張志春 , 袁東亮, 李 博,

(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 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)試驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100049)

中低緯度西北太平洋上層(海表面以下 1～2 km)海洋環(huán)流主要是風(fēng)生環(huán)流, 由北太平洋熱帶環(huán)流和副熱帶環(huán)流組成。北太平洋熱帶環(huán)流指由北赤道流、棉蘭老流和北赤道逆流組成的位于赤道到14°N左右的環(huán)流圈, 而副熱帶環(huán)流是由北赤道流、黑潮、黑潮延伸體和加利福尼亞流所組成的位于14°～40°N的環(huán)流圈。海洋與大氣的相互作用主要是由上層海洋水平和垂直運(yùn)動(dòng)所控制, 所以清楚地了解此海區(qū)的環(huán)流特征對(duì)于更好地理解海氣相互作用就顯得十分重要[1]。

在20世紀(jì) 30年代就有人開始研究西北太平洋環(huán)流[2]。到20世紀(jì)60～70年代, 黑潮聯(lián)合調(diào)查(Cooperative Study of the Kuroshio, CSK)第一次大規(guī)模地調(diào)查研究這一海域的環(huán)流, 取得了非常有價(jià)值的成果[3-5]。20世紀(jì) 80～90年代, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 西北太平洋環(huán)流受到了越來越多的關(guān)注。在TOGA(Tropical Ocean-Global Atmosphere)和 WOCE(Word Ocean Circulation Experiment)計(jì)劃框架下, 先后許多觀測(cè)項(xiàng)目在此海域?qū)嵤? 如美－澳西太平洋環(huán)流聯(lián)合研究(US-Australia WEPOCS)[6-7]、中-美赤道西太平洋海氣相互作用聯(lián)合調(diào)查研究(PRC/US)[8]、中國科學(xué)院熱帶西太平洋海氣相互作用及年際氣候變化調(diào)查研究(CAS)以及日本太平洋氣候研究(JAPACS)等。通過這些調(diào)查研究, 科研工作者取得了許多有價(jià)值的學(xué)術(shù)成果及寶貴的海洋大氣資料, 對(duì)這一海域的環(huán)流有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí), 特別是新幾內(nèi)亞沿岸潛流[7]和棉蘭老潛流[9]就是在此期間被發(fā)現(xiàn)的。

以上分析都是基于某一次或某一斷面的觀測(cè),它們并不能清晰地描述整個(gè)區(qū)域的平均環(huán)流特征,更不能分析其季節(jié)變化和年際變化。Qiu等[10]利用日本氣象廳在 137°E斷面的多年觀測(cè)資料, 分析了北太平洋環(huán)流的年際變化, 結(jié)果顯示, 在ENSO年, 熱帶太平洋海平面降低, 北赤道流和北赤道逆流輸運(yùn)增加, 而且它們的邊界都向南移動(dòng)。Qu等[11]利用Levitus年平均氣候資料, 采用動(dòng)力計(jì)算方法分析130°E斷面的流場(chǎng)特征。在不同季節(jié)、不同年份獲得的資料并不連續(xù), 因此, 他們只是研究氣候態(tài)的結(jié)果, 而對(duì)于季節(jié)變化征沒能做進(jìn)一步研究。近年來,也有不少學(xué)者利用衛(wèi)星高度計(jì)資料分析了北太平洋表層流系特征和中尺度渦旋的變化規(guī)律及其動(dòng)力機(jī)制[12-17]。此外, 很多學(xué)者[18-24]還利用數(shù)值模式研究了北太平洋環(huán)流的結(jié)構(gòu)特征及其動(dòng)力機(jī)制, 并分析了各環(huán)流的季節(jié)和年際變化與ENSO之間的關(guān)系。

