北赤道流分叉点及南海北部环流的研究进展

介绍了北赤道流分叉点、南海北部环流的一些研究成果,并就黑潮对南海的影响所作的研究进行了回顾.北赤道流分叉点的位置对于北赤道流系水体疏运变化及在黑潮和MC之间水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用.北赤道流分叉点位置约在14.6°N上,分叉点位置随深度增加而北移.分叉点有明显的季节变化和年际变化,在春、夏季向南移动,而在秋、冬季则向北移动.年际变化与ENSO现象相关紧密,在El Nio事件NEC分叉纬度处于最北端,在La Nio事件处于最南端.对于分叉点位置的定量化研究,仍然需要更多的观测结果进行研究.季风和黑潮是影响南海北部环流的两种主要因素.南海北部上层流场主要由广东沿岸流、黑潮入侵流套、东沙海流、南海暖流和吕宋海流组成.除海盆、次海盆尺度环流外,受季风、黑潮和地形等因素的影响,南海表现出多涡结构.通过近些年的卫星观测和数值模拟的结果,人们对南海中尺度涡的认识大大加深,但要想模拟出风应力形成涡的机制,还需要提高风场和模式的分辨率.由于观测资料的限制,对南海流场的垂直结构、以及春-秋季季风转相时期的流场结构等还研究得较少.吕宋海峡水交换是西太平洋对南海影响的主要途径.黑潮在吕宋海峡附近的形变一直是有争议的热点问题,目前对于黑潮入侵有3种观点:(1) 认为黑潮经过吕宋海峡形成流套结构,并分离出中尺度涡影响南海流场、水团结构;(2) 认为黑潮有一直接分支分离出来进入南海形成黑潮分支;(3) 认为吕宋海峡水交换不属于以上两种情况,西太平洋对南海的水团输送另有机制.北赤道流分叉点在对黑潮的水体、热量、盐度输运的分配中起着重要的作用,黑潮对南海北部环流的影响可能与NEC的分叉点位置有关,但目前对NEC的分叉点位置与南海北部环流相关性的研究甚少.最后提出了对未来加强该方面研究的一些展望.     

南海北部次表层高盐水的季节变化及其与西北太平洋环流的关系

次表层高盐水(34.68‰)作为北太平洋热带水(NPTW)的示踪,可用来研究黑潮入侵,了解南海与太平洋的水体交换。文章利用基于高分辨率混合坐标海洋模式(HYCOM)的海洋再分析资料,研究了南海北部次表层高盐水的季节变化及其影响因子。模拟结果显示,南海北部高盐水位于100~200m水深,最西可达111°E,其体积存在明显的季节变化,12月达到极大值,6月达到极小值。进一步的分析表明,其季节变化主要受低纬度西北太平洋大尺度环流的调制,与北赤道流分叉点位置的季节变化(1月到达最北端、6月到达最南端)呈现很好的相关性。受太平洋大尺度风场的影响,北赤道流分叉点上半年(下半年)向南(北)移动,导致黑潮输运增强(减弱),通过吕宋海峡进入南海的盐通量减少(增加),从而使南海次表层高盐水的盐度降低(升高)。吕宋海峡断面的流速和盐通量分布特征显示,西太平洋高盐水主要通过吕宋海峡中部(20°~21°18'N)进入南海北部。     

