基于ROMS模式的東海黑潮季節(jié)變化特征模擬研究*

周立佳　黨振中　董慧超　牛洪暄　劉　昕　周　鎮(zhèn)

(海軍大連艦艇學(xué)院　大連　116018)

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基于ROMS模式的東海黑潮季節(jié)變化特征模擬研究*

周立佳黨振中董慧超牛洪暄劉昕周鎮(zhèn)

(海軍大連艦艇學(xué)院大連116018)

摘要黑潮是一支高溫、高鹽的西邊界暖流，也是北太平洋副熱帶環(huán)流的重要組成部分;同時(shí)，黑潮也是影響潛艇航速、定位和行動(dòng)隱蔽性的重要海洋環(huán)境現(xiàn)象。黑潮將高溫、高鹽的海水輸送至東海，會(huì)對(duì)我國(guó)東部沿海地區(qū)的氣候產(chǎn)生重要影響。利用ROMS模式以較高的分辨率模擬東海海表面和PN斷面溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征，并結(jié)合WOA13數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為開展東海黑潮相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。結(jié)果表明ROMS模式對(duì)東海黑潮具有較好的模擬效果，模式模擬的海表面溫度的季節(jié)變化趨勢(shì)與WOA13數(shù)據(jù)較為一致，冬、春季黑潮路徑較為明顯;同時(shí)，模式較好地模擬了 PN 斷面溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征，流核結(jié)構(gòu)明顯。

關(guān)鍵詞ROMS; 東海; 黑潮; 海表面溫度; PN斷面

Class NumberP731

1引言

黑潮是北太平洋副熱帶環(huán)流的重要組成部分，是一支高溫、高鹽的西邊界暖流，其攜帶著大量的熱量流入東海，對(duì)我國(guó)東部沿海的氣候產(chǎn)生重要影響。黑潮也是影響潛艇航速、定位和行動(dòng)隱蔽性的重要海洋環(huán)境現(xiàn)象。

黑潮流量以及流幅存在明顯的季節(jié)變化和年際變化，黑潮流量夏季大，秋季小，流幅遵循春、夏寬，秋、冬窄的變化規(guī)律，且黑潮大彎曲存在年際變化[1～6]。同時(shí)，有學(xué)者利用再分析手段，系統(tǒng)分析了臺(tái)灣以東黑潮溫度鋒時(shí)空變化規(guī)律及其形成變化規(guī)律，以及海洋渦旋和鋒面波動(dòng)對(duì)臺(tái)灣以東黑潮鋒的影響[7～8]。

隨著計(jì)算能力的提升，近年來(lái)不斷有學(xué)者利用數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)東海黑潮進(jìn)行研究分析，取得了顯著的進(jìn)展，數(shù)值模式也是未來(lái)東海黑潮研究的主要方向。張?zhí)N斐等[9]利用MICOM三維原始方程等密度面坐標(biāo)模式模擬了黑潮環(huán)流的基本特征。白志鵬等[10]利用HYCOM 模式對(duì)東海黑潮進(jìn)行氣候態(tài)模擬，指出地形分辨率的提高和改善的斜壓效應(yīng)，使高水平分辨率模式對(duì)黑潮特征量的模擬有明顯的改進(jìn)。齊繼峰[11]基于歷史調(diào)查資料，利用統(tǒng)計(jì)分析方法和海洋數(shù)值模式指出東海黑潮流量具有顯著的年際和年代際變化。樊孝鵬等[12]利用三維原始方程模式MITgcm計(jì)算了西北太平洋海區(qū)的多年平均流態(tài)，取得了較好的效果。Park and Farmer[13]利用HYCOM模式同化觀測(cè)資料得到了黑潮的時(shí)間變化和三維特征，指出黑潮的入侵會(huì)導(dǎo)致溫躍層的加深以及切變加強(qiáng)。

前人對(duì)于黑潮的研究主要集中于黑潮流量以及流幅的年際和年代際變化，且數(shù)值模擬研究大多分辨率比較低?？紤]到東海海區(qū)復(fù)雜的地形特征，本文將利用ROMS模式以較高的分辨率模擬東海海表面和PN斷面溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征，為開展東海黑潮相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。

