馬 芊，林霄沛**

(1.中國(guó)海洋大學(xué)深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心, 山東 青島 266100； 2. 中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

北赤道流(North Equatorial Current,NEC)在到達(dá)菲律賓海岸時(shí)，形成南北兩個(gè)方向的分叉，分別是向南方向的棉蘭老流(Mindanao Current,MC)和向北方向的黑潮(Kuroshio, KC)。棉蘭老流的主要部分流入蘇拉威西海補(bǔ)充印尼貫穿流，剩下的直接進(jìn)入北赤道逆流(North Equatorial Countercurrent, NECC)。黑潮途徑呂宋海峽，一小部分進(jìn)入中國(guó)南海，大部分沿臺(tái)灣東岸向北流動(dòng)進(jìn)入東海，之后沿東海大陸架外緣朝東北大陸架移動(dòng)，從吐噶喇海峽流出東海, 最終在35°N 附近離岸東流, 成為黑潮延伸體[1]。與此同時(shí)，在溫躍層以下也存在與兩支海表流相反的流動(dòng)(見(jiàn)圖1),分別是棉蘭老流下方北向的棉蘭老潛流(Mindanao Undercurrent, MUC)和黑潮下方南向的呂宋潛流(Luzon Undercurrent, LUC)。這兩支潛流的存在對(duì)溫躍層以下海水的熱鹽傳遞、模態(tài)水的生成均有重要作用。NEC分叉點(diǎn)的位置變化對(duì)KC, MC, LUC和MUC的流量變化有很大影響，Qu等多個(gè)學(xué)者的研究表明，NEC海表的分叉點(diǎn)位置在13.3°N～17.2°N范圍內(nèi)移動(dòng)，且存在明顯的季節(jié)性變化，夏季偏南，冬季偏北[2-5],且高頻變化受當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)影響較大[3-4]，低頻變化則受厄爾尼諾事件和大洋中西向Rossby波的影響。而下層流動(dòng)情況與上層不同，隨著深度增加，分叉點(diǎn)的位置逐漸北移[5-6]，但是海表的地轉(zhuǎn)流動(dòng)和分叉點(diǎn)的變化可以由衛(wèi)星高度計(jì)、風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，對(duì)于深層的分叉點(diǎn)以及LUC、MUC的研究受觀測(cè)歷史較短，觀測(cè)技術(shù)所限，目前研究較少[7]。

(五角星處為ADCP投放點(diǎn)位置。The star marked the location of ADCP.)

LUC最早由Hu等利用70個(gè)分布在呂宋島和棉蘭老島附近的鹽度溫度深度剖面測(cè)量?jī)x(Conductivity-Temperature-Depth System, CTD)發(fā)現(xiàn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)MUC和LUC均存在復(fù)雜的多核結(jié)構(gòu)[8]，在此之后對(duì)LUC的研究多為數(shù)值模式的結(jié)果分析。Gao等利用全球環(huán)流模式追蹤算子認(rèn)為L(zhǎng)UC有41%的水來(lái)源于黑潮延伸體附近冬季混合層模態(tài)水和亞熱帶北部環(huán)流的水相混合[9]。2010年國(guó)際組織氣候變率及可預(yù)測(cè)性計(jì)劃/世界氣候研究計(jì)劃(Climate Variability and Predictability/World Climate ResearchProgramme, CLIVAR/WCRP)首次在呂宋島附近布放次表層潛標(biāo)和聲學(xué)多普勒測(cè)流計(jì)(ADCP)對(duì)黑潮上游的次表層流動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)兩年的觀測(cè)[10-11]。Hu等利用這次觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)呂宋潛流并非一直存在，且強(qiáng)度存在明顯的季節(jié)性，冬季強(qiáng)于夏季，夏季強(qiáng)于春季，有著明顯的70～80 d的變化周期，且可能與西向傳播的中尺度渦有關(guān)[12]。在此研究基礎(chǔ)上，Wang等結(jié)合ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模式數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)渦動(dòng)能(Eddy Kinetic Energy)的追蹤和分析，認(rèn)為L(zhǎng)UC 80 d的變化周期與海表黑潮一致，是由黑潮分叉點(diǎn)處的中尺度渦旋沿岸移動(dòng)產(chǎn)生的[13]。而Duan的研究表明，在ADCP對(duì)次表層流動(dòng)的觀測(cè)過(guò)程中，700 m處流軸的變動(dòng)會(huì)對(duì)潛標(biāo)產(chǎn)生較大影響，觀測(cè)中深層流動(dòng)的季節(jié)內(nèi)變化可能是渦旋與背景流疊加后的表現(xiàn)[11]。

