東海黑潮PN和TK斷面流量的多時間尺度變化特征

許 達(dá)馬 超鞠 霞*

(1.中國海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點實驗室,山東 青島266100；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室,山東 青島266237；3.自然資源部 第一海洋研究所海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點實驗室,山東 青島266061)

黑潮是北太平洋副熱帶海區(qū)的西邊界流,它起源于菲律賓以東海域,由北赤道流向北分支形成。黑潮經(jīng)臺灣島和與那國島之間的通道進(jìn)入中國東部海域,流經(jīng)東海陸坡,然后通過吐噶喇海峽進(jìn)入日本以南海域,最終匯入太平洋內(nèi)區(qū)。黑潮具有流速強(qiáng)、流量大、高溫高鹽等特點[1],其流量與路徑的變異,將造成近海物質(zhì)和能量交換的變化,從而控制著東海及其臨近海域的水文狀況,影響我國東南沿岸地區(qū)的氣候變化。流量(體積輸運)的大小是描述黑潮變異最重要和顯著的指數(shù)之一[2],因此,本文旨在利用更長時間的現(xiàn)場觀測資料,對東海黑潮流量的變化規(guī)律有更進(jìn)一步的認(rèn)識。

對黑潮變異認(rèn)識的持續(xù)加深與觀測方式和數(shù)據(jù)資料的不斷豐富密切相關(guān)。電磁海流計(Geomagnetic Electro Kinetograph,GEK)、南森瓶、溫鹽深儀、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers,ADCP)以及衛(wèi)星高度計等直接或間接測流方式的應(yīng)用,進(jìn)一步呈現(xiàn)出黑潮具有季節(jié)內(nèi)、季節(jié)、年際以及年代際等多尺度變化規(guī)律。自1955年起,日本長崎海洋氣象臺對東海黑潮進(jìn)行了長期水文觀測,觀測斷面位于沖繩島西北的PN(G)斷面和吐噶喇海峽的TK斷面,這對于了解東海黑潮流量的多尺度時空變化具有十分重要的作用。PN和TK這2個代表性斷面的流量變化也是本文研究東海黑潮變異的關(guān)鍵。對于東海黑潮流量,很多學(xué)者基于不同的計算方法對其進(jìn)行了估算,并在季節(jié)、年際和年代際尺度上分析了其變化特征,其中,季節(jié)和年際變化研究較為廣泛,年際以上變化相對較少。對黑潮流量的計算方法主要有動力高度法、逆方法、改進(jìn)的逆方法和海表面高度反演法。動力高度法在估算PN和TK斷面流量(地轉(zhuǎn)體積輸運量),分析其多尺度時空變化特征上應(yīng)用廣泛。國內(nèi)外許多學(xué)者以不同時間序列,在季節(jié)和年際尺度上對這兩個斷面的流量變化進(jìn)行許多研究。分析時間序列長的數(shù)據(jù)資料對研究東海黑潮流量的季節(jié)和年際變化特征更具有說服力。在季節(jié)變化尺度上,對于時間序列在10～25 a的PN斷面資料,湯毓祥等[3]和孔彬等[4]認(rèn)為冬、夏強(qiáng)而春、秋弱,秋季最小。對于東海下游的TK斷面,前人得到的季節(jié)變化規(guī)律基本一致,湯毓祥等[3]認(rèn)為春、夏強(qiáng)而秋、冬弱,春季最大,冬季最小,且通過TK斷面的流量小于PN斷面。對于時間序列在25～35 a的G-PN斷面的季節(jié)變化,Guan[2]與孫湘平等[5]認(rèn)為春、夏強(qiáng)而秋冬弱,春季最大,秋季最小；Nisihzawa[6]認(rèn)為季節(jié)變化不明顯；湯毓祥等[3]認(rèn)為春、夏和冬季相差甚小,最大差值僅為0.3 Sv,夏最大,秋最小。在年際變化尺度上,湯毓祥等[3]認(rèn)為PN斷面具有1.8和8 a的顯著周期；孫湘平等[5]認(rèn)為不同季節(jié),黑潮流量的年際變化不同,PN斷面冬季具有3.3 a顯著周期,夏季具有4.7和14 a的顯著周期；Saiki[7]認(rèn)為PN斷面流量具有5.5和8 a的顯著周期；另外,在年際變化上,東海黑潮流量與日本以南海域發(fā)生黑潮大彎曲現(xiàn)象密切相關(guān),如Qiu和Miao[8]以及Kawabe[9]分別研究了兩者的年際變化特征與機(jī)制。

