北太平洋北部的風(fēng)能輸入門戶

張宇，崔超然，楊倩，管玉平

(1.中國科學(xué)院南海海洋研究所 熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510301；2.中國科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣東 廣州 511458；4.中國科學(xué)院大學(xué) 海洋學(xué)院，北京 100049)

1 引言

海洋中機(jī)械能的重要來源之一是風(fēng)應(yīng)力的輸入，風(fēng)應(yīng)力通過對海流做功和增強(qiáng)海表面波向海洋輸送能量[1-4]。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量風(fēng)向海洋能量輸入的相關(guān)研究工作，認(rèn)識到風(fēng)對海洋的機(jī)械能輸入對于維持大尺度表層環(huán)流和驅(qū)動(dòng)深層海洋有重要作用[1,4-6]。維持深海環(huán)流所需的機(jī)械能約為2.1 TW(1 TW=1×1012W)，其中由潮汐提供的約為0.9 TW，剩下的大部分則是由海表風(fēng)場提供，作用于海面的風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)了表面波和表層流[7]。輸入全球海洋表面波中的風(fēng)能約57～78.6 TW，大約33～36 TW 耗損在上層海洋的波破碎中，剩余的大部分能量耗散在海灘過程中[3,8-9]。風(fēng)向海洋表層流的能量輸入可以分為輸入至表層地轉(zhuǎn)流和表層非地轉(zhuǎn)流兩個(gè)部分。表層非地轉(zhuǎn)流主要是指?？寺鱗4,10]，輸入的能量主要用于維持?？寺菪缓纳⒃诤Ｑ笊蠈?；而向表層地轉(zhuǎn)流輸入的能量則可以通過埃克曼泵壓/吸的作用轉(zhuǎn)化為重力位能，進(jìn)而通過動(dòng)位能轉(zhuǎn)換影響深層海洋運(yùn)動(dòng)[4,11]。

以往的研究主要估算了風(fēng)輸入到全球海洋中的能量?；诿绹鴩噎h(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）風(fēng)應(yīng)力資料的研究表明，在1997?2002 年間風(fēng)向世界大洋表面波輸入的平均風(fēng)能約為60 TW[2]。這一結(jié)果與MASNUM (Marine Science Numerical Modeling)模式模擬出的2005 年的結(jié)果（57 TW）基本一致[8]，而基于ERS-2 散射計(jì)資料得到的結(jié)果為78.6 TW，則相對較高[9]。相對于向表面波輸入的能量，向表層地轉(zhuǎn)流和表層非地轉(zhuǎn)流輸入的能量則往往小1～2 個(gè)量級。基于NCEP/NCAR風(fēng)場數(shù)據(jù)和TOPEX/Poseidon 衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)的研究表明，向表層流輸入的能量約為1.16 TW，其中約0.87 TW 是通過表層地轉(zhuǎn)流輸入的[7,12]。當(dāng)考慮海表流速對海表風(fēng)應(yīng)力的影響時(shí)，計(jì)算得到的風(fēng)能輸入結(jié)果減少了約20%～35%[13]。此外，數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率對結(jié)果也有一定的影響，例如Zhai 和Wunsch[14]分析6 小時(shí)風(fēng)場數(shù)據(jù)算得的輸入地轉(zhuǎn)流能量值比使用月平均風(fēng)場提高了約70%。

從Huang 等[7]和Wang 和Huang[3]的研究中可以看出，全球范圍內(nèi)風(fēng)能輸入并非均勻分布，存在著明顯區(qū)域性風(fēng)能輸入的高值區(qū)，我們將其稱之為風(fēng)能輸入的門戶區(qū)域。這些門戶區(qū)域得到了廣泛的研究，首先以南半球咆哮西風(fēng)帶驅(qū)動(dòng)的南極繞極流區(qū)最強(qiáng)[15-16]，其次是赤道信風(fēng)作用的太平洋區(qū)域[10]，最后到各大洋盆的中高緯度區(qū)域，其中以南印度洋、北太平洋和北大西洋較為顯著。北大西洋是全球深層環(huán)流的發(fā)源地，外部機(jī)械能的輸入對驅(qū)動(dòng)深層環(huán)流的形成非常重要，因而也備受關(guān)注[14,17]。但是南印度洋和北太平洋中高緯度地區(qū)則往往被人們所忽略。

