用1993—2014年法国空间局(AVISO)多卫星融合海面高度距平(SLA)和绝对动力地形(ADT)全球网格化延时数据,美国国家海洋数据中心(NODC)的WOA13年平均温盐剖面气候数据,以及1993—2010年SODA2.2.4月平均海洋同化数据集,并分析了黑潮脱落涡旋与大尺度环流的关系。结果表明:(1)暖涡脱落数量远多于冷涡数量,且脱落的冷涡绝大部分在黑潮西侧边缘生成,而脱落的暖涡则大部分在黑潮控制区生成。(2)冷涡、暖涡脱落时的平均半径、平均振幅相近,但是冷涡的平均生命、平均迁移距离约为暖涡的一半。(3)冷涡不是每年都有脱落,主要在冬季脱落;暖涡则每年均有脱落,主要发生在秋季。(4)脱落涡旋数量与脱落时的黑潮路径类型相关。(5)脱落涡旋的平均西行速度为5.8cm/s,与斜压第一模态长Rossby波波速及大尺度环流的西向平流流速之和相近。     

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     

中尺度涡旋影响吕宋海峡黑潮变异的动力机制

使用1.5层约化重力准地转模式,研究了西边界流在西边界缺口处当处于迟滞过程的临界状态时,其路径转变受中尺度涡旋影响的动力机制,初步探讨了中尺度涡旋影响西边界流在缺口处路径变化的几种形式.结果表明,气旋和反气旋中尺度涡旋都可能使西边界流产生由入侵流态到跨隙流态的转变,而只有反气旋式中尺度涡才有可能诱发西边界流由跨隙流态向入侵流态的转变.当西边界流远离其临界状态时,其路径不容易受中尺度涡旋的影响,此时跨隙的西边界流会阻挡中尺度涡旋在缺口处的向西传播,并迫使涡旋在吕宋海峡东侧向北移动.以上结果用来解释了吕宋海峡黑潮变异的某些结构特征.     

基于海洋模式数据的吕宋海峡输运量和菲律宾黑潮流量关系的分析

利用全球涡分辨率海洋环流模式OFES的60年(1950—2009)输出资料,用流速资料计算了吕宋岛东侧18°N断面黑潮上游流量(Kuroshio Transport,KT)和120.5°E断面吕宋海峡输运量(Luzon Strait Transport,LST)。研究表明,KT和LST存在四种情况,即:(1)KT大LST小、(2)KT大LST大、(3)KT小LST小和(4)KT小LST大,分别占其总数的34%、11%、13%、42%。合成分析证实:一般情况下,KT大对应黑潮跨越吕宋海峡流态,此时LST较小;KT小时,地转β效应迫使黑潮向西入侵吕宋海峡,此时LST大。然而,吕宋岛东侧和台湾东南沿岸的涡旋常削弱黑潮在吕宋海峡处流量,造成KT大时黑潮亦入侵吕宋海峡,从而出现KT大LST大的情形;太平洋一侧的异常高海表高度诱发吕宋海峡处强地转流,造成KT虽小而黑潮在吕宋海峡处仍是跨越流态,因而LST小。结果表明,LST不仅受KT影响,亦受局地涡旋和海表高度的重要控制。     

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。     

黑潮流轴在吕宋海峡的变化分析

黑潮在流经吕宋海峡时呈现各种时间尺度的流态变化。本文基于高分辨率的区域海洋环流模式(ROMS)输出数据,分析了黑潮主流轴在吕宋海峡附近的变化特征和可能原因。研究结果表明,黑潮流轴在该区域具有明显的年际、季节和季节内变化,其中季节内变化最为强烈;在年际和季节时间尺度上,黑潮流轴在表层主要受局地风驱动的艾克曼漂流的影响,而在次表层则主要由黑潮本身的惯性决定;在季节内时间尺度上,黑潮流轴的变化主要受制于涡旋与黑潮的相互作用。     

吕宋海峡及南海北部海域的水团分析

根据1992年3月和1994年9月台湾海峡两岸科学家对南海北部两次协同调查的CTD资料以及由此计算的重力势资料,对吕宋海峡及南海北部400m以上海水的温盐性质进行分析。结果发现,调查海区基本可划分为两种水团,即黑潮水和南海水。黑潮水主要从吕宋海峡中部和北部进入南海,侵入的黑潮水向西北方向扩展,受到台湾海峡海底地形的阻挡而大部分集中于台湾西南海域,向西的范围基本不超过119°E。虽然两次观测所处的季节不同（分别为春初和夏末）,但黑潮入侵南海的差异并不明显。另外,在二次调查的部分层次上,南海北部陆坡边缘都发现有一团水平尺度约百公里的黑潮性质水。配合重力势的水平分布形式,可以用地转流场的结构解释水团分析的结果。     

