西北太平洋環(huán)流和海溫數(shù)值模擬

沈 淇， 朱建榮， 端義宏， 孫明華

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062；2.國家氣象中心，北京 100081）

西北太平洋環(huán)流和海溫數(shù)值模擬

沈 淇1， 朱建榮1， 端義宏2， 孫明華2

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062；2.國家氣象中心，北京 100081）

基于Ecom-si建立了一個西北太平洋海洋數(shù)值模式，綜合考慮了側(cè)邊界通量、海表面風(fēng)應(yīng)力、熱通量、蒸發(fā)和降水等因素，模擬并分析了西北太平洋環(huán)流和海溫的基本特征.模式驗證結(jié)果表明，模式計算的海溫與日本2008年西北太平洋實測溫度走航斷面資料吻合良好.模式再現(xiàn)了低緯度海區(qū)表層自東向西流動的北赤道流、強西邊界流黑潮、東海的臺灣暖流和對馬暖流、黃海沿岸流和黃海暖流等.數(shù)值模式還較好地模擬出了西北太平洋、南海、東海和黃海的海溫分布.

西北太平洋； 海溫； 海流； 數(shù)值模擬

0 引 言

西北太平洋海洋環(huán)流和表層溫度在經(jīng)向熱輸送和氣候變化中起著重要的作用，尤其對于我國氣象異常和氣候變化至關(guān)重要［1］.長久以來，諸多學(xué)者對西北太平洋環(huán)流和海溫以及其動力機制進(jìn)行研究.從20世紀(jì)60～70年代，黑潮聯(lián)合調(diào)查開始，人們對西北太平洋環(huán)流進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查.到20世紀(jì)80年代到90年代，越來越多的國家主持和參與西北太平洋海域調(diào)查研究，并取得顯著成果.Fine等［2］通過實測資料研究得到了比較完整的熱帶西北太平洋環(huán)流圖，是對過去關(guān)于熱帶西北太平洋海流環(huán)流研究結(jié)果的良好概括.但是，由于觀測研究的局限性，很難在大范圍上對西北太平洋進(jìn)行系統(tǒng)的研究.隨著計算機速度和容量的大幅增加及計算技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)值計算預(yù)測海洋環(huán)流變異已成為一種十分重要的研究手段.近年來，已有不少學(xué)者對西北太平洋環(huán)流進(jìn)行數(shù)值模擬.劉秦玉應(yīng)用絕熱表層風(fēng)海流模式，以COADS資料對北太平洋風(fēng)海流季節(jié)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，其研究結(jié)果表明西邊界流冬、春季強，夏、秋弱等特點［3］.許東峰等對1997年夏季西北太平洋環(huán)流進(jìn)行模擬，應(yīng)用MOM2模式計算了西北太平洋的環(huán)流［4］.其研究表明，黑潮在臺灣以東并不存在東分支流流向琉球群島以東海域；約在沖繩島西南分為3支，主要分支轉(zhuǎn)向東北沿沖繩島以東海域向東北流去.沙文鈺應(yīng)用POM海洋模式對環(huán)臺灣島海域冬夏兩季海流情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，臺灣暖流同時來源于臺灣海峽和黑潮在臺灣東北方的一個北上分支，且后者的成分略大［5］.陳義中應(yīng)用ECOM海洋模式對黃海東海環(huán)流和長江沖淡水季節(jié)連續(xù)變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明，在秋、冬季節(jié)，黑潮的入侵是以表、中層水為主；在春、夏季節(jié)，黑潮的入侵以底層為主［6］.雖然不少學(xué)者對西北太平洋各種環(huán)流情況進(jìn)行模擬研究，但較少有學(xué)者針對西北太平洋溫度變化進(jìn)行模擬研究.目前應(yīng)用較為廣泛的海洋模式較多，都為對海洋原始運動方程組作有限差分的數(shù)值模式.按垂向坐標(biāo)系劃分，有取z坐標(biāo)的MOM、HAMSOM、MITgcm等，取等密度面坐標(biāo)的MICOM、HIM等，取能擬合海底地形σ坐標(biāo)的ECOM和POM等，還有取混合坐標(biāo)的HYCOM.本文計算區(qū)域為西北太平洋和南海、東海、黃海和渤海，有深海大洋，還有淺海陸架.淺海陸架海底地形復(fù)雜，冬季等密度面消失，故本文采用垂向坐標(biāo)為σ的ECOM數(shù)值模式.ECOM數(shù)值模式是在POM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，水位方程求解采用隱式求解，而POM采用內(nèi)外模分裂的計算方法求解.POM和ECOM均在海洋環(huán)流和海溫上得到了廣泛的應(yīng)用.本文研究組在長期應(yīng)用ECOM的基礎(chǔ)上，對其中的斜壓壓強梯度力、溫鹽方程平流項數(shù)值格式作了有效的改進(jìn)［7－9］，能更好地模擬海洋環(huán)流和溫鹽分布變化.

