1991
—2011年東海黑潮PN斷面流結(jié)構(gòu)與季節(jié)變化分析

孔彬，陳紅霞，袁業(yè)立

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

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1991
—2011年東海黑潮PN斷面流結(jié)構(gòu)與季節(jié)變化分析

孔彬1，2，陳紅霞2 *，袁業(yè)立2

（1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590；2.國家海洋局第一海洋研究所，山東青島266061）

摘要：基于日本海洋信息中心提供的東海黑潮P N斷面C T D資料，本文采用動(dòng)力高度法計(jì)算了1991-2011年間90個(gè)航次的斷面流速，并對流場結(jié)構(gòu)、最大流速、流幅和流量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：東海黑潮P N斷面流場存在單核、雙核、多核3種結(jié)構(gòu)；其中單核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的概率為50 %，雙核結(jié)構(gòu)為39 %，多核結(jié)構(gòu)為11 %。東海黑潮的流結(jié)構(gòu)存在顯著的季節(jié)變化：秋季多核結(jié)構(gòu)所占的比重為4個(gè)季節(jié)最大，平均流核數(shù)最多；冬季主要為單核結(jié)構(gòu)，平均流核數(shù)最少；夏季和春季則沒有明顯的傾向性，單核、雙核、多核3種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)概率相近，平均流核數(shù)介于秋季和冬季之間。其次東海黑潮的流量也存在顯著的季節(jié)變化：冬季與夏季最強(qiáng)，秋季最小，春季居中。最后東海黑潮的最大流速和流幅也存在季節(jié)變化：夏季最大，秋季最小，春季和冬季居中。

關(guān)鍵詞：東海；黑潮；P N斷面；流速結(jié)構(gòu)；季節(jié)變化

1　引言

黑潮是著名的西邊界強(qiáng)流，它是北赤道流的北向分支，起源于呂宋島以東的太平洋洋面上，沿臺(tái)灣島以東北上進(jìn)入東海，然后穿越吐噶喇海峽流出東海，最終經(jīng)日本以南海域匯入北太平洋。黑潮具有流速大、流量大、高溫及高鹽等特點(diǎn)。關(guān)于黑潮的科學(xué)調(diào)查迄今已經(jīng)有90多年的歷史，積累了大量的調(diào)查資料。通常，在東海境內(nèi)的這一段黑潮被稱為東海黑潮，東海黑潮在整個(gè)黑潮流系中起著承上啟下的作用。東海黑潮的存在與變異，不僅直接影響整個(gè)東海及其鄰近海域的環(huán)流系統(tǒng)，而且對我國東南沿海地區(qū)的海洋生態(tài)、漁業(yè)資源等均有顯著影響［1］，因此對東海黑潮流場結(jié)構(gòu)的分析以及黑潮與陸架水相互作用的研究是黑潮研究的重要內(nèi)容。

P N斷面位于東海琉球群島的沖永良部島西北方，呈西北、東南走向，橫切沖繩海槽，與黑潮主軸垂直，圖1為P N斷面的位置。從1955年開始，日本長崎海洋氣象臺(tái)就開始對該斷面的黑潮主段進(jìn)行定期觀測。起初叫G斷面，每年觀測2～3個(gè)航次；1972年改名為P N斷面，位置較G斷面向西南方向略有移動(dòng)，并隨即進(jìn)行季節(jié)性觀測。1987年之前采用南森瓶對P N斷面進(jìn)行水文觀測，1987年至今則主要采用C T D來獲得高精度剖面數(shù)據(jù)。P N斷面是東海黑潮中觀測最系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)斷面，因此P N斷面在東海黑潮流場和流量變化特征研究上極具代表性。

20世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對黑潮的流場結(jié)構(gòu)、流量變化等研究做出了大量工作。國外學(xué)者中，日本學(xué)者赤松英雄［2］、井上尚文［3］等關(guān)于P N斷面流結(jié)構(gòu)的研究工作最值得參考。國內(nèi)學(xué)者袁耀初等［4—5］、孫湘平等［6—7］與湯毓祥和田代知二［8］在黑潮的流結(jié)構(gòu)問題上也做了大量的工作。在P N斷面流速結(jié)構(gòu)研究方面，袁耀初是國內(nèi)學(xué)者中最先提出P N斷面多核結(jié)構(gòu)的。袁耀初通過對1987年9-10月以及1988年4個(gè)航次P N斷面的流場計(jì)算，證實(shí)了P N斷面存在雙核結(jié)構(gòu)［4—5］?；谌毡竞Ｑ笮畔⒅行模↗O D C）長時(shí)間序列的調(diào)查數(shù)據(jù)，陳紅霞等［9］對黑潮P N斷面流場主要特征做了近50年的時(shí)間序列分析，得到了黑潮P N斷面流核位置的時(shí)間序列以及黑潮流結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化。在P N斷面的流幅及流量的研究方面，管秉賢［1］基于G斷面上20年的觀測資料，得出G斷面流幅變動(dòng)范圍為10～80 n mile。湯毓祥和林葵［10］基于1955-1990年G-P N斷面資料，分析了東海黑潮流量的分布特征及其變異，得到東海黑潮流量的多年平均值為22.7×106m3/s。

隨著近年來對東海黑潮觀測的持續(xù)開展，P N斷面上的觀測資料也逐漸豐富。囿于資料更新的階段性，針對2000年以后的P N斷面流結(jié)構(gòu)的研究相對較少，并且近些年也缺少對P N斷面流結(jié)構(gòu)長時(shí)間序列的研究。