由上面的分析可見, 盡管前人做了許多有價(jià)值的研究, 但是對(duì)西北太平洋環(huán)流的了解仍不夠全面,還有許多問題尚需解決。由于受觀測(cè)資料的限制(比如缺乏高時(shí)空分辨率和準(zhǔn)時(shí)間同步的資料觀測(cè)資料),至今令人信服的北太平洋環(huán)流時(shí)空結(jié)構(gòu)特征還沒有獲得[25]。而且以往該區(qū)域的觀測(cè)主要集中在1 000 m以上, 在1 000 m下的環(huán)流形態(tài)多由數(shù)值模式結(jié)果給出, 沒有對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給予驗(yàn)證。所以獲取更多的準(zhǔn)同步高分辨率的觀測(cè)資料對(duì)于進(jìn)一步了解該區(qū)域環(huán)流形態(tài)及研究海洋動(dòng)力過程具有重要意義。隨著全球Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography)計(jì)劃的實(shí)施, 全球可利用的Argo溫鹽剖面資料不斷增多, 積累了多年的高分辨率和準(zhǔn)同步的觀測(cè)資料, 這有助于我們提高對(duì)上層海洋的認(rèn)識(shí)。本文采用Argo格點(diǎn)資料, 通過P-vector方法計(jì)算北太平洋絕對(duì)地轉(zhuǎn)流速度場(chǎng), 來揭示西北太平洋海域環(huán)流的時(shí)空結(jié)構(gòu)特征。

1 數(shù)據(jù)

本文所用 Argo格點(diǎn)溫鹽資料來自美國 Scripps Institution of Oceanography(下載地址為: http: //www.argo.ucsd.edu/Gridded_fields.html), 時(shí)間范圍是2004年1月～2009年12月, 水平分辨率為1°×1°, 垂向分為58層(0～1 975 dbar)。在本文中, 除了Argo數(shù)據(jù)外,WOA09(World Ocean Atlas 2009)溫鹽數(shù)據(jù)[26-27]用來作為比較, 數(shù)據(jù)水平分辨率為1°×1°。

本文利用2004年1月～2009年12月北太平洋格點(diǎn)化的 Argo月平均溫度和鹽度數(shù)據(jù), 使用 P-vector方法來計(jì)算絕對(duì)地轉(zhuǎn)流。P-vector[28]方法的基本原理是基于位勢(shì)密度和位勢(shì)渦度守恒及兩個(gè)近似: 地轉(zhuǎn)平衡和 Boussinesq近似, 等位勢(shì)面與等面密度面交叉的方向決定地轉(zhuǎn)流的方向, 也稱之為 P-vector; 任意兩層之間的熱成風(fēng)關(guān)系可以計(jì)算地轉(zhuǎn)流的大小。關(guān)于該方法的詳細(xì)推導(dǎo)見文獻(xiàn)[28]。有關(guān)本文所用絕對(duì)地轉(zhuǎn)流的有效性評(píng)估可以參考文獻(xiàn)[29-31]。研究結(jié)果顯示 P-vector方法能較好的捕獲邊緣海和大尺度海洋環(huán)流的主要特征[29-33]。

2 平均結(jié)構(gòu)特征

2004～2009年平均的不同經(jīng)向斷面的溫度、鹽度隨深度變化如圖1所示。沿137°E斷面(圖1a)的主溫躍層主要集中在 5°～9°N, 等溫線逐漸向南北方向延伸, 其溫躍層頂位于 8°N 左右, 恰好在北赤道流和北赤道逆流的南北邊界處。基于 20℃等溫線的深度分布, Kessler[34]的研究顯示, 主溫躍層頂位于7.5°～10°N。在 20°～30°N, 150～400 m 區(qū)域, 存在一個(gè)垂向位勢(shì)密度梯度最小值的水團(tuán), 即副熱帶模態(tài)水(Subtropical Model Water)[35-37]。我們注意到, 在150°E(圖 1b)和 170°E(圖 1c)兩個(gè)斷面, 可以看到幾乎同樣的結(jié)構(gòu)特征, 這暗示西北太平洋溫度經(jīng)向變化幾乎是一致的。在赤道區(qū)域(5°N以南), 等溫線幾乎呈水平的分布(圖1a～圖1c), 表明在平均狀態(tài)下赤道西太平洋沒有赤道潛流, 這與 Qiu等[10]利用JAMSTEC(Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology)提供的水文數(shù)據(jù)分析的結(jié)果是一致的, 然而 Toole等[38]利用歷史平均的溫鹽數(shù)據(jù)在中太平洋區(qū)域得出不一樣的經(jīng)向分布結(jié)果, 在 200 m的等深線垂直向上抬升, 暗示在赤道中太平洋赤道潛流是存在的。在30°N以北區(qū)域(既日本東南沿海),由于西邊界流(黑潮, Kuroshio)存在, 溫躍層迅速的上升(圖1b和圖1c)。

