一個耦合模式下北赤道流分叉的初步研究

孟慶佳，王 凡，劉 娜

（1.中國科學院海洋研究所中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學院研究生院，北京 100039；3.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

一個耦合模式下北赤道流分叉的初步研究

孟慶佳1,2，王 凡1，劉 娜3

（1.中國科學院海洋研究所中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學院研究生院，北京 100039；3.國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

利用一個全球海洋-大氣耦合模式，對北赤道流分叉的季節(jié)、年際變化特征進行了初步研究。模式結果表明北赤道流的分叉緯度，在表層大約是15.2°N，隨深度而向北移動，在1000 m深度大約為20°N。北赤道流分叉在春、夏季節(jié)偏南，而秋、冬季節(jié)偏北，可能主要與局地的Ekman抽吸有關。北赤道流分叉的年際變化周期表現(xiàn)有準2年、3～4年和10年左右，其中3～4年ENSO周期最為顯著。該耦合模式對于北赤道流分叉的變化特征的模擬結果與已有的觀測結果大體一致，可以用于從海氣相互作用的角度來深入研究北赤道流分叉的長期變化機制，以及對氣候變化的影響。

海氣耦合模式；NEC分叉；季節(jié)變化；年際變化

1 引言

太平洋中的北赤道流（North Equatorial Current,NEC）位于赤道以北10°～20°N之間，是一支由信風引起的自東向西的風生漂流。在其到達菲律賓沿岸后，由于地形阻隔，NEC發(fā)生分叉并形成兩支經(jīng)向西邊界流：向北的黑潮和向南的棉蘭老流（Mindanao Current,MC），這兩支西邊界流最終都轉向東運動，分別形成黑潮延伸體和北赤道逆流（見圖1）。NEC分叉的位置是衡量NEC在黑潮和棉蘭老流之間流量變化的重要指標，它是控制北太平洋西邊界區(qū)質量、熱量和鹽量的經(jīng)向輸送的一個關鍵海洋過程，并對氣候變化產(chǎn)生重要影響，是氣候系統(tǒng)中不可忽視的重要分量。同時，它在副熱帶海洋流渦和熱帶海洋流渦的水體交換中發(fā)揮重要作用，在很大程度上決定著海盆尺度的大洋環(huán)流結構，在大洋環(huán)流動力學上具有非常重要的意義和地位。

自20世紀80年代以來，關于NEC分叉的研究得到了越來越多的國內外海洋學家的關注。目前確定NEC分叉位置的方法主要有流函數(shù)法、經(jīng)向流速法和Lagrange軌跡法等方法（周慧等[1]，何映暉等[2]），但由于流場的不確定性、數(shù)據(jù)的不均勻性和方法的不一致性，造成結果均有所差異，需要更多的觀測資料和更深入的研究加以驗證。

最初，人們關于NEC分叉的研究主要還是基于一次或幾次的觀測資料對NEC分叉進行估算。Nitani[3]根據(jù)1934～1968年間幾個航次獲得的水文資料研究認為，NEC分叉大約在11°～14.5°N之間，而且分叉位置隨水深增加而向北移動。Toole等[4]利用1987年9月與1988年4月的中美聯(lián)合調查的水文資料，得出其分叉緯度在13°N附近。隨著觀測資料的增加，以及模式的運用，上世紀90年代開始，許多研究開始關注分叉緯度的季節(jié)與年際變化規(guī)律。Qiu和Lukas[5]運用非線性約化重力模式，認為NEC分叉緯度2月份最偏南，10月份最偏北。Qu和Lukas[6]通過大量歷史溫鹽數(shù)據(jù)建立的氣候態(tài)分析得出近表層（100 m）分叉平均在14.2°N，6月份最偏南，11月份最偏北，認為東亞季風是引起NEC分叉緯度發(fā)生季節(jié)性變化的最直接強迫。Kim等[7]用JAMSTEC的數(shù)值模擬的結果得出，在表層，分叉緯度5月份最偏南，9月份最偏北。Wang和Hu[8]利用高時空分辨率的衛(wèi)星高度計資料研究表明，表層NEC分叉平均在13.4°N，6月份發(fā)生在最南端（12.9°N），12月份發(fā)生在最北端（14.1°N）。對于NEC分叉的季節(jié)性變化，國內外學者根據(jù)歷史觀測和數(shù)值模擬結果基本上遵循這樣的規(guī)律，即NEC分叉緯度在春、夏季偏南，而在秋、冬季偏北。不同的觀測和數(shù)值模式得到的結果存在差異見表1。

圖1 北太平洋西邊界流系（摘自Nitani,1972）

關于NEC分叉的年際變化研究，主要是利用衛(wèi)星資料和數(shù)值模擬結果進行分析。Qiu和Lukas[5]提出NEC分叉在El Ni?o發(fā)生后的第一年最偏北，La Ni?a年最偏南。Kim等[7]的研究結果表明NEC分叉在El Ni?o年偏北，La Ni?a年偏南，并且與El Nino Southern Oscillation（ENSO）密 切 相 關 。Wang和Hu[8]指出表層NEC分叉在El Ni?o期間偏北，而在La Ni?a期間偏南。