不同的計算方法使得對東海黑潮流量變化的認(rèn)識不同。黑潮海表面高度差異與地轉(zhuǎn)輸運之間高度相關(guān)[10],可用來觀測黑潮流量變化。Kawabe[9]利用驗潮站所測得的長時間連續(xù)的海表高度資料,估算了TK斷面黑潮流量的變化。衛(wèi)星高度計資料也是一種觀測黑潮流量長期變化的有效方法[11],Andres等[12]利用經(jīng)驗關(guān)系反演出PN斷面12 a(1992—2004年)的流量變化,平均流量為(18.7±0.2)Sv,標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8 Sv。Yuan等[13-14]基于逆方法或改進(jìn)的逆方法研究了東中國海黑潮流量的變異,袁耀初和蘇紀(jì)蘭[15]認(rèn)為PN斷面多年(1985—1998年)平均值為27.0 Sv,季節(jié)變化為夏季最大,秋季最小,通過TK斷面的流量也是夏季最大。魏艷州等[16]基于逆方法分析了20多a(1987—2010年)PN和TK斷面流量的季節(jié)和年際變化,認(rèn)為這兩個斷面流量變化具有較好的一致性,季節(jié)變化呈夏強(qiáng)秋弱,年際尺度上存在準(zhǔn)4 a和1 a的變化周期。逆方法和改進(jìn)的逆方法是基于多個斷面的CTD觀測數(shù)據(jù),對單個斷面的流速和流量的計算仍是以動力高度法為主。

以往研究表明：1)從研究頻次上看,對PN斷面的研究比TK斷面更廣泛；東海黑潮流量的方法,主要有動力高度法、海表面高度差反演法和改進(jìn)的逆方法,其中動力高度法研究最為廣泛,不同方法之間所計算的多年平均流量在18～30 Sv范圍內(nèi)變動,差別較大；即便是同一方法,數(shù)據(jù)時間序列以及具體處理方法的不同,也會導(dǎo)致不同學(xué)者對東海黑潮季節(jié)和年際變化規(guī)律上認(rèn)識不同。2)季節(jié)變化上,東海黑潮的季節(jié)變化規(guī)律沒有被很好的認(rèn)識,各種研究之間的差異較大,沒有一個公認(rèn)的結(jié)論。3)年際變化上,基本認(rèn)為東海黑潮變異與黑潮大彎曲現(xiàn)象密切相關(guān),但從譜分析結(jié)果看,不同研究對流量的年際變化周期存在差異。近年來,關(guān)于PN和TK斷面的現(xiàn)場觀測資料不斷更新,但少有人對其進(jìn)行持續(xù)關(guān)注,而且由于觀測站位的變更,缺乏對其系統(tǒng)的分析。隨著全球氣候變化對內(nèi)區(qū)風(fēng)場及西邊界流的影響,黑潮的時空演變更值得進(jìn)一步探討。因此本文將基于以上2套資料,對東海黑潮不同區(qū)域流量的多時間尺度特征進(jìn)行研究。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文計算PN和TK斷面所用的水文數(shù)據(jù)是由日本長崎海洋氣象廳定期觀測所得,數(shù)據(jù)是由日本海洋數(shù)據(jù)中心(Japan Oceanographic Data Center,JODC)[17]提供。PN斷面在1972年之前被稱為G斷面,觀測時間為1955—1972年,且基本只在冬、夏季進(jìn)行；1972年之后改名為PN斷面。PN斷面與G斷面平行,只是位置稍向西南方向移動,1972-05開始,PN斷面基本進(jìn)行四季觀測,且站點個數(shù)維持在9個；1977-08—1996-07,觀測站位在原來的基礎(chǔ)上不斷加密,最多達(dá)22個站位觀測點；1996-10—2010-05,取消了近岸一側(cè)水深相對較淺的6個觀測站點,為位置相對穩(wěn)定的16個觀測站點；2010-12—2017-07,又取消了近岸一側(cè)的兩個站點,保持在14個觀測站點,但這期間有效觀測的頻率為每年1～4次,例如,2011年缺少春季觀測數(shù)據(jù),2013年缺少秋季觀測數(shù)據(jù),2015年僅有一次冬季的有效觀測數(shù)據(jù),2016和2017年又恢復(fù)到僅有冬、夏兩季觀測。由圖1可以看出,被放棄的近岸一側(cè)的觀測站點水深范圍僅為50～200 m,該部分流量對整個PN斷面的貢獻(xiàn)忽略不計。本研究主要選擇PN斷面1972-05—2017-07共181個航次的調(diào)查資料,該資料具有完整的每年4次分季節(jié)的觀測記錄,時間跨度為46 a,無論對季節(jié)、年際還是更長時間尺度的變化規(guī)律都具有更好的說服力。對于TK斷面,1987年之前的觀測站位較少(5～6個),且有的年份(1985年,1986年)數(shù)據(jù)缺少,并且2010年之后,JODC未提供該斷面的觀測數(shù)據(jù),因此,本研究選擇TK斷面1987-05—2010-02共92個航測的季節(jié)性觀測資料,時間跨度為24 a,其站點分布大致相同,個數(shù)穩(wěn)定保持在12個。

