夏季風爆發(fā)期南海西邊界急流的變化特征研究

周立佳，董慧超

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

夏季風爆發(fā)期南海西邊界急流的變化特征研究

周立佳，董慧超

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

南海西邊界區(qū)域的海流是南海環(huán)流中的主要流系，其物質(zhì)、動量及能量交換可以影響到整個南海。通過分析高分辨率的HYCOM同化數(shù)據(jù)，同時結(jié)合再分析風場數(shù)據(jù)，對季風爆發(fā)時南海西邊界急流的特征進行研究，主要結(jié)論概括如下：夏季風爆發(fā)時期南海環(huán)流最主要的變化發(fā)生在西邊界區(qū)，西邊界急流的型態(tài)轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了南海整體環(huán)流型態(tài)的變化；由截面流速分析結(jié)果可知，每年南海西邊界急流在季風爆發(fā)過程中的變化相較于其它區(qū)域是比較恒定的，但其它區(qū)域的不穩(wěn)定變化并不影響南海環(huán)流型態(tài)的過渡過程；地形、黑潮同季風一樣是南海西邊界急流型態(tài)轉(zhuǎn)變的重要動力因素。

季風爆發(fā)；西邊界急流；地形；黑潮

南海地處亞洲東南部，縱跨熱帶與亞熱帶，以熱帶海洋性氣候為主要特征，是西北太平洋最大的邊緣海，也是地球上為數(shù)不多的半封閉深水海盆之一。在季風、黑潮入侵、獨特的海底地形以及熱力和浮力等因素共同影響下，南海環(huán)流具有顯著的季節(jié)變化與西向強化特征?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，南海南北部的物質(zhì)、動量與能量輸送主要發(fā)生在西邊界強流區(qū)[1]（本文將這一西邊界強流稱為“西邊界急流”，以區(qū)別于一般大洋尺度的西邊界流）。西邊界急流對南海海盆尺度環(huán)流系統(tǒng)的形成與演變也起著至關(guān)重要的作用。與大洋中的西邊界流特征不同，南海西邊界急流有著顯著的季節(jié)變化特征。夏季西邊界急流沿著近岸向北流動，海流主軸在大約12°N處離岸向東流去[2]，只有少量海流繼續(xù)沿岸向北流[3]；冬季，南海邊界急流沿南海北部陸坡西行，順海南島沿岸南下，貫穿南海整個西部海域[4]。劉秦玉等[5]利用風應(yīng)力診斷得到南海Sverdrup流函數(shù)分布，指出該西邊界急流的強度在冬季約為5～6 Sv，夏季為3～4 Sv，冬季強于夏季。目前，有關(guān)夏季風爆發(fā)時南海西邊界急流變化的研究較少，基于前人研究的基礎(chǔ)，本文將通過分析高分辨率的HYCOM同化數(shù)據(jù)，同時結(jié)合再分析風場數(shù)據(jù)，對季風爆發(fā)時南海西邊界急流的特征進行分析研究。

1 數(shù)據(jù)簡介

本文使用的南海環(huán)流數(shù)據(jù)是全球1/12°的HYbrid Coordinate Ocean Model（簡稱HYCOM）模式同化資料。HYCOM是一個原始方程全球海洋環(huán)流模式，該模式的主要特點是在垂直方向上采用了混合坐標系?；旌献鴺讼悼梢杂行У亟鉀Q表面混合層和溫躍層內(nèi)混合存在差異的問題。HYCOM中的海洋表面強迫包含了由美國全球大氣預(yù)報系統(tǒng)提供的風應(yīng)力、風速、熱通量和降水。而模式的同化部分則采用的是美國海軍的海洋耦合資料同化系統(tǒng)，本文所使用的HYCOM數(shù)據(jù)同化了包括衛(wèi)星高度計資料、現(xiàn)場觀測海表面溫度以及通過XBTs，ARGO浮標和錨定浮標獲得的垂向溫鹽廓線資料等多種實時觀測資料。模式在垂直方向上分為30層，數(shù)據(jù)結(jié)果的時間跨度為2003年11月4日至2010年12月31日。

其次，本文所使用的風場數(shù)據(jù)是美國NOAA提供的NCDC混合風場數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)融合了NECP再分析資料和ECMWF NWP實時數(shù)據(jù)，其分辨率為0.25°，該數(shù)據(jù)的時間跨度為1987年7月份至今，時間間隔為6 h一次。本文選取與HYCOM流場數(shù)據(jù)時間跨度一致的風場數(shù)據(jù)，目的是使兩種數(shù)據(jù)有更好的同步性。

