東海黑潮與陸架海之間的水交換研究

宋軍，郭俊如，鮑獻(xiàn)文，牟林，李靜，4，劉玉龍（.國(guó)家海洋信息中心，天津　007；.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東　青島　6600；.國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心，北京　0094；4.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上?！?06）

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東海黑潮與陸架海之間的水交換研究

宋軍1，2，郭俊如3，鮑獻(xiàn)文2，牟林1，李靜1，4，劉玉龍1
（1.國(guó)家海洋信息中心，天津300171；2.中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島266100；3.國(guó)家海洋局海洋減災(zāi)中心，北京100194；4.上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海201306）

摘要：利用三維海洋環(huán)流數(shù)值模型（Regional Ocean Model System，ROMS）對(duì)東中國(guó)海海域黑潮流系系統(tǒng)（東中國(guó)海黑潮流系）的季節(jié)變化和年際變化進(jìn)行了模擬和研究，給出了東海黑潮流系穿越東海大陸架200 m等深線的體積通量及其變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，黑潮的西南段，其主軸位置在春、夏季更加偏東；中間段具有最穩(wěn)定的流徑；而東北段則表現(xiàn)出最大的季節(jié)性變化。此外，從月平均結(jié)果看，黑潮流系穿越東海大陸架200 m等深線的體積通量，時(shí)間上表現(xiàn)為，在夏季減到最小，為0.479 6 Sv（1 Sv≡106m3·s-1），冬季達(dá)到最大值，為1.69 Sv；空間上表現(xiàn)為在西南段和中間段較大，而東北段較小。這反映了黑潮水與東中國(guó)海大陸架水的水交換區(qū)位置，在冬季在向岸方向上離黑潮主軸較遠(yuǎn)，在夏季離主軸較近。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間模型結(jié)果的時(shí)間序列分析，揭示了相對(duì)與2000年前，2000年后的黑潮在臺(tái)灣島東部水體積通量的季節(jié)變化呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：ROMS模型；東中國(guó)海；黑潮；體積通量；水交換

東中國(guó)海是一個(gè)位于北太平洋西部的巨大邊緣海，擁有世界上最廣闊的大陸架（Hu et al，2007；Wang et al，2000）。相對(duì)于1.25×106km2的總面積，淺于200m水深的大陸架海域以0.9×106km2的面積覆蓋了東中國(guó)海的大部分海域（Lina et al，2002；Wang et al，2000）。

黑潮是位于西太平洋的世界上最主要的西邊界流之一，它源自北赤道流在菲律賓海岸處的分叉（Guo et al，2003；Nitani，1972）。這股來(lái)自北赤道流的北向分叉流，將繼續(xù)沿東中國(guó)海大陸架陸坡向東北方向流去。在此之前，黑潮首先流經(jīng)臺(tái)灣島東部，并時(shí)常會(huì)以流套的形式先入侵到南中國(guó)海并部分流經(jīng)臺(tái)灣海峽（Andres et al，2008；Guo et al，2003；James et al，1999）。

黑潮流系對(duì)于局部氣候的變化以及太平洋亞熱帶環(huán)流的物質(zhì)輸送具有一定的影響作用（Guo et al，2003；Ma et al，2009）。在東中國(guó)海海域，黑潮同樣可以引發(fā)東中國(guó)海環(huán)流復(fù)雜的季節(jié)性變化和年際性變化（Mizuno et al，1983；Yanagi et al，1993）。因此，掌握黑潮的變化規(guī)律及其與東中國(guó)海的相互作用情況，對(duì)局部氣候的預(yù)測(cè)以及沿海經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展具有重要的意義。