從圖1d～圖1f中可以看出, 3個(gè)斷面的鹽度也呈現(xiàn)一致的垂向分布特征, 在中層和次表層海域存在3個(gè)分布均勻的極值鹽度區(qū)域, 在赤道附近位于150 m處, 有一個(gè)鹽度最大值核(>35.2), 這個(gè)高鹽水可能受新幾內(nèi)亞沿岸潛流影響, 為赤道西太平洋提供高鹽、高氧水[39]。第二個(gè)鹽度最大值(>35)位于10°～20°N、150 m附近, 而且越往東鹽度呈逐漸增大的趨勢(shì)。有研究顯示在中太平洋(150°～170°W)也出現(xiàn)類似的高鹽水[40-41], 這可能是由于此海區(qū)海水蒸發(fā)超過降水造成的。另外一個(gè)明顯的鹽度極小值區(qū)域位于副熱帶環(huán)流海域, 最小值大概位于 25°～27°N、700 m深, 我們稱之為北太平洋中層水(North Pacific Intermediate Water, NPIW)[41-42]。

基于Argo和WOA09資料計(jì)算的多年平均的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流緯向速度沿不同經(jīng)向斷面分布如圖2所示。從圖 2a～圖 2c可以看出, 西北太平洋主要流系如北赤道逆流(NECC)、北赤道流(NEC)、副熱帶逆流(STCC)、黑潮再生流(Kuroshio Counter Current, KCC)和黑潮延伸體(Kuroshio Extension, KE)等都較好的體現(xiàn)。由于赤道附近地轉(zhuǎn)流不適用, 因此赤道區(qū)域環(huán)流特征在本文不討論, 不過由于 NECC范圍主要位于 2°～7°N, 而本文的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流只從 3°N以北開始計(jì)算, 故赤道海域環(huán)流的缺少對(duì)北赤道逆流的緯向輸運(yùn)的估計(jì)會(huì)有較大的影響, 如本文在 137°E計(jì)算的NECC的平均輸運(yùn)為25.4 Sv(表 1), 而 Qiu等[10]利用 JAMSTEC的水文數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果為 42.1 Sv,相差將近17 Sv, 造成這些差距的原因除了估算方法和資料不同, NECC缺少的部分可能占很大比重。NEC向西傳時(shí)其輸運(yùn)逐漸增大(表1), 在137°E斷面NEC最大速度超過28 cm/s, 流核(最大速度)隨深度加深向北移動(dòng)。

圖1 不同經(jīng)向斷面的溫度(℃)、鹽度隨深度分布Fig. 1 Meridional distribution of temperature (℃) and salinity

表層NEC的南面是向東的NECC, 主要位于200 m以上; 其北面是速度較小的東向 STCC, 主要集中在200 m水層以上; 再北面就是KCC, 向西流動(dòng)。黑潮及其延伸體在所有緯向流斷面分布, 30°N以北幾乎都能看到。在NEC下面是極弱的東向流, 圖2顯示,在137°E斷面能看到一個(gè)流核, 137°E以東沒有發(fā)現(xiàn)任何向東的流核, Wang等[43]沿菲律賓海在NEC下面發(fā)現(xiàn)2個(gè)東向潛流核, 他們把這個(gè)流稱之為北赤道潛流。

Argo和WOA09數(shù)據(jù)比較結(jié)果表明, 兩種數(shù)據(jù)計(jì)算的緯向流空間結(jié)構(gòu)總體上是一樣的(圖 2d～圖 2f),NEC和 NECC流速都在靠近菲律賓海域明顯增大,但是相比Argo的結(jié)果, WOA09計(jì)算的NEC和NECC流速明顯被低估了, 對(duì)于這種現(xiàn)象, 我們認(rèn)為有可能是使用的 WOA09數(shù)據(jù)經(jīng)過空間平滑消除了次網(wǎng)格的影響所致。另外, Argo計(jì)算結(jié)果表明, 北赤道潛流在137°E以西菲律賓海域存在, 而WOA09的結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)北赤道潛流核存在的跡象。

表1 西北太平洋主要環(huán)流在不同經(jīng)向斷面的緯向流量Tab.1 Zonal transport of major currents at different meridional sections in the Northwest Pacific Ocean

圖2 基于不同數(shù)據(jù)多年(2004～2009年)平均的絕對(duì)地轉(zhuǎn)流緯向速度沿不同經(jīng)向斷面分布(cm/s)Fig.2 Mean zonal absolute geostrophic velocity along different meridional sections based on different data of Argo (a-c) and WOA09 (d-f) (unit: cm/s)

