东海黑潮水交换区的定义及其时空分布规律研究

将谱混合模型(Spectral Mixture Model,SMM)方法应用到黑潮水与东中国海陆架水之间的水交换中。在此基础上,定义了东海黑潮流系与东中国海大陆架之间的水交换区,并进一步对该带状交换区的空间分布和时间变化规律进行研究。首次得到该交换区面积随时间的变化与东海黑潮流系穿越东中国海大陆架200 m等深线的向岸体积通量的变化呈现出-0.78的显著的负相关关系。另外,研究结果还揭示出,来自太平洋的季节内信号有可能穿越黑潮主轴进入东中国海海域。     

黑潮与东海水交换研究

利用高分辨率ROMS(regional ocean modeling system)数值模式模拟东海地区的多年平均流态。数值模拟结果在黑潮的流速、路径、流量等方面与近年来对黑潮的认识相一致。利用模式结果,计算东海及邻近海域主要水道的水通量。结果表明:台湾海峡、中国台湾-西表岛之间水道是海水进入东海的主要通道,对马海峡、吐噶喇海峡、大隅海峡与西表岛-宫古岛-冲绳岛-庵美大岛之间水道是海水流出东海的主要通道。分析PN断面的流量的变化特征,结果表明黑潮流量在春季与夏季较大,秋季与冬季较小,年平均流量为24.16 Sv,与前人研究结果一致。计算跨越200 m等深线的年平均净向岸体积输送为0.99 Sv,在台湾东北与九州西南地区表现为黑潮入侵陆架地区,年平均入侵流量分别为1.907 Sv与0.065 Sv,在黑潮中段地区,跨越200 m等深线流量呈现交错状分布,年平均净通量为0.982 Sv,表现为由东海陆架地区流向黑潮。上述结果对黑潮与东海之间物质与能量交换研究有一定参考价值。     

东海陆架环流季节变化的模拟与分析

在改进POM模式基础上,建立1个中国东部海域斜压准预报模式,利用全球海洋模式结果并结合实测资料以及高精度卫星遥感SST资料,进行了东海陆架海域温盐及环流年循环的数值模拟,并系统分析了东海陆架环流系统及其季节变化、各暖流的路径等广为关注的问题。模式结果表明：黑潮主轴主体沿陆架坡折走向,中段黑潮流幅由南至北增宽,流速变大,流核所达深度变浅。浙闽沿岸流是一典型的季风环流,台湾暖流终年表现出东、北两分支结构,其分支表现出明显的季节性变化特征。在东海东北部陆架海域,冬季黑潮以其分支形式向北入侵,夏季则主要以大陆边缘流的形式向北进入陆架。论文对各暖流的水源也进行了相应的分析。     

东海黑潮混沌特征的数值分析

以英国 OCCAM(The Ocean Circulation and Climate Advanced Modeling Project)全球环流模式的 1 994年计算结果作为初始场和边界条件 ,用 POM模式 ,对东中国海黑潮季节变化进行了数值模拟 ,特别注意了海水运动的混沌特点和质点移动轨迹。研究结果表明 :东海黑潮区地形引起的黑潮流剪切是导致混沌的主要原因 ;东海黑潮区混沌运动有明显的季节变化 ;黑潮主轴区基本是输运的屏障区。     

东海南部水系分布和季节变化特征

利用中日黑潮联合调查研究期间“实践”号船１９８７年夏、冬季、,１９８８年春、秋季的实测资料对研究海域的水系分布及其季节变化进行了分析研究。研究结果表明：（１）与大陆沿岸水性质相近的Ⅳ类混合水秋、冬季分布在大陆沿岸、春、夏季的范围向外海扩展。（２）黑潮水与陆架混合水的边办位置（称为黑潮水左边界）大致位于１００－２００ｍ等深线之间,并随季节摆动,台湾东北海域,春季黑潮水边界靠达１００ｍ等深线,夏季靠近     