與南印度洋相比，北太平洋中高緯度地區(qū)不僅風(fēng)向表面波的輸入較強(qiáng)，而且風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流以及?？寺鼘虞斎氲哪芰烤诛@著地區(qū)別于相鄰海域。由此可見，北太平洋中高緯度地區(qū)風(fēng)能輸入可以維持該海域的各種運(yùn)動(dòng)。首先，海表風(fēng)場驅(qū)動(dòng)了北太平洋表層的副熱帶流渦和副極地流渦。然后，由通風(fēng)溫躍層理論可知，在冬季北半球中高緯度地區(qū)溫躍層抬升并露頭，受到風(fēng)場的直接作用，驅(qū)動(dòng)的海水沿著等熵面向南輸運(yùn)。所以風(fēng)輸入到該區(qū)域的能量還是該海域深層運(yùn)動(dòng)的主要能量來源之一。因此，對該區(qū)域的風(fēng)能輸入的研究對于進(jìn)一步認(rèn)識北太平洋環(huán)流場的動(dòng)力機(jī)制有著重要的意義。

本文旨在利用SODA3.4.2 資料（2000?2016 年）分析北太平洋北部（25°～55°N，110°E～110°W）的風(fēng)能輸入情況，及其門戶區(qū)域輸入能量的季節(jié)性變化特征和年際變化趨勢。如前文所述，作用于海面的風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)了表面波和表層流，其中輸入到表層流中的一部分（風(fēng)輸入到地轉(zhuǎn)流中的能量）可以向深海傳播。因此，本文分別計(jì)算了風(fēng)向表面波、表層地轉(zhuǎn)流和表層非地轉(zhuǎn)流中的能量輸入。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 SODA 資料介紹

SODA（Simple Ocean Data Assimilation）海洋數(shù)據(jù)集是美國馬里蘭大學(xué)在20 世紀(jì)90 年代初采用全球簡單海洋資料同化系統(tǒng)開發(fā)的一種資料分析數(shù)據(jù)，為海洋氣候研究提供了一套與大氣再分析資料類似的海洋再分析資料。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中同化了大量的觀測資料，是目前使用非常廣泛的一種海洋同化資料，在很多海洋研究中都得到了應(yīng)用和認(rèn)可[18-21]。隨著同化技術(shù)的發(fā)展和觀測資料的更新，SODA 資料已經(jīng)發(fā)展出多個(gè)版本，本文采用了最新的SODA3.4.2 版（https://www.atmos.umd.edu/～ocean/）。該數(shù)據(jù)的水平空間分辨率為0.5°×0.5°，時(shí)間分辨率為月平均，垂向分為非等距的40 層。本文選用的數(shù)據(jù)時(shí)間為2000年1 月至2016 年12 月，數(shù)據(jù)包括水平速度、垂直速度、鹽度、現(xiàn)場溫度、緯向風(fēng)應(yīng)力和經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力。

太平洋年代際振蕩（PDO）指數(shù)是基于北太平洋月平均的海表溫度的主成分定義的，數(shù)據(jù)網(wǎng)址：http://research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest.txt。采 用的厄爾尼諾?南方濤動(dòng)（ENSO）指數(shù)是多元ENSO 指數(shù)，由來自熱帶太平洋的5 個(gè)變量計(jì)算所得，數(shù)據(jù)網(wǎng)址：https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/multivariate-enso-index。

2.2 風(fēng)向表面波能量輸入的計(jì)算公式

參考文獻(xiàn)[2]，風(fēng)向表面波的能量輸入公式為

式中，τ為風(fēng)應(yīng)力大??；ρa(bǔ)表示空氣密度，取值1.2 kg/m3；A是計(jì)算區(qū)域面積。

2.3 風(fēng)向表面流和地轉(zhuǎn)流能量輸入的計(jì)算公式

參考文獻(xiàn)[22]，風(fēng)向表面流的能量輸入Ws公式為

式中，us和vs為表面流速；taux和tauy分別為緯向和經(jīng)向風(fēng)應(yīng)力；A為海域面積。

當(dāng)流速取表層地轉(zhuǎn)流Vg時(shí)，即為風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流的能量輸入。地轉(zhuǎn)流計(jì)算公式為

3 風(fēng)應(yīng)力和表層流的分布特征和變化趨勢

根據(jù)上述的計(jì)算公式，不難看出，風(fēng)能輸入的強(qiáng)弱與風(fēng)應(yīng)力和表層流息息相關(guān)，因此這里先給出了風(fēng)應(yīng)力和表層流及其變化趨勢的季節(jié)性空間分布特征，分別如圖1 和圖2 所示。因中緯度西風(fēng)帶位置的偏移，研究區(qū)域內(nèi)的風(fēng)場總體上呈現(xiàn)出顯著的夏弱冬強(qiáng)的季節(jié)性趨勢。風(fēng)應(yīng)力高值區(qū)位置的季節(jié)性特征尤為明顯，其中，春秋以副極地流渦東部區(qū)域?yàn)橹?，夏季以大洋東邊界最強(qiáng)，冬季則以黑潮延伸體最強(qiáng)。而表層流場則不存在明顯的季節(jié)性特征。就風(fēng)應(yīng)力和流場在17 年內(nèi)的變化趨勢而言，前者以大尺度的區(qū)域變化為主，而后者則因?yàn)楸韺恿鲌霭罅康闹谐叨刃盘柖灾谐叨鹊膮^(qū)域變化為主。

