黑潮流軸在呂宋海峽的變化分析

丁睿彬，陳大可，姜良紅

（衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室，國家海洋局 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

0 引言

起源于北赤道流，在菲律賓東岸15°N左右分叉后形成北分支的黑潮，是北太平洋的西邊界強流，它攜帶大量的高溫、高鹽水北上，給東亞區(qū)域的海洋環(huán)境與氣候帶來重要影響［1－2］。黑潮在流經呂宋海峽時失去西邊界的支撐（圖1），因而發(fā)生重大的流態(tài)改變，這種改變直接關系到太平洋與南海的水交換以及黑潮下游的狀況，因此黑潮在呂宋海峽附近的變化問題一直是區(qū)域性海洋學關注和爭議的焦點。這一問題的主要爭議在于黑潮是否入侵南海，或者是以何種方式進入南海的。第一種觀點認為存在南?！傲魈住?，即黑潮在呂宋海峽南邊進入南海后從北邊出來，在南海東北部形成一個“流套”［3］。第二種觀點認為黑潮有一個“南海分支”，在夏季表現為一支向西流動的海流，直接進入南海［4］。第三種觀點是“流套”和“分支”觀點的組合，認為黑潮在呂宋海峽中部以南進入南海，一部分在臺灣島的西南側形成“流套”，另一部分則在臺灣島的南邊形成一個氣旋性的“分支”［5］。近年來也有學者認為黑潮水能以中尺度渦或次中尺度渦的形式進入南海。

黑潮主流軸（即跨越黑潮速度梯度最大處）的位置及其隨時間的變化在很大程度上能代表黑潮的時空變化。過去已有一些針對黑潮主軸的研究，如日本學者在日本島附近海域做了不少相關工作［6］，但這些早期研究主要基于有限的現場觀測資料，其空間覆蓋率不足以獲得黑潮流軸變化的完整圖像；后來有學者結合衛(wèi)星高度計和浮標數據，較為準確地確定了局地的黑潮的主軸［7］；最近 LIU et al［8］用衛(wèi)星高度計資料進一步研究了東海黑潮的路徑變化。然而，對于黑潮流軸在呂宋海峽附近的大幅度變化還缺乏系統(tǒng)研究。

本文以（1／12）°分辨率的區(qū)域海洋環(huán)流模式（ROMS）在北太平洋試驗9a（2000—2008年）的輸出結果為基本數據，利用自行編制的基于速度場的流軸自動檢測方法，分析了黑潮流軸在呂宋海峽附近的位置及其在年際、季節(jié)和季節(jié)內時間尺度上的變化特征，并對引起這些變化的物理過程和機制進行了初步的探討。

圖1 研究區(qū)域地形圖以及基于觀測表層流場（AVISO，黑線）和ROMS模式10m（藍線）、200m（紅線）流場的黑潮流軸平均位置Fig.1 Map of research area and mean Kuroshio axes based on surface velocities from observation（AVISO，black）and 10m （blue）and 200m （red）velocities from ROMS model

1 數據和方法

1.1 數據

本文所用的主要數據來自ROMS模式對1個北太平洋區(qū)域（9°S～41°N、99°～146°E）的試驗結果，該模式使用C網格和垂向S坐標，水平網格分辨率為（1／12）°，垂向分32層，其中沒有加入同化；NCEP／NCAR再分析風場（1958—2000年）和混合的表面風場（2000—2008年）被用于驅動模式；Simple Oceanic Data Assimilation（SODA）資料被用于確定模式初始場和邊界條件。雖然一共有50a的模式輸出結果，但為了與觀測資料對比，本文僅選取2000—2008年這9a的數據進行分析。

用來驗證模式的表面流場數據由法國的Archiving，Validation，and Interpretation of Satellite Oceanographic Data（AVISO）提供，其時間分辨率為7d，空間分辨率為（1／3）°；AVHRR 溫度資料由 NOAA提供，時間分辨率為1d，空間分辨率為（1／4）°。這些數據的時間范圍都為2000—2008年。

圖1比較了分別由AVISO表層流場和模式表層及次表層流場計算得到的9a平均的黑潮主流軸。從圖1中可見，模式中的黑潮次表層流軸與觀測的相當一致，但表層流軸系統(tǒng)性地偏西。這可能是因為模式的表層流場除地轉流外還包含風生艾克曼輸運，而后者的平均流向在此區(qū)域為西向（因為冬季風強于夏季風）；但AVISO的表層流只有地轉流，因而與模式的次表層流更加一致。總的來說，模式結果基本合理，可以被進一步用來研究黑潮的變化。