為了理解黑潮的變化規(guī)律，揭示黑潮所攜帶的高溫高鹽水與其所路經(jīng)的陸架水的相互影響及作用過(guò)程，過(guò)去的幾十年里，許多科研工作者做出了大量的、有價(jià)值的觀測(cè)和研究，并得到了很多有益的結(jié)果和認(rèn)識(shí)（Chen et al，1995；Chern et al，1990；Guan，1980；Matsuno et al，2009；Wong et al，2000），這些結(jié)果和認(rèn)識(shí)為后來(lái)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。Lin等（2005）通過(guò)分析1999年的一次觀測(cè)調(diào)查結(jié)果，估算出了冬季穿越臺(tái)灣海峽的北向體積通量，結(jié)果指出該體積通量一般小于2 Sv（1 Sv≡106m3·s-1）。Tang等（1993）揭示了各種因素對(duì)黑潮在臺(tái)灣島東北部向東中國(guó)海陸架海域入侵的影響，其中局地風(fēng)很難對(duì)該入侵過(guò)程造成影響。后來(lái)，Chuang等（1994）觀測(cè)到在臺(tái)灣島東北部的季風(fēng)季節(jié)，出現(xiàn)了短時(shí)期黑潮入侵東中國(guó)海增強(qiáng)的現(xiàn)象，這些研究從不同的方面揭示了黑潮與東中國(guó)海水交換的情況。

更進(jìn)一步地，很多文章對(duì)黑潮主軸的位置及其變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。這些文章對(duì)通過(guò)東中國(guó)海幾個(gè)主要斷面的水體積通量的估算及其變化規(guī)律連同本文的研究結(jié)果請(qǐng)參照表1。表1顯示了用ROMS模型模擬的在東中國(guó)海幾個(gè)關(guān)鍵斷面水體積通量的結(jié)果，其中，與本文研究對(duì)比的數(shù)據(jù)結(jié)果中，關(guān)于各斷面通量季節(jié)變化的結(jié)果來(lái)自于Lee等（2007）的研究，年平均的通量結(jié)果則來(lái)自于Guo等（2006）與Teague等（2003）的研究。需要注明的是，Teague等（2003）觀測(cè)的結(jié)果是秋冬兩季的平均，并非全年的平均，表中將其列到年平均一欄的表達(dá)方式僅為方便起見(jiàn)。對(duì)于幾個(gè)關(guān)鍵斷面水體積通量的估算，除了表中列出的值外，還存在其它的結(jié)果。例如，Johns等（2001）利用20個(gè)月的月平均數(shù)據(jù)，計(jì)算出在臺(tái)灣島以東斷面的水通量為21.5 Sv；Isobe（2006；2008）在2006年和2008年計(jì)算出穿越東中國(guó)海大陸架200 m等深線的年平均通量分別為0.85 Sv和1.4 Sv；Guo等（2006）指出黑潮穿越200 m等深線的水通量在夏季小于0.5 Sv，在秋季達(dá)到3 Sv左右。

Guan（1980）給出了黑潮核心的定義，即在水平方向上表現(xiàn)為黑潮表層流速場(chǎng)中0.4 m/s等值線所包含的區(qū)域。該定義被應(yīng)用和發(fā)展為確定黑潮位置的條件，一般用黑潮核心區(qū)域垂直于黑潮流向斷面的中點(diǎn)位置作為黑潮的位置（Andres et al，2008），本文在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地將黑潮位置的連線作為黑潮的主軸。通過(guò)使用錨定測(cè)流器和多普勒聲學(xué)流速剖面儀自1994年9月到1996年5月的海洋調(diào)查觀測(cè)，Johns等（2001）估算出黑潮在臺(tái)灣島東側(cè)斷面的平均體積通量為21.5 Sv。Yuan等（2001）在1997年厄爾尼諾期間，觀測(cè)到黑潮流量減少的現(xiàn)象。Teague等（2003）給出了東中國(guó)海水平方向上體積通量、熱量通量以及鹽度通量的分布狀況，并指出穿過(guò)臺(tái)灣海峽與對(duì)馬海峽（參照?qǐng)D1）的平均體積通量分別為0.14 Sv和3.17 Sv?；?/18度高分辨率的嵌套海洋數(shù)值模型，Guo等（2006）分析了東中國(guó)海的海流系統(tǒng)以及幾個(gè)主要斷面的體積輸送情況。相對(duì)于Teague等（2003）的結(jié)果，Guo等（2006）關(guān)于臺(tái)灣海峽平均海水體積通量的結(jié)果要大的多，為1.71 Sv。Lee等（2007）利用應(yīng)用力學(xué)研究所研制和發(fā)展的海洋模型，揭示了東中國(guó)海海域黑潮流系的時(shí)間和空間分布特征，并進(jìn)一步基于RIAMOM進(jìn)行了拉格朗日粒子追蹤的數(shù)值試驗(yàn)，闡明了黑潮在東中國(guó)海大陸架向岸水體輸送中的地位。Ma等（2009）利用最新的Argos漂浮浮標(biāo)數(shù)據(jù)與TOPEX/Poseidon高度計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)東中國(guó)海表層流場(chǎng)的變化規(guī)律和分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡地分析。研究揭示了黑潮的不同部分具有不同的主要變化周，這可能是由太平洋Rossby波向西傳播情況的影響（Wei et al，2004）以及鋒面的不穩(wěn)定性（Jia et al，2005）造成的。

