北太平洋低緯西邊界流系特征變化研究

戴玉玲，包畯，李家黨

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214400）

1 引言

北太平洋低緯西部邊界流非常復(fù)雜，它同時(shí)連接著熱帶環(huán)流系統(tǒng)（北赤道流-棉蘭老流-北赤道逆流）和副熱帶環(huán)流系統(tǒng)（北赤道流-黑潮-黑潮衍生體），在世界大洋經(jīng)向質(zhì)量、熱量和鹽量的輸運(yùn)中起著重要作用。關(guān)于北太平洋低緯西邊界流系的研究工作，自20世紀(jì)30年代就已開(kāi)始。隨著觀測(cè)手段的不斷更進(jìn)，對(duì)該片海域的國(guó)際聯(lián)合調(diào)查及國(guó)內(nèi)大型海洋調(diào)查計(jì)劃越來(lái)越多，并取得了大量的數(shù)據(jù)，這些資料為研究北太平洋低緯西邊界流系的環(huán)流結(jié)構(gòu)提供了很好的依據(jù)。同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及成熟應(yīng)用，更多的海洋數(shù)值計(jì)算模式應(yīng)用于北太平洋低緯西邊界流系結(jié)構(gòu)特征及變化規(guī)律的研究。目前，對(duì)北太平洋低緯西邊界流系的組成及結(jié)構(gòu)已基本形成較一致的觀點(diǎn)，認(rèn)為北太平洋低緯西邊界流系主要由北赤道流（NEC）、黑潮（KC）和棉蘭老流（MC）組成（部分學(xué)者認(rèn)為包括北赤道逆流（NECC））。本文參考周慧[1]、康霖[2]等的命名方法，將位于赤道以北0°—25°N，經(jīng)度125°—135°E太平洋海域內(nèi)的北赤道流、黑潮、棉蘭老流合稱為北太平洋低緯西邊界流系，記作NEC-KC-MC。

北太平洋低緯西邊界流系中的黑潮和棉蘭老流都出自同源——北赤道流。北赤道流位于赤道以北10°—20°N之間，是太平洋中一支相對(duì)穩(wěn)定的由信風(fēng)引起的自東向西的風(fēng)生漂流，在其到達(dá)太平洋西海岸后，由于受地形阻隔的影響產(chǎn)生分叉，生成向北流動(dòng)的黑潮和向南流動(dòng)的棉蘭老流。這兩支海流因?yàn)榱魉俸艽蟆⑶腋邷馗啕}，能夠給所流經(jīng)的海域帶來(lái)很大的動(dòng)能、熱量和鹽量，從而對(duì)海水能量、熱量和質(zhì)量都有極大的影響，尤其對(duì)改變局部海域的氣候有著極其重要的作用[3-4]。北赤道流作為黑潮和棉蘭老的源流，它的強(qiáng)度和分叉位置直接決定了黑潮和棉蘭老流的強(qiáng)弱，進(jìn)而直接影響著低緯和高緯海域質(zhì)量、熱量的運(yùn)輸，從而對(duì)整個(gè)西邊界流域乃至整個(gè)太平洋地區(qū)海氣系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[5]。此外，北太平洋低緯度西邊界流是全球海溫最高的區(qū)域，是全球最大的熱源地，整個(gè)海表海溫的異常通過(guò)復(fù)雜的海氣相互作用將有可能會(huì)導(dǎo)致全球大氣環(huán)流的變化，從而導(dǎo)致EL Ni?o事件的發(fā)生。由此可見(jiàn)，對(duì)北太平洋低緯度西邊界流，特別是對(duì)其季節(jié)和年際變化規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)海洋氣象甚至全球氣候研究均具有科學(xué)意義[6]。

本文研究所采用的數(shù)據(jù)資料取自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）全球海洋潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)再分析資料，統(tǒng)計(jì)時(shí)間為1983—2012年各月平均數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分辨率為1°（經(jīng)度）×0.3°（緯度）。