本文選擇1991-2011年作為研究時(shí)段，主要原因有：自1991年起日本海洋信息中心開始提供P N斷面垂向記錄間隔為1 m的高分辨率C T D數(shù)據(jù)，由于1991年后有些年份沒有提供高分辨率數(shù)據(jù)，用高分辨率數(shù)據(jù)無法做長時(shí)間序列的分析，所以本文沒有采用這種高分辨率C T D數(shù)據(jù)，但是為了便于同以后用高分辨率C T D數(shù)據(jù)所做的工作作對比，本文將1991年作為起始時(shí)間；到目前為止，日本海洋信息中心的P N斷面C T D數(shù)據(jù)只更新到2011年，有關(guān)數(shù)據(jù)收集也只能到2011年；1991-2011年期間P N斷面調(diào)查站位的數(shù)目發(fā)生了兩次變化，是P N斷面站位變化比較頻繁的一個(gè)時(shí)段。本文將利用日本海洋信息中心提供的1991-2011年P(guān) N斷面C T D調(diào)查資料，計(jì)算斷面上的地轉(zhuǎn)流分布，分析斷面上的流場結(jié)構(gòu)、最大流速、流幅和流量及季節(jié)差異，并與前人研究結(jié)果相比較，總結(jié)其內(nèi)在規(guī)律。

圖1　P N斷面的位置Fig.1 The location of P N Section

2　數(shù)據(jù)與方法

本文中采用的水文數(shù)據(jù)全部從JO D C下載獲得（http：//w w w.jodc.go.jp），數(shù)據(jù)包括從1991年1月到2011年11月沿P N斷面的90個(gè)航次的C T D數(shù)據(jù)資料。區(qū)域的范圍為25°～30°N，125°～130°E。得到的P N斷面的觀測站點(diǎn)序列如圖2所示。

由圖2可見，在不同的時(shí)間段內(nèi)，這一斷面的觀測長度和觀測站位有顯著不同，但在相同觀測范圍內(nèi)站位分布大致相同，斷面觀測的東側(cè)邊界也基本一致。在1991年1月至1996年10月期間，斷面的觀測長度最長，東西向范圍大致為124.5°～128.3°E，觀測站點(diǎn)數(shù)為22個(gè)；1996年10月至2010年5月，126°E以西的6個(gè)站點(diǎn)不再納入觀測之列，此時(shí)的觀測站位有16個(gè)；2010年5月以后又取消了126.4°E西側(cè)的兩個(gè)站點(diǎn)，此時(shí)觀測站點(diǎn)只剩14個(gè)。

圖2　1991年1月至2011年11月間P N斷面站點(diǎn)分布圖（+代表測站點(diǎn)）Fig.2 Observation stations along the P N Section during January 1991 to November 2011（+ indicates observation stations）

從觀測數(shù)據(jù)的垂向分辨率上看，從JO D C獲得的C T D數(shù)據(jù)可分為兩種類型。一種為垂向間隔為1 m的高分辨率數(shù)據(jù)，而另一種是僅在水深為0、10、20、30、50、75、100、125、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1 000、1 100、1 200 m的層上有數(shù)據(jù)記錄的低分辨率數(shù)據(jù)。在1991-2011年中，高垂向分辨率數(shù)據(jù)覆蓋的年份為1991-1992年以及2000-2011年，低分辨率數(shù)據(jù)覆蓋的年份為1991-2009年。為了便于比較，我們統(tǒng)一采用低分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，而2010-2011年的低分辨率記錄從高分辨率數(shù)據(jù)中按低分辨率的水深層面選取出來。

通常一個(gè)斷面上的地轉(zhuǎn)流動(dòng)力計(jì)算是通過依次計(jì)算兩相鄰站點(diǎn)的中間流速完成的。這種算法簡單、計(jì)算量小，但計(jì)算得到的流速數(shù)據(jù)不僅在兩端范圍上各少了半個(gè)站距，在垂向上也舍去了兩相鄰站點(diǎn)中未共同觀測的深度范圍，存在淺水訂正產(chǎn)生的過大誤差。為了克服這些問題，實(shí)現(xiàn)非線性訂正，動(dòng)力計(jì)算前，在垂向和橫向上均進(jìn)行插值加密。選取的插值算法為Kriging插值，插值后的垂向分辨率為10 m/層。為了便于插值，在水平方向上采用各站點(diǎn)距離斷面上125.5°E站點(diǎn)的線距離（單位：k m），用線距離代替橫向上的經(jīng)度，插值后的水平分辨率為2 k m。

近些年，多種計(jì)算方法被用以進(jìn)行東海黑潮的海流計(jì)算，如動(dòng)力高度法、螺旋方法以及改進(jìn)的螺旋方法、逆方法和P矢量法等［11—15］。對于P N斷面這樣的單一斷面的海流計(jì)算，動(dòng)力高度法是利用C T D調(diào)查資料進(jìn)行地轉(zhuǎn)流計(jì)算最為常用的方法?；谇叭说难芯砍晒?，并便于和前人的研究結(jié)果相比較［16］，本文在動(dòng)力計(jì)算中采用了以下計(jì)算參數(shù)：海水密度均值ρ0取1.025×103kg/m3，科氏參數(shù)f = 2Ωsin θ，其中Ω為地轉(zhuǎn)角速度，θ為測點(diǎn)所在的緯度，零流面取700 m。

對斷面流速分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)流核時(shí)遵循以下原則［9］：

（1）流核的統(tǒng)計(jì)范圍為線距離150～300 k m的黑潮流軸段。線距離150 k m以西為陸架區(qū)域，線距離300 k m以東為黑潮逆流區(qū)域。這一范圍也是所有航次都有觀測的范圍。

（2）流核的核心流速應(yīng)是附近最大的，而且流速應(yīng)大于20 cm/s。流核的影響范圍（只包絡(luò)這一個(gè)流核的最小等值線的范圍）應(yīng)在橫向上大于10 k m，縱向上大于30 m。流核應(yīng)與影響范圍之外的區(qū)域有10 cm/s以上的流速差。

