風(fēng)急流對呂宋海峽黑潮路徑變異的影響及其動力機制

常 銻, 王 錚, 袁東亮

風(fēng)急流對呂宋海峽黑潮路徑變異的影響及其動力機制

常 銻1, 2, 3, 王 錚1, 2, 袁東亮1, 2

(1.中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2.中國科學(xué)院海洋環(huán)流與波動重點開放實驗室, 山東 青島 266071; 3.中國科學(xué)院研究生院, 北京 100049)

為研究風(fēng)急流對呂宋海峽處黑潮路徑的影響, 本文使用1.5層約化重力淺水模式, 設(shè)置了與呂宋海峽跨度相接近的缺口寬度, 考慮西邊界流在西邊界缺口處當(dāng)處于遲滯過程的臨界狀態(tài)時, 其路徑受風(fēng)急流影響的動力機制, 并初步探討了在實際海陸邊界條件下, 實際風(fēng)急流對黑潮路徑的影響。結(jié)果顯示, 理想情況下, 當(dāng)西邊界流處在由入侵流態(tài)到跨隙流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 西風(fēng)、南風(fēng)以及西南風(fēng)風(fēng)急流可以激發(fā)西邊界流由入侵流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缦读鲬B(tài)。當(dāng)西邊界流處在由跨隙流態(tài)向入侵流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 北風(fēng)、東風(fēng)以及東北風(fēng)風(fēng)急流可以激發(fā)西邊界流由跨隙流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿肭至鲬B(tài), 并且在風(fēng)急流消失后西邊界流不能再恢復(fù)到初始流態(tài)。實際情況下, 冬季風(fēng)急流有利于黑潮入侵南海, 夏季風(fēng)急流有利于黑潮跨越呂宋海峽, 這和理想情況下的模擬結(jié)果以及實際觀測結(jié)果相一致, 這對進一步研究南海北部的上層環(huán)流以及南海的質(zhì)量、能量輸送有重要意義。

遲滯現(xiàn)象; 缺口寬度; 實際風(fēng)急流

臺灣島和呂宋島之間的海域統(tǒng)稱為呂宋海峽, 其跨度接近350 km。呂宋海峽作為南海和太平洋聯(lián)系的重要紐帶, 太平洋與南海環(huán)流體系通過此處進行質(zhì)量、動量與能量的交換。黑潮是西太平洋上的一支強大的西邊界流, 它起源于北赤道流在呂宋以東的北向分支, 經(jīng)菲律賓以東的海域, 越過呂宋海峽, 緊貼著臺灣島東部進入東海, 黑潮流經(jīng)呂宋海峽時發(fā)生形變并作用于南海, 對南海北部環(huán)流及其變異有十分重要的影響, 但是黑潮在呂宋海峽附近的路徑變化, 尤其是黑潮受由高山地形導(dǎo)致的風(fēng)急流影響而發(fā)生形變的動力機制, 目前還不清楚。本研究擬使用一個1.5層約化重力淺水模式, 對呂宋海峽黑潮變異受風(fēng)急流影響的動力機制進行初步的探討。