表1　ROMS模型模擬出的在東中國(guó)海幾個(gè)關(guān)鍵斷面的水體積通量結(jié)果

圖1?。╝）太平洋海盆尺度的ROMS模型計(jì)算區(qū)域（b）本研究中關(guān)注的區(qū)域。圖中黑色箭頭表示為5 m水深處的平均流速場(chǎng)，其中每隔4個(gè)模型的計(jì)算網(wǎng)格畫(huà)一個(gè)。帶箭頭的藍(lán)色曲線顯示了東中國(guó)海氣候態(tài)平均的表層流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。兩條橙色點(diǎn)虛線之間的區(qū)域表示了黑潮主軸在18年中的變化范圍。兩條綠色的虛線將黑潮分為三段，其自左至右在本中文中分別被稱為西南段、中間段和東北段。幾條主要的計(jì)算水通量的斷面位置分別被圖中幾條紅色的線段標(biāo)識(shí)出來(lái)：TS-臺(tái)灣海峽斷面；24N-位于北緯24度的臺(tái)灣島以東斷面；130E-位于東經(jīng)130°的九州島以南吐噶喇海峽處的斷面；以及TUS-對(duì)馬海峽斷面。

隨著海洋觀測(cè)手段、海洋數(shù)值模型以及科學(xué)計(jì)算機(jī)的不斷進(jìn)步，一系列綜合性的研究更進(jìn)一步地分析了黑潮與其鄰接陸架水的相互作用過(guò)程。利用拉格朗日例子追蹤方法，Imasato等（1987）給出了一個(gè)有價(jià)值的黑潮水與陸架水交換研究的實(shí)例。該實(shí)例證實(shí)黑潮的向岸入侵在水交換過(guò)程中扮演了重要角色。Guo等（2006）計(jì)算出了黑潮穿越東中國(guó)海大陸架200 m等深線的向岸體積通量及其隨季節(jié)的變化，指出此向岸體積通量在秋天達(dá)到最大值，為2 Sv；在夏天達(dá)到最小值，其不足0.5 Sv。同時(shí)，還指出由風(fēng)造成的Ekman輸送會(huì)對(duì)該向岸體積通量的顯著季節(jié)變化產(chǎn)生影響。而Lee等（2007）在2007年，卻對(duì)該向岸體積通量給出了一個(gè)截然不同的估算值，指出該數(shù)值在夏季應(yīng)該在2.47 Sv左右。Spall等（1995）利用數(shù)值模型，討論了上層海洋鋒面附近穿越鋒面的水交換過(guò)程，其討論的海域位于北大西洋靠近灣流的副熱帶輻合帶。后來(lái)，Matsuno等（2009）發(fā)展了Spall的方法并將其應(yīng)用到黑潮與陸架水的水交換問(wèn)題中。研究揭示了東中國(guó)海陸架表層水沿黑潮等密度線鋒面入侵黑潮的方式。另外，還指出海底地形、風(fēng)應(yīng)力的分布結(jié)構(gòu)、垂向混合以及鋒面渦旋都是影響黑潮水與東中國(guó)海陸架水交換的重要因素。在此之前，Isobe等（2004）結(jié)合海洋觀測(cè)與數(shù)值模型，分析并解釋了東中國(guó)海陸架水入侵黑潮次表層水的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。Han等（2001）研究了東中國(guó)海大陸架陸坡附近的垂向混合過(guò)程，并揭示出較短時(shí)間尺度的海洋內(nèi)波可以產(chǎn)生和增強(qiáng)垂向混合，即使在混合較弱的溫躍層附近也不例外。

本文通過(guò)ROMS海洋數(shù)值模型模擬了東海黑潮流系及其季節(jié)變化規(guī)律，計(jì)算了黑潮穿越東中國(guó)海五個(gè)典型斷面的水體積通量（如表1所示），并給出了其變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究了黑潮主軸的時(shí)空變化規(guī)律。