（3）流核處的等值線是閉合的。流核區(qū)的等值線自閉合或者與邊界形成閉合均視為閉合。

（4）兩個(gè)流速較大的區(qū)域被同等值線包絡(luò)時(shí)，當(dāng)兩區(qū)域流速極大值均比該等值線數(shù)值大10 cm/s以上且具有顯著獨(dú)立的影響范圍時(shí)視為雙核。

3　PN斷面流結(jié)構(gòu)的基本形態(tài)

根據(jù)流核的個(gè)數(shù)進(jìn)行分類，黑潮P N斷面的流場可以分為3種結(jié)構(gòu)：單核結(jié)構(gòu)、雙核結(jié)構(gòu)及多核結(jié)構(gòu)。

3.1單核結(jié)構(gòu)

在本文研究選用的90個(gè)航次中，P N斷面出現(xiàn)單核結(jié)構(gòu)的次數(shù)為45次，占總數(shù)的比例為50 %。其中，單核結(jié)構(gòu)分為兩種情況：一種是最大流速等值線與海表閉合情況，這種結(jié)構(gòu)占單核結(jié)構(gòu)的68 %；一種是最大流速等值線自閉合的情況，這種結(jié)構(gòu)占單核結(jié)構(gòu)的32 %。P N斷面幾種典型的單核結(jié)構(gòu)流速剖面圖如圖3所示。

圖3　單核結(jié)構(gòu)流速（cm/s）剖面圖Fig.3 Current profiles of single core structure（cm/s）

圖3a給出的是最大流速等值線與海表閉合的情況，以2011年7月航次為例，出現(xiàn)這種情況時(shí)流核一般位于陸坡附近，深度較淺，流核處的流速比較大，陸坡處的流速等值線比較密集。在2011年7月，流核位于線距離210 k m處，最大流速為130 cm/s，出現(xiàn)在表層；在陸坡上不到50 k m的水平距離內(nèi)，流速從流核處的130 cm/s急劇下降到0，水平變化梯度為2.6 ×10-5s-1。此外在320 k m以東出現(xiàn)了較大的逆流，逆流的最大流速同樣出現(xiàn)在表層，最大流速為35 cm/s，逆流流幅約50 k m。

圖3b給出的是最大流速等值線自閉合的情況，以2007年1月航次為例，出現(xiàn)這種情況時(shí)流核一般層面較深。這一航次的流核位于線距離220 k m附近，流核深度在150 m附近，最大流速為65 cm/s；斷面西側(cè)陸架上的流速很小，只有5 cm/s。在斷面上線距離290 k m處有一流速增大的區(qū)域，但是其核心流速小于20 cm/s，無論在水平影響范圍上還是垂向影響范圍上均較小，這里不視為流核。

圖3c給出的是出現(xiàn)存在偽流核時(shí)的單核結(jié)構(gòu)，以1997年4月航次為例。偽流核在上述兩種單核結(jié)構(gòu)中均有出現(xiàn)。偽流核是指在流場圖中形狀與流核相似，但是不符合流核定義的區(qū)域。袁耀初等［17］在分析1998年11月P N斷面流場時(shí)曾指出過偽流核的存在。位于線距離210 k m處表層的流核非常清晰，最大流速為90 cm/s，這與圖3a的流核相對應(yīng)。需要特別指出的是，在線距離250 km附近有一個(gè)流速等值線和上邊界閉合的偽流核。由于在圖中難以全面對等值線的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)示，這一流核單從封閉程度和影響范圍上容易被誤認(rèn)為是第二個(gè)流核。但通過對流速等值線的數(shù)值進(jìn)行檢查后可以發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)從外向內(nèi)流速逐漸變小的偽流核，不符合流核的判斷原則第二條，所以不視為流核。這一航次在黑潮的東西兩側(cè)均出現(xiàn)逆流。其中陸架上的逆流位于線距離140 km附近，流速最大值為15 cm/s；黑潮逆流區(qū)的逆流位于線距離330 km附近，流速最大值為25 cm/s。

3.2雙核結(jié)構(gòu)

在研究的90個(gè)航次中，出現(xiàn)雙核結(jié)構(gòu)的共有37次，占總數(shù)的39 %。為了便于表達(dá)，下文沿用前人的說法［9］，當(dāng)流核有兩個(gè)時(shí)，流速最大的流核被稱為主流核，較小的稱為次流核。從兩個(gè)流核的相對位置來看，雙核結(jié)構(gòu)主要可以分為兩種情形：一種是主流核位于右側(cè)的情況，這種結(jié)構(gòu)占雙核結(jié)構(gòu)的83 %；一種是主流核位于左側(cè)的情況，這種結(jié)構(gòu)占雙核結(jié)構(gòu)的17 %。兩種雙核結(jié)構(gòu)分別如圖4a與圖4b所示。

圖4　雙核結(jié)構(gòu)流速（cm/s）剖面圖Fig.4 Current profiles of double-core structure（cm/s）

圖4a展示的是主流核位于右側(cè)時(shí)的情況，以2006年4月航次為例，此時(shí)主流核位于線距離232 k m的表層，最大流速為92 cm/s。另一個(gè)流核位于線距離170 k m附近的陸架海域的表層，最大流速為40 cm/s。由于兩個(gè)流核相距較近，共同被陸架陸坡上的5 cm/s、15 cm/s流速等值線所包圍。這一航次的黑潮逆流區(qū)范圍較大，最大逆流流速為60 cm/s。

圖4b給出的是1997年11月航次出現(xiàn)的雙流核結(jié)構(gòu)，此時(shí)主流核位于左側(cè)。位于線距離225 k m的流核最大流速為145 cm/s，而位于線距離295 k m深水海槽表層處的另一個(gè)流核最大流速只有28 cm/s。與圖4a相比較，兩種情況的次流核影響范圍均不大，在深度上只有100 m左右，在水平方向上約30 k m左右。需要注意的是，在線距離270 k m處還有一等值線較為密集、與上邊界封閉的流速極值區(qū)，這一極值區(qū)位于主流核與次流核之間。通過核實(shí)流速等值線的數(shù)值不難發(fā)現(xiàn)，這是在兩個(gè)流核之間的一個(gè)流速極小值區(qū)，因不符合流核的判斷原則，因此不視之為流核。