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。     

吕宋海峡附近海域海表面高度季节内变化

利用1993～2017年海表面高度异常数据集,分析研究了西北太平洋季节内变化(20～120d)的整体分布特征,结果表明空间上季节内信号在20°N附近海域(16°～24°N)最强,时间上在6～8月达到一年中的最大值。在吕宋海峡东侧(123.875°E,20.125°N)季节内信号周期(70d)和传播速度(10.7～12.7cm/s)均大于吕宋海峡西侧(119.625°E, 20.125°N)(60 d, 6.5～7.8cm/s)。在大洋内部(123°～140°E, 18°～24°N)存在准90d的周期信号,传播速度约10.3cm/s。传播路径受黑潮的影响发生改变,由沿纬度西传转向向西北方向传播。第一斜压Rossby波理论对海表面高度季节内变化的周期和传播速度具有很好的解释性。     

谱松弛动力降尺度方法及其在吕宋海峡黑潮模拟中的应用

本文采用区域高分辨率海洋数值模型,将谱松弛动力降尺度方法应用于吕宋海峡及其邻近区域,对吕宋海峡黑潮流径的流型特征进行模拟与分析。实验结果显示,应用谱松弛法能够较好地改善区域模型的模拟效果：通过约束大尺度误差,不仅能直接约束区域内的大尺度海洋状态,也间接调整了小尺度过程的演变规律,改善了吕宋海峡黑潮流径的模拟效果。     

吕宋海峡黑潮西侧3个气旋涡的三维结构与演变特征

黑潮入侵南海会诱生中尺度涡,对南海与西太平洋物质能量交换起着重要作用。前人对黑潮诱生反气旋涡研究较多,而对气旋涡研究较少,对其三维结构和生消过程也不清楚。利用卫星高度计数据和再分析数据,选取2018～2019年间南海东北部的3个气旋涡(cycloniceddy,CE)CE1、CE2和CE3,研究了其三维结构与演变特征,并初步讨论了其生成机制。研究结果表明:3个气旋涡生成于吕宋海峡西南部黑潮主轴左侧,半径约为47～87km,生成后都向西移动,最长距离可达255km,远小于该区域中尺度涡平均移动距离。气旋涡的最大旋转速度约为0.4～0.6m/s,垂向深度可达1 200～1 600 m。3个气旋涡中心水体上涌,温度异常均为负值,在垂向上呈单核结构,冷核的位置在50～600m处,冷异常最大可达-2°C;中心盐度异常垂向上呈现“正-负-正”的三核结构,分别位于0～100 m、200～400 m和500 m以下深度,低盐异常最大可达-0.26。黑潮锋面的正压不稳定性是气旋涡生成的主要因素,能量从黑潮动能向涡动能转移,是气旋涡生成所需能量的主要来源。     

潮汐对吕宋海峡附近海域环流结构的影响

为了考察潮汐混合效应对吕宋海峡附近海域环流场的影响,本文使用ROMS区域海洋模式,通过无潮实验与有潮实验的对比分析指出,潮汐混合作用可以影响121°E断面上的水交换和120d平均的纬向流速分布;在模拟时段内加入潮汐后,模拟结果中台湾岛西南的反气旋涡强度大幅减弱,贴近黑潮东侧的涡旋强度明显强于无潮实验,证明潮汐作用可以引起吕宋海峡海洋环流场较大的改变,特别对黑潮以"跨隙"路径通过吕宋海峡有贡献。     

黑潮对吕宋海峡全日内潮生成与传播影响的数值模拟研究

基于一套环流-潮汐耦合模型的模拟结果,本文探究并比较了2015—2016年的三种黑潮形态下,吕宋海峡全日内潮以及全日非相干内潮生成与传播的空间分布特征。结果表明,当黑潮以流套形态流经吕宋海峡时,全日内潮非相干性最强,具体表现为全日非相干内潮能量生成最大,全日内潮的传播速度变化率最大。由于传播速度的变化会改变全日内潮的位相,进而会影响全日内潮的非相干性,导致在吕宋海峡内全日内潮的非相干性最强。本研究结果对理解黑潮背景动力过程下吕宋海峡内潮的时空变化有重要意义。     