台湾海峡夏季与冬季的水体及热盐通量观测

利用在台湾海峡附近的下放式声学多普勒流速剖面仪(Lowered Acoustic Doppler Current Profiler,LADCP)观测资料和温盐观测资料,通过对连续站的两个季节观测进行正压和斜压潮流分析从而去除潮流得到准定常流,并在此基础上计算了南海和东海之间通过台湾海峡输运的水体及热盐通量。结果表明:台湾海峡大部分海域是半日潮海区(正规半日潮及不正规半日潮海区),半日潮主要分量为太阴半日分潮M2;台湾海峡的水体输运及热盐通量呈现明显的季节变化:夏季台湾海峡内表现为一支东北流向的海流,即台湾海峡暖流,存在3.3 Sv(1Sv=106 m3/s)的东北向水体输运,冬季东北季风较强,西南方向的海流加强,混合层可达到底部,存在1.8 Sv的东北向水体输运。与此对应的热盐通量分别为:夏季热通量为0.34×1015 W,盐通量为118.6×109 g/s;冬季热通量为0.14×1015 W,盐通量为72.9×109 g/s。该结果对台湾海峡通量的研究给出了一个直接观测的准确值,并为相关的数值研究提供了参考。     

冬季东海黑潮上层水变化特征的分析

东海黑潮水团是东海海域的主要水团。夏季,东海黑潮水团一般划分为四层结构:黑潮表层水、黑潮次表层水、黑潮中层水和黑潮深层水。在冬季,由于大陆沿岸水系势力减弱,以及强烈的表层冷却产生的垂直对流作用,使黑潮表层水变性而和次表层水融为一体,从而使海面至400米层左右的黑潮水体呈现高盐特征。因此,冬季的东海黑潮水团变为三层结构,即黑潮上层水、黑潮中层水和黑潮     

东海黑潮流量的年际和年代际变化

本文基于日本气象厅1956—2005年间在东海PN断面获得的观测资料,结合NCEP风场资料,研究了东海黑潮流量的年际和年代际变化特征,并探讨了西北太平洋风场和太平洋年代际振荡(PDO)对黑潮流量年际和年代际变化的影响。结果表明,东海黑潮流量基本服从正态分布,主要集中在19—33Sv范围内,其多年平均值为24.30Sv(1Sv=106m3/s);季平均、冬、夏季黑潮流量都存在着显著的年际和年代际变化。东海黑潮流量输送具有长期的线性增强趋势,在1956—2005年间它们分别增加了8.73Sv、9.86Sv和9.38Sv。相关与合成分析结果表明,黑潮源区和东海黑潮流域上空的经向风异常是黑潮流量年际变化的重要影响因素,而PDO则对黑潮流量的年代际变化有重要作用。     

东海黑潮温盐与中国东部气温和降水的相互关系

采用东海黑湖主流段长时间序列的实测温盐资料,研究了东海黑潮上层温度、上层盐度的变化及其与中国东部降水和地面气温的关系。结果表明,在过去50年内,东海黑潮上层海温呈上升趋势,而上层盐度略呈下降趋势。东海黑潮上层海温和我国东部地面气温的关系在冬季十分密切,呈现出大面积显著的正相关,这与冬季南下冷空气的整体降温作用有关。夏季,长江中下游江水的增多致使大量长江冲淡水入海,导致黑潮上层水盐度下降,此时东海黑潮上层盐度与我国大陆东部降水呈负相关。     