1.2 方法

黑潮主流軸在某一特定時刻的位置通常是通過尋找一定空間范圍內的速度最大值來確定［7－8］。然而，由于黑潮在呂宋海峽附近失去海岸約束，再加上地形和渦旋的作用，流態(tài)變化劇烈，僅用流速最大值難以準確找出黑潮的真正主軸。因此，本文根據黑潮的物理特性開發(fā)了一種自動檢測黑潮主軸的方法（圖2），檢測區(qū)域范圍為16.5°（呂宋島以東）～24.8°N（臺灣島以東）、118°～130°E。檢測黑潮主軸的具體步驟如下：

圖2 檢測黑潮主軸的方法示意圖Fig.2 Schematic map of a method to detect Kuroshio axis

（2）在每一個緯向網格線上將搜索半徑限定在黑潮平均主軸（圖1）的左右300km之內，進而找出搜索半徑內V最大值的位置；

（3）為保證這一位置為黑潮主軸位置，還須滿足3個條件（圖2）：（a）與前一個緯向網格線上（上游）黑潮主軸位置的緯向距離不能超過n1；（b）2個連續(xù)時刻找出的黑潮主軸位置間的距離不能超過n2；（c）此處的溫度（T2）和鹽度（S2）與上游黑潮主軸的溫度（T1）和鹽度（S1）必須滿足

的條件，即保持水團的相似性；否則將重新計算。其中參數n1、n2和n3通過敏感性試驗獲得，在本文中分別取為12，12和1.5。敏感性試驗的過程通過不停地修改3個參數的值來比對已經得出的黑潮主軸和背景流場的一致性，最終通過觀察得出在研究時間尺度內時空上合理的黑潮主軸，然后確定最終參數。

圖3顯示出采用上述方法尋找得到的2000年1月1日的黑潮流軸。由圖3可見，該方法很好地抓住了黑潮的空間形態(tài)，黑潮流軸（圖3中的黑線）不僅與背景流場對應，還與表層溫度和鹽度的分布高度相關。

2 黑潮流軸變化特征

圖3 由自動檢測方法確定的2000年1月1日的黑潮表層流軸（黑線）Fig.3 Surface axis of Kuroshio（black curve）on January 1，2000captured by the automatic detection method

黑潮流軸在呂宋海峽附近的變化可以從不同層次和不同時間尺度上進行研究。本文分別選擇10m和200m這2個代表水深以及年際、季節(jié)和季節(jié)內3個時間尺度來分析黑潮流軸的變化特征。為簡單起見，季節(jié)變化定義為9a平均的氣候態(tài)季節(jié)變化，年際變化為減去季節(jié)變化并作3個月滑動平均后的變化，季節(jié)內變化則為去除上述季節(jié)和年際變化后剩余的變化。

2.1 年際變化

如圖4所示，黑潮流軸在表層（水深為10m）和次表層（水深為200m）都有明顯的年際變化，但僅限于呂宋海峽（右圖），且表層的變化大于次表層。在表層，2000年和2001年黑潮在呂宋海峽北部向西入侵南海，2003、2006和2008年黑潮在呂宋海峽中部和北部向東漂移。在次表層，黑潮僅2000年和2007年在呂宋海峽北部出現，明顯向東漂移的跡象則只在2008年出現。與Ni~no3指數（左圖中的黑線）對比顯示，黑潮流軸的年際變化與ENSO存在一定的聯(lián)系，在Ni~no3指數變化大的年份（2002、2006和2008年）黑潮流軸偏移變化都較其它時期大，有科學家指出在2006—2008年黑潮流量變化明顯，但由于數據長度不夠難以量化表征。

2.2 季節(jié)變化

如圖5所示，黑潮流軸的季節(jié)變化在表層與次表層比較一致，其幅度略大于年際變化，但與年際變化一樣主要出現在呂宋海峽。在表層，黑潮流軸夏季在呂宋海峽北部向東漂移，秋季在呂宋海峽南部入侵，冬季在呂宋海峽北部入侵。在次表層，黑潮流軸夏季東移且較弱，冬季西進則更強。季節(jié)變化似乎與局地經向風（左圖中黑線）有關：春、夏季西南季風盛行時黑潮向東偏移，秋、冬季東北季風盛行時黑潮向西入侵，這與 LIANG et al［9］研究的結果一致。