2 北太平洋低緯西邊界流表層分布特征

圖1a為本文所采用的NCEP再分析資料得出的北太平洋低緯西邊界流表層多年（1983—2012年）平均流場(chǎng)，其結(jié)果與Tommy等利用高分辨海洋環(huán)流模式(OGCM)模擬得到的西北太平洋表層平均流場(chǎng)分布情況（見(jiàn)圖1b）基本一致。在年平均時(shí)間尺度上，北赤道流（NEC）主要位于8°—20°N之間，年平均流速為20—30 cm/s。NEC流速最強(qiáng)勁處位于10°—14°N之間，年平均流速可達(dá)30 cm/s，最大流速高達(dá)40 cm/s以上。當(dāng)NEC流至太平洋西邊界菲律賓沿岸12°—3°N時(shí)，由于受地形的影響產(chǎn)生分叉，產(chǎn)生北向的黑潮（KC）和南向的棉蘭老流（MC）。KC沿呂宋島一路向北，沿臺(tái)灣島東側(cè)流經(jīng)東海時(shí)，由于和臺(tái)灣東北部大陸坡折區(qū)存在碰撞[8]，方向轉(zhuǎn)向東北運(yùn)動(dòng)，并沿大陸架邊緣與大陸毗連區(qū)到達(dá)29°N，129°E附近后轉(zhuǎn)向東運(yùn)動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，剛分出的KC流速較小，在呂宋島東部年平均流速30—40 cm/s，到達(dá)呂宋島東北部后年平均流速增至50 cm/s，到達(dá)臺(tái)灣島東側(cè)后年平均流速高達(dá)70 cm/s，最大流速可達(dá)90 cm/s以上。MC與KC相似，剛分叉出的MC由于還未完全成型，流速較小，僅為40 cm/s,到達(dá)棉蘭老東側(cè)（7°—8°N）后流速急劇增大，表層年平均流速高達(dá)80—90 cm/s,最高可達(dá)110 cm/s以上，這與Qu[9]通過(guò)CAS調(diào)查計(jì)劃觀測(cè)得到的結(jié)論一致，Qu認(rèn)為上層結(jié)構(gòu)MC在8°N附近才得到充分發(fā)展，流速變大超過(guò)80 cm/s，并隨著深度的減小MC寬度變窄。在NEC-KC-MC流系以南太平洋4°—12°N之間，存在著一支流向與NEC相反的海流，即為北赤道逆流，北赤道逆流的流速大于NEC，年平均流速達(dá)30—40 cm/s，最大可達(dá)50 cm/s以上。北赤道逆流（NECC）以南（0°—3°N）存在南赤道流的蹤影，它的流動(dòng)方向與NEC相同，自東向西流動(dòng)，表層年平均流速與NEC接近，為20—30 cm/s。

圖2 北太平洋低緯西邊界流表層多年季節(jié)平均流場(chǎng)

圖2為北太平洋低緯西邊界流表層多年季節(jié)平均流場(chǎng)。由圖可以看出，無(wú)論是NEC，還是KC和MC，都有較強(qiáng)的季節(jié)變化尺度。NEC夏季（6—8月）流速大于冬季（12—次年2月）流速，春季（3—5月），秋季（9—11月）最小。夏季NEC流速最大，流幅最窄，平均流速達(dá)30—40 cm/s，最大可達(dá)50 cm/s以上，秋季流速最小，流幅最大，平均流速僅為20 cm/s。同時(shí)，由圖也可以看出NEC在位置上存在季節(jié)上的偏移，相較于冬季，夏季NEC的位置略比冬季偏北1—2個(gè)緯度。KC和MC的變化特征與NEC相似，夏季流速大，流幅窄，KC和MC夏季平均流速最大分別可達(dá)70—80 cm/s、90—100 cm/s。冬季，KC流速小，流幅變寬，平均流速為60 cm/s，最小流速僅為40 cm/s；相比較于KC，MC冬季和夏季平均流速差別較小，冬季略小于夏季，平均流速也達(dá)90 cm/s。同樣，北赤道逆流在位置上也存在季節(jié)上的變化，夏季主要位于4°—7°N，冬季主要位于3o—7°N，位置比夏季略向南移動(dòng)了1個(gè)緯度，流幅比夏季略寬1個(gè)緯度；在流速上，北赤道逆流的強(qiáng)流區(qū)比較集中，尤其是在秋季，主要集中在3°—5°N之間，該緯度范圍內(nèi)流速高達(dá)40—50 cm/s，而夏季流速分布較均勻，平均流速達(dá)40 cm/s以上，冬季流速略小于夏季，但平均流速仍達(dá)30—40 cm/s。

3 北太平洋低緯西邊界流流量月變化特征

為了積分方便，分別將NEC、KC、MC各斷面1983—2012年30年的逐月數(shù)據(jù)資料進(jìn)行水平方向和垂直方向上插值，水平方向上插值到0.1°經(jīng)度×0.1°緯度，垂直深度上插值到10 m一層，分別計(jì)算NEC、KC、MC、NECC各斷面上的流量，選取的積分經(jīng)緯度和深度范圍見(jiàn)表1所示。

表1 NEC、KC、MC、NECC流量計(jì)算選取范圍[10-11]