黑潮与邻近东海生源要素的交换及其生态环境效应

黑潮与东海生源要素的交换对东海的生态环境有重大影响,交换主要是经台湾东北部海域输送至东海陆架和通过日本九州西南海域由东海陆架向外海的黑潮输出两个通道。中国科学院海洋先导专项对黑潮与邻近东海生源要素的交换特征进行了系统的调查和研究,获得了一些新的认识:(1)在台湾东北部区域,碳主要以表层水-次表层水为载体输入,秋季的输入量高于夏季;黑潮溶解态营养盐的输入占据绝对主导地位,且以黑潮次表层热带水-中层水的输入为主,输入通量春季高于夏、秋季,可为东海春季水华提供一定的物质基础,但输入到东海的黑潮水其氮磷比与Redfield比值(16:1)接近,这些"正常水"——黑潮的输入显然对调和东海异常高的氮磷比有重要的作用,从而对东海的生态环境起到"稳定和缓冲"作用。所以,黑潮水对东海的输入不仅维持补充了东海生态系统运转所需的生源要素,更为重要的是缓冲了受人为影响强烈的东海海水的高氮磷比,使东海本已失常的营养盐结构向合适的氮磷比方向转变。因此,黑潮与东海生源要素的输入在一定程度上起着稳定和缓和东海生态环境的作用。(2)通过构建的海水Ba-盐度新指标体系,定量细致刻画了黑潮对东海生源物质在台湾东北部区域的输入范围和程度,黑潮次表层水从台湾东北陆架坡折处沿底部向北偏西方向入侵东海,其近岸分支可以入侵到浙江近岸,其黑潮次表层水占比仍可达到65%左右。垂直方向上,陆架外侧站位受黑潮次表层水的影响范围更大,黑潮水占50%比例位置可延伸至外侧TW0-1站位(122.59°E,25.49°N)表层,而内侧靠近大陆的站位则只限于陆架中部位置底层。     

东海黑潮温、盐度与中国东部气温和降水的相互关系

采用东海黑潮主流段长时间序列的实测温盐资料,研究了东海黑潮上层温度、上层盐度的变化及其与中国东部降水和地面气温的关系.结果表明,在过去50 a内,东海黑潮上层海温呈上升趋势,而上层盐度略呈下降趋势.东海黑潮上层海温和我国东部地面气温的关系在冬季十分密切,呈现出大面积显著的正相关,这与冬季南下冷空气的整体降温作用有关.夏季,长江中下游江水的增多致使大量长江冲淡水入海,可能是导致黑潮上层水盐度下降的一个原因,此时东海黑潮上层盐度与我国大陆东部降水呈负相关.     

东海黑潮区硝酸盐含量及其高值区的季节分布特征

利用2010年NOAA发布的全球海域营养盐数据, 对东海黑潮区硝酸盐含量及其高值区的季节分布进行分析。结果表明: (1) 东海黑潮区NO3?-N平均浓度夏季最高、冬季最低, 陆架高、外海低, 硝酸盐浓度随深度而增高, 增高趋势秋季最强, 春季最弱。(2) 在东海黑潮区100—300m水层之间存在着硝酸盐跃层和深层水的涌升; 深层水涌升强度越大, 跃层位置深度越浅。(3) 在东海黑潮区, 从表层至深层的NO3?-N高值区主要分布在台湾东北海域、黑潮中段海域和九州西南海域, NO3?-N高值区和高值中心呈明显的季节性变化; 上述区域是今后东海黑潮区需要密切关注的海洋渔业资源丰富的海域。     

潮汐对东海陆架边缘处水交换的影响

为探讨潮汐对东海陆架边缘处水交换通量的影响,本文基于ROMS海洋数值模式,对渤海、黄海、东海的潮汐、环流进行了模拟研究。研究结果显示,在水平方向上,潮汐效应主要影响我国台湾岛东北及日本九州西南的水交换,其中在台湾岛东北区域,潮汐效应通过增加黑潮分支流(KBC)的向岸及离岸速度来加强黑潮水的跨陆架交换。潮汐效应对200 m等深线处跨等深线流速的影响量值约为3～5 cm/s。从垂直方向上来看,潮汐效应能够影响到深度200m处水层的深层交换。进一步研究其作用机制,发现潮汐效应主要通过平流输送项来影响水体交换,而其对水体的水平及垂直扩散项的影响较小。     