本研究使用的漂流浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)由美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)大西洋海洋與大氣實驗室(Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory)[18]提供。漂流浮標(biāo)觀測來自全球漂流器計劃(The Global Drifter Program),該計劃是NOAA全球海洋觀測系統(tǒng)(Global Ocean Observing System)的一個分支。1987-11—2018-06出現(xiàn)在(115°～138°E,15°～35°N)區(qū)域內(nèi)的漂流浮標(biāo)共有1 442個,記錄了海表以下水深15 m浮標(biāo)位置、流速、溫度和時間,每個浮標(biāo)數(shù)據(jù)時間間隔已被使用克里金法插值為6 h。漂流浮標(biāo)所釋放的地點主要位于菲律賓以東海域和臺灣以東海域,該浮標(biāo)資料能較好地反映黑潮表層流路特征[19],本研究在1 442個漂流浮標(biāo)中篩選出274個經(jīng)過PN或TK斷面的浮標(biāo),對浮標(biāo)軌跡線進(jìn)行分類,以此刻畫東海黑潮在PN和TK斷面之間的主要路徑和分支路徑。

海表10 m風(fēng)速資料由NOAA地球系統(tǒng)研究實驗室(Earth System Research Laboratory)[20]提供,NECP-NCAR I再分析資料月平均的風(fēng)速數(shù)據(jù)的時間范圍為1948-01至今,空間分辨率為2°。本研究還計算了1972—2017年太平洋年平均風(fēng)應(yīng)力旋度沿40°N,35°N和28°N緯線(146°12′E至太平洋東邊界)的積分。