圖1 風(fēng)應(yīng)力（a?d）及其大小變化趨勢（e?h）的季節(jié)性空間分布Fig.1 Seasonal spatial distributions of wind stress (a?d) and their trends (e?h)

圖2 表層流流速（a?d）及其流速變化趨勢（e?h）的季節(jié)性空間分布Fig.2 Seasonal spatial distributions of surface currents velocity (a?d) and their trends (e?h)

4 風(fēng)向表面波的能量輸入

北太平洋北部風(fēng)向表面波輸入的能量具有明顯的季節(jié)性分布的變化特征。如圖3a 至圖3d 所示，研究區(qū)域內(nèi)4 個(gè)季節(jié)風(fēng)能輸入門戶的空間位置和能量大小都存在著非常顯著的差異。這里我們?nèi)藶槎x風(fēng)能輸入的局部高值區(qū)為門戶區(qū)域，如圖3 中黑線框所示，根據(jù)填色的深淺可大致確定春、夏、秋、冬各季節(jié)的門戶區(qū)域地理范圍分別為（40°～51°N，140°W～

圖3 風(fēng)向表面波輸入的能量（a?d）及其變化趨勢（e?h）的季節(jié)性空間分布Fig.3 Seasonal spatial distributions of wind energy input to surface wave (a?d) and their trends (e?h)

180°）、（30°～45°N，120°～132°W）、（42°～54°N，160°E～140°W）、（32°～45°N，155°E～160°W）。春季，門戶區(qū)域位于副極地流渦的東部海域，單位面積上的平均風(fēng)能輸入約為0.12 W/m2；夏季，大洋內(nèi)區(qū)的風(fēng)能輸入持續(xù)減弱，而在東邊界海區(qū)，逐漸形成了以40°N 為中心的局部的風(fēng)能輸入門戶區(qū)域，單位面積上的平均風(fēng)能輸入約為0.2 W/m2；秋季，此時(shí)夏季形成的門戶區(qū)域迅速消失，在整個(gè)副極地流渦內(nèi)形成了新的門戶區(qū)域，與春季類似，但范圍和強(qiáng)度均稍有增加；冬季，是一年之中風(fēng)能輸入最強(qiáng)的季節(jié)，門戶區(qū)域也由秋季的副極地流渦轉(zhuǎn)移至黑潮延伸區(qū)附近。門戶區(qū)域內(nèi)，單位面積上的平均風(fēng)能輸入可以達(dá)到0.35 W/m2。

圖3e 至圖3h 為2000?2016 年之間各個(gè)季節(jié)的風(fēng)能輸入變化趨勢的空間分布，即風(fēng)能輸入在這17 年間增加或減少的量值。首先，就整個(gè)研究海域而言，春、秋、冬3 季風(fēng)能輸入變化比較顯著，夏季則變化不大，主要是因?yàn)轱L(fēng)能輸入在夏季最弱。而就各個(gè)季節(jié)的風(fēng)能輸入的門戶區(qū)域而言，也略有不同：春、夏兩季的風(fēng)能輸入都顯著增加，秋季變化不大，但冬季則呈東部增強(qiáng)，西部減弱的特征，其分界點(diǎn)大約在173°W。也就是說風(fēng)能高值中心逐漸向東移動(dòng)。對比圖1 和圖3 可知，風(fēng)向表面波的能量輸入的分布特征和變化趨勢大體上與風(fēng)應(yīng)力一致。

5 風(fēng)向表層流的能量輸入

表層流可以分解為表層地轉(zhuǎn)流和表層非地轉(zhuǎn)流兩部分。表層地轉(zhuǎn)流可以通過海表高度算出，見公式（3），因此可以分別算出風(fēng)向表層流和表層地轉(zhuǎn)流輸入的能量，而風(fēng)向表層非地轉(zhuǎn)流輸入的能量則為兩者之差。其中，風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流輸入的能量可以通過?？寺梦?壓產(chǎn)生的重力勢能的變化，經(jīng)動(dòng)位能的轉(zhuǎn)化向深海傳遞[7]；而輸入到非地轉(zhuǎn)流中的能量通過?？寺鼘又械拇瓜蛲牧骱纳H僅用于維持?？寺菪齕4,10]。下文分別給出了風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流和表層非地轉(zhuǎn)流的能量輸入的空間分布及變化趨勢。