2ROMS模式簡(jiǎn)介及模式設(shè)置

2.1ROMS模式介紹

區(qū)域海洋模式系統(tǒng)(Regional Ocean Modeling System,ROMS)是在近年的海洋科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛的三維、自由表面、隨底坐標(biāo)模式。ROMS模式采用了Boussinesq近似和準(zhǔn)靜力近似，近似求解雷諾平均的 N-S方程。在水平方向上，ROMS模式采用正交曲線(Arakawa C)網(wǎng)格;垂向上采用地形擬合的可伸縮坐標(biāo)系統(tǒng)(S坐標(biāo)系)，并針對(duì)不同的情況提供多種轉(zhuǎn)換函數(shù)和拉伸函數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)垂向?qū)蛹?jí)的疏密分配，進(jìn)而增加了計(jì)算網(wǎng)格的解析度。在笛卡爾坐標(biāo)系中其控制方程如下

·運(yùn)動(dòng)方程：

·連續(xù)方程：

·標(biāo)量(溫度、鹽度)控制方程：

·狀態(tài)方程：

ρ=ρ(T,S,P)

其中Fu、Fv、FC為強(qiáng)迫項(xiàng)，Du、Dv、DC為擴(kuò)散項(xiàng)。f(x,y)為科氏參數(shù)，g為重力加速度，φ(x,y,z,t)為壓強(qiáng)項(xiàng)(φ=P/ρ0)。

2.2模式基本設(shè)置

本文模式的計(jì)算覆蓋黃海、東海、南海東北部以及西北太平洋部分區(qū)域(116°E-137°E，19°N-41°N，見(jiàn)圖1)，該區(qū)域邊界離黑潮路徑較遠(yuǎn)。模式網(wǎng)格水平分辨率為1/10°;垂向分為20層，垂直方向的坐標(biāo)拉伸參數(shù)分別設(shè)置為θs=4和θb=0，最小深度設(shè)為75m，最大深度設(shè)為5000m。圖2給出了東海沿27°N的緯向網(wǎng)格垂向剖面示意圖，以直觀地展現(xiàn)東海的地形變化。從圖中可以看出ROMS模式垂直方向的隨底坐標(biāo)可以較好地表征地形的變化。同時(shí)，圖2標(biāo)注了東海的主要地形特征，自東向西依次為中國(guó)東海大陸架、沖繩海槽、琉球群島島鏈以及琉球海溝，結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn)其地形特征沿西南至東北方向分布。

圖1　模式覆蓋區(qū)域，包括整個(gè)東海、南海東北部以及西北太平洋部分區(qū)域(116°E-137°E，17°N-41°N);圖中白線表示PN斷面的位置

圖2　模式網(wǎng)格垂向分層—東海沿28°N的緯向網(wǎng)格垂向剖面示意圖(結(jié)合黑潮流區(qū)的地形，

模式地形數(shù)據(jù)為ETOPO1，數(shù)據(jù)分辨率為1’×1’;氣象驅(qū)動(dòng)場(chǎng)為每天1次的COADS(comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)資料;海面高和三維溫鹽流的開邊界條件使用了SODA資料50年(1958～2008年)月平均場(chǎng)。正壓流速采用Flather邊界條件，三維斜壓流速和溫鹽場(chǎng)采用Orlanski輻射加“輕推”(Nudging)邊界條件。溫度、鹽度的初始條件由 WOA2005 數(shù)據(jù)集一月份的氣候平均值給出,其空間分辨率為1/4°×1/4°。其開邊界的分潮調(diào)和常數(shù)來(lái)源于 OSU Tidal Data Inversion(OTIS)提供的 TPXO7數(shù)據(jù)集，選取了四個(gè)主要分潮(M2、S2、N2、K2)作為潮強(qiáng)迫場(chǎng)。垂向混和參數(shù)化方案采用K-剖面參數(shù)化方案(K-Profile Parameteration,KPP)。