圖1 PN和TK斷面的位置Fig.1 Locations of PN and TK sections

1.2 流量計算

本文選擇動力高度法計算PN和TK斷面的地轉(zhuǎn)流速,積分?jǐn)嗝嫔洗笥诹愕牧魉僮鳛檎麄€斷面的絕對流量。2個相鄰站位之間,選擇所觀測最大深度的較小值作為計算這2個站位間地轉(zhuǎn)流的最大深度。對于PN斷面,陳紅霞等[21]認(rèn)為,零流速面可分別選擇700 m層(最大深度大于700 m)和底邊界(最大深度小于700 m),為了便于將計算結(jié)果與前人研究進(jìn)行比較,本文計算PN斷面的零流速面也如此選擇。TK斷面的零流速面統(tǒng)一選在底邊界。關(guān)于觀測數(shù)據(jù)的垂向分辨率,2001年之前,PN和TK斷面CTD數(shù)據(jù)垂向上分布在水深為0,10,20,30,50,75,100,125,150,200,250,300,400,500,600,700,800,900,1 000,1 100和1 200 m標(biāo)準(zhǔn)層上,自2001年開始,兩斷面數(shù)據(jù)垂向分辨率為1 m,為便于分析,對低分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行垂向插值,垂向間隔統(tǒng)一變?yōu)? m。為了更好地認(rèn)識流量的季節(jié)變化,將數(shù)據(jù)進(jìn)行季節(jié)劃分：冬季(12,1,2月),春季(3,4,5月),夏季(6,7,8月),秋季(9,10,11月),并對缺少觀測或觀測不完整的季節(jié)插值。PN斷面缺少觀測的時間：1975年冬、2010年夏、2010年秋、2011年春、2012年冬、2013年秋、2014年夏、2015年春、2015年夏、2015年秋、2016年春、2016年秋、2017年春；TK斷面缺少觀測的時間：1992年秋、1998年夏、2003年秋。以上時間點的流量用三次樣條函數(shù)插值而得。

2 結(jié)果分析

2.1 季節(jié)變化

我們分別使用時間序列為46 a和24 a的CTD資料,采用動力高度法對PN和TK斷面的流量進(jìn)行了計算,與前人的計算相比,這2套長時間序列的資料對于認(rèn)識東海黑潮多尺度時空變化規(guī)律具有重要意義。

在季節(jié)變化尺度上,東海黑潮變異存在一定的區(qū)域差異。由表1可看出,PN和TK斷面流量季節(jié)變化明顯,但兩者變化并不同步。1972—2017年,PN斷面呈現(xiàn)出冬、春和夏季流量大(均超過20 Sv),且彼此之間相差很小(最大差值僅為0.2 Sv)、秋季最小(小于20 Sv)的特點,二者最小差值為1.8 Sv,最大差值為2 Sv,這與湯毓祥等[3]結(jié)論一致,本研究用更長的時間序列資料予以肯定。即盡管不同學(xué)者所使用的時間序列長短不同,流量的統(tǒng)計方法也不盡相同[2-5,14,16],但共同點是PN斷面流量的最小值發(fā)生在秋季,本研究也予以證實,而目前有爭議的地方在于流量最大值發(fā)生的季節(jié)以及冬、春和夏三個季節(jié)的差異是否顯著,本研究46 a的統(tǒng)計資料顯示,冬、春和夏三季流量幾乎一致。對于TK斷面,本文研究結(jié)果顯示,1987—2010年,TK斷面流量季節(jié)變化明顯,最大(最小)值出現(xiàn)在夏季(秋季),冬、夏季強(qiáng)而春、秋季弱,強(qiáng)弱之間的最小差值為1.0 Sv,最大差值為2.8 Sv。此結(jié)論與魏艷州等[16]結(jié)論相同,但與林葵等[22]以及湯毓祥等[3]結(jié)論不同。PN和TK斷面流量季節(jié)變化并不完全一致,但共同點為最大(小)流量均出現(xiàn)在夏(秋)季。

表1 PN和TK斷面季節(jié)平均流量(Sv)Table 1 Seasonal mean volume transport across PN and TK sections(Sv)