3.3多核結(jié)構(gòu)

當(dāng)P N斷面流核個(gè)數(shù)為3個(gè)或者多于3個(gè)時(shí)稱之為多核結(jié)構(gòu)。在研究的90個(gè)航次中，只有10個(gè)航次出現(xiàn)了多核結(jié)構(gòu)，所占比例為11 %。從流核的相對位置來看，多核結(jié)構(gòu)主要可以分為兩種情形：一種是主流核位于其他流核左側(cè)的情況，這種結(jié)構(gòu)占多核結(jié)構(gòu)的40 %；另一種是主流核位于中間的情況，這種結(jié)構(gòu)占多核結(jié)構(gòu)的60 %。圖5中給出了P N斷面兩種多核結(jié)構(gòu)的流速剖面分布情況。

2007年7月航次出現(xiàn)的是3個(gè)流核的多核結(jié)構(gòu)，流速分布情況如圖5a所示。從3個(gè)流核的相對位置看，主流核位于中間，其左右各有一個(gè)流核。主流核位于線距離223 k m陸坡處的40 m層附近，最大流速為110 cm/s；左側(cè)流核位于線距離160 k m處的陸架海區(qū)表層，最大流速為75 cm/s；右側(cè)流核位于線距離260 k m處的深水海槽表層，最大流速為80 cm/s。3個(gè)流核均被55 cm/s的流速等值線包圍；由于3個(gè)流核在水平方向上的影響范圍較大，所以此時(shí)外圍等值線的走勢與其他流結(jié)構(gòu)時(shí)不同：等值線的最下層向東偏移，左側(cè)的斜率減小，右側(cè)的斜率增大而幾近垂直。

圖5　多核結(jié)構(gòu)流速（cm/s）剖面圖Fig.5 Current profiles of multi-core structure（cm/s）

2011年11月航次的流速結(jié)構(gòu)如圖5b所示。雖然流核個(gè)數(shù)也是3個(gè)，但出現(xiàn)的是多核結(jié)構(gòu)的另一種情況。此時(shí)主流核位于陸坡上，而另外兩個(gè)流核位于其左側(cè)的陸架海域。最大流速為70 cm/s的主流核位于線距離211 k m處，深度在140 m附近；另外兩個(gè)流核分別位于線距離150 k m和185 k m處的表層，流核處的速度分別為25 cm/s和65 cm/s。

在黑潮逆流區(qū)，這兩個(gè)航次共同的特點(diǎn)是均有范圍較大的逆流出現(xiàn)，且最大流速均超過15 cm/s。但前者的逆流影響范圍較深，可達(dá)400 m，而后者只有200 m。從流核流速的比較上看，多核結(jié)構(gòu)時(shí)主流核的流速一般較小，有時(shí)甚至與其中一個(gè)次流核的流速相當(dāng)。

需要注意的是，在1991-2011年間出現(xiàn)的多核結(jié)構(gòu)中，均只有3個(gè)流核，并沒有出現(xiàn)4個(gè)流核和5個(gè)流核的多核結(jié)構(gòu)。

與前人研究結(jié)果相比較，從黑潮P N斷面不同流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的比例來看，本文的結(jié)果與陳紅霞等［9］的研究結(jié)果較為一致，均是單核結(jié)構(gòu)最多，然后是雙核結(jié)構(gòu)，多核結(jié)構(gòu)最少。不同之處在于，本文的多核結(jié)構(gòu)中只出現(xiàn)了3個(gè)流核的情況，而沒有4個(gè)流核和5個(gè)流核的情況，這與陳紅霞等的研究結(jié)果有所不同。

3.4流核空間分布

3種流速分布基本形態(tài)對應(yīng)的流核空間分布情況如圖6所示。

圖6a給出的是出現(xiàn)單核結(jié)構(gòu)時(shí)的流核分布情況。由圖可見P N斷面所有類型的流結(jié)構(gòu)中單核結(jié)構(gòu)的流核分布最為集中。在水平方向上，流核主要分布在線距離180～230 k m之間，這是東海陸坡和海槽所在位置；在垂向上，單核結(jié)構(gòu)的流核全部集中在150 m層以淺。其中在線距離195～215 k m之間20 k m陸坡的范圍內(nèi)，集中了80 %的流核，表明陸坡處是單核結(jié)構(gòu)流核最集中出現(xiàn)的海域。

圖6b給出的是出現(xiàn)雙核結(jié)構(gòu)時(shí)的流核分布情況。由圖可見，雙核結(jié)構(gòu)的主流核也主要集中在線距離180～250 k m范圍內(nèi)陸坡上的200 m層以上；無論在水平方向上還是在垂直方向上均體現(xiàn)了與單核結(jié)構(gòu)時(shí)流核位置的一致性。在水平方向上，大部分次流核分布在主流核西側(cè)的陸架上，只有少數(shù)位于在主流核的東側(cè)；在垂直方向上，次流核全部在100 m層以上，其中絕大部分分布在50 m層以上；這說明次流核多出現(xiàn)在陸架一側(cè)的淺水海區(qū)。

從圖6c給出的多核結(jié)構(gòu)時(shí)流核的分布情況可以看出，10個(gè)航次的主流核均出現(xiàn)在線距離200～230 k m的陸坡范圍，其他流核雖然在主流核兩側(cè)均有出現(xiàn)，但與雙核結(jié)構(gòu)時(shí)相似，多數(shù)出現(xiàn)在主流核左側(cè)的陸架上，出現(xiàn)在主流核右側(cè)的次流核個(gè)數(shù)明顯要少。在垂向上，出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)時(shí)的全部主流核都位于150 m層以上，且多數(shù)主流核的位置比其他流核要深。

