孟慶佳，王 凡，劉 娜

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；3.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

一個(gè)耦合模式下北赤道流分叉的初步研究

孟慶佳1,2，王 凡1，劉 娜3

（1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100039；3.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081）

利用一個(gè)全球海洋-大氣耦合模式，對(duì)北赤道流分叉的季節(jié)、年際變化特征進(jìn)行了初步研究。模式結(jié)果表明北赤道流的分叉緯度，在表層大約是15.2°N，隨深度而向北移動(dòng)，在1000 m深度大約為20°N。北赤道流分叉在春、夏季節(jié)偏南，而秋、冬季節(jié)偏北，可能主要與局地的Ekman抽吸有關(guān)。北赤道流分叉的年際變化周期表現(xiàn)有準(zhǔn)2年、3～4年和10年左右，其中3～4年ENSO周期最為顯著。該耦合模式對(duì)于北赤道流分叉的變化特征的模擬結(jié)果與已有的觀測(cè)結(jié)果大體一致，可以用于從海氣相互作用的角度來(lái)深入研究北赤道流分叉的長(zhǎng)期變化機(jī)制，以及對(duì)氣候變化的影響。

海氣耦合模式；NEC分叉；季節(jié)變化；年際變化

1 引言

太平洋中的北赤道流（North Equatorial Current,NEC）位于赤道以北10°～20°N之間，是一支由信風(fēng)引起的自東向西的風(fēng)生漂流。在其到達(dá)菲律賓沿岸后，由于地形阻隔，NEC發(fā)生分叉并形成兩支經(jīng)向西邊界流：向北的黑潮和向南的棉蘭老流（Mindanao Current,MC），這兩支西邊界流最終都轉(zhuǎn)向東運(yùn)動(dòng)，分別形成黑潮延伸體和北赤道逆流（見(jiàn)圖1）。NEC分叉的位置是衡量NEC在黑潮和棉蘭老流之間流量變化的重要指標(biāo)，它是控制北太平洋西邊界區(qū)質(zhì)量、熱量和鹽量的經(jīng)向輸送的一個(gè)關(guān)鍵海洋過(guò)程，并對(duì)氣候變化產(chǎn)生重要影響，是氣候系統(tǒng)中不可忽視的重要分量。同時(shí)，它在副熱帶海洋流渦和熱帶海洋流渦的水體交換中發(fā)揮重要作用，在很大程度上決定著海盆尺度的大洋環(huán)流結(jié)構(gòu)，在大洋環(huán)流動(dòng)力學(xué)上具有非常重要的意義和地位。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，關(guān)于NEC分叉的研究得到了越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外海洋學(xué)家的關(guān)注。目前確定NEC分叉位置的方法主要有流函數(shù)法、經(jīng)向流速法和Lagrange軌跡法等方法（周慧等[1]，何映暉等[2]），但由于流場(chǎng)的不確定性、數(shù)據(jù)的不均勻性和方法的不一致性，造成結(jié)果均有所差異，需要更多的觀測(cè)資料和更深入的研究加以驗(yàn)證。

最初，人們關(guān)于NEC分叉的研究主要還是基于一次或幾次的觀測(cè)資料對(duì)NEC分叉進(jìn)行估算。Nitani[3]根據(jù)1934～1968年間幾個(gè)航次獲得的水文資料研究認(rèn)為，NEC分叉大約在11°～14.5°N之間，而且分叉位置隨水深增加而向北移動(dòng)。Toole等[4]利用1987年9月與1988年4月的中美聯(lián)合調(diào)查的水文資料，得出其分叉緯度在13°N附近。隨著觀測(cè)資料的增加，以及模式的運(yùn)用，上世紀(jì)90年代開(kāi)始，許多研究開(kāi)始關(guān)注分叉緯度的季節(jié)與年際變化規(guī)律。Qiu和Lukas[5]運(yùn)用非線性約化重力模式，認(rèn)為NEC分叉緯度2月份最偏南，10月份最偏北。Qu和Lukas[6]通過(guò)大量歷史溫鹽數(shù)據(jù)建立的氣候態(tài)分析得出近表層（100 m）分叉平均在14.2°N，6月份最偏南，11月份最偏北，認(rèn)為東亞季風(fēng)是引起NEC分叉緯度發(fā)生季節(jié)性變化的最直接強(qiáng)迫。Kim等[7]用JAMSTEC的數(shù)值模擬的結(jié)果得出，在表層，分叉緯度5月份最偏南，9月份最偏北。Wang和Hu[8]利用高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星高度計(jì)資料研究表明，表層NEC分叉平均在13.4°N，6月份發(fā)生在最南端（12.9°N），12月份發(fā)生在最北端（14.1°N）。對(duì)于NEC分叉的季節(jié)性變化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)歷史觀測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果基本上遵循這樣的規(guī)律，即NEC分叉緯度在春、夏季偏南，而在秋、冬季偏北。不同的觀測(cè)和數(shù)值模式得到的結(jié)果存在差異見(jiàn)表1。