东海黑潮区温度的月际变化特征

使用美国海洋大气局2010年发布的海洋温度数据库、地球物理数据中心2006年发布的海底地形数据库,研发三维体积、切面可视和分析技术,探讨东海黑潮区温度逐月空间变化。得出,从东海黑潮的入口到出口,表层平均温度的差值在4—5月份最大,8—9月份最小,反映黑潮与东海热交换的月季变化;表层温度的年较差和月差值在128°E附近最大,指示了黑潮与东海陆架水热量交换最多的部位。以深度220m为转换层,从东海黑潮的入口到出口,在转换层以上同深度温度呈下降趋势,以下呈上升的趋势;反映黑潮进入东海后中层水的扩张。从温位差判断,在表层,东海黑潮区的热交换在3—4月份最大,在9月份最小;热交换主要出现在靠东海大陆架一侧,热交换最大的区域在台湾东北海域、127°E附近的海域和吐噶喇海峡东北侧。从平均温位差推断,在东海黑潮区,热交换主要出现在30—150m层,在7—9月份最大,11—1月份最小。     

根据漂流浮标资料对黑潮15m层流路及流轴特征的分析

利用1979-02—2012-03共33a的水帆位于15m层的Argos漂流浮标资料,绘制黑潮流系15m层的多年年平均和月平均流场,运用特征线方法计算得到黑潮流轴,定义黑潮流动路径的边界为流速大小20~30cm/s的过渡性区域。结果显示:黑潮多年年平均流路大致是一个以(13°30′N,142°00′E)为圆心、2 235km为半径的直角弧段,其在吕宋海峡、台湾东北、九州西南及伊豆海岭附近海区发生气旋式弯曲前先进行反气旋式弯曲调整,弯曲处出现的路径开口主要是支流的并入或分支的流出;黑潮流轴整体性偏向黑潮左边界,其中在吕宋岛东北至台湾以东海域最为显著,在本州岛以南海域次之,而在东海段基本居中;黑潮流路上的流速在总体上由南向北呈增大趋势,但并非沿流路持续性逐渐增加,而是呈现出较平直流段的大流速区和弯曲调整流段的低流速区相互交错的状况,其中四国岛以南至伊豆诸岛以西流段的流速为最大。多年月平均流场显示,2月,5月,8月和11月这4个月份是黑潮流路和流轴发生变化的重要转折期,而1月,4月,7月和10月这4个月份则是各季节的代表月份。其中,冬季月份的黑潮流路和流轴最为曲折,向边缘海发生显著入侵;夏季月份的黑潮流路和流轴最为平直,左侧伴随有北向流动;春、秋两季的过渡性特征则比较明显。     

东海陆架外缘及陆坡断面上黑潮流速结构的动力分析

本文从流体力学原理出发,在黑潮区海洋水文资料比较齐全的一个断面(见图1),建立一个在定常状态下,考虑水平和铅直湍流摩擦效应和非线性的惯性作用的诊断模式。对东海大陆架外缘及大陆坡黑潮断面流速结构作了比较全面的分析,初步分析了黑潮流轴何以出现在大陆架边缘附近的现象。先将黑     