3海表面溫度季節(jié)變化特征模擬結(jié)果分析

模式共運(yùn)行10年，輸出結(jié)構(gòu)包括水位、流速、溫度、鹽度及密度，模式輸出時(shí)間步長(zhǎng)為1個(gè)月，本論文選取第十年1月到12月的模擬數(shù)據(jù)，與WOA13(World Ocean Atlas 2013)數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)行溫鹽場(chǎng)的分析。WOA13數(shù)據(jù)是來(lái)自NOAA的國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心海洋氣象實(shí)驗(yàn)室的海洋氣候?qū)W最新數(shù)據(jù)集產(chǎn)品，包涵全球多種海洋要素?cái)?shù)據(jù)，分為年平均、季節(jié)平均、月平均數(shù)據(jù)，是多種數(shù)據(jù)集的整合產(chǎn)品，包含多種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，空間分辨率有：5°、1°、0.25°三種，在深度上利用內(nèi)插值的方法，從表層到最大深度5500m分為102層。

圖3　WOA13數(shù)據(jù)的氣候態(tài)海表面溫度

圖3是利用WOA13數(shù)據(jù)提取的氣候態(tài)東海海表面溫度，東海的海表面溫度有著明顯的季節(jié)性變化。從圖中可以看出，1月份SST自南向北逐漸升高，自呂宋海峽開始，有一股較強(qiáng)的暖水舌向北擴(kuò)展至臺(tái)灣東部海域;東海外海黑潮主軸的暖水舌沿琉球島鏈由西南向東北延伸。4月份的SST較1月份有了明顯的升高，東海外海黑潮主軸上的暖水舌溫度也有明顯升高，其變化趨勢(shì)與1月份相差不大。7月份東海黑潮的趨勢(shì)不明顯，受短波輻射的影響，東海海域與其兩側(cè)的水溫相差不大，而在日本以南以東的海面暖水舌相對(duì)比較明顯。到了10月份，整個(gè)區(qū)域的SST已經(jīng)較7月份有了明顯的減退，且緯向變化較小，黑潮路徑不明顯。

圖4　模式模擬的氣候態(tài)海表面溫度

圖4給出不同季節(jié)模式模擬的海表面溫度。通過(guò)模式模擬的海表面溫度的季節(jié)變化趨勢(shì)較為明顯。1月份和4月份可以看到暖水舌自臺(tái)灣北部向東北方向擴(kuò)展，黑潮路徑明顯;7月份海表面溫度最高，10月份次之;7月份和10月份sst的緯向變化較小，對(duì)黑潮路徑的表征不明顯。模式對(duì)于對(duì)馬暖流的模擬較為明顯，在不同季節(jié)均可看出有暖流經(jīng)過(guò)對(duì)馬海峽進(jìn)入日本海。從模式的模擬結(jié)果可以看出，1月份黃海暖流較為明顯，而7月份較弱，符合黃海暖流冬季較強(qiáng)，夏季較弱的規(guī)律。同時(shí)，模式受地形影響，1月份和4月份臺(tái)灣暖流的強(qiáng)度異常偏大，7月份長(zhǎng)江口附近有明顯的冷水團(tuán)出現(xiàn)，說(shuō)明近岸的模擬結(jié)果有待進(jìn)一步提高。

4PN斷面溫度結(jié)構(gòu)季節(jié)變化特征模擬結(jié)果分析

為研究東海黑潮水下的溫鹽結(jié)構(gòu)，本文選取位于黑潮中央地段的PN斷面(位置見(jiàn)圖1)。本文中選取的PN 斷面(圖1)東起 27°30′N、128°15′E，西至 30°30′N、123°15′E，與緯線成 37°交角。PN斷面橫切東海黑潮主干，在對(duì)東海黑潮的調(diào)查研究中PN 斷面是觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)、最系統(tǒng)、最著名的一個(gè)斷面，也是表征東海黑潮強(qiáng)度以及時(shí)空變化的重要標(biāo)志。

圖5　利用WOA13逐月月平均資料提取的 PN 斷面溫度剖面

本文中選取的PN 斷面(見(jiàn)圖1)東起 27°30′N、128°15′E，西至 30°30′N、123°15′E，與緯線成 37°交角。PN斷面橫切東海黑潮主干，在對(duì)東海黑潮的調(diào)查研究中PN 斷面是觀測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)、最系統(tǒng)、最著名的一個(gè)斷面，也是表征東海黑潮強(qiáng)度以及時(shí)空變化的重要標(biāo)志。