我國對臺風(fēng)等天氣過程的數(shù)值模擬，一般僅考慮海表溫氣候態(tài)的空間分布，并未考慮海溫在臺風(fēng)作用下變化.臺風(fēng)的能量主要來自海洋，海洋在臺風(fēng)的作用下海表面降溫，反過來影響臺風(fēng)的強度和路徑.海洋和大氣是相互作用的，需要將大氣數(shù)值模式與海洋數(shù)值模式耦合研究海洋對大氣熱量的貢獻(xiàn)和大氣對海洋的強迫作用.國家氣象局研制發(fā)展了GRAPES大氣模式，本文研究組長期應(yīng)用和發(fā)展海洋模式ECOM，在中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報（GRAPES）發(fā)展專項資助下，經(jīng)過兩年的研究已將大氣模式和海洋模式耦合，對臺風(fēng)個例作了模擬，結(jié)果表明，臺風(fēng)強度有了較明顯變化，與實際更加符合.本文介紹課題組基于ECOM建立的西北太平洋環(huán)流數(shù)值模式和模擬分析西北太平洋環(huán)流和海溫的時空變化.

1 模式的建立和驗證

1.1 模式的建立

本文基于ECOM模式建立西北太平洋環(huán)流數(shù)值模式.ECOM是在POM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的海洋模式，均采用正交曲線網(wǎng)格［10］.ECOM放棄了POM分裂算子和時間濾波方法，時間上采用歐拉前差格式，并用隱式格式計算水位方程，消除了CFL判據(jù)的限制，2.5階湍流閉合模型求解垂向湍流黏滯和擴散系數(shù)［11］.本文計算范圍為西北太平洋，水平坐標(biāo)采取球坐標(biāo)，斜壓壓強梯度力計算采用扣除“局域”密度方法減少計算誤差［7］.

模式計算區(qū)域為東西向從東經(jīng)104°至東經(jīng)145°，南北向從北緯7°到北緯48°，網(wǎng)格水平分辨率設(shè)置為25′×25′（見圖1）.垂向σ坐標(biāo)，非等間距分為20層，各層上界坐標(biāo)分別為0.0、0.01、0.02、0.035、0.05、0.067、0.085、0.105、0.13、0.15、0.18、0.21、0.26、0.32、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0.因模式水位計算采用隱式格式，時間步長取為100 s.

圖1 模式計算區(qū)域和水平網(wǎng)格Fig.1 Model domain and grid

水深數(shù)據(jù)來自于國家海洋數(shù)據(jù)共享中心，分辨率為1′×1′，插值到網(wǎng)格后分布見圖2.黃海東海大部分區(qū)域水深小于100 m，沿菲律賓東側(cè)、巴士海峽、臺灣東側(cè)、琉球東側(cè)和日本南側(cè)在較窄范圍內(nèi)水深變化劇烈，外側(cè)水深達(dá)到3 000 m以上.在琉球和東海陸架之間，存在水深超過1 000 m的琉球深溝，其西側(cè)為陡峭的陸架坡.南海北部、北部灣水深小于200 m，南海中部水深大于1 000 m.考慮到本文研究主要目的是海洋表層環(huán)流和海表溫，模式最小水深設(shè)為30 m，最大水深設(shè)為1 000 m.