圖4 黑潮流軸在呂宋海峽（18.5°～22°N）表層（上圖）和次表層（下圖）的年際偏移變化Fig.4 Interannual variations of the Kuroshio axis near the Luzon Strait（18.5°N～22°N）at 10m （upper panels）and 200m （lower panels）depths

2.3 季節(jié)內變化

如圖6所示，黑潮流軸的季節(jié)內變化比年際和季節(jié)變化強烈得多，且不限于呂宋海峽（圖6右）。黑潮流軸在呂宋海峽的季節(jié)內變化（圖6左）似乎存在季節(jié)和年際尺度上的調制，例如在2003年以后表層與次表層的變化相當一致，但在此之前則相差較大?？偟膩碚f，無論在表層還是次表層，黑潮在季節(jié)內尺度上向西入侵的幅度大于向東的移動。在呂宋海峽，黑潮流軸的季節(jié)內變化占其總變化方差的80%，表明 季節(jié)內變化是此處黑潮變化最為重要的分量。

3 機制討論

3.1 風和黑潮慣性的影響

為了探討局地風場驅動的艾克曼輸運和黑潮本身慣性對呂宋海峽黑潮流軸變化的可能影響，本文沿120.75°E對呂宋海峽（18.5°～22°N）的黑潮流軸變化和經向風分別做平均，察看不同水深的流軸與風場之間的關系；同時在呂宋島東側黑潮進入呂宋海峽之前的位置（18°N）取1個流速斷面，觀察該斷面不同水深的黑潮經向流速對呂宋海峽黑潮流軸變化的影響。

在年際尺度上，呂宋海峽黑潮流軸的變化與局地的經向風在表層有較好的正相關，即北（南）風大時黑潮流軸向西（東）偏，相關系數隨著深度的增加而降低；黑潮流軸的變化與上游黑潮流速也有較好的正相關，即向北的黑潮流速大（?。r黑潮流軸偏東（西），相關系數卻隨著深度的增加而增大（圖7a）。在季節(jié)尺度上也存在類似的關系，即黑潮流軸在表層與局地風場高度正相關而在次表層與上游黑潮流速高度正相關，只是風的影響似乎限制在一個更薄的表層內（圖7b）。在季節(jié)內尺度上，黑潮流軸的變化與局地風場和上游黑潮流速的相關性都很低，說明黑潮在呂宋海峽的高頻變化（也是黑潮的主要變化）基本不受表層艾克曼輸運或黑潮本身慣性的控制（圖7c）。

這些結果可簡單解釋如下：對于黑潮的低頻（季節(jié)到年際）變化來說，在準地轉理論的框架內（如SHEREMET［10］所論述），西邊界流（黑潮）在流經一個較大的豁口（如呂宋海峽）時，其路徑將在β效應驅使下向西偏，而西偏的程度取決于流速（慣性）的大?。毫魉俸艽髸r可直接躍過豁口，流速小時則進入豁口形成“流套”，這就是呂宋海峽黑潮流軸變化在年際和季節(jié)尺度上與上游流速呈正相關的原因。另一方面，由風驅動的表層艾克曼輸運則是呂宋海峽黑潮流軸變化與局地風呈正相關的原因，這也說明為什么與風的相關隨水深遞減而與上游流速的相關卻隨水深遞增。對于黑潮的高頻（季節(jié)內）變化來說，最大的影響可能來自渦旋，而進入呂宋海峽的渦旋主要是由環(huán)流的不穩(wěn)定產生的，因而與局地風場和黑潮慣性的關系不大。

圖7 黑潮流軸在呂宋海峽（18.5°～22°N）不同水深中的年際（a）、季節(jié)（b）和季節(jié)內（c）變化與當地經向（V向）風速和上游黑潮（V向）流速的相關系數Fig.7 Correlations of interannual，seasonal and intra－seasonal variations of Kuroshio axis at the Luzon Strait（18.5°N～22°N）with local meridional wind and up－stream Kuroshio velocity

3.2 渦旋的分布和影響

海洋中的渦旋以接近于羅斯貝波的速度向西移動［11］，但目前對渦旋到達西邊界之后的命運特別是與西邊界流的相互作用機制仍然不清楚。前人的研究結果表明，渦旋在呂宋海峽呈現不同的形態(tài)［12－14］，且與黑潮發(fā)生強烈的相互作用。鑒于渦旋對黑潮季節(jié)內變化的重要影響，本文采用一個自動探測渦旋的方法［15－16］察看呂宋海峽周邊（16.5°～30°N、120.5°～130°E）渦旋的分布情況，并探討渦旋運動與呂宋海峽黑潮流軸變化的關系。

