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。     

吕宋海峡黑潮季节变化初步分析

本文根据吕宋海峡所处海域(17°~23°N、117°~122°E)1、4、7、10月的0、100、500m流场图、南海北部和台湾以东海域(17°~30°N、110°~130°E)逐月标准层温度场以及1、4、7、10月平均SSH场等相关资料,分别从冬、夏、春秋三种季节描述吕宋海峡黑潮流的季节特征,并试图从黑潮产生的机制着手,结合季节性风场及实际温盐分布状况,分析吕宋海峡黑潮的季节变化原因以及吕宋海峡黑潮对南海与西太平洋之间的物质能量交换过程的影响。     

吕宋海峡输送年际变异数值研究

利用MITgcm数值模式1980—2001年的常规模拟输出数据,研究了吕宋海峡22年平均的体积、热量和盐量输送随深度的变化,并利用小波变换分别分析了吕宋海峡3个层次(0—145、145—915、915—1 837m)体积和热量输送的年际变化,主要结果如下。(1)在吕宋海峡1 837m层以下,仍有一定数量的西北太平洋海水(体积和盐)西向输送到南海;(2)915—1 615m层的年际体积输送的变化趋势与上两个层次(0—145m、145—915m)类似,但是在某些ENSO时期(如1985、1987、1991—1995年),其年际变化与145—915m层年际变化的位相相反;(3)吕宋海峡年际体积(热量)输送的小波谱图较明显地反映出ENSO现象对吕宋海峡不同层次的输送均产生一定影响。145—915m层次的吕宋海峡年际体积输送与ENSO现象相关性显著。     

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.     

风急流对吕宋海峡黑潮路径变异的影响及其动力机制

为研究风急流对吕宋海峡处黑潮路径的影响,本文使用1.5层约化重力浅水模式,设置了与吕宋海峡跨度相接近的缺口宽度,考虑西边界流在西边界缺口处当处于迟滞过程的临界状态时,其路径受风急流影响的动力机制,并初步探讨了在实际海陆边界条件下,实际风急流对黑潮路径的影响。结果显示,理想情况下,当西边界流处在由入侵流态到跨隙流态转变的临界状态时,西风、南风以及西南风风急流可以激发西边界流由入侵流态转变为跨隙流态。当西边界流处在由跨隙流态向入侵流态转变的临界状态时,北风、东风以及东北风风急流可以激发西边界流由跨隙流态转变为入侵流态,并且在风急流消失后西边界流不能再恢复到初始流态。实际情况下,冬季风急流有利于黑潮入侵南海,夏季风急流有利于黑潮跨越吕宋海峡,这和理想情况下的模拟结果以及实际观测结果相一致,这对进一步研究南海北部的上层环流以及南海的质量、能量输送有重要意义。     

吕宋海峡纬向海流及质量输送

分析和计算了吕宋海峡PR21断面最近海洋调查的部分CTD资料和ADCP资料,再一次证明吕宋海峡常年存在纬向流。但对于天气尺度而言,该流型是多变的。根据高分辨率的海洋环流数值模式4a(1992～1996年)海平面高度(SSH)的输出值,运用地转关系估计了吕宋海峡纬向流的月平均值。研究表明;通过海峡流入、流出南海纬向流的深度一般达到500m左右,200m以上流速较大,平均流速为50cm/s,最大时达80cm/s以上。500m以下的纬向地转流流速较小,通常小于10cm/s.由大洋进入海峡的入流位置位于海峡的中部和南部,月平均入流最大值出现在11月,为50cm/s.位于海峡的北部和南部上层海洋的月平均出流,最大流速亦出现在11月,也为50cm/s,这与秋季北赤道流分叉位置最北(15°N),春季分叉位置最南(14°N)有关。上层流入、流出海峡的流量的月平均值分别约为10×106m3/s和5×106m3/s.当东北季风盛行时(从10月到翌年2月),流入海峡的流量远大于流出海峡的流量,两者的差可达8×106m3/s,而在其他季节两者的差仅为3×106m3/s.这说明东北季风盛行时,会有较多的水从南海南？     