圖2 模式計算區(qū)域水深分布Fig.2 Distribution of topography in model domain

模式以1月份作為初始計算月份，初始海溫、鹽度資料取自NODC的25′×25′高精度海洋溫鹽分析資料.一般而言，對計算區(qū)域較小、水深較淺的情況，初始流速和水位的初值取為零.但因本文海洋模式計算區(qū)域大，水深大，為節(jié)省模式計算的水位、環(huán)流等達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間，給出水平環(huán)流和水位的初始場，資料源自ATOMS的soda資料.

海表面邊界條件涉及風(fēng)應(yīng)力、熱通量和水通量的給出.各月風(fēng)引力資料來自于Da Silva多年月平均數(shù)據(jù)［12，13］，圖3為1月份西北太平洋海表面平均風(fēng)應(yīng)力分布，25oN以北以西北風(fēng)為主，以南以東北風(fēng)為主.風(fēng)應(yīng)力較強，大部分海域達(dá)到0.2 Nm－2.圖4為7月份西北太平洋海表面平均風(fēng)應(yīng)力分布，總體上以偏南風(fēng)為主，夏季風(fēng)應(yīng)力比冬季弱，南海的西南季風(fēng)較強.各月平均海表面熱通量和降雨、蒸發(fā)資料取自SOC surface flux climatology.

圖3 1月份西北太平洋風(fēng)應(yīng)力分布Fig.3 Distribution of wind stress in the Northwest Pacific in January

圖4 7月份西北太平洋風(fēng)應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of wind stress in the Northwest Pacific in July

模式側(cè)開邊界條件包括流速、海溫和鹽度的給出.開邊界采用法向通量形式給出，各月資料取自ATOMS的soda資料，保證整個計算區(qū)域內(nèi)的水體質(zhì)量進(jìn)出守恒.海溫和鹽度由NODC資料給出.

1.2 模式的驗證

模式從上述初始狀態(tài)和邊界條件驅(qū)動下，從1月份起算，計算2個模式年，得到各個月的西北太平洋環(huán)流和海溫分布.利用2008年日本氣象廳和美國NOAA給出的西北太平洋各月航次觀測資料，對本文建立的西北太平洋海洋模式作海溫驗證.圖5為觀測斷面分布圖.利用模式計算的12月份氣候態(tài)環(huán)流、海溫和鹽度等結(jié)果，模式從2007年12月1日連續(xù)計算至2008年12月31日，涉及每日氣象資料，包括海表面風(fēng)場、太陽輻射、凈熱通量、蒸發(fā)和降水資料取自NCEP后處理資料.

圖5 2008年西北太平洋觀測斷面Fig.5 The observation sections in the Northwest Pacific in 2008

采用觀測的各月各個斷面溫度剖面資料驗證建立的模式，下面僅給出沿最長斷面4在4月份和8月份的驗證情況.

2008年4月沿斷面4（見圖6），觀測資料表明在近日本海岸以南200 km處，等海溫線向下凸起，表明該處黑潮主軸深受地形的影響，在0～700 m水深處水平方向具有強烈的斜壓效應(yīng).在斷面1 000 km處，海表面海溫為23.5℃.在斷面2 000 km處，海表面海溫為28.3℃，溫躍層位于120～400 m，700 m深處海溫約為6.0℃.數(shù)值模式計算的海溫同樣在近日本海岸以南200 km處，等海溫線向下凸起，但海溫水平梯度略比實測情況弱，原因在于本文模式水深最大僅1 000 m，未能充分反映實際水深空間變化.在1 000 km處，海表面海溫為23.0℃.在2 000 km處，海表面海溫為28.2℃，溫躍層位于80～320 m，800 m深處海溫約為7.0℃，比實測的略高.圖7為模式計算結(jié)果減去實測數(shù)據(jù)后的誤差分析圖，從圖中可以看到在日本島以南300 km外，海表溫度模擬誤差在1°以內(nèi)，而近日本島附近，由于模式最大水深取為1 000 m，水深未能反映出該處水深的劇烈變化，因而斜壓效應(yīng)不強.而在300 km以外，模擬的平均誤差在0.8°左右.造成這種誤差的原因可能是由于水深1 000 m的限制、初始溫度場給出具有誤差以及模式計算時間還不夠長導(dǎo)致了模式未能很好模擬出斷面垂向溫度分布.在2 200 km處模式模擬的溫度有向下凸起的現(xiàn)象，有可能是由于邊界效應(yīng)所引起的.