圖6　不同流結(jié)構(gòu)的流核位置分布（+代表流核，△代表主流核；a-c分別為單核結(jié)構(gòu)、雙核結(jié)構(gòu)、多核結(jié)構(gòu)）Fig.6 Location distribution of current core of different current structure（+ indicates current core，△indicates main core，a-c indicates single core structure，double-core structure and multi-core structure respectively）

由此可見，無論P(yáng) N斷面流速剖面出現(xiàn)的是單核、雙核或多核結(jié)構(gòu)，主流核均位于陸坡附近海域，在垂向上位于200 m層以淺。

從流核出現(xiàn)的位置來看，本文的結(jié)果與劉勇剛和袁耀初［11—12，15］和陳紅霞等［9］的研究結(jié)果相近，其中主流核均出現(xiàn)在陸坡位置，次流核多出現(xiàn)在陸架一側(cè)，出現(xiàn)在深水一側(cè)的相對較少。

4　PN斷面流況的季節(jié)變化

受北太平洋副熱帶反氣旋式風(fēng)場、季節(jié)性風(fēng)場和海水溫度的控制和影響，P N斷面上流場結(jié)構(gòu)及其特征值存在著顯著的季節(jié)變化。本文主要從流結(jié)構(gòu)、最大流速、流幅、流量等幾個(gè)方面來探究東海黑潮的季節(jié)變化。

4.1流結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化

1991-2011年期間P N斷面共進(jìn)行了90個(gè)航次的觀測，本文按季節(jié)對觀測航次進(jìn)行了劃分（3-5月為春季；6-8月為夏季；9-11月為秋季；12月至翌年2月為冬季），并計(jì)算了每個(gè)季節(jié)的平均流核，得到的結(jié)果如表1所示。4個(gè)季節(jié)中秋季的航次最多，因?yàn)?996-2001年期間秋季每年有兩個(gè)航次；其他3個(gè)季節(jié)每年只觀測一次，其中春季的航次數(shù)為20，夏季和冬季的航次數(shù)均為21。

所有的單核結(jié)構(gòu)中，有16次出現(xiàn)在冬季。冬季單核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的概率為76 %，是4個(gè)季節(jié)中最大的。秋季出現(xiàn)了11次的單核結(jié)構(gòu)，但由于秋季航次多，所以單核結(jié)構(gòu)所占的比例僅為39 %，是4個(gè)季節(jié)中最少的。春夏兩季單核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的概率相差不大，介于冬季與秋季之間。

所有的雙核結(jié)構(gòu)中，只有5次出現(xiàn)在冬季，雙核結(jié)構(gòu)在冬季出現(xiàn)的概率為24 %，是4個(gè)季節(jié)中最小的。秋季雙核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的概率也僅為39 %。夏季雙核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)9次，出現(xiàn)概率為43 %。春季是雙核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最多的季節(jié)，雙核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的概率為50 %。

所有的航次中，多核結(jié)構(gòu)總共出現(xiàn)了10次，其中有6次出現(xiàn)在秋季，占多核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)次數(shù)的一半還多。其他季節(jié)中，夏季出現(xiàn)了3次多核結(jié)構(gòu)，春季出現(xiàn)了1次，而冬季沒有出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)。

綜上可見，黑潮P N斷面的流結(jié)構(gòu)存在顯著的季節(jié)差異。秋季是出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)最多的季節(jié)，雙核結(jié)構(gòu)也較多，單核結(jié)構(gòu)所占的比重相對于其他季節(jié)較小。冬季是出現(xiàn)單核結(jié)構(gòu)最多的季節(jié)，沒有出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)，雙核結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)概率是4個(gè)季節(jié)中最小的。秋季與冬季對比來看，兩者有顯著的差異，冬季中單核結(jié)構(gòu)占了多數(shù)，而秋季單核較少，冬季雙核及多核所占比重很小，而秋季所占比重很大，所以秋季與冬季是黑潮P N斷面流結(jié)構(gòu)差異最大的兩個(gè)季節(jié)。在夏季，單核、雙核、多核3種結(jié)構(gòu)均有出現(xiàn)，而且出現(xiàn)的比例在4個(gè)季節(jié)中均居中。春季與夏季出現(xiàn)單核和雙核的比例均相差不大，不同的是春季出現(xiàn)的多核結(jié)構(gòu)較少。

從平均流核個(gè)數(shù)來看，秋季最多，冬季最少，春季與夏季居中且相差不大。秋季出現(xiàn)較多的多核結(jié)構(gòu)與雙核結(jié)構(gòu)，所以平均流核數(shù)最多。冬季出現(xiàn)較多的單核結(jié)構(gòu)，所以平均流核數(shù)最少。

對于黑潮流結(jié)構(gòu)季節(jié)變化的研究，劉勇剛和袁耀初［11—12］認(rèn)為黑潮流場在秋季時(shí)呈雙核結(jié)構(gòu)，在其他季節(jié)有時(shí)單核，有時(shí)雙核，且秋季平均流核數(shù)比其他3個(gè)季節(jié)要多。袁耀初等［17—18］計(jì)算了1997-1998及2000年黑潮P N斷面的流速結(jié)構(gòu)，得到的結(jié)果也是秋季的流核最多。雖然本文所采用的數(shù)據(jù)資料與劉永剛和袁耀初的數(shù)據(jù)資料不同，但是得到的結(jié)果與劉勇剛等及袁耀初等的結(jié)果相同。本文的結(jié)果與陳紅霞等［9］所做的1955-2001年間東海黑潮P N斷面流結(jié)構(gòu)的季節(jié)差異的結(jié)果相比，平均流核個(gè)數(shù)相近，且都是秋季最多，冬季最少，其次是夏季和秋季。不同的是陳紅霞等的研究結(jié)果中秋季平均流核數(shù)大于2，比本文的結(jié)果要大。另外陳紅霞等的研究結(jié)果中冬季出現(xiàn)了多核結(jié)構(gòu)，而本文的結(jié)果中冬季沒有出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)。