由于HYCOM流場數(shù)據(jù)和NCDC風場數(shù)據(jù)都是短時數(shù)據(jù)，它們均包含了天氣式信號，這對研究南海環(huán)流場和風場的主要結(jié)構(gòu)特征帶來了不便，因此，本文對兩種數(shù)據(jù)做了月平均處理，消除數(shù)據(jù)中的高頻信號。為驗證HYCOM數(shù)據(jù)在南海海域的正確性，將其月平均流場與衛(wèi)星高度計計算出的月平均地轉(zhuǎn)流場進行對比驗證，HYCOM數(shù)據(jù)較好地模擬了黑潮、南海西邊界流、北部陸坡流等南海及其周圍海域的主要流系。此衛(wèi)星高度計數(shù)據(jù)為TOPEX/Poseidon、Jason和ERS1/2等高度計的融合產(chǎn)品，空間分辨率為0.25°×0.25°。

2 夏季風爆發(fā)期西邊界急流變化特征

2.1 南海流場水平變化特征

在夏季風爆發(fā)時期，由于季風、黑潮等重要動力因素的變化，南海環(huán)流隨之發(fā)生較大變化。本文首先從夏季風爆發(fā)前后氣候態(tài)月平均南海表層環(huán)流的分布特征入手，并重點關(guān)注西邊界急流在該時期內(nèi)的變化及其對整體南海環(huán)流的影響，其結(jié)果如圖1。

圖1 春季南海氣候態(tài)月平均環(huán)流圖

根據(jù)圖1中不同月份南海環(huán)流的型態(tài)特征，本文將該時期劃分為3個不同的時段，分別對應(yīng)夏季風爆發(fā)前期、爆發(fā)中期及爆發(fā)后期，并分別分析各自的環(huán)流特征。首先，3月份是夏季風爆發(fā)前期。在這個時期，南海整體環(huán)流型態(tài)是一個氣旋式環(huán)流，其結(jié)構(gòu)及西向強化特征與冬季的流場型態(tài)一致[4]，這表明在夏季風爆發(fā)前期，南海環(huán)流始終維持冬季的環(huán)流特征。具體來看，該氣旋式環(huán)流內(nèi)部嵌套著多個中尺度渦，比較鮮明的是呂宋冷渦和越南冷渦[6]，以及越南東岸（113°E，14°N）處的反氣旋暖渦，在南海的東邊界處，中尺度渦的特征更加明顯。但在南海的北部及西邊界處，一支強大的海流貫穿了整個南海西邊界，即冬季西邊界急流，它是南海中流速最大的海流。這一時期，西邊界急流在呂宋海峽西部海域匯合了南海東邊界流和大部分入侵的黑潮，然后在南海北部沿大陸坡向西運動，此時其流向與地形等深線基本平行。西邊界急流在海南島及西沙群島之間轉(zhuǎn)為南向海流，之后沿越南東岸順流南下，至12°N處又匯合了源自南海東南部海域的季風漂流，從而轉(zhuǎn)為西南方向，繼續(xù)沿岸運動。總之，在季風爆發(fā)前期，南海環(huán)流以西邊界急流為基礎(chǔ)構(gòu)成一個海盆尺度的氣旋式環(huán)流。此時西邊界急流起到南海南北物質(zhì)、能量及動量交換的“橋梁”作用。

4月份和5月份則是夏季風爆發(fā)期。受季風變化的影響，這個時期也是南海環(huán)流型態(tài)轉(zhuǎn)變的主要時期。首先來看南海整體環(huán)流，與3月份相比，該時期南海流速與3月份相比減小，同時海盆尺度的氣旋式環(huán)流減弱。在4月份時，氣旋式環(huán)流縮減至14°N北部海域，14°N南部海域則主要為東南海流；到5月份時，氣旋式環(huán)流進一步衰減至113°E以東、17°N以南海域，其它區(qū)域的環(huán)流則被多個中尺度渦所控制，此時，南海南部開始形成北向沿岸流，并在14°N處匯合北部的南向沿岸流，形成東向的離岸流。南海環(huán)流的這些特征變化是以西邊界急流的變化為基礎(chǔ)的。這一時期，冬季型態(tài)的西邊界急流僅能控制南海北部的流場，在南海南部海域，夏季型態(tài)的西邊界急流開始形成。在南海北部，冬季型態(tài)西邊界急流流速和流幅與季風爆發(fā)前期相比較小，流場較弱。4月份時，這支西邊界急流在西沙群島南部14°N處轉(zhuǎn)為東向海流，從而形成南海北部氣旋式環(huán)流；5月份時，西邊界急流在西沙群島西部順地形等深線發(fā)生轉(zhuǎn)向，形成5月份呂宋海峽西部的氣旋式環(huán)流。在14°N南部海域，4月份時，冬季型態(tài)的南向西邊界急流消失，夏季型態(tài)的北向西邊界急流還沒有開始形成，這導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)海流較弱。至5月份，受夏季風爆發(fā)的影響，夏季型態(tài)的西邊界急流開始控制該區(qū)域內(nèi)的流場，北向沿岸流開始形成。