根據(jù)表1，計(jì)算得出NEC、KC、MC，NECC各斷面的月平均流量（見(jiàn)圖3）。從各月流量分布來(lái)看，NEC春夏兩季的流量運(yùn)輸明顯大于秋冬兩季，且在夏季的7月出現(xiàn)最大值57 Sv，冬季的12月出現(xiàn)最小值49 Sv。在春夏季節(jié)，NEC在130oE斷面的緯向流量運(yùn)輸一直維持在52 Sv以上，春季的流量運(yùn)輸為54.7 Sv，夏季的流量運(yùn)輸最高，為56.3 Sv。值得注意的是在夏季的8月，NEC的流量運(yùn)輸由7月的最高值突然降低，減小至小于春季的流量運(yùn)輸，這可能是由于季節(jié)的過(guò)渡，NEC的表層出現(xiàn)了漩渦的原因。KC的流量變化基本穩(wěn)定，上下波動(dòng)較小，全年維持在23—28 Sv之間，冬季月份流量略小于夏季月份，且在12月出現(xiàn)了最小值，為23 Sv，夏季7月份出現(xiàn)了最大值，為28 Sv。這個(gè)計(jì)算結(jié)果與Yaremchuk[12]等計(jì)算得到的27.6 Sv和Atsuhiko[13]計(jì)算得到的30 Sv以下比較接近，而與Qu[9]、鞠霞[14]等計(jì)算得到的12—15 Sv的差距還較大?？偟膩?lái)看，大多數(shù)學(xué)者計(jì)算的KC流量在12—60 Sv之間不等，結(jié)果相差很大，一方面這與KC所處的流場(chǎng)環(huán)境有關(guān)，另一方面與計(jì)算所選取的參考面和計(jì)算方法有關(guān)[15]，目前對(duì)于KC的范圍和方法還未存在一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。相較于KC，MC的流量變化具有明顯的季節(jié)變化特征，春季流量輸送最大，夏季次之，秋季流量運(yùn)輸最小，春季最大流量運(yùn)輸達(dá)32 Sv，秋季僅為25 Sv。MC的流量變化趨勢(shì)和NEC變化趨勢(shì)非常接近，略有差別之處在于NEC在過(guò)了夏季的7月后流量逐漸減小，而MC在5月份過(guò)后就有流量變小的趨勢(shì)，可能的原因在于呂宋島以東表層出現(xiàn)了漩渦[10]。NECC在流量變化上與NEC具有反相性，流量運(yùn)輸?shù)淖畲笾党霈F(xiàn)于秋末冬初的11月份，為40 Sv，而最小值出現(xiàn)于冬季的2月份，僅為28 Sv，由此可見(jiàn)，在冬季NECC的波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差。

圖3 NEC、KC、MC、NECC各斷面月平均流量

由圖3還可以看出，KC和MC的流量總和變化趨勢(shì)和NEC的變化趨勢(shì)接近，但數(shù)值上略大于NEC的流量運(yùn)輸。一方面可證明KC和MC為NEC分叉后的主要支流，因此KC和MC的流量總和與NEC流量接近，且變化趨勢(shì)一致；另一方面，由于在流量計(jì)算過(guò)程中積分選取的經(jīng)緯度及深度范圍所致，KC和MC的流量總和與NEC流量存在偏差。另外，在NEC流量計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在NEC南邊界中，緯向存在正方向的流速，這是由于NEC中混有部分反向的赤道逆流，在NEC流量計(jì)算中，這部分流量與NEC流量進(jìn)行了部分抵消，這也是KC和MC流量總和略大于NEC流量的原因之一。

4 北太平洋低緯西邊界流相關(guān)性分析

由表2可以看出，NEC、KC和MC夏季多年平均流量大于冬季多年平均流量，NECC冬季多年平均流量略大于夏季多年平均流量。從流量的穩(wěn)定性來(lái)看，除MC外，NEC、KC和NECC的夏季流量的穩(wěn)定性均強(qiáng)于冬季流量。4支海流中，MC流量的穩(wěn)定性最好，NECC的穩(wěn)定性最差，尤其冬季，NECC的流量起伏波動(dòng)大，表現(xiàn)的非常不穩(wěn)定。從季節(jié)指數(shù)[16][I=（Ms-Mw）/]來(lái)看，NEC的季節(jié)變化最明顯，其次是MC，NECC的季節(jié)變化最不明顯，這是由于NEC主要受東北信風(fēng)的驅(qū)動(dòng)，對(duì)季節(jié)變化的響應(yīng)強(qiáng)烈；而NECC處于赤道無(wú)風(fēng)帶，對(duì)季節(jié)變化的響應(yīng)較弱，但這不是NECC流量不穩(wěn)定的唯一原因，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的研究結(jié)果，有的學(xué)者認(rèn)為和NECC的形成原因有關(guān)，有的則認(rèn)為要從波動(dòng)理論來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