黑潮入侵南海的强弱与太平洋年代际变化及厄尔尼诺-南方涛动现象的关系

在黑潮入侵南海强弱的问题上,到底是太平洋年代际变化(Pacific Decadal Oscillation,PDO)还是厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)现象在起关键作用,目前还存在着较大争议。本文先以高盐水作为黑潮入侵强弱的示踪物,用120°E断面的高盐水数据和北赤道流分叉点(North Equator Current Bifurcation,NEC-Y)的南北变动进行相关分析,接着,进一步用学者所用的黑潮入侵指数(KI指数,Kuroshio intrusion index和NEC指数,North Equatorial Current index)与北赤道流分叉点南北变动进行相关分析。最后,用EMD(Empirical Mode Decomposition)方法和相关关系分析法分别分析了PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点南北变动的关系并用NECP风场数据探讨其影响机制。结果表明:(1)通过对120°E断面的高盐水的KI指数、NEC指数与NEC-Y的相关分析,表明了北赤道流分叉点的南北变动能够很好地指代黑潮入侵南海的强弱;(2)通过PDO指数和Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动的相关性分析,发现PDO指数、Nio3.4指数与北赤道流分叉点的南北变动都具有较好的相关性,都在0.5水平。这些良好的相关性表明了PDO和ENSO对黑潮入侵南海的强弱都具有重要的影响;(3)当处于厄尔尼诺年(拉尼娜)时,赤道太平洋发生西(东)风异常,使得北赤道流分叉点偏北(南),使吕宋岛东侧的黑潮流速减弱(加强),黑潮入侵南海增强(减弱);当PDO处于暖(冷)阶段时,会加强热带太平洋的西(东)风异常,使得黑潮入侵南海增强(减弱)。     

南海贯穿流季节变化数值模拟研究

本文采用美国伍兹霍尔研究所研发的海洋-大气-波浪-泥沙输运耦合模式COAWST(Coupled Dcean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport)对南海及邻近海域进行了9 km分辨率的数值模拟研究。结果表明,南海贯穿流的季节变化再现了冬强夏弱的特征,在南海内部冬季呈现气旋环流结构,夏季呈现反气旋环流结构,尤其在冬季其流轴结构更为清晰和稳定,海水从吕宋海峡进入南海,从民都洛海峡、卡里马塔海峡、台湾海峡和巴拉巴克海峡流出,吕宋海峡断面流量与其他4个海峡流量合计在数量级上相当,保持南海海水总量不变。吕宋海峡、卡里马塔海峡、民都洛海峡的流量呈现明显相关性,吕宋海峡流量增大时,民都洛海峡和卡里马塔海峡的流量也相应增大,相关系数分别达到0.78和0.9。通过更适于分析中短期变化的简化绕岛环流理论,定量计算2019年吕宋海峡、黑潮和棉兰老流流量与北赤道流分叉点位置的关系,发现夏季北赤道流分叉点NECBL(North Equatorial Current Bifurcation Latitude)偏南,在13.6°N附近;冬季NECBL偏北,在15.6°N左右,同期黑潮流量减少,棉兰老流流量增加,作为南海贯穿流入流的吕宋海峡流量可达13.4 Sv。吕宋海峡输运补偿了北赤道流到达菲律宾海岸后的北向分支的流量,与棉兰老流的流量呈正相关,相关系数达到0.5361。     

南海北部深水海域温度以及盐度的季节及年际变化特征

利用SODA(Simple Ocean Data Assimilation)再分析资料,分析了南海北部深水海域温度及盐度的季节和年际变化特征,讨论了季节及年际变化时间尺度上黑潮通过吕宋海峡对南海北部温、盐场的影响.资料分析表明:南海北部深水海域温、盐场存在明显的季节及年际变化特征.在气候平均态下,吕宋海峡处黑潮对南海北部温、盐场的影响主要存在于119°E以东;黑潮对南海的入侵程度在冬季最大,可影响到118°E附近;在秋季最小.吕宋海峡以西的温度水平梯度在秋季最弱,而盐度水平梯度则在夏季最弱.在吕宋海峡处黑潮形变的南侧,温、盐场年际变化信号最强.通过EOF(Empirical Othorgnal Function)分析,发现南海北部深水海域盐度和温度场第一模态的最大变率均分布在吕宋海峡处黑潮形变的南部,且均具有2～5 a的年际变化周期.另外,在年际变化时间尺度上,南海北部深水海域盐度场受黑潮形变的影响较大,在黑潮流量大的年份吕宋海峡处盐度值较低,在黑潮流量小的年份吕宋海峡处盐度值较高,而温度场则和Nino3.4指数呈明显的负相关变化.     