從渦旋的角度研究次表層流動(dòng)有過(guò)很多先例，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模式數(shù)據(jù)從EKE的角度追蹤次表層流動(dòng)的來(lái)源是目前比較可行的研究方法。在對(duì)MUC的研究中，Zhang等認(rèn)為MC和MUC為同一位置的上下層流動(dòng)，且都存在多核結(jié)構(gòu)和明顯的季節(jié)性內(nèi)化。不同于MC的季節(jié)內(nèi)變化由局地渦旋引起，MUC季節(jié)內(nèi)變化主要來(lái)源于同緯度西向移動(dòng)的次表層渦旋[14-16]。Qu和Firing則認(rèn)為影響其流動(dòng)的來(lái)源是南太平洋尼尼戈群島的次表層渦旋沿新幾內(nèi)亞沿岸由南向北的傳播[17-18]，而Wang等認(rèn)為MUC的變化由南、北以及同緯度東西向三個(gè)途徑的渦旋共同作用影響，其中南北向傳播的渦旋貢獻(xiàn)更大[19]。對(duì)MUC的渦旋研究方法為L(zhǎng)UC的研究提供了很多借鑒。

本文同樣使用CLIVAR/WCRP投放的ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[10]分析發(fā)現(xiàn)，呂宋潛流除了存在70～80 d的周期，與海表黑潮周期一致，在溫躍層以下還存在一個(gè)120 d的周期，這個(gè)周期是海表黑潮所不存在的，在此之前也沒(méi)有相應(yīng)的研究揭示這一現(xiàn)象。本文結(jié)合HYCOM模式數(shù)據(jù)以及EKE追蹤方法，在此基礎(chǔ)上追蹤呂宋島附近的溫鹽較低頻變化異常，發(fā)現(xiàn)呂宋島東北向18°N～20°N的海區(qū)內(nèi)存在100～200 d的渦旋活躍區(qū)域，且存在周期約4個(gè)月的渦旋在136°E附近產(chǎn)生，并沿緯向從東向西移動(dòng)，經(jīng)124°E沿深水區(qū)域向北產(chǎn)生彎曲和變形后，沿西南方向移動(dòng)到呂宋島沿岸，是引起LUC下層120 d變化的主要因素。

1 數(shù)據(jù)介紹

1.1 潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文使用的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自CLIVAR/WCRP西北太平洋環(huán)流與氣候試驗(yàn)(Northwestern Pacific Ocean Circulation and Climate Experiment, NPOCE)項(xiàng)目投放于18.02°N，122.63°E位置處的次表層潛標(biāo)，具體位置如圖1所示。使用75 kHz ADCP進(jìn)行測(cè)量，分兩次投放，第一次投放ADCP位于700 m深度，僅向上發(fā)射，深度為海表至700 m記錄了2010年11月20日～2011年7月10日的流速；第二次投放ADCP位于500 m深度，有向上和向下兩個(gè)方向，覆蓋從2011年7月11日～2012年10月30日，兩次均為每半小時(shí)采集一次，原數(shù)據(jù)消除了高頻白噪音之后得到日平均數(shù)據(jù)進(jìn)行使用，垂向空間分辨率為8 m。

1.2 模式數(shù)據(jù)

本文使用的模式數(shù)據(jù)為HYCOM GLBa0.08版本，該數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory, NRL)，時(shí)間從2011年1月～2012年12月，時(shí)間分辨率為1天，空間水平分辨率為1/12(°)×1/12(°)(平均6.5 km，極地附近分辨率為3.5 km)，垂向分33層(1 000 m以淺包含0，10，20，30，50，75，00，125，150，200，250，300，400，500，600，700，800，900和1 000 m)，包含溫鹽(TS)、流場(chǎng)(UV)、海平面高度(SSH)等變量。