表2 北太平洋低緯西邊界流相關(guān)性分析表

從各海流與NEC的相關(guān)性分析，無(wú)論是KC還是MC，它們與NEC的相關(guān)系數(shù)的均大于0.5，說(shuō)明總的來(lái)說(shuō)，NEC的流量同時(shí)控制著KC、MC的流量變化，且KC、MC與NEC為正相關(guān)，即當(dāng)NEC流量增加時(shí)，KC和MC的流量都增加，而當(dāng)NEC流量減小時(shí)，KC和MC的流量也都隨之減小。這與康霖博士[17]通過(guò)研究NEC與KC、MC的流量變化在季節(jié)時(shí)間尺度和年際時(shí)間尺度上的流量異常變化現(xiàn)象得出的KC、MC的流量變化與NEC具有同相變化關(guān)系的結(jié)論相一致。比較KC、MC與NEC的相關(guān)性，MC與NEC的相關(guān)系數(shù)大于KC，即MC的流量受NEC的影響較KC大。用同樣的方法計(jì)算MC與KC的相關(guān)系數(shù)為0.16，可見(jiàn)，MC與KC雖然同為NEC的主要支流，但兩者之間的關(guān)系并非為負(fù)相關(guān)，而是正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)很低，因此得出結(jié)論：同作為NEC的兩條支流，MC的流量并不因?yàn)镵C流量的增大而變小，且KC流量與MC流量?jī)烧咧g既有關(guān)聯(lián)，又互相獨(dú)立。相較于MC，KC與NEC的相關(guān)系數(shù)略低，這與Qiu和Lukas[18]的研究結(jié)果相一致，說(shuō)明KC流量在受NEC流量變化影響的同時(shí)還受其他因素的制約，如呂宋海峽東部的漩渦，日本島南部的暖渦及KC北側(cè)的副熱帶逆流等等，這些因素對(duì)KC流量的影響均是不容忽視的。NECC與NEC有很大的負(fù)相關(guān)性，即當(dāng)NEC流量增加時(shí)，NECC流量減??；而當(dāng)NEC流量減小時(shí)，NECC的流量反而變大。這與高立寶等[19]利用投放的漂流浮標(biāo)觀測(cè)資料（2005—2008年）并結(jié)合ADCP和Argo浮標(biāo)資料分析得出的NEC與NECC兩者流量具有季節(jié)方向變化特征的結(jié)論相一致，而與孫湘平[20]利用1967—1995年日本氣象廳海洋氣象觀測(cè)資料得出的NEC與NECC兩者流量具有相同季節(jié)變化的結(jié)論相反。一方面可能的原因是兩者所使用的觀測(cè)資料不同造成的差異，且后者所使用的資料僅限于冬、夏二季；另一方面可能的原因是NECC海流的主要來(lái)源并非NEC，可能是與之變化反向的南赤道流，具體原因還需進(jìn)一步分析。

5 結(jié)論

本文研究了北太平洋低緯西邊流系表層分布特征及流量月變化特征，并探討了各海流之間的相關(guān)性，得出以下結(jié)論：

（1）北太平洋低緯西邊界流系主要由NEC、KC、MC及NECC構(gòu)成，在位置變化上表現(xiàn)出夏季北移，冬季南移的特征；在流速變化上均表現(xiàn)出夏季強(qiáng)盛，冬季減弱的季節(jié)變化特征；

（2）從流量運(yùn)輸情況看，NEC、KC和MC的春夏季節(jié)流量運(yùn)輸均大于秋冬季節(jié)的流量運(yùn)輸，而NECC則相反；

（3）從各海流與NEC的相關(guān)性分析上看，NEC與KC、MC為正相關(guān)，與NECC為負(fù)相關(guān)，NEC的流量變化控制著KC、MC的流量變化。

本文對(duì)北太平洋低緯西邊界流系的研究重點(diǎn)主要集中于對(duì)NEC、KC、MC組成的NEC-KC-MC流系，而對(duì)NECC僅做了初步分析；另外，由于本文主要從整體趨勢(shì)研究各流系的分布及時(shí)空變化特征，所采用的數(shù)據(jù)資料分辨率有限，如需對(duì)各流系的變化機(jī)理及影響因素做進(jìn)一步分析，還需增加分辨率更高的數(shù)據(jù)資料以及其他諸如風(fēng)場(chǎng)、衛(wèi)星高度計(jì)、溫鹽場(chǎng)等資料。

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