2　數(shù)值模型和結(jié)果

2.1模型配置

本研究使用的是一個(gè)基于ROMS海洋模型（Regional Ocean Model System）的三維斜壓環(huán)流數(shù)值模型。ROMS是一個(gè)自由海表面、流體靜力學(xué)、Boussinesq近似以及原始方程組的海洋模型。該模型在垂直方向上采用σ坐標(biāo)，水平方向上采用曲線直角坐標(biāo)系統(tǒng)（Shchepetkin et al，1998；2003；2005）。底邊界層和上邊界層的垂向混合采用K-profile參數(shù)化方案（Large et al，1994）。在本研究中，ROMS模型的水平計(jì)算區(qū)域被配置為南北向自45°S至65°N，東西向自99°E至70°W。水平方向的網(wǎng)格分辨率為12.5 km，垂直方向?yàn)?0個(gè)σ層。

該模型溫度和鹽度場(chǎng)的初始場(chǎng)設(shè)置和邊界條件均來(lái)源于WOA（World Ocean Atlas）2005的數(shù)據(jù)（http：//www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA05/pr_woa05.html）。上表面的強(qiáng)迫邊界條件包括風(fēng)應(yīng)力、短波輻射、長(zhǎng)波輻射、感熱和潛熱通量、以及蒸發(fā)和降水。以上除了風(fēng)應(yīng)力之外的所有數(shù)據(jù)皆來(lái)自于空間分辨率為2°×2°，時(shí)間分辨率為每日一次的美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（the National Center for Environmental Prediction）的數(shù)據(jù)。其網(wǎng)址為（http：//nomads.ncep. noaa.gov/txt_descriptions/servers.shtml）。同樣為每日一次的，空間分辨率為1/4°x 1/4°的海表面風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于the Blended Sea Winds（http：//www. ncdc.noaa.gov/oa/rsad/seawinds.html）。該模型及其之前的一個(gè)分辨率為50 km的模型結(jié)果，已被用來(lái)統(tǒng)計(jì)過(guò)渦旋的活動(dòng)性（Xiu et al，2010）和南中國(guó)海的生物地球化學(xué)過(guò)程（Chai et al，2009；Liu et al，2009）。本文使用的是該模型自1991年至2008年的月平均數(shù)據(jù)結(jié)果。如圖1所示，所關(guān)注和研究的黑潮以及東中國(guó)海區(qū)域?yàn)槟媳狈较蜃?4°N至35°N，東西方向自118°E至130°E。

2.2模型模擬出的黑潮流系及其季節(jié)變化

圖1顯示了模型自1991年到2008年5 m深度處的平均流速場(chǎng)，模型將黑潮這一位于西北太平洋的強(qiáng)西邊界流成功地模擬出來(lái)。從圖中可以看出，黑潮在臺(tái)灣島東側(cè)向東北方向沿東海大陸架陸坡一直貫穿本文的研究區(qū)域，最后流出吐噶喇海峽。在東中國(guó)海陸架海流系統(tǒng)中，很多海流都和黑潮有著直接的關(guān)系。例如，穿過(guò)臺(tái)灣海峽的北向海流有時(shí)部分來(lái)自于黑潮侵入南中國(guó)海的分支（圖2a），有時(shí)部分來(lái)自于南中國(guó)海的沿岸流（圖2b）。這一結(jié)果也被最近的觀測(cè)數(shù)據(jù)所證實(shí)（Ma et al，2009）。在臺(tái)灣島的東北部海域，黑潮靠近岸邊的一側(cè)經(jīng)常以反氣旋的徑流方式侵入東海大陸架海域并匯入經(jīng)由臺(tái)灣海峽的暖流。這一經(jīng)融匯的海流在東中國(guó)海陸架南部呈扇形輻射為西北向、北向和東北向的多股海流。在30°N附近，向岸方向一側(cè)的黑潮再次脫離出一只分叉沿著大陸坡向北流去（圖1中被標(biāo)記為2號(hào)海流），這支海流后來(lái)成為對(duì)馬海流的主要來(lái)源，并最終注入日本海。此外，在九州島的西南方向，2號(hào)海流分出一只分叉海流（圖1中被標(biāo)記為1號(hào)海流）呈反氣旋的流徑重新匯入黑潮于吐噶喇海峽的主體。