1 呂宋海峽黑潮變異研究回顧

呂宋海峽是北太平洋西邊界的一個缺口, 黑潮在北上途中流經(jīng)此缺口時, 可能會因為失去陸架的支持而入侵南海。關(guān)于黑潮在呂宋海峽形變的方式, Wyrtki[1]最早指出: 冬季表層黑潮水通過呂宋海峽進入南海, 并一直向西深入南海腹地, 夏季黑潮入侵逐漸衰退, 表層海水從南海流向太平洋; Shaw[2]通過分析水文資料發(fā)現(xiàn), 在冬季黑潮水可以達到117°E, 在夏季黑潮主軸被限制在120°E以東; Centurioni等[3]統(tǒng)計1989—2002年的漂流瓶資料顯示, 在南海發(fā)現(xiàn)漂流瓶的時間是在10月至1月, 而7月至9月期間在南海沒有發(fā)現(xiàn)漂流瓶, 并且通過計算流速得出, 漂移物軌跡不僅是由Ekman輸送產(chǎn)生的, 也與海洋斜壓場變化有關(guān); Shaw[2, 4]也證實了這一點。也有觀點認為黑潮水終年入侵南海, Chu等[5]基于氣候水文資料計算了呂宋海峽處黑潮的緯向流量, 結(jié)果顯示黑潮終年流向西, 且流量在2月最大, 9月最小; Qu等[6]通過對歷史溫鹽資料的水團分析也得到了相似的結(jié)論, 但流量最大最小的月份以及流量值和Chu等[5]不同。方國洪等[7]建立了一個全球大洋變網(wǎng)格環(huán)流數(shù)值模式模擬中國近海域際水、熱、鹽輸運, 發(fā)現(xiàn)在呂宋海峽附近, 就體積輸送而言, 太平洋水終年進入南海, 最大流量發(fā)生在12 月, 最小流量發(fā)生在6月。袁耀初等[8]通過分析2002年春季海洋水文資料, 發(fā)現(xiàn)黑潮在呂宋海峽錨碇測流站200和500 m深度流向西北, 與計算得到的從海峽西部中心到海峽東部北端的西南-東北走向的斷面流向一致, 而在700 m處流向為東北。Metzger等[9-10]和Metzger[11], 指出, 呂宋海峽處的黑潮形態(tài)對附近島嶼和海岸線的微小變化以及模式的分辨率十分敏感。蘇紀蘭[12]利用非線性的平面約化模式得出, 不可能有穩(wěn)定的黑潮分支流進入南海, 黑潮水只能以非穩(wěn)態(tài)的方式進入南海, 如亞中尺度渦之類。Yuan等[13]利用近20 a來的衛(wèi)星水色、SST和高度計資料研究呂宋海峽處的表層黑潮流向, 發(fā)現(xiàn)黑潮路徑以直線跨越呂宋海峽為主, 只有在年平均不到30%的時間里黑潮以大彎曲反氣旋形式入侵呂宋海峽, 冬季反氣旋入侵的時間較年平均時間稍長一些, 并指出呂宋海峽黑潮路徑的季節(jié)內(nèi)變化特征與東部渦旋撞擊的關(guān)系。

關(guān)于呂宋海峽海洋環(huán)流的動力機制目前的研究并不多, 比較典型的是季風(fēng)對黑潮流態(tài)的影響, Wang等[14]指出東北季風(fēng)的上?？寺鼘虞斶\迫使黑潮流入?yún)嗡魏{; Farris 等[15]的分析表明風(fēng)應(yīng)力強度控制著黑潮流套的擴展程度。許多數(shù)值模擬研究, 如Liang等[16]、Hsin等[17]、Wu等[18]、Nan等[19]都考慮了風(fēng)強迫的作用, 以及風(fēng)應(yīng)力旋度產(chǎn)生的經(jīng)向壓力梯度對黑潮路徑的影響, 但是上述研究都沒有考慮黑潮的遲滯回歸過程。

遲滯回歸現(xiàn)象是由Sheremet[20]發(fā)現(xiàn)的, 他指出當(dāng)缺口大小和Munk邊界層厚度滿足一定關(guān)系時, 西邊界流在缺口處存在多穩(wěn)定態(tài), 以及從一個穩(wěn)定態(tài)到另一個穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象, 但是并沒有進一步研究中尺度渦旋以及風(fēng)對西邊界流流態(tài)轉(zhuǎn)換的影響。在上述的基礎(chǔ)上, 袁東亮等[21]初步研究了中尺度渦對西邊界流路徑影響的動力機制, Yuan等[22]進一步研究了不同尺度和不同位置的渦旋對西邊界流流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響, Song等[23]研究了兩種流態(tài)的西邊界流對中尺度渦旋發(fā)展的影響, Hou等[24]研究了不同形態(tài)的黑潮流入?yún)嗡魏{的非線性動力機制。Wang等[25-26]研究了經(jīng)向風(fēng)對缺口處西邊界流流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響, 結(jié)果顯示, 當(dāng)西邊界流處于從入侵到跨隙轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 南風(fēng)的暴發(fā)有助于西邊界流跨隙, 而當(dāng)西邊界流處于從跨隙流態(tài)到入侵流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 北風(fēng)的暴發(fā)使西邊界流入侵西海盆。鐘慎雷等[27]在Wang等[25]的基礎(chǔ)上研究了理想地形下不同方向和不同尺度的理想風(fēng)急流對西邊界流流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響, 但模式中所用缺口寬度和羅斯貝變形半徑太小, 遲滯回歸曲線中沒有出現(xiàn)Hopf分岔, 無法反映西邊界流的非線性特征, Hopf分岔是從穩(wěn)定解變?yōu)榉€(wěn)定周期解的分岔點。本研究首先是對鐘慎雷等[27]研究工作的加強, 采用了與呂宋海峽實際情況相符合的缺口寬度300 km和羅斯貝變形半徑R60 km, 重復(fù)理想試驗, 并進一步考慮實際海陸邊界條件下, 實際風(fēng)急流對黑潮路徑的影響。

