陳凱諾 邵利民

（1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系 大連 116018）

基于ARGO數(shù)據(jù)的北太平洋西邊界流分析＊

陳凱諾1邵利民2

（1.海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì) 大連 116018）（2.海軍大連艦艇學(xué)院軍事海洋系 大連 116018）

論文將分布不均勻的ARGO溫鹽數(shù)據(jù)空間平均和線性插值，用溫度和鹽度求出地轉(zhuǎn)流流速，分析結(jié)果表明：北太平洋的北赤道流（NEC）在菲律賓沿岸大約12°N的表層分叉，分為北向的黑潮（Kuroshio）和南向的棉蘭老流（MC）；在21°N的黑潮下面出現(xiàn)了呂宋潛流（LUC），呂宋潛流沿呂宋島沿岸向南流動(dòng)，流速增強(qiáng)但是深度變淺。黑潮的流速大，最大可達(dá)0.8m／s，流幅寬度約為三個(gè)經(jīng)度，由南向北輸送。從年平均看，夏季黑潮流量最大。但是每年四季流量的大小都有所不同。

北太平洋；西邊界流；流場(chǎng)；流量；地轉(zhuǎn)平衡

Class NumberP722

1 引言

ARGO計(jì)劃通俗稱“ARGO全球海洋觀測(cè)網(wǎng)”，是一個(gè)全球性的由美國(guó)和其他國(guó)家的觀測(cè)試點(diǎn)項(xiàng)目，在1998年推出，在全球海洋的每300公里放一個(gè)衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)，使得全球海洋被這些跟蹤浮標(biāo)覆蓋。旨在快速、準(zhǔn)確、廣泛收集全球海洋上層海水溫度、鹽度分布數(shù)據(jù)，以提高氣象預(yù)報(bào)和海洋預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。北太平洋對(duì)全球氣候變化起著重要的作用，它可以與外界進(jìn)行物質(zhì)以及熱量的交換［1，5～7］。

太平洋低緯度西邊界環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度在全球大洋是獨(dú)一無(wú)二的：上層有雙流環(huán)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的波－渦－流相互作用，下層有反向的潛流，上下層還存在著非常強(qiáng)的混合等非線性相互作用［2］。因此開(kāi)展太平洋低緯度西邊界環(huán)流的系統(tǒng)研究，必將推進(jìn)大洋環(huán)流理論的發(fā)展［3］。因此，對(duì)北太平洋的西邊界流的研究分析具有非常重要的科學(xué)意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，主要利用了ARGO浮標(biāo)資料，對(duì)于北太平洋西邊界流的特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究。ARGO計(jì)劃在2006年之前對(duì)于北太平洋的觀測(cè)和研究都是小范圍和短時(shí)間的，而2006年～2013年開(kāi)展的是大范圍長(zhǎng)期地觀測(cè)。本文采用高分辨率，大范圍，長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)進(jìn)行北太平洋西邊界流的分析，分析北太平洋西邊界流的流幅寬度、速度和流量年季變化，討論北太平洋西邊界流在何處最強(qiáng)及原因。

2 數(shù)據(jù)及其處理

本文運(yùn)用的ARGO數(shù)據(jù)是從2006年～2013年，緯向范圍120°E～160°E，經(jīng)向范圍0°N～30°N，完全可以把北太平洋西邊界流的區(qū)域涵蓋進(jìn)去，由于ARGO覆蓋的空間很不均勻，先把ARGO數(shù)據(jù)進(jìn)行空間平均，水平分辨率為0.5°×0.5°整合出來(lái)一個(gè)均勻格點(diǎn)分布的數(shù)據(jù)，垂直方向上每20m平均一次，這樣就把ARGO數(shù)據(jù)整合為空間分布均勻的數(shù)據(jù)。在除去陸地范圍的海域內(nèi)進(jìn)行插值，得到溫鹽數(shù)據(jù)，取500m為零速度參考面，進(jìn)而計(jì)算地轉(zhuǎn)流速度。由經(jīng)向和緯向的地轉(zhuǎn)流速度，可以得到合成速度矢量場(chǎng)。進(jìn)而分析表層和深層的流場(chǎng)形勢(shì)。