圖2為源于模型結(jié)果的季節(jié)平均海表面流速圖。該圖清楚地顯示了包括黑潮、對(duì)馬海峽海流以及臺(tái)灣海峽海流在內(nèi)的強(qiáng)流區(qū)。從圖中可以看出，黑潮的西向強(qiáng)化特征自其流入臺(tái)灣島以東海域后開(kāi)始表現(xiàn)得明顯（Fukuoka，1957；Stommel，1948）。同時(shí)，根據(jù)伯努利定律（Clancy，1975；Batchelor，1967），黑潮流速的增加會(huì)造成其自身相對(duì)勢(shì)能或者壓強(qiáng)的減小。這一突然變化，很可能會(huì)帶入較大的副位勢(shì)渦度并且無(wú)法被科里奧利力所平衡。此時(shí)，黑潮將會(huì)借助臺(tái)灣島提供的摩擦力而產(chǎn)生正的位勢(shì)渦度以達(dá)到一個(gè)相對(duì)平衡的位渦守恒狀態(tài)，最終導(dǎo)致黑潮流經(jīng)臺(tái)灣島東側(cè)時(shí)，向臺(tái)灣島東海岸靠近的現(xiàn)象。同時(shí)，根據(jù)繞島環(huán)流理論，這些由黑潮帶來(lái)的摩擦力可能是產(chǎn)生臺(tái)灣海峽流的主要原因之一（Yang，2007）。

圖2同時(shí)還揭示了黑潮流系的季節(jié)變化情況。從圖中可以看到，黑潮流系在春、夏季較強(qiáng)，而秋、冬季轉(zhuǎn)弱，這一結(jié)果也得到了Zhou（2006）等各方面相關(guān)研究的支持。根據(jù)Guo（2006）的研究，造成這種季節(jié)性變化的原因主要為風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)的季節(jié)性變化，其次為密度的影響。為了更好地描述黑潮在不同區(qū)域的不同表現(xiàn)和特性，根據(jù)黑潮的橫向運(yùn)動(dòng)范圍（圖1中兩條橙色虛線包裹的區(qū)域），本文將東海黑潮流系劃分為3段區(qū)域進(jìn)行分析（如圖1所示），它們自左至右分別被命名為西南段、中間段和東北段。黑潮的主軸隨時(shí)間的變化在其多年平均的位置兩側(cè)來(lái)回?cái)[動(dòng)，其中從統(tǒng)計(jì)上看，其在西南段與東北段的擺動(dòng)幅度和頻率要遠(yuǎn)大于中間段。

圖2　來(lái)源于模型結(jié)果的季節(jié)平均海表面流速圖（圖中的彩色條狀圖標(biāo)識(shí)的速度單位為m/s）

西南段中，相對(duì)于秋、冬兩季，黑潮主軸的位置在春季和夏季更加偏東（如圖2所示），這可能與穿越臺(tái)灣海峽后的北向流動(dòng)在冬季季風(fēng)影響下減弱有很大關(guān)系（如圖2c和圖2d），Hsueh（1993）也對(duì)這一現(xiàn)象做過(guò)類似的解釋。目前，人們已經(jīng)掌握了一些黑潮位置對(duì)極端天氣情況的響應(yīng)過(guò)程。舉例來(lái)說(shuō)，在臺(tái)風(fēng)海棠于2005年7月11日至2005 年7月21日過(guò)境臺(tái)灣島東北部海域的過(guò)程中，Morimoto（2009）等人觀察到黑潮流徑在臺(tái)灣東北部海域向東中國(guó)海大陸架一側(cè)偏移的現(xiàn)象。如圖1所示，中間段的黑潮在本文所關(guān)注的三段黑潮中具有最穩(wěn)定的流徑。該結(jié)果應(yīng)該與東中國(guó)海大陸架的特殊地貌有關(guān)，該地區(qū)的地形變化最大，導(dǎo)致地形位渦梯度最大，對(duì)黑潮起到一個(gè)穩(wěn)定的作用，不易發(fā)生跨陸架的擺動(dòng)，以至于可以將黑潮穩(wěn)定在這一區(qū)域內(nèi)，從而表現(xiàn)出該段黑潮流徑的相對(duì)穩(wěn)定性。東北段的黑潮流系表現(xiàn)出最大的季節(jié)變化性，該段中，1號(hào)海流在春季最強(qiáng)而在秋季最弱，這顯然與黑潮主流的變化呈現(xiàn)出互補(bǔ)的關(guān)系。作為對(duì)馬海流的主要來(lái)源，2號(hào)海流的強(qiáng)度在夏季達(dá)到最大而在冬季則減到最弱。

