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。     

东海黑潮锋面涡旋在陆架水与黑潮水交换中的作用

根据NOAA卫星红外影像和水文、化学、生物的观测资料,分析了黑潮锋面涡旋中的黑潮水向陆架一侧倒卷,陆架混合水被卷入黑潮,以及深层富营养盐水被泵吸到上层海洋的基本形态。分析表明黑潮锋面涡旋在陆架水与黑潮水的交换中起十分重要的作用。本文对3个锋面涡中的水交换量进行计算得到:卷入到黑潮中的陆架混合水平均为0.44×10⁵m³/s,而进入陆架的倒卷黑潮暖水仅为0.04×10⁶m³/s.对于整个东海陆架边缘,锋面涡作用可使1.8×10⁶m³/s的陆架混合水卷入黑潮。在锋面涡存在情况下,被泵吸到真光层并向陆架方向输运的NO₃-N,其单宽输运量为974μmol/(m·s),而无锋面涡存在时仅为79μmol/(m·s).锋面涡造成的陆架方向的NO₃-N输运量为1.7×10⁵t/a.     

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。     

东海黑潮水与陆架水的季节性输运和交换

在流星分析和ｔ－Ｓ点聚分析的基础上，在台湾东北部ＩＳ断面和东海中部ＰＮ断面上选取适当的纵剖面作为分界面，将以面分成东、西两侧，计算了界面两侧的海水交换星。结果表明：１．东海陆架区海水交换可归纳为两种类型，即“穿插型”和“进退型”。２．参与分界面处海水交换总量的年平均是夏季最大，春、秋季次之，冬季最小。黑潮水向陆架区输运量为０．５８×１０６ｍ３／ｓ，陆架水向黑潮刚输运量为０．８４×１０６ｍ３／ｓ；参与交换的总量为１．４２×１０６ｍ３／ｓ．３．相对输运量计算结果表明；黑潮水对陆架区水文状况的影响是冬季最强，秋、春季次之，夏季最弱，而陆架水对黑潮区水文状况的影响是夏季最大，秋季次之，春季和冬季最小。     

基于改进的BOX模型的长江口及邻近水域水通量及水体交换特性*

提要 本研究成功将水动力模型ROMS(the regional oceanic modeling system model)与箱式模型结合,详细阐述了长江口及邻近水域四个季节的水通量特征及水体交换特性,为其物质通量研究提供准确的水量基础。研究发现,总的水通量整体受季风控制,季风的重要作用在于使得水体在南北方向上交替输送,而台湾暖流对春夏季底层水体南向输运具有重要作用;直接进入123.5°E以东外海区域的水通量很少,而是先从南边界流出研究区域,然后通过海洋环流系统进入外海。长江径流是影响水体更新的重要因素,但在强烈季风下,水体更新主要依赖于季风方向的水平水通量,主要是同层水体而不是表底层水体之间的交换。所以不能简单的以水体更新时间长短作为强烈季风区底层缺氧高发与否的标准。因此,虽然水体更新时间较长的区域与缺氧区基本一致,本研究认为该区域底层水体缺氧的本质原因是跃层阻隔了表底层水体之间的交换。     

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。     

夏季台湾海峡水及黑潮次表层涌升水向东海近陆架区营养盐输送通量的估算

According to historical mean ocean current data through the field observations of the Taiwan Ocean Research Institute during 1991–2005 and survey data of nutrients on the continental shelf of the East China Sea(ECS) in the summer of 2006, nutrient fluxes from the Taiwan Strait and Kuroshio subsurface waters are estimated using a grid interpolation method, which both are the sources of the Taiwan Warm Current. The nutrient fluxes of the two water masses are also compared. The results show that phosphate(PO4-P), silicate(SiO3-Si) and nitrate(NO3-N) fluxes to the ECS continental shelf from the Kuroshio upwelling water are slightly higher than those from the Taiwan Strait water in the summer of 2006. In contrast, owing to its lower velocity, the nutrient flux density(i.e., nutrient fluxes divided by the area of the specific section) of the Kuroshio subsurface water is lower than that of the Taiwan Strait water. In addition, the Taiwan Warm Current deep water, which is mainly constituted by the Kuroshio subsurface water, might directly reach the areas of high-frequency harmful alga blooms in the ECS.     