2.2 年際變化

從動力計算結(jié)果來看,PN斷面流量最大值為32.8 Sv(冬,2002年),最小值為3.1 Sv(秋,1974年),TK斷面流量最大值為29.2 Sv(夏,1987年),最小值為6.0 Sv(春,2000年)。PN和TK斷面流量多年平均值分別為21.1和19.8 Sv。結(jié)合表1可看出,無論是季節(jié)平均還是多年平均,PN斷面流量均強(qiáng)于TK斷面。黑潮通過PN和TK斷面的流量并不相等,在相同時間范圍內(nèi)(1987—2010年)年平均流量的最大差值可達(dá)10.5 Sv,但某些年份TK斷面流量則更強(qiáng),即1987,1999,2004和2010年,兩斷面流量差值分別為-4.6,-0.1,-0.3和-3.4 Sv,這是因為：一方面,零流速面的選取和淺水訂正的不足可能使得兩斷面流量計算結(jié)果不一致；另一方面,東海黑潮流況復(fù)雜,黑潮經(jīng)過PN斷面后出現(xiàn)一分支在日本九州西南海域進(jìn)入對馬海峽和黃海,或通過九州以南大隅海峽進(jìn)入太平洋[1,23-25],而琉球群島東側(cè)海水也有匯入黑潮PN斷面以北的分支[24],這也可能會使PN和TK斷面流量變得不一致。本文利用1987—2018年經(jīng)過PN或TK斷面的274個漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù),對東海黑潮在PN和TK斷面之間的主要路徑和分支做了初步分析,其中有194個浮標(biāo)經(jīng)過PN斷面后通過TK斷面(吐噶喇海峽)進(jìn)入太平洋(圖2a),占總數(shù)的70.8%；28個浮標(biāo)經(jīng)過PN斷面后進(jìn)入對馬海峽和黃海(圖2b),占總數(shù)的10.2%；41個浮標(biāo)經(jīng)過PN斷面后通過大隅海峽進(jìn)入太平洋(圖2c),占總數(shù)的15.0%；11個浮標(biāo)通過琉球群島(奄美大島與沖繩島之間的通道)流入或流出東海(圖2d),占總數(shù)的4.0%,該部分浮標(biāo)有的自太平洋進(jìn)入東海后又經(jīng)過TK斷面返回太平洋,有的經(jīng)過PN斷面后直接向東進(jìn)入太平洋。另外,也有浮標(biāo)通過PN斷面后向南或通過TK斷面向西的逆向流動,但像這樣能捕獲黑潮逆流的浮標(biāo)數(shù)量極少。由此可以看出,東海黑潮在中游(PN斷面)至下游(TK斷面)之間存在多個與鄰近區(qū)域水交換的通道,使得兩斷面流量存在一定差異。

圖2 1987-11—2018-06流經(jīng)PN或TK斷面274個漂流浮標(biāo)軌跡圖Fig.2 Trajectories of 274 drifters passing through the PN or TK section from November 1987 to June 2018

圖3是1987—2010年Ni?o3.4年平均指數(shù)異常以及同期PN和TK斷面年平均流量異常時間變化圖。Ni?o3.4指數(shù)所代表的赤道太平洋海區(qū)(170°～120°W,5°N～5°S)是ENSO海洋-大氣耦合作用的關(guān)鍵區(qū)域[26],該指數(shù)常被用來判斷厄爾尼諾現(xiàn)象的發(fā)生。PN和TK斷面年平均流量與Ni?o3.4指數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別0.11和0.15,相關(guān)性較差,但由圖3可以看出,1996—2003年Ni?o3.4指數(shù)與PN,TK斷面年平均流量的峰谷值對應(yīng)較好,其他年份如1990—1995年,PN斷面流量與Ni?o3.4指數(shù)變化基本一致,2006—2009年TK斷面流量與Ni?o3.4指數(shù)變化基本一致。盡管個別年份差異大導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)較小,但從年際以上的尺度看,東海黑潮流量變化可能與ENSO有關(guān)。

東黑潮流量變化受多種因素影響(PDO、ENSO等),不僅具有周期性、趨勢性等特征,還存在隨機(jī)性、突變性,具有多尺度變化規(guī)律。Morlet小波分析能清晰地揭示隱藏在時間序列中的多種變化周期,能反映時域和頻域良好的局部化特征[27]。該部分重點探究東海黑潮流量的年際變化規(guī)律,分別對PN和TK斷面年平均、冬季和夏季流量做小波分析,并對結(jié)果做顯著性分析和檢驗。由于許多地球物理時間系列具有紅噪聲特征(即方差隨著尺度的增加或頻率的下降而增加),所以本文參照Torrence和Compo[27]采用傅立葉紅噪聲譜作為背景譜對小波譜進(jìn)行顯著性分析和檢驗。