2 潛標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果與分析

對(duì)觀測(cè)點(diǎn)處徑向流速進(jìn)行11天低通濾波，除去潮汐和白噪音的影響[11]，由圖2可見(jiàn)次表層南向流動(dòng)的呂宋潛流并非一直存在，大部分時(shí)間300 m以下存在流向與黑潮相反的呂宋潛流，但是2011年3～5月以及2012年的6～7月上下層流動(dòng)均一致向北，且中下層呂宋潛流流速存在明顯的季節(jié)內(nèi)變化，冬季強(qiáng)于夏季，夏季強(qiáng)于春秋季，這與Hu，Duan等人的研究一致[11-12]。從圖2(b)可以看到，200～700 m之間的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度都能保持在700個(gè)左右，對(duì)200～700 m的經(jīng)向流速時(shí)間序列做功率譜可以看出，上層黑潮存在90天左右的周期且該周期從上至下一直延伸到800 m深度，該周期是由黑潮區(qū)上層渦旋變化所主導(dǎo)的[13]，但是除此之外500～700 m深度還存在一個(gè)120天以上的變化周期，該周期不存在于海表黑潮的變化中，其產(chǎn)生機(jī)制不是由黑潮區(qū)表層中尺度渦所主導(dǎo)的，而是由溫躍層以下某些可能存在的機(jī)制所產(chǎn)生。為了輔助驗(yàn)證這一結(jié)果，本文引入模式數(shù)據(jù)驗(yàn)證這一結(jié)果，并進(jìn)一步分析次表層導(dǎo)致呂宋潛流變化的機(jī)制。

圖2 ADCP在觀測(cè)點(diǎn)處徑向流速的時(shí)間序列(a)，ADCP測(cè)量的有效數(shù)據(jù)分布(b)和每層深度的功率譜分布(c)

3 模式數(shù)據(jù)的比較與驗(yàn)證

圖3，4為多個(gè)模式數(shù)據(jù)在潛標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)附近流速的比對(duì)，HYCOM數(shù)據(jù)集有兩個(gè)版本，分別是GLBu和GLBa。兩個(gè)版本差別在于GLBu經(jīng)過(guò)了再分析處理，兩個(gè)版本的徑向流速均與實(shí)測(cè)一致，而CFS模式數(shù)據(jù)在2010年8月之前與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，Ecco數(shù)據(jù)也與實(shí)測(cè)情況不符。通過(guò)徑向流速譜分析圖(見(jiàn)圖5)可以看出，HYCOM(GLBa)版本在18°N，122.5°E處徑向流速與實(shí)測(cè)情況相符，除了海表存在80～100 d的周期之外，在溫躍層以下還存在120天以上的周期。再分析處理可能將呂宋潛流的這一特征淡化抹去，因此HYCOM(GLBa)數(shù)據(jù)更適合用于進(jìn)一步研究呂宋潛流的變化。

圖3 ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)(a)與CFS(b),ECCO(c)數(shù)據(jù)的比較Fig.3 Data comparison of ADCP(a), CFS(b) and Ecco(c)

圖4 ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)(a)與HYCOM模式GLBu(b)和GLBa(c)的比較Fig.4 Data comparison of ADCP(a)，HYCOM(GLBa)(b) and HYCOM(GLBu)(c)

圖5 HYCOM數(shù)據(jù)在18°N,122.5°E處位置徑向流速的功率譜Fig.5 Power spectrum of (a) HYCOM (GLBa) and (b) HYCOM(GLBu)at 18°N,122.5°E

為了進(jìn)一步輔助驗(yàn)證ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，本文對(duì)HYCOM數(shù)據(jù)的經(jīng)向流速進(jìn)行分層的功率譜分析、紅噪聲置信檢測(cè)以及小波分析。圖6可以看出，不同層的經(jīng)向流動(dòng)存在巨大差異，200和300 m的流動(dòng)與500～900 m的流動(dòng)存在很大不同，500～700 m的經(jīng)向流動(dòng)在150天左右存在較大峰值，這個(gè)峰值是上層流動(dòng)所不存在的。而圖7中的小波分析結(jié)果也同樣顯示，200 m深度只有100天以內(nèi)的周期存在，而500 m深度的流動(dòng)同時(shí)存在兩個(gè)分隔開(kāi)的周期，一個(gè)是與海表一致的60天左右周期，另一個(gè)是100～180 d的周期。雖然由于模式誤差，峰值依舊是150天,與觀測(cè)數(shù)據(jù)的120天有一些差異，但是仍然體現(xiàn)了上層流動(dòng)與次表層流動(dòng)的明顯差異。

4 模式數(shù)據(jù)的分析結(jié)果

4.1 EKE的計(jì)算方法介紹和不同尺度下的EKE分布情況

圖6 HYCOM(GLBa)經(jīng)向流速在不同深度的功率譜(藍(lán)線)和95%紅噪聲置信(紅線)分布Fig.6 The power spectrum(blue line) and 95% red noise confidence distribution (red line)of HYCOM (GLBa) meridional velocity at depth of 200,300,500,700,800 and 900 m