2008年8月沿斷面4（見圖8），觀測資料表明在1 200 km以內(nèi)，海溫在28.0～29.0℃.在1 300～2 300 km處，海表面海溫在26.0～28.5℃.數(shù)值模式計算的在1 200 km以內(nèi)的海溫在28.0～28.8℃，與實測資料接近.在1 300～2 300 km處，海表面海溫在26.2～28.2℃，比實測資料略低.800 m水深處海溫比實測資料高約0.5℃.圖9為模式計算結(jié)果減去實測數(shù)據(jù)后的誤差分析圖，海表溫度誤差在0.5°左右.對整個斷面而言模擬的平均誤差約為1°左右.模式總體溫度分布趨勢上模擬較為相似.

圖9 2008年8月沿斷面4模式計算海溫和觀測海溫之間誤差分布Fig.9 The error distribution between the model calculated sea temperature and observed one along section 4 in August 2008

數(shù)值模擬模擬的海溫剖面分布與實測資料比較，在分布勢態(tài)基本一致，量值上也較為相近.表明模式能正確模擬海洋海溫和混合層厚度，可用于海氣耦合模式中的研究.

2 結(jié)果分析

在側(cè)邊界通量、海表面風(fēng)應(yīng)力、熱通量、蒸發(fā)和降水等作用下，數(shù)值模式模擬了氣候態(tài)各月西北太平洋環(huán)流和海溫.大洋環(huán)流主要由海表面的風(fēng)應(yīng)力和由海溫、鹽度水平差異產(chǎn)生的水平壓強驅(qū)動力驅(qū)動，前者是動力學(xué)的，產(chǎn)生風(fēng)生環(huán)流，僅限于海洋的上層和中層，隨水深的增加流速減??；后者是熱力學(xué)的，產(chǎn)生熱鹽環(huán)流，存在于海洋的整個深度上.受太平洋信風(fēng)作用，赤道太平洋海域水位呈東西向分布，從東向西看高水位線在北側(cè)，低緯度海域水位較低（見圖10）.在14°N～21°N之間水位升高.在東海陸架坡和日本列島南側(cè)水位沿等深線分布，存在很大的水位梯度.從表層流場分布看（見圖11），大洋環(huán)流為大尺度準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡的流動，大致沿等水位線流動，等水位線密集的海域海流流速很大.模式再現(xiàn)了低緯度海區(qū)表層自東向西流動的北赤道流，在遇到菲列賓島嶼后，一部分沿岸向南流動，一部分沿岸向北流動，形成著名的強西邊界流黑潮.黑潮流經(jīng)巴士海峽，一部分流入南海，大部分沿臺灣東側(cè)北上.黑潮流徑臺灣島后，由于臺灣東側(cè)海岸的突然消失，部分黑潮水向東海陸架入侵，是冬季東海陸架臺灣暖流形成的主要原因.黑潮主軸流入東海后沿東海陸架坡向東北流動，主流流出吐葛拉海峽，沿日本列島南側(cè)向東北流動，最后流出西北太平洋；部分黑潮水在日本九州以西海域向北流動，經(jīng)對馬海峽流入日本海，形成對馬暖流.在日本海朝鮮東海岸模擬出了沿岸向南流動的海流.黃海受北風(fēng)的作用，出現(xiàn)南向的西朝鮮沿岸流和蘇北沿岸流，在濟(jì)州島西側(cè)出現(xiàn)逆風(fēng)北上的黃海暖流.東海陸架環(huán)流為北上的臺灣暖流和沿岸南下的沿岸流.以上結(jié)果與以往的觀測和模擬結(jié)果相似［4，14，15］.大洋環(huán)流季節(jié)性變化沒有陸架和淺海環(huán)流季節(jié)變化明顯，夏季北赤道流、黑潮和臺灣暖流等流態(tài)分布與冬季相似，限于篇幅，夏季西北太平洋水位、流場不再給出.