與風(fēng)向表面波能量輸入大體相同的是，風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流和非地轉(zhuǎn)流的能量輸入的空間分布也具有顯著的季節(jié)性分布特征，但是四季門戶區(qū)域的范圍則略有不同，春、夏、秋、冬各季節(jié)的門戶區(qū)域地理范圍分別為（35°～51°N，150°E～140°W）、（30°～45°N，120°～

圖4 風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流（a?d）和表層非地轉(zhuǎn)流（e?h）能量輸入的季節(jié)性空間分布Fig.4 Seasonal spatial distributions of wind energy input to surface geostrophic current (a?d）and ageostrophic current (e?h)

132°W）、（40°～52°N，160°E～140°W）、（32°～45°N，145°E～160°W）。通過對比圖4 和圖3 可以看出，三者之間的季節(jié)性門戶區(qū)域整體上保持一致，均呈現(xiàn)為冬季最強(qiáng)，其他季節(jié)較弱；夏季的門戶區(qū)域位于大洋東邊界等特征。同時(shí)也有一些值得注意的差別，從量級上看，風(fēng)向表層非地轉(zhuǎn)流的能量輸入小于向地轉(zhuǎn)流的能量輸入，而且兩者遠(yuǎn)小于風(fēng)向表面波的能量輸入；從風(fēng)所做功的性質(zhì)上看，風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流的能量輸入在大洋西邊界以及阿拉斯加沿岸海域均為負(fù)值，即風(fēng)場在這些區(qū)域內(nèi)需要對流場做負(fù)功，尤其以秋季最為顯著，單位面積上的風(fēng)所做負(fù)功最高可以達(dá)到0.02～0.04 W/m2；從細(xì)節(jié)上看，黑線框所示的風(fēng)能輸入門戶內(nèi)的核心位置也有所不同，例如冬季風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流的能量輸入的核心位置相對于風(fēng)向表面波能量輸入的核心位置偏西，而且呈現(xiàn)出自西向東逐漸減弱的趨勢。

與風(fēng)向表面波能量輸入顯著不同的是風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流和非地轉(zhuǎn)流的能量輸入在同樣的17 年內(nèi)的變化趨勢。如圖5 所示，變化趨勢的分布呈現(xiàn)出了一種自西向東的帶狀特征，而且增強(qiáng)和減弱的區(qū)域交替存在。這種帶狀趨勢的經(jīng)向?qū)挾燃s為200～300 km，為明顯的中尺度的特征。由式（1）可知，風(fēng)向表面波能量輸入的變化主要由風(fēng)應(yīng)力的變化引起；而由式（2）可知，風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流或表層非地轉(zhuǎn)流能量輸入的變化則同時(shí)由海表風(fēng)應(yīng)力以及表層地轉(zhuǎn)流速或非地轉(zhuǎn)流速控制。風(fēng)場中包含的信號以大尺度為主，而地轉(zhuǎn)流場中不僅包含大尺度信號，還包含了很強(qiáng)的中尺度信號，如渦旋、黑潮大彎曲等。而且這種中尺度過程具有比大尺度過程更高的變化頻率。所以我們可以看到，風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流或表層非地轉(zhuǎn)流能量輸入的空間分布呈大尺度（＞1 000 km）特征，是由風(fēng)場決定的；而它們的變化趨勢呈中尺度（200～300 km）特征，則是由流場主導(dǎo)的。

6 各季節(jié)門戶區(qū)域的年際變化

將每個(gè)季節(jié)的門戶區(qū)域作為研究區(qū)域，計(jì)算了風(fēng)能輸入各個(gè)分量的年平均和區(qū)域平均的年際變化（圖6）。春、秋兩個(gè)季節(jié)門戶的變化趨勢比較相近，而與夏季門戶和冬季門戶相差較大。但是有時(shí)也表現(xiàn)出相同的極值特征，如2010 年均呈極大值。本文計(jì)算了風(fēng)能輸入與太平洋的主要?dú)夂蚰B(tài)（PDO 和ENSO）之間的相關(guān)性，見表1。春秋季節(jié)門戶內(nèi)，風(fēng)能輸入的3 個(gè)分量與PDO 或ENSO 指數(shù)的相關(guān)度均較低。但是夏季門戶內(nèi)，3 個(gè)分量與PDO 指數(shù)和ENSO 指數(shù)均呈較大的負(fù)相關(guān)；而在冬季門戶內(nèi)，3 個(gè)分量與PDO 指數(shù)均呈較大的正相關(guān)，與ENSO 指數(shù)的相關(guān)度則偏小。由此可見冬季門戶內(nèi)風(fēng)能輸入受到PDO 的影響更強(qiáng)烈。