圖7 HYCOM(GLBa)經(jīng)向流速在不同深度的小波分析結(jié)果Fig.7 Wavelet analysis results of meridional velocity at the difference depth

圖8和9分別為200天高通濾波和100～200 d帶通濾波之后的結(jié)果。從圖8的EKE分布來(lái)看，300 m以淺的EKE分布和500 m以深的EKE分布存在很大差異。300 m以淺的渦旋活躍區(qū)域主要存在于呂宋島以北的呂宋海峽附近以及呂宋島東北方向123°E～126°E的區(qū)域，呂宋島以北渦旋活躍主要是因?yàn)楹诔苯?jīng)過(guò)呂宋海峽的地形產(chǎn)生，而呂宋島東北方向由于黑潮回流產(chǎn)生復(fù)雜多變的流動(dòng)。而500 m以下則不同，渦旋活躍區(qū)域集中在呂宋島西岸沿岸和觀測(cè)點(diǎn)附近。然而，經(jīng)過(guò)不同頻段的濾波之后，EKE的分布也有所不同，尤其是100～200 d的帶通濾波，在呂宋島西岸沿岸渦旋活動(dòng)沒(méi)有圖8中那么顯著，這表明，即使在呂宋島沿岸存在非?；钴S的次表層渦旋，但是這些渦旋多為周期在100天以下的較高頻活動(dòng)的信號(hào)，而非100天以上時(shí)間尺度的活動(dòng)。而圖9(c)顯示，在500 m深度，18°～20°緯度帶上存在東西向較強(qiáng)的EKE活躍范圍，且一直延伸到140°E。因此，本文將著眼于100～200 d帶通濾波的結(jié)果，從呂宋島東北向的緯度帶上尋找是否有100天以上周期的渦旋存在。

圖8 四個(gè)不同水平面200天高通濾波后的EKE分布Fig.8 EKE of the area around Luzon Island after 200 d high pass filtering in the different level

圖9 四個(gè)不同平面100～200天帶通濾波后的EKE分布Fig.9 The same picture as Fig 8 but after 100～200 d bandpass filtering

4.2 呂宋島東北向溫鹽和流速變量的變化特征

為了去除尺度在50 km以內(nèi)的高頻亞中尺度渦旋干擾，本文在對(duì)模式數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間帶通濾波的基礎(chǔ)上，再次進(jìn)行了空間濾波，空間濾波尺度為6個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)(約55 km)。根據(jù)圖10，11的經(jīng)向流速和溫度異常來(lái)看，存在一個(gè)變化周期約4個(gè)月的冷暖交替渦旋結(jié)構(gòu)，該冷(暖)異常從東邊約140°E的位置出現(xiàn)，并逐漸向觀測(cè)點(diǎn)(18°N,122.5°E)的位置移動(dòng)。以圖11中紅色方框范圍內(nèi)的暖異常為例，該暖異常于2011年5～6月在140°E的位置產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)6～7個(gè)月之后在2011年1月到達(dá)122.5°E的位置，且與圖10中經(jīng)向流速形成的渦旋結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。

但是我們也同時(shí)觀察到，圖10和11中的溫度異常和流速異常并非嚴(yán)格從東向西傳遞的，尤其是在大洋內(nèi)部區(qū)域，136°E附近和124°E附近鹽度和流速異常的色帶發(fā)生扭曲變形，為了進(jìn)一步驗(yàn)證是否有次表層渦旋結(jié)構(gòu)從140°E的位置傳遞過(guò)來(lái)，還是從離太平洋西岸更近的位置傳播，作者對(duì)圖11紅框內(nèi)的單個(gè)渦旋進(jìn)行追蹤。

圖10 18°N～20°N緯向平均的經(jīng)向流速異常哈默圖Fig.10 Longitude-time distribution of zonal mean meridional velocity anomaly between 18°N～20°N

圖11 18°N～20°N緯向平均的溫度異常哈默圖Fig.11 The same as Fig.10 but zonal mean temperatureanomaly