2 模式介紹

本文所采用的1.5層約化重力淺水模式, 與王錚[25-26]和鐘慎雷[27]研究經(jīng)向風(fēng)、理想風(fēng)急流對西邊界流路徑影響所采用的淺水模式相同, 而與Sheremet[20]和袁東亮等[21]研究流量和渦旋對西邊界流路徑影響所采用的1.5層約化重力準地轉(zhuǎn)模式不同, 是因為準地轉(zhuǎn)模式只能接受風(fēng)應(yīng)力旋度強迫, 而淺水模式可以接受分量風(fēng)強迫, 模式的控制方程為全流型方程組, 如下所示,

模擬區(qū)域是450×180個網(wǎng)格點組成的矩形區(qū)域, 如圖1所示, X是橫向網(wǎng)格點坐標, Y是縱向網(wǎng)格點坐標, 網(wǎng)格間距為10 km, 包括東西兩個海盆, 中間由一帶缺口的海脊隔開, 兩個海盆皆為封閉海盆, 西海盆緯向長2 000 km, 經(jīng)向?qū)? 800 km, 東海盆緯向長2 500 km, 經(jīng)向?qū)? 800 km, 西邊界流由東海盆緯向風(fēng)驅(qū)動。模式中, , u和v分別代表上層?xùn)|向和北向速度分量, 為緯向風(fēng)應(yīng)力, 模式上層海洋的密度是r0=1 022 kg/m3, 下層水體不動, 密度為r0+Δr, 約化重力是g′=0.03 m/s2, 平衡時水深h=300 m, 邊界條件采用無滑動摩擦, 水平拉普拉斯擴散系數(shù)為AH=300 m2/s, Rayleigh型底摩擦R=5×10–8 s–1。采用β平面近似, f0=3.2×10–5 s–1, β=2×10–11 m–1·s–1, 缺口寬度為a=300 km, 缺口中央的羅斯貝變形半徑LR=(g′h)1/2/f=60 km, 西邊界缺口半寬與Munk邊界層厚度LM之比=a/(2LM)=6.09。

3 理想情況下的試驗

3.1 模擬遲滯過程

這樣在P<α

3.2 理想風(fēng)急流

Wang等[28]指出在臺灣島以及菲律賓群島上有四處明顯高山, 當(dāng)風(fēng)在穿過這些高山之間的空檔時受到高山影響, 風(fēng)場形式發(fā)生改變, 形成的風(fēng)叫做風(fēng)急流。衛(wèi)星資料和數(shù)值模擬證實了風(fēng)急流是南海中尺度渦生成的主要因素, 夏季主要分布在越南中部外海, 冬季主要在臺灣島西南海域及呂宋西北及以西海域, 風(fēng)急流的構(gòu)成方程為:

圖2 =6.09時的遲滯回歸曲線

在本研究中, 風(fēng)急流作用時間設(shè)為第1 a作用40 d, 40 d之后去掉風(fēng)急流并將模式積分6 a達到穩(wěn)定狀態(tài)。模式中的時間相當(dāng)于實際時間的10倍, 因為模式中所模擬黑潮的流量只有實際黑潮流量的1/10左右。Farris等[15]通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn), 如果局地臨界風(fēng)應(yīng)力強度大于0.08 N/m2, 且作用時間超過4 d, 黑潮流環(huán)就會形成。本研究模式作用區(qū)域和作用時間的選取以此為依據(jù)。

圖3 風(fēng)急流旋度結(jié)構(gòu)