夏季風爆發(fā)后期，南海環(huán)流在6月份時則進一步完善夏季的流場型態(tài)。此時南海南部流場要強于北部，這與北部西邊界急流減弱，南部西邊界急流加強有關(guān)。此時整個南海的西邊界及北部近岸海區(qū)均為沿岸北向海流，其中較強西邊界急流的主體部分位于15°N以南區(qū)域，然后大部分海流離岸向東流去，從而形成南海南部的反氣旋式環(huán)流。

綜上所述，夏季風爆發(fā)時期，南海環(huán)流特征有顯著的變化，這些變化均以西邊界急流的變化為基礎(chǔ)。不管是冬季型態(tài)的西邊界急流，還是夏季型態(tài)的西邊界急流，或者兩者之間的過渡型態(tài)時的西邊界急流，它們始終是南海動能變化的主要控制因素，對于整體南海環(huán)流具有重要的影響作用。

2.2 南海風場變化特征

在夏季風爆發(fā)時期，季風的變化是南海流場變化最主要的動力因素。圖2是夏季風爆發(fā)前、中、后期對應(yīng)的風應(yīng)力及風應(yīng)力旋度分布特征，分別從風向、風速以及風應(yīng)力旋度3個角度分析風場的變化特征。

（1）南海風場的風向變化。3月份南海風場基本是東北風，至4月份大部分區(qū)域均變?yōu)闁|風，部分區(qū)域為東北或者東南風，然后在5月份時除南海西南部海域是西南風外其它海域均轉(zhuǎn)變?yōu)闁|南風，最后至6月份南海進一步轉(zhuǎn)變?yōu)槲髂巷L或者南風。夏季風爆發(fā)期間，南海風場風向的變化呈順時針方向轉(zhuǎn)變，由冬季的東北季風逐步過渡為夏季的西南季風。

（2）南海風場的風速變化。季風爆發(fā)期南海的風速基本上是先減弱后增大的過程，其中3月份和6月份的風速較大，而4月份和5月份的風速則相對較小。具體來看，南海北部風速的變化相對較??；南海南部區(qū)域，風速的變化則十分明顯，尤其是 5月份時，在 110°E～115°E，10°N 以南海域內(nèi)風速可以減弱低至1 m/s。

圖2 夏季風爆發(fā)前后風應(yīng)力及風應(yīng)力旋度的變化

（3）南海風場的風應(yīng)力旋度變化。在3月份可以按照風應(yīng)力旋度正負值將南海分為兩個區(qū)域，其中東南海域風應(yīng)力旋度為正，西北海域則為負，至4月份時，又可以將南海以13°N為界劃分北部和南部，并且這兩個月中風應(yīng)力旋度最大值位于呂宋島的西側(cè)；5月份時，除南海西南部較小區(qū)域外，大部分區(qū)域風應(yīng)力旋度均為正值，此時風應(yīng)力旋度相對較?。?月份時，風應(yīng)力旋度與3月份恰好相反，東南海域為負，西北海域則為正。

上述夏季風爆發(fā)期南海風場的變化特征與流場的變化特征具有密切的關(guān)系。風應(yīng)力可以通過直接影響海洋表層流場形成風漂流或者通過Ekman抽吸作用引起上升流，并隨之改變海洋的溫鹽結(jié)構(gòu)、水位高度等動力要素的分布，并進一步的影響南海壓強梯度場的分布特征，從而達到對南海流場結(jié)構(gòu)的影響作用。

3 西邊界急流截面流速變化特征

基于西邊界急流的變化對南海整體環(huán)流的變化有重要的影響作用，本文選取中兩個貫穿南海北部陸架區(qū)域和越南東部海域的截面，20°N和110°E，通過分析其多年的斷面流速變化特征，嘗試揭示夏季風爆發(fā)期南海西邊界急流的年變化特征。圖3、圖4是這兩個截面中表層海流流速3月份至6月份逐年變化的分布圖。