圖1 北太平洋西邊界流系（摘自Nitani,1972）

關(guān)于NEC分叉的年際變化研究，主要是利用衛(wèi)星資料和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。Qiu和Lukas[5]提出NEC分叉在El Ni?o發(fā)生后的第一年最偏北，La Ni?a年最偏南。Kim等[7]的研究結(jié)果表明NEC分叉在El Ni?o年偏北，La Ni?a年偏南，并且與El Nino Southern Oscillation（ENSO）密 切 相 關(guān) 。Wang和Hu[8]指出表層NEC分叉在El Ni?o期間偏北，而在La Ni?a期間偏南。

綜上所述，自上世紀(jì)80年代以來(lái)，對(duì)NEC分叉的研究，取得了許多重要的研究成果。國(guó)內(nèi)外海洋學(xué)家利用歷史觀測(cè)資料、衛(wèi)星資料和海洋模式數(shù)據(jù)等對(duì)NEC分叉緯度的季節(jié)和年際變化進(jìn)行了大量的研究。但以上數(shù)值工作都利用海洋模式的模擬進(jìn)行分析，本文利用一個(gè)全球海洋-大氣耦合模式，對(duì)自然變化條件下NEC分叉的低頻變異進(jìn)行了研究，同時(shí)評(píng)估耦合模式對(duì)NEC分叉長(zhǎng)期變化研究的可行性，為下一步的工作奠定基礎(chǔ)。

2 模式和數(shù)據(jù)

本文采用德國(guó)萊布尼茨海洋研究所的海洋-大氣耦合模式Kiel Climate Model（KCM）。KCM由大氣環(huán)流模式、海洋-海冰環(huán)流模式以及耦合器組成。其大氣環(huán)流模式是漢堡大氣環(huán)流模式ECHAM5（Roeckner等[9]），海洋-海冰環(huán)流模式是NEMO（Madec等[10];Madec[11]），模式耦合器為OASIS3（Valcke[12]）。

Park等[13]詳細(xì)描述過(guò)KCM的模擬情況。圖2是關(guān)于KCM模式運(yùn)行的簡(jiǎn)單示意圖，通過(guò)OASIS3的耦合，NEMO從ECHAM5接收海表面熱通量、淡水通量和風(fēng)應(yīng)力。海表面溫度、海洋表層流場(chǎng)、海冰碎片、海冰溫度、海冰厚度和雪的厚度通過(guò)耦合器的耦合從NEMO傳遞到ECHAM5。這些物理場(chǎng)用于計(jì)算大氣中的熱通量、淡水通量和動(dòng)能通量海洋和大氣間的耦合頻率是每天一次。模式中的大氣部分采用T31的高斯網(wǎng)格（3.75°×3.75°的水平分辨率，垂直方向有19層）。海洋的水平分辨率基于Mercator網(wǎng)格，在赤道附近經(jīng)向分辨率加密為0.5°，平均分辨率為1.3°，全球?yàn)?82×149的網(wǎng)格分布，海洋垂向分31層。

表1 前人對(duì)NEC分叉點(diǎn)位置季節(jié)性變化的研究結(jié)果

圖2KCM運(yùn)行示意圖

圖3 多年平均的距離菲律賓沿岸4個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)的經(jīng)向平均速度

本研究所用的模擬主要是20世紀(jì)的控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M（20C）。模式首先采用Levitus等[14]的氣候態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多年（大約500年）耦合模擬運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定后，繼續(xù)運(yùn)行4500年，最后我們只選用最后穩(wěn)定的1000年結(jié)果（即模式時(shí)間是3500～4499），并且將模式的海洋數(shù)據(jù)在水平方向線性插值為2°×0.5°的分辨率以便于計(jì)算。

3 NEC分叉的季節(jié)變化

本文通過(guò)經(jīng)向流速對(duì)NEC分叉定義，將距離菲律賓海岸4個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)經(jīng)向速度為零的位置定義為NEC的分叉。根據(jù)上述定義，我們對(duì)該海域的多年平均的經(jīng)向速度進(jìn)行了計(jì)算。圖3是距離菲律賓海岸4個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)的氣候態(tài)經(jīng)向速度分布。圖中黑線即為NEC分叉，其北邊的紅線為黑潮，南邊的藍(lán)線為棉蘭老流（下同）。從圖中可以明顯的看到NEC分叉隨深度增加而向極地方向移動(dòng)，這與前面學(xué)者的研究一致。NEC的分叉緯度，在表層大約是15.2°N，隨深度而向北移動(dòng)，在1000 m深度大約為20°N。Qu和Lukas[6]利用多年水文數(shù)據(jù)建立起來(lái)的NEC分叉的氣候態(tài)變化，從表層的14°N隨深度向北移動(dòng)，在800～1000 m處，分叉位于20°N以北。相比較于觀測(cè)數(shù)據(jù)，KCM的結(jié)果在表層向北偏差1°N左右，這可能是由于KCM的誤差，輸出的NEC比觀測(cè)要北移一些。