2.3斷面水體積通量的變化規(guī)律

臺(tái)灣島以東、九州島以南、臺(tái)灣海峽、對(duì)馬海峽以及東中國(guó)海200 m等深線5個(gè)斷面水體積通量的變化規(guī)律。

本文計(jì)算了黑潮穿越東中國(guó)海5個(gè)典型斷面的水體積通量（5個(gè)斷面位置請(qǐng)參考圖1中的紅色線段和圖4中的紅色曲線）。寬斷面被用于臺(tái)灣島以東和九州島以南的水體積通量計(jì)算。根據(jù)Chen等（2006）用15 cm/s的等速度線來(lái)界定和計(jì)算黑潮流區(qū)的定義以及1 000 m水深的深度下限，基于本模型計(jì)算出的18年的三維流速場(chǎng)結(jié)果，表1揭示了這5個(gè)斷面年平均和季節(jié)平均的水體積通量情況。相對(duì)于Guo等（2006）的計(jì)算結(jié)果，本文的結(jié)果除了在臺(tái)灣島以東和九州島以南兩個(gè)斷面的水體積通量結(jié)果稍大以外，其他結(jié)果都與之非常吻合。另一方面，就這幾個(gè)斷面水通量的季節(jié)變化情況看，本文結(jié)果在臺(tái)灣海峽斷面和對(duì)馬海峽斷面上的變化規(guī)律與Lee等（2007）的結(jié)果非常相近；但在臺(tái)灣島以東和九州島以南兩個(gè)斷面上的變化規(guī)律則與之有所差別。根據(jù)本研究使用的太平洋區(qū)域的ROMS模型，無(wú)論是臺(tái)灣島以東斷面還是九州島以南斷面，黑潮的水體積通量都是在夏季達(dá)到最大，并在冬季減到最小。但Lee等（2007）相應(yīng)的最小值結(jié)果則出現(xiàn)在10月。當(dāng)然，Lee等（2007）的結(jié)果與本研究不同，其計(jì)算的是基于海平面高度異常的時(shí)間序列。

從1991年至2008年每月一次數(shù)據(jù)的關(guān)于這幾個(gè)斷面水體積通量的時(shí)間序列如圖3所示。該圖清楚地顯示出黑潮在臺(tái)灣島以東和九州島以南兩斷面處，水體積通量的時(shí)間序列具有普遍的正相關(guān)性。通常情況下，黑潮在臺(tái)灣島以東斷面水通量的變化比在九州島以南斷面水通量的變化早，但有的時(shí)情況也會(huì)相反（例如1997年與2004年）。因此很難斷定在東中國(guó)海黑潮流系中，下游海流的變化情況是否完全受上游所控制。從黑潮在臺(tái)灣島以東斷面的水通量變化序列看，2000年以后出現(xiàn)了季節(jié)性變化減弱的趨勢(shì)。但同樣的情況，在九州島以南斷面的水通量時(shí)間序列中卻沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)。

穿越臺(tái)灣海峽斷面、對(duì)馬海峽斷面以及東中國(guó)海200 m等深線斷面所圍成的閉合斷面上的水體積通量（如圖3b和圖3c）可以用來(lái)描述東中國(guó)海和黃海的水量平衡。穿越臺(tái)灣海峽斷面的水體積通量的變化與穿越對(duì)馬海峽斷面的水體積通量的變化呈現(xiàn)高度的正相關(guān)關(guān)系，其中相對(duì)于前者，后者的變化具有3個(gè)月的滯后延遲。以此可以斷定，穿越臺(tái)灣海峽斷面的水體積通量是影響穿越對(duì)馬海峽斷面水體積通量變化的一個(gè)重要因素。另一方面，穿越對(duì)馬海峽斷面的水體積通量幾乎是穿越臺(tái)灣海峽斷面水體積通量的兩倍，這意味著穿越對(duì)馬海峽斷面的海流是不同來(lái)源匯合的結(jié)果。穿越東中國(guó)海200 m等深線斷面的水體積凈通量與穿越臺(tái)灣海峽和對(duì)馬海峽兩個(gè)斷面的水體積通量的差，無(wú)論從平均值還是時(shí)間序列上看（圖3c），都非常接近。一般來(lái)看，穿越東中國(guó)海200 m等深線斷面向岸的水體積凈通量具有非常明顯的季節(jié)變化，通常在9-11月份達(dá)到最大值，約2 Sv；然后逐漸減小，到第二年的6-7月份達(dá)到最小值，約1.3 Sv。