南海与邻近海洋的水通量交换

利用一个局地加密的全球海洋环流模式,给出位于细网格海域的南中国海与其邻近海洋之间水交换的年平均和月变化的定量结果。结果表明,南海与周围海洋交换的水通量受南海季风的影响较大,其中吕宋海峡的交换量最大,其次为南海南部边界的断面,再者依次为台湾海峡,民都洛海峡和巴拉巴克海峡,另外还对南海各个海峡的热通量,盐通量进行了估算。     

1992年东海黑潮的变异

基于1992年4个航次的水文调查资料,运用改进逆方法计算了东海黑潮的流速、流量和热通量．计算结果表明：（1）PN断面黑潮在春季和秋季都有两个流核,冬季和夏季则只有一个流核．主核心皆位于坡折处．Vmax值春季最大,冬季和夏季次之,而秋季最小．黑潮以东及以下都存在逆流．（2）TK断面黑潮在冬季为两核,春、夏季为3核．海峡南端及海峡深处存在西向逆流．（3）通过A断面的对马暖流Vmax值在秋季最大,冬季最小．黄海暖流位于其西侧,相对较弱．（4）通过PN断面净北向流量夏季最大,秋季最小,而冬、春季介于上述二者之间,1992年四季平均值为28．0×106m3/s;TK断面的净东向流量也是在夏季最大;A断面净北向流量则在秋季最大．（5）PN断面4个航次的平均热通量为2．03×1015W．TK断面3个航次的平均热通量为2．00×1015W．（6）在计算海区,冬、春和秋季都是由海洋向大气放热;夏季则从大气吸热．冬季海面上热交换率最大,而夏季热交换率最小．关键词##4东海;;黑潮;;季节变化     

东海黑潮与琉球群岛以东海流半诊断计算

利用“长风丸”调查船在1987年9～10月期间得到的水文资料,对东海黑潮与琉球群岛以东海流进行了半诊断计算.本计算分为两个阶段,第一阶段是诊断的,第二阶段取诊断计算结果作为初始值,进行半诊断计算,即调整阶段.计算表明,当T=30～40d时,密度场与速度场等已被调整,即得到了半诊断计算的解.比较诊断与半诊断的两个计算结果,在定性上它们是基本一致的,但在定量上存在一些重要差别,例如以下几点:(1)由于诊断计算采用了平滑后的资料,两支西边界流,即黑潮及琉球群岛以东西边界流(简称“琉球海流”)的流速计算值都偏低.而通过调整后的半诊断计算,这两支西边界流的流速都加强;(2)半诊断计算密度场等已被调整到与海底地形等相适应.例如东海黑潮流速的最大值为101cm/s,出现在东海海区南部最大的地形坡度处,而诊断计算,由于资料平滑,没有得到这样的结果;(3)在琉球群岛以东海域,在最近岛屿处600m以浅水层,诊断计算结果出现了南向流,这也是由于资料平滑所致.然而,半诊断计算结果在此处出现了北向流,这与观测结果是一致的.这些计算结果都表明,当采用平滑后的资料时,应用半诊断模式计算海流,更为适宜.     

台湾以北黑潮水与陆架水的混合与交换

本文根据日本气象厅在台湾以北获得的调查资料及近几年国家海洋局在该海域获得的调查资料,结合卫星图片,分析了夏季和冬季台湾以北海域陆架水与黑潮水的混合与交换过程以及涡旋在水交换过程中所起的作用。结果表明,夏季陆架水从表层向外海方向扩展,与黑潮水进行混合与交换;在陆架底部,黑潮次表层水涌升陆架后与陆架底层水进行混合。冬季由于黑潮表层水大举入侵陆架,低温的陆架水只能沿陆架向南流动,并在台湾西北部转向东沿台湾北岸向东流动,该海域存在的涡旋就象一个旋转泵,在陆架水与黑潮水的混合与交换过程中起了重要的作用。最后,文中还对陆架水与黑潮水的交换量进行了估算。     

1993和1994年东海黑潮的变异

基于“长风丸”1993～1994年共8个航次的水文调查资料,采用改进逆方法计算了东海黑潮的流速、流量和热通量.计算结果表明:(1)PN断面黑潮流速在秋季时均呈双核结构;而在其他季节,有时为单核,有时为双核;黑潮主核心皆位于坡折处.黑潮以东及黑潮以下都存在南向逆流.(2)TK断面较复杂,可出现单、双或三核结构.在吐噶喇海峡中部、北部出现流核的机率较高.海峡南端及海峡深处都存在西向逆流,而且海峡南端的逆流在秋季较强.(3)在A断面,对马暖流核心位于陆坡上,但有时偏西或偏东.Vmax值的变动范围为26～46cm/s.黄海暖流位于其西侧,流速则相对减小.(4)东海黑潮流量在这两年中,在春季均出现最小值,在夏季出现最大或较大值.黑潮流量,以PN断面为例,每年四季平均流量值1994年与1993年几乎相同,但略小于1992年的平均流量值.8个航次中通过PN、TK断面的平均净流量分别为27.1×106和25.0×106m3/s.(5)8个航次中,通过PN、TK断面的热通量的平均值分别为1.99×1015和1.78×1015W.(6)在计算海域秋季和冬季均是由海洋向大气放热;夏季则均从大气吸热;春季则不确定.海面上热交换率在冬季最大,而春、夏季较小.     