圖4 1～12月多年平均的距離菲律賓沿岸4個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)的經(jīng)向平均速度

用上述方法，我們計(jì)算了1～12月離菲律賓海岸4個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)0～500 m深度的氣候態(tài)經(jīng)向速度分布見(jiàn)圖4。NEC分叉具有明顯的季節(jié)循環(huán)，在上層海洋中，季節(jié)循環(huán)顯著，而在海洋深處，季節(jié)循環(huán)信號(hào)減弱，NEC分叉隨深度滯后。從圖中可以明顯的看到，海洋表層（5 m）的NEC分叉在4月份達(dá)到最南端，大約是13.6°N，而在8月份達(dá)到最北端，大約是17.9°N，這與Kim等[7]的結(jié)果相似，但存在一個(gè)月的偏差。從水深75～512 m，分叉最南端都發(fā)生在5月，而最北端大都在10、11月。在水深500 m處，分叉在5月份到達(dá)最南端，為17.9°N左右，而在11月份時(shí)分叉最靠北，在20.1°N左右。季節(jié)振蕩幅度隨深度增加逐漸減小，在表層可以達(dá)到4°左右，而到了500 m處，減小到2°左右。

從NEC分叉的季節(jié)循環(huán)上可以看出，分叉位置在春、夏季節(jié)偏南，而秋、冬季節(jié)偏北。雖然不同作者（Qiu and Lukas[5]；Qu and Lukas[6]；Kim等[7]；Wang and Hu[8]）所得出的分叉最靠南（北）時(shí)的具體月份有所差異（見(jiàn)表1），但總體上都有春、夏季節(jié)偏南，秋、冬季節(jié)偏北的季節(jié)特征，我們與前人的結(jié)果近似一致。

NEC分叉的季節(jié)循環(huán)受東亞季風(fēng)影響顯著，圖5和6分別是850 hPa風(fēng)場(chǎng)和表層流場(chǎng)相對(duì)于年平均在春季和秋季的分布。從圖中可以明顯的看出，春季東亞夏季風(fēng)開(kāi)始時(shí)，在分叉海域產(chǎn)生反氣旋式的大氣和海洋環(huán)流異常，在西邊界附近該環(huán)流的北向流異常引起NEC分叉發(fā)生于較低緯度（見(jiàn)圖5a、圖6a）。在秋季東亞冬季風(fēng)開(kāi)始時(shí)，分叉海域產(chǎn)生氣旋式大氣和海洋環(huán)流異常，在西邊界附近該環(huán)流的南向流異常使得NEC分叉位于較高緯度（見(jiàn)圖5b和6b）。這和Qu和Lukas[5]的結(jié)論一致，他們指出NEC分叉的季節(jié)變化可能主要與局地的Ekman抽吸有關(guān)，東亞季風(fēng)是引起NEC緯度發(fā)生季節(jié)性變化的最直接強(qiáng)迫。

綜上可知，在季節(jié)尺度內(nèi)，NEC分叉位置春、夏季節(jié)偏南，秋、冬季節(jié)偏北，東亞季風(fēng)是引起NEC緯度發(fā)生季節(jié)性變化的最直接強(qiáng)迫。

4 NEC分叉的年際變化

圖5 KCM模擬的850 hPa風(fēng)場(chǎng)相對(duì)于全年平均的異常

圖6 KCM模擬的表層流場(chǎng)相對(duì)于全年平均的異常

圖7 海洋上層5 m（a）、106 m（b）和512（c）深度平均的NEC分叉年際變化（經(jīng)過(guò)5個(gè)季節(jié)的低通濾波）

NEC分叉除了具有季節(jié)特征外，還具有年際變化特征。利用同樣的資料和方法，我們計(jì)算了NEC分叉的年際變化時(shí)間序列。圖7是通過(guò)5個(gè)季節(jié)的低通濾波的海洋表層（5 m）、近表層（106 m）和中層（512 m）NEC分叉的年際變化序列。從圖中可以明顯看出，NEC分叉具有顯著的年際變化和年代際變化特征，在海洋表層、近表層和中層的變化規(guī)律相。譜分析結(jié)果表明在海洋各層中，NEC分叉的年際周期信號(hào)強(qiáng)，周期表現(xiàn)有準(zhǔn)2年、3～7年和10年左右，總體上以2～7年ENSO周期為顯著，但在海洋表層準(zhǔn)2年周期更加顯著，而在海洋中層，10年左右的周期。