7 結(jié)論與討論

圖5 風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流（a?d）和表層非地轉(zhuǎn)流（e?h）的能量輸入的變化趨勢Fig.5 Trends of the wind energy input to surface geostrophic current (a?d) and ageostrophic current (e?h)

圖6 2000?2016 年各季節(jié)門戶區(qū)域內(nèi)風(fēng)向表面波（a）、表層地轉(zhuǎn)流（b）、表層非地轉(zhuǎn)流（c）能量輸入的年際變化及該時(shí)間段內(nèi)PDO 指數(shù)和ENSO 指數(shù)的變化趨勢（d）Fig.6 Wind energy input to surface wave (a),surface geostrophic currents (b),surface ageostrophic currents (c) of each seasonal gateway in 2000 to 2016,and the PDO index and ENSO index (d)

本文用SODA3.4.2 資料分析了2000?2016 年間北太平洋北部的風(fēng)能輸入的情況，主要計(jì)算了風(fēng)向表面波、表層地轉(zhuǎn)流和表層非地轉(zhuǎn)流輸入的能量，考察了風(fēng)能輸入門戶區(qū)域的季節(jié)性分布特征以及年際變化趨勢。結(jié)果表明，北太平洋北部風(fēng)向表面波、表層地轉(zhuǎn)流和非地轉(zhuǎn)流能量輸入的門戶基本一致，均呈顯著的季節(jié)性分布。冬季最強(qiáng)，門戶區(qū)域位于黑潮延伸體；夏季最弱，門戶區(qū)域位于大洋東邊界；春、秋介于兩者之間，門戶區(qū)域位于副極地流渦區(qū)域。在2000?2016 年間，風(fēng)向表面波能量輸入的變化趨勢的空間分布由風(fēng)場變化主導(dǎo)，呈大尺度（＞1 000 km）特征；而風(fēng)向表層地轉(zhuǎn)流和非地轉(zhuǎn)流能量輸入的變化趨勢則由中尺度信號強(qiáng)的流場變化主導(dǎo)，呈中尺度（200～300 km）特征。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，秋冬季風(fēng)能輸入明顯減弱，春季增加，夏季無顯著變化。

表1 各個(gè)季節(jié)門戶內(nèi)風(fēng)能輸入與PDO 指數(shù)以及ENSO 指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation between wind energy input and PDO index and ENSO index in each seasonal gateway

就北太平洋北部而言，風(fēng)能輸入具有明顯的季節(jié)性變化特征，主要是由于受到東亞季風(fēng)和阿留申低壓的影響，該區(qū)域內(nèi)的表層風(fēng)場冬強(qiáng)夏弱。輸入到表面波中的能量遠(yuǎn)大于輸入到表層流中的能量，前者絕大部分在海洋上層通過海浪破碎、湍流內(nèi)波等作用下逐步耗散掉，而后者（主要是其中輸入表層地轉(zhuǎn)流的能量）則通過?？寺梦淖饔?，向深層傳遞。作為北太平洋風(fēng)能輸入的主要門戶，風(fēng)應(yīng)力向黑潮延伸區(qū)的地轉(zhuǎn)流輸入能量，增加了該地區(qū)內(nèi)的重力位能，一方面加劇了中尺度渦的形成，另一方面誘導(dǎo)了中高緯度海水的潛沉作用，促進(jìn)了北太平洋南北方向的水體交換。輸入到表層地轉(zhuǎn)流中的能量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢則與近年來觀測到的海表風(fēng)場減弱息息相關(guān)。總而言之，本文的研究補(bǔ)充了前人對于北太平洋風(fēng)能輸入門戶研究的不足，系統(tǒng)地計(jì)算了風(fēng)向表面波、表層地轉(zhuǎn)流及表層非地轉(zhuǎn)流輸入的能量。但是仍有一些問題有待進(jìn)一步探究。例如，向該區(qū)域內(nèi)輸入的能量在海洋中是如何分配和耗散的？風(fēng)輸入到表層地轉(zhuǎn)流中能量有多少可以向深層傳遞？此外數(shù)據(jù)的局限性也在一定程度上對結(jié)果產(chǎn)生影響，尤其是風(fēng)能輸入與PDO 或ENSO 之間的相關(guān)性。相信在未來的研究中，隨著觀測和模式的發(fā)展，我們可以得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果。