3 季節(jié)變化

為了說明西北太平洋環(huán)流的季節(jié)變化, 沿137°E斷面緯向速度在不同月份的分布如圖3。從圖3看出, NECC在冬春季流速增大、幅度變寬, 而到了秋季均變小。同樣的變化趨勢(shì)在NEC最大速度變化中也呈現(xiàn), 為了進(jìn)一步證實(shí) NEC的這種變化,137°E斷面表層NEC最大流速及其流核位置季節(jié)變化如圖4所示, NEC最大流速變化范圍為21～36 cm/s,3月份流速最大(36 cm/s), 10月份最小(21 cm/s)。表層NEC最大流速呈現(xiàn)冬春季變強(qiáng), 夏秋季變?nèi)醯募竟?jié)特征, 而北赤道流最大流速所在的位置季節(jié)變化特征不是很明顯。另外, 圖4a中表層NEC出現(xiàn)兩個(gè)極大值和極小值, 暗示著NEC除了有年信號(hào)外還有半年信號(hào)。

對(duì)KCC和KC來說, 其流速變化呈現(xiàn)與NECC和 NEC相反的位相關(guān)系, 為了證實(shí)這個(gè)特征, 我們也對(duì) NECC、NEC、KCC和 KE的緯向輸運(yùn)做了計(jì)算(其計(jì)算方法見表 1), 如圖 5所示, 各流系均有明顯的年季變化。NECC流量在3月最大(39 Sv), 9月最小(13 Sv); NEC流量在7月最大(68 Sv), 9月最小(53 Sv)?？傮w上看NECC和NEC都呈現(xiàn)了春季流量增大而秋季流量變小的特征, 而且出現(xiàn)了兩個(gè)極大值(NECC: 1月和3月; NEC: 6月和9月)和極小值(NECC: 5月和9月; NEC: 5月和9月), 這也進(jìn)一步證實(shí)了NECC和NEC都可能包含半年信號(hào)。KCC流量最大值在10月(32 Sv), 最小值在3月(20 Sv); 而KE流量最大值在9月(64 Sv), 最小值在3月(51 Sv), 它們都呈現(xiàn)了秋季變大而春季變小的季節(jié)特征, 這正好與 NECC和 NEC的季節(jié)變化反相位。而且從圖5c和圖5d沒有發(fā)現(xiàn)KCC和KE有兩個(gè)極大值和極小值現(xiàn)象, 這暗示著KCC和KE可能沒有半年信號(hào)。

圖3 西北太平洋緯向流沿137°E斷面在不同季節(jié)隨深度的分布(cm/s)Fig. 3 Distribution of mean zonal absolute geostrophic velocity along 137°E section in different seasons (unit: cm/s)

圖4 表層北赤道流最大速度及其所在緯度季節(jié)變化Fig. 4 Mean seasonal cycle of surface NEC and its position along 137°E section

圖5 137°E斷面西北太平洋環(huán)流緯向輸運(yùn)的季節(jié)變化Fig. 5 Zonal transport seasonal cycle of main circulation in the Northwest Pacific Ocean along 137°E section

4 年際變化

為了分析西北太平洋環(huán)流年際變化, 我們首先利用Argo數(shù)據(jù)計(jì)算了西北太平洋海表動(dòng)力高度異常(去掉季節(jié)信號(hào))。圖6是沿145°E斷面海表動(dòng)力高度異常(相對(duì)1 500 dbar)隨時(shí)間變化。從圖6可以看出,在中緯度海域(25°N 以北), 主要的年際信號(hào)出現(xiàn)在KE區(qū)域, 雖然其振幅很大, 但其波動(dòng)是非周期性的。而在低緯度海域(主要是NECC, NEC所在海域),整個(gè)區(qū)域都可以看到明顯的年際信號(hào), 雖然振幅較小, 但是波動(dòng)是周期性的(1～2 a), 這里我們把6°～12°N平均的海表高度異常經(jīng)過1～5 a的帶通濾波后發(fā)現(xiàn), 其主要的波動(dòng)仍然是以1～2 a為主。從圖6還可以看出中緯度海域與低緯度海域年際信號(hào)呈反相位變化。

圖6 145°E斷面不同緯度的海表動(dòng)力高度異常(相對(duì)1 500 dbar)隨時(shí)間變化分布(m2/s2)Fig. 6 The surface dynamic height anomalies (related to 1 500 dbar) calculated from Argo along 145°E section (m2/s2)