南海次表层和中层水团年平均和季节变化特征

为了弄清北太平洋水入侵南海的状况,利用历史观测温-盐数据等资料对其进行了分析。结果表明:在盐度极大值层北太平洋水通过吕宋海峡的入侵整年发生,并且其入侵有很大的季节变化,冬季东北季风盛行时最强。北太平洋热带水(NPTW)入侵的季节变化与次表层地转流和南海的经向翻转环流结构有密切联系。具有盐度极小值特性的北太平洋中层水(NPIW)也通过吕宋海峡入侵南海,但其季节变化与NPTW完全反位相。冬季,由于在中层水深度北向运动的南海经向翻转环流的阻碍作用,NPIW入侵南海最弱。作者认为,北太平洋水入侵南海的机制可以基本上从南海的地转流及经向翻转环流得到解释。     

利用Argos浮标资料对黑潮入侵南海问题的分析

通过对Argos浮标资料的分析,针对黑潮能否在吕宋海峡入侵南海的问题进行了研究,结果表明:黑潮由吕宋海峡入侵南海主要发生在秋、冬两季,春、夏季基本上不发生。而入侵主要是以流的形式传入,秋季少量的入侵水会有分支沿台湾海峡北上,冬季黑潮自吕宋海峡入侵南海后向西进入南海腹部。并对其季节变化原因作了初步讨论,该区域风应力和黑潮流量的季节性变化可能是重要原因。     

利用Argo浮标资料分析横跨吕宋海峡20.5°N断面的水文特征

基于Argo浮标资料,分析了一条横跨南海北部、吕宋海峡和西太平洋（20.5°N,114°~130°E）断面的海水温度、盐度的分布特征.其结果表明：Argo剖面资料得到的2008年秋季20.5°N断面海水的温度、盐度分布态势与气候态秋季的分布基本一致,主要差异在于南海次表层水的盐度极大值和西太平洋次表层水的盐度极大值,2008年秋季二者均比气候态秋季的低0.1左右.通过动力计算（选取1 200 m为速度零面）表明：Argo浮标剖面资料与融合的卫星高度计产品得到的20.5°N,117.5°~124.5°E断面的表层地转流北分量的分布比较吻合;吕宋海峡中部（20°~21°N）的黑潮主轴大致位于121.5°E附近,其东边界可达123°E,而西边界仅限于121°E以西,其可能原因是该季节黑潮的左侧存在着一个气旋式环流,阻碍了黑潮西进;黑潮在20.5°N断面的体积流量为27×106m3/s左右,最大流速约为55 cm/s,出现在70 m层左右.     

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。     

西北太平洋黑潮源区沉积特征及黑潮输入对东海沉积物的影响

在对海流和地质背景分析的基础上将源区黑潮划分为3个区域,即北赤道流区、吕宋岛以东海区和台湾东部黑潮主干区,归纳总结了其沉积物矿物组成、元素组分特征和物源研究结论,探讨了黑潮输入对东海沉积物的影响。总体看来,黑潮源区沉积物的主要外来源是菲律宾群岛、菲律宾岛弧、台湾河流输入和亚洲大陆风尘的输入。黑潮源区沉积物矿物分布受菲律宾海沟的阻隔、北赤道流与黑潮的营力作用、海底火山热液活动和水深影响较大,常量元素组成主要与海底地形和水深有关,稀土元素组成表现出具有明显陆源输入的边缘海沉积特征,Sr、Nd同位素组成的研究在该区主要用于追踪亚洲风尘输入。由于黑潮入侵东海多分支的复杂性,东海黑潮对陆架沉积物的影响尚需深入研究。进一步研究应在台湾东部沉积物物源分析、黑潮输入对东海沉积物影响的历史变化、多指标整合的综合分析方法、有效物源识别端元的构建等方面展开。深入研究黑潮源区沉积特征及物源可有效揭示黑潮流域变化、构造活动和气候变化等,且探明黑潮输入对东海陆架沉积物分布的影响有利于揭示东海生态环境变化和海洋资源环境的可持续利用。     