3.3 理想情況下的試驗

3.3.1 西邊界流由周期甩渦態(tài)到跨隙流態(tài)跳躍

當(dāng)西邊界流處在由周期甩渦態(tài)到跨隙流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時(圖4), 此時α=0.59, 它較易受到來自西風(fēng)和南風(fēng)風(fēng)急流的擾動而發(fā)生跳躍。圖5顯示的是各個方向的風(fēng)急流對西邊界流路徑影響的結(jié)果, 所加理想風(fēng)急流區(qū)域為缺口附近。風(fēng)急流作用后的結(jié)果顯示西風(fēng)=π、西南風(fēng)=5π/4, 以及南風(fēng)風(fēng)急流=3π/2可以使西邊界流由周期甩渦流態(tài)轉(zhuǎn)換為跨隙流態(tài), 其他方向的風(fēng)急流仍然保持西邊界流的初始甩渦態(tài)。由于西邊界流變化的遲滯過程, 西邊界流流態(tài)一經(jīng)改變無法再恢復(fù)到初始流態(tài)。

圖4 ατ=0.59時, 西邊界流處于從入侵到跨隙轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的動力機制解釋如下。圖6是= 5π/4和=7π/4所對應(yīng)的風(fēng)急流旋度結(jié)構(gòu), 因為藍色表示負的風(fēng)應(yīng)力旋度, 生成反氣旋渦旋, 紅色表示正的風(fēng)應(yīng)力旋度, 產(chǎn)生氣旋渦旋, 所以壓力梯度力由藍色圓圈指向紅色圓圈, 壓力梯度的方向會影響黑潮主軸路徑; 同時反氣旋渦旋和氣旋渦旋相鄰面的流向也會對黑潮流態(tài)產(chǎn)生影響。當(dāng)壓力梯度和流向一致改變西邊界流流態(tài)時, 西邊界流流態(tài)發(fā)生跳躍, 如當(dāng)=5π/4時為西南風(fēng)風(fēng)急流, 壓力梯度力指向西北, 有利于西邊界流跨隙, 兩個渦旋相鄰面流流向東北, 也有利于西邊界流的跨隙, 所以西南風(fēng)風(fēng)急流會使處于臨界態(tài)的西邊界流由入侵流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缦读鲬B(tài)(圖5)。而當(dāng)兩者作用不一致時, 西邊界流保持其原有流態(tài), 如當(dāng)=7π/4時為東南風(fēng)風(fēng)急流, 壓力梯度力指向西南, 有利于西邊界流的入侵, 而兩個渦旋相鄰面流流向西北, 有助于西邊界流的跨隙, 兩者作用相反, 西邊界流保持初始入侵流態(tài)(圖5)。

3.3.2 西邊界流由跨隙流態(tài)向周期甩渦流態(tài)跳躍

當(dāng)西邊界流處于由跨隙到周期甩渦轉(zhuǎn)變的臨界流態(tài)時, 它的路徑較易受到東風(fēng)和北風(fēng)風(fēng)急流, 而不是西風(fēng)和南風(fēng)風(fēng)急流擾動而發(fā)生跳躍。當(dāng)α=0.43時, 在缺口處加理想風(fēng)急流后的試驗結(jié)果顯示東風(fēng)、北風(fēng)以及東北風(fēng)風(fēng)急流可以使西邊界流在缺口處的路徑由跨隙流態(tài)永久地轉(zhuǎn)換為周期甩渦態(tài), 而其他方向的風(fēng)急流仍然保持西邊界流的跨隙流態(tài), 動力機制仍然是壓力梯度力和渦旋流動方向的雙重作用。從圖2可以看到, 當(dāng)α<0.43時, 西邊界流只存在一種狀態(tài)即反氣旋入侵流態(tài)(包括周期甩渦態(tài)), 由于遲滯過程, 在風(fēng)急流被去掉后, 隨著流量的減少, 西邊界流將沿著圖2中下邊的雙線曲線達到穩(wěn)定, 很顯然是周期甩渦態(tài)。

圖5 當(dāng)西邊界流處于從入侵到跨隙轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 不同方向的風(fēng)急流對西邊界流流態(tài)的影響結(jié)果

圖6 θ=5π/4和θ=7π/4的壓力梯度力方向和渦旋流動方向

理想試驗結(jié)果如表1所示。當(dāng)西邊界流處在由周期甩渦態(tài)到跨隙流態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 西風(fēng)、南風(fēng)以及西南風(fēng)風(fēng)急流使缺口處的西邊界流由周期甩渦流態(tài)轉(zhuǎn)換為跨隙流態(tài)。當(dāng)西邊界流處在由跨隙流態(tài)到周期甩渦態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 東風(fēng)、北風(fēng)以及東北風(fēng)風(fēng)急流使得西邊界流入侵西海盆, 西邊界流路徑一旦改變, 在風(fēng)急流被去掉后不能恢復(fù)初始流態(tài)。

