王志勇, 趙 瑋, 周 春, 王 斌, 田紀(jì)偉, 張 軍

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 物理海洋實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 2. 國(guó)家海洋局 第三海洋研究所, 福建 廈門 361005)

呂宋海峽北起中國(guó)臺(tái)灣島南至菲律賓呂宋島, 海檻深度2 200～ 2 400 m, 是連接南海與太平洋的唯一深水通道。通過呂宋海峽的水體體積輸運(yùn)以及該海域的環(huán)流狀況, 對(duì)于南海水團(tuán)性質(zhì)、環(huán)流、混合及生態(tài)環(huán)境特征具有重要影響[1-3]。

近年來隨著對(duì)南海研究的逐步深入, 對(duì)呂宋海峽水體體積輸運(yùn)的研究開始增多, 但是目前對(duì)于其空間特征及時(shí)間變異尚沒有定論。對(duì)于呂宋海峽水體體積輸運(yùn)的垂向結(jié)構(gòu), 目前公認(rèn)的觀點(diǎn)是分為三層的類似“三明治”結(jié)構(gòu)[4], 表層和深層水體由太平洋通過呂宋海峽進(jìn)入南海, 而在中層由南海流出太平洋[5-8]。目前對(duì)呂宋海峽深層流場(chǎng)的直接觀測(cè)非常少, 一些單點(diǎn)的流速觀測(cè), 包括Liu[9]等在巴士海峽底部獲得了82 d的海流觀測(cè), 估計(jì)深層體積輸運(yùn)大約為1.2 Sv(1 Sv= 106m3/s); Chang[10]等在巴士海峽和Taltung Canyon分別獲得了近9個(gè)月和6個(gè)月的流速觀測(cè), 認(rèn)為巴士海峽是太平洋深層水進(jìn)入南海的主要通道, 其體積輸運(yùn)為1.06 Sv±0.44 Sv, 這些觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)但是僅為單點(diǎn)觀測(cè), 很難完全反映整個(gè)海峽深層的水體體積輸運(yùn)情況。Tian[11], Yang[12]等在呂宋海峽附近進(jìn)行了斷面連續(xù)站流速觀測(cè), 估計(jì)深層體積輸運(yùn)在2 Sv左右, 其觀測(cè)范圍較大但是持續(xù)時(shí)間較短, 不能提供一個(gè)長(zhǎng)期的體積輸運(yùn)估計(jì)?？傮w來說, 現(xiàn)有觀測(cè)得到的呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)大約在1～2 Sv。

在目前缺乏系統(tǒng)長(zhǎng)期的流速觀測(cè)的情況下, 除了高精度的數(shù)值模式, 利用溫鹽資料結(jié)合水力學(xué)理論估計(jì)體積輸運(yùn), 是對(duì)于深層水體體積輸運(yùn)研究的一種有效補(bǔ)充。Qu[13]利用WOD01數(shù)據(jù), 通過水力學(xué)理論, 對(duì)于呂宋海峽深層的水體輸運(yùn)和南海深層環(huán)流進(jìn)行了診斷分析, 得到呂宋海峽深層的體積輸運(yùn)約為2.5 Sv, 進(jìn)而得到南海深層水體滯留時(shí)間約為24 a, 遠(yuǎn)低于Broecker[14]基于放射性示蹤物提出的100 a的上限。

本文基于Qu[13]的分析方法, 使用WOD09, WOA05, WOA01和SODA四種水文數(shù)據(jù), 選取呂宋海峽東西兩側(cè)不同區(qū)域, 使用水力學(xué)理論分析呂宋海峽的深層水體體積輸運(yùn), 并且討論不同數(shù)據(jù)、不同選取區(qū)域?qū)τ谒W(xué)理論診斷結(jié)果的影響。

1 數(shù)據(jù)介紹

本文選用了NODC(美國(guó)國(guó)家海洋數(shù)據(jù)中心)收集整理的全球水文數(shù)據(jù)集WOD09, WOA05, WOA01以及全球海洋再分析數(shù)據(jù)SODA。