圖5是利用WOA13逐月月平均資料提取的 PN 斷面溫度剖面。從中可以看出，黑潮主軸上有非常強(qiáng)的暖水，尤其是在 1 月和 4 月非常明顯，在兩側(cè)的海水有很強(qiáng)的溫度梯度，且4月份其流核結(jié)構(gòu)十分明顯，黑潮主軸的強(qiáng)度較大。7月份，海水表層的溫度都非常高，溫度梯度不是很明顯， 10月份，隨著高溫水的南退，黑潮主軸的暖水特征又再次出現(xiàn)。對(duì)于 PN 斷面，深層水的水溫變化不是很大，全年的溫度特征都比較一致。從PN斷面的溫度結(jié)構(gòu)分析中，可以發(fā)現(xiàn)冬、春季節(jié)PN斷面流核結(jié)構(gòu)最為明顯。

對(duì)比模式結(jié)果與WOA13結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，模式能夠較好地再現(xiàn) PN 斷面溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征。在 1 月和 4 月，模式模擬出了冬、春季節(jié)PN斷面上明顯的流核結(jié)構(gòu);4月份流核中心溫度較1月份有所上升;受臺(tái)灣暖流異常的影響，在靠近大陸一側(cè)的近岸有一弱的高溫中心。7月份sst明顯升高，溫度水平梯度變化不大，流核結(jié)構(gòu)不明顯;等溫線在陸架坡折區(qū)內(nèi)側(cè)(靠近大陸一側(cè))上浮，說(shuō)明黑潮模擬結(jié)果夏季流幅較廣。 10月份，sst較7月份有所下降，模式模擬結(jié)果可以看出黑潮主軸的結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度較弱。

圖6　模式模擬的PN斷面溫度剖面

5結(jié)論

本文利用ROMS模式進(jìn)行東海黑潮氣候態(tài)的模擬，并對(duì)比WOA13數(shù)據(jù)，提取東海海表面和PN斷面溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征，主要結(jié)論概括如下:

1) 模式模擬的海表面溫度的季節(jié)變化趨勢(shì)較明顯，冬、春季黑潮路徑較為明顯。

2) 模式較好地模擬了 PN 斷面溫度結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化特征，冬、春季PN斷面流核結(jié)構(gòu)較為明顯。

3) 受地形影響及分辨率的限制，模式對(duì)黃海暖流以及臺(tái)灣暖流的模擬效果有待提高，是未來(lái)需要進(jìn)一步完善的部分。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月19日,修回日期：2016年2月14日

作者簡(jiǎn)介：周立佳,男,博士,副教授,研究方向：軍事海洋環(huán)境作戰(zhàn)應(yīng)用。

中圖分類號(hào)P731

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.023

Seasonal Variation Characteristics of the Kuroshio in the East China Sea Based on ROMS

ZHOU LijiaDANG ZhenzhongDONG HuichaoNIU HongxuanLIU XinZHOU Zhen

(Dalian Naval Academy, Dalian116018)

AbstractKuroshio as a high temperature, high salt, west boundary warm current, is an important part of the north Pacific subtropical circulation. At the same time, kuroshio is a kind of important marine environmental phenomena which can influence speed. Location and covertaction of submarine Kuroshio flows into the east China sea with high temperature, high salt water. Kuroshion in East china sea have an important influence on the climate of the east coast of China. By making use of the Regional Ocean Modeling System(ROMS) and data of WOA13(World Ocean Atlas 2013), the seasonal variation characteristics of sea surface in east china sea and PN section temperature structure are simulated in order to provides the basis for the related research of Kuroshio. Results shows that ROMS have a good simulation on the east China sea Kuroshio, the simulation of the SST seasonal variation agrees with the result of the WOA13, and the route of the Kuroshio in winter and spring is clear. At the same time, the model can simulate the seasonal variation characteristics of PN section temperature structure.

Key WordsROMS, East China sea, Kuroshio, SST, PN section