圖3 南海北部陸架20°N斷面流速逐年變化特征

在20°N截面中，從東到西，根據(jù)海流流向的特征可以劃分為3個區(qū)域。第一個區(qū)域為117.5°E以東區(qū)域，該區(qū)域海流流速v分量基本為較大正值，結(jié)合上文中海流水平分布特征，該區(qū)域中的海流與入侵的黑潮共同構(gòu)成了西邊界急流的源頭。另外，該海流中流速u分量的量值相對較小，并且在不同年份u分量的變化特征也不同，但每年u分量都存在正負交替現(xiàn)象，同樣結(jié)合水平海流特征，東邊界流的偏東或偏西與黑潮入侵的強弱有關(guān)，當黑潮入侵較強時，東邊界流則偏西，u分量為負，反之，u分量為正。第二區(qū)域為113.5°E～117.5°E之間海域，該區(qū)域中u分量和v分量均為負值，并且u分量顯著大于v分量，這說明該區(qū)域海流流向主要為西偏南向，該海流即為西邊界急流。相對u分量較為恒定的周期性變化，v分量中可以以2009年為時間節(jié)點劃分為兩種變化特征：（1）2009年之前，圖中該區(qū)域內(nèi)的負值v分量均呈“”式分布，表明海流中的南向動量逐月向西移動，這可能與開爾文波和斜壓Rossby波的傳播有關(guān)[7]；（2）2009年和2010年中，v分量中的正值和負值交替出現(xiàn)，這與風場的變化或者黑潮的入侵強弱有關(guān)，有待進一步的分析。第三個區(qū)域是113.5°E以西區(qū)域，這個區(qū)域為海南島東岸海域。可以看到在該區(qū)域中海流流速的u分量和v分量只在每年3月份為較弱的負值，其他時間則均為相對較大的正值，表明3月份時海流為較弱的西南向海流，而其他時間則為東北向海流。這種流向的變化與季風變化一致，表明在近岸區(qū)域，海流比較容易響應(yīng)風場的變化。

圖4 南海西邊界110°E截面流速逐年變化特征

在110°E截面中，u分量的變化要比v分量復(fù)雜許多。在u分量分布中，出現(xiàn)了4個極值區(qū)域，分別為17°N和8°N附近海域的負值極值，14°N和11°N附近的正值極值，并且這4個極值區(qū)域還存在明顯的逐年變化特征。其中，兩個負值極值區(qū)域?qū)?yīng)3月份冬季型態(tài)西邊界急流的兩次轉(zhuǎn)向，一次受海南島和西沙群島影響，一次受越南岸線變化的影響。而兩個正值極值區(qū)域則對應(yīng)6月份夏季型態(tài)西邊界急流的兩支東向離岸流，需要注意的是，在2007年和2008年中這兩支海流合并同一支東向海流。在v分量分布圖中，海流流向隨逐年變化的周期性更加明顯，表明該區(qū)域內(nèi)南北向的西邊界急流是一支比較恒定的海流。這種周期性變化又可以按緯度分為兩部分：（1）14°N以北區(qū)域，海流流向主要為北向，其中2007年和2008年北向海流可以達到12°N或者更南部，結(jié)合這2 a年中的u分量特征，表明當北向海流足夠強時，發(fā)生離岸流的位置則越靠南；（2）14°N以南區(qū)域，海流流向是南向和北向海流交替出現(xiàn),這表明南海南部西邊界急流在夏季風爆發(fā)期的變化更加顯著。

綜上所述，南海北部陸架區(qū)域和西邊界區(qū)域在夏季風爆發(fā)期的海流具有明顯的月變化和年變化特征，其中相比于其它海流的局地短時變化特征，西邊界急流的變化特征更具有周期性，這表明西邊界急流是一支較為穩(wěn)定的海流。

4 討論

基于上述分析，南海環(huán)流的型態(tài)變化在夏季風爆發(fā)時期主要通過西邊界急流的變化來完成。接下來分別討論風應(yīng)力、地形及黑潮與西邊界急流之間的關(guān)系。

由于Ekman效應(yīng)，風應(yīng)力引起海水在西邊界堆積，在地轉(zhuǎn)適應(yīng)作用下向南海其它區(qū)域輸運[7]。袁耀初等[8]曾指出南海環(huán)流的動力機制有兩個：最重要的動力因子為斜壓場與地形相互作用項，其次為東南風作用下風應(yīng)力與地形相互作用項。這其中，斜壓場的分布特征與海洋溫鹽場的變化相關(guān)，而熱帶海溫異?？梢酝ㄟ^影響前期季風區(qū)的異常環(huán)流來影響南海季風的爆發(fā)。這種海洋與大氣相互影響的關(guān)系是南海環(huán)流的主要驅(qū)動因素。