WOD(World Ocean Database), 是NODC收集從1773年1月至今的全球多個(gè)國(guó)家的原始水文數(shù)據(jù)剖面, 未經(jīng)過網(wǎng)格化和平均處理, 數(shù)據(jù)繁多而全面, 這里使用其最新版本W(wǎng)OD09。為估計(jì)深層水體體積輸運(yùn), 在呂宋海峽東西兩側(cè), 采用與Qu[13]相同的區(qū)域W1(120°～121°E,19°～21°N)和 E1(122°～123°E, 21°～ 23°N), 另外又在海峽兩側(cè)各選取了兩個(gè)區(qū)域W2(119°～120°E,19°～21°N),W3(119°～120°E,17°～19°N)和E2(122°～123°E,19°～21°N),E3(123°～124°E, 21°～ 23°N)(見圖1), 基本覆蓋了海峽兩側(cè)的深水區(qū)域, 分析不同選取區(qū)域?qū)τ谒W(xué)理論結(jié)果的影響。由于早期的一些鹽度觀測(cè)存在誤差, 這里使用各區(qū)域內(nèi)1970年以后所有觀測(cè)深度大于1 500 m的有效的溫鹽觀測(cè)剖面, 并且進(jìn)行了質(zhì)量控制, 得到共387個(gè)溫度剖面和383個(gè)鹽度剖面。

圖1 呂宋海峽附近地形(m)和數(shù)據(jù)選取區(qū)域 Fig. 1 Bottom topography near the Luzon Strait (m) and selected data regions

WOA05(World Ocean Atlas 2005)和WOA01 (World Ocean Atlas 2001), 是NODC推出的包含溫、鹽、溶解氧等水文要素的氣候態(tài)水文數(shù)據(jù), WOA05水平分辨率為1°×1°, WOA01水平分辨率為1/4°× 1/4°, 垂向均為33個(gè)分層。

SODA(Simple Ocean Data Assimilation)是美國(guó)馬里蘭大學(xué)發(fā)布的全球范圍的簡(jiǎn)易海洋同化再分析數(shù)據(jù), 它的空間分辨率是0.5°×0.5°,垂向40個(gè)分層, 這里將1958年1月到2007年12月的50 a月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間平均, 得到關(guān)注海區(qū)的多年平均的氣候態(tài)溫鹽場(chǎng)[15]。

2 呂宋海峽海區(qū)位勢(shì)密度分布

根據(jù)呂宋海峽的水深狀況(2 200 m左右), 我們選取以2 000 dbar為參考的位勢(shì)密度進(jìn)行分析, 以下記作σ2, 單位為kg/m3(通常σ2+1 000表示參考面為2 000 dbar的位勢(shì)密度)。通過位勢(shì)密度的分布, 我們可以判斷深層水體的流動(dòng)方向。利用WOA05, WOA01和SODA數(shù)據(jù)得到穿過呂宋海峽的σ2在20.5°N附近緯向斷面分布(圖2), 由于數(shù)據(jù)本身的網(wǎng)格點(diǎn)不同, 3個(gè)斷面的緯度略有不同, 但對(duì)結(jié)論無顯著影響。另外WOD09不是網(wǎng)格化數(shù)據(jù), 這里未得到相應(yīng)的斷面分布。

利用WOA05數(shù)據(jù)計(jì)算得到橫穿呂宋海峽位勢(shì)密度σ2的緯向斷面 (圖2), 在1 500 m以上, 南海和太平洋的等位密線基本相平, 垂向梯度也比較大, 反映中層及上層水體層結(jié)較強(qiáng)。太平洋深層水體有較好的分層, 2 000 m以下σ2從36. 84 kg/m3增至 37 kg/m3, 等位密面向南海方向傾斜。南海深層水體垂向比較均勻, 在2 000 m以下σ2只有大約0.03 kg/m3的變化, 等位密面自東向西傾斜。橫穿呂宋海峽在大約2 000 m深度, 太平洋和南海之間始終存在一個(gè)密度差異, 位勢(shì)密度σ2從太平洋一側(cè)的大約36.88 kg/m3下降到南海一側(cè)大約36.84 kg/m3, 反映了從太平洋指向南海的很強(qiáng)的壓強(qiáng)梯度。WOA01數(shù)據(jù)得到的分布和WOA05基本一致(圖2), 只是等位密面的分布存在很小的差異。