表1　各個(gè)季節(jié)內(nèi)的不同流核個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics for current core of different season

4.2最大流速的季節(jié)變化

流速一直是黑潮研究中一個(gè)重要的參量，黑潮的最大流速可以反映黑潮的強(qiáng)弱等諸多重要性質(zhì)。以往關(guān)于黑潮最大流速的研究，多是集中在黑潮表層的最大流速或者某一斷面少量航次的最大流速的研究，沒有對最大流速進(jìn)行長時(shí)間序列的分析。本文通過計(jì)算P N斷面1991-2011年間90個(gè)航次的流場，對每個(gè)航次的流場進(jìn)行分析，得到每個(gè)航次的最大流速值，并給出了最大流速的時(shí)間序列圖，如圖7所示。

在所有的航次中，黑潮流速最大值出現(xiàn)在2009 年1月，為180 cm/s。黑潮流速最小值出現(xiàn)在1993 年4月，為50 cm/s。1991年到2011年所有航次的最大流速均值為101.6 cm/s。

將所有的航次按季節(jié)進(jìn)行劃分，并通過計(jì)算得到每個(gè)季節(jié)的最大流速平均值，結(jié)果如表2所示。4個(gè)季節(jié)中最大流速平均值最大的是夏季，最小的是秋季。夏季最大流速平均值為107 cm/s；而秋季的只有93.7 cm/s，比其他季節(jié)小至少10 cm/s。在夏季，所有航次的最大流速值中最小的為80 cm/s，最大的為170 cm/s，且絕大部分的最大流速值不小于90 cm/s。在秋季，最小的值為60 cm/s，最大的值為140 cm/s，而且出現(xiàn)多個(gè)最大流速值小于80 cm/s的航次。

春季與冬季的最大流速平均值居中，冬季的最大流速平均值要比春季的略大。其中，冬季的最大流速平均值為105.5 cm/s，春季的為102.6 cm/s。在冬季，所有航次的最大流速值中最小的為60 cm/s，最大的為180 cm/s。在春季，所有航次的最大流速值中最小的為70 cm/s，最大為150 cm/s。

對于P N斷面最大流速的研究，劉勇剛和袁耀初［11—12］采用改進(jìn)的逆方法計(jì)算了1992-1994年間黑潮P N斷面的流速。因?yàn)椴捎脭?shù)據(jù)的垂向分辨率不同，本文得出的1992-1994年間黑潮P N斷面最大流速的平均值要比劉勇剛和袁耀初［11-12］的結(jié)果小20 cm/s。袁耀初等［17-18］也采用改進(jìn)的逆方法計(jì)算了1997-1998年及2000年P(guān) N斷面的流速，與劉勇剛和袁耀初的結(jié)果類似，最大流速的均值比本文的結(jié)果大30 cm/s。

在最大流速的季節(jié)差異方面，劉勇剛和袁耀初［11—12］認(rèn)為：1992年P(guān) N斷面的最大流速春季最大，冬季和夏季次之，秋季最??；1993年P(guān) N斷面的最大流速夏季最大，秋季和冬季次之，春季最小。本文所得到的1992與1993年的結(jié)果與劉勇剛和袁耀初的結(jié)果相同。對于1994年，劉勇剛和袁耀初認(rèn)為P N斷面的最大流速夏季最大，春季和秋季次之，冬季最小，而本文的計(jì)算結(jié)果是春季最大，夏季和冬季次之，秋季最小。對于1997，1998及2000年各個(gè)季節(jié)P N斷面的最大流速，袁耀初等［17—18］認(rèn)為：1998年P(guān) N斷面的最大流速春季最大，冬季和夏季次之，秋季最??；2000年P(guān) N斷面的最大流速秋季最大，冬季和春季次之，夏季最小。1998年與2000年，本文得到的結(jié)果與袁耀初等的結(jié)果一致。對于1997年，袁耀初等認(rèn)為P N斷面的流速秋季最大，夏季比秋季略小，而本文的計(jì)算結(jié)果是夏季最大，秋季比夏季小。因?yàn)樵谟?jì)算流速時(shí)本文采用的是動(dòng)力高度法，而袁耀初與劉勇剛等采用的是改進(jìn)的逆方法，所以本文的結(jié)果與袁耀初及劉勇剛等的結(jié)果有差異的主要原因可能是計(jì)算方法不同。由于袁耀初等與劉勇剛等所計(jì)算的時(shí)間序列均較短，所以并沒有給出多年的最大流速季節(jié)平均值。

圖7　P N斷面最大流速的時(shí)間序列Fig.7 Time series of maximum velocity at P N Section

表2　PN斷面最大流速季平均（單位：cm/s）Tab.2 Seasonal average of maximum velocity at PN Section（unit：cm/s）

4.3流幅的季節(jié)變化

流幅即海流的寬度，是東海黑潮研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。本文沿用管秉賢與湯毓祥的流幅統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［1，19］，取平均流速大于或等于40 cm/s的主流寬度作為流幅。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，本文計(jì)算了1991-2011年間黑潮P N斷面所有航次的流幅以及每個(gè)季節(jié)的流幅均值，得到的結(jié)果如表3所示。