圖3　自1991年到2008年間每月一次的水通量變化

圖4　圖中藍(lán)色粗實(shí)曲線顯示了使用模型結(jié)果的18年平均表層流速場(chǎng)計(jì)算出的黑潮主軸位置。紅色細(xì)實(shí)線標(biāo)識(shí)了東中國(guó)海大陸架200 m等深線的位置，這也是文中計(jì)算穿越東中國(guó)海大陸架向岸水體積通量所使用的斷面。綠色矩形在垂直200 m等深線方向的長(zhǎng)度表示了在氣候態(tài)平均狀態(tài)下穿越200 m等深線水體積通量的大小。圖中黑色的星號(hào)點(diǎn)標(biāo)識(shí)了該地區(qū)經(jīng)過(guò)質(zhì)量驗(yàn)證的Argo剖面漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)自2003年到2007年期間所有的軌跡位置。

穿越東中國(guó)海200 m等深線斷面的水體積通量通常被用于考量黑潮水與東中國(guó)海陸架水交換情況的標(biāo)準(zhǔn)之一，本文同樣對(duì)這一指標(biāo)進(jìn)行了深入的研究。圖4顯示了沿東中國(guó)海200 m等深線的水體積通量在氣候態(tài)平均情況下的分布情況。本文使用了最新的經(jīng)過(guò)質(zhì)量驗(yàn)證的31個(gè)剖面Argo浮標(biāo)軌跡對(duì)該體積通量的分布狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)證。這些浮標(biāo)來(lái)自西北太平洋內(nèi)本文所關(guān)注的區(qū)域（24°- 36°N，117°- 130°E），它們?cè)?003年至2007年共產(chǎn)生的3 258個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位置均在圖4中進(jìn)行了標(biāo)識(shí)。所有的數(shù)據(jù)均由中國(guó)Argo浮標(biāo)實(shí)時(shí)資料中心提供（http：//www.argo.org.cn/）。為確保這些數(shù)據(jù)的精確度和可靠性，本文使用普遍的質(zhì)量控制方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)和延時(shí)的質(zhì)量控制（Tong et al，2003）。受黑潮影響，穿越東中國(guó)海200 m等深線斷面的水體積通量在西南段與中間段表現(xiàn)的明顯較大。由于東北段的200 m等深線距離黑潮主軸較遠(yuǎn)，其上面的水體積通量一般會(huì)比前面所述的兩段小一些。該結(jié)果也在Guo等（2006）的研究中得到了證實(shí)?；诤Ｑ笳{(diào)查和觀測(cè)，Lie等（2002）指出，當(dāng)穿越對(duì)馬海峽的水體積通量變小時(shí)，中間段穿越東中國(guó)海大陸架的水體積通量會(huì)增強(qiáng)。Guo等（2006）的研究指出，東中國(guó)海黑潮的向岸水體積通量是影響沿東中國(guó)海大陸架陸坡物質(zhì)輸運(yùn)最重要的因素。Lee等（2007）的研究同樣也指出，穿越臺(tái)灣海峽、對(duì)馬海峽以及東中國(guó)海200 m等深線3個(gè)斷面的水體積通量具有非常強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)性。

3　結(jié)論

本文通過(guò)太平洋海盆尺度的ROMS海洋數(shù)值模型，對(duì)東中國(guó)海地區(qū)1991年至2008年的黑潮和陸架流系進(jìn)行了模擬，并利用數(shù)值模型的結(jié)果對(duì)黑潮流系及其與東中國(guó)海的水交換做了詳細(xì)地分析。