利用SODA數(shù)據(jù)得到的緯向斷面分布(圖2), 與WOA05和WOA01結(jié)果存在較大差異。太平洋深層水依然明顯的層化, 但是等位密面基本平行, 沒有沿緯向的傾斜。南海深層水垂向比較均勻, 等位密面也幾乎沒有緯向的傾斜, 2 000 m以下σ2的變化約為0.05 kg/m3, 明顯大于其他兩個(gè)數(shù)據(jù)。SODA數(shù)據(jù)得到的等位密面的分布深度與其他兩個(gè)數(shù)據(jù)存在明顯差異, 等位密面有明顯抬升, 這對(duì)后面深層水體體積輸運(yùn)的估計(jì)會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3 呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)估計(jì)

3.1 不同數(shù)據(jù)的深層體積輸運(yùn)估計(jì)

圖2 不同數(shù)據(jù)得到的σ2斷面分布 Fig. 2 Vertical distribution of σ2 by different databases

圖3 不同數(shù)據(jù)得到的1 000 m以下σ2剖面 Fig. 3 Vertical profiles of σ2 below 1000 m from different databases

在呂宋海峽東西兩側(cè)的W1和E1區(qū)域, 分別采用以上WOD09, WOA05, WOA01和SODA四種數(shù)據(jù), 利用溫鹽數(shù)據(jù)計(jì)算多年區(qū)域平均的位勢(shì)密度(圖3)。呂宋海峽東西兩側(cè)密度剖面存在兩個(gè)交點(diǎn), 與前人描述基本一致[16-18], 第一個(gè)交點(diǎn)出現(xiàn)在100 m以 淺, 第二個(gè)交點(diǎn)出現(xiàn)的深度(以下稱為“分叉點(diǎn)深度”)因不同數(shù)據(jù)而異, 除了SODA數(shù)據(jù)的結(jié)果基本都在 1 400 m左右(表1)。太平洋深層水位勢(shì)密度明顯大于南海一側(cè), 形成較強(qiáng)的壓強(qiáng)梯度, 驅(qū)動(dòng)太平洋深層水穿過呂宋海峽進(jìn)入南海。選擇2 181 m作為海峽的代表深度, 在此深度不同的數(shù)據(jù)得到東西兩側(cè)的密度差不同(表1), 大約在0.05～0.08 kg/m3之間。

基于以上得到的呂宋海峽東西兩側(cè)的密度分布, 我們利用水力學(xué)理論對(duì)呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)進(jìn)行了估計(jì)。Whitehead[16,19]已利用水力學(xué)理論估計(jì)了全球多個(gè)海峽的深層水體體積輸運(yùn), 并且和實(shí)際觀測(cè)取得較好的吻合, 結(jié)合Qu[13]對(duì)呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)的估計(jì), 假設(shè)海峽是平底的, 利用約化重力模型, 使用不同的數(shù)據(jù)計(jì)算得到了深層體積輸運(yùn)估計(jì)和南海深層海水的滯留時(shí)間(表1)。

從表1中可以發(fā)現(xiàn), 選取不同的數(shù)據(jù)對(duì)于深層體積輸運(yùn)估計(jì)存在顯著的影響, 不同數(shù)據(jù)得到的輸運(yùn)結(jié)果在2.4～7.0 Sv, 南海深層水滯留時(shí)間為8.5～25 a, 遠(yuǎn)低于Broecker[14]基于放射性示蹤物提出的100a的上限, 總體上得到的體積輸運(yùn)比觀測(cè)和早期的一些估計(jì)偏大[9-10,20-21]。這是由于水力學(xué)理論忽略了復(fù)雜的地形和摩擦等因素的影響, 導(dǎo)致高估了深層體積輸運(yùn), 因此水力學(xué)理論得到的是深層體積輸運(yùn)的上限[13]。SODA數(shù)據(jù)得到的體積輸運(yùn)比其他數(shù)據(jù)明顯偏大, 從前面對(duì)于位勢(shì)密度的分析可以發(fā)現(xiàn), SODA數(shù)據(jù)得到的位勢(shì)密度分布與其他數(shù)據(jù)存在較大差異, 東西兩側(cè)密度剖面的分叉點(diǎn)深度約為1 113 m, 明顯比其他的數(shù)據(jù)偏淺。其原因可能是SODA數(shù)據(jù)在呂宋海峽附近的南海和太平洋深層的數(shù)據(jù)與實(shí)際存在偏差, 導(dǎo)致對(duì)深層水體體積輸運(yùn)估計(jì)存在較大的偏差, 因而SODA數(shù)據(jù)不適用于水力學(xué)理論進(jìn)行呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)的估計(jì)。