夏季东中国海环流三维数值实验

东中国海由渤、黄、东海三部分组成，为典型的陆架边缘海。对这一海域环流的认识，过去多依赖于温盐资料分析和有限的测流数据。近年来随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟已成为研究环流的结构、起源和动力机制的重要手段。国内、外学者在这一领域进行了大量的工作，袁耀初等(1982)使用单层模型对东中国海风生-热盐环流进行诊断计算；王卫等(1987)使用一个正压模式计算了黄、东海黑潮流系和涡旋现象；袁耀初等(1987a，b，1989)采用诊断数值计算方法求解涡度方程，得出其所测海区的三维夏、冬季海流流场；袁耀初等(1990)采用一种预报模式研究东中国海的冬季环流；Chao(1991)用三维有限差分模式探讨了黑潮、季风及长江流量等因子对东中国海环流的影响；袁耀初(1993)针对东海东部的流动建立了一个三维预报模式；朱耀华等(1994)建立了一个三维正压模式研究了渤、黄、东海冬、夏季的环流情况；梁湘三等( Liang et al.，1994)用二层模式模拟了黑潮在台湾东北入侵陆架的现象；王凯于1998年在冯士筰提出的浅海Lagrange余流理论上建立了一种三维斜压陆架环流模式，对渤、黄、东海冬、夏季环流进行了诊断数值模拟；王辉(1996)基于一种三维斜压浅海Lagrange余流的弱非线性理论，模拟计算了南黄海和东海夏季三维Lagrange余流；朱建荣等(1998)建立了一个σ坐标系下三维非线性斜压陆架模式，对东中国海冬、夏季环流进行模拟计算，并数值实验了长江径流量、台湾暖流、黄海冷水团、风场等因素对长江冲淡水扩展的作用。以上这些工作对了解东中国海环流的结构、起源和动力机制都具有重要意义。但是这些工作由于当时计算机速度和容量的限制，其数值模式不够完普，有的使用了二维(单层)或诊断模式，有的网格较粗，多数未考虑实际的海岸线和海面热交换对温度场的影响等，从计算结果来看，没有一个模式能全面地模拟出发生在东中国海的环流现象。 本文作者试图采用Blumberg等(1983,1987)建立的σ坐标系下三维斜压预报模式，考虑了东海主要水道间的流量交换、长江径流、海面风应力、海面热通量等诸多因素的影响，对东中国海夏季的环流进行了数值模拟，结果较全面地模拟了东中国海的环流现象，为今后进一步开展此项工作提供科学依据。     

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。     

PN断面黑潮流速垂直分布特征及机制分析

基于全球海洋再分析模拟GLORYS2(Global Ocean Reanalysis Simulation 2)结果,分析了PN断面(126.0°E-128.2°E,1 000 m以浅)黑潮流速垂直结构的季节和年际变化,探讨了黑潮流速垂直结构形成的动力学机制。结果表明:1)PN断面黑潮夏季流量最大,春季次之,秋、冬季节最小;气候态平均的冬、夏季流速最大值都位于次表层,春、秋季节流速最大值位于表层;夏季相对流速较大、最大值深度较浅;等密线在黑潮主轴区下凹,冬季更为明显。流速最大值深度和密度水平梯度为零的深度均表现出了较大的年际差异,该年际变化甚至超过季节差异;2)流速与密度符合热成风关系。黑潮通量由太平洋大尺度风场及中尺度运动两者共同决定,但局地的热通量和环流对温盐的输运共同影响密度场,调节黑潮流速的垂直分布,影响水通量的分配及营养盐输运;3)有些年份夏季流速最大值出现在表层,可能是夏季西南季风诱导陆架水离岸输运进入黑潮上层导致的结果。非线性、非地转物理过程的影响没有考虑在本研究中,热成风关系能够解释黑潮流速垂直分布形成的部分原因。     

PN断面黑潮流速垂直分布特征及机制分析（英文）

本文基于全球海洋再分析模拟GLORYS2(Global Ocean Reanalysis Simulation 2)结果,分析了PN断面(126.0°E-128.2°E,1 000 m以浅)黑潮流速垂直结构的季节和年际变化,探讨了黑潮流速垂直结构形成的动力学机制。结果表明:1)PN断面黑潮夏季流量最大,春季次之,秋、冬季节最小;气候态平均的冬、夏季流速最大值都位于次表层,春、秋季节流速最大值位于表层;夏季相对流速较大、最大值深度较浅;等密线在黑潮主轴区下凹,冬季更为明显。流速最大值深度和密度水平梯度为零的深度均表现出了较大的年际差异,该年际变化甚至超过季节差异;2)流速与密度符合热成风关系。黑潮通量由太平洋大尺度风场及中尺度运动两者共同决定,但局地的热通量和环流对温盐的输运共同影响密度场,调节黑潮流速的垂直分布,影响水通量的分配及营养盐输运;3)有些年份夏季流速最大值出现在表层,可能是夏季西南季风诱导陆架水离岸输运进入黑潮上层导致的结果。非线性、非地转物理过程的影响没有考虑在本研究中,热成风关系能够解释黑潮流速垂直分布形成的部分原因。