4.3 渦旋結(jié)構(gòu)的追蹤和分析

本文選取圖11中紅框區(qū)域內(nèi)的暖異常變化進(jìn)行追蹤。圖11顯示該渦旋在140°E位置產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)6～7個(gè)月時(shí)間到達(dá)菲律賓沿岸，即所選取的時(shí)間如表1所示。圖12、13顯示了渦旋在138°E，18°N附近產(chǎn)生，并向西邊界運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，紅框內(nèi)為本文所追蹤的暖異常和流速異常。從圖12(b)和(c)可以看出，在到達(dá)136°E時(shí)，渦旋面積似乎在一個(gè)月內(nèi)(2011年7月15日～8月20日)有所擴(kuò)張，渦旋經(jīng)向流軸變成了之前的兩倍，但是從圖12(b)和(c)可知，這里出現(xiàn)兩個(gè)南北向流動(dòng)的結(jié)構(gòu)，即這里可能新產(chǎn)生了一個(gè)渦旋，而140°E產(chǎn)生的渦旋到達(dá)136°E之后無(wú)法繼續(xù)向西傳播，而是由136°E位置產(chǎn)生的新的渦旋繼續(xù)向西運(yùn)動(dòng)。而從圖12和13的最后兩個(gè)時(shí)刻來(lái)看，渦旋沿東西方向運(yùn)動(dòng)到124°E，20°N以后產(chǎn)生了變形，逐漸由東西向渦旋結(jié)構(gòu)向西南-東北方向拉伸，并且最終向西南方向運(yùn)動(dòng)到達(dá)呂宋島沿岸。

表1 追蹤渦旋所選取的日期Table 1 Date of the flow field chosen in Fig. 12 and Fig. 13

((a)～(f)的時(shí)間見(jiàn)表1。Time of the subgraphs is showed in Table 1.)

((a)～(f)的時(shí)間見(jiàn)表1。Time of the subgraphs is showed in Table 1.)

4.4 呂宋島以東海底地形的變化

為了進(jìn)一步尋找渦旋活動(dòng)在136°E和124°E終止傳播和發(fā)生扭曲變形的原因，本文根據(jù)Etopo地形數(shù)據(jù)畫出研究區(qū)域內(nèi)海底地形的變化(見(jiàn)圖14)。從圖中可以看到，在134°E～136°E位置存在一系列從南向北淺水小島組成的淺水鏈，而在124°E～126°E，16°N～18°N位置，也存在3 000 m以淺的深度異常，這導(dǎo)致渦旋運(yùn)動(dòng)到136°N時(shí)，由于地形阻隔原因無(wú)法繼續(xù)向西傳播，而到達(dá)124°E時(shí)，渦旋由于β效應(yīng)，會(huì)向北繞過(guò)淺水區(qū)域而后沿20°N，124°E向西南向的深水帶一直運(yùn)動(dòng)到呂宋島沿岸，這是呂宋潛流在次表層產(chǎn)生100 d以上周期的原因。

圖14 120°E～140°E，16°N～24°N的海水深度Fig.14 Water depth of 120°E～140°E，16°N～24°N

5 總結(jié)與討論

本文根據(jù)ADCP觀測(cè)到的呂宋島附近流速在溫躍層以下存在100天以上周期的異常變化，分析該變化的特征和形成機(jī)制。基于更長(zhǎng)時(shí)間和空間范圍的Hycom模式數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)間空間濾波和EKE的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)盡管呂宋島沿岸存在大量渦旋活動(dòng)，但是其渦旋產(chǎn)生周期遠(yuǎn)小于100 d，而更低頻的流速和溫度異常出現(xiàn)在呂宋島東北方向18°N～20°N的海區(qū)內(nèi)。通過(guò)進(jìn)一步的追蹤可以發(fā)現(xiàn)，由于地形阻隔作用，周期約4個(gè)月，水平半徑為100～200 km的中尺度渦旋產(chǎn)生于136°E，18°N～20°N的區(qū)域內(nèi)，而非140°E的位置，然后以平均8.3 km/d,即6.68 cm/s的速度向西運(yùn)動(dòng)，該速度低于Rossby波的第一斜壓態(tài)傳播速度。在到達(dá)124°E后，向北繞過(guò)淺水海域并向西南向運(yùn)動(dòng)至呂宋島沿岸。

本文目前僅根據(jù)EKE分布和溫度流速異常，探索到與呂宋潛流次表層變化周期一致的渦旋結(jié)構(gòu)，找到引起呂宋潛流次表層變化的可能機(jī)制。下一步工作將進(jìn)一步探索這些次表層渦旋產(chǎn)生的來(lái)源和傳播機(jī)制，并通過(guò)更多細(xì)化的統(tǒng)計(jì)正反氣旋渦旋研究其變化規(guī)律和對(duì)次表層流動(dòng)的實(shí)際影響，以及對(duì)上層黑潮可能產(chǎn)生的影響。