圖3 1987—2010年Ni?o3.4年平均指數(shù)異常、PN和TK斷面年平均流量異常Fig.3 Time series of annual mean of Ni?o3.4 index and KVT anomalies across PN and TK Sections from 1987 to 2010

2.2.1 PN斷面

圖4～6分別為PN斷面年平均流量距平、冬季流量距平、夏季流量距平的小波分析圖。各圖b中灰色線與數(shù)字表示小波功率譜等值線與譜值,黑色粗的封閉曲線包圍區(qū)域表示置信度大于90%的區(qū)域,黑色錐形線及其下方的白色陰影部分為邊界效應(yīng)影響域。PN斷面年平均流量距平如圖4a所示,1990年之前、1999年、2004年以及2010年,均為負(fù)距平,平均為-4.9 Sv,最大發(fā)生在1974年,為-14.2 Sv,該時段內(nèi)流量偏小；在1990—1998年、2000—2003年、2005—2009年、2011—2017年時間段內(nèi),均為正距平3.8 Sv,最大為7.3 Sv(2005年)。

圖4 PN斷面年平均流量的小波分析Fig.4 Wavelet analysis of annual mean KVT across PN section

圖5 PN斷面冬季流量的小波分析Fig.5 Wavelet analysis of KVT across PN section in winter

一些學(xué)者通過譜分析發(fā)現(xiàn)PN斷面流量具有顯著年際周期變化[5-7,16],本文研究發(fā)現(xiàn),盡管圖4b小波功率譜顯示在2002—2012年具有2～3 a的顯著周期,但圖4c全局小波功率譜顯示此信號未通過紅噪聲檢驗,受噪聲干擾較大,故未發(fā)現(xiàn)顯著周期。圖5a為PN斷面冬季流量距平,在1976—1992年具有2～3 a的顯著周期(置信度大于90%)(見圖5b),峰值在準(zhǔn)3 a。夏季流量變化同樣具有2～3 a的顯著周期(置信度大于90%),但峰值在準(zhǔn)2 a且在1982—1985年、1998—2005年、2008—2013年間,流量變化的2～3 a周期比較顯著(見圖6)。

圖6 PN斷面夏季流量的小波分析Fig.6 Wavelet analysis of KVT across PN section in summer

2.2.2 TK斷面

圖7～圖9分別為TK斷面年平均流量距平、冬季流量距平、夏季流量距平的小波分析圖。各圖b中灰色線與數(shù)字表示小波功率譜等值線與譜值,黑色粗封閉曲線包圍區(qū)域表示置信度大于90%的區(qū)域,黑色錐形線及其下方的白色陰影部分為邊界效應(yīng)影響域。與PN斷面相比,TK斷面年平均流量距平變化幅度較小(圖7a),1989年、1991—1996年、2000—2001年、2003年及2007年,距平小于零,TK斷面流量偏小,平均距平-2.1 Sv,最大發(fā)生在2000年,為-4.6 Sv；在1987—1988年、1990年、1997—1999年、2002年、2004—2006年及2008—2010年,TK斷面流量偏大,平均正距平為1.8 Sv,最大發(fā)生在2005年,為4.5 Sv。

由圖7c可知,TK斷面流量的變化具有準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)7 a的顯著周期(置信度大于90%),1995—2005年間,流量變化的3～4 a周期比較顯著,其中,1998—2003年,還具有6～7 a的顯著周期,說明流量周期變化明顯(圖7b)。冬季流量的變化具有3～7 a的顯著周期(置信度大于90%),峰值在準(zhǔn)3 a及6 a,1993—1998年間,流量變化3～5 a的周期比較顯著；1997—2003年間,具有5～7 a的顯著周期(圖8)。夏季流量的變化具有2～5 a的顯著周期,但這個顯著周期是由邊緣效應(yīng)所致,故TK斷面夏季流量變化并無顯著周期(圖9)。因此,TK斷面年平均流量與冬季流量變化具有同為3～7 a的顯著周期,但發(fā)生的年份不同。