（1）本文模擬出了黑潮流系的季節(jié)變化，即春、夏季較強(qiáng)，而秋、冬季轉(zhuǎn)弱。為方便研究，本文將東海黑潮流系自左至右劃分為西南段、中間段和東北段3段區(qū)域進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，西南段中，相對(duì)于秋、冬兩季，黑潮主軸的位置在春季和夏季更加偏東；而中間段，黑潮具有最穩(wěn)定的流徑；東北段的黑潮流系則表現(xiàn)出最大的季節(jié)變化性。

（2）本文分別對(duì)5個(gè)重要斷面的水體積通量進(jìn)行了計(jì)算，其中臺(tái)灣島以東、九州島以南、臺(tái)灣海峽、對(duì)馬海峽4個(gè)斷面的年平均水體積通量分別為25.1 Sv、22.4 Sv、1.7 Sv和3.1 Sv，而且后兩個(gè)通量的差幾乎與穿越東中國(guó)海大陸架200 m等深線斷面的向岸水體積通量相平衡。

（3）模型結(jié)果還揭示了穿越東中國(guó)海大陸架200 m等深線水體積通量的季節(jié)性變化，即在秋末冬初達(dá)到最大值，在夏季達(dá)到最小值，并且空間上，在東中國(guó)海南部和臺(tái)灣以北海域表現(xiàn)的最為強(qiáng)大。這反映了黑潮水與東中國(guó)海大陸架水之間水交換區(qū)的位置，在冬季在向岸方向上離黑潮主軸較遠(yuǎn)，在夏季則較近。此外模擬結(jié)果還揭示出自2000年以后，黑潮在臺(tái)灣島以東斷面的水體積通量的季節(jié)性變化逐漸變小，而該現(xiàn)象并沒(méi)有在其他結(jié)果的時(shí)間序列中出現(xiàn)。

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（本文編輯：袁澤軼）

Study of the water exchange between the Kuroshio and the East China Sea

SONG Jun1，2，Guo Jun-ru3，Bao Xian-wen2，Mu Lin1，LI Jing1，4，Liu Yu-long1
（1. The National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China；2. Instituteof Marine Environment，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；3. National Marine Hazard Mitigation Service，SOA，Beijing 100194，China；4. College of Marine Science，Shanghai Ocean University，Shanghai 201306，China）

Abstract：The seasonal variation and interannual variability of the Kuroshio in the East China Sea during the period of 1991 to 2008 are studied using a three-dimensional Regional Ocean Model System（ROMS）. The volume flux of the Kuroshio across 200 m isobath in the East China Sea continental shelf and its change rule are given. The study finds that the axis position in the southwest section of Kuroshio is more inclined to the east in spring and summer. The flow path in the middle part of the Kuroshio is the most stable，while the seasonal change in the northeast section of the Kuroshio is the greatest. What's more，in terms of the monthly average，the volume flux of the Kuroshio across 200 m isobath in the East China Sea continental shelf has a minimum of 0.479 6 Sv（1 Sv≡106m3·s-1）in summer and a maximum of 1.69 Sv in winter. Moreover，it is larger in the southwest and middle section of the Kuroshio，while smaller in the northeast part. This phenomenon indicates that the position of water exchange area between the Kuroshio and the East China Sea is farther away from the axis of the Kuroshio in the on-shore direction in winter than that in summer. By analyzing the time series of the model results，the paper also reveals that the seasonal variation of the Kuroshio volume flux in the east of Taiwan presents a weakening trend after 2000 in relation to that before 2000.

Keywords：ROMS；East China Sea；Kuroshio；volume flux；water exchange

中圖分類號(hào)：P733

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6932（2016）02-0178-09

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.008

收稿日期：2015-06-19；

修訂日期：2015-07-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（41206013；41376014；41430963；41206004）；教育部物理海洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金；2011年度高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20110132130001）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201205018；201005019）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2014BAB12B02）；天津市科技支撐計(jì)劃（14ZCZDSF00012）；國(guó)家海洋局青年科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2012202；2013203；2012223）；國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目（留金出［2008］3019；［2012］3013）；國(guó)家海洋向空間遙感與應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金重點(diǎn)課題（201601003）。

作者簡(jiǎn)介：宋軍，博士，副研究員，電子郵箱：thunder098@qq.com。

通訊作者：郭俊如，電子郵箱：874623647@qq.com。