基于卫星高度计资料的黑潮入侵南海流径的时间变化规律研究

黑潮入侵南海对南海的温盐平衡、环流、涡旋和局地气候等具有重要作用。基于吕宋海峡处黑潮不同流径的识别方法,对1993～2021年的卫星高度计资料进行识别,获取黑潮不同流径的发生时间,探究黑潮入侵南海流径的时间变化规律。结果表明:(1)黑潮主要以流套(Looping)和分支(Leaking)两种流径入侵南海,Leaking流径发生的时长(710周)和概率(46.9%)要远高于Looping流径(时长218周,概率14.4%)。(2) Looping流径和Leaking流径均可将高温高盐的西北太平洋水带入南海,Looping流径下的平均吕宋海峡上层通量(6.3×10⁶ m³/s)略大于Leaking流径(5.6×10⁶ m³/s)Looping和Leaking流径在4×10⁶ m³/s～6×10⁶ m³/s区间发生时间最长。(3)季节变化上,Looping流径主要发生在冬季,Leaking流径在冬半年均较强,夏季二者发...     

源区黑潮季节变异及其动力机制的数值研究

应用POM2K模式对中国海黑潮区气候态平均环流进行了数值模拟。采用正交曲线网格, 模式区域为太平洋海盆, 特别的在中国海区域进行加密并较好的拟合了岸线; 垂向分为21层, 并在海表9层以上采用对数网格分布; 采用COADS气候态月平均的风应力, 并将模式的温度结果和MODIS月平均的SST数据进行同化, 然后将模式模拟出的流量、海表高度异常同实测数据和卫星观测数据进行了对比验证, 结果均显示模拟结果可信度较高。接着本文探讨了北赤道流分岔位置季节性的变化对源区黑潮流量的影响, 结果表明, 秋冬季节北赤道流分岔位置较靠北, 源区黑潮流量较大, 而春夏季节北赤道流分岔位置较靠南, 黑潮流量较小。在此基础上, 针对源区黑潮的动力机制进行了数值实验。实验中主要考虑了以下动力因子对源区黑潮季节性变化的影响: (1)风应力; (2)非线性; (3)黑潮的斜压敏感性, 然后通过与控制实验的对比, 讨论了不同的动力因素对吕宋海峡净流量和吕宋海峡上层环流场的影响。     

2010年7月至2015年5月黑潮对邻近中国海的影响和琉球海流在中国研究的进展

黑潮对邻近中国海的影响和琉球海流研究在物理海洋学是一个很重要的、有趣的课题。为了深入地阐明由中国科学家自2010年7月至2015年5月期间所作研究的进展,本文在以下三个方面进行评述。第一方面是关于黑潮入侵南海以及在吕宋海峡周围的环流,分为以下二个很重要论题做阐述:黑潮入侵的季节和年际变化以及黑潮入侵的机制;黑潮对吕宋海峡海流和南海北部环流的影响。第二方面是关于黑潮及其对东海相互作用的变化,分为以下四个有趣的论题来阐述:东海黑潮研究的评述;黑潮入侵东海,水交换以及动力因子;由于黑潮作用营养物质通量在下游增加;从卫星遥感的应用对黑潮入侵东海对陆地物质通量的影响。第三方面,琉球海流与东海黑潮相互作用也被讨论。最后本文主要点作了总结,对今后进一步需要研究也被讨论。     

A Review on the Currents in the South China Sea: Seasonal Circulation, South China Sea Warm Current and Kuroshio Intrusion

Researches on the currents in the South China Sea (SCS) and the interaction between the SCS and its adjacent seas are reviewed. Overall seasonal circulation in the SCS is cyclonic in winter and anticyclonic in summer with a few stable eddies. The seasonal circulation is mostly driven by monsoon winds, and is related to water exchange between the SCS and the East China Sea through the Taiwan Strait, and between the SCS and the Kuroshio through the Luzon Strait. Seasonal characteristics of the South China Sea Warm Current in the northern SCS and the Kuroshio intrusion to the SCS are summarized in terms of the interaction between the SCS and its adjacent seas.     