由所得的數(shù)據(jù)可以看出，1991-2011年期間黑潮P N斷面的流幅最小為15 n mile，最大可以達(dá)到65 n mile，20年間的流幅均值為41.7 n mile。雖然P N斷面流幅變化的幅度較大，但是總體還是圍繞40 n mile附近變化。2000年以后的流幅要比之前10年的大，其中2000年以后的流幅均值為44.4 n mile，而1991-2000年的流幅均值僅為38.4 n mile。

通過表3可以看出，P N斷面的流幅存在顯著的季節(jié)變化。4個(gè)季節(jié)中夏季平均流幅最大，春季和冬季次之，秋季最小。而且秋季與冬季的流幅明顯比春季與夏季小。

夏季與秋季是流幅差異最大的兩個(gè)季節(jié)。夏季的平均流幅為45.9 n mile，秋季的平均流幅為38.8 n mile。在夏季，流幅最大值出現(xiàn)在2007年7月，最大流幅為64.8 n mile；流幅最小值出現(xiàn)在1994年7月，流幅最小為28.6 n mile。在秋季，流幅最大值出現(xiàn)在2002年10月，最大流幅為59.4 n mile；流幅最小值出現(xiàn)在1994年10月，最小流幅為16.2 n mile。秋季流幅小于20 n mile的航次有3個(gè)，而在夏季沒有出現(xiàn)流幅小于20 n mile的情況。

春季與冬季的流幅居中。其中春季的平均流幅為43.2 n mile，冬季的平均流幅為39.8 n mile，兩個(gè)季節(jié)的流幅相差較大。在春季，流幅最大值出現(xiàn)在1997年4月，最大流幅為62.2 n mile；流幅最小值出現(xiàn)在1993年3月，最小流幅為28.1 n mile。在冬季，流幅最大值出現(xiàn)在2003年1月，最大流幅為54.0 n mile；流幅最小值出現(xiàn)在2006年1月，最小流幅為30.8 n mile。冬季東海黑潮的流幅比較穩(wěn)定，流幅值全部集中在30～55 n mile之間。

對于東海黑潮流幅的研究，管秉賢［1］基于G斷面上20年的觀測資料，得出G斷面流幅變動(dòng)范圍為10～80 n mile，出現(xiàn)頻率最高的流幅為40～50 n mile。管秉賢等雖然沒給出具體的平均流幅值，但是可以看出，本文所得到的流幅范圍以及流幅均值與管秉賢的研究結(jié)果相近。與湯毓祥［19］的研究結(jié)果相比較，湯毓祥所計(jì)算的P N斷面平均流幅為48 n mile，雖然本文所得的流幅均值為42 n mile，比湯毓祥所得的平均流幅值要小，但是兩個(gè)結(jié)果只差6 n mile。孫湘平［20］根據(jù)G E K資料估算的P N斷面流幅的多年平均值為28 n mile，但是孫湘平取的是流速大于或等于51.4 cm/s的強(qiáng)流部分，與本文的流幅統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，所以本文的結(jié)果無法與孫湘平的結(jié)果作比較。對于P N斷面流幅的季節(jié)變化，與湯毓祥的結(jié)果相比，本文得出的春夏兩季的平均流幅值明顯要小，尤其是春季。而秋冬兩季本文的結(jié)果比湯毓祥所得的結(jié)果要略大些。

表3　PN斷面流幅季平均（單位：n mile）Tab.3 Seasonal average of current width at PN Section（unit：n mile）

4.4流量的季節(jié)變化

流量是描述大洋環(huán)流的一個(gè)重要物理量，黑潮的流量是研究黑潮變異的重要指標(biāo)。本文首先采用動(dòng)力高度法計(jì)算得到P N斷面的流速，再對流速進(jìn)行積分得到流量。所有航次統(tǒng)一取126.4°E處作為流量的起算位置，主要的原因有：在1991-2011年期間觀測站點(diǎn)發(fā)生了兩次變化，只有126.4°E以東的14個(gè)站點(diǎn)在此期間沒有變動(dòng)；經(jīng)過計(jì)算驗(yàn)證，126.4°E以西的黑潮流量很小，相對于黑潮主體流量可以忽略。在計(jì)算流量的過程中，將黑潮向北輸送的流量定義為正，向南為負(fù)，兩者之和作為黑潮的流量值。得到每個(gè)航次的流量后，按季節(jié)對所有的航次進(jìn)行劃分，并計(jì)算流量的季平均，結(jié)果見表4。

在1991-2011年期間，東海黑潮P N斷面的平均流量為21.6×106m3/s。在此期間，黑潮的最大流量為29.1×106m3/s，出現(xiàn)在2009年4月。其次是29.0×106m3/s，出現(xiàn)在2002年1月。最小流量為13.1×106m3/s，出現(xiàn)在2006年4月。1993年4月流量也很小，為13.4×106m3/s。流量值主要集中在15 ×106～25×106m3/s之間，其中在19×106～23×106m3/s之間出現(xiàn)的頻率最高。

關(guān)于流量的季節(jié)變化，通過表4可以看出：黑潮的流量冬季最強(qiáng)，其次是夏季，兩個(gè)季節(jié)流量均值相差只有0.1×106m3/s。冬季流量小于20×106m3/s的年份僅有3個(gè)，大部分年份的流量在20×106～25 ×106m3/s之間。夏季與冬季相似，流量小于20× 106m3/s的年份也僅有3個(gè)，并且大部分年份的流量也在20×106～25×106m3/s之間。

秋季是黑潮流量最小的季節(jié)。秋季的平均流量為20.1×106m3/s，其中有一半的年份流量小于20× 106m3/s；春季流量居中，均值為21.4×106m3/s。在1991-2011年期間黑潮流量的最大值及最小值均出現(xiàn)在春季。

4個(gè)季節(jié)中，春季流量的變幅（該季節(jié)最大的流量減去最小的流量）最大，為16.0×106m3/s；秋季的流量變幅最小，為12.7×106m3/s；夏季與冬季流量變幅居中，其中夏季流量的變幅為13.5×106m3/s，冬季流量的變幅為13.2×106m3/s。