5 結(jié)論

本文基于KCM耦合模式長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，將距離菲律賓海岸4個(gè)經(jīng)度范圍內(nèi)經(jīng)向速度為零的位置定義為NEC的分叉緯度。利用此方法，計(jì)算了NEC分叉的多年氣候態(tài)分布，并且研究了自然變化條件下NEC分叉的季節(jié)變化和年際變化規(guī)律。

NEC的分叉緯度，在表層大約是15.2°N，隨深度而向北移動(dòng)，在1000 m深度大約為20°N。相比較于觀測(cè)數(shù)據(jù)，KCM的結(jié)果在表層向北偏差1°N，這是由于KCM模式輸出的NEC比觀測(cè)要北移一些，是KCM模式誤差所造成的。

NEC分叉具有明顯的季節(jié)循環(huán)和年際變化。NEC分叉緯度在春、夏季節(jié)偏南，而秋、冬季節(jié)偏北。NEC分叉緯度的季節(jié)變化主要與東亞季風(fēng)有關(guān)。NEC分叉的年際變化周期表現(xiàn)有準(zhǔn)2年、3～4年和10年。

通過(guò)上述分析可以得知，對(duì)于NEC分叉具體位置的確定，KCM的模擬與觀測(cè)相比存在著誤差，但對(duì)于NEC分叉的垂向變化、季節(jié)變化和年際變化特征的研究，KCM模擬的整體結(jié)果與已有的觀察結(jié)果大體一致。下一步我們將利用耦合模式的特點(diǎn)，從海氣相互作用的角度結(jié)合全球變暖背景，分析研究NEC分叉的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)機(jī)制以及與ENSO循環(huán)的關(guān)系，為分析海洋與東亞氣候變化的關(guān)聯(lián)提供新思路。

[1]周慧,許建平,郭佩芳等.北太平洋西邊界流研究綜述[J].海洋學(xué)研究,2006,24(2):49-59.

[2]何映暉,蔡樹(shù)群,王盛安.北赤道流分叉點(diǎn)及南海北部環(huán)流的研究進(jìn)展[J].海洋學(xué)研究,2009,27(3):74-84.

[3]Nitani H.Beginning of the Kuroshio,in Kuroshio,Physical Aspects of the Japan Current[M].Seattle:University of Washington Press,1972:129-163.

[4]Toole J M,R C Millard,Z Wang et al.Observations of the Pacific North Equatorial Current Bifurcation at the Philippine Coast[J].J Phys Oceanogr,1990,20:307-318.

[5]Qu T D,R Lukas.The bifurcation of the North Equatorial Current in the Pacific[J].J Phys Oceanogr,2003,33:5-18.

[6]Qiu B,R Lukas.Seasonal and interannual variability of the North Equatorial Current,the Mindanao Current,and the Kuroshio along the Pacific western boundary[J].Geophys Res-Oceans,1996,101:12315-12330.

[7]Kim Y Y,Tangdong Qu,Tommy Jensen et al.Seasonal and interannual variations of the North Equatorial Current bifurcation in a high-resolution OGCM[J].GeophysRes-Oceans,2004,109:C03040.

[8]Wang Q Y,D X Hu.Bifurcation of the North Equatorial Current derived from altimetry in the Pacific Ocean[J].Journal of Hydrodynamics,2006,18:620-626.

[9]Roeckner E.and Coauthors.The atmospheric general circulation model ECHAM5,Part I:Model description[M]Hamburg,Germany:MPI Tech.Rep.2003:349.

[10]Madec G,P Delecluse.NEMO ocean engine[J].Note du Pole de modelisation,Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL),2008,27:1288-1619.

[11]Madec G,P Delecluse,M Imbard et al.Levy OPA 8.1,Ocean General Circulation Model Reference Manual[J].Note du Pole de modelisation,Institut Pierre-Simon Laplace(IPSL),1998,11:97.

[12]Valcke S,E Guilyardi,C Larsson.PRISM and ENES:A European approach to Earth system modeling[J].Concurrency Computat.:Pract.Exper.,2006,2:231-245.

[13]Park W,N Keenlyside,M Latif et al.Tropical Pacific climate and its response to global warming in the Kiel Climate Model[J].Journal of Climate,2009,22:71-92.

[14]Levitus S,Coauthors.World Ocean Data Base 1998[M].NOAA Atlas NESDIS,1998,18:346.

P731

A

1003-0239（2011）01-0001-07

2010-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(40890152)；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目(KZCX2-YW-Q11-02;KZCX1-YW-12)；中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KLOCAW1102)

孟慶佳（1983-），男，博士研究生，主要從事海氣相互作用和氣候變化等研究。E-mail:mengqingjia@ms.qdio.ac.cn