表1 不同數(shù)據(jù)得到深層體積輸運(yùn)和南海深層水滯留時(shí)間的估計(jì) Tab. 1 The calculation of deep water volume transport and SCS deep water residence time with different databases

3.2 不同選取區(qū)域的深層體積輸運(yùn)估計(jì)

水力學(xué)理論的體積輸運(yùn)估計(jì)依賴于呂宋海峽附近南海和太平洋深層的密度差異, 而選取區(qū)域的不同會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)密度差異存在一定的變化。為了分析水力學(xué)理論對(duì)于兩側(cè)區(qū)域選取的敏感性, 在呂宋海峽東西兩側(cè)選取不同的區(qū)域, 采用上文的方法, 分別計(jì)算呂宋海峽的深層水體輸運(yùn)。從圖1可以看出, 呂宋海峽深層的水道主要呈東北-西南走向, 由此在前面選擇的區(qū)域W1和E1的附近又選擇了W2, W3, E2和E3四個(gè)區(qū)域, 基本覆蓋了海峽兩側(cè)的深水區(qū)域。使用不同數(shù)據(jù)得到各個(gè)區(qū)域的平均位勢(shì)密度剖面(圖4)。各數(shù)據(jù)得到結(jié)果總體上分布和前面的分析一致, 在深層太平洋的密度要大于南海, 太平洋一側(cè)不同區(qū)域深層水體密度變化較小, 而南海一側(cè)不同區(qū)域深層水體密度變化較大, 距離呂宋海峽深層通道出口越遠(yuǎn)密度越小, 可能與深層水體進(jìn)入南海后混合增強(qiáng)有關(guān)。不同的選取區(qū)域在海檻深度上得到東西兩側(cè)的密度差不同, 導(dǎo)致得到深層水體體積輸運(yùn)存在較大變化。與上文結(jié)果相同, SODA數(shù)據(jù)得到的剖面和其他數(shù)據(jù)存在明顯差異, 得到分叉點(diǎn)深度要比其他數(shù)據(jù)偏淺。

分別以W1和E1為海峽西東兩側(cè)的基準(zhǔn)區(qū)域, 采用其他不同區(qū)域和基準(zhǔn)區(qū)域的溫鹽數(shù)據(jù), 估計(jì)深層體積輸運(yùn)和南海深層水的滯留時(shí)間(表2)。不同數(shù)據(jù)得到深層體積輸運(yùn)為2.4～9.4 Sv, 南海深層水的滯留時(shí)間為6.4～25.5 a, 體積輸運(yùn)估計(jì)比觀測(cè)還是偏大。與前面分析類似, SODA數(shù)據(jù)得到體積輸運(yùn)結(jié)果比其他數(shù)據(jù)明顯偏大, 不同選取區(qū)域平均值達(dá)到了7.6 Sv。不同數(shù)據(jù)在選取不同的區(qū)域時(shí)估計(jì)體積輸運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)差均超過1 Sv, 選取的區(qū)域不同得到的輸運(yùn)結(jié)果存在較大的變化。當(dāng)選取的區(qū)域包括E2或者W3時(shí)估計(jì)體積輸運(yùn)都會(huì)明顯增大, 反映了區(qū)域的選取可能對(duì)于緯度變化更加敏感, 而選擇更接近海峽兩側(cè)深層通道出口的區(qū)域(如W1和E1)得到的輸運(yùn)結(jié)果更小, 更接近于Qu[13]的估計(jì)。由此可知, 水力學(xué)理論對(duì)于呂宋海峽東西兩側(cè)區(qū)域的選取有較強(qiáng)的敏感性, 不同區(qū)域溫鹽數(shù)據(jù)的選取會(huì)顯著影響深層體積輸運(yùn)的大小。