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。     

2002年春季吕宋海峡海流观测及其谱分析

基于2002年春季航次在吕宋海峡海域锚碇测流站(20°49'57"N,120°48'12"E)200,500与800m锚碇测流水层观测流,进行的海流特征分析与最大熵方法谱分析,得到以下主要结果.(1)在200m处,观测期间海流平均速度为(47.4cm/s,346°),最大观测海流速度V_max和最大日平均海流速度V_d,max分别为(103.8cm/s,10°)和(71.6cm/s,339°);在500m处,观测期间平均流速为(20.3cm/s,350°),最大观测海流速度V_max和最大日平均海流速度V_d,max分别为(74.1cm/s,17°)和(39.1cm/s,317°).这些都表明黑潮在吕宋海峡锚碇测流站200和500m处向西北方向入侵南海.(2)在800m处,观测期间平均流速为(1.2cm/s,35°),最大观测海流速度V_max和最大日平均海流速度V_d,max分别为(10.8cm/s,76°)和(4.7cm/s,46°).这些都表明,它们的流向皆为东北向.比较在每层实测流的结果,表明在800m层海流状况与200和500m层海流状况是不相同的,流速随深度变深明显减弱,流向向右偏转.(3)在观测期间200,500和800m处,日平均流速在4月皆比3月时要强.(4)在200～800m潮流随深度变深有所变化,除了在500m处f<0情况全日潮峰值高于半日潮峰值以及对于半日潮以逆时针方向为主以外,其余情况在200～800m水层半日潮峰值都要高于全日潮的峰值,并且皆以顺时针方向旋转为主.(5)在200～800m水层都存在15d以上或14d左右的周期振动,例如在逆时针方向分量谱(f>0)在200,500m处存在19d左右的周期振动;在800m处存在14d左右的周期振动(f<0).(6)在200～800m处都存在4～6d周期天气过程的振动和2～3d周期振动.还都存在34.5h左右惯性振动周期,它的振动方向为顺时针方向.(7)通过交叉谱的计算,揭示:1)200与500m层两组流速时间序列对于半日潮周期、全日潮周期、15d以上的周期振动、2～3d的周期振动等都有很好的相关性,且对15d以上的长周期振动几乎是同步的;2)500与800m层两组流速时间序列对于4～6d天气过程的周期振动与2～3d的周期振动等都有很好的相关性,但它们之间有相位差,有滞后或提前现象.     

涡分辨率海洋模式及其海气耦合模式中吕宋海峡处的黑潮入侵

比较了准全球涡分辨率海洋模式（简记为LICOMH）及其海气耦合模式（简记为LICOMHC）中的黑潮入侵南海与观测中黑潮入侵的差异。我们发现在单独海洋模式中黑潮入侵与观测相比过强,而在其海气耦合模式中这一差异得到了改善。冬季的吕宋海峡输送（LST）在LICOMH中为-8.8×10⁶ m³s^-1,而在LICOMHC中则下降到-6.0×10⁶ m³s^-1 。进一步的研究表明是大尺度风场,局地风应力和吕宋海峡以东中尺度涡旋的共同作用导致了黑潮入侵在两个模式中的不同。LICOMH中吕宋岛东北部相对较强的气旋导致了较弱的黑潮输送及吕宋海峡处较强的黑潮入侵。以上三者共同作用造成的LST差异大约是2.0×10⁶ m³s^-1,与两个模式间的LST差异大小基本相当。进一步对LICOMH与LICOMHC中的EKE收支进行分析表明,LICOMH中更强的EKE输送及斜压转换项导致了黑潮以东存在更强的气旋,而海表风场对两个模式中的涡旋差异贡献极小。     

利用高分辨率水体反射地震资料研究吕宋海峡以东黑潮区混合

混合过程是海洋中普遍存在的一种形式, 对气候变化、物质分布等起到了重要作用。地震海洋学是近十多年发展起来的一门新兴学科, 被广泛应用到物理海洋学问题的研究中, 具有高空间分辨率的突出优点。文章利用反射地震资料, 通过斜率谱方法, 分别获得了吕宋海峡以东黑潮区湍流段与内波段的耗散率及扩散率。结果显示, 在剖面深度200~800m的平均耗散率为10 ^-7.0W·kg ^-1, 平均扩散率为10 ^-3.3m ²·s ^-1, 比大洋统计均值10 ^-5.0m ²·s ^-1高约1~2个量级, 与前人在吕宋海峡的观测结果相一致。湍流段和内波段的扩散率空间分布差异较大: 湍流段扩散率高值区对应强流区域, 推测这里是中尺度涡边缘, 其次中尺度不稳定过程引起扰动增强, 进而引起湍流混合的加强; 内波段扩散率高值区出现在吕宋岛弧附近, 推测是内波遇到岛弧地形发生破碎, 进而引起强的内波混合。     