圖8 2000年1月1日呂宋海峽周邊海域的渦旋分布Fig.8 Eddy distribution in the vicinity of the Luzon Strait on January 1，2000

作為一個例子，圖8是用自動探測渦旋方法找出的渦旋在2000年1月1日的分布，表明該方法能有效地檢測聚集在呂宋海峽周邊海域的大量渦旋。圖9進一步顯示鄰近呂宋海峽的1個方形區(qū)域（18°～23°N、120°～126°E）2000—2008年渦旋的收支情況。從圖9中可見：（1）由于黑潮的平流作用，北邊界出去的渦多于進來的渦，南邊界進來的渦多于出去的渦；（2）由于渦旋的西傳特性，東邊界進來的渦多于出去的渦，西邊界出去的渦多于進來的渦；（3）在區(qū)域內部生成的渦遠多于邊界上進來的渦，且這些渦的絕大部分都消亡在區(qū)域里，說明這里大部分渦旋的生命周期和移動距離有限；（4）由于區(qū)域內生成的渦多于消失的渦，所以從北邊界和西邊界出去的渦分別多于從南邊界和東邊界進來的渦。氣旋和反氣旋渦都具有這些收支特征，只是后者在區(qū)域內的凈生成量大于前者，因而從邊界出去的也更多。呂宋海峽鄰近區(qū)域既是渦旋的“溫床”，也是渦旋的“墓地”［12］；黑潮里的渦旋有可能進入南海［13］，也有可能被黑潮帶走或消亡在黑潮里［14］。

為了進一步察看黑潮與渦旋的相互作用，圖10比較了穿過圖9中120°E和123°E兩條邊界的渦旋數量與相對應的黑潮流軸變化次數。當渦旋從西向東運動時，無論在120°E或123°E，無論是反氣旋渦還是氣旋渦，黑潮流軸在大多數（70%～80%）情況下向 東漂移；反之，當渦旋從東向西運動時，黑潮流軸在大多數（75%～85%）情況下向西漂移。由于在同一時刻穿過黑潮兩邊的渦旋可能不止1個，呂宋海峽黑潮流軸的變化不一定與單個渦旋的進出對應，但圖10中渦旋的進出與黑潮的變化基本一致，表明渦旋是影響呂宋海峽黑潮流軸擺動的主要原因。又因為渦旋以西向運動為主，所以黑潮流軸向西擺動的次數明顯多于向東擺動的次數。

4 結論

本文以高分辨率的區(qū)域海洋環(huán)流模式（ROMS）的9a（2000—2008年）輸出結果為基本數據，利用自行編制的基于速度場的流軸自動檢測方法，分析了黑潮流軸在呂宋海峽附近的位置及其在年際、季節(jié)和季節(jié)內時間尺度上的變化特征，并初步探討了引起這些變化的物理過程和機制。得出的主要結論如下：

（1）黑潮流軸在呂宋海峽附近具有明顯的年際、季節(jié)和季節(jié)內變化，其中季節(jié)內變化最為強烈；總的來說黑潮流軸在表層的變化大于次表層的變化，向西擺動的次數多于向東擺動的次數。

（2）在年際和季節(jié)時間尺度上，黑潮流軸在表層主要受局地風場驅動的艾克曼漂流影響，北風強時西偏，南風強時東偏；而次表層黑潮流軸的變化則主要由黑潮本身的慣性決定，上游流速小時西偏拐入南海，上游流速大時采取更為直接的路徑越過呂宋海峽北上。

（3）在季節(jié)內時間尺度上，黑潮流軸的變化主要由渦旋與黑潮的相互作用控制，當渦旋（包括氣旋和反氣旋渦）向東（向西）運動時，黑潮流軸在大多數情況下向東（向西）漂移；由于渦旋以西向運動為主，所以黑潮流軸的變化以向西的移動居多。

（4）呂宋海峽附近海域的渦旋收支分析表明，這里既是產生渦的“溫床”，也是渦消失的“墓地”；由于產生的渦多于消失的渦，所以從北邊和西邊出去的渦多于從南邊和東邊進來的渦；隨黑潮北上的渦可以對下游產生影響，而向西移動的渦可以將黑潮水帶入南海。

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