表1 不同方向的風(fēng)急流對黑潮流態(tài)的影響

4 實際風(fēng)急流對黑潮路徑的影響

保持缺口寬度=300 km和缺口中央羅斯貝變形半徑R=60 km不變, 考慮ETOPO5地形和實際風(fēng)急流, 檢驗實際風(fēng)急流(冬夏兩季)對呂宋海峽處的黑潮流態(tài)的影響。

4.1 實際風(fēng)急流

實際風(fēng)場資料: 本文使用的是QuikSCAT上的分辨率為(1/4)°×(1/4)°SeaWinds日平均資料。QuikSCAT風(fēng)場本身包含了豐富的動力信息, 可以很好地分辨出臺灣島、菲律賓群島等高山地形, 進而更好地顯示南海東側(cè)的風(fēng)場小尺度特征, 加風(fēng)范圍是119°～ 122°E, 18°～23°N。冬季取12月—次年2月共90 d, 對從1999—2009年的10 a冬季風(fēng)應(yīng)力進行EOF分解, 第一模態(tài)占88%, 將得到的第一模態(tài)作為實際冬季風(fēng)急流強迫1.5約化重力模式(圖7), 其中WSC是風(fēng)應(yīng)力旋度, 具體定義風(fēng)應(yīng)力大小為:

其中, 拖曳系數(shù)d=1.2×10–3,a=1.23 kg/m3; 夏季取6月—8月共90 d, 對從1999—2009年的10 a夏季風(fēng)應(yīng)力進行EOF分解, 第一模態(tài)占65%, 將第一模態(tài)作為實際夏季風(fēng)急流強迫模式。實際風(fēng)急流作用時間同樣為第一年作用40 d, 40 d之后將風(fēng)急流去掉并積分6 a使模式穩(wěn)定。

4.2 ETOPO5地形

模式的計算區(qū)域是280×100個網(wǎng)格點組成的矩形區(qū)域, 邊界封閉, 網(wǎng)格間距27.75 km, 分辨率為(1/4)°, 對應(yīng)的經(jīng)緯度是110°～180°E, 10°～35°N, 所選區(qū)域中南海和太平洋只通過呂宋海峽相連接。在10°N, 取0=2.5×10–5s–1, 約化重力′ =0.03 m/s2, 平衡時水深=300 m, 地形以200 m等深線作為陸地邊界。基于上述地形以及參數(shù)設(shè)置, 得到的遲滯回歸曲線沒有出現(xiàn)Hopf分岔, 不能真實反映呂宋海峽處的黑潮流態(tài), 經(jīng)多次檢驗發(fā)現(xiàn)是由于西部海盆的陸地邊界太過靠南, 影響黑潮的周期甩渦。將模式作如下修改: 地形采用ETOPO5的地形數(shù)據(jù), 西海盆大陸陸地邊界以35 m等深線作為陸地邊界, 其他區(qū)域仍然以200 m等深線作為陸地邊界。

圖7 冬季風(fēng)急流EOF分解的前二個模態(tài)

在新的地形下, 出現(xiàn)了周期甩渦態(tài), 在南海區(qū)域可以觀察到完整的渦旋, 圖8是在新地形下遲滯回歸圖, 在圖上出現(xiàn)因非線性效應(yīng)而產(chǎn)生的Hopf分岔C。流態(tài)改變的臨界值分別為: 從入侵到跨隙流態(tài)轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的臨界值L=0.50, 從跨隙到入侵流態(tài)轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的臨界值P=0.44。

圖8 ETOPO5地形下的遲滯回歸

4.3 試驗結(jié)果

試驗一: 當(dāng)黑潮處于由反氣旋入侵到跨隙轉(zhuǎn)變的臨界流態(tài)時, 此時黑潮主軸入侵南海, 對應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)α=0.50, 它較容易受到夏季風(fēng)急流而不是冬季風(fēng)急流的影響。圖9顯示, 夏季風(fēng)急流可以使黑潮路徑改變, 黑潮由反氣旋大彎曲入侵流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缦读鲬B(tài)。而冬季風(fēng)急流仍然維持黑潮的入侵流態(tài)。