綜上所述，自上世紀80年代以來，對NEC分叉的研究，取得了許多重要的研究成果。國內外海洋學家利用歷史觀測資料、衛(wèi)星資料和海洋模式數(shù)據(jù)等對NEC分叉緯度的季節(jié)和年際變化進行了大量的研究。但以上數(shù)值工作都利用海洋模式的模擬進行分析，本文利用一個全球海洋-大氣耦合模式，對自然變化條件下NEC分叉的低頻變異進行了研究，同時評估耦合模式對NEC分叉長期變化研究的可行性，為下一步的工作奠定基礎。

2 模式和數(shù)據(jù)

本文采用德國萊布尼茨海洋研究所的海洋-大氣耦合模式Kiel Climate Model（KCM）。KCM由大氣環(huán)流模式、海洋-海冰環(huán)流模式以及耦合器組成。其大氣環(huán)流模式是漢堡大氣環(huán)流模式ECHAM5（Roeckner等[9]），海洋-海冰環(huán)流模式是NEMO（Madec等[10];Madec[11]），模式耦合器為OASIS3（Valcke[12]）。

Park等[13]詳細描述過KCM的模擬情況。圖2是關于KCM模式運行的簡單示意圖，通過OASIS3的耦合，NEMO從ECHAM5接收海表面熱通量、淡水通量和風應力。海表面溫度、海洋表層流場、海冰碎片、海冰溫度、海冰厚度和雪的厚度通過耦合器的耦合從NEMO傳遞到ECHAM5。這些物理場用于計算大氣中的熱通量、淡水通量和動能通量海洋和大氣間的耦合頻率是每天一次。模式中的大氣部分采用T31的高斯網(wǎng)格（3.75°×3.75°的水平分辨率，垂直方向有19層）。海洋的水平分辨率基于Mercator網(wǎng)格，在赤道附近經(jīng)向分辨率加密為0.5°，平均分辨率為1.3°，全球為182×149的網(wǎng)格分布，海洋垂向分31層。

表1 前人對NEC分叉點位置季節(jié)性變化的研究結果

圖2KCM運行示意圖

圖3 多年平均的距離菲律賓沿岸4個經(jīng)度范圍內的經(jīng)向平均速度

本研究所用的模擬主要是20世紀的控制實驗模擬（20C）。模式首先采用Levitus等[14]的氣候態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過多年（大約500年）耦合模擬運行達到穩(wěn)定后，繼續(xù)運行4500年，最后我們只選用最后穩(wěn)定的1000年結果（即模式時間是3500～4499），并且將模式的海洋數(shù)據(jù)在水平方向線性插值為2°×0.5°的分辨率以便于計算。

3 NEC分叉的季節(jié)變化

本文通過經(jīng)向流速對NEC分叉定義，將距離菲律賓海岸4個經(jīng)度范圍內經(jīng)向速度為零的位置定義為NEC的分叉。根據(jù)上述定義，我們對該海域的多年平均的經(jīng)向速度進行了計算。圖3是距離菲律賓海岸4個經(jīng)度范圍內的氣候態(tài)經(jīng)向速度分布。圖中黑線即為NEC分叉，其北邊的紅線為黑潮，南邊的藍線為棉蘭老流（下同）。從圖中可以明顯的看到NEC分叉隨深度增加而向極地方向移動，這與前面學者的研究一致。NEC的分叉緯度，在表層大約是15.2°N，隨深度而向北移動，在1000 m深度大約為20°N。Qu和Lukas[6]利用多年水文數(shù)據(jù)建立起來的NEC分叉的氣候態(tài)變化，從表層的14°N隨深度向北移動，在800～1000 m處，分叉位于20°N以北。相比較于觀測數(shù)據(jù)，KCM的結果在表層向北偏差1°N左右，這可能是由于KCM的誤差，輸出的NEC比觀測要北移一些。

圖4 1～12月多年平均的距離菲律賓沿岸4個經(jīng)度范圍內的經(jīng)向平均速度

用上述方法，我們計算了1～12月離菲律賓海岸4個經(jīng)度范圍內0～500 m深度的氣候態(tài)經(jīng)向速度分布見圖4。NEC分叉具有明顯的季節(jié)循環(huán)，在上層海洋中，季節(jié)循環(huán)顯著，而在海洋深處，季節(jié)循環(huán)信號減弱，NEC分叉隨深度滯后。從圖中可以明顯的看到，海洋表層（5 m）的NEC分叉在4月份達到最南端，大約是13.6°N，而在8月份達到最北端，大約是17.9°N，這與Kim等[7]的結果相似，但存在一個月的偏差。從水深75～512 m，分叉最南端都發(fā)生在5月，而最北端大都在10、11月。在水深500 m處，分叉在5月份到達最南端，為17.9°N左右，而在11月份時分叉最靠北，在20.1°N左右。季節(jié)振蕩幅度隨深度增加逐漸減小，在表層可以達到4°左右，而到了500 m處，減小到2°左右。