基于水动力ROMS与BOX耦合模型的长江口及邻近水域水通量及水体交换特性

本研究将水动力模型ROMS(regional oceanic modeling system,区域海洋模式系统)与箱式(box)模型结合,详细阐述了长江口及邻近水域四个季节的水通量特征及水体交换特性。研究发现:总的水通量整体受季风控制,季风的作用在于使水体在南北方向上交替输送,而台湾暖流对春夏季底层水南向输运具有重要作用;直接进入123.5°E以东外海区域的水通量很小,而是先从南边界流出研究区域,然后通过海洋环流系统进入外海。在强烈季风下,水体更新依赖于季风方向的水平通量,主要是同层水体而不是表底层水体之间的交换。虽然水体更新时间较长的区域与缺氧区基本一致,但本研究认为该区域底层水体缺氧的本质原因是跃层阻隔了表底层水体之间的交换。     

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。     

渤海、黄海、东海潮流、潮能通量与耗散的数值模拟研究

基于ROMS海洋数值模式,对渤海、黄海、东海的潮汐、潮流进行数值模拟,模拟结果与91个沿岸验潮站的实测结果拟合较好。研究表明,渤、黄、东海内的潮波以半日潮为主,共有4个半日潮、2个全日潮和1个退化的半日潮旋转潮波系统,且都呈逆时针方向旋转;渤海的半日潮流主要呈顺时针方向旋转,全日潮流呈逆时针方向旋转,黄海的潮流以逆时针旋转为主,东海、朝鲜海峡潮流以顺时针旋转为主;半日分潮流共有13个圆流点,K1(O1)分潮流有10(9)个圆流点,但全日潮流的同潮时线分布较为复杂;太平洋传入东海的4个主要分潮潮能通量分别为118.341GW、19.525GW、5.630GW、3.871GW,一半以上的潮能耗散在南黄海,30%—40%的潮能耗散在东海,其次是北黄海,而渤海最小。     

珠江河口潮能收支研究

Tidal energy budget in the Zhujiang(Pearl River) Estuary(ZE) is evaluated by employing high-resolution baroclinic regional ocean modeling system(ROMS). The results obtained via applying the least square method on the model elevations are compared against the tidal harmonic constants at 18 tide stations along the ZE and its adjacent coast. The mean absolute errors between the simulation and the observation of M_2, S_2, K_1 and O_1 are 4.6, 2.8, 3.2 and 2.8 cm in amplitudes and 9.8°, 15.0°, 4.6° and 4.6° in phase-lags, respectively. The comparisons between the simulated and observed sea level heights at 11 tide gauge stations also suggest good model performance. The total tidal energy flux incoming the ZE is estimated to be 343.49 MW in the dry season and larger than 336.18 MW in the wet season, which should due to higher mean sea level height and heavier density in the dry season. M_2, K_1, S_2, O_1 and N_2, the top five barotropic tidal energy flux contributors for the ZE,import 242.23(236.79), 52.97(52.08), 24.49(23.96), 16.22(15.91) and 7.10(6.97) MW energy flux into the ZE in dry(wet) season, successively and respectively. The enhanced turbulent mixing induced by eddies around isolated islands and sharp headlands dominated by bottom friction, interaction between tidal currents and sill topography or constricted narrow waterways together account for the five energy dissipation hotspots, which add up to about 38% of the total energy dissipation inside the ZE.     

HYCOM模式对东海黑潮的气候态模拟

使用三重嵌套的HYCOM(The HYbrid Coordinate Ocean Model)数值模式模拟气候态东海黑潮。模式水平分辨率从大区模式的1°×1°cosθ提高到小区模式的1/8°×1/8°cosθ。对模拟结果的分析表明:(1)高水平分辨率模式对黑潮特征量的模拟有明显的改进。这些改进主要由两方面的原因引起:地形分辨率的提高和改善的斜压效应。(2)小区模式的模拟结果较好地再现了PN断面的垂向结构。基本反映了PN断面流速和流量的季节变化规律。夏季流速最强、流量最大,秋季流速最弱、流量最小,冬、春两季处于过渡期。(3)模式成功地模拟出东海黑潮东侧的逆流。该逆流流速稳定,夏季流速略大。(4)模式模拟出了PN断面的流速双核结构。