圖7 TK斷面年平均流量的小波分析Fig.7 Wavelet analysis of annual mean KVT across TK section

圖8 TK斷面冬季流量的小波分析Fig.8 Wavelet analysis of KVT across TK section in winter

圖9 TK斷面夏季流量的小波分析Fig.9 Wavelet analysis of KVT across TK section in summer

2.3 長期變化趨勢

PN斷面流量的長期變化趨勢是增加的。圖10a分別表示1972—1976年、1977—2017年以及1972—2017年的長期變化趨勢,這3個時間段內(nèi)流量的長期趨勢都是增加的,1972—1976年的增加趨勢較強(qiáng),增長率約為1.0 Sv/a,而1977—2017年的增加趨勢要緩和,增長率約為0.2 Sv/a。統(tǒng)計結(jié)果顯示,1972—2017年全部時間序列的增長率約為0.3 Sv/a,PN斷面流量增幅約為13 Sv,這種顯著的長期變化趨勢是值得關(guān)注的,并且,我們發(fā)現(xiàn)在1976年附近流量變化出現(xiàn)1個突變點,增幅約為7 Sv,這可能與PDO在1976年發(fā)生位相轉(zhuǎn)移有關(guān)。Zhang等[28]也發(fā)現(xiàn)在1976年附近流量有突增的現(xiàn)象。然而圖10b顯示,TK斷面的長期變化趨勢只是略有增加,增長率約為0.05 Sv/a。

圖10 PN斷面和TK斷面黑潮年平均流量Fig.10 Variation of annual mean KVT across the PN and TK sections

對于PN斷面長期增加趨勢,按照經(jīng)典的Sverdrup理論[29],黑潮流量由北太平洋副熱帶風(fēng)應(yīng)力旋度決定,然而20世紀(jì)大氣再分析(20CRv2)資料顯示,該海區(qū)風(fēng)應(yīng)力旋度在過去一個多世紀(jì)是減弱的[30],意味著黑潮流量減少。這與本文計算結(jié)果以及再分析資料顯示的黑潮流量增加矛盾。本文利用1976—2017年NCEP-NCAR I再分析資料(水平分辨率為2°),分別計算了太平洋風(fēng)應(yīng)力旋度沿28°N,35°N,40°N緯線(146°12′E至太平洋東邊界)的積分(圖11),結(jié)果顯示更高緯度(35°N和40°N)風(fēng)應(yīng)力旋度絕對值增加的確與PN斷面流量長期趨勢增加是一致的,而同緯度帶(28°N)的風(fēng)應(yīng)力旋度長期趨勢是減弱的,這說明東海黑潮PN斷面流量可能與高緯度帶的風(fēng)場密切相關(guān)。如果不考慮西邊界附近的陸坡地形,副熱帶內(nèi)區(qū)風(fēng)場變化激發(fā)的正壓Rossby波,在短時間內(nèi)沿緯線傳播到黑潮區(qū),導(dǎo)致海面坡度調(diào)整,從而增加黑潮流速；當(dāng)考慮陸坡地形作用后,海洋波動調(diào)整的傳播路徑變?yōu)檠氐任粶u(f/H)線傳播,至西邊界附近時因為水深減小將向低緯度偏移,故此時黑潮流量的變化將與更高緯度風(fēng)場,如西風(fēng)帶的變化密切相關(guān)。

圖11 太平洋年平均風(fēng)應(yīng)力旋度沿40°N,35°N和28°N緯線(146°12′E至太平洋東邊界)積分(實線)及其長期變化趨勢(虛線)Fig.11 Variation(solid)and long-term trend(dashed)of the zonal integral of wind stress curl along 40°N,35°N and 28°N over the area in the Pacific Ocean between 146.2°E and eastern boundary