圖10 西北太平洋1月水位分布Fig.10 Distribution of elevation in the Northwest Pacific in January

圖11 西北太平洋1月表層環(huán)流分布Fig.11 Distribution of surface current in the Northwest Pacific in January

1月太平洋低緯度海域海表溫約28℃，南海24～26℃，20°N～30°N中緯度海區(qū)海表溫呈緯向分布，海溫在20～26℃之間（見圖12）.東海陸架坡黑潮流經(jīng)區(qū)域溫度水平梯度較大，黃海和東海沿岸海域海溫較低，在黃海南部出現(xiàn)明顯的向西北方向伸展的暖舌，這是由黃海暖流帶來的高溫水.數(shù)值模式較好地模擬出了1月份西北太平洋、東海和黃海的海溫分布.

3 結(jié) 語

本文建立了一個西北太平洋海洋數(shù)值模式，綜合考慮了側(cè)邊界通量、海表面風(fēng)應(yīng)力、熱通量、蒸發(fā)和降水等，模擬和分析西北太平洋環(huán)流和海溫.模式驗證結(jié)果表明，模式計算的海溫與日本2008年西北太平洋實測溫度剖面資料吻合較好，能比較真實的反應(yīng)出溫度的變化趨勢.模式較好地模擬出了西北太平洋各月氣候態(tài)環(huán)流和海溫.大洋環(huán)流主要由海表面的風(fēng)應(yīng)力和由海溫、鹽度水平差異產(chǎn)生的水平壓強驅(qū)動力驅(qū)動.受太平洋信風(fēng)作用，赤道太平洋海域水位呈東西向分布，在東海陸架坡和日本列島南側(cè)水位沿等深線分布，存在很大的水位梯度.大洋環(huán)流為大尺度準(zhǔn)地轉(zhuǎn)平衡的流動，大致沿等水位線流動，等水位線密集的海域海流流速很大.模式再現(xiàn)了低緯度海區(qū)表層自東向西流動的北赤道流、強西邊界流黑潮、東海的臺灣暖流和對馬暖流、黃海沿岸流和黃海暖流等.數(shù)值模式還較好地模擬出了西北太平洋、南海、東海和黃海的海溫分布.國家氣象中心已將本文建立的西北太平洋海洋數(shù)值模式與中國氣象局研制發(fā)展的GRAPES大氣模式完全耦合，模擬了多個臺風(fēng)個例，結(jié)果表明在海氣耦合的情況下臺風(fēng)強度有了較明顯改善，與實際更加符合.

本文不足之處在于，由于模式取最大水深1 000 m，在陸架坡水深急劇變化的海域模式計算海溫與實測海溫存在較大誤差，這有待以后作進(jìn)一步改進(jìn)和研究.

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Simulation of circulation and sea temperature in the Northwest Pacific

SHEN Qi1， ZHU Jian-rong1， DUAN Yi-hong2， SUN Ming-hua2
（1.State Key Laboratory of Estuary and Coastal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.National Meteorological Center，Beijing 100081，China）

Based on the ECOM-si，the circulation and temperature in the Northwest Pacific were simulated.The model includes the water flux at the lateral open boundaries，sea surface wind stress，heat flux，evaporation and precipitation at sea surface and so on.The model validation shows that the simulated sea temperatures are consistent with the section data，which were measured by Japan in the Northwest Pacific in each month of 2008.The model reproduces the North Equatorial Current，which flows westward at the surface in the low latitude Pacific，Kuroshio，which is a strong western boundary current，the Taiwan Warm Current and Tsushima Warm Current，the Coastal Current and Yellow Sea Warm Current and so on.In addition，the sea temperature distribution in the Northwest Pacific as well as in the South China Sea，East China Sea and Yellow Sea is also simulated by this model.

Northwest Pacific； sea temperature； circulation； numerical simulation

P731.2

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2011.06.004

1000-5641（2011）06-0026-10

2010-12

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目（2009CB421500）；中國氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報（GRAPES）發(fā)展專項

沈淇，男，碩士研究生，研究方向為河口海洋學(xué).E-mail：shenqimath＠hotmail.com.

朱建榮，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為河口海洋學(xué).E-mail：jrzhu＠sklec.ecnu.edu.cn.