試驗二: 當(dāng)黑潮處于由跨隙到入侵轉(zhuǎn)變的臨界流態(tài)時, 對應(yīng)的風(fēng)應(yīng)力參數(shù)α=0.44, 此時黑潮較容易受到冬季風(fēng)急流而不是夏季風(fēng)急流的影響。圖10顯示冬季風(fēng)急流使黑潮由跨隙流態(tài)永久地轉(zhuǎn)變?yōu)榉礆庑髲澢肭至鲬B(tài)。而夏季風(fēng)急流不會造成黑潮流態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖9 黑潮處于從入侵到跨隙的臨界狀態(tài)時, 夏季風(fēng)急流使黑潮路徑發(fā)生改變, 黑潮跨越缺口向北流動

圖10 黑潮處于從跨隙到入侵的臨界狀態(tài)時, 冬季風(fēng)急流對黑潮路徑的影響, 黑潮入侵南海

4.4 動力機制分析

夏季風(fēng)急流是東南風(fēng), 對應(yīng)于理想試驗的西南風(fēng)風(fēng)急流=5π/4, 冬季風(fēng)急流是西北風(fēng), 對應(yīng)于理想試驗的東北風(fēng)風(fēng)急流=π/4。試驗結(jié)果顯示: 當(dāng)黑潮處于由入侵到跨隙轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)時, 夏季風(fēng)急流使得黑潮由入侵流態(tài)變換為跨躍流態(tài), 而當(dāng)黑潮處于由跨隙到入侵轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)時, 冬季風(fēng)急流使黑潮入侵南海, 這和理想情況下的試驗結(jié)果相一致, 可以用來解釋許多分析觀測資料顯示的黑潮反氣旋大彎曲入侵南海多發(fā)生在冬季的科學(xué)事實。

動力機制解釋: 以冬季風(fēng)急流為例, 冬季風(fēng)急流在海峽北部即臺灣島西南是負的風(fēng)應(yīng)力旋度, 海峽南部即呂宋島西北是正的風(fēng)應(yīng)力旋度。負的風(fēng)應(yīng)力旋度產(chǎn)生反氣旋渦旋, 造成海平面上升、溫躍層下降, 原來向北流動黑潮將繞著反氣旋渦旋的南邊界向西流動; 并且由于在海峽北部產(chǎn)生反氣旋渦旋, 在南部產(chǎn)生氣旋渦旋, 海平面北高南低, 經(jīng)向壓力梯度力指向南方, 阻礙黑潮的北向流動, 由于黑潮處于從跨隙到入侵轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài), 一旦黑潮主軸稍微西移, 且黑潮流量減少, 黑潮將入侵南海。而夏季風(fēng)急流的作用相反。

5 結(jié)論

本文使用1.5層約化重力淺水模式, 設(shè)置了和呂宋海峽較接近的參數(shù), 研究了西邊界流在西邊界缺口處路徑轉(zhuǎn)變受理想風(fēng)急流影響的動力機制, 并初步探討了ETOPO5地形下, 實際風(fēng)急流對呂宋海峽處黑潮路徑轉(zhuǎn)變的影響。結(jié)果表明: 1)理想試驗結(jié)果顯示, 當(dāng)西邊界流處在由周期甩渦態(tài)到跨隙流態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界狀態(tài)時, 西風(fēng)、南風(fēng)、西南風(fēng)風(fēng)急流使缺口處西邊界流流徑由周期甩渦態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭缦读鲬B(tài)。當(dāng)西邊界流處在由跨隙流態(tài)到周期甩渦態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)時, 東風(fēng)、北風(fēng)以及東北風(fēng)風(fēng)急流使得西邊界流由跨越缺口轉(zhuǎn)變?yōu)槿肭治骱Ｅ? 西邊界流在風(fēng)急流消失后不能再回到初始流態(tài)。2) 應(yīng)用到實際情況下, 試驗結(jié)果與理想試驗結(jié)果一致, 并與觀測事實相符。冬季風(fēng)急流(東北風(fēng)風(fēng)急流)有利于黑潮入侵南海, 夏季風(fēng)急流(西南風(fēng)風(fēng)急流)有利于黑潮跨躍呂宋海峽向北流動。

本文的研究僅涉及風(fēng)急流對黑潮流態(tài)轉(zhuǎn)變的影響, 沒有考慮其他的因素, 例如西太平洋和南海之間的海平面高度差異、呂宋海峽處黑潮鋒面的斜壓不穩(wěn)定性、呂宋海峽處黑潮的不穩(wěn)定性、從太平洋傳來的中尺度渦旋、海峽處的風(fēng)急流等。這些動力機制可能是相互關(guān)聯(lián)的, 一項的變動會引起其他項的變化, 需要更進一步的研究。

[1] WYRTKI K.Physical Oceanography of the Southeast Asia waters[J].Naga Report, 1961, 2: 1-195.