關(guān)于東海黑潮流量的研究，P N斷面是資料最豐富的斷面。Guan［21］與孫湘平等［6］計(jì)算得到的P N斷面地轉(zhuǎn)流量的多年平均值為21.0×106m3/s；湯毓祥［19］認(rèn)為東海黑潮多年平均流量為22.7×106m3/s；袁耀初和蘇紀(jì)蘭［22］認(rèn)為黑潮流量多年平均值為27.0 ×106m3/s。本文的結(jié)果與Guan以及孫湘平等的結(jié)果接近，比湯毓祥的結(jié)果要小，但是相差并不大。本文的結(jié)果與袁耀初和蘇紀(jì)蘭的結(jié)果相差最大，比袁耀初和蘇紀(jì)蘭所計(jì)算的黑潮流量小5.6×106m3/s。

迄今為止，關(guān)于黑潮流量的季節(jié)變化有3種引用較多的結(jié)果：Guan［21］與孫湘平等［6］認(rèn)為春、夏強(qiáng)，其中春季較強(qiáng)；湯毓祥［19］認(rèn)為夏、春和冬季流量相差甚小，其中夏季春季略強(qiáng)，秋季流量明顯小于其他季節(jié)；袁耀初和蘇紀(jì)蘭［22］認(rèn)為黑潮流量在夏季最大，秋季最小。本文的研究結(jié)果中冬季流量最大，與上述3種結(jié)果均不相同；秋季流量最小與湯毓祥以及袁耀初和蘇紀(jì)蘭的結(jié)果一致。

表4　PN斷面流量季平均（單位：106m3/s）Tab.4 Seasonal average of volume transport at PN Section（unit：106m3/s）

5　結(jié)論

利用日本海洋信息中心提供的1991—2011年最新的P N斷面水文調(diào)查資料，通過動(dòng)力計(jì)算，本文系統(tǒng)的分析了東海黑潮P N斷面20年間的主要流結(jié)構(gòu)特征及流況的季節(jié)變化。本文的主要研究結(jié)論有：

（1）黑潮P N斷面出現(xiàn)單核、雙核和多核3種流結(jié)構(gòu)。其中單核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最多，雙核結(jié)構(gòu)其次，多核結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最少。黑潮P N斷面流場的主流核絕大部分都出現(xiàn)在陸坡位置。雙核結(jié)構(gòu)的次流核大部分分布在主流核西側(cè)的陸架上，少量分布在主流核的東側(cè)。多核結(jié)構(gòu)的次流核要么分布在主流核的兩側(cè)，要么都分布在主流核左側(cè)的陸架上。

（2）黑潮P N斷面的流結(jié)構(gòu)存在明顯的季節(jié)變化。4個(gè)季節(jié)中秋季平均流核最多，多核結(jié)構(gòu)多出現(xiàn)在秋季。冬季平均流核最少，出現(xiàn)較多單核結(jié)構(gòu)，并且沒有出現(xiàn)多核結(jié)構(gòu)。夏季與春季平均流核數(shù)量居中，均有單、雙、多3種流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

（3）1991-2011年期間黑潮P N斷面出現(xiàn)的的最大流速為170 cm/s。最大流速值也有顯著的季節(jié)變化：夏季最大，秋季最小，其次是春季和冬季。

（4）1991-2011年期間黑潮P N斷面流幅均值為42 n mile。P N斷面流幅的變動(dòng)范圍為15～65 n mile。流幅也存在季節(jié)變化，與最大流速的季節(jié)變化類似，也是夏季最大，秋季最小，其次是春季和冬季。

（5）1991-2011年期間黑潮P N斷面流量均值為21.6×106m3/s。流量也存在季節(jié)變化，冬季與夏季最大，兩者相差不大；秋季流量最小，春季居中。

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Analysis of current structure and seasonal variation at PN Section of the East China Sea Kuroshio during 1991—2011

Kong Bin1，2，Chen H ongxia2，Yuan Yeli2
（1.Geomatics College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.FirstInstituteof Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

Abstract：Based on the C T D data of P N Section provided by Japanese Oceanographic Data Center，the current veloc-book=26,ebook=29ity of ninety cruises during 1991 to 2011 are calculated with dynamic height method.The structure，maximu m velocity，flux and width of the current are analyzed.The results show that there are three kinds of typical current structure of Kuroshio at P N Section，which are single core structure，double-core structure and multi-core structure.The occurrence probability of single core，double-core and multi-core are 50 %，39 % and 11 % respectively.The current structure of Kuroshio at P N section exhibits significant seasonal variation.In autu mn，the probability of occurrence of multi-core structure reaches its maximu m，and the quarterly average of current core nu mber is greater than other seasons.In winter，multi-core structure never emerges and single core structure occurs more often than any other structures，and the quarterly average of current core nu mber is less than other seasons.All kinds of current structure occurin spring and su m mer.The quarterly average of current core nu mber of spring and su m mer are between autu mn and winter.The flux of Kuroshio at P N Section exhibits seasonal variation too.The flux reaches the largestin winter and su m mer，and smallestin autu mn.Seasonal variation also occursin maximu m velocity and current width of Kuroshio at P N Section，which are thelargestin su m mer and the smallestin autu mn，followed by spring and winter.

Key words：East China Sea；Kuroshio；P N Section；current structure；seasonal variation

*通信作者：陳紅霞（1975—），男，山東省聊城市人，博士，副研究員，主要從事區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：chenhx＠fio.org.cn

作者簡介：孔彬（1991—），男，山東省曲阜市人，主要從事大地測量學(xué)與區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：kongbin＠fio.org.cn

收稿日期：2015-07-13；

修訂日期：2015-10-26。

中圖分類號：P731.27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0253-4193（2016）05-0014-13