3 西北太平洋西邊界流的流速和流幅寬度

3.1 地轉(zhuǎn)流計(jì)算

為了計(jì)算地轉(zhuǎn)流，需要計(jì)算海洋內(nèi)部同一深度上的水平壓強(qiáng)梯度。由于海水密度很大，深度的微小變化會(huì)導(dǎo)致壓力很大變化，深度誤差造成的壓力誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地轉(zhuǎn)流引起的壓力變化。因此，與大氣中直接通過(guò)測(cè)量同高度上的壓力差來(lái)求地轉(zhuǎn)流不同，海洋中用水文資料求地轉(zhuǎn)流是通過(guò)計(jì)算等壓面相對(duì)于同一等重力勢(shì)面的傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

并有

其中α＝α（S，t，p）為比容（Specific Volume），Φ為重力勢(shì)。對(duì)式（2）在x方向進(jìn)行求導(dǎo)，有：

和

式（4）便給出了等壓面上的位勢(shì)梯度與地轉(zhuǎn)流的關(guān)系。要求等壓面上的位勢(shì)梯度對(duì)式（2）在兩個(gè)等壓面（P1等壓面與P2等壓面）之間進(jìn)行垂向積分。得到兩個(gè)等壓面之間的重力勢(shì)差：

把比容寫(xiě)成如下兩部分之和：

其中α（35，0，p）為海水在鹽度為35，溫度為0℃，任意壓強(qiáng)時(shí)的海水比容，第二項(xiàng)δ為比容異常。把式（6）代入式（5）。有：

即

其中（Φ1－Φ2）std為兩個(gè)等壓面之間（Pl等壓面與P2等壓面）的標(biāo)準(zhǔn)位勢(shì)差為重力勢(shì)異常，并且后者遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者，約為前者的0.1%。

考慮相距Lm的兩個(gè)站位A和B，兩個(gè)等壓面之間（P1等壓面與P2等壓面）的重力勢(shì)異常之差為ΔΦB－ΔΦA(chǔ)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)下面的等壓面為參考面，因此等壓面和等重力勢(shì)面重合，并且在這層上地轉(zhuǎn)流速為零。所以上面等壓面（P2等壓面）的傾斜為由于站位A和B的兩個(gè)等壓面之間的標(biāo)準(zhǔn)重力勢(shì)差相等，可知上面等壓面處的地轉(zhuǎn)流速為

流速的方向垂直于站位A和B的連線，并指向紙面內(nèi)（在北半球）。一個(gè)有效的拇指法則可以判斷流速的方向，即：在北半球沿著流的流動(dòng)方向看去，暖的、輕的水在右側(cè)。

為了減小Argo探測(cè)路徑不均勻的影響，由Matlab軟件處理得到的ARGO數(shù)據(jù)首先在垂向進(jìn)行了20m平滑。由于ARGO覆蓋不均勻，采用插值法將平滑后的剖面在經(jīng)向（緯向）斷面插值到0.50緯度（經(jīng)度）的水平網(wǎng)格上，這樣做的目的是為了使得分布零散的ARGO溫度鹽度值得到經(jīng)過(guò)網(wǎng)格平均后的溫鹽數(shù)據(jù)，進(jìn)而用Matlab軟件計(jì)算地轉(zhuǎn)流大小。在這個(gè)過(guò)程中，由于地轉(zhuǎn)流的計(jì)算是兩個(gè)面之間的相對(duì)速度而并非絕對(duì)速度，所以零流速參考面的選取很重要，直接影響地轉(zhuǎn)流速結(jié)果。在本文中，參考面全部選取海平面以下500m的剖面，該處上下速度方向正好相反，有180°的方向切變，因此該處速度近似為零。

3.2 北太平洋西邊界流的流速和流幅寬度

熱帶太平洋的北赤道流（NEC）向西流至菲律賓邊界流在世界大洋的質(zhì)量、熱量和鹽量輸送以及全球群島東岸海域后，受地形的阻擋作用發(fā)生分叉，在氣候變化中都起著決定性的作用。因此，對(duì)北太平洋黑潮和棉蘭老流兩支下游支流構(gòu)成的西邊界流的輸運(yùn)變化和動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其作用的研究有著重要的科學(xué)意義。表層的北赤道流在北緯12° N分叉，黑潮向北流動(dòng)，棉蘭老流向南流動(dòng)，黑潮橫跨三個(gè)經(jīng)度，流速大小高達(dá)0.8m／s以上。而棉蘭老流流速比黑潮小很多，約為0.2m／s，但是流幅比黑潮寬一些。

4 北太平洋西邊界流的流量及其季節(jié)變化

計(jì)算流量方法：先計(jì)算24°N，21°N，18°N，15° N，12°N從2006年～2013年的平均經(jīng)向速度，再用平均經(jīng)向速度乘以600m截面所占的體積即可。