4 結(jié)論與討論

本次研究基于水力學(xué)理論利用WOD09, WOA05, WOA01和SODA數(shù)據(jù)對(duì)呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)進(jìn)行了診斷分析, 并且討論了不同數(shù)據(jù)和不同的選取區(qū)域?qū)τ谒W(xué)理論估計(jì)深層體積輸運(yùn)的影響。通過位勢(shì)密度的分布可以發(fā)現(xiàn)呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)是由太平洋進(jìn)入南海, 在呂宋海峽東西兩側(cè)1 500 m以下始終存在較強(qiáng)的密度差異, 太平洋深層海水密度要大于南海, 為深層水體體積輸運(yùn)提供了斜壓驅(qū)動(dòng)力。

不同的數(shù)據(jù)對(duì)于水力學(xué)理論得到深層體積輸運(yùn)的估計(jì)存在顯著的影響。不同數(shù)據(jù)得到的輸運(yùn)結(jié)果在2.4～7.0 Sv之間, 南海深層水滯留時(shí)間為8.5～25 a。各數(shù)據(jù)得到的輸運(yùn)結(jié)果之間存在較大差異, 其中SODA數(shù)據(jù)得到的深層體積輸運(yùn)顯著偏大, 南海深層水的滯留時(shí)間顯著偏小。這是由于SODA數(shù)據(jù)得到的位勢(shì)密度分布與其他數(shù)據(jù)存在較大差異, SODA數(shù)據(jù)在呂宋海峽附近的南海和太平洋深層, 數(shù)據(jù)存在偏差, 導(dǎo)致過高估計(jì)了體積輸運(yùn)。因此SODA數(shù)據(jù)并不適用于水力學(xué)理論估計(jì)呂宋海峽的深層水體體積輸運(yùn)。

圖4 呂宋海峽兩側(cè)不同區(qū)域不同數(shù)據(jù)得到1 000 m以下σ2剖面 Fig. 4 Vertical profiles of σ2 below 1 000 m on both sides of the Luzon Strait with different data regions selected from different databases

表2 選取海峽兩側(cè)不同區(qū)域估算的深層體積輸運(yùn)Q和南海深層水的滯留時(shí)間T Tab. 2 The calculation of deep water volume transport(Q) and SCS deep water residence time(T) with different regions selected on both sides of the Luzon Strait

在呂宋海峽東西兩側(cè)選取的不同區(qū)域?qū)τ谏顚铀w體積輸運(yùn)的估計(jì)也存在顯著的影響。不同選取區(qū)域之間輸運(yùn)結(jié)果變化較大, 不同數(shù)據(jù)得到深層體積輸運(yùn)在2.4～9.4 Sv, 南海深層水的滯留時(shí)間為6.4～25.5 a。不同數(shù)據(jù)在選取不同的區(qū)域時(shí)估計(jì)體積輸運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)差均超過1 Sv, 說明選取的不同區(qū)域?qū)τ谏顚芋w積輸運(yùn)存在顯著的影響。當(dāng)選取的區(qū)域包括E2或者W3時(shí)水力學(xué)理論估計(jì)的體積輸運(yùn)都會(huì)明顯增大, 反映了區(qū)域的選取可能對(duì)于緯度變化更加敏感, 選取與海峽兩側(cè)深層通道出口更接近的區(qū)域, 得到的體積輸運(yùn)結(jié)果更小, 接近于Qu的估計(jì)。

在缺乏高質(zhì)量觀測(cè)的情況下, 水力學(xué)理論為呂宋海峽深層水體體積輸運(yùn)研究提供了有效的支持。由于忽略了復(fù)雜地形和摩擦等因素的影響, 水力學(xué)理論只能提供深層水體體積輸運(yùn)的上限, 因而這里不同數(shù)據(jù)和不同選取區(qū)域得到的輸運(yùn)結(jié)果都比已有觀測(cè)偏大。采用不同的數(shù)據(jù), 選取海峽兩側(cè)不同的區(qū)域, 都對(duì)水力學(xué)理論有顯著的影響, 在使用過程中需要根據(jù)具體情況來分析。另外由于使用的數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率的限制, 這里所得到的研究結(jié)果存在一定的誤差, 進(jìn)一步的研究還需要結(jié)合高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)和高分辨率的數(shù)值模式來進(jìn)行。

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