此外，地形對西邊界急流的影響同樣非常重要。海流在流動過程中，基本上是沿著地形等深線。同時，島嶼如西沙群島、海南島以及岸線的變化是海流發(fā)生轉(zhuǎn)向的重要原因。在圖1中，3、4、5月份冬季型態(tài)的西邊界急流的轉(zhuǎn)向始終圍繞著西沙群島，而在5、6月份中夏季型態(tài)的西邊界急流兩支離岸流發(fā)生的區(qū)域分別與地形等深線的變化和岸線變化相對應(yīng)。在西邊界急流截面流速分析中，可以看出每年西邊界急流在季風爆發(fā)期的轉(zhuǎn)變特征是有所差別的，但是這并不影響南海流場由冬季型態(tài)轉(zhuǎn)變至夏季型態(tài)。蔡樹群[9]曾指出對應(yīng)不同的季風轉(zhuǎn)換方式，南海流場的調(diào)整過程不同，但在季風爆發(fā)后流場的結(jié)構(gòu)是一致的。

黑潮在季風爆發(fā)期存在較為明顯的變化。黑潮是南海冬季型態(tài)西邊界急流的重要驅(qū)動力，其和東邊界流共同構(gòu)成了西邊界急流的源頭，因此黑潮的變化同樣是南海流場變化的一個重要原因。目前，有關(guān)黑潮入侵南海的方式有許多說法[10]，例如分支、流套以及中尺度渦輸運等。這些爭論與其觀測方法、模式設(shè)置等因素有關(guān)，Metzger等[11]的研究表明，模型的分辨率決定了黑潮是否在呂宋海峽形成“流套”結(jié)構(gòu)，高分辨率模型使呂宋海峽附近島嶼能更好地表現(xiàn)出來,但黑潮主流的流徑不易進入南海。黑潮對南海的影響在冬季最強，夏季最弱。在春季，黑潮僅呂宋海峽以西較小范圍內(nèi)的流場產(chǎn)生較大作用?？傊?，關(guān)于季風爆發(fā)期，南海環(huán)流的變化主要以西邊界急流變化為主，而西邊界急流的變化又與風場、地形、溫鹽場以及黑潮入侵等相關(guān)。同時，由于每年季風轉(zhuǎn)變的形式不同，導(dǎo)致海流轉(zhuǎn)變過程的不同，但這不影響流場型態(tài)的過渡。

5 結(jié)論

本文通過分析高分辨率的HYCOM同化數(shù)據(jù)，同時結(jié)合再分析風場數(shù)據(jù)，對季風爆發(fā)時南海西邊界急流的特征進行研究，主要結(jié)論概括如下：

（1）夏季風爆發(fā)時期南海環(huán)流最主要的變化發(fā)生在西邊界區(qū)，西邊界急流的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了南海整體環(huán)流型態(tài)的變化；

（2）由截面流速分析結(jié)果可知，每年南海西邊界急流在季風爆發(fā)過程中的變化相較于其它區(qū)域是比較恒定的，但其它區(qū)域的短時變化并不影響南海環(huán)流型態(tài)的過渡過程；

（3）地形、黑潮同季風一樣是南海西邊界急流型態(tài)轉(zhuǎn)變的重要動力因素。

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Variation Characteristics of the South China Sea Western Boundary Current during the Summer Monsoon Outbreak

ZHOU Li-jia,DONG Hui-chao
(Dalian Naval Academy,Dalian Liaoning 116018,China)

The western boundary current is very important in the South China Sea circulation for its material,momentum and energy exchange can affect the whole South China Sea.The western boundary current on monsoon was researched using the high resolution HYCOM assimilation data and the analysis wind data.The results show that the main change in the South China Sea circulation occurred in the west boundary region.It is the type transformation of west boundary led to the whole South China Sea circulation type changing.And the analysis of section flow velocity shows that the change of the western boundary current on monsoon is relatively constant compared to other area,but the unstable change in other area does not affect the transient process of South China Sea circulation.In addition,the topography and Kuroshio Current is also the important dynamic mechanisms in the change of the western boundary current.

monsoon outbreak;the western boundary current;topography;Kuroshio Current

P731.21

A

1003-2029（2012）04-0040-05

2011-09-10

國家自然科學基金資助項目（61002052）

周立佳（1962-），男，博士，副教授，研究領(lǐng)域為軍事海洋環(huán)境保障及作戰(zhàn)應(yīng)用。Email:zhoulj1108@163.com