圖2 12°N，15°N，18°N，21°N，24°N各個(gè)斷面處的流量矢量

12°N～24°N每隔3°取一個(gè)斷面，計(jì)算它們上600m的流量，分別為－10.6Sv，15.2Sv，28.9Sv，49.1Sv，25.6Sv。棉蘭老流的流量明顯比黑潮的流量小。發(fā)現(xiàn)21°N的年平均流量最大，與此同時(shí)該處的黑潮也最強(qiáng)。這與前面所分析的黑潮與棉蘭老流流速大小相符合，流速相差4倍，流量也是4倍。

分析21°N黑潮最強(qiáng)的原因：

1）黑潮是由科氏參量隨緯度的改變，大洋西邊界和慣性的存在，以及海水密度和海洋深度的變化等引起。其中主要是由于科氏參量，亦即在相同的海流速度情況下的科氏力隨緯度增加而加大其行星渦度所致。在大洋中高緯地帶的海面上，因順時(shí)針?lè)较蝻L(fēng)應(yīng)力渦度作用，生成順時(shí)針?lè)较虻娘L(fēng)生海流，此時(shí)海洋對(duì)該環(huán)流產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻哪Σ翜u度。如在大洋東、西邊界處的海洋速度相同，則在大洋西邊界處自南向北的海流，將獲得因科氏力隨緯度增加而加大所生順時(shí)針?lè)较虻男行菧u度。21° N處黑潮流幅窄，流速大，西向強(qiáng)化最強(qiáng)。

2）21°N處風(fēng)應(yīng)力旋度最大，Sverdrup平衡給出了經(jīng)向流速和風(fēng)應(yīng)力的關(guān)系，是大洋環(huán)流中非常重要的理論，風(fēng)應(yīng)力旋度越大，經(jīng)向流速越大，質(zhì)量通量越大。

3）向西傳播的Rossby波導(dǎo)致海水的上下起伏震蕩，影響質(zhì)量疏運(yùn)［4］。

4）棉蘭老冷渦的強(qiáng)弱影響了海水的運(yùn)動(dòng)路徑。渦旋越強(qiáng)，海流速度越慢。所以21°N處受不到太多棉蘭老冷渦的影響［8～9］。

又如圖3所示，北太平洋西邊界流的流量隨四季變化每年情況都不一樣，但是年平均情況來(lái)看，夏季最大，約為29.0Sv；秋季其次，約為27.5Sv，春季最小，約為22.8Sv。每年流量情況都不相同的原因是由于厄爾尼諾年和拉尼娜年，海水流動(dòng)異常導(dǎo)致的［10］。

圖3 2006年～2013年北太平洋西邊界流流量的季節(jié)變化及8年平均的季節(jié)變化

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于2006年～2013年的ARGO浮標(biāo)資料，近似認(rèn)為北太平洋西邊界流為地轉(zhuǎn)流，對(duì)北太平洋西邊界流的流速，流量進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1）表層的北赤道流在北緯12°N分叉，黑潮向北流動(dòng)，棉蘭老流向南流動(dòng)，黑潮橫跨三個(gè)經(jīng)度，流速大小高達(dá)0.8m／s以上。

2）北太平洋西邊界流的流量隨四季變化每年情況都不一樣，但是年平均情況來(lái)看，夏季最大，約為29.0Sv；秋季其次，約為27.5Sv，春季最小，約為22.8Sv。

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Analysis of the Western BoundaryCurrent in North Pacific Based on ARGO Data

CHEN Kainuo1SHAO Limin2
（1.Department of Graduate Management，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）（2.Department of Military Oceanography，Dalian Naval Academy，Dalian 116018）

In this paper，the uneven distribution of ARGO thermohaline data are average on space and linear interpolated.The geostrophic flow can be calculated by temperature and salinity data.During the period of observations，the North Equatorial Current（NEC）splits at about 12°N near the sea surface，including the northward Kuroshio and the southward Mindanao Current（MC）.The Luzon Undercurrent（LUC），emerging below the Kuroshio from about 21°N.It intensifies southward while its depth becomes deeper.The speed of the Kuroshio is very high，which can reach 0.8m／s.Its Flow width is about three longitudes.The Kuroshio transfers from the south to the north.On average annual summer stream flow is the largest.But the size of the flow of the four seasons is different every year.

north pacific，western boundary current，fluid flow，quantity of flow，geotropic balance

P722DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.006

2015年5月4日，

2015年6月27日

陳凱諾，男，碩士研究生，研究方向：海霧的數(shù)值模擬及可見(jiàn)光在其中的衰減特性。