圖7 Ni?o-3.4指數(shù)(a)、表層NEC最大流速(b)、流核所在位置(c)和表層NEC最南面位置(d)隨時(shí)間變化Fig. 7 Time series of Ni?o-3.4 index (a), surface NEC max velocity (b), the position of max velocity (c) and the south boundary of the NEC (d)

圖7是Ni?o-3.4指數(shù)、137°E斷面表層NEC最大速度、流核位置以及NEC南邊界位置隨時(shí)間變化圖, 可以看出, NEC最大速度和NEC南邊界都有明顯的年際變化, 而流核位置的年際變化不是很明顯。在2004～2009年的3次(2004～2005年、2006～2007年、2009年)El Ni?o發(fā)生期間, NEC最大流速逐漸增大,而在 La Nina(2007～2008年)發(fā)生期間, 最大流速明顯減小。這是因?yàn)樵贓l Ni?o期間, 西風(fēng)異常在熱帶西太平洋發(fā)展并向東移動(dòng), 同時(shí)10°～20°N為氣旋式風(fēng)應(yīng)力旋度異常, 西風(fēng)異常和氣旋式風(fēng)應(yīng)力旋度異常導(dǎo)致向上的 Ekman抽吸異常, 在海洋中激發(fā)第一斜壓模上升流Rossby波; 上升流Rossby波向西傳播并使密躍層變淺, 西傳的上升流斜壓Rossby波的累積效應(yīng)使得熱帶西太平洋海表面高度降低[44]。海表面高度的降低在海洋上層引起氣旋式環(huán)流異常,從而導(dǎo)致NEC速度增加。

另外值得注意的是, NEC流核以及NEC南邊界都有向南移動(dòng)的趨勢(shì)(圖7c和圖7d), Qiu等[45]分析衛(wèi)星高度計(jì)資料也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象, 他們認(rèn)為是由近年來沃克環(huán)流(Walker circulation)的加強(qiáng)導(dǎo)致上層水團(tuán)的重新分布引起的。北太平洋主要流系的緯向輸運(yùn)隨時(shí)間變化如圖8所示, 從圖8可以看出, NECC、NEC、KCC和 KE流量都有明顯的年際變化, 其中NECC, NEC都呈現(xiàn)準(zhǔn)1 a的波動(dòng)周期, 而KCC和KE的波動(dòng)則無明顯周期性。另外, 從圖 8還可以得出,NECC和NEC的流量變化與KCC和KE的變化呈現(xiàn)相反的趨勢(shì), 而且除NECC外, NEC、KCC和KE流量都有隨時(shí)間逐漸增大的趨勢(shì), 而具體原因還有待進(jìn)一步分析。

圖8 北太平洋主要流系的緯向輸運(yùn)隨時(shí)間變化Fig. 8 Time series of zonal transport of main circulation in the Northwest Pacific Ocean along 137°E section

5 結(jié)論

本文利用 2004～2009年 Argo資料, 基于P-vector方法計(jì)算了西北太平洋絕對(duì)地轉(zhuǎn)流, 并分析了西北太平洋主要環(huán)流的時(shí)空特征, 主要結(jié)論如下。

1) 2004～2006年平均的Argo溫、鹽結(jié)構(gòu)和基于Argo資料計(jì)算的西北太平洋環(huán)流結(jié)構(gòu)與已知的研究結(jié)果非常吻合。與由 WOA09計(jì)算的緯向流相比,Argo資料計(jì)算的緯向流流速要偏大。

2) Argo數(shù)據(jù)計(jì)算的NECC、NEC、KCC和KE都有明顯的季節(jié)變化。NECC和NEC基本上呈現(xiàn)春強(qiáng)秋弱的季節(jié)變化特征, 而KCC和KE的季節(jié)特征與NECC和NEC存在反相位關(guān)系。另外, NECC和NEC也可能存在半年振蕩信號(hào)。

3) Argo數(shù)據(jù)計(jì)算的NECC、NEC、KCC和KE也存在明顯的年際變化。NECC和NEC表現(xiàn)為周期1～2 a的年際變化, 而KCC和KE則為非周期性的年際信號(hào)。表層NEC最大速度以及流核所在位置存在年際變化特征, 其流核所在位置以及 NEC南邊界位置都有往南移的趨勢(shì)。另外, NEC、KCC和KE的流量也呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。至于為什么 NEC往南移,出現(xiàn)NEC、KCC和KE流量增大現(xiàn)象, 目前還沒有定論, 則有待進(jìn)一步研究。

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