[2] SHAW P T.The intrusion of water masses into the sea southwest of Taiwan[J].Journal of Geophysical Resear-ch, 1989, 94: 18213-18226.

[3] CENTURIONI L R, NILLER P P, LEE D K.Observations of inflow of Philippine Sea surface water into the South China Sea through the Luzon Strait[J].Journal of Physical Oceanography, 2004, 34: 113-121.

[4] SHAW P T.The seasonal variation of the intrusion of the Philippine Sea water into the South China Sea[J].Journal of Geophysical Resear-ch, 1991, 96: 821-827.

[5] CHU P C, LI R.South China Sea isopycnal-surface cir-culation[J].Journal of Physical Oceanography, 2000, 30: 2419-2438.

[6] QU T, MISUDERA H, YAMAGATA T.Intrusion of the North Pacific waters into the South China Sea[J].Journal of Geophysical Resear-ch, 2000, 105: 6415-6424.

[7] 方國洪, 魏澤勛, 崔秉昊, 等.中國近海域際水、熱、鹽輸運: 全球變網(wǎng)格模式結(jié)果[J].中國科學(xué), 2002, 32(12): 969-977.

FANG Guohong, WEI Zexun, CUI Binghao, et al.The transportion of water, heat and salt in China adjacent sea: result of global variation grid pattern[J].Science in China, 2002, 32(12): 969-977.

[8] 袁耀初, 樓如云, 劉勇剛, 等.2002年春季呂宋海峽海流: 觀測與改進逆模式計算[J].海洋學(xué)報, 2005, 27(3): 1-10.

YUAN Yaochu, LOU Ruyun, LIU Yonggang, et al.Currents in the Luzon Strait during spring of 2002: observation and computation by modified inverse mo-del[J].Acta Ocea-nologica Sinica, 2005, 27(3): 1-10.

[9] METZGER E J, HURLBURT H E.Coupled dynamics of the South China Sea, the Sulu Sea and the Pacific ocean[J].Journal of Geophysical Resear-ch, 1996, 101: 12331-12352.

[10] METZGER E J, HURLBURT H E.The importance of high horizontal resolution and accurate coastline geometry in modeling South China Sea inflow[J].Geophys.Research Letters, 2001, 28(6): 1059-1062.

[11] METZGER E J.The nondeterministic nature of Kuroshio penetration and eddy shedding in South China Sea[J].Journal of Physical Oceanography, 2001b, 31: 1712-1732.

[12] 蘇紀蘭.南海環(huán)流動力機制研究綜述[J].海洋學(xué)報, 2005, 27(6): 1-8.

SU Jilan.Overview of the South China Sea circulation and its dynamics[J].Acta Oceanologica Sinica, 2005, 27(6): 1-8.

[13] YUAN D L, HAN W Q, HU D X.Surface Kuroshio path in the Luzon Strait area derived from satellite remote sen-sing data[J].Journal of Geophysical Research, 2006, 111: C11007.

[14] WANG J.The warm-core eddy in the northern South China Sea, Ⅱ.A simple mechanism for the establishment and development of the warm-core eddy[J].Acta Oceanographica Taiwanica, 1987, 18: 104-113.

[15] FARRIS A, WIMBUSH M.Wind-induced Kuroshio intrusion into the South China Sea[J].Journal of Ocea-no-graphy, 1996, 52(6): 771-784.

[16] LIANG W D, YANG Y J, Tang T Y, et al.Kuroshio in the Luzon Strait[J].Journal of Geophysical Research, 2008, 113: C08048.

[17] HSIN Y C, WU C R, CHAO S Y.An updated examination of the Luzon Strait transport[J].Journal of Geophysical Research, 2012, 117: C03022.

[18] WU C R, HSIN Y C.The forcing mechanism leading to the Kuroshio intrusion into the South China Sea[J].Journal of Geophysical Research, 2012, 117: C07015.

[19] NAN F, XUE H J, CHAI F, et al.Identification of different types of Kuroshio intrusion into the South China Sea[J].Ocean Dynamics, 2011, 61(9): 1291-1304.