Intrusion of the Kuroshio into the South China Sea,in September 2008

Using widespread conductivity–temperature–depth (CTD) data in the Philippine Sea and northern South China Sea near the Luzon Strait together with altimeter data, we identified an intrusion of water from the Kuroshio into the South China Sea (SCS) through the Luzon Strait in September 2008. The Kuroshio water obviously intruded into the SCS from 20 to 21°N, and existed mainly in the upper 300 m. The intrusion water extended as far west as 117°E, then looped around in an anticyclonic eddy and returned to the Philippine Sea further north. The dynamics of the Kuroshio intrusion are discussed using a 1.5-layer nonlinear shallow-water reduced-gravity model. The analysis suggests that the strong cyclonic eddy to the east of the Kuroshio in September 2008 was of benefit to the intrusion event.     

吕宋和台湾岛以东黑潮季节与年际变化规律的对比分析

黑潮是北太平洋副热带环流系统的一支重要的西边界流。前人对不同流段黑潮的季节和年际变化进行了诸多研究,然而基于不同数据所得结论仍存在差异,尤其是不同模式计算所得流量差别很大,而且以往研究往往着眼于某一流段,对不同流段黑潮变化之间的异同及其原因涉及较少。本文基于卫星高度计数据,评估了OFES(Ocean generalcir culation model For the Earth Simulator)和HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model)两个模式对吕宋岛和台湾岛以东黑潮季节与年际变化的模拟能力,进而对两个海域黑潮变化的异同及其物理机制进行了分析。结果表明:HYCOM模式对黑潮季节变化的模拟较好,而OFES模式对黑潮年际变化的模拟较好。吕宋岛以东黑潮和台湾岛以东黑潮在季节与年际尺度上的变化规律均不相同,且受不同动力过程控制。吕宋岛以东黑潮呈现冬春季强而秋季弱的变化规律,主要受北赤道流分叉南北移动的影响;而台湾岛以东黑潮呈现夏季强冬季弱的变化特点,主要受该海区反气旋涡与气旋涡相对数目的季节变化影响。在年际尺度上,吕宋岛以东黑潮与北赤道流分叉及风应力旋度呈负相关,当风应力旋度超前于流量4个月时相关系数达到了-0.56;而台湾岛以东黑潮的流量变化则受制于副热带逆流区涡动能的变化,且滞后于涡动能9个月时达到最大正相关,相关系数为0.44。本研究对于深入理解不同流段黑潮的多尺度变异规律及其对邻近海区环流与气候的影响具有重要意义,同时对于黑潮研究的数值模式选取具有重要参考价值。     

Picocyanobacterial abundances and diversity in surface water of the northwestern Pacific Ocean

To understand picocyanobacterial distribution patterns in the northwestern Pacific Ocean, their abundances and genetic diversity were studied using flow cytometry and a barcoded amplicon pyrosequencing approach. At open ocean stations affected by the North Equatorial Current, Prochlorococcus was the predominant picocyanobacteria, and a high-light-adapted ecotype (HLII) made up most of the population. In contrast, at stations in shelf areas of the East China Sea (ECS) and South Sea, Synechococcus was the predominant picocyanobacteria and clade II was dominant. At other ECS stations affected by the Kuroshio Current, both Prochlorococcus and Synechococcus made up similar proportions of the picocyanobacterial community. These results indicate that picocyanobacterial diversity differs among oceanic regions, and that physicochemical properties related to dominant water masses, seem to be important in determining picocyanobacterial diversity.