吕宋海峡海洋环流的基本特征

根据对高分辨率的并行海洋气候模式输出的较长时间序列的海面高度（ＳＳＨ）场的分析,推断在吕宋海峡附近海区常年存在吕宋海峡黑潮流套,该流套出现于吕宋海峡的中部和北部,表现为一个舌状的ＳＳＨ的高值中心自海峡东部的太平洋向西扩展到南海北部,大致到达１１０°Ｅ的位置,但其位置、形状、强度等表现季节变化,年际变化和季节内时间尺度变化的特征。在吕宋海峡东侧的大洋上,经常出现位置和范围时有变化的反气旋涡,与之对应,在ＳＳＨ的月平均经向和纬向剖面上,吕宋海峡东侧的大洋上有永久存在的ＳＳＨ高值中心。另外在１９９５年１～７月期间有一次完整的黑潮流环脱离黑潮主体并在南海北部向西南方向移动的过程。     

吕宋海峡內潮的季节变化特征及其对背景流的响应研究

基于2008年秋季至2009年夏季共9个月的锚定潜标流速资料,分析了吕宋海峡西南內潮的时空特征.谱分析结果显示,该观测点全日內潮和半日內潮较为显著,尤其体现在顺时针旋转部分.除春季第二模态占优外,全日內潮主在其余三个季节均以第一模态为主,而半日內潮呈现变化的多模态结构.此外,全日內潮的动能具有明显的季节差异,冬季能量最强,夏季紧随其后,而在春、秋两季能量最小.通过分析发现,非相干运动对此季节性特征起主要作用,它反映了內潮与背景场的相互作用.然而,半日內潮却没有显著的季节性差异,而且能量较全日內潮更小,尤其在冬季,只有全日內潮动能的三分之一.同时,半日內潮的不规则变化也是与多变的背景场相关的.半日內潮的非相干部分占到了半日內潮总能量的37%左右,而全日內潮更小一些,只有22.2%.     

吕宋海峡西侧海域混合层盐度低频变化特征分析

利用WOD09和Argo剖面资料,结合SODA、OFES、GPCP和WHOI等资料分析了吕宋海峡西侧海域混合层盐度1984—2010年间的长期变化趋势和年代际变化特征,并利用混合层盐度平衡方程探讨了其变化机理。研究结果表明:(1)吕宋海峡西侧海域的盐度整体上呈现下降趋势,线性趋势为-0.020/a;(2)以1999年为界,吕宋海峡西侧海域的盐度在1999年之前为正距平,最大正距平值可达0.14,平均值为0.05,在1999年之后为负距平,最大负距平值为-0.22,平均值为-0.06;(3)影响该海域混合层盐度的长期变化趋势和年代际变化的主要因素为平流作用,特别是黑潮入侵的变化。     

吕宋海峡附近海域水团分布及季节变化特征

利用2003年2月至2009年4月期间在吕宋海峡附近海域由Argo剖面浮标观测的温、盐度资料,对该海域的水团分布及季节变化特征进行了探讨.结果表明,在120.5°-122.75°E、19°-23°N范围内,水团特征介于南海水和北太平洋水之间,而19°N以南区域的水交换并不显著.北太平洋热带水(NPTW)和北太平洋中层水(NPIW)通过吕宋海峡入侵南海的趋势在夏季较弱.秋季,NPTW入侵南海的趋势增强,而到了冬季,受东北季风控制,北太平洋水的入侵程度最强,然而并无NPIW进入南海的迹象.值得指出的是,整年没有发现明显的NPIW进入南海,而南海中层水可以通过海峡流入太平洋,其强度在秋、冬季节达到最大.     

对吕宋海峡深水瀑布的重新认识

On the basis of the latest version of a U.S. Navy generalized digital environment model(GDEM-V3.0) and World Ocean Atlas(WOA13), the hydraulic theory is revisited and applied to the Luzon Strait, providing a fresh look at the deepwater overflow there. The result reveals that:(1) the persistent density difference between two sides of the Luzon Strait sustains an all year round deepwater overflow from the western Pacific to the South China Sea(SCS);(2) the seasonal variability of the deepwater overflow is influenced not only by changes in the density difference between two sides of the Luzon Strait, but also by changes in its upstream layer thickness;(3) the deepwater overflow in the Luzon Strait shows a weak semiannual variability;(4) the seasonal mean circulation pattern in the SCS deep basin does not synchronously respond to the seasonality of the deepwater overflow in the Luzon Strait.Moreover, the deepwater overflow reaches its seasonal maximum in December(based on GDEM-V3.0) or in fall(October–December, based on the WOA13), accompanied by the lowest temperature of the year on the Pacific side of the Luzon Strait. The seasonal variability of the deepwater overflow is consistent with the existing longest(3.5 a) continuous observation along the major deepwater passage of the Luzon Strait.