從NEC分叉的季節(jié)循環(huán)上可以看出，分叉位置在春、夏季節(jié)偏南，而秋、冬季節(jié)偏北。雖然不同作者（Qiu and Lukas[5]；Qu and Lukas[6]；Kim等[7]；Wang and Hu[8]）所得出的分叉最靠南（北）時的具體月份有所差異（見表1），但總體上都有春、夏季節(jié)偏南，秋、冬季節(jié)偏北的季節(jié)特征，我們與前人的結果近似一致。

NEC分叉的季節(jié)循環(huán)受東亞季風影響顯著，圖5和6分別是850 hPa風場和表層流場相對于年平均在春季和秋季的分布。從圖中可以明顯的看出，春季東亞夏季風開始時，在分叉海域產(chǎn)生反氣旋式的大氣和海洋環(huán)流異常，在西邊界附近該環(huán)流的北向流異常引起NEC分叉發(fā)生于較低緯度（見圖5a、圖6a）。在秋季東亞冬季風開始時，分叉海域產(chǎn)生氣旋式大氣和海洋環(huán)流異常，在西邊界附近該環(huán)流的南向流異常使得NEC分叉位于較高緯度（見圖5b和6b）。這和Qu和Lukas[5]的結論一致，他們指出NEC分叉的季節(jié)變化可能主要與局地的Ekman抽吸有關，東亞季風是引起NEC緯度發(fā)生季節(jié)性變化的最直接強迫。

綜上可知，在季節(jié)尺度內，NEC分叉位置春、夏季節(jié)偏南，秋、冬季節(jié)偏北，東亞季風是引起NEC緯度發(fā)生季節(jié)性變化的最直接強迫。

4 NEC分叉的年際變化

圖5 KCM模擬的850 hPa風場相對于全年平均的異常

圖6 KCM模擬的表層流場相對于全年平均的異常

圖7 海洋上層5 m（a）、106 m（b）和512（c）深度平均的NEC分叉年際變化（經(jīng)過5個季節(jié)的低通濾波）

NEC分叉除了具有季節(jié)特征外，還具有年際變化特征。利用同樣的資料和方法，我們計算了NEC分叉的年際變化時間序列。圖7是通過5個季節(jié)的低通濾波的海洋表層（5 m）、近表層（106 m）和中層（512 m）NEC分叉的年際變化序列。從圖中可以明顯看出，NEC分叉具有顯著的年際變化和年代際變化特征，在海洋表層、近表層和中層的變化規(guī)律相。譜分析結果表明在海洋各層中，NEC分叉的年際周期信號強，周期表現(xiàn)有準2年、3～7年和10年左右，總體上以2～7年ENSO周期為顯著，但在海洋表層準2年周期更加顯著，而在海洋中層，10年左右的周期。

5 結論

本文基于KCM耦合模式長時間序列數(shù)據(jù)，將距離菲律賓海岸4個經(jīng)度范圍內經(jīng)向速度為零的位置定義為NEC的分叉緯度。利用此方法，計算了NEC分叉的多年氣候態(tài)分布，并且研究了自然變化條件下NEC分叉的季節(jié)變化和年際變化規(guī)律。

NEC的分叉緯度，在表層大約是15.2°N，隨深度而向北移動，在1000 m深度大約為20°N。相比較于觀測數(shù)據(jù)，KCM的結果在表層向北偏差1°N，這是由于KCM模式輸出的NEC比觀測要北移一些，是KCM模式誤差所造成的。

NEC分叉具有明顯的季節(jié)循環(huán)和年際變化。NEC分叉緯度在春、夏季節(jié)偏南，而秋、冬季節(jié)偏北。NEC分叉緯度的季節(jié)變化主要與東亞季風有關。NEC分叉的年際變化周期表現(xiàn)有準2年、3～4年和10年。

通過上述分析可以得知，對于NEC分叉具體位置的確定，KCM的模擬與觀測相比存在著誤差，但對于NEC分叉的垂向變化、季節(jié)變化和年際變化特征的研究，KCM模擬的整體結果與已有的觀察結果大體一致。下一步我們將利用耦合模式的特點，從海氣相互作用的角度結合全球變暖背景，分析研究NEC分叉的長期變化趨勢機制以及與ENSO循環(huán)的關系，為分析海洋與東亞氣候變化的關聯(lián)提供新思路。

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P731

A

1003-0239（2011）01-0001-07

2010-11-08

國家自然科學基金(40890152)；中國科學院知識創(chuàng)新項目(KZCX2-YW-Q11-02;KZCX1-YW-12)；中國科學院海洋環(huán)流與波動重點實驗室開放基金(KLOCAW1102)

孟慶佳（1983-），男，博士研究生，主要從事海氣相互作用和氣候變化等研究。E-mail:mengqingjia@ms.qdio.ac.cn