理想台风驱动的涡旋对吕宋海峡黑潮影响的数值研究*

吕宋海峡以东即北太平洋热带地区常年存在着大量的涡旋,这些涡旋在向西运动的过程中遇到吕宋海峡黑潮后是否会穿越黑潮进入南海值得研究。文章用数值模式来模拟吕宋海峡的黑潮以及吕宋海峡以东的众多涡旋,结果表明没有一个涡旋可以穿越吕宋海峡进入南海。在此基础上引入了一个理想台风风场,通过风应力旋度的形式驱动出强劲的气旋式和反气旋式涡旋,这两个涡旋分别添加在源区黑潮附近,也是在源区黑潮流量最小的8月。以往研究表明,黑潮流量小而涡旋强劲的时候涡旋容易穿越吕宋海峡进入南海,但由何种原因产生的涡旋可以穿越吕宋海峡难以确定;而文章的数值计算结果表明,即使在黑潮较弱的夏季8月,由风应力旋度产生的中尺度涡,无论是气旋式还是反气旋式,都受到了吕宋海峡的阻挡而难以穿越。     

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。     

2008年8-9月份吕宋海峡西南侧锚定ADCP的斜压海流观测

2008年8月份在吕宋海峡西侧大约4000m深的海域首次布放了两套深水潜标,对上层海洋进行了为期一个月的高频率ADCP海流采样。对数据进行了多重处理,分解得到平均流和逐层潮流,并分析了具有斜压性海流的频率分布。调和分析结果表明,该海域以不规则日周期潮流为主,潮流椭圆随深度旋转。海流的功率谱分析表明,内潮能量在温跃层附近最大,并随深度减小,同时海流有明显的近惯性振荡信号。该观测为了解吕宋海峡深层海洋的潮流、近惯性运动以及海峡水交换提供了第一手的资料。     

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。     

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。     

吕宋海峡两侧中尺度涡统计

利用1993-2000年间的T/P卫星高度计轨道资料的时间序列和MODAS同化产品中的卫星高度计最优插值资料对南海东北部海区中尺度涡旋进行动态追踪。按照给定的标准从2种资料中提取了涡旋信息并对其特征量进行统计分析。结果表明,南海东北部海区中尺度涡旋十分活跃,平均每年6个,其中暖涡4个,尺度一般为200~250 km,平均地转流速为44 cm/s;冷涡每年平均2个,尺度一般为150~200 km,平均地转流速为-37 cm/s。吕宋海峡两侧涡旋的比较分析表明,南海东北部海区仍属于西北太平洋副热带海区的涡旋带,冷、暖涡旋处于不断的形成—西移—消散过程中。南海东北部中尺度冷涡大多是南海内部产生的,而暖涡与吕宋海峡外侧暖涡有一定的联系又具有相对的独立性。分析认为西北太平洋的西行暖涡在到达吕宋海峡时,受到黑潮东翼东向下倾的等密度面的抑制和岛链的阻碍,涡旋停滞于吕宋海峡外侧并逐渐消弱,被阻挡于吕宋海峡东侧涡旋释放的能量,形成一支横穿吕宋海峡(同时横穿过黑潮)的高速急流,把能量传递给吕宋海峡西侧的涡旋,使其得到强化,这是吕宋海峡两侧涡旋联系的一种重要机制。     

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.     

东海黑潮及其上游硝酸盐输送年际变化的模拟研究

利用一个太平洋区域分辨率为12.5 km的ROMS-CoSiNE海洋物理-生态耦合模式1997-2016年的积分结果,对东海黑潮硝酸盐输送的年际变化进行分析。结果显示:东海黑潮的硝酸盐输送存在约3 a与7 a的年际变化周期,且在100~400 m深的次表层与400~800 m深的中层水中变化较为显著。东海黑潮上游海水中,南海水及直接汇入东海黑潮的西太平洋海水对黑潮硝酸盐的年际输送变化具有重要影响。其中,南海水主要影响东海黑潮中层水的硝酸盐输送,而西太平洋海水对东海黑潮次表层水硝酸盐的输送影响较为显著。