通過分析PN和TK斷面流量的季節(jié)、年際以及長期變化趨勢可以看出,黑潮在不同區(qū)域的主要周期存在差異。局地風(fēng)場和復(fù)雜的分支流動可能會造成兩斷面流量變化的主要周期存在差異。Lee和Williams[31]曾提出沿著大西洋灣流流向的風(fēng)場對海水的輸運量貢獻(xiàn)很大,冬(夏)季北(南)風(fēng)也會減少(增加)東海黑潮的流量[32],但就兩斷面的走向來看,PN斷面偏“東西”走向,TK斷面偏“南北”走向,且?guī)缀醮怪?同一季節(jié)局地風(fēng)場可能會對兩斷面的流量貢獻(xiàn)存在差異。黑潮在PN和TK斷面之間具有復(fù)雜的分支流動,如進(jìn)入黃海、對馬海峽以及大隅海峽的分支,通過琉球群島進(jìn)出東海的分支,這都可能削弱或改變黑潮的傳播信號,從而造成黑潮在不同區(qū)域主要周期不一致的現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

利用動力高度法,本文計算了PN斷面46 a(1972—2017年)和TK斷面24 a(1987—2010年)流量變化,分別以年平均、冬季和夏季流量為基數(shù),對這兩個斷面流量做了小波分析。通過對東海黑潮季節(jié)、年際以及長期變化趨勢的研究,發(fā)現(xiàn)東海黑潮的流量變化存在一定的區(qū)域性差異,同時具有多時間尺度變化特征。具體認(rèn)識如下：

1)PN斷面流量多年平均值為21.1 Sv,最大值為32.8 Sv(冬,2002年),最小值為3.1 Sv(秋,1974年),TK斷面流量多年平均值為19.8 Sv,最大值為29.2 Sv(夏,1987年),最小值為6.0 Sv(春,2000年),PN斷面流量的變動幅度大于TK斷面。

2)季節(jié)變化規(guī)律：PN斷面流量冬、春和夏季相差很小(最大差值為0.2 Sv),秋季最小；TK斷面流量冬、夏季強(qiáng)而春、秋季弱,秋季最小。這兩個斷面流量的季節(jié)變化雖不完全一致,但共同點是最大(小)流量均出現(xiàn)在夏(秋)季。

3)年際變化規(guī)律：小波分析顯示,PN斷面流量的年際變化規(guī)律并不顯著,可能受噪聲信號影響較大；TK斷面流量年際變化顯著,具有3～7 a的顯著周期,發(fā)生在1995—2005年,峰值為準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)6 a。不同季節(jié),黑潮流量變化的顯著周期也不同,PN斷面冬季和夏季變化顯著,且均具有2～3 a的顯著變化周期,但顯著周期分別發(fā)生在1976—1992年和2000—2013年間,峰值分別為準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)2 a；TK斷面冬季流量變化顯著,具有3～7 a的顯著周期,主要發(fā)生在1995—2005年間,峰值為準(zhǔn)4 a和準(zhǔn)7 a,但夏季流量變化無顯著周期。東海黑潮在PN和TK斷面之間存在多個與鄰近區(qū)域水交換的通道,使得兩斷面流量存在一定差異。但從年際以上尺度看,東海黑潮流量變化可能與ENSO有關(guān)。

4)長期變化趨勢：PN斷面流量長期變化趨勢是增加,增長率約為0.3 Sv/a,TK斷面流量長期變化趨勢增加并不明顯,增長率僅為0.05 Sv/a。PN斷面流量在1976年附近有一個突變點,流量有較大幅度增加。北太平洋更高緯度(35°N和40°N)風(fēng)應(yīng)力旋度絕對值是增加的,與PN斷面流量長期趨勢增加是一致的,而同緯度帶(28°N)的風(fēng)應(yīng)力旋度長期趨勢是減弱的,所以東海黑潮PN斷面流量可能與高緯度帶的風(fēng)場密切相關(guān)。