[20] SHEREMET V A.Hysteresis of a western boundary current leaping across a gap[J].Journal of Physical Oceanography, 2001, 31(5): 1247-1259.

[21] 袁東亮, 李銳祥.中尺度渦旋影響呂宋海峽黑潮變異的動力機制[J].熱帶海洋學(xué)報, 2008, 27(4): 1-9.

YUAN Dongliang, LI Ruixiang.Dynamics of eddy- induced Kuroshio variability in Luzon Strait[J].Journal of Tropical Oceanography, 2008, 27(4): 1-9.

[22] YUAN D L, WANG Z.Hysteresis and dynamics of a western boundary current flowing by a gap forced by impingement of mesoscale eddies[J].Journal of Physical Oceanography, 2010, 41(5): 878-888.

[23] SONG X X, YUAN D L, LI R X, WANG Z.Migration of mesoscale eddies across a leaping or penetrating wes-tern boundary current in the vicinity of a gap[J].Journal of Oceanology and Limnology, 2018, 36(6): 2098-2109.

[24] HOU Y J, LIU Y H, HU P, WANG Z.Nonlinear dynamics of Kuroshio intrusion in the Luzon Strait[J].Science China Earth Sciences, 2017, 60(4): 761-769.

[25] WANG Z, YUAN D L, HOU Y J.Effect of meridional wind on gap-leaping western boundary current[J].Jour-nal of Physical Oceanography, 2010, 28(2): 354-358.

[26] WANG Z, YUAN D L.Multiple equilibria and hysteresis of two unequal-transport western boundary current colli-ding at a gap[J].Journal of Physical Oceanography, 2014, 44: 1873-1885.

[27] 鐘慎雷, 王錚, 袁東亮.局地風(fēng)急流對缺口處西邊界流流徑的影響[J].海洋科學(xué), 2013, 37(12): 68-75.

ZHONG Shenlei, WANG Zheng, YUAN Dongliang.The impact of local wind stress on the path of the west boun-dary rurrent flowing through a gap[J].Marine Sciences, 2013, 37(12): 68-75.

[28] WANG G H, CHEN D, SU J L.Winter eddy genesis in the eastern South China Sea due to orographic wind jets[J].Journal of Physical Oceanography, 2008, 38(3): 762-732.

Dynamics of wind jet-induced Kuroshio variability in the Luzon Strait

CHANG Ti1, 2, 3, WANG Zheng1, 2, YUAN Dong-liang1, 2

(1.Institute of Oceanology, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2.Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, the Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 3.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

hysteresis; width of gap; real bottom; actual wind jets

Using a 1.5-layer reduced gravity shallow-water ocean model and setting up an analogical gap width corresponding to the Luzon Strait, this paper studies the dynamics of the various wind jet effects on the western boundary current when it is at a critical state with a gap.In addition, this subject is discussed considering real bottom and real wind jets.The results show that in an ideal case, when the western boundary current (WBC) is in a critical state of transition from periodic penetrating to leaping, south, west, and southwest wind jets can induce the WBC from an anticyclonic intrusion to a gap-leaping state.Meanwhile, when the WBC is in a critical state of leaping to periodic penetrating, north, east, and northeast wind jets can force the WBC penetrating into the South China Sea.The WBC cannot return to its initial path after the local wind jets are removed.In the real case related to real bottom and real wind jets, experiments show that winter (summer) wind jets can induce the Kuroshio from the leaping (periodic penetrating) state to the periodic penetrating (leaping) regimes due to the eddies it produced, which is consistent with the observed facts and ideal experiments.This paper systematically studies the influence of the wind jet on the Kuroshio path in the Luzon Strait, which is of great significance to further study the upper circulation in the north of the South China Sea and the mass and energy transport of the South China Sea.

Jul.21, 2020

[Project supported by the National Natural Science Foundation of China, No.41876025]

P733.1

A

1000-3096(2021)10-0001-10

10.11759/hykx20200721001

2020-07-21;

2021-01-04

國家自然科學(xué)基金面上項目(41876025)

常銻(1988—), 女, 山東菏澤人, 碩士研究生, 研究方向: 物理海洋學(xué), 電話: 0532-82898963, E-mail: 690353861@qq.com; 袁東亮(1966—), 通信作者, 研究員, 博士生導(dǎo)師, 研究方向: 物理海洋學(xué), E-mail: dyuan@qdio.ac.cn

(